紧临既有盾构区间施工竖井开挖支护方案优选及变形控制措施

韩 锐

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

随着城市建设规模的不断扩大，施工环境变得越来越复杂，施工难度也变得越来越大，尤其是在城市中进行地铁建设面临着极大的施工难度。地铁建设过程中，当施工竖井紧临既有盾构区间时，存在诸多因素影响施工的开展。

目前，竖井施工大都采用倒挂井壁法，施工竖井也可兼做施工中的风井[1]。倒挂井壁法施工工序复杂，一般流程为：锁口圈梁施工超前支护开挖土体钢筋格栅安装锚管施工支撑架设挂网喷混凝土[2]。从上到下沿井壁逐榀进行支护，施工中采用较为广泛的支护结构为“格栅钢架+喷射混凝土”，此种形式由于工序较为复杂，需要大量人工进行焊接作业，造成工期长、机械化程度低等弱点。孙希波等[3]对常用的“格栅钢架+喷射混凝土”的支护结构进行优化，提出将装配式钢结构引入竖井施工中，有效解决了“格栅钢架+喷射混凝土”支护体系施工工期长、作业环境差等问题。

但钢筋格栅刚度较弱，自身变形较大，当周围环境条件要求较高，如紧临既有线，应探寻一种更为安全稳妥的支护结构形式。本文以成都轨道交通项目为例，对紧临既有线的施工竖井支护形式进行分析探讨，并采用有限元法对结果进行验证，旨在为这样的复杂环境下的竖井设计与施工提供优化方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

成都轨道交通项目的这个施工竖井供成都某市域线牵出线矿山法区间出土、材料人员运送及通风使用。竖井净空尺寸为7.9m×5.4m，竖井深约28.6m。牵出线与既有盾构区间平行敷设，竖井水平距离既有线盾构区间管片约7.59m，井底高程低于既有线盾构区间底高程1.8m。两者平面如图1所示。

图1 施工竖井与既有线平面关系图

1.2 工程地质条件

该工程沿线地形总体较开阔平坦，但随着城市的发展，测区范围地表部分已被人工改造，分布有冲积平原、堆积台地及构造剥蚀缓丘三种地貌单元。该工程场地属构造剥蚀缓丘地貌，局部地形起伏较大，地面坡度5°～10°，相对高差一般小于30m，地面高程约480～510m，局部发育有树枝状沟谷。勘察期间地面勘探孔标高为483～502m。

该工程场地范围内从地层自上而下依次为：第四系全新统人工填筑土层（Q4ml）：素填土杂填土；第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl）：粉质黏土；侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）：强风化泥岩、中等风化泥岩、强风化砂岩、中等风化砂岩。

1.3 水文地质条件

场地附近地表无河流发育，地表水主要为沟渠水及塘水，水量较丰富，同时受季节性影响明显。根据区域水文地质资料、场地土层，按地下水赋存条件，沿线地下水主要有两种类型：一是赋存于填土里的上层滞水，二是基岩裂隙水。

1.4 不良地质及特殊岩土

场地不良地质主要为有害气体、顺层、地面沉降，特殊岩土为人工填土、软土、膨胀土、膨胀岩、风化岩及石膏。

2 竖井支护方案优选

2.1 倒挂井壁方案

顶部设置锁口圈梁，采用Ф800@600mm 旋喷桩加固表层杂填土；竖井护壁采用格栅钢架，竖向间距0.5m/0.75m 设置；喷35cm 厚C25 混凝土，挂Ф8@200×200 双层钢筋网；考虑充分利用竖井空间，故不设置对撑，改为四周设I32a型钢脚撑。中风化泥岩以上打设Ф42×4注浆锚管@1.0m（环）×0.5m（竖），L=3m；中风化泥岩以下打设Ф22砂浆锚杆@1m（环）×0.75（竖），L=3m。

2.2 钻孔桩+环梁方案

采用直径1.2m 钻孔桩，间距2200mm 沿四周设置，桩的嵌固深度为3.5m，桩顶设置冠梁，桩间采用Ф8@150×150 钢筋网，喷射150mm 厚C20 混凝土；考虑充分利用竖井空间，竖向设置6道1m（高）×0.8m（宽）钢筋混凝土环框粱，环框粱与围护桩之间采用防坠落措施。

2.3 方案比较

倒挂井壁法作为矿山法区间施工竖井最为常见的一种方式，其造价较为节约，但同时由于工序繁琐，施工周期长，结构本身刚度弱，对控制变形不利，一般用于周围环境简单的工程。

钻孔桩+环梁方案，钻孔桩刚度较大，施工周期周期较短，但是整体造价较高，经过测算钻孔桩+环梁相比于倒挂井壁增加费用约32万元。

2.4 方案选择

该工程竖井紧临既有线盾构区间，因盾构区间位于基坑周边0.7H1 范围内，基坑施工扰动影响程度分区为：强烈影响区：施工竖井基坑与既有盾构区间相对净距＜0.5H，非常接近。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，外部作业影响等级为特级。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》与《地铁设计规范》规范，并结合地方要求，盾构区间的水平及竖向位移需小于10mm，变形控制要求较高。并由于场地范围表层杂填土较厚，约12m，采用倒挂井壁法无法有效控制自身与既有盾构区间的变形。因此，通过综合比较，采用钻孔桩+环梁的方案。

