盾構(gòu)工作井基坑施工對(duì)近鄰高架橋影響分析

廖斯韜

摘要： 隨著城市發(fā)展，盾構(gòu)工作井基坑施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的擾動(dòng)日益頻繁。依托某輸水隧洞盾構(gòu)工作井近鄰高架橋工程，闡述了盾構(gòu)工作井基坑的施工方法，結(jié)合三維有限元軟件，對(duì)工作井基坑開挖對(duì)近鄰高架橋影響進(jìn)行分析，總結(jié)了保證施工安全的措施。結(jié)果表明：采用1.2 m 厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，能有效減小工作井開挖影響。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，滿足安全施工要求。

關(guān)鍵詞： 工作井 基坑施工 近鄰高架橋 安全評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： U231.3;U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0126-05

隨著城市的發(fā)展，地下管線施工對(duì)周圍環(huán)境的影響日益復(fù)雜。因此，采用盾構(gòu)施工的方式進(jìn)行輸水隧洞的建設(shè)，可有效減小對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)。針對(duì)這一問題，一些學(xué)者運(yùn)用三維數(shù)值分析軟件進(jìn)行研究。張文雨［1］采用三維數(shù)值分析軟件進(jìn)行建模，對(duì)工作井的地連墻環(huán)向剛度折減系數(shù)進(jìn)行了研究。王高科［2］對(duì)工作井小尺寸深基坑進(jìn)行了研究，用三維有限元法可較好地反映軟土地區(qū)小尺寸深基坑施工過程變形及受力特性。趙祥淦［3］為研究支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境受工作井施工的影響，采用有限元軟件進(jìn)行分析，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為組合變形規(guī)律。曹化錦［4］采用超厚側(cè)墻、環(huán)框梁作為永久結(jié)構(gòu)，形成了超深基坑永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合支護(hù)體系。徐曉扉［5］通過對(duì)土層、巖層性質(zhì)的綜合分析，井平面形狀的比選分析及超深豎井的需求和特點(diǎn)的論述分析，提出了類似工程的基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法。周冬軍［6］根據(jù)工作井不同工況條件結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)平面有限元模型和空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。盾構(gòu)法的施工雖已十分成熟，但是針對(duì)始發(fā)與接收的工作井對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物的影響卻難以避免，因此針對(duì)盾構(gòu)工作井的施工方法與安全評(píng)價(jià)有必要進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為輸水隧洞的工作井，位于珠江三角洲某高速路高架橋51#墩～53#墩跨南側(cè)。工作井井壁與高架橋左幅橋梁邊界最小凈距為左幅52#橋墩，距離約為17.5 m，與高架橋承臺(tái)最小凈距約為21.5 m，距離高架橋樁基最小凈距約為22.1 m，工作井與高速高架橋位置關(guān)系，如圖1 所示。

工作井為外徑35.9 m 的圓形豎井，地面平整高程3.5 m，基坑坑底高程-60.66 m（不含垂直皮帶機(jī)底坑加深2.5 m），開挖深度為64.16 m（如含垂直皮帶機(jī)底坑挖深66.66 m）。支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入井底，地下連續(xù)墻厚1.2 m，采用逆作法施工混凝土內(nèi)襯墻厚1.2～1.5 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

現(xiàn)場地勘鉆孔數(shù)據(jù)顯示：地面高程約3.1 m，井身中上部為人工填土層和沖積層，平均厚度約28.1 m，主要有素填土層、淤泥質(zhì)涂層、黏土、泥質(zhì)粉砂層，其下為約3.2 m 厚全風(fēng)化及5.8 m 厚強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，井底為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2 施工工藝

2.1 總體開挖方法

工作井開挖施工總體方案，對(duì)土方開挖主要采用機(jī)械開挖，邊坡以人工開挖為輔。土方開挖按每層開挖深度不超過4.5 m，淤泥質(zhì)細(xì)砂地質(zhì)開挖每層不超過1.0 m。渣料采用PC120 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至吊斗，龍門吊垂直運(yùn)輸至井口，再平移至井口外卸料至渣坑內(nèi)，最后采用挖掘機(jī)裝渣、自卸車運(yùn)輸出渣。工作井基坑開挖施工流程：第一，施工準(zhǔn)備；第二，井口土方開挖；第三，冠兩施工；第四，超前土石方開挖；第五，井壁襯砌混凝土跟進(jìn)施工；第六，地板混凝土施工。

