緊臨既有盾構區間施工豎井開挖支護方案優選及變形控制措施

韓 銳

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著城市建設規模的不斷擴大，施工環境變得越來越復雜，施工難度也變得越來越大，尤其是在城市中進行地鐵建設面臨著極大的施工難度。地鐵建設過程中，當施工豎井緊臨既有盾構區間時，存在諸多因素影響施工的開展。

目前，豎井施工大都采用倒掛井壁法，施工豎井也可兼做施工中的風井[1]。倒掛井壁法施工工序復雜，一般流程為：鎖口圈梁施工超前支護開挖土體鋼筋格柵安裝錨管施工支撐架設掛網噴混凝土[2]。從上到下沿井壁逐榀進行支護，施工中采用較為廣泛的支護結構為“格柵鋼架+噴射混凝土”，此種形式由于工序較為復雜，需要大量人工進行焊接作業，造成工期長、機械化程度低等弱點。孫希波等[3]對常用的“格柵鋼架+噴射混凝土”的支護結構進行優化，提出將裝配式鋼結構引入豎井施工中，有效解決了“格柵鋼架+噴射混凝土”支護體系施工工期長、作業環境差等問題。

但鋼筋格柵剛度較弱，自身變形較大，當周圍環境條件要求較高，如緊臨既有線，應探尋一種更為安全穩妥的支護結構形式。本文以成都軌道交通項目為例，對緊臨既有線的施工豎井支護形式進行分析探討，并采用有限元法對結果進行驗證，旨在為這樣的復雜環境下的豎井設計與施工提供優化方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都軌道交通項目的這個施工豎井供成都某市域線牽出線礦山法區間出土、材料人員運送及通風使用。豎井凈空尺寸為7.9m×5.4m，豎井深約28.6m。牽出線與既有盾構區間平行敷設，豎井水平距離既有線盾構區間管片約7.59m，井底高程低于既有線盾構區間底高程1.8m。兩者平面如圖1所示。

圖1 施工豎井與既有線平面關系圖

1.2 工程地質條件

該工程沿線地形總體較開闊平坦，但隨著城市的發展，測區范圍地表部分已被人工改造，分布有沖積平原、堆積臺地及構造剝蝕緩丘三種地貌單元。該工程場地屬構造剝蝕緩丘地貌，局部地形起伏較大，地面坡度5°～10°，相對高差一般小于30m，地面高程約480～510m，局部發育有樹枝狀溝谷?？辈炱陂g地面勘探孔標高為483～502m。

該工程場地范圍內從地層自上而下依次為：第四系全新統人工填筑土層（Q4ml）：素填土雜填土；第四系全新統坡洪積層（Q4dl+pl）：粉質黏土；侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）：強風化泥巖、中等風化泥巖、強風化砂巖、中等風化砂巖。

1.3 水文地質條件

場地附近地表無河流發育，地表水主要為溝渠水及塘水，水量較豐富，同時受季節性影響明顯。根據區域水文地質資料、場地土層，按地下水賦存條件，沿線地下水主要有兩種類型：一是賦存于填土里的上層滯水，二是基巖裂隙水。

1.4 不良地質及特殊巖土

場地不良地質主要為有害氣體、順層、地面沉降，特殊巖土為人工填土、軟土、膨脹土、膨脹巖、風化巖及石膏。

2 豎井支護方案優選

2.1 倒掛井壁方案

頂部設置鎖口圈梁，采用Ф800@600mm 旋噴樁加固表層雜填土；豎井護壁采用格柵鋼架，豎向間距0.5m/0.75m 設置；噴35cm 厚C25 混凝土，掛Ф8@200×200 雙層鋼筋網；考慮充分利用豎井空間，故不設置對撐，改為四周設I32a型鋼腳撐。中風化泥巖以上打設Ф42×4注漿錨管@1.0m（環）×0.5m（豎），L=3m；中風化泥巖以下打設Ф22砂漿錨桿@1m（環）×0.75（豎），L=3m。

2.2 鉆孔樁+環梁方案

采用直徑1.2m 鉆孔樁，間距2200mm 沿四周設置，樁的嵌固深度為3.5m，樁頂設置冠梁，樁間采用Ф8@150×150 鋼筋網，噴射150mm 厚C20 混凝土；考慮充分利用豎井空間，豎向設置6道1m（高）×0.8m（寬）鋼筋混凝土環框粱，環框粱與圍護樁之間采用防墜落措施。

2.3 方案比較

倒掛井壁法作為礦山法區間施工豎井最為常見的一種方式，其造價較為節約，但同時由于工序繁瑣，施工周期長，結構本身剛度弱，對控制變形不利，一般用于周圍環境簡單的工程。

鉆孔樁+環梁方案，鉆孔樁剛度較大，施工周期周期較短，但是整體造價較高，經過測算鉆孔樁+環梁相比于倒掛井壁增加費用約32萬元。

2.4 方案選擇

該工程豎井緊臨既有線盾構區間，因盾構區間位于基坑周邊0.7H1 范圍內，基坑施工擾動影響程度分區為：強烈影響區：施工豎井基坑與既有盾構區間相對凈距＜0.5H，非常接近。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》，外部作業影響等級為特級。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》與《地鐵設計規范》規范，并結合地方要求，盾構區間的水平及豎向位移需小于10mm，變形控制要求較高。并由于場地范圍表層雜填土較厚，約12m，采用倒掛井壁法無法有效控制自身與既有盾構區間的變形。因此，通過綜合比較，采用鉆孔樁+環梁的方案。