3 竖井采用钻孔桩+环梁支护方案对既有盾构区间的变形影响分析

3.1 计算模型

为了验证基坑开挖采用钻孔桩+环梁支护对既有线盾构区间的变形影响，根据施工竖井与19 号线盾构区间的位置关系，采用数值模拟进行分析。模拟区域长度取为110m，宽度取为110m，深度取90m。

在整个计算模型范围内，地质资料反应地质情况非常复杂，多个地层分界线为曲线，考虑到建模的难度和在用数值模拟计算过程中，土层分界过多会影响计算结果的分析。因此，在模拟的过程中，对土层的分布情况做了一些简化。简化后的土层能合理反映模型中地层的分布情况。

模型土层厚度：杂填土12m、全风化泥岩2m、强风化泥岩3m、中风化泥岩71m。

采用Midas GTS 进行计算，计算时假定地层为连续介质，采用六面体模拟实体单元；围护桩可根据刚度等效原则等效成连续墙，采用C35 钢筋混凝土，采用板单元建模；环梁采用C35 钢筋混凝土，采用梁单元建模；19号线盾构管片采用C50钢筋混凝土，采用板单元建模。

岩（土）层在开挖过程中考虑其塑性变形，破坏准则采用修正摩尔库伦弹塑性准则，而地铁区间与围护桩及环梁仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。

3.2 计算工况

模型计算荷载主要包括：自重、土压力、水压力、超载（20kPa）。

按照基坑与既有地铁结构空间位置关系，设计施工工序，计算考虑了如下9步工序：

（1）地层及既有地铁模型建立及计算（初始工况）；

（2）桩顶第一层放坡开挖；

（3）基坑支护桩及冠梁施工；

（4）开挖至第一道环梁下方0.5m，并施工第一道环梁；

（6）开挖至第三道环梁下方0.5m，并施工第三道环梁；

（7）开挖至第四道环梁下方0.5m，并施工第四道环梁；

（8）开挖至第五道环梁下方0.5m，并施工第五道环梁；

（9）开挖至第六道环梁下方0.5m，并施工第六道环梁（开挖至坑底）。

以上工况仅考虑施工全过程中最不利的几个阶段，计算重点分析基坑开挖过程对既有地铁结构的影响。

3.3 计算结果

开挖第七层土时，已开挖至坑底，此次变形最大，其中竖向位移大于水平位移，如图2所示。

根据模拟计算结果可知，因为既有线盾构区间敷设范围均为中风化泥（砂）岩，力学性质良好，由基坑开挖引起变形值较小，引起既有盾构区间的最大位移为1.8mm（竖向位移），满足既有线结构变形量满足10mm控制要求。

4 竖井采用钻孔桩+环梁支护方案开挖时控制既有线变形的措施

当施工竖井紧临既有盾构区间时，其开挖行为可能会对既有线产生不利影响，包括结构变形和破坏等。为了有效控制这些变形，可以采取以下一些关键措施。

（1）开展施工管理和监测。管理和监测是控制变形的关键。需要建立完善的监测计划和制度，包括对既有线和新建施工竖井的连续监测。通过对既有线的位移、应力和地下水等参数的实时监测，可以及时发现问题，调整施工方案，以降低对既有线的影响。

（2）优选支护方式。采用合适的施工方法也是控制变形的重要方式。上文已经证明了钻孔桩+环梁法是一种有效的支护方式。相比于其他支护方式，它具有更大的刚度，能够更为有效地控制变形。

（3）合理控制开挖速度。控制开挖速度也是控制变形的有效手段。过快的开挖速度可能会导致地层产生过大的变形，从而影响既有线的形变。因此，需要根据地质条件和工程特点，合理控制开挖速度。

（4）优化支护结构设计。支护结构的设计直接影响竖井的稳定性和既有线的变形。可以通过优化支护结构设计，比如根据地质特性增加桩的嵌固深度、加密围护桩的间距、增大环梁的尺寸、加强围护桩与面层钢筋网的连接等，增加整个支护结构的刚度，减小变形。

（5）适时采取应急措施。在监测数据超过预定值时，应立即停止施工，并采取相应的应急措施，如加强支护、调整开挖顺序、必要时进行填土等。

总的来说，控制竖井开挖对既有线的影响，需要综合运用各种技术和管理手段，实现对竖井施工的精细化和智能化管理，确保施工的安全和高效。

5 结束语

本文以成都市某地铁牵出线矿山法区间施工竖井作为研究背景，对紧邻既有盾构区间的施工竖井支护方案进行了深入的分析和研究。倒挂井壁法虽然常见且造价节约，但由于其工序繁琐，施工周期长，结构本身刚度弱，对控制变形不利；而钻孔桩+环梁方案虽然其整体造价稍高，但施工周期短，刚度大，能有效地控制变形。本文采用的三维数值计算表明：钻孔桩+环梁方案能有效地控制变形，满足了既有线结构变形量小于10mm 的要求。笔者提出了一系列有效的开挖变形控制措施，包括开展施工管理和监测，优选支护方式，合理控制开挖速度，优化支护结构设计以及适时采取应急措施。本研究可为类似工程提供参考和借鉴。