深基坑支護的變形效應(yīng)及專項施工方案

曾 里

（江西省地質(zhì)工程集團有限公司，南昌 330029）

深基坑支護工程施工難度大，特別是應(yīng)用在地鐵地下空間的巖土工程，需要提前做好試驗測試及模擬分析，通過對模型試驗的力學(xué)分析等比在實際工程中，以便在設(shè)計施工環(huán)節(jié)降低事故風(fēng)險，提升巖土工程深基坑支護技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 地鐵車站深基坑支護的變形效應(yīng)分析

1.1 變形效應(yīng)模型試驗設(shè)計

文章針對南昌某地鐵車站地下空間巖土工程深基坑的變形效應(yīng)進行分析，通過對開挖作用下基坑受力形變特征、破壞模擬及基坑支護體系的研究，從而得出模擬試驗的數(shù)值結(jié)果，進一步得出基坑邊坡及支護體系的穩(wěn)定性系數(shù)，具體的試驗操作如下。

1.1.1 模型試驗裝置設(shè)計

結(jié)合地鐵車站地下空間深基坑巖土工程的地質(zhì)及地形特點，采取了明挖法，將開挖深度設(shè)計在18.50～19.50 m 之間，開挖進行中要考慮地下水深度，將底板的標(biāo)高設(shè)計為132.84 m，使其高于地下水深度。開挖前的邊坡支護采用排樁加內(nèi)支撐方法。變形效應(yīng)試驗需要模擬以上施工過程，應(yīng)用箱式模型箱系統(tǒng)實現(xiàn)模擬過程，并將箱體尺寸設(shè)計為長×寬×高=0.8 m×0.6 m×0.55 m[1]。模型箱框架材質(zhì)選用鋼結(jié)構(gòu)，底板及側(cè)體材質(zhì)選用有機玻璃，試驗過程中所需的側(cè)壁支護檔墻、排樁、腰梁及內(nèi)支撐材質(zhì)采用白卡紙，在需進行豎向荷載的加載試驗時采用砝碼，進行豎向位移監(jiān)測后記錄的數(shù)據(jù)采用百分表讀取，橫向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可用人工記錄方式。實際應(yīng)用中模型箱系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 模型箱系統(tǒng)模型圖

1.1.2 模型試驗過程設(shè)計

準(zhǔn)備好試驗裝置及材料后，進行過程設(shè)計，第一步對模型的相似關(guān)系進行分析，在依據(jù)相似理論的基礎(chǔ)上（相似正定理、π 定理、相似逆定理），選取幾何相似常數(shù)為1∶40，并且要求模型試驗中的模量與強度參數(shù)相似[2]。采用量綱分析法進行π 項式和相似準(zhǔn)則方式的計算，進而得出試驗所需物理量的相似比，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 模型試驗相似關(guān)系及相似比

結(jié)合上文中模型箱的尺寸，可以將模擬試驗場地的尺寸設(shè)定為長×寬×深=32 m×24 m×22 m。

第二步對模型場地進行鋪設(shè)，模擬實際地鐵站地下空間巖土工程的地質(zhì)情況，對模型試驗箱進行8 層鋪設(shè)，第一層鋪設(shè)雜填土（0.8 m）、第二次鋪設(shè)素填土（1.2 m）、第三層為黃土狀粉質(zhì)黏土（4.6 m）、第四和五層均為粉質(zhì)黏土（分別為5.6 m 和8.5 m）、第六次鋪設(shè)卵石（9.8 m）、第七和八層鋪設(shè)泥巖（11.5 m），8 層總鋪設(shè)厚度為42 m。考慮到模型箱的體積限制，鋪設(shè)粉質(zhì)黏土?xí)o試驗造成較強的邊界效應(yīng)，因此將其改成標(biāo)準(zhǔn)砂，得出相該層的力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 模型箱標(biāo)準(zhǔn)砂鋪設(shè)層的物理力學(xué)參數(shù)表

