华霖杰
(中铁二十四集团有限公司, 上海 200433)
随着国内经济建设的快速发展,为了解决日益严重的城市地上交通拥挤问题,各大城市的地下轨道交通逐渐进入飞速发展阶段。在地铁地下施工中,经常会遇见锚索侵限的情况,如果不对锚索进行处理,可能会产生盾构机刀盘卡住无法脱困和地下连续墙无法施工等问题[1]。目前主流的处理锚索侵限的方法有明挖基坑法[2]、暗挖隧道法[2]、跟管钻进套取法[3]、人工挖孔桩分段拔除法[3]、全套管全回转钻机切割处理法[4]等。
目前在很多项目中使用旋挖钻处理锚索法取得了较好的处理效果。杨立涛等[5]依托深圳地铁9号线西延线工程的4个盾构区间,尝试6种不同的方案:人工挖孔竖井+穿心千斤顶拔除、人工挖孔竖井+套管钻机拔除、人工挖孔竖井+旋挖钻拔除、暗挖+空推处理、旋挖钻拔除+地面加固强推、地面直接加固+盾构强推,在进行效果对比分析之后选出最适合该工程锚索处理和盾构穿越施工的方案—旋挖钻拔除+地面加固强推。黄志斌等[6]以佛山地铁1号线某盾构区间穿越沿线某建筑基坑锚索支护为背景,综合考虑工期、工程造价、工程风险等因素后,从明挖基坑法、暗挖隧道法、套管拔除法和旋挖钻垂直切索法这4种方法中选择采用旋挖钻垂直切索法,取得了良好的处理效果。
本文结合济南市轨道交通4号线段店站锚索侵限旋挖钻处理工程探索出最优的施工工序,线段店站侵限锚索为桩锚结构,该结构可有效加固土体并阻挡深基坑外地下水的渗入[7],但在处理锚索侵限时桩锚结构会对地层和既有结构产生更大的影响。因此,本文基于FLAC3D数值模拟平台探索3种不同旋挖工序,即“无间隔连续旋挖施工”“隔一挖一跳点旋挖施工”和“隔二挖一跳点旋挖施工”对地层和既有结构变形的影响,通过对比分析选出对地层和既有结构影响最小的旋挖工序。
段店站位于经十路、腊山立交匝道东南侧辅路下方,沿经十路东西向布置。车站为地下二层岛式车站,明挖施工,结构长279.9 m,标准段宽20.3 m,车站底板埋深17.2～19.3 m,围护结构为地连墙+内支撑体系。车站设4个出入口,2组风亭。
现场已有锚索为融建财富时代广场在施工地下围护结构时打设,经调查,锚索入侵段店站车站主体,竖向共3排,侵入数量约为354根,侵入主体结构最长为10.9 m,侵入附属结构最长为21.27 m。其中段店站平面位置如图1所示,侵入范围如图2所示,锚索与车站基坑相对位置关系如图3和图4所示。
图1 段店站平面位置示意图
图2 锚索侵入范围示意图
未注单位:mm图3 锚索侵入范围1—1剖面图
未注单位:mm图4 锚索侵入范围2—2剖面图
已有锚索侵入车站为3排,排距为3.5 m,水平间距为1.5 m。锚索布置如图5所示,锚索参数见表1。
表1 锚索参数
未注单位:mm图5 锚索布置图
锚索侵限很可能影响地铁的地下施工,为了避免施工时受侵限锚索的影响,在施工前必须对侵限锚索进行处理。
锚索主要影响车站南侧地下连续墙施工,为保证围护结构正常施工,对影响范围内锚索进行切割处理,对此提出3种处理锚索的方案。
1)“重锤低冲”反复冲击锚索法[8]。该方案是通过冲锤的重力和土体提供的反力,锚索将在槽段范围内被截断。为了给冲锤提供足够的反力,并防止冲锤工作时拉坏锚头影响既有建筑物稳定,将锚索处土体置换为碎石,并调整护壁泥浆的配比,以防止处理锚索时槽段内塌孔。其优点是方法简单、机具设备较小、对环境要求较低。但是靠重力冲击锚索,震动较大,有破坏房建地下室的可能性,并且反复冲击,易造成后期地连墙槽壁坍塌,切断锚索的工效也较低,对工期的影响较大。