工作井基坑開挖支護(hù)采用地下連續(xù)墻支護(hù)，采用逆作法對(duì)井內(nèi)襯墻施工。施工過程如下：第一，施工準(zhǔn)備；第二，測量放線；第三，導(dǎo)墻施工；第四，制備泥漿；第五，開挖槽段；第六，鋼筋籠吊裝；第七，澆筑混凝土。地下連續(xù)墻施工時(shí)需要考慮以下問題：（1）對(duì)于澆筑混凝土的集料斗內(nèi)進(jìn)行檢查，確保滿足一次施工需求，避免中途出現(xiàn)中斷施工；（2）采用預(yù)制混凝土塞作為隔水栓，施工時(shí)需要保證吊裝位置接近泥漿面，導(dǎo)管底端至坑底距離為0.3～0.5 m；（3）為保證質(zhì)量，每100 m3留置一組試塊，抗?jié)B強(qiáng)度測試每500 m3制作一組。

工作人員需要對(duì)施工材料進(jìn)行檢查，避免材料問題引發(fā)工程質(zhì)量問題；需要做好混凝土坍落度性能控制，保證成形后的質(zhì)量。工作井基坑施工風(fēng)險(xiǎn)大，處理不好會(huì)有嚴(yán)重的質(zhì)量問題，從而誘發(fā)安全事故。工作人員需要對(duì)現(xiàn)場材料進(jìn)行驗(yàn)核，基于施工物料清單核對(duì)材料數(shù)量與采購合同是否相符，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工圖細(xì)節(jié)與現(xiàn)場情況進(jìn)行確定，需要在施工前召開技術(shù)交底會(huì)。地下連續(xù)墻施工關(guān)系到基坑質(zhì)量，工作人員需要嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從導(dǎo)墻施工、泥漿制備、槽段開挖、混凝土澆筑等方面，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，提升地下連續(xù)墻施工質(zhì)量。

2.2 土方及全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化巖石處理

工作井開挖后，首層及第二層20 m 以內(nèi)采用逆作法，其余采用順作法開挖。考慮基坑邊坡的時(shí)空效應(yīng)，嚴(yán)格控制開挖厚度。

2.2.1 工作井基坑首層開挖

根據(jù)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)分層，開挖深度為4.089 m，開挖至壓頂梁底部高程以下1.2 m，預(yù)留壓頂梁錨入內(nèi)襯墻鋼筋的施工空間。開挖方量約為3 600 m3，采用反鏟挖機(jī)一次性開挖到位，挖機(jī)斗容量1.2 m3。因地連墻施工時(shí)工作井井圈范圍內(nèi)已進(jìn)行路面硬化，開挖前需進(jìn)行路面硬化，采用帶破碎錘的挖機(jī)進(jìn)行破除，破除及土方開挖工期為5 d。開挖完成后施工壓頂梁及擋土墻。

2.2.2 工作井第二層及20 m 以內(nèi)開挖

由于需要預(yù)留下層預(yù)埋鋼筋綁扎施工空間，因此開挖底部高層應(yīng)超出內(nèi)襯墻底部以下1.2 m。第二層開挖深度為3.366 m，開挖方量約為3 000 m3，開挖工期為5 d（含壓頂梁及擋土墻等強(qiáng)時(shí)間）。施工采用反鏟挖機(jī)或長臂挖機(jī)和液壓抓斗進(jìn)行開挖及出渣，開挖完成后進(jìn)行地連墻鑿毛及首層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工。20 m 以內(nèi)的剩余土方開挖（第三層—第五層）開挖深度均為4.5 m，主要以機(jī)械直接開挖為主。其中，上部20 m 地質(zhì)為軟弱地層，采用挖掘機(jī)配合液壓抓斗垂直出渣，單臺(tái)設(shè)備日出土（松散方）工效900 m3/d，單個(gè)井配置3 臺(tái)。從第三層土方開挖開始，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)土方開挖階段，單層開挖深度均為4.5 m，直至土方及全強(qiáng)風(fēng)化巖石開挖完成。工作井內(nèi)分區(qū)域開挖示意圖見圖2。

