近接深基坑的軟弱地基加固及盾構(gòu)吊裝技術(shù)研究

翁振華

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 河北涿州 072750)

1 引言

宋林等[1]以深圳某地鐵基坑工程為研究背景，對(duì)盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)未完成狀態(tài)下吊裝盾構(gòu)下井時(shí)基坑的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)提出一種合理的二維檢算方法，為特殊環(huán)境下大型盾構(gòu)順利下井、基坑的安全提供了可靠的技術(shù)支撐。 孔慶梅等[2]通過(guò)盾構(gòu)吊裝過(guò)程監(jiān)測(cè)，采用有限元分析法，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元分析方法的有效性。 文獻(xiàn)[3 -6]對(duì)盾構(gòu)機(jī)及建筑施工中的重載設(shè)備吊裝進(jìn)行了研究；李超峰[7]以成都地鐵某標(biāo)項(xiàng)目為例，研究了盾構(gòu)機(jī)吊裝的履帶吊機(jī)、吊具的選型方法及準(zhǔn)備工作。 彭榮和[8]闡述了大型構(gòu)件單機(jī)吊裝施工過(guò)程中構(gòu)件傾角的控制技術(shù)，利用放樣技術(shù)布設(shè)吊點(diǎn)增設(shè)調(diào)節(jié)裝置或定制合適長(zhǎng)度的鋼絲繩等方法調(diào)整鋼構(gòu)件安裝傾角，以保證吊裝施工安全。 本文以某軟弱地基條件下放坡開挖的深基坑邊緣進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)備吊裝為例，研究近接深基坑的軟弱地基加固及盾構(gòu)吊裝技術(shù)。

2 工程概況

濟(jì)南市CBD 市政配套工程(軌道交通預(yù)留)土建某標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)度左線795 m、右線860 m，采用一臺(tái)JZE6680 型盾構(gòu)完成掘進(jìn)施工，盾構(gòu)由歷下廣場(chǎng)站左線始發(fā)，到達(dá)綢帶公園站后解體吊出轉(zhuǎn)場(chǎng)到歷下廣場(chǎng)站右線二次始發(fā)，到達(dá)綢帶公園站后解體吊出完成盾構(gòu)施工。

左線盾構(gòu)貫通時(shí)綢帶公園站接收端只完成負(fù)一層主體結(jié)構(gòu)施工，車站基坑采用三級(jí)放坡開挖方式，吊出井以北為在建十字換乘的綢帶公園站交叉部分，吊出井南側(cè)和東側(cè)均為中央地下廣場(chǎng)的在建工程范圍，吊出井西側(cè)為待建地塊，地面距吊裝井口平面高差超過(guò)11 m，基坑不具備回填條件，吊裝區(qū)域地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜。

吊裝施工區(qū)域內(nèi)車站底層結(jié)構(gòu)以下為風(fēng)化泥巖，底層結(jié)構(gòu)以上為碎石土、粉質(zhì)黏土、碎石及雜填土組成，碎石土粘聚力小、厚度超過(guò)3 m， 碎石土距以下為泥灰?guī)r層；普通加固方法工期長(zhǎng)、費(fèi)用高且加固后的地基承載力較難滿足重載吊裝的地基承載力要求。

盾構(gòu)機(jī)拆卸吊裝的主要部件包括刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、設(shè)備橋及后配套的6 節(jié)拖車。 預(yù)吊裝盾構(gòu)機(jī)最大件重量為前盾125 t，尺寸φ6 650 ×2 078 mm，最長(zhǎng)件為螺旋機(jī)φ900 ×13 043 mm，預(yù)采用履帶吊機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)吊裝施工。

3 吊裝方案

3.1 吊裝環(huán)境

盾構(gòu)吊裝方案確定前詳細(xì)勘察現(xiàn)場(chǎng)基坑及吊裝井周邊尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，考慮基坑邊坡的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)成，吊機(jī)站位處基坑橫剖面如圖1 所示。選用2 臺(tái)履帶吊機(jī)完成盾構(gòu)拆機(jī)吊裝施工，履帶吊機(jī)布設(shè)平面如圖2 所示，吊裝井口西側(cè)使用350 t履帶吊，旋轉(zhuǎn)半徑12 m，500 t 履帶吊放于原地面，作業(yè)半徑為14 m，兩臺(tái)吊機(jī)接力完成吊裝工作；350 t吊機(jī)將盾體部件吊出后翻身存放于臨時(shí)存放平臺(tái)，再由500 t 履帶吊將盾體部件吊到地面裝車轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖1 吊機(jī)站位處基坑橫剖面圖

圖2 履帶吊機(jī)布設(shè)平面圖

3.2 地基承載力確定

(1)計(jì)算參數(shù)選擇

根據(jù)綢帶公園站設(shè)計(jì)圖紙選取計(jì)算截面對(duì)應(yīng)勘查探孔地層參數(shù)；坡頂?shù)跹b荷載7 000 kN(500 t履帶吊5 750 kN ＋前盾1 250 kN)；500 t 履帶吊履帶有效尺寸9 m×0.5 m×2 m。