2)旋挖钻垂直切锚索法[6]。通过该方法在槽段范围内采用旋挖钻机将锚索垂直切断,施工工效比冲击钻高,使用旋挖钻钻断锚索,对既有地下结构影响较小,但是机具设备较高大,需要一定的施工场地,并且靠旋挖钻钻头下压钻断锚索,对钻头磨损较大,要对钻头进行特殊加工。
3)绳锯切割法[9]。在地连墙施工过程中,遇到锚索后,采用绳锯工具在设备驱动下对锚索进行磨削切割,最终实现静态切割分离拆除。其效率较高,自动化遥控操作作业更安全,震动噪声较小,但属于研发试验中的技术,利用金刚绳索需要专业设备、专业人员操作,专业化程度较高。但是该方法费用较高,且属于暂停地下连续墙成槽过程来处理锚索,影响地下连续墙施工工效,增加地下连续墙坍壁、缩孔风险。
通过对比各方案的优缺点后,认为采用旋挖垂直钻断锚索法的方式,对既有地下结构影响小,并可有效处理锚索,确保围护结构能够施工。在广东省佛山市地下交通工程施工中,也有旋挖垂直钻断锚索来处理锚索的成功案例[6,10-11]。
旋挖钻处理锚索是以导向墙作为向下旋挖引导,在成槽过程中采用旋挖钻引孔,旋挖钻钻进过程中将锚索卷起随钻头提出,使用旋挖钻处理锚索,需提前做好锚索定位。在锚索处理完成后立即对孔洞使用7%水泥土回填。
针对旋挖钻处理锚索提出3种不同的施工顺序,分别是不间隔连续开挖施工、隔一挖一跳点施工和隔二挖一跳点施工,简写为工序1、工序2和工序3。旋挖钻处理锚索施工(局部)顺序如图6所示。
相同编号为连续施工编号图6 旋挖钻处理锚索施工顺序
不同的旋挖工序或许对锚索拔除的效果相同,但对整个土体和既有结构的影响不同,桩锚支护时会导致地层的沉降与变形[12],同样对于桩锚结构的锚索旋挖拔除,也会导致地层与既有结构的沉降与变形,目前还未有人对不同锚索旋挖处理施工工序对地层与既有结构的影响大小进行探索。本文通过FLAC3D数值模拟平台探索3种不同旋挖工序对地层与既有结构的影响,并选出最优工序,应用于实践之中。
在确定3种不同的旋挖处理锚索施工顺序后,采用Rhino和FLAC3D共同建立实际工程的数值模型,利用有限差分软件FLAC3D将3种不同的旋挖处理锚索施工顺序在数值模型中进行模拟,通过数值模拟结果对比分析这3种开挖施工顺序对于地层和既有结构的影响,从而选择出最适合实际工程中应用的旋挖处理锚索施工顺序。
3.1 模型建立
结合实际工程建立数字模型,实际工程中共需要处理的锚索数量约354根,由于锚索的旋挖处理具有重复性,故选择建立容纳60根锚索的土体和建筑的简化模型来进行数值模拟。首先利用Rhino软件建立地层建筑等结构模型,60根锚索与20个支护桩和20个旋喷桩相连接,每个支护桩与两根锚索相连。每个旋喷桩与一根锚索相连。为了研究旋挖处理锚索施工对地层和既有结构的影响,故以与锚索相连的支护桩和旋喷桩为中心,两侧各延伸40 m建立厚度为19 m的地层模型,模型土体部分为80 m×31.2 m×19 m,土体分为4层,由上向下分别厚3.1、5.5、7.6、2.8 m,第1层为填杂土,其余3层均为粉质黏土,地上建筑部分距离支护桩和旋喷桩10 m,包括3层共15 m的局部商场结构和30层共105 m的局部写字楼结构,用实体单元代替;同时建立旋挖模型,因由两根锚索在同一支护桩上,所以只需建立40个旋挖轮廓,并使这40个直径为0.75 m的旋挖轮廓与锚索相对应,每个旋挖孔深13.5 m,深度足够对锚索旋挖拔除。在使用Griddle插件对Rhino模型进行网格化之后,导入有限差分软件FLAC3D中进行数值模拟。
