暗挖区间竖井施工技术.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯建 筑 与 土 木 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯暗挖区间竖井施工技术叶滔(中铁七局集团第二工程有限公司 辽宁沈阳 110000)摘要：洞桩法（Pile-Beam-Arch method，PBA）暗挖地铁车站被广泛应用于城市地铁车站施工，竖井施工作为车站施工的首要施工工序，因此竖井的安全关系到整个施工过程。该文以沈阳地铁三号线三好街站竖井施工为工程背景，通过采用Midas GTS NX有限元分析软件，对边桩、钢支撑、角撑等支护结构与开挖过程进行简化模拟，研究了开挖过程中地表沉降、地层水平位移规律。该研究对同类暗挖车站竖井施工有一定指导意义。关键词：PBA工法 竖井施工 有限元分析 地层水平位移中图分类号：U231.3文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)20-0146-04Construction Technology of Undercutting Interzonal ShaftsYE Tao(The Second Engineering Co.,Ltd.,China Railway Seventh Bureau Group,Shenyang,Liaoning Province,110000 China)Abstract:Undercutting subway stations by the PBA construction method is widely used in the construction of urban subway stations.Shaft construction is the primary construction process of station construction,so the safety of shafts is related to the whole construction process.This paper takes the shaft construction of the Sanhaojie Station of Shenyang Subway Line 3 as the engineering background,simplifies and simulates supporting structures such as side piles,steel supports and angle braces and the excavation process by using Midas GTS NX finite element analysis software,and studies the law of surface settlement and stratigraphic heave in the excavation process.The study has certain guiding significance to the construction of similar undercutting shafts in the station.Key Words:PBA construction method;Shaft construction;Finite element analysis;Stratigraphic heave洞桩法（Pile-Beam-Arch method，PBA）1是在施工中形成由桩、梁、柱共同形成的整体支护体系，来代替传统施工中预支护与初期支护结构，以此保证是施工有效控制施工安全进行，此施工方法因其对地面交通占用小、适合大规模开挖、结构安全度高等优点2，在城市地铁车站施工被广泛应用。竖井开挖作为暗挖施工的第一施工段，竖井开挖支护直接对整个施工过程有影响，因此对竖井开挖支护进行分析是很有必要的。翁承显等人3基于实际工程，采用模拟分析结合敏感性分析的方法，研究了不同混凝土厚度、锚杆长度，以及间距、横向支撑等参数对竖井施工的影响，优化了施工，加快了工程进度。张增峰4以贵阳车站为工程背景，通过建立三维模型、平面应变模型，对不同围岩下竖井衬砌施工内力进行了分析，优化了竖井支护结构。