王春苗 宋宏偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

豎井是許多地下工程特別是隧道工程的重要組成部分,它方便人員和機(jī)械進(jìn)入地下開展施工作業(yè),是首要完成的分項(xiàng)工程.在整個施工過程中必須充分保證豎井結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度.同時,對周邊地表沉降進(jìn)行監(jiān)測,通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較,判斷上步施工工藝和施工參數(shù)是否合理或達(dá)到預(yù)期效果,實(shí)現(xiàn)對下步施工工藝和施工進(jìn)度控制,從而切實(shí)實(shí)現(xiàn)信息化施工[1-2],才能確保工程質(zhì)量和工程的順利進(jìn)行.

1 地鐵豎井研究進(jìn)展

很多學(xué)者對豎井開挖存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究,了解并探求其本質(zhì)和機(jī)理,并不斷驗(yàn)證新提出來的理論,以期能解決工程實(shí)際問題.目前,結(jié)合現(xiàn)場工程的實(shí)測數(shù)據(jù),采用理論分析的方法進(jìn)行對比研究取得了較好的發(fā)展,并在工程中得到廣泛應(yīng)用.

2005年高成雷和朱永全[3]以廣州地鐵番禹折返線施工豎井為研究對象,采用空間有限元對其在水平向主動土壓力作用下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況進(jìn)行分析,得到:豎井井壁和圈梁為壓彎受力,井壁內(nèi)側(cè)的受拉區(qū)范圍略大于受壓區(qū),圈梁內(nèi)側(cè)的受拉區(qū)與受壓區(qū)范圍基本相等,中隔墻和底板以受壓為主,可近似按照軸心受壓處理,井壁的水平位移均指向豎井內(nèi)部,自上而下位移量逐漸增大,長邊和短邊的最大位移量均發(fā)生在豎井下部的對稱中心處,深度基本相同,長邊中跨的水平位移量最大,豎井各部位的一些相交處存在著明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

2007年趙輝、吳紅云和岳德金[4]對北京地鐵豎井施工引起的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析表明,豎井周壁經(jīng)支護(hù)加固后,其開挖過程的影響范圍大約在0.4H(H為豎井開挖深度)左右,開挖對長短邊的影響基本一致,豎井開挖過程中,周邊地表的沉降槽曲線形狀隨著開挖深度的增加由向上凸變?yōu)橹本€,最后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏习嫉那€.開挖完成后,豎井周邊地表沉降槽可由二次多項(xiàng)式曲線來表示,施工過程中應(yīng)對豎井周邊3.5m范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測.

2009年徐玉峰和楊建華[5]結(jié)合實(shí)際工程探討不同地質(zhì)條件下豎井采用的不同方法,均質(zhì)軟弱地層采用沉井法施工,硬質(zhì)巖層采用礦山法施工,上軟下硬地層中采用明挖和礦山法相結(jié)合施工,對于交界面地層采用沉井法和礦山法相結(jié)合施工.

2010年郭亞宇和王慶國[6]針對深圳地鐵5號線暗挖隧道施工的特點(diǎn),介紹了不同地質(zhì)巖層段豎井施工方法,詳細(xì)闡述了豎井鎖口段、井身、馬頭門及豎井封底施工方法,對馬頭門施工進(jìn)行了重點(diǎn)分析.同年,賴展超[7]通過對廣州地鐵三號線某區(qū)間豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析,介紹有別于一般矩形豎井的圓形豎井設(shè)計(jì)思路,詳細(xì)介紹了其計(jì)算模型及內(nèi)力計(jì)算,賴展超認(rèn)為地鐵區(qū)間施工豎井在滿足使用要求條件下,應(yīng)優(yōu)先選用圓形豎井,因?yàn)閳A形豎井在受力及經(jīng)濟(jì)性上遠(yuǎn)勝于矩形豎井.