第三步進行模型結(jié)構(gòu)的支護設(shè)計，模型箱框架為鋼結(jié)構(gòu)，底部及側(cè)體的有機玻璃采用亞克力板，支護檔墻、排樁、腰梁及內(nèi)支撐采用白卡紙進行支護，相關(guān)材料的基本參數(shù)須達到表3 要求。

表3 試驗材料參數(shù)表

1.2 變形效應(yīng)模型試驗施工

模型試驗施工首先需要進行底層鋪設(shè)，根據(jù)模擬試驗設(shè)計要求，將相應(yīng)土層鋪設(shè)到箱體中，注意鋪設(shè)時每隔10 cm 夯實一次，并且結(jié)合鋪設(shè)土層高度進行支護操作，支護部件進行安裝時，排樁作為支架，將腰梁與內(nèi)支撐用熱熔膠粘結(jié)，白卡紙用雙面膠貼在兩側(cè)，實現(xiàn)對支護檔墻的支撐[3]。

其次要進行數(shù)據(jù)測量，重點測量數(shù)據(jù)為箱體中土層的豎向沉降、支護體系中排樁的橫向形變，豎向沉降采用百分表測量，橫向形變采用伸縮刻度尺測量。應(yīng)用4 個百分表分別放置在箱體四角，并設(shè)置加載位移為2 cm，記錄4 個百分表讀數(shù)，在加載量為0 時測量出各個截面與排樁交點距離，隨著加載量的增加，繼續(xù)測量截面與排樁交點距離，將每一次的加載量設(shè)置為50 kg砝碼，直至8 次加載后，加載量達到400 kg 砝碼時模型損壞，測量數(shù)據(jù)讀取環(huán)節(jié)結(jié)束。

1.3 變形效應(yīng)模型試驗加載

試驗加載時選用5 kg 與10 kg 砝碼逐次加量，通過測量模型基坑周邊地面載荷形變來分析實際地鐵車站的基坑變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律。進行8 次加載試驗取得的測量數(shù)據(jù)見表4，箱體試驗的平面模型如圖2 所示。

表4 試驗加載方案及測量結(jié)果

圖2 模型試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測點平面圖

模型試驗加載設(shè)計時，每次加載后需要靜止10 min 再讀取百分表數(shù)據(jù)，由于基坑周邊荷載均小于30 kPa，因此加載試驗荷載設(shè)計為25 kPa，累計加載的土體數(shù)量荷載為33.3 kPa，從0 到400 kg 分8 次進行，每次增量為50 kg，得出土體的豎向應(yīng)力為4.17 kPa[4]。

1.4 變形效應(yīng)模型試驗結(jié)果

根據(jù)試驗讀取結(jié)果，可以分析圖2 中7 個排樁的位移變化規(guī)劃，首先看箱體土層深度對樁身位移變化的影響，由于位置的不同，1 號排樁在基坑邊緣，在荷載作用較小時，排樁位移變化先減小后增大，隨著荷載量增加，位移變化出現(xiàn)先增大后減小的情況，出現(xiàn)位移變化點在土層距頂面250 mm 處（參照比例，在實際工程中為10 m）；第2 號排樁到第6 號排樁與邊緣有一定距離，隨著土層深度的增加，其位移變化為先不變后增大，在荷載量較小時位移變化較小，荷載量較大時位移變化較大，位移變化點與1 號排樁相同；7 號排樁距離邊緣最遠，在土層深度不斷增加后，其位移變化逐漸增大，并且在荷載量較小時位移變化較小，荷載量較大時位移變化較大。

其次看荷載變化規(guī)律對樁身位移的影響。分析試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，由于基坑邊界效應(yīng)的影響，截面一、截面二和截面三處的排樁位移隨著荷載量增加，其位移增加的變化量較小，幾乎可以忽略其變化；但隨著土層深度的增加，樁身的位移均出現(xiàn)一定程度的變化，按照變化幅度從小到大的順序依次為：截面一、截面二和截面三。

