地鐵車站主體結構深基坑土方開挖施工技術摘 要：成都地鐵十號線xx車站主體結構為明開法施工，車站全長183.4m，寬度為20.7m，土方挖方量共為71850m3，圍護結構采用鉆孔灌注樁+內撐法。為確?；油练介_挖的高效、安全，需采取科學的土方開挖措施。本文重點介紹了土方開挖的施工流程，強調了監(jiān)測工作在深基坑土方開挖中的重要意義。關鍵詞：地鐵車站 基坑開挖 施工技術1 工程概況1.1 成都地鐵十號線xx車站主體土方工程xx車站全長183.4m，寬度為20.7m。車站現狀地面標高41.6942.17m，車站結構頂板覆土埋深3.5m左右，結構底板埋深約16.518m，基坑全長185m，西端盾構井處最寬處為39.8m，東端盾構井寬25.5m，深18.07m；標準段寬20.9m，深16.23m。主體土方挖方量共為71850m3。 工程采用明挖法施工，xx車站主體圍護結構為鉆孔灌注樁壁，隨挖土方隨架設鋼支撐的內支撐形式。灌注樁樁徑800mm，樁長22m，間距1.4m。鋼支撐為630mm鋼管，壁厚12mm。車站主體圍護結構見圖1。 圖1 車站主體圍護結構平面圖（單位：mm）xx車站由于工期緊張（計劃工期為150天），且土方工程是整個車站工程最重要的一步，所以怎樣安全、快捷的完成土方開挖工程，成為本車站工程的一個重點。1.2 水文地質情況根據地質資料，xx站地層主要由第四紀粘性土、砂及碎石類土構成。車站范圍地下水有潛水、承壓水和上層滯水。具體詳見表1。表1 xx站工程地質與水文地質條件項目類別詳細內容描述工程地質條件根據巖土工程勘察報告，站區(qū)內地層自上而下依次為： 人工填土層：粉土填土、雜填土1層，層底標高31.1040.42m。 新近沉積層：粉土、粉質粘土1、粉細砂3層，層底標高28.8234.57m。 第四紀全新世沖洪積層：粉土、粉質粘土1、粘土2、粉細砂3層。層底標高26.4234.65m；粉質粘土、粘土1、粉土2、粉細砂3層。層底標高22.4730.17m。 第四紀晚更新世沖洪積層：圓礫卵石、中粗砂1、粉細砂2，層底標高17.9527.07m；粉質粘土、粘土1、粉土2、細中砂3層，層底標高為9.5821.89m。站體座落在粉質粘土和粉土2層上。xx站工程水文地質縱剖面圖：2 主體土方開挖方案的確定對于內支撐式的圍護結構的深基坑土方開挖施工一般有如下兩種：第一種是中心島（墩）式挖土：此方法宜用于大型基坑，支護結構的支撐形式為角撐、環(huán)梁式或邊框架式，中間具有較大空間情況下。此時可利用中間的土墩作為支點搭設棧橋。挖土機可利用棧橋下到基坑挖土，運土的汽車宜可利用棧橋進入基坑運土。這樣可以加快挖土和運圖的速度。第二種是盆式挖土：是先開挖基坑中間部分的土，周圍四邊留土坡，土坡最后挖除。這種挖土式的優(yōu)點是周邊的土坡對圍護墻有支撐作用，有利于減少圍護墻的變形。其缺點是大量的土方不能直接外運，需集中提升后裝車外運。盆式挖土周邊留置的土坡，其寬度、高度和坡度大小均應通過穩(wěn)定驗算確定。如留的過小，對圍護墻支撐作用不明顯，失去盆式挖土的意義。如坡度太陡邊坡不穩(wěn)定，在挖土過程中可能失穩(wěn)滑動，不但失去對圍護墻的支撐作用，影響施工，而且有損于工程樁的質量。兩種方法各有利弊，哪種方法最合適xx車站的土方開挖呢？成都市市市政四公司地鐵項目部組織公司技術人員，并邀請市政集團副總工程師關龍同志等有關專家進行了專門論證。專家們根據以上兩種方法的優(yōu)缺點，結合現場水文地質情況，本著確保安全，節(jié)約資金的原則，推薦采用盆式挖土的方案，并嚴格遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則。理由有以下幾點： 基坑標準寬度為22m，不適合采用中心墩式挖土的方法； 盆式開挖的兩側留土臺可對暴露的護壁樁有支撐作用，并可方便進行鋼支撐架設工作；xx車站在基坑上方沿基坑方向采用臺階法施工，土方可以做到一次運輸。