(2)計(jì)算模型的建立

以摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則為本構(gòu)關(guān)系，設(shè)定墻體為彈性體，對(duì)吊裝荷載引起的周圍土體變形、應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。 基坑軟土地層部分為噴錨放坡結(jié)構(gòu)；巖層部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，樁頂以下0.5 m 處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，對(duì)鉆孔灌注樁按等剛度原則轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)土墻，E＝26 GPa。 盾構(gòu)吊裝時(shí)，基坑已開挖完成，根據(jù)對(duì)稱性，取基坑的1/2 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示，計(jì)算參數(shù)如表1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁和噴射混凝土層，吊機(jī)荷載位置設(shè)置有C30 混凝土墊層，相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

圖3 計(jì)算模型

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

①500 t 履帶吊站位處地面沉降曲線圖如圖4所示，吊裝荷載作用會(huì)使得作用區(qū)域的地表沉降變大，從6.51 mm 增大到17.72 mm。

圖4 沉降曲線

②500 t 履帶吊站位處地面相對(duì)剪應(yīng)力比近似表示的是應(yīng)力點(diǎn)離破壞包線的距離。 相對(duì)剪應(yīng)力比最大值為1，表示該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)摩爾庫(kù)倫破壞包絡(luò)線，進(jìn)入塑性區(qū)。

吊裝荷載作用后，正應(yīng)力增加，導(dǎo)致前四層地層都出現(xiàn)相對(duì)剪應(yīng)力為1 的情況，且整塊區(qū)域都處于塑性區(qū)，存在一系列的潛在滑移面，邊坡的承載能力不足。

③500 t 履帶吊站位處地面吊裝荷載作用后塑性點(diǎn)如圖5 所示，吊裝荷載作用后出現(xiàn)了較多的塑性點(diǎn)，且塑性點(diǎn)集中出現(xiàn)在吊裝荷載作用區(qū)域和邊坡邊緣區(qū)域，同時(shí)形成滑移面，因此判斷吊裝荷載作用后，邊坡極有可能出現(xiàn)剪切破壞，需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。

圖5 吊裝荷載作用后塑性點(diǎn)

④計(jì)算結(jié)論：吊裝荷載作用區(qū)域地表沉降增加較大，從6.51 mm 增大到17.72 mm；坡頂?shù)跹b荷載作用后邊坡可能出現(xiàn)剪切破壞；需要進(jìn)行可靠的地基加固處理。

3.3 吊裝場(chǎng)地與地基加固

(1)接收井西側(cè)350 t 履帶吊站位地基加固

350 t 履帶吊站位于接收井西側(cè)泥巖地層區(qū)域，吊車履帶尺寸8 450 mm×9 950 mm，旋轉(zhuǎn)半徑7 800 mm。清理地表回填土，整平13 000 mm×15 000 mm范圍場(chǎng)地，并夯實(shí)達(dá)到承載力要求，并澆筑40 cm 厚C30 鋼筋混凝土。

(2)盾構(gòu)機(jī)部件放置平臺(tái)

接收井西北側(cè)為盾構(gòu)機(jī)部件放置平臺(tái)，西側(cè)擋墻距邊坡11.5 m，為滿足盾構(gòu)機(jī)部件平穩(wěn)放置，需整平寬10 m 范圍場(chǎng)地，夯實(shí)硬化并鋪設(shè)鋼板，以滿足承載力要求。

(3)西側(cè)坡頂500 t 履帶吊站位地基加固

500 t 履帶吊站位于西側(cè)邊坡頂部，根據(jù)預(yù)定500 t 履帶吊站位空間，距離西側(cè)邊坡2.0 m 向遠(yuǎn)離邊坡位置開挖地表土體13 m ×11 m ×0.9 m，按設(shè)計(jì)要求布設(shè)14 根鋼管柱[9-10]中心點(diǎn)位，旋挖鉆成孔樁徑0.8 m，樁長(zhǎng)14.2 m，樁底進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r0.9 m；鋼管使用φ609 ×16 mm；如圖6 所示鋼管柱加固縱剖圖，鋼管內(nèi)外使用C15 砂漿填充，砂漿強(qiáng)度達(dá)到15 MPa 后才能進(jìn)行吊拆作業(yè)；每側(cè)鋼管上部縱向架設(shè)4 根45a 工字鋼，橫向滿鋪 45a 工字鋼，工字鋼上鋪澆筑0.4 m 厚鋼筋混凝土板。

圖6 鋼管柱加固縱剖圖

3.4 方案實(shí)施

3.4.1 吊機(jī)可行性驗(yàn)證

查閱350 t、500 t 履帶吊機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)、荷載圖，取動(dòng)荷載系數(shù)Kd＝1.3[11-13]，對(duì)履帶吊機(jī)的起重能力進(jìn)行驗(yàn)算。

(1)350 t 履帶吊機(jī)

