紧邻既有地铁盾构区间明挖竖井施工技术研究

紧邻既有地铁盾构区间明挖竖井施工技术研究

张涛

（中国水利水电第五工程局有限公司 四川 成都 610066）

摘要：城市轨道交通在建设过程中经常涉及到竖井施工，本文以成眉铁路牵出线2#竖井为依托，采用MIDAS-GTS有限元分析软件对竖井的开挖和支护过程进行模拟，分析对其紧邻的既有线地铁盾构区间的影响，优化施工方案。

关键词：竖井;紧邻既有线；方案优化；影响分析

1.引言

竖井在地铁施工中应用非常广泛，是地铁暗挖施工和盾构施工中首先要完成的部分，属于地铁施工中的控制型环节。与明挖基坑类似，竖井开挖施工不可避免地会对周边环境产生扰动，引起地层变形，当变形达到一定程度时将造成地表及地下建筑物沉降、开裂，严重时还将影响到相关人员的生命安全。

本文以紧邻19号线盾构区间2#竖井工程为背景，对原2#竖井施工方案进行优化，采用Midas GTS软件对2#竖井施工对既有盾构区间施工过程进行了有限元分析。进而更好地确保施工安全，降低对既有线的影响。

2.工程概况

市域（郊）铁路成都至眉山线红莲站与19号线红莲站之间设置联络线，19号线红莲站设置牵出线。牵出线采用矿山法及明挖法施工。其中矿山法全长118m，设置2#竖井一处。工程范围主要地层为素填土、全风化砂岩、强风化泥岩、中风化泥岩、中风化砂岩。2#竖井位于成都市天府新区雅州路东侧，宁波路西段南侧，正兴溪西侧，地处天府公园占地范围内，紧邻既有地铁19号线盾构区间，作为牵出线暗挖段工作井，提供2个暗挖工作面。

图12#竖井与19号线盾构区间关系断面图及平面图

表1风险源辨识清单及风险分级表

3.竖井开挖施工方案及优化

3.1原方案

2#竖井原方案采用倒挂井壁法施工，竖井尺寸11.5m×9m×28.657m，建筑面积103.5㎡，竖井围护采用φ800@600mm旋喷桩，挂φ8@200×200双层钢筋网，护壁采用格栅钢架@0.5m/0.75m加35cm厚C25喷砼，设I32a型钢脚撑。

1、2#竖井锁口圈梁以下16.1m：φ800@600双重管高压旋喷桩，至中风化顶面，桩长16.1m；φ42*4注浆锚管@1.0m（环）×0.5m（竖），L=3m。

2、底部10.8m：φ22砂浆锚杆@1m（环）×0.75（竖），L=3m。

与19号线盾构区间关系：

2#竖井临近19号线盾构区间。竖井井壁距19号线盾构区间水平距离6.65m，砂浆锚杆距19号线盾构区间水平距离5.118m。2#竖井井底高程462.343低于19号线盾构区间底高程1.855m。

图2 2#竖井“倒挂井壁”法结构平面图及剖面图

锁口圈梁采用模筑C30钢筋砼。竖井周边地面超载不应大于20kpa。

旋喷桩采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆的水灰比为1.0～1.5；旋喷桩桩体要求有良好的止水性，其渗透系数≤10-6cm/s，28d单轴无侧限抗压强度约为2.0Mpa。

施工竖井支护采用格栅网喷混凝土；喷射混凝土采用C25早强混凝土；注浆锚管为42mm直径，壁厚4mm钢花管，注浆压力0.2～0.3Mpa，浆液采用水泥浆，注浆锚管及砂浆锚杆倾角10～15°。

3.2方案优化

2#竖井作为暗挖工作井，施工持续时间较长，竖井施工期间对19号线盾构区间会产生一定影响。鉴于2#竖井距离既有19号线盾构区间较近，地层较差，为确保满足既有线保护要求，竖井支护方案由“倒挂井壁法”，调整为“围护桩+环框梁”方案，相对而言更有利于19号线保护。围护桩强度高、刚度大、支护稳定性好、变形小。作为长时间提供暗挖工作井相较倒挂井壁法风险降低。

