地鐵施工中支護結構穩定性監測與結構加固技術

王 楠

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南)

引言

城市發展需求：隨著城市人口的增長，地鐵成為了解決交通擁堵、提高出行效率的首選方案之一。為了滿足快速發展的交通需求，地鐵線路和站點建設規模逐漸擴大。然而，由于地鐵建設大多需要穿越各種復雜的地質地貌，地下環境較為復雜，所以地鐵支護結構的穩定性成為關注的焦點[1]。地鐵施工往往需要穿越各種地質層，如土層、巖層、水層等，且施工場地局限于狹小的地下空間，施工條件復雜。這些特殊環境給地鐵支護結構的設計和施工帶來了挑戰，并且可能對支護結構的穩定性產生不利影響[2]。因此，對地鐵支護結構進行穩定性監測和結構加固具有重要的實踐價值[3]。為此，本文針對支護結構穩定性監測與結構加固技術展開研究。

1 工程概況

此次研究以濟南地鐵四號線唐冶南站施工項目為對象。唐冶南站為地下二層島式車站，南北向布置于唐冶中路下方。車站總長度為299.5 m，標準段寬度為20.7 m。主體結構標準段基坑深度18.3 m，小里程、大里程端頭均設置盾構始發井[4]。表1 為該車站的基本概況信息。

表1 唐冶南站工程概況信息記錄

唐冶南站大里程位于鐵礦采坑回填區中，勘察深度范圍內揭露回填土地質復雜，為對抗后期的不均勻沉降，對采礦回填區內圍護結構進行優化[5]。

2 地鐵施工中支護結構穩定性監測

以南京軌道交通4 號線唐野南站為例，采用全站儀、測斜儀、水平儀等三種儀器，對隧道的水平位移、切斜角以及隧道的沉降等進行全方位監測。在使用全站儀進行監測時，可設置水平方向上的位移監測點共20 個，要求各個監測點的布設間隔距離為10 m[6]。結合下述計算公式計算每個監測點的平均水平位移值：

式中，xj表示編號為j 的監測點平均水平位移測定結果；xij表示編號為j 的監測點在進行第i 次測定時的水平位移測定值；n 表示觀測的次數，根據上述設置條件，n 的取值為20。

最后，監測沉降位移[7]。設置30 個監測點，各個監測點之間的距離設置為10 m，然后利用拋物線法[8]完成對沉降位移的測量，過程如下：

式中，D 表示沉降位移量；F 表示支護結構的側移面積；B 表示基坑深度；C 表示測定得到的沉降量結果；θ表示內摩擦角度。根據式（2）可以得到沉降位移的具體數值。在完成20 次的觀測后，同樣結合式（1）對每個監測點的平均沉降位移進行計算。

3 結構加固技術

3.1 排樁加內支撐支護體系設計

針對上述工程項目，采用的結構加固體系為排樁加內支撐支護體系。排樁采用Φ1000@1500 鉆孔灌注樁，車站主體基坑標準段共設置3 道支撐（端頭盾構井處4 道支撐）[9]。唐冶南站大里程位于鐵礦采坑回填區中，勘察深度范圍內揭露回填土地質復雜，為對抗后期的不均勻沉降，對采礦回填區內圍護結構進行優化[10]。排樁采取全套管鉆孔灌注樁施工工藝，基坑外側（0.7 倍基坑深度范圍）進行袖閥管注漿加固，基坑內（里程CK36+754.141-CK36+863.771）采取袖閥管注漿加固及素樁換填工藝進行處理。

3.2 鉆孔灌注樁施工

本站圍護樁共兩種，分別為鉆孔灌注樁和全套管鉆孔灌注樁，全套管鉆孔灌注樁工藝流程與鉆孔灌注樁工藝流程相似，僅在鉆機成孔與混凝土灌注兩方面不同。圍護樁施工采用“鉆孔灌注樁工法”進行施工，施工工藝流程見圖1。

圖1 鉆孔灌注樁施工工藝流程

按照圖1 所示流程進行鉆孔灌注樁施工時，應按照表2 中內容確保成孔的質量符合施工要求。

表2 鉆孔灌注樁施工成孔質量要求

為使孔底沉渣厚度、循環泥漿性能指標符合質量要求，終孔后應進行清孔。在完成鉆孔灌注樁施工后，需要結合長螺旋施工工藝完成施工操作。長螺旋引孔旋挖鉆清孔施工原理是利用長螺旋鉆機先鉆到入巖標高，再由旋挖鉆機清孔鉆進至設計標高，克服長螺旋不能入巖，旋挖鉆成孔取土慢這一特點，長螺旋引孔鉆進過程中，對樁周圍土擠壓，達到護壁效果，并且24小時施工，再由旋挖鉆至入巖設計標高而成樁。當長螺旋鉆孔深度達到入巖時，提鉆由旋挖鉆至設計標高。

