近接深基坑的软弱地基加固及盾构吊装技术研究

翁振华

(中铁十八局集团第三工程有限公司 河北涿州 072750)

1 引言

宋林等[1]以深圳某地铁基坑工程为研究背景，对盾构井结构未完成状态下吊装盾构下井时基坑的安全稳定性进行分析，同时提出一种合理的二维检算方法，为特殊环境下大型盾构顺利下井、基坑的安全提供了可靠的技术支撑。 孔庆梅等[2]通过盾构吊装过程监测，采用有限元分析法，将现场实测数据与有限元计算结果进行对比分析，验证了有限元分析方法的有效性。 文献[3 -6]对盾构机及建筑施工中的重载设备吊装进行了研究；李超峰[7]以成都地铁某标项目为例，研究了盾构机吊装的履带吊机、吊具的选型方法及准备工作。 彭荣和[8]阐述了大型构件单机吊装施工过程中构件倾角的控制技术，利用放样技术布设吊点增设调节装置或定制合适长度的钢丝绳等方法调整钢构件安装倾角，以保证吊装施工安全。 本文以某软弱地基条件下放坡开挖的深基坑边缘进行盾构设备吊装为例，研究近接深基坑的软弱地基加固及盾构吊装技术。

2 工程概况

济南市CBD 市政配套工程(轨道交通预留)土建某标盾构区间，区间长度左线795 m、右线860 m，采用一台JZE6680 型盾构完成掘进施工，盾构由历下广场站左线始发，到达绸带公园站后解体吊出转场到历下广场站右线二次始发，到达绸带公园站后解体吊出完成盾构施工。

左线盾构贯通时绸带公园站接收端只完成负一层主体结构施工，车站基坑采用三级放坡开挖方式，吊出井以北为在建十字换乘的绸带公园站交叉部分，吊出井南侧和东侧均为中央地下广场的在建工程范围，吊出井西侧为待建地块，地面距吊装井口平面高差超过11 m，基坑不具备回填条件，吊装区域地质构成复杂。

吊装施工区域内车站底层结构以下为风化泥岩，底层结构以上为碎石土、粉质黏土、碎石及杂填土组成，碎石土粘聚力小、厚度超过3 m， 碎石土距以下为泥灰岩层；普通加固方法工期长、费用高且加固后的地基承载力较难满足重载吊装的地基承载力要求。

盾构机拆卸吊装的主要部件包括刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋输送机、管片拼装机、设备桥及后配套的6 节拖车。 预吊装盾构机最大件重量为前盾125 t，尺寸φ6 650 ×2 078 mm，最长件为螺旋机φ900 ×13 043 mm，预采用履带吊机进行盾构机吊装施工。

3 吊装方案

3.1 吊装环境

盾构吊装方案确定前详细勘察现场基坑及吊装井周边尺寸，根据现场实际施工情况，考虑基坑边坡的实际地质构成，吊机站位处基坑横剖面如图1 所示。选用2 台履带吊机完成盾构拆机吊装施工，履带吊机布设平面如图2 所示，吊装井口西侧使用350 t履带吊，旋转半径12 m，500 t 履带吊放于原地面，作业半径为14 m，两台吊机接力完成吊装工作；350 t吊机将盾体部件吊出后翻身存放于临时存放平台，再由500 t 履带吊将盾体部件吊到地面装车转运。

图1 吊机站位处基坑横剖面图

图2 履带吊机布设平面图

3.2 地基承载力确定

(1)计算参数选择

根据绸带公园站设计图纸选取计算截面对应勘查探孔地层参数；坡顶吊装荷载7 000 kN(500 t履带吊5 750 kN ＋前盾1 250 kN)；500 t 履带吊履带有效尺寸9 m×0.5 m×2 m。

(2)计算模型的建立

以摩尔库伦准则为本构关系，设定墙体为弹性体，对吊装荷载引起的周围土体变形、应力进行分析计算。 基坑软土地层部分为喷锚放坡结构；岩层部分围护结构为钻孔灌注桩，桩顶以下0.5 m 处设置预应力锚索，对钻孔灌注桩按等刚度原则转化为地下连续土墙，E＝26 GPa。 盾构吊装时，基坑已开挖完成，根据对称性，取基坑的1/2 进行计算，计算模型如图3所示，计算参数如表1所示，围护结构为钻孔灌注桩和喷射混凝土层，吊机荷载位置设置有C30 混凝土垫层，相关参数如表2 所示。

图3 计算模型

表1 计算参数

表2 相关计算参数

①500 t 履带吊站位处地面沉降曲线图如图4所示，吊装荷载作用会使得作用区域的地表沉降变大，从6.51 mm 增大到17.72 mm。

图4 沉降曲线

②500 t 履带吊站位处地面相对剪应力比近似表示的是应力点离破坏包线的距离。 相对剪应力比最大值为1，表示该点的应力状态已经达到或者超过摩尔库伦破坏包络线，进入塑性区。

吊装荷载作用后，正应力增加，导致前四层地层都出现相对剪应力为1 的情况，且整块区域都处于塑性区，存在一系列的潜在滑移面，边坡的承载能力不足。

③500 t 履带吊站位处地面吊装荷载作用后塑性点如图5 所示，吊装荷载作用后出现了较多的塑性点，且塑性点集中出现在吊装荷载作用区域和边坡边缘区域，同时形成滑移面，因此判断吊装荷载作用后，边坡极有可能出现剪切破坏，需要对边坡进行加固处理。