模型共生成196 770个节点,整体模型以土体长边方向为X轴,向右为正,土体短边方向为Y轴,由外向内为正,竖直方向为Z轴,向上为正,坐标原点位于第一个支护桩底面,如图7所示。模型前后左右4个边界法向固定,边界处各节点速度、位移不变,底面X、Y、Z3个方向自由度固定,顶面为自由表面。锚索在FLAC3D中采用Cable单元建立,其中每根锚索都建立被旋挖处理后剩余的两部分锚索,方便后续进行力的施加,如图8所示。
图7 FLAC3D网格模型
图8 锚索单元与支护桩旋喷桩
3.2 计算参数及本构
建模过程中采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)弹塑性材料的本构模型。土体、建筑和回填土等具体参数取值见表2。为了简化计算,将支护桩和旋喷桩都使用C30混凝土实体来代替,由于建筑模型是实体单元,故取密度为225 kg/m3来模拟实际的建筑。
表2 模型各部分力学参数
3.3 模拟过程
单个旋挖孔的数值模拟步骤分为3步:①对单个旋挖孔进行全断面开挖,旋挖孔直径0.75 m旋挖深度13.5 m,跨越3个地层;②在每段锚索靠近旋挖孔的一端,对其施加延锚索方向的该锚索的极限荷载,运行50步后对锚索进行删除来模拟锚索被挖断或者抽出;③对该旋挖孔进行回填,完成旋挖处理锚索施工。图9为单个旋挖孔的旋挖模拟操作简图。通过调整各旋挖孔的先后处理顺序,可以模拟计算出3种不同的施工顺序。
图9 旋挖模拟操作简图
3.4 记录点的选择
为了方便对模拟的过程与结果进行分析,也方便对3种不同的工序进行对比分析,在模型表面的不同位置设置记录点。通过预模拟计算发现在旋挖处左侧,土体表面均为沉降,且距离旋挖处越远沉降越小;在旋挖处右侧的土体表面,距离旋挖处由近到远呈先沉降后隆起再沉降的趋势,并且隆起处为地下支护桩旋喷桩所在位置的正上方。根据此规律在模型的表面的中轴线上分别设置了6个记录点来记录模型Z方向的位移,分别为记录点1(23.5,14.7,34)、记录点2(2.5,14.7,19)、记录点3(0,14.7,19)、记录点4(-2.5,14.7,19)、记录点5(-30,14.7,19)、记录点6(33.5,22.5,124),其中记录点1位于3层商场建筑顶部,记录点3位于隆起区域,记录点2和记录点4位于隆起区域的两侧,记录点5位于旋挖处左侧,记录点6位于写字楼顶部中心。这6个记录点可以很好地代表模型表面的竖直位移趋势,如图10所示。
图10 记录点分布
3.5 模拟结果及分析
3.5.1 模型整体Z方向位移分析
模型经过初始应力平衡后,分别进行3种不同旋挖工序的模拟计算,最终得到3种工序模型的Z方向位移云图,如图11所示。
图11 3种工序模型Z方向位移云图
通过3个模型的Z方向位移云图可知,3种旋挖工序模型的最大沉降区域均在旋挖孔附近,而最大隆起的区域在支护桩和旋喷桩的正上方。在FLAC3D中的距离单位均为m,因此工序1模型的最大正位移为0.103 15 mm,最大负位移为-2.678 7 mm;工序2模型的最大正位移为0.134 61 mm,最大负位移为-2.713 6 mm;工序3模型的最大正位移为0.122 38 mm,最大负位移为-2.718 6 mm。在实际工程中,旋挖之前会提前浇筑导向墙,其作用除了旋挖施工的导向作用外,还有承受施工过程中车辆设备的荷载、避免槽口坍塌等作用,因此实际工程中,旋挖孔附近的沉降会受到很好的控制,所以不同工序对土体在旋挖孔附近的沉降影响差异可以忽略。通过在隆起区域新增加的多个记录点来观察3种工序最终模型隆起的程度,绝大部分的记录点显示工序2模型的隆起程度最小,从整体角度来看,工序2模型的隆起形变程度相较于工序1和工序3更小,因此竖直位移云图的最大值并不能代表整个隆起区域,而是要整体地来观察不同坐标点的位移。