根據(jù)預(yù)吊裝盾構(gòu)機(jī)前盾最重為120 t、350 t 履帶吊機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，主吊鉤選用160 t 鉤(吊鉤自重3.2 t)、主臂24 m，副臂與主臂成20°，副鉤選用100 t鉤(吊鉤自重2.3 t)，根據(jù)吊裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況最大件吊拆工作半徑取12 m，根據(jù)吊機(jī)荷載參數(shù)表知主臂最大荷載為164 t，吊機(jī)最大動(dòng)荷載Q ＝(120 ＋3.2) ×1.3 ＝160.1 t，小于164 t，滿足吊裝安全要求。

(2)500 t 履帶吊機(jī)

盾構(gòu)機(jī)前盾最重為120 t、500 t 履帶吊機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，主吊鉤選用160 t 鉤(吊鉤自重3.2 t)、主臂24 m，根據(jù)吊裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況最大件吊拆工作半徑取14 m，根據(jù)吊機(jī)荷載參數(shù)表知主臂最大荷載為162 t，吊機(jī)最大動(dòng)荷載Q ＝(120 ＋3.2) ×1.3 ＝160.1 t，小于162 t，滿足吊裝安全要求。

3.4.2 履帶吊機(jī)組裝

(1)履帶吊進(jìn)場(chǎng)

500 t 履帶吊進(jìn)場(chǎng)組裝于鋼板地基上，履帶的中心線應(yīng)與縱向鋼管柱中心線一致，以保證吊裝荷載垂直均勻地傳到下部巖層，組裝完畢按隨機(jī)使用說(shuō)明書進(jìn)行調(diào)試并驗(yàn)收合格后履行相關(guān)報(bào)驗(yàn)手續(xù)。

350 t 履帶吊進(jìn)場(chǎng)，由500 t 履帶吊將350 t 履帶吊部件按組裝順序吊到基坑下部的組裝平臺(tái)處進(jìn)行組裝，組裝完畢按隨機(jī)使用說(shuō)明書調(diào)試合格后履行相關(guān)報(bào)驗(yàn)手續(xù)。

履帶吊組裝調(diào)試前應(yīng)對(duì)相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，盾構(gòu)機(jī)吊裝前對(duì)全部參與吊裝作業(yè)的吊機(jī)司機(jī)、司索及盾構(gòu)機(jī)拆機(jī)人員進(jìn)行詳細(xì)的書面交底并履行相關(guān)手續(xù)。

(2)盾構(gòu)吊裝

履帶吊組裝、驗(yàn)收合格后進(jìn)行吊裝作業(yè)，根據(jù)盾構(gòu)的吊裝順序及拆機(jī)技術(shù)要求，依次刀盤、盾尾、管片拼裝機(jī)、中盾、前盾吊出(見圖7)，然后吊裝螺旋機(jī)、依次吊出各節(jié)臺(tái)車；350 t 履帶吊將盾構(gòu)部件吊出并在周轉(zhuǎn)平臺(tái)上翻身存放，再由500 t 履帶吊吊到地面后裝車轉(zhuǎn)運(yùn)，完成盾構(gòu)吊裝工作。

每次吊裝前應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行盾構(gòu)機(jī)吊裝技術(shù)交底，先試吊確認(rèn)吊裝安全后緩慢起吊，盾構(gòu)機(jī)按拆機(jī)順序依次拆機(jī)，由350 t 吊機(jī)將部件由接收井吊出后暫放中轉(zhuǎn)平臺(tái)，再由500 t 履帶吊由中轉(zhuǎn)平臺(tái)吊起轉(zhuǎn)運(yùn)到地面并裝車轉(zhuǎn)運(yùn)，兩次接力吊裝完成盾構(gòu)吊裝作業(yè)。

圖7 前盾吊裝

3.4.3 施工監(jiān)測(cè)

根據(jù)吊裝監(jiān)測(cè)方案，在重載吊裝時(shí)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括吊拆周邊地表豎向位移、樁頂豎向位移、樁頂水平位移、坡頂水平位移、坡頂豎向位移。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖8 所示，邊坡處布設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棱鏡，盾構(gòu)各部件吊裝期間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)500 t履帶吊處的坡頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理以確保吊裝安全。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在吊拆前采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)頻率為2 次/d，吊拆過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)符合《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ 8-2016)的相關(guān)要求[14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟弱地基條件下，地鐵車站基坑采用多級(jí)放坡開挖施工，受周邊工程環(huán)境及施工進(jìn)度的影響，基坑不具備回填的條件下采用雙機(jī)接力近接深基坑進(jìn)行盾構(gòu)吊裝作業(yè)；地面軟弱地基采用入巖鋼管樁頂部鋪設(shè)工字鋼＋鋼板的承載傳力結(jié)構(gòu)，規(guī)避了吊裝荷載對(duì)車站結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力影響；基坑下部風(fēng)化巖地層采用鋼筋混凝土板地基，基坑上下各布置一臺(tái)吊機(jī)，完成軟弱地基條件下盾構(gòu)拆卸吊裝施工，解決了近接深基坑進(jìn)行盾構(gòu)吊裝的地基加固難題，保證了盾構(gòu)吊裝安全，降低了盾構(gòu)吊裝成本。