3.3 鋼筋籠制作與安裝

該車站施工項目采用兩套滾焊機進行加工鋼筋籠，在35 倍鋼筋直徑范圍內，鋼筋連接處的節點數量不超過鋼筋數量的50%。C 型樁鋼筋籠主筋采用26根HRB400C25 鋼筋，箍筋采用HRB400Φ14@100，內側設置HRB400C20@2000 的加強箍筋。圖2 為鋼筋籠配筋示意。

下料時，主筋應符合設計長度，加強筋應準確加工，使其尺寸與鋼筋籠的直徑相匹配，并在加固筋上明確標明主筋的位置，各主筋應與加固筋所標明的節點點焊，鋼筋籠構架成型后，應按設計間隔將箍筋與加固筋之間的距離進行焊接。鋼筋凈保護層厚度70 mm，護壁環自冠梁底開始布置，每隔3 m 布設一道，每道安裝4 個，均勻分布。表3 為鋼筋加工及安裝質量檢驗標準。

表3 鋼筋加工及安裝質量檢驗標準記錄

鋼筋籠采用一臺50 t 汽車吊整體吊裝。樁位成孔及鋼筋籠制作完畢后，在鋼筋籠吊裝前要進行驗收。

4 加固效果分析

在結合上述論述內容，完成對結構的加固后，為驗證該加固技術的應用可行性，對加固效果進行分析。首先，針對鋼筋加工及安裝質量進行驗證，通過對各個檢驗項目按照其對應的檢驗方法進行驗收，記錄測定得到的實際數值，并將該數值與對應的允許誤差對比，若實際數值在允許誤差范圍內，則說明質量合格。將測定的結果記錄見表4。

表4 結構加固技術應用質量效果驗證

分析表4 可知，應用上述結構加固技術鋼筋加工及安裝的過程中，各項質量驗收項目的測定結果均控制在了允許范圍內，初步證明該結構加固技術的可行性，能夠滿足施工質量要求。在此基礎上，對加固后的支護結構穩定性進行分析，采用穩定性系數，作為衡量支護結構穩定性的量化指標。穩定性系數的計算公式為：

式中，K 表示穩定性系數；Epk表示支護結構內側被動土壓力合理標準值；zp2表示支護結構內側被動土壓力合理作用點到支護結構底端距離；Eak表示支護結構外側被動土壓力合理標準值；za2表示支護結構外側被動土壓力合理作用點到支護結構底端距離。

通過式（3）計算得出的穩定性系數K，按照該地鐵施工項目的要求，取值不得小于1.25，高于該數值，則說明支護結構穩定性極高，滿足地鐵施工目標條件；對于該數值，則說明支護結穩定性較低，無法滿足地鐵施工目標條件。根據上述論述，將應用新的結構加固技術前后的支護結構穩定性系數計算結果記錄如表5 所示。

表5 結構加固技術前后支護結構穩定性系數

分析表5 可知，在應用本文上述提出的結構加固技術前，只有編號為ZH-#01 的測點上支護結構穩定性系數計算結果符合上述不小于1.25 的規定，而其余各個測點的支護結構穩定性系數均小于該數值。在應用本文上述提出的結構加固技術后，各個測點的支護結構穩定性系數均達到了2.00 以上，充分滿足上述條件要求。因此，通過上述得出的結果可以充分證明，應用新的結構加固技術后地鐵施工中支護結構的穩定性得到顯著提升，進而促進了地鐵施工整體穩定性的提高。

結束語

本文上述以濟南地鐵四號線唐冶南站施工項目為依托，對其支護結構穩定性進行了全面監測，并提出了一種全新的結構加固技術。通過對加固效果分析，實現了對該技術應用可行性的驗證。在具體施工中，需要嚴格按照本文上述操作進行施工，規劃好施工機械在施工現場的行走路線，開辟出適當的工作面，做好施工區域周邊的臨邊防護和安全巡視，確保安全技術管理到位，強化安全技術交底的編制和培訓，對外部施工隊伍進行嚴格的安全生產管理，確保施工安全性進一步提高。