史宁强等人5-6通过相似模型实验，得到了竖井开挖围岩压力与竖井深度的关系，并通过数值模拟进一步对围岩压力分布规律进行了研究。本文通过有限元分析，对竖井支护进行分析，以期DOI：10.16661/ki.1672-3791.2210-5042-3978作者简介：叶滔（1983），男，本科，高级工程师，研究方向为市政公用工程。146SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 建 筑 与 土 木科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION有效控制竖井开挖沉降。1 工程概况三好街站为地铁三号线的第二十座车站，前一站为方形广场站，后一站为工业展览馆站。区间临时竖井位于文化路与彩塔街路口西北侧，#临时竖井及区间临时竖井施工方法均采用倒挂井壁法进行施工。车站平面图如图1所示。2 施工工艺与变形控制2.1 施工工艺在锁口圈开挖前，先人工挖槽探测地下管线，若有管线可根据情况及时对管线进行迁改。为加固竖井锁扣圈梁下土体的强度，对锁扣圈下，梁深1.8 m，宽度1.95 m范围内进行水泥浆注浆加固。土体加固范围图如图2所示。竖井锁口圈梁与混凝土横梁在杂填土与粉质黏土中。采用人工配合机械开挖至地表以下0.6 m，人工清底0.4 m。开挖竖井井口土体至锁口圈梁底部，浇筑10 cm混凝土垫层（2#竖井）后安装模板并绑扎钢筋，整体浇注井口钢筋混凝土圈梁，并预埋好各种预埋件。竖井的井体采用人工开挖，并对掘进进行了严格的控制。在竖井的中段开挖，然后在井壁上分段开挖。在开挖过程中，按竖井的轴线对称，分侧向分段开挖，用人工将渣土装入吊斗，通过吊车将其提升到地表的渣土区。施工中，要严格控制竖井的进尺，并及时进行围护。在开洞之前，先安装临时支撑，然后在开孔时切断竖井上的格栅钢架，架立三榀，并将其与槽钢框架通道断面的格栅钢架。竖井开挖完成进尺一榀后，对土面清扫干净，然后喷上一次混凝土装上格栅钢架，再进行小导管施工，最后再进行喷射混凝土。在隧道开挖前，将小导管沿开挖轮廓线打入掘进前方稳定的土体内，末端支撑在隧道拱部的钢架上，并对小导管进行注浆，增加小导管的刚度和固结前方土体，使其起到加固掘进进尺范围内拱部上方的土体，有效地约束土体在开挖后的一定时间内不发生松弛坍塌。小导管注浆有以下作用，具体叙述如下。（1）改良工作面前方的土体结构，在开挖面以外形成加固圈。（2）超前小导管与钢架、固结的地层共同作用形成超前支护结构，能有效增加施工面的安全稳定，避免施工面因不稳定而发生松弛。小导管注浆根据设计施工图纸要求，在洞内深孔注浆与小导管加固重叠范围内，小导管作用应视洞内深孔注浆的效果好坏，来决定是否进行补充注浆。在横通道拱顶120 范围内设置超前小导管注浆加固。小导管采用DN323.25钢管，L=2 m，每一榀格栅打设一环，环向间距0.6 m，水平倾角为16。注浆浆液根据设计要求选用1 1水泥-水玻璃双液浆，根据现场情况适当添加固砂剂。每榀格栅钢架拱脚及临时仰拱拱脚处设置两根锁脚锚管（A323.25，L=2 m），打设角度45，浆液类型与超前小导管一致。图1 车站平面图图2 区间竖井锁口圈梁加固区域147SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯建 筑 与 土 木 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯通过导管法，在地面上对灌注桩进行浇筑，混凝土材料采用水下C30混凝土。基坑开挖完毕后，按照一定的顺序进行主体结构施工，从上而下，严谨错序。1号竖井主体结构与3号竖井主体结构穿插作业，避免造成各施工作业队伍之间存在停工等待作业面的情况，施工时合理组织加快西端结构施工，按节点工期要求为盾构接收提供施工场地。模板支架应选择安全的、方便的。施工所用的材料通过航吊进行运输。为了混凝土的质量，采用商品混凝土，通过混凝土管泵送入模，并进行振捣待混凝土强度达到设计规范强度后再进行模板支架拆除。2.2 变形控制竖井围护结构通过外层钻孔灌注桩内侧采用横支撑支护形式，在竖井施工期间保证基坑没有渗漏水。采用直径1 m间距1.5 m的钻孔灌注桩，围护桩长度为4 335 mm，桩间采用100 mm厚C25钢筋网喷混凝土，内支撑第一层内支撑采用600 mm1 000 mm“混凝土支撑+桩顶冠梁”，基坑4个角位置最内侧角撑采用双拼I45C工字钢作为钢角撑。