明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策研究

馬 亮 周海濤

（中交一公局第二工程有限公司， 江蘇 蘇州 215011）

1 工程概況

明挖法施工方式是地鐵以及機場等項目建設過程中采用的重要方式之一，對周邊建筑物安全可能產生不良影響，因此，加強對明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策的研究具有十分重要的意義。

文章在對明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策研究過程中選取了河南省鄭州市航空港區的某城際鐵路工程，在對居民集中地段的設計上采用了明挖隧道施工方式，完成主體結構之后進行覆土回填，具有3.058km的線路長度，由樁間旋噴樁止水帷幕以及孔灌注樁共同構成了基坑圍護結構形式。設計了2.5m和3m的鋼支撐間距，結合公路施工過程中的具體線路設計了4種不同的主體結構形式。粉質戮土、全新統沖積粉細砂以及含礫中粗砂地層是其中主要的地質結構，具有比較厚的第四系覆蓋層。粉質戮土、洪積黃土以及粉土較多。建設的重要用途是為新政機場服務，采用了基本垂直的隧道結構，為了充分保證施工基坑安全、臨邊建筑安全以及周邊管線的安全，要求充分加強圍護結構變形情況的監測[1]。

2 采集監測數據

在工程建設的過程中，隨著區間基坑開挖，會對基坑內外的土體應力平衡產生一定程度的影響，由此可能會出現土體變形現象，如果施工地區的地質條件較為復雜，這種現象會表現地更加明顯。由于本次施工地質情況復雜，具有較大的工程基坑跨度，同時地下水位變化幅度也較大。因此要求檢測基坑圍護樁的變形情況，從多種角度控制圍護樁變形值，將其控制在限值之內，保證基坑的安全性與穩定性。

本次研究在監測數據的采集上以明挖隧道4個特征斷面作為研究對象，分析其沉降數據與最終位移，對得到的監測數據建立模擬與分析體系，從而實現對圍護樁頂水平位移以及樁頂沉降現象的及時監測。

3 明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策研究

圍護結構的變形具有持續性，在各基坑開挖階段的表現不盡相同，主要有以下三個方面：

（1）開挖初期，此時基坑總體保持穩定，并未受到明顯的擾動，僅存在微量的變形；

（2）開挖中期，在完成鋼支撐的架設作業后，通過該裝置的作用有效減小圍護樁的上部變形量，此時最大水平位移主要集中在樁體中部；

（3）基坑開挖到底，通過對實際變形曲線的分析得知，其與圍護樁的理論曲線幾乎一致，但各樁的工作條件不同，如鋼支撐軸力、現場地質環境等，因此也存在微小的區別。在本次的施工過程中，明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策研究分析過程中主要包含了鋼支撐軸力、工程地質條件、護樁樁體剛度因素及圍護樁樁頂沉降因素的影響與處理措施。

3.1 鋼支撐軸力的影響與處理措施

由于鋼支撐架設時間與鋼支撐軸力的影響作用，會導致圍護樁出現不同程度的變形，對最終變形量產生了較大程度的影響。本次研究過程中綜合采用了實測與模擬共同運用的研究方式，對圍護樁變形與鋼支撐軸力之間的關系進行了探索，在其制定的過程中充分結合了當地的水文地質情況。

分析模擬結果可知，鋼支撐預加軸力與樁身位移呈反比例關系。初始減小幅度表現較為顯著，在預加力逐漸加大的背景下，對樁身位移的約束效果也呈現出逐漸下降的趨勢，最終趨近于0。因此能夠看出過大的預應力作用之下對樁身的位移并不會產生太大的影響作用。根據這一設計原理，在避免圍護結構產生過大變形的情況下要求加強對鋼支撐預應力的設計。不應盲目提升鋼支撐預應力，在這種情況下并不能避免樁體位移，因此可以選取50%～80%的設計軸力來設計鋼支撐預加軸力。