目前,大多數(shù)地鐵豎井研究是考慮結(jié)構(gòu)與土的關(guān)系.隨著內(nèi)陸巖石地區(qū)地鐵建設(shè)的發(fā)展,考慮結(jié)構(gòu)與巖石的關(guān)系將是豎井開挖施工技術(shù)和監(jiān)測分析研究的重點(diǎn).并且,由于賦存介質(zhì)不同,土質(zhì)地區(qū)豎井與巖石地區(qū)豎井的施工和設(shè)計(jì)必然不盡相同,所以用來研究土質(zhì)地區(qū)的理論不能照搬過來研究巖石地區(qū)豎井開挖施工技術(shù),需要形成一套與巖石地區(qū)相結(jié)合的理論與方法.

2 豎井施工技術(shù)

2.1 工程概況

青島地鐵某施工豎井為矩形,凈空為9m×4.8 m,井深為26.41 m(含集水井深2 m).豎井周邊圍巖級別為III、IV 圍巖,井身自上而下穿過:素填土、普通粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖.豎井采用礦山法施工,支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)為錨、噴、網(wǎng)、鋼架,二次襯砌為模筑鋼筋混凝土.考慮全線通風(fēng)要求,施工豎井永久保留,運(yùn)營期間作為活塞風(fēng)井.

2.2 豎井施工方案

區(qū)間豎井的總體施工順序是:開挖鎖口段及灌注鎖口段→豎井井身開挖支護(hù)→馬頭門段開挖支護(hù)→井底開挖支護(hù).

(1)豎井鎖口段施工.鎖口段為2 m×1 m高的C25鋼筋混凝土倒臺階結(jié)構(gòu),臺階寬度為0.75m,鎖口段高度為2 m,分二層開挖.基坑最大開挖平面尺寸12.4m×8.2m.井口設(shè)置C15混凝土擋水埝,高出地表30cm.

(2)井身段開挖與初期支護(hù).鎖口圈梁砼達(dá)到強(qiáng)度后,豎井土方開挖采用全斷面法開挖,格柵鋼架隨挖隨支.井身標(biāo)準(zhǔn)段平面開挖尺寸10.6m×6.4m,采用鋼支撐和注漿花管的聯(lián)合支護(hù)形式.鋼支撐的豎向間距為2 m,共設(shè)置5道,與短邊平行,支撐點(diǎn)位于豎井長邊中部.豎井每循環(huán)下挖進(jìn)尺為一榀鋼筋格柵間距(0.5～0.75 m),中間設(shè)置集水坑,集水坑先行施工,然后向井壁擴(kuò)挖,修邊成形.開挖成型后先初噴約5 cm厚混凝土封閉圍巖,然后掛 Φ 8@200×200鋼筋網(wǎng)片,布設(shè)L=3.0m,Φ 25的砂漿錨桿,與水平面夾角是10°,環(huán)向間距1m,梅花型布置.環(huán)形架立“8”字型格柵鋼架,復(fù)噴C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度30 cm,完成初期支護(hù).

開挖至巖層采用爆破法全斷面開挖,爆破按以下流程進(jìn)行:測量放樣→風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆眼→清孔→裝藥→引爆→通風(fēng)排煙→出渣→斷面測量(欠挖處理)→格柵安裝、初期支護(hù)→下一循環(huán).

(3)馬頭門段開挖支護(hù).豎井進(jìn)入橫通道處俗稱“馬頭門”,是施工開挖的薄弱點(diǎn).由于馬頭門范圍井身段為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,地質(zhì)條件較好.拱頂采用 Φ 32的小導(dǎo)管超前注漿,長度為3.5 m,間距@400mm,外插角14°,壓注水泥-水玻璃雙液漿.待水泥-水玻璃雙液漿壓注結(jié)束4h后,破除馬頭門上半斷面井壁初期支護(hù),進(jìn)尺50cm,立即進(jìn)行上臺階初期支護(hù),架立格柵鋼架,打設(shè) Φ 22鎖腳小導(dǎo)管并嚴(yán)格注漿,網(wǎng)噴至設(shè)計(jì)厚度.如此循環(huán),進(jìn)尺單榀格柵鋼架間距,馬頭門處要并立兩榀格柵鋼架加強(qiáng)支護(hù),待上臺階進(jìn)尺5 m后,噴混凝土封閉上臺階子面,破除下臺階井壁初期支護(hù),接長上臺鋼格柵,及時封閉馬頭門初期支護(hù),在完成馬頭門并立兩榀格柵鋼架后,即正式形成橫通道施工工作面.