3 数值计算分析3.1 数值模型的建立通过有限元分析软件Midas GTS NX建立竖井实体模型，竖井模型尺寸在X、Y、Z方向上长度分别为90 m、90 m、80 m；土体的边界限制：最上层是自由面，最下层是固定面，其他的是法向约束。竖井采用围护桩进行围护。模型如图3、图4所示。3.2 材料本构模型根据钻探报告，三好街站沿线勘察深度范围内主要地层分布为杂填土，中粗砂、圆砾、沙砾-1、沙砾-2，根据勘测报告土体选择修正摩尔-库伦本构关系，其他结构属性材料的结构模型均采用弹性本构关系。各层土体的物理参数、材料计算取值如表1、表2所示。4 地表沉降与地层水平位移分析4.1 地表沉降分析在车站竖井内侧竖直方向每隔一定的距离设置一个监测点。对不同施工区段的竖井进行了监测和分析。在不同的施工段对地面沉降量进行监测，具体见图5。图5曲线描述了竖井的5个断面处监测点的沉降，由图可知，A1监测点处沉降值最大约为8.4 mm，A3处沉降值最小约为1.8 mm。在随着竖井的开挖A1、A4监测点随着竖井开挖深度的增加，沉降曲线由最开始平稳到急速下降最后趋于平稳，沉降值由开始的3 mm、5 mm分别增加到5 mm和8.4 mm。A2、A3、A5监测点随着竖井开挖深度的增加，沉降曲线由平稳到平缓上升最后趋于平稳。在第一段开挖工序时，土体沉降变化不大，随着施工段的开挖土体沉降开始增加。当竖井开挖深度达到一定深度时，土体损失量增大，土体位移场重新分布，导致基坑底部产生微弱的隆起，使沉降曲线向上增加。由于竖井开挖深度较深，竖井沉降关系到整个车站施工，竖井的沉降控制也是不可避免的难题。表1 土体物理力学参数序号12345名称杂填土中粗砂圆砾砾砂1砾砂2厚度/m435108容重/（kN/m3）1619.420.32020.1粘聚力C/kPa300000内摩擦角/3625.53828.537.4表2 材料计算取值模拟结构建筑物支撑腰梁冠梁材料类型弹性弹性弹性弹性模量/MPa50 00035 00032 000泊松比0.30.30.3图3 三维模型实体图4 三维实体模型148SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 建 筑 与 土 木科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION4.2 地层水平位移分析竖井开挖过程中地层水平位移如图6所示。本工程通过钻孔灌注桩、钢支撑支护形式、注射超前小导管、增加混凝土内支撑等方法，使竖井开挖地表沉降满足施工规范要求。图6中的曲线是竖井开挖过程中，在竖井地层上选取的5个监测点在各个施工段的地层水平位移值，可以看出在竖井开挖前，地层水平位移值不发生变化，随着竖井向下开挖深度的增加，地层水平位移值曲线呈波浪形变化增加。最大位移为4.8 mm，在4号监测点处。监测点2位置上产生的位移最小约为1.5 mm，3号监测点处水平位移值为3 mm，处于2号与3号监测点水平位移值之间。5号监测点位置大于2号监测点位置产生位移值。5 结论竖井是暗挖地铁车站前一道重要的施工工序，控制竖井施工引起的地表沉降是深大竖井开挖时需要面临的一项难题。通过有限模拟软件进行了竖井开挖施工模拟，并做出以下结论。（1）本文通过模型分析了竖井开挖过程中地表沉降值、地层水平位移值最大分别为8.4 mm和4.8 mm。（2）通过有限元Midas GTS NX模拟开挖过程中竖井的加固，有效控制了开挖过程中竖井的沉降值。参考文献1 王琛,王宝,盖文,等.北京某暗挖地铁车站及竖井横通道施工对邻近既有运营车站的影响研究J.施工技术,2020,49(S1):557-565.2 秦建明.暗挖车站关键施工技术研究及应用J.山西建筑,2021,47(6):94-96.3 翁承显,黄林,史宁强,等.基于敏感性分析的地铁车站矩形深通风竖井支护参数优化J.公路交通技术,2020,36(5):121-127.4 张增峰.倒挂井壁法竖井衬砌结构受力分析J.城市道桥与防洪,2018(8):375-379,38.5 史宁强,史作璟,童晨材,等.地铁车站通风竖井围岩侧压力特征及拐点预测J.地下空间与工程学报,2021,17(S1):196-202.6 史宁强,靳晓光,史作璟,等.地铁车站深通风竖井围岩压力模型试验研究J.地下空间与工程学报,2021,17(S1):95-100,113.图5 沉降曲线图图6 地层水平位移曲线图149