杨铭斐1 袁延召2 郜艳轲3
河南城建学院123 河南 467000
摘要：地铁常建于城市最繁华地带，周围建筑物林立、道路和地下设施密集，有时不可避免的要以较近的距离从高楼大厦的地基临域内穿过，因此增大了明挖法设计和施工的难度。为了保证地铁隧道施工质量，本文对地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性进行研究，具有一定的借鉴意义。
关键词：地铁隧道；明挖法；基坑支护；稳定性
1地铁隧道明挖法施工概述
整体来看，城市地铁隧道施工是规模较大、工期漫长、工序复杂且干扰因素多等多方面因素影响的施工，而且对于不同的城市地下段落，其地铁隧道施工开挖的方法也会存在很大的差异。一般来说，地铁隧道的施工方法有盾构法、暗挖法及明挖法等，同时对不不同的施工方法也存在更为细致的划分。具体来说，地铁隧道明挖法施工是指在地铁隧道施工过程中，地铁开挖以地面作为开挖的基准面，从地面标高开始自上而下得对其进行开挖，到地铁隧道设计要求的标高截止，简单来说，就是从地面直接进行开挖，自上而下以此展开开挖相关工作，然后再完成后续的主体结构。明挖法具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，因此，在地面交通和环境条件允的地方，应尽可能采用。明挖法的关键工序是：围护结构施工、内部土方开挖、工程结构施工、管线恢复及覆土。
2地铁隧道明挖法施工基坑稳定性探讨
2.1工程概况
某地铁十号线某一区间明挖段工程，其南侧紧邻元大都遗址公园，北侧为居民小区，沿线大部分为低矮民房，仅在地铁北土城东路站附近存在高层住宅及办公楼，其基础埋藏较深。土层分布及性质见表1。本区间明挖法施工的隧道全长为434.428m，选择较为典型的7-7工段为研究范围，区内基坑宽10.4～21.9m，深12.5～18.8m，盾构井处的基坑深18.5m。采用钻孔灌注桩围护，桩长17.5～24.5m，桩径分别为600mm、800mm两种，间距1500mm。桩间挂钢筋网，并用潮喷法喷射70mm厚C20素混凝土护壁。内支撑采用直径609mm的钢管，壁厚12mm，其水平间距为3m，竖向分三道、四道、五道3种形式，支撑安装完毕后施加预压。
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2.2模型建立
在进行地铁隧道明挖法基坑开挖数值模拟时，应用Mohr-Coulomb模型作为计算模型，应用FLAC3D桩构件单元进行桩模拟，应用梁构件单元进行钢支撑模拟。根据模拟信息，构建出模型，模型尺寸参数主要如下：长度为45m，宽度为96m，深度为50m，开挖深度设计为15m。模型的开挖、支护共分成4个步骤进行：第1步为基坑开挖至-3.0m在-2.0m处设置第1层钢支撑；第2步为基坑开挖至-8.0m，在-7.0m处设置第2层钢支撑；第3步为基坑开挖至-13.0m，在-12.0m处设置第3层钢支撑；第4步为基坑开挖至-15.0m。
2.3基坑开挖数值模拟模型模拟结果
通过模型模拟发现，地铁隧道基坑周边地表存在着沉降变形现象，越距离基坑位置区域其沉降变形越明显，但最大沉降并没有分布于自基坑边缘位置。模拟发现，在围护桩位置，存在着向基坑内侧的水平变形，变形呈现出抛物线发展趋势。随着基坑开挖深度不断增加，基坑坑底会出现少量回弹隆起，为计算方便，可以建立坑底隆起变形计算模型。
2.4不同嵌固深度桩的围护效果分析
围护桩的嵌固深度对基坑的变形及稳定性影响很大。在本节，保持其它参数条件不变，仅改变围护桩的嵌固深度，分析其对基坑稳定性的影响，模拟所采用的桩长分别为18m、19m、20m、21m和22m(即嵌固深度分别为3m、4m、5m、6m、7m)。分析从两个方面进行：桩自身的水平位移和基坑周边地表沉降。
通过研究发现，不同嵌固深度桩水平位移均存在着一定的规律性，逐渐减小。当桩长为18m时，出现最大位移，其水平位移量达到了18mm；桩长为22m时，桩身最大水平位移量为15.6m。随着桩长的不断增加，基坑周边地表沉陷呈现出如图1所示趋势：
图1：不同嵌固深度桩基坑周边地表沉陷示意图
2.5不同直径桩的围护效果分析
模拟采用桩长为20m(即嵌固深度5m)，间距1.5m，在开挖顺序、支撑结构以及桩的其它参数等不变的情况下，仅改变桩的直径来模拟桩径的变化对基坑稳定性的影响。所用桩径分别为600mm、800mm、1000mm。通过研究发现，桩径变化，对基坑支护稳定性存在着十分明显的影响。具体研究结果如图2所示：
图2：不同直径桩基坑周边地表沉陷示意图
当选择600mm桩径时，其最大地表沉降值（是否应改为“最大地表沉降值”）为5mm，桩身最大位移达到了18mm，在基坑底部，围护桩位移量超过了14mm；当选择1000mm桩径时，最大地表沉降值（是否应改为“最大地表沉降值”）为3.6mm，其桩身最大位移量为13.8mm，与600mm桩径相比，其位移大幅减少，由此可见，增加桩直径，能够减少桩身位移。此外，通过增加桩直径，其地表沉降的影响范围在12m范围内，最大沉降值均在设计允许范围内，在桩径增大的过程中，最大沉降值及沉降影响范围均随着桩径的增大而减小，且变化速率迅速减小，认为增加桩的直径可以有效的减小基坑周边的地表沉降，但围护桩设计时除考虑坑基稳定性外，还要考虑工程的经济型。
3数值模拟结果和实测结果对比析
取桩身水平位移值及附近地表沉降监测数据，将实测与模拟所得结果进行对比。
水平位移对比方面，可以看出，两者变形曲线均为抛物线型，桩顶及桩脚处变形较小，在桩顶下10m左右处水平位移达到最大值。差别为：实测值在桩脚处几乎为0，而模拟值约为5mm，桩顶处实测值约8mm，而模拟值仅为4mm左右，桩身最大位移模拟值较实测值大，但两者差相不大。认为模拟结果基本与实测值相符，能够反映围护桩的变形情况。
地表沉降对比方面，两者变形规律相同，变形曲线均呈抛物线型。数值模拟基坑边处沉降值约为-2mm，而实测值为-5mm左右，两者最大沉降值均出现在距基坑1～6m之间，数值模拟结果地表沉降影响范围较大，但在12m以外沉降值已小于1mm，影响已径很小。模拟结果基本上反应了施工过程中基坑周边地表的沉降变化情况，模拟变形情况与实测值基本吻合。
4结语
在进行研究明挖法基坑支护稳定性问题时，应用FLAC数值分析软件，建立模型并主要对不同嵌固深度桩围护效果、不同直径桩维护效果进行分析。将模拟结果与实测数据对比，发现模拟变化状况可以反应真实状况。通过基坑支护稳定性研究，为地铁设计及施工提供科学依据，实现工程综合效益。
参考文献：
[1]复杂基坑施工对相邻地铁车站沉降的影响分析[J].吴薪柳.铁道工程学报.2017(02)
[2]大跨地铁车站基坑开挖施工力学及周边建筑物变形响应研究[D].王旭.重庆交通大学2015
论文作者:杨铭斐1, 袁延召2, 郜艳轲3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/25
标签：基坑论文; 位移论文; 地表论文; 地铁论文; 隧道论文; 稳定性论文; 深度论文; 《防护工程》2018年第24期论文;