預制混凝土支撐對地鐵豎井施工穩定性的影響

黃安平 李華龍 王招兵 任建喜 謝 易 鄒翔宇

(1.中建三局集團有限公司,430070,武漢; 2.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥第一作者,高級工程師)

地鐵建設離不開車站主體基坑[1]及施工豎井[2]等工程。學者們已對現有支撐體系下的深基坑施工穩定性進行了研究。文獻[3]考慮了軟土蠕變和混凝土強度隨時間變化,分析了基坑圍護結構的變形規律。文獻[4]研究了鋼支撐的剛度和間距對深基坑樁體側移變形的影響。西安地鐵8號線新植物園站2#出入口垂直電梯井兼作施工豎井(以下簡為“2#豎井”),其施工采用了預制混凝土支撐。這是該支撐在我國地鐵建設中的首次應用[5]。為了驗證預制混凝土支撐的安全穩定性與優越性,本文基于FLAC3D軟件的計算結果與現場監測數據,分析空間效應下豎井支撐軸力和圍護樁的側向及豎向位移,以現澆式支撐為對比,研究預制混凝土支撐對豎井施工穩定性的影響。

1 項目概況

1.1 豎井結構

2#豎井位于西安市公園南路與三環快速路交叉口的西北角,緊貼高邊坡,東西寬9.20 m,南北長17.80 m,開挖深度為38.56 m。邊坡采用直徑為1.20 m、長度為27.30 m、橫向及縱向間距分別為3.60 m及1.50 m的雙排樁,截面為0.30 m×0.30 m的預制混凝土格構梁,以及長度為2.00 m、橫向及縱向間距分別為3.00 m及3.00 m的錨桿。豎井主體支護采用φ1.80 m@2.35 m的圍護樁聯合鋼筋混凝土支撐的方案。其中第一道為現澆的混凝土支撐,第二至第七道為預制混凝土支撐。預制混凝土支撐如圖1所示。

圖1 預制混凝土支撐

1.2 豎井開挖工序

2#豎井的施工進度可劃分為8個階段,見表1。

表1 2#豎井施工進度表

各道預制混凝土支撐的施工工藝為:①放樣八塊腰梁的控制點;②開挖土方至腰梁底標高處,將各塊腰梁吊裝至中部,再由挖掘機配合手拉葫蘆運到指定位置,鑿除相應圍護樁的混凝土保護層,并將預埋套筒與腰梁的鋼筋連接;③如圖1所示,支撐濕接縫的B節點較A節點先拼裝焊接且無需施加預應力,當B節點達到設計強度后,每道預制支撐的所有A節點同時施加預應力,焊接工字鋼,取出千斤頂后焊接鋼筋,支模并灌注微膨脹混凝土,細節見文獻[5];④每根樁與腰梁上部采用花籃螺絲連接,待土層開挖后再安裝下支架。

1.3 監測方案

2#豎井的測點布置圖如圖2所示。

a) 平面圖

2 豎井施工的數值模擬方法

2.1 建立計算模型

建立三維模型對豎井施工過程進行計算。為降低邊界效應對計算結果的影響,三維模型的長、寬、高分別取129.00 m、46.00 m、80.46 m,如圖3所示。作為對比,還建立平面模型進行計算。平面模型的長、寬、高分別取129.00 m、1.00 m、80.46 m,其余參數與三維模型相同。根據抗彎剛度相等的原則,將豎井圍護樁和邊坡雙排樁分別折算成一定厚度的地下連續墻[6]。

圖3 三維模型圖

(1)

式中:

D——樁的直徑,單位mm;

t——樁的凈間距,單位mm;

h——折算成地下連續墻的厚度,單位mm。

對于豎井圍護樁,D=1 800 mm,t=550 mm,由式(1)計算并取整可得,h=943 mm;對于邊坡雙排樁,D=1 200 mm,t=300 mm,由式(1)計算并取整可得,h=934 mm。

2.2 模型參數和開挖步序

本次模擬選用摩爾-庫侖理論作為土體的破壞準則,支護結構均設置為彈性本構模型。錨桿與格構梁由軟件內置的結構單元生成,其余構件均采用實體單元構建。假設地表和土層為水平分層,相應的土體物理力學參數如表2所示。支護結構的模擬計算參數見表3。