3 豎井采用鉆孔樁+環梁支護方案對既有盾構區間的變形影響分析

3.1 計算模型

為了驗證基坑開挖采用鉆孔樁+環梁支護對既有線盾構區間的變形影響，根據施工豎井與19 號線盾構區間的位置關系，采用數值模擬進行分析。模擬區域長度取為110m，寬度取為110m，深度取90m。

在整個計算模型范圍內，地質資料反應地質情況非常復雜，多個地層分界線為曲線，考慮到建模的難度和在用數值模擬計算過程中，土層分界過多會影響計算結果的分析。因此，在模擬的過程中，對土層的分布情況做了一些簡化。簡化后的土層能合理反映模型中地層的分布情況。

模型土層厚度：雜填土12m、全風化泥巖2m、強風化泥巖3m、中風化泥巖71m。

采用Midas GTS 進行計算，計算時假定地層為連續介質，采用六面體模擬實體單元；圍護樁可根據剛度等效原則等效成連續墻，采用C35 鋼筋混凝土，采用板單元建模；環梁采用C35 鋼筋混凝土，采用梁單元建模；19號線盾構管片采用C50鋼筋混凝土，采用板單元建模。

巖（土）層在開挖過程中考慮其塑性變形，破壞準則采用修正摩爾庫倫彈塑性準則，而地鐵區間與圍護樁及環梁僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構關系。

3.2 計算工況

模型計算荷載主要包括：自重、土壓力、水壓力、超載（20kPa）。

按照基坑與既有地鐵結構空間位置關系，設計施工工序，計算考慮了如下9步工序：

（1）地層及既有地鐵模型建立及計算（初始工況）；

（2）樁頂第一層放坡開挖；

（3）基坑支護樁及冠梁施工；

（4）開挖至第一道環梁下方0.5m，并施工第一道環梁；

（6）開挖至第三道環梁下方0.5m，并施工第三道環梁；

（7）開挖至第四道環梁下方0.5m，并施工第四道環梁；

（8）開挖至第五道環梁下方0.5m，并施工第五道環梁；

（9）開挖至第六道環梁下方0.5m，并施工第六道環梁（開挖至坑底）。

以上工況僅考慮施工全過程中最不利的幾個階段，計算重點分析基坑開挖過程對既有地鐵結構的影響。

3.3 計算結果

開挖第七層土時，已開挖至坑底，此次變形最大，其中豎向位移大于水平位移，如圖2所示。

根據模擬計算結果可知，因為既有線盾構區間敷設范圍均為中風化泥（砂）巖，力學性質良好，由基坑開挖引起變形值較小，引起既有盾構區間的最大位移為1.8mm（豎向位移），滿足既有線結構變形量滿足10mm控制要求。

4 豎井采用鉆孔樁+環梁支護方案開挖時控制既有線變形的措施

當施工豎井緊臨既有盾構區間時，其開挖行為可能會對既有線產生不利影響，包括結構變形和破壞等。為了有效控制這些變形，可以采取以下一些關鍵措施。

（1）開展施工管理和監測。管理和監測是控制變形的關鍵。需要建立完善的監測計劃和制度，包括對既有線和新建施工豎井的連續監測。通過對既有線的位移、應力和地下水等參數的實時監測，可以及時發現問題，調整施工方案，以降低對既有線的影響。

（2）優選支護方式。采用合適的施工方法也是控制變形的重要方式。上文已經證明了鉆孔樁+環梁法是一種有效的支護方式。相比于其他支護方式，它具有更大的剛度，能夠更為有效地控制變形。

（3）合理控制開挖速度。控制開挖速度也是控制變形的有效手段。過快的開挖速度可能會導致地層產生過大的變形，從而影響既有線的形變。因此，需要根據地質條件和工程特點，合理控制開挖速度。

（4）優化支護結構設計。支護結構的設計直接影響豎井的穩定性和既有線的變形?？梢酝ㄟ^優化支護結構設計，比如根據地質特性增加樁的嵌固深度、加密圍護樁的間距、增大環梁的尺寸、加強圍護樁與面層鋼筋網的連接等，增加整個支護結構的剛度，減小變形。

（5）適時采取應急措施。在監測數據超過預定值時，應立即停止施工，并采取相應的應急措施，如加強支護、調整開挖順序、必要時進行填土等。

總的來說，控制豎井開挖對既有線的影響，需要綜合運用各種技術和管理手段，實現對豎井施工的精細化和智能化管理，確保施工的安全和高效。

5 結束語

本文以成都市某地鐵牽出線礦山法區間施工豎井作為研究背景，對緊鄰既有盾構區間的施工豎井支護方案進行了深入的分析和研究。倒掛井壁法雖然常見且造價節約，但由于其工序繁瑣，施工周期長，結構本身剛度弱，對控制變形不利；而鉆孔樁+環梁方案雖然其整體造價稍高，但施工周期短，剛度大，能有效地控制變形。本文采用的三維數值計算表明：鉆孔樁+環梁方案能有效地控制變形，滿足了既有線結構變形量小于10mm 的要求。筆者提出了一系列有效的開挖變形控制措施，包括開展施工管理和監測，優選支護方式，合理控制開挖速度，優化支護結構設計以及適時采取應急措施。本研究可為類似工程提供參考和借鑒。