3.5.2 模型横截面总位移分析
对完成模拟的3种工序的总位移云图,从模型Y方向的中点,坐标为16.1 m竖直截出剖面图(局部),如图12所示。由图12可知,在模拟计算结束时,模型Y方向中点竖直剖面云图中工序2模型的最大总位移小于工序1模型和工序3模型的最大总位移。为了消除只观测单个剖面云图的最大值可能会出现的误差,又在该剖面的两侧各距离5 m和10 m的位置观测模型的剖面图,整合成3D柱状图,如图13所示,通过观察3D柱状图,发现该结果依然遵循图12的规律:工序2模型的最大总位移小于工序1和工序3。
图12 3种工序模型总位移云图
图13 工序3模型总位移云图
3.5.3 记录点Z方向位移分析
由于每种旋挖工序均需要进行40次旋挖施工,于是将其每5次旋挖施工后的模型记录点的数值进行记录,从而得出各记录点在不同工序下随着旋挖步骤的增加Z方向的位移,如图14所示,分别是6个记录点的Z方向位移折线图。
图14 3种工序模型各记录点在Z方向的位移
通过观察记录点的折线图,由图14可以得出:①在旋挖施工的后期,工序1模型的竖直位移量要大于工序2模型和工序3模型的竖直位移量;②随着旋挖步数的增加,工序2模型与工序3模型的竖直位移量呈无规律的交替领先;③当所有旋挖施工结束后工序2模型的竖直位移量总是小于工序3模型的竖直位移量。通过上述分析可以推断出工序2模型的大部分的位置的竖直位移量要小于另外两个工序模型。
尽管当所有旋挖施工结束后工序2模型的竖直位移变化量大多小于工序3模型的竖直位移变化量,但是两者位移量非常相近,工序2和工序3仅就对于地层和既有结构的影响而言,效果几乎相同,但在实际施工中,旋挖施工完成后进行旋挖孔的回填工作,每完成一个旋挖孔的旋挖施工后转移到下一个旋挖孔时,需要大量的机械设备移动,同时大量消耗时间和人力。因此考虑到实际的施工中的便捷性,工序2的施工趟数要比工序3的施工趟数少,因此工序2在施工便捷性上也优于工序3。
为了探索3种不同的旋挖工序在处理锚索侵限时对地层和既有结构的影响,通过FLAC3D软件对 3种旋挖工序进行模拟后的结果得到如下结论:
1)无论是哪一种旋挖施工顺序,都会使大部分的地层区域和建筑发生沉降,其中,最大沉降处为旋挖孔周围,也会使一部分地层发生隆起,最大隆起处为支护桩旋喷桩上方部分区域。
2)通过观测多个竖直剖面云图发现工序2模型的最大总位移总是小于工序1模型和工序3模型的最大总位移,工序2在控制地层和既有结构的总位移方面优于工序1和工序3。
3)通过对6个记录点的观察,发现工序1模型的竖直位移量在施工后期大于工序2模型和工序3模型,而工序2模型的竖直位移量在所有旋挖施工结束后要小于工序3模型, 因此工序2在控制模型表面竖直位移方面要优于工序1和工序3,并且工序2的施工便捷性也要优于工序3。
综上所述,无论从模型整体的位移量角度,还是实际施工的便捷性角度,工序2均优于工序1和工序3,说明在实际施工中,采用工序2进行旋挖施工可以在高效处理侵限锚索的前提下把对整个地层和既有结构的影响降到最低。
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