深大異形基坑支撐施作與拆除技術研究

崔 杰

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400700)

1 引言

近年來，隨著地鐵線路交叉換乘車站的出現，城市中心出現了越來越多異形基坑，這些基坑規模大、施工難度高，對基坑支護也提出了更高的要求[1]。已有許多學者進行了相關研究：黃院雄等對地鐵換乘車站深基坑的土壓力數據進行整理，得出了土壓力與基坑開挖的關系[2]；蔡江寧等通過數值模擬軟件對武漢某深基坑工程進行分析，得出了不同工況基坑的變形規律，但其并不適用于地鐵車站異型基坑[3]。以下基于新建珠三角城際軌道交通某大型車站深基坑工程，對深大異性基坑支撐施作與拆除技術進行深入研究。

2 工程概況

新建珠三角城際軌道交通工程健康產業城站位于廣州市白云區鐘落潭鎮。場地為丘陵緩坡，地面高程為50.74～56.87 m。場地內管線已遷改完畢，土方整平至51.1 m。場坪范圍內無大于20 kPa的超載。站前工程已完工，線路未鋪軌，站臺承臺基礎樁已施工完成，主體結構尚未開始施工。

3 基坑圍護結構數值分析

3.1 模型

模型尺寸為517 m×415 m×49 m，其中圓形基坑部分直徑為83 m。將基坑底部固定，地表設置為自由邊界[4-5]。模型如圖1所示。

圖1 模型網絡

3.2 材料參數

基坑所處位置的土層從上往下分別為：雜填土、黏性土、全風化巖、強風化巖、中風化巖，這幾類土的物理力學參數見表1。

表1 土類參數

3.3 計算結果

基坑開挖共分為三步，使用Midas GTS軟件對各開挖步的應力與位移進行計算。

(1)第一步開挖

①地連墻應力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑第一步開挖所產生的應力與位移云圖可知：地連墻邊角出現應力集中，在整個深大異性基坑中，地連墻上部均產生了一定的位移，最大處達0.67 mm[6]。在進行圈梁支撐的過程中，對地連墻應力及位移影響不大，地連墻邊角附近的最大應力有所降低，最大為264 kN/m2，最大位移為0.72 mm。基坑第一步開挖地連墻的最大位移與最大應力如圖2、圖3所示。

圖2 基坑第一步開挖地連墻最大位移

圖3 基坑第一步開挖地連墻最大應力

②立柱應力分布

在第一步開挖過程中，立柱的應力分布主要表現為自重[7]，最大應力出現在立柱上部，如圖4所示。

圖4 基坑第一步開挖立柱應力

③圍巖位移分布

在基坑第一步開挖過程中，圍巖位移在基坑周圍較大，最大處為1.8 mm[8]。圍巖位移如圖5所示。

圖5 基坑第一步開挖圍巖位移

(2)第二步開挖

①地連墻應力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑的第二步開挖所產生的應力與位移可知：第二步開挖地連墻應力及位移相較于第一步大[9]，但位移范圍明顯縮小，最大位移為3.7 mm。在第二步開挖中，地連墻邊角位置依舊產生了較大應力，最大為1 206 kN/m2。第二步基坑開挖地連墻最大位移最大應力如圖6、圖7所示。

圖6 第二步基坑開挖地連墻最大位移

圖7 第二步基坑開挖地連墻最大應力

②立柱應力分布

在第二步開挖過程中，由于側向剪力的作用，立柱上端受力將明顯改變，在立柱頂部與底部產生的應力達209 kN。第二步基坑開挖立柱應力分布如圖8所示。

圖8 第二步基坑開挖立柱應力分布

③圍巖位移分布

第二步開挖對圍巖變形影響較大，最大圍巖位移分布在基坑邊緣位置，最大可達到3.4 mm，地連墻拐角處受力相對較大[10]，達到632 kN/m2。第二步基坑開挖圍巖位移分布如圖9所示。

圖9 第二步基坑開挖圍巖位移分布

(3)第三步開挖

①地連墻應力及位移分布

通過Midas GTS模擬基坑的第三步開挖所產生的應力與位移可知：第三步開挖地連墻應力及位移最大，且范圍進一步縮小，最大位移為9.1 mm。在第三步開挖中，地連墻所受應力依然在邊角附近最大[11]，為4 312 kN/m2，第三步基坑開挖地連墻最大位移與最大應力如圖10、圖11所示。

圖10 第三步基坑開挖地連墻最大位移

圖11 第三步基坑開挖應力

從各個施工步驟對地連墻應力及位移的影響分析可以看出，所選擇的支護結構及支護形式合理。第三步開挖變形及應力變化最明顯，位移最大為9.1 mm，開挖部分應力最大為4 312 kN/m2，環形基坑圈梁支護步驟及工序對整體受力及變形影響不大，但必須確保在進行下一步開挖之前支護已經完成。

②立柱應力分布

在基坑第三步開挖過程中，立柱應力分布范圍與第二步相似，但是立柱應力明顯減小[12]，最大為56 kN。第三步基坑開挖立柱應力如圖12所示。

圖12 第三步基坑開挖立柱應力

③圍巖位移分布

第三部開挖導致整個結構受力最大達2 890 kN/m2，圍巖變形最大達7.5 mm。第三步開挖位移如圖13所示。

圖13 第三步開挖位移

4 大型環撐拆除技術

4.1 施工方法比選

對大型環撐進行拆除的常規方法的優缺點見表2。

表2 支撐拆除方案比選

結合工程實際情況，選擇爆破法對環撐進行拆除。

4.2 工藝流程

爆破拆除法的具體施作流程為：預埋孔→孔口堵塞→爆前清孔→驗孔檢查→標記補孔→鉆鑿補孔→清孔→驗收炮孔并登記支撐、圍檁及節點炮孔數量→計算火工品用量→搭設防護架→裝藥→堵塞→聯線→起爆→爆后檢查→排除啞炮→爆后監護→防護架拆除→二次破碎→鋼筋切割及回收→渣土起吊及外運。

4.3 現場爆破拆除效果

采用毫秒微差控制爆破，依據設計原則，應嚴格控制爆破振動與飛石，達到鋼筋與混凝土分離的效果。根據相關規范及以往經驗，孔距設置為0.5 m，排距設置為0.5 m較為合適。現場爆破孔布置如圖14所示。

圖14 爆破孔布置

現場防護措施：現場裝藥、填塞后，采用砂包、鐵板覆蓋防護[13]，側面的鐵板用鋼筋串聯固定，以確保安全[14]，如圖15所示。因地處市中心，為防止飛石對地面建筑物及市政交通產生影響，需在支撐頂面搭架設竹筏板、滿鋪密目網進行防護[15]。

圖15 爆破覆蓋防護

5 結論

(1)每一步開挖都會對地連墻應力及位移造成影響，但第三步開挖造成的變形及應力最為明顯，位移最大為9.1 mm，開挖部分應力最大為4 312 kN/m2，環形基坑圈梁支護步驟及工序對整體受力及變形影響不大。

(2)單根立柱的受力從上到下成線性增加，主要受重力影響，隨著開挖及支護的影響，立柱的受力情況有所變化，其整體受力仍處于安全范圍內。

(3)必須一次性開挖到支護面再開始支護，由于開挖對整個結構的影響較大，應堅決杜絕尚未支護完成便繼續向下開挖。

(4)爆破法具有拆除效率高、作業時間短等優點，作業過程中應盡可能把噪聲造成的影響控制到最低，并做好相關防護。