3 豎井監(jiān)控量測

為保證豎井開挖的安全,盡可能降低施工對周圍環(huán)境的影響,根據(jù)國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范[8-9]對基坑開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)的要求,在豎井周圍布置了一定數(shù)量的地表沉降監(jiān)測點(diǎn)對施工過程中各監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況進(jìn)行觀測,具體的點(diǎn)位布置如圖1所示.

圖1 地表沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布設(shè)圖

豎井周圍地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的沉降是采用精密電子水準(zhǔn)儀和銦鋼尺進(jìn)行的,水準(zhǔn)儀的精度為0.5mm/km.各監(jiān)測點(diǎn)均在豎井開挖前一周埋設(shè)完畢,并在埋設(shè)后進(jìn)行了兩次初始基準(zhǔn)值的測量,取兩次測量值的平均值作為相應(yīng)測點(diǎn)的初始基準(zhǔn)值.豎井開挖過程中到開挖完成后的15d內(nèi),每天進(jìn)行1～2次觀測;開挖完成后的15～30 d,每兩天進(jìn)行1次觀測;開挖完成后的30d直至穩(wěn)定,每周進(jìn)行1～2次觀測.

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

該曲線反映的是自鎖口圈澆注完成至施工至馬頭門上臺階開挖期間地表累計(jì)沉降量.從上述曲線可以得出以下規(guī)律:

(1)第Ⅰ階段為豎井在土層和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中開挖,沉降量較大.

(2)第Ⅱ階段為馬頭門及橫通道施工,沉降曲線波動比較明顯,與該階段進(jìn)行的超前小導(dǎo)管注漿有關(guān),表明注漿可使地表微微隆起.

(3)第Ⅲ階段豎井在微風(fēng)化花崗巖中施工,沉降曲線較平穩(wěn).

(4)地表沉降測點(diǎn)DC03、DC04的總沉降量均大于其它部位的沉降測點(diǎn),主要與該側(cè)滲水量較大,地質(zhì)條件較差有關(guān);根據(jù)監(jiān)測情況,施工時采取了局部降排水措施,后期沉降量減少.

(5)累計(jì)沉降量最大值為-10.04 mm,日均變化速率為-0.26mm/d,日最大變化速率為-1.45mm/d,均在警戒值之內(nèi).

通過對豎井開挖過程實(shí)測數(shù)據(jù)的分析,表明此豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,施工技術(shù)穩(wěn)定可靠,同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),采取有效的控制措施,保證了該豎井處在安全可控的狀態(tài).

4 結(jié) 論

通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較,判斷上步豎井施工工藝和施工參數(shù)是合理的,同時指導(dǎo)下步豎井的施工工藝,控制施工進(jìn)度,切實(shí)實(shí)現(xiàn)信息化施工.針對局部滲水沉降較大情況,可提請施工單位及時、有效地采取措施,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時工況,進(jìn)一步優(yōu)化方案.

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[4］趙 輝,吳紅云,岳德金.豎井施工引起的地表沉降數(shù)據(jù)分析[J].建筑技術(shù),2007,38(6):449-451.

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[6］郭亞宇,王慶國.深圳地鐵5號線豎井施工技術(shù)[J].北方交通,2010(4):157-159.

[7］賴展超.廣州地鐵三號線北延段某區(qū)間豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].甘肅科技,2010,26(18):138-140.

[8］GB 50308-1999.地下鐵道輕軌交通工程測量規(guī)范[S].

[9］JGJ 120-99.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].