表2 土體物理力學參數

表3 支護結構的模擬計算參數

在模擬計算中:當全部支撐為現澆式支撐時,彈性模量從6.76 GPa逐漸增加至32.50 GPa;預制混凝土支撐與預制腰梁的彈性模量一直保持為32.5 GPa;濕接縫處混凝土的彈性模量則從6.9 GPa逐漸增加至34.5 GPa。如圖1所示,預制混凝土支撐還需用千斤頂施加預應力F0。各道支撐的F0取值見表4。

表4 各道支撐的F0取值

根據現場實際施工步驟,將2#豎井的模擬建造過程劃分為4個模擬工序,如圖4所示。

a) 施作格構梁和錨桿

3 數值模擬結果與現場監測結果

3.1 支撐軸力

對比分析第二道支撐測點ZCL2-3軸力(軸力以拉為正,以壓為負)的模擬值與實測值,結果如圖5所示。

圖5 測點ZCL2-3的支撐軸力

結合圖5分析可知:現澆支撐一開始即受到壓力的作用;預制混凝土支撐受預應力作用,在該階段受拉。經核實,在混凝土澆筑37～58 d時,現澆法支撐施工時所受軸力與裝配法支撐軸力的差值為0.75F0;在混凝土澆筑79 d后,兩者的差值基本穩定為0.90F0。平面模型計算結果偏大,三維模型的模擬值與實測值更接近。

3.2 圍護樁樁體的水平位移

選取測點組ZQT2,分析開挖結束時其水平位移與深度之間的關系。樁體不同深度處測點組ZQT2的水平位移(以向外為正,向內為負)如圖6所示。

圖6 樁體不同深度處測點組ZQT2的水平位移

由圖6可知:該豎井的空間效應明顯;平面計算得出的樁體上下端水平位移偏大;在三維模型的模擬計算中,豎井兩側壁能有效減少北側樁所受的土壓力,并抑制其水平位移;三維模擬值與實測值的變化規律較吻合,第一至七道支撐的約束作用降低了深度為1.00、7.56、14.16、19.76、24.06、29.06、33.56 m處的樁身變形。

3.3 圍護樁的樁頂水平位移

測點組ZQS2的樁頂水平位移如圖7所示。由圖7可知:預制混凝土支撐的樁頂水平位移均小于現澆支撐的樁頂水平位移;當第一道支撐布置時,三維模型的樁頂水平位移模擬值迅速增大,之后平緩地朝著零偏移發展;當第四道支撐安裝并達到設計強度后,樁頂水平位移實測值才有所穩定;平面模型計算得到的模擬值反而加速下降。

圖7 測點組ZQS2的樁頂水平位移

3.4 樁頂沉降

測點組ZQS2的樁頂沉降如圖8所示。由圖8可看出:樁頂累計沉降值自豎井開挖后呈臺階式下降;三維模型的模擬值與實測值基本一致;而平面模型的模擬值于施工130 d后加速下降,與實測值相差較大。

圖8 測點組ZQS2的樁頂沉降

4 結論

1) 該豎井的空間效應明顯,三維模擬較平面計算更符合實測的圍護樁變形規律。

2) 混凝土支撐可減小其所處位置樁體的內傾,預壓力可降低最終的支撐軸力值且有助于抑制樁的水平位移,但對豎井圍護樁沉降的影響較小。

3) 采用現澆法時,完整地施作每道鋼筋混凝土支撐共需35 d。而實際中,2#豎井各道支撐完整安裝所需的時間分別為17、14、8、13、11、10、10 d。該豎井緊鄰高邊坡且開挖深度大,預制混凝土支撐由于提前施加預應力可以充分激發圍護樁后的被動土壓力,從而減小樁的水平位移,更好地保證豎井穩定性。

此外,預制混凝土支撐能克服錨索支護在土層中錨固力不足的缺陷,充分結合鋼支撐與現澆混凝土支撐的優勢,保證支護體系的整體性、剛度大且施工效率高,適用于邊坡附近。