在本次項目的施工過程中，W065圍護樁達到了22.54mm變形值，E044圍護樁達到了23.62mm變形值，第一道鋼支撐是先挖后支的利用方式。這兩種支撐方式最終都變成了典型的前傾型變形曲線，在水平位移上圍護樁能夠達到最大的變形位置。W103圍護樁達到了16.59mm變形值，W012圍護樁達到了18.13mm變形值，這兩種支撐方式最終都變成了弓形變形曲線，由于鋼支撐軸力的作用，有效控制了樁體頂部的變形現象，其產生的位移量和最終得到的模擬結果一致。

3.2 工程地質條件的影響與處理措施

很多工程建設施工過程中均會受到地層巖土性質的不同程度的影響，這在很多工程中具有明顯的體現，但是在本次工程中則不太明顯，這主要是由于各個圍護樁嵌入地層的深度基本一致。在工程建設過程中的圍護樁上半部的構成主要是軟弱土地層，具有聚力較小以及土層內摩擦角較小的特征。但是同時產生了比較大的主動土壓力，由此增大了圍護樁的水平位移，這在最終位移曲線的表現過程中有著較為明顯的體現，達到了23.62mm的圍護樁最大水平位移數值，但是并沒有＞30mm的限制數值。由此通過對多項數據的分析能夠看出此次工程施工過程中是按照相應的操作規范來設計圍護樁的最大水平位移，優化了本項目的圍護結構，最終項目取得了良好的設計效果。

3.3 圍護樁樁體剛度因素的影響與處理措施

圍護樁構變形情況與剛度的分析過程中運用數值模擬的方法能夠取得較為良好的分析效果，由樁間距、圍護樁直徑、混凝土型號以及配筋情況共同構成圍護樁的剛度數值。在此次的研究過程中，在保證其他條件均不變的情況下來對樁徑的大小進行一定程度上的改變，從而對圍護樁剛度產生相應的影響作用，通過這一措施的實行，最終從多種角度促進了基坑安全，設定了最佳的圍護樁樁體剛度。

分析不同樁徑下樁身變形情況可知：圍護樁的結構變形與剛度呈反比關系， 在剛度逐漸增大的情況下圍護樁的結構變形會逐漸減少。在控制圍護樁結構變形中，如果采用調整圍護樁剛度的方式，則需要將經濟因素考慮在內。在本次的研究過程中，在實測數據與模擬數據之間進行了一定的對比分析，從而合理選取圍護樁直徑，從多種角度確保坑安全，避免工程的實行帶來較大的經濟壓力，在工程實施與工程量的設置之間達到最佳的比例。文章研究過程中在對圍護樁直徑的設置上選取的是1000mm，這一數據的設置與模擬結果一致。同時利用鋼支撐的預加軸力，將多種因素考慮在內，避免或減少樁身變形現象的發生，在運行過程中保證基坑安全。

3.4 圍護樁樁頂沉降因素的影響與處理措施

此次工程建設過程中從地理環境上分析，軟弱地層較厚，隨著基坑土體不斷開挖，在基坑內外土體高差的作用下，圍護結構外側的土體會逐漸沿著基坑方向不斷移動，最終圍護樁在運行過程中會出現一定的沉降現象，對工程產生了一定的影響。本工程中，在W065圍護樁達到了-18.32mm最大沉降值。綜合沉降情況的發生畫出沉降曲線可知其是一種前期陡后期緩的收斂曲線，由于樁體變形因素的影響使樁頂部位產生了沉降，同時在曲線的表現方式中，隨著樁體變形的曲線收斂現象的發生，樁頂沉降的曲線也隨之產生收斂。

4 結束語

明挖隧道施工方式運用在地形條件比較復雜的情況，在施工過程中可能會造成土體沉降，要求充分分析明挖隧道施工圍護結構變形原因及對策，在充分考慮鋼支撐軸力的影響以及工程地質條件、圍護樁樁體剛度和圍護樁樁頂沉降的基礎上采取有效的處理措施，從而保證工程的整體質量和安全。