地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究

周 全（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京）

地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究

周 全
（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京）

本文作者从城市地铁修建大的角度出发，对地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性进行研究与探析，对地铁隧道明挖法基坑支护稳定性保证，进而确保邻近建筑物的安全以及生命财产安全，具有一定的借鉴价值。

地铁隧道；明挖法；基坑支护；研究

引言：

地铁明挖法施工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,这将增大明挖法设计和施工的难度,因此基坑支护成为地铁隧道建设中的工程难题之一。文章以明挖法施工段为工程背景,采用FLAC3D数值分析软件模拟地铁隧道基坑开挖的各施工步序,分析了围护结构和基坑周边地表的变形规律以及围护桩参数(桩长、桩径)的变化对基坑稳定性的影响,最后就模拟结果与实测数据进行了对比研究。研究为施工提供了科学依据,对于其他同类工程研究也具有一定的借鉴意义。

1、地铁隧道明挖法施工的概念

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。

2、明挖法施工技术要求及特特点

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。明挖法具有以下显著优点：。

1.工艺简单，施工面宽畅，作业条件好；

2.可安排较多劳动力 髙同时施工，便于大型、 效率的工机械使用，以缩短工期；

3.造价低，施工质量易于保证。然而，明挖法也有以下缺点：1.破坏环境生态；

2.影响交通，带来尘土和噪声污染；

3.劳动强度高，施工环境恶劣.

3、地铁隧道明挖法施工基坑稳定性研究

3.1 工程概况

隧道施工通常采用的是明挖法，通常情况下，地铁地处城市较为繁华地段，其周围是居民小区、公园及一些低矮民房，同时还存在一些商业与办公用途的高层建筑物，其地址情况自上而下依次为杂质土粉黏土及粉土，依据地上及地下情况，拟采用钻孔灌注桩作为其基坑围护方式，桩长为 17～25米之间，桩径为 0.6 与0.8m两种，装间挂钢筋网片加喷射混凝土防护，内支撑采用钢管进行加力。

3.2 模型建立

其采用的是Mohr-Coulomb模型,对桩的模拟采用FLAC3D中的桩构件单元,对钢支撑的模拟采用梁构件单元。建立模型的三维尺寸为:长45m,宽96m,深50m,开挖深度为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。

3.3 模拟结果

基坑周边地表发生沉降变形,且由近及远变形逐渐变小,且最大沉降并未出现在基坑边缘处。围护桩处有向基坑内侧的水平变形,其变形呈抛物线型。由于基坑开挖的不断卸载,在第一次开挖后坑底就有少量的回弹隆起,其隆起趋势为中间大两侧小。在模拟结果中，维护桩处存在着基坑朝内侧发生的水平位移变形，其形状呈现出抛物线。随着基坑开挖的不断卸载，首次开挖后的基坑底出现稍微隆起。

3.4 不同嵌固深度状与不同直径桩的支护稳定性分析

围护桩的嵌固深度对基坑的变形及稳定性影响很大,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。

图1 不同嵌固深度桩自身的水平位移对比分析图

通过模拟分析得出相应的结论是：当桩长从18m逐步增大到22m时,桩身各点的水平位移值均有规律性的逐渐减小,但当桩长从20m继续增大到22m时,桩身水平位移值的减小趋势减缓,对减小桩身变形的贡献减小。随着桩长的增加,基坑周边地表沉降的减小趋势非常明显。而当桩长由18m增大到20m时,沉降值迅速减小,但继续增加到22m时则变化很慢,因此，在保证基坑稳定的前提下,增加桩长并不一定能减小桩身的变形和周边地表的沉降。

当桩径长从20m继续增大到22m时,桩身水平位移值的减小趋势减缓,对减小桩身变形的贡献减小。随着桩长的增加,基坑周边地表沉降的减小趋势非常明显(见图2),沉降最大值由约10mm减小到4.5mm左右,主要影响范围均在14m以内。当桩长由18m增大到20m时,沉降值迅速减小,但继续增加到22m时则变化很慢,因此,在保证基坑稳定的前提下,增加桩长并不一定能减小桩身的变形和周边地表的沉降

图2 不同嵌固深度桩支护下的地表沉降对比图

4、地铁车站明挖法施工确保基坑支护稳定性的要点

基坑开挖及支撑施工是确保基坑支护稳定性的重点工序。

4.1 基坑开挖

4.1.1 施工方法

根据本标段基坑工程多层支撑的特点，明挖施工采用纵向分段、分层开挖。分段长度为分层标高为设计支撑标高以下。基坑纵向开挖采用挖掘机接力开挖，横向先开挖中间土体，后开挖两侧土体，并预留采用人工开挖。

4.1.2 注意事项

(1)开挖应在围护结构混凝土冠梁及挡土墙封闭并达到设计强度后方可开挖。(2)桩间挡板网喷混凝土随基坑开挖进行施工。

(3)基坑边缘堆放的建筑材料或沿土方开挖边缘移动运输工具及机械，应距基坑上部边缘不小于且不得大于20kpa。

（4）基坑开挖至基底垫层以上时，采用人工开挖至基底设计标高，及时施做接地网和垫层混凝土，尽量减少暴露时间，防止曝晒或雨水浸泡破坏地基土的原状结构。基坑内采用明沟排水，设集水坑，基坑内积水沿排水明沟汇入集水坑，由水泵排至地面经处理后排入市政排水系统

（5）当基底土层与设计不符或扰动、水浸、发现淤泥、土质松软等现象时，做好记录，会同有关单位研究处理。

(6)基坑开挖前，基坑周围地面采用混凝土进行硬化，并设置排水沟，防止地面水流渗入基坑。

4.2 支撑施工

4.2.1 土方开挖挖出一道支撑的位置时，立即在两侧墙面上测定出该道支撑两端与围护桩的接触点，以保证支撑与墙面垂直且位置准确，迅速安装

4.2.2 为防止支撑在施加预应力后与挡土结构不能均匀接触而导致偏心受压，应将钻孔桩的表面凿毛， 檁抹快凝早强砂浆层，使钢围 与桩体紧密接触，砂浆表面应垂直平整。

4.2.3 支撑受力后，应严格检查，杜绝因支撑和受压面不垂直而发生徐变。

4.2.4 严格按照先支撑后开挖的原则进行基坑开挖，各层土方开挖到支撑位置后及时支撑。

结束语

由此可见，在地铁隧道明挖法施工中，基坑开挖引起的地表沉降、土体变形是非常明显的，并且它会随着基坑深度加大而更为显著，而基坑支护结构的合理论证及施工，才能有效保证其基坑的稳定性，进而确保周围建筑物的安全。

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