預(yù)制混凝土支撐對地鐵豎井施工穩(wěn)定性的影響

黃安平 李華龍 王招兵 任建喜 謝 易 鄒翔宇

(1.中建三局集團(tuán)有限公司,430070,武漢; 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者,高級工程師)

地鐵建設(shè)離不開車站主體基坑[1]及施工豎井[2]等工程。學(xué)者們已對現(xiàn)有支撐體系下的深基坑施工穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]考慮了軟土蠕變和混凝土強度隨時間變化,分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。文獻(xiàn)[4]研究了鋼支撐的剛度和間距對深基坑樁體側(cè)移變形的影響。西安地鐵8號線新植物園站2#出入口垂直電梯井兼作施工豎井(以下簡為“2#豎井”),其施工采用了預(yù)制混凝土支撐。這是該支撐在我國地鐵建設(shè)中的首次應(yīng)用[5]。為了驗證預(yù)制混凝土支撐的安全穩(wěn)定性與優(yōu)越性,本文基于FLAC3D軟件的計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),分析空間效應(yīng)下豎井支撐軸力和圍護(hù)樁的側(cè)向及豎向位移,以現(xiàn)澆式支撐為對比,研究預(yù)制混凝土支撐對豎井施工穩(wěn)定性的影響。

1 項目概況

1.1 豎井結(jié)構(gòu)

2#豎井位于西安市公園南路與三環(huán)快速路交叉口的西北角,緊貼高邊坡,東西寬9.20 m,南北長17.80 m,開挖深度為38.56 m。邊坡采用直徑為1.20 m、長度為27.30 m、橫向及縱向間距分別為3.60 m及1.50 m的雙排樁,截面為0.30 m×0.30 m的預(yù)制混凝土格構(gòu)梁,以及長度為2.00 m、橫向及縱向間距分別為3.00 m及3.00 m的錨桿。豎井主體支護(hù)采用φ1.80 m@2.35 m的圍護(hù)樁聯(lián)合鋼筋混凝土支撐的方案。其中第一道為現(xiàn)澆的混凝土支撐,第二至第七道為預(yù)制混凝土支撐。預(yù)制混凝土支撐如圖1所示。

圖1 預(yù)制混凝土支撐

1.2 豎井開挖工序

2#豎井的施工進(jìn)度可劃分為8個階段,見表1。

表1 2#豎井施工進(jìn)度表

各道預(yù)制混凝土支撐的施工工藝為:①放樣八塊腰梁的控制點;②開挖土方至腰梁底標(biāo)高處,將各塊腰梁吊裝至中部,再由挖掘機(jī)配合手拉葫蘆運到指定位置,鑿除相應(yīng)圍護(hù)樁的混凝土保護(hù)層,并將預(yù)埋套筒與腰梁的鋼筋連接;③如圖1所示,支撐濕接縫的B節(jié)點較A節(jié)點先拼裝焊接且無需施加預(yù)應(yīng)力,當(dāng)B節(jié)點達(dá)到設(shè)計強度后,每道預(yù)制支撐的所有A節(jié)點同時施加預(yù)應(yīng)力,焊接工字鋼,取出千斤頂后焊接鋼筋,支模并灌注微膨脹混凝土,細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[5];④每根樁與腰梁上部采用花籃螺絲連接,待土層開挖后再安裝下支架。

1.3 監(jiān)測方案

2#豎井的測點布置圖如圖2所示。

a) 平面圖

2 豎井施工的數(shù)值模擬方法

2.1 建立計算模型

建立三維模型對豎井施工過程進(jìn)行計算。為降低邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響,三維模型的長、寬、高分別取129.00 m、46.00 m、80.46 m,如圖3所示。作為對比,還建立平面模型進(jìn)行計算。平面模型的長、寬、高分別取129.00 m、1.00 m、80.46 m,其余參數(shù)與三維模型相同。根據(jù)抗彎剛度相等的原則,將豎井圍護(hù)樁和邊坡雙排樁分別折算成一定厚度的地下連續(xù)墻[6]。

圖3 三維模型圖

(1)

式中:

D——樁的直徑,單位mm;

t——樁的凈間距,單位mm;

h——折算成地下連續(xù)墻的厚度,單位mm。

對于豎井圍護(hù)樁,D=1 800 mm,t=550 mm,由式(1)計算并取整可得,h=943 mm;對于邊坡雙排樁,D=1 200 mm,t=300 mm,由式(1)計算并取整可得,h=934 mm。

2.2 模型參數(shù)和開挖步序

本次模擬選用摩爾-庫侖理論作為土體的破壞準(zhǔn)則,支護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為彈性本構(gòu)模型。錨桿與格構(gòu)梁由軟件內(nèi)置的結(jié)構(gòu)單元生成,其余構(gòu)件均采用實體單元構(gòu)建。假設(shè)地表和土層為水平分層,相應(yīng)的土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算參數(shù)見表3。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算參數(shù)