图5 吊装荷载作用后塑性点

④计算结论：吊装荷载作用区域地表沉降增加较大，从6.51 mm 增大到17.72 mm；坡顶吊装荷载作用后边坡可能出现剪切破坏；需要进行可靠的地基加固处理。

3.3 吊装场地与地基加固

(1)接收井西侧350 t 履带吊站位地基加固

350 t 履带吊站位于接收井西侧泥岩地层区域，吊车履带尺寸8 450 mm×9 950 mm，旋转半径7 800 mm。清理地表回填土，整平13 000 mm×15 000 mm范围场地，并夯实达到承载力要求，并浇筑40 cm 厚C30 钢筋混凝土。

(2)盾构机部件放置平台

接收井西北侧为盾构机部件放置平台，西侧挡墙距边坡11.5 m，为满足盾构机部件平稳放置，需整平宽10 m 范围场地，夯实硬化并铺设钢板，以满足承载力要求。

(3)西侧坡顶500 t 履带吊站位地基加固

500 t 履带吊站位于西侧边坡顶部，根据预定500 t 履带吊站位空间，距离西侧边坡2.0 m 向远离边坡位置开挖地表土体13 m ×11 m ×0.9 m，按设计要求布设14 根钢管柱[9-10]中心点位，旋挖钻成孔桩径0.8 m，桩长14.2 m，桩底进入中风化灰岩0.9 m；钢管使用φ609 ×16 mm；如图6 所示钢管柱加固纵剖图，钢管内外使用C15 砂浆填充，砂浆强度达到15 MPa 后才能进行吊拆作业；每侧钢管上部纵向架设4 根45a 工字钢，横向满铺 45a 工字钢，工字钢上铺浇筑0.4 m 厚钢筋混凝土板。

图6 钢管柱加固纵剖图

3.4 方案实施

3.4.1 吊机可行性验证

查阅350 t、500 t 履带吊机相关技术参数、荷载图，取动荷载系数Kd＝1.3[11-13]，对履带吊机的起重能力进行验算。

(1)350 t 履带吊机

根据预吊装盾构机前盾最重为120 t、350 t 履带吊机的相关技术参数，主吊钩选用160 t 钩(吊钩自重3.2 t)、主臂24 m，副臂与主臂成20°，副钩选用100 t钩(吊钩自重2.3 t)，根据吊装现场实际情况最大件吊拆工作半径取12 m，根据吊机荷载参数表知主臂最大荷载为164 t，吊机最大动荷载Q ＝(120 ＋3.2) ×1.3 ＝160.1 t，小于164 t，满足吊装安全要求。

(2)500 t 履带吊机

盾构机前盾最重为120 t、500 t 履带吊机的相关技术参数，主吊钩选用160 t 钩(吊钩自重3.2 t)、主臂24 m，根据吊装现场实际情况最大件吊拆工作半径取14 m，根据吊机荷载参数表知主臂最大荷载为162 t，吊机最大动荷载Q ＝(120 ＋3.2) ×1.3 ＝160.1 t，小于162 t，满足吊装安全要求。

3.4.2 履带吊机组装

(1)履带吊进场

500 t 履带吊进场组装于钢板地基上，履带的中心线应与纵向钢管柱中心线一致，以保证吊装荷载垂直均匀地传到下部岩层，组装完毕按随机使用说明书进行调试并验收合格后履行相关报验手续。

350 t 履带吊进场，由500 t 履带吊将350 t 履带吊部件按组装顺序吊到基坑下部的组装平台处进行组装，组装完毕按随机使用说明书调试合格后履行相关报验手续。

履带吊组装调试前应对相关作业人员进行技术交底，盾构机吊装前对全部参与吊装作业的吊机司机、司索及盾构机拆机人员进行详细的书面交底并履行相关手续。

(2)盾构吊装

履带吊组装、验收合格后进行吊装作业，根据盾构的吊装顺序及拆机技术要求，依次刀盘、盾尾、管片拼装机、中盾、前盾吊出(见图7)，然后吊装螺旋机、依次吊出各节台车；350 t 履带吊将盾构部件吊出并在周转平台上翻身存放，再由500 t 履带吊吊到地面后装车转运，完成盾构吊装工作。

每次吊装前应严格执行盾构机吊装技术交底，先试吊确认吊装安全后缓慢起吊，盾构机按拆机顺序依次拆机，由350 t 吊机将部件由接收井吊出后暂放中转平台，再由500 t 履带吊由中转平台吊起转运到地面并装车转运，两次接力吊装完成盾构吊装作业。

图7 前盾吊装

3.4.3 施工监测

根据吊装监测方案，在重载吊装时实时进行监测，监测项目包括吊拆周边地表竖向位移、桩顶竖向位移、桩顶水平位移、坡顶水平位移、坡顶竖向位移。 监测点布设如图8 所示，边坡处布设实时监测棱镜，盾构各部件吊装期间进行实时监测，对500 t履带吊处的坡顶水平位移进行监测，发现异常及时处理以确保吊装安全。

图8 监测点布设

监测项目在吊拆前采集监测点初始数据，监测频率为2 次/d，吊拆过程中实时监测，监测数据应符合《建筑变形测量规范》(JGJ 8-2016)的相关要求[14]。

4 结束语

软弱地基条件下，地铁车站基坑采用多级放坡开挖施工，受周边工程环境及施工进度的影响，基坑不具备回填的条件下采用双机接力近接深基坑进行盾构吊装作业；地面软弱地基采用入岩钢管桩顶部铺设工字钢＋钢板的承载传力结构，规避了吊装荷载对车站结构的侧压力影响；基坑下部风化岩地层采用钢筋混凝土板地基，基坑上下各布置一台吊机，完成软弱地基条件下盾构拆卸吊装施工，解决了近接深基坑进行盾构吊装的地基加固难题，保证了盾构吊装安全，降低了盾构吊装成本。