优化后基坑围护桩采用φ1200@2200/@2000钻孔灌注桩；桩间为150mm厚C20早强混凝土+φ8@150×150钢筋网，同时设置φ16水平加强筋，竖向间距600mm。竖向间隔4m～5m设置4道1m/1.1m×0.8m（宽×高）环框梁，调整后竖井净空尺寸为8×6m（长×宽）。

图3 2#竖井“围护桩+环框梁”平面及断面布置图

2#竖井开挖方案如下。

施工准备→围护桩及冠梁达到设计强度、降水井施工完成20天→第一阶段土方开挖3m并网喷混凝土→第二阶段土方开挖1.6m至环框梁下10cm施作环框梁并网喷→第三阶段土方开挖3m并网喷→第四阶段土方开挖1m至环框梁下10cm施作环框梁并网喷→第五阶段土方开挖3m至环框梁下10cm施作环框梁并网喷→第六阶段土方开挖3m并网喷→第七阶段土方开挖1.8m至环框梁下10cm施作环框梁并网喷→第八阶段土方开挖3m并网喷→第九阶段土方开挖3m并网喷→第十阶段土方开挖3.357m并网喷→基底整平、验槽、垫层施工。

基坑采用垂直分层法进行土方开挖，φ8@150×150mm钢筋网，加强筋为φ16@600，喷射150mm厚C20混凝土挂网喷砼支护，随挖随喷。开挖至每道环框梁以下10cm时施作该层环框梁。

每层采用平层开挖，配PC75挖掘机进行开挖，利用60t龙门吊垂直提升出土、输送材料，整个土方开挖过程中及时施作环框梁。

4.施工竖井开挖对地铁的影响分析

根据施工竖井与19号线盾构区间的位置关系，本次数值模拟计算采用三维模型，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的简化。简化后的土层能合理地反映在整个模型中地层的分布情况。模型土层厚度：杂填土11m、全风化泥岩2m、强风化泥岩3m、中风化泥岩71m。

建立模型如下：

图4计算模型一

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。

模型计算荷载主要包括：自重、土压力、水压力、超载（20KPa）。

4.1 计算工况

按照基坑与既有地铁结构空间位置关系，施工工序，计算考虑了如下几步工序：

第一步：地层及既有地铁模型建立及计算（初始工况）；

第二步：桩顶第一层放坡开挖；

第三步：基坑支护桩及冠梁施工；

第四步：开挖至第一道环梁下方0.5m，并施工第一道环梁；

第五步：开挖至第二道环梁下方0.5m，并施工第二道环梁；

第六步：开挖至第三道环梁下方0.5m，并施工第三道环梁；

第七步：开挖至第四道环梁下方0.5m，并施工第四道环梁；

第八步：开挖至第五道环梁下方0.5m，并施工第五道环梁；

第九步：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）；

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

图5竖井开挖至底部土水平位移 图6竖井开挖至底部土竖向位移

根据计算可知，因为19号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。

5.结语

分析紧邻既有地铁盾构区间竖井施工，通过方案优化和模拟计算，切实保证竖井及紧邻地铁盾构区间的安全，可为紧邻既有线竖井施工提供一些借鉴和参考。

作者简介：

张涛（1986-），男，河北保定，高级工程师，中国水利水电第五工程局有限公司，从事技术管理工作；

参考文献：

[1]贾波，地铁竖井施工对周边建筑影响及加固措施，工业建筑，2011，2011-041:121-125

[2]李立云，地铁竖井施工过程中周边环境相应分析，工程地质学报；2018，26（4）:1086-1094

[3]何振锋，竖井施工对周边构筑物的影响分析，低温建筑技术；2013，2013（12）：108-110

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