在模擬計算中:當(dāng)全部支撐為現(xiàn)澆式支撐時,彈性模量從6.76 GPa逐漸增加至32.50 GPa;預(yù)制混凝土支撐與預(yù)制腰梁的彈性模量一直保持為32.5 GPa;濕接縫處混凝土的彈性模量則從6.9 GPa逐漸增加至34.5 GPa。如圖1所示,預(yù)制混凝土支撐還需用千斤頂施加預(yù)應(yīng)力F0。各道支撐的F0取值見表4。

表4 各道支撐的F0取值

根據(jù)現(xiàn)場實際施工步驟,將2#豎井的模擬建造過程劃分為4個模擬工序,如圖4所示。

a) 施作格構(gòu)梁和錨桿

3 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

3.1 支撐軸力

對比分析第二道支撐測點ZCL2-3軸力(軸力以拉為正,以壓為負(fù))的模擬值與實測值,結(jié)果如圖5所示。

圖5 測點ZCL2-3的支撐軸力

結(jié)合圖5分析可知:現(xiàn)澆支撐一開始即受到壓力的作用;預(yù)制混凝土支撐受預(yù)應(yīng)力作用,在該階段受拉。經(jīng)核實,在混凝土澆筑37～58 d時,現(xiàn)澆法支撐施工時所受軸力與裝配法支撐軸力的差值為0.75F0;在混凝土澆筑79 d后,兩者的差值基本穩(wěn)定為0.90F0。平面模型計算結(jié)果偏大,三維模型的模擬值與實測值更接近。

3.2 圍護(hù)樁樁體的水平位移

選取測點組ZQT2,分析開挖結(jié)束時其水平位移與深度之間的關(guān)系。樁體不同深度處測點組ZQT2的水平位移(以向外為正,向內(nèi)為負(fù))如圖6所示。

圖6 樁體不同深度處測點組ZQT2的水平位移

由圖6可知:該豎井的空間效應(yīng)明顯;平面計算得出的樁體上下端水平位移偏大;在三維模型的模擬計算中,豎井兩側(cè)壁能有效減少北側(cè)樁所受的土壓力,并抑制其水平位移;三維模擬值與實測值的變化規(guī)律較吻合,第一至七道支撐的約束作用降低了深度為1.00、7.56、14.16、19.76、24.06、29.06、33.56 m處的樁身變形。

3.3 圍護(hù)樁的樁頂水平位移

測點組ZQS2的樁頂水平位移如圖7所示。由圖7可知:預(yù)制混凝土支撐的樁頂水平位移均小于現(xiàn)澆支撐的樁頂水平位移;當(dāng)?shù)谝坏乐尾贾脮r,三維模型的樁頂水平位移模擬值迅速增大,之后平緩地朝著零偏移發(fā)展;當(dāng)?shù)谒牡乐伟惭b并達(dá)到設(shè)計強度后,樁頂水平位移實測值才有所穩(wěn)定;平面模型計算得到的模擬值反而加速下降。

圖7 測點組ZQS2的樁頂水平位移

3.4 樁頂沉降

測點組ZQS2的樁頂沉降如圖8所示。由圖8可看出:樁頂累計沉降值自豎井開挖后呈臺階式下降;三維模型的模擬值與實測值基本一致;而平面模型的模擬值于施工130 d后加速下降,與實測值相差較大。

圖8 測點組ZQS2的樁頂沉降

4 結(jié)論

1) 該豎井的空間效應(yīng)明顯,三維模擬較平面計算更符合實測的圍護(hù)樁變形規(guī)律。

2) 混凝土支撐可減小其所處位置樁體的內(nèi)傾,預(yù)壓力可降低最終的支撐軸力值且有助于抑制樁的水平位移,但對豎井圍護(hù)樁沉降的影響較小。

3) 采用現(xiàn)澆法時,完整地施作每道鋼筋混凝土支撐共需35 d。而實際中,2#豎井各道支撐完整安裝所需的時間分別為17、14、8、13、11、10、10 d。該豎井緊鄰高邊坡且開挖深度大,預(yù)制混凝土支撐由于提前施加預(yù)應(yīng)力可以充分激發(fā)圍護(hù)樁后的被動土壓力,從而減小樁的水平位移,更好地保證豎井穩(wěn)定性。

此外,預(yù)制混凝土支撐能克服錨索支護(hù)在土層中錨固力不足的缺陷,充分結(jié)合鋼支撐與現(xiàn)澆混凝土支撐的優(yōu)勢,保證支護(hù)體系的整體性、剛度大且施工效率高,適用于邊坡附近。