2.2.3 工作井20 m 以下開挖

20 m 以下土方及全強(qiáng)風(fēng)化泥巖開挖分層厚度均為4.5 m，共四層（第六層—第九層），每層開挖方量約為4 000 m3，開挖工期為5 d。開挖采用井口龍門吊垂直出渣，輔以液壓抓斗。強(qiáng)風(fēng)化巖層中局部孤石采用液壓破碎錘解小。設(shè)備加油利用沿井壁事先布置的管道，上下交通采用專用樓梯供人員上下，兼做井內(nèi)應(yīng)急通道。

雨天開挖，及時(shí)排水，確保臨時(shí)邊坡穩(wěn)定。逐層分區(qū)開挖完成，上部井壁襯砌跟進(jìn)。工作井基坑邊緣不準(zhǔn)堆放材料，當(dāng)臨時(shí)放置或沿挖方邊緣移動(dòng)運(yùn)輸工具和機(jī)械時(shí)，一般須距工作井基坑上部邊緣不少于2 m。嚴(yán)禁在鄰近工作井上部邊緣堆土，隨時(shí)加強(qiáng)頂部井周及地表安全觀測。

2.2.4 順作法施工

施工至編號(hào)11 倉時(shí)采用順作法施工，先開挖至標(biāo)高-48.35 m 處，對(duì)編號(hào)12倉處洞門環(huán)梁進(jìn)行施工，等其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行開挖至標(biāo)高-52.35 m。之后，對(duì)編號(hào)13 倉處洞門環(huán)梁進(jìn)行施工，等其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開挖至標(biāo)高-56.95 m。在對(duì)墊層，對(duì)14號(hào)倉與混凝土面層施工前，需完成垂直皮帶機(jī)底坑開挖。同時(shí)，底板與采用順作法施工的15倉內(nèi)襯墻及洞門強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值80%后，方可拆除12號(hào)和13號(hào)倉的環(huán)梁，完成內(nèi)襯墻施工。工作井按順作法結(jié)構(gòu)立面，采用順作法施工，弧形內(nèi)襯墻的模板使用液壓自爬鋼模的面板，其余結(jié)構(gòu)采用鋼模規(guī)格為P3015。采用? 48×3.0 mm 扣件式鋼管搭設(shè)支撐體系和操作平臺(tái)。混凝土澆筑分倉高度根據(jù)實(shí)際情況確定。

2.3 施工監(jiān)測方案

工作井進(jìn)行開挖時(shí)，對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)是不可避免的，因此需要設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)對(duì)周圍土層、結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。基于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50497—2019），設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警報(bào)警值，如表1 所示。

3 安全評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)

工作井開挖對(duì)于橋梁的穩(wěn)定性存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，主要影響因素為工作井與橋墩的近距，以及開挖后土體卸載對(duì)橋墩的影響。因此，基于現(xiàn)場工況，采用三維有限元程序——MIDAS GTS NX 軟件模擬基坑開挖對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響。考慮計(jì)算資源與邊界效應(yīng)影響，模型尺寸為（180×80×80）m。基于現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)文件，確定數(shù)值計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)，在本構(gòu)模型方面，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，巖土體采用摩爾—庫倫（Mohr—Coulomb）模型。具體物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果的分析

為模擬結(jié)果貼近真實(shí)工況，模擬開挖深度與真實(shí)開挖情況一致。考慮建模及計(jì)算效率，工作井基坑支護(hù)方式地下連續(xù)墻與混凝土內(nèi)襯墻支護(hù)結(jié)構(gòu)以實(shí)體單元替代。如圖3 所示，通過計(jì)算后可知，橋墩最大橫向變形為51#橋墩，其變形量達(dá)到0.89 mm。由于該橋墩受到工作井基坑開挖，土體卸荷，并且支護(hù)對(duì)土體的支護(hù)剛度難以抵抗土體變形，造成水平應(yīng)力增加，引起橋墩橫向變形較大。橋墩最大豎向位移為52#橋墩變形量達(dá)到-1.75 mm，由于該橋墩與工作井施工范圍最近，因此受影響最為明顯。