2 地鐵車站地下空間深基坑支護的專項施工方案

2.1 地鐵車站地下空間基坑施工概況

本文圍繞南昌某地鐵車站地下空間巖土工程進行施工設(shè)計，其工程標(biāo)段涉及7 個地鐵站。深基坑采用明挖順筑技術(shù)，結(jié)合上文的變形效應(yīng)試驗結(jié)果分析，車站的圍護結(jié)構(gòu)需要用到鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護模型，土方開挖分4 次進行，這個過程中配合使用3 層支護操作，第一層支護應(yīng)用800 mm×900 mm 的砼體，第二層支護采用?800，t=16 mm 的鋼管，第三層支護采用?609，t=16 mm 的鋼管。

2.2 基坑專項方案施工設(shè)計

2.2.1 基坑開挖設(shè)計

基坑開挖要采用豎向開挖方式，從上至下逐層進行，挖進的每一層層底標(biāo)高高度設(shè)計要低于支撐底標(biāo)高，兩者差值為0.5 m，土方的4 次開挖需要分9 層進行，具體的開挖要求就開挖標(biāo)高數(shù)值見表5。

表5 土方開挖范圍及深度表

開挖進行中，第一層的開挖可以應(yīng)用1 m3反鏟式挖掘機，開挖深大達到過鉆孔灌注樁樁頭時，進行第一層混凝土支護；第二層到第五層開挖應(yīng)用長臂挖掘機及中型挖掘機，此時挖出土方量較大，需要配合自卸式汽車運送至指定場地；第六層到第九層，以及端頭井開挖應(yīng)用PC220 挖掘機，隨著豎向開挖深度的不斷加深，每一層開挖前需要清理好土層雜物，挖出的殘留土方應(yīng)用液壓抓斗機或土斗吊至地面運走。

2.2.2 基坑排水設(shè)計

監(jiān)測巖土工程的地下水位后發(fā)現(xiàn)挖進的基坑底部低于水位2.7 m，而且端頭井位置距離水位線最近的距離為0.5 m，基坑挖進過程中會存在滲水情況，因此需要在基坑處加裝降水井，根據(jù)開挖進度，每一層設(shè)計相應(yīng)的集水坑，遇到滲水時運用水泵及時抽出。在降水井中安裝一條無縫隙的水泥礫石濾水管，直徑為400 mm，由于地鐵站地下空間開挖深度較深，對降水井的壁面需要用鋼管支護，在距離井口處3 m 到井口位置的濾水管用無紡布包裹2 層，并且在井深范圍內(nèi)回填C3～7 mm 濾料[5]。

2.2.3 基坑支護設(shè)計

地鐵站巖土工程處原路面為混凝土路面，需要在支護施工前對其破除，第一層開挖時，采取混凝土支護設(shè)計。首先，需要將鉆孔灌注樁灌注多余的混凝土鑿掉，位置與冠梁梁底標(biāo)高相等。后續(xù)的鋼筋支護需要設(shè)計出活絡(luò)端、固定端及中間段，并對活絡(luò)端施加一定的應(yīng)力，保證應(yīng)力不變的情況下運用吊裝設(shè)備將鋼支撐材料放置在設(shè)計位置，此時吊鉤不能松開，牽引出活動頭一方使其支撐鋼圍檁，在此間隙應(yīng)用2 臺100 T 液壓千斤頂代替活動頭做支撐。注意施工進程中千斤頂?shù)捻攭阂３忠恢拢敹说妮S力方向始終平行于支撐中線。混凝土支護及鋼筋支護的軸力標(biāo)準(zhǔn)值見表6。

表6 預(yù)加軸力控制表

3 結(jié)論

文章通過對地鐵車站地下空間巖土工程結(jié)構(gòu)進行模擬試驗分析，總結(jié)出工程實際中的基坑沉降位移規(guī)律及排樁水平位移規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，對車站開挖、排水、支護過程進行專項設(shè)計，保證基坑巖土工程支護施工過程能夠順利進行。