地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性探讨

汪想贵

（中铁十二局集团第三工程有限公司，海口030000）

1 引言

地铁隧道的施工方法虽然很多，但人们经常采用明挖法，主要是基于施工的经济性和工程的安全性来考虑。该方法多用于施工现场空旷、地下建筑拆除修建而需要将地面挖开的情况。在我国，可以利用计算机对地铁隧道基坑和围护结构进行力学模拟，分析施工对结构的稳定性影响，进而做出准确预测和报告，在实际施工中意义重大。

2 工程概况

该工程位于我国南方沿海的广东省，地貌平缓，地面绝对高程为0～10m，仅佛山西站附近有零星剥蚀残丘分布，高程为10～20m。本标段共有2 条隧道，总长9477m，沙堤隧道和东平1 号隧道采用明挖法施工。明挖区间隧道围岩级别分别为：VI级围岩4651.2m，占隧道总量的49.08%；V 级围岩20m，占隧道总量的0.21%。隧道长度大于3km 的隧道2 座，分别为5985.731m 和3492m。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，桩长在17～25m，桩径有0.6m 与0.8m 2 种，桩间挂钢筋网片加喷射混凝土防护，内支撑采用钢管进行加固。

3 明挖法施工技术要求及特点

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。明挖法具有工程进展迅速、施工过程简易、对施工操作面要求较低、经济投入低等特点，能够保证工程质量进展顺利[1]。所以，在客观条件允许的情况下，明挖法为首选。由于该方法施工过程简易、操作简便、可同时安排较多工人与工程机械同时施工，不仅提高了施工效率，节约投资，还压缩了工期，且有利于保证施工质量和安全。

4 地铁隧道明挖法施工基坑稳定性研究

4.1 模型建立

本项目基于Mobr-Coulomb 模型，其中钢支撑采用梁构件单元模拟、桩采用桩构件单位模拟。开挖深度参数设定为15m，三维模型的长、宽、深度参数分别设定为45m、96m 和50m，其他条件暂不考虑。基础数据模型的开挖、支护按以下施工步骤操作：将土坑分别开挖至3.0m、8.0m、12.0m 和15.0m，并分别在2.0m、7.0m 和13.0m 的位置设置第1 层钢支撑、第2层钢支撑和第3 层钢支撑。

结果显示：土坑周边的地表面有不同程度的下降变形，且变形程度表现为从近到远越来越小，且最大沉降没有出现在实验土坑的周边外延。围护桩处的横向变形在中部大，顶部和底部小，整体呈抛物线形。由于基坑开挖造成坑底竖向荷载减少，导致首次开挖后基坑底部出现了微量回弹突起的现象，具体表现为两边小中间大。在本次试验中，围护桩处存在着基坑朝内侧发生水平位移变形的现象，其形状呈现抛物线形。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。

4.2 不同嵌固深度桩与不同直径桩的支护稳定性分析

基坑的稳定性及变形随着围护桩的嵌固深度增加而产生很大变化。通过控制变量法，仅改变桩的嵌固深度，其他条件不变，分析基坑稳定性的变化，桩的嵌固深度分别设置为3m、4m、5m、6m、7m，桩高为嵌固深度加上15m，分别为18m、19m、20m、21m 和22m。主要考虑桩自身的水平移动距离和土坑四周地面下沉情况，如图1 所示。

图1 不同嵌固深度桩自身水平移动距离影响

从图1 可看出：围护桩自身的水平位移随着桩长度的增加而逐渐减少，并且桩长在18～20m 变化时，水平位移减少的速度快，受桩长影响大，当桩长＞20m 时，水平位移减少的速度变慢，受桩长影响小。因此，不能依靠单一的增加桩长来提高基坑稳定性[2]。

试图将桩的长度由18m 上升至20m 时，发现沉降值快速下降，而将桩的长度继续增加到22m 时，发现变化却不明显。在实验中将桩径长由20m 继续扩大到22m 时，可以发现桩身水平移动距离缓慢较小，对减小桩身变形的贡献也随之下降。于是增加桩长，可以明显地看到土坑周围地面下降不断减少，如图2 所示，最大沉降值从大概10mm 的位置下降到4.5mm左右，其影响力的区间大约在14m 以内。从以上数据和图例可以得出，首先施工时要保证基坑的安全稳定，不能仅仅依靠单一的增加桩长来提高基坑稳定性和减少开挖基坑对周围地表的下沉影响。

图2 不同嵌固深度围桩对地表沉降影响

4.3 不同直径桩的围护效果分析

在实验中将围护桩长度参数设置为20m、间距参数设置为1.5m、嵌固深度参数设置为5m 进行模拟。首先保证所有模拟实验要在正确的挖开顺序下进行、且支柱的构造和所涉及的固定参数是确定不变的。单纯变化桩径来观察其对实验中的基坑牢固稳定是否构成影响。（1）采用桩径为600mm 的桩，实验得出该桩的顶部大约移动了5.0mm 的距离，桩体的最大移动距离达到了18mm，围护桩也随之出现变化，在最底端的移动距离达到了14mm，实验中出现了非常明显的“踢脚”情况；（2）将桩径增加至1000mm，发现桩的顶端移动距离反而减小到3.6mm，桩本身移动距离并不明显，大约为13.8mm，围护桩的底端移动距离为10mm 左右。从以上数据可以明显地发现，单纯变化桩径对围护桩的作用明显，随着桩径的增加桩本身水平移动距离随之降低，周围地面的下降程度也尤为明显。

实验中使桩的直径从600mm 扩大至1000mm，发现其作用区间均在12m 内，地表不断下降呈抛物线型。在实验中可以得出以下结论：随着桩径的增加，最大沉降值随之减少，沉降的作用区间也不断减小，这一变化非常迅速。可以看出，增加桩径延缓了地表下降程度。所以在以后的施工过程中，既要考虑安全稳定性，也要注意工程的经济效益[3]。

4.4 数值模拟结果和实测结果对比分析

综合实测与模拟实验发现：两者并无明显差异。具体表现为：首先实测中桩的底端为0mm、顶端为8mm，模拟实验中桩的底端为5mm、顶端为4mm。两者在距桩的顶端10mm 处水平移动距离最大。所有数据差异并不明显，二者均可以表现出对桩变形的影响力。其次来研究对基坑周围地面下降的影响程度。实测值为5mm、模拟值为2mm，而二者最为明显的沉降值在1～6m，但在距离基坑12m 以上的位置，下降值不足1mm，可以忽略此影响。综上所述，实测与模拟结果大体相同。

5 保障基坑安全稳定注意事项

5.1 基坑开挖

考虑本项目由多层进行支撑，为了保障工程的顺利进行，施工时要进行分段施工，首先运用机械施工对中间部分先行施工，并预留人工开挖。其次要分层施工，开挖时的标准高度均要低于图纸规划支撑的标准值。

5.2 支护施工

为保护地下结构和周边环境安全，当施工到达一道支撑的位置时，要根据其与围护桩的距离快速安装，施工过程中要将快凝早强砂浆层置于起接触面，使其更加严密，保证后续施工顺利。继续施工时也要密切观察，严格把关，必须做到支撑稳固后再进行后续施工，必须按照规划进行施工，及时予以加固支撑。

6 结语

综上所述，在地铁隧道明挖法施工中，基坑开挖引起的周围环境的变化和施工的稳定性，随着基坑深度加大而变得更为显著，而基坑支护结构的合理设置及施工，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。