如圖4 所示，橋墩樁基也會(huì)受到工作井基坑開挖影響，通過進(jìn)行計(jì)算后可知，其位移最大的為52#橋墩的樁基，其橫向最大位移為0.59 mm，豎向位移最大為-1.59 mm。

工作井開挖其內(nèi)襯墻也會(huì)受到影響，因此對(duì)于襯砌的變形也需進(jìn)行分析。如圖5所示，工作井襯砌因開挖受到橋梁的自重影響。位于工作井基坑的左側(cè)受到土體的切應(yīng)力影響，產(chǎn)生較大變形，變形量為2.3 mm，其最大變形主要集中在工作井基坑上半部分。基于有限元模擬結(jié)果，基坑開挖過程引起的高速橋梁的沉降和水平位移均小于監(jiān)測預(yù)警值3 mm，其影響在可控范圍內(nèi)。因此該施工方案風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍內(nèi)。

3.3 安全對(duì)策措施及建議

基于施工方案與數(shù)值計(jì)算結(jié)果，為防范施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全，在施工時(shí)需要擬定施工安全對(duì)策與建議。根據(jù)本工程特點(diǎn)，施工時(shí)應(yīng)有以下措施。

（1）橋下附近嚴(yán)禁堆放施工材料、易燃易爆品，嚴(yán)禁停放機(jī)械、在橋梁結(jié)構(gòu)物上貼反光條，做好圍蔽，避免機(jī)械碰撞。（2）導(dǎo)墻的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75% 時(shí)，才可進(jìn)行成槽施工。成槽過程中遇到斜孔、塌孔及泥漿流失等情況時(shí)，應(yīng)停止施工，采取措施后方可繼續(xù)施工。成槽結(jié)束后到混凝土澆筑完成累計(jì)的槽壁暴露時(shí)間不宜超過24 h。（3）嚴(yán)格確保地下連續(xù)墻接頭處的封堵，避免接縫處夾泥沙。基坑開挖過程中若出現(xiàn)接縫處滲漏應(yīng)停止施工，采取措施堵漏后方可繼續(xù)施工。施工時(shí)應(yīng)注意不得在坑外大量抽降地下水。若周邊地下水下降明顯，應(yīng)停止施工，查明原因，采取措施后方可繼續(xù)施工，避免地下水大量流失導(dǎo)致地面沉降過大。（4）為進(jìn)一步減小基坑變形，在有條件時(shí)可考慮在基坑中部設(shè)置環(huán)梁，提高工作井中部抗變形能力。（5）施工過程中應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)安全防護(hù)措施。施工前，應(yīng)對(duì)施工場地內(nèi)現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)拍照存檔，作為原始對(duì)照資料。建議在橋梁沉降或者水平位移接近報(bào)警值時(shí)，及時(shí)通知各方，采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)語

文章結(jié)合實(shí)際施工技術(shù)資料，從施工工藝與數(shù)值分析角度，介紹了工作井施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)工作井施工對(duì)近鄰高架橋影響分析，得出以下結(jié)論。根據(jù)設(shè)計(jì)資料場地沖積層及全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖自穩(wěn)能力較差的特點(diǎn)，砂層為含水層，強(qiáng)透水性，而強(qiáng)風(fēng)化巖較細(xì)碎，透水性中等，工程地質(zhì)條件較差。采取數(shù)值計(jì)算分析可知，基坑開挖過程引起的高速橋梁的沉降和水平位移均小于監(jiān)測預(yù)警值3 mm，設(shè)計(jì)采用1.2 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，該措施能有效減小了工作井開挖時(shí)的影響。工作井外壁距離高速公路高架橋樁基最小凈距約為22.1 m，工作井井深為64.16 m，小于規(guī)范中要求的1.5 倍井深最小安全距離，但設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，滿足規(guī)范要求。

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