3 土方開挖施工3.1 土方開挖施工工藝xx車站土方開挖施工工藝流程如下：通過計算，確定挖運土機械型號及數量確定分層開挖高度開挖第一層土方根據監(jiān)測結果架設第一道鋼支撐、施加預應力開挖第二層土方根據監(jiān)測結果架設第二道鋼支撐、施加預應力開挖第三層土方根據監(jiān)測結果架設第三道鋼支撐施加預應力人工清槽底。3.2 機械挖方3.2.1 開挖程序的確定3.2.1.1豎向分層按車站的結構形式和總體部署分區(qū)，土層的分界線為鋼支撐下1m，第一層土方采用1.6m3挖掘機直接挖裝；第二層土方采用一臺1.6m3挖掘機從基坑西端開挖；第三層土方采用1.6m3挖掘機進行挖掘，第四層土方采用1.2m3挖掘機進行挖掘，即每層需要一臺挖掘機進行作業(yè)?；最A留300mm人工開挖?；娱_挖過程中隨挖隨按設計位置架設鋼管支撐，開挖順序為由上而下逐層開挖。開挖方法見圖2。圖2 車站主體土方開挖示意圖車站基坑主體深度基本相同，基坑土方在豎向上共分四層開挖：第一層：豎向高度約為4.35m；第二層：豎向高度約為5.0m；第三層：豎向高度約為5.0m；第四層：豎向高度約為3.72m（端頭井）、1.88m（標準段）。其中第二、第三層、第四層土方開挖需分臺階開挖。機械作業(yè)臺階寬度67m，臺階坡度1：0.75。豎向土方分層開挖步序如下表。表2 土方分層開挖步序步驟例圖說明第一步開挖地面淺基坑(樁頂摘帽)，施作鉆孔灌注樁及冠梁。第二步機械開挖基坑步土方，隨開挖隨架設第一道鋼支撐。第三步機械開挖基坑步土方，隨開挖隨架設第二道鋼支撐。第四步人工開挖基坑步土方，隨開挖隨架設第三道鋼支撐。3.2.2.2縱向分段沿車站縱軸線方向，第二、三、四層土方每隔6m同時開挖。3.2.2.3縱向拉槽、橫向擴邊在每一層每一段的土方施工中，在橫斷面跨中開中槽，由車站西區(qū)端開始沿縱向挖掘；由中槽向兩側開挖面進行開挖作業(yè)。縱向拉中槽縱向拉中槽，即在每層開挖工作面始端沿車站縱向拉坡開挖中槽，中槽位于車站主體結構橫斷面中間。中槽的大小首先要滿足挖掘機回轉棄土的要求，同時要盡可能多的保留兩側土體，以支撐圍護結構，減小對周邊環(huán)境的擾動，并滿足鋼支撐施作要求。中槽的寬度為10m左右。 橫向擴邊拓展為中槽開挖至6m后，向橫向擴邊拓展，即由中槽向兩邊跨開挖擴邊。開挖方式為：由中槽向兩邊跨橫向挖土，兩邊跨的土方開挖盡量對稱進行，土方開挖至鉆孔樁附近時，改為人工挖土，以免機械開挖破壞鉆孔樁?；油练介_挖縱向拉中槽、橫向擴邊拓展平面示意圖見下圖。圖3 基坑土方開挖縱向拉中槽、橫向擴邊拓展平面示意圖3.3 鋼圍檁、鋼支撐架設3.3.1 鋼圍檁架設土層開挖至支撐架設設計位置后，安裝三角托架，架設鋼圍檁，鋼圍檁與鉆孔灌注樁之間預留60mm的水平通長空隙，其間用C30細石混凝土添嵌。鋼圍檁架設方式見圖4。圖4 鋼圍檁支撐方式用龍門吊垂直起吊將鋼支撐固于鋼圍檁上，為方便鋼支撐就位后的焊接，項目部人員經研究采取了在端部采用鋼板焊成托架，使鋼支撐放置在鋼托架上進行焊接的方法，提高了施工的安全性。見圖5：圖5 鋼圍檁托架示意圖3.3.2 吊裝鋼支撐1) 吊裝鋼管支撐前，按規(guī)定備齊檢驗合格的支撐配件、施加預應力的油鎬，并檢查托架是否完好。2) 鋼支撐采用現場10t天車吊裝，根據材料理學理論，吊繩兩吊點從鋼支撐兩端分別內移0.2l，此時可模擬為外伸梁的鋼支撐最大彎距僅為ql2/40，是吊裝的最佳吊點，故以本工程標準段的22m鋼支撐為例，吊點位置選在鋼管兩端向內4.4m處，具體見圖6 鋼支撐吊裝示意圖，吊繩用鋼絲繩將鋼管栓牢，并用卡環(huán)鎖牢。圖6 鋼支撐吊裝示意圖3) 當使用10t天車時，鋼管由順基坑方向調整至垂直基坑方向時（此時鋼身約2/5長度進入基坑）換繩，按正式吊裝綁繩、吊裝入位。鋼管被安放在圍檁托架上入位至施加預應力過程中不得松繩，以平衡彎曲矢量，保持鋼管處于軸心受力狀態(tài)。鋼管入位按先活動端后固定端順序，以確保鋼管與圍檁受力面接觸密實。3.3.3 施加預應力鋼支撐固定端固定完成后，采用兩臺80t液壓千斤頂在活動端支撐兩側對稱逐級預加力，預加力達到設計支撐軸力的50%時，采用鋼楔鎖定支撐。鋼支撐在加工時在千斤頂的最大進程與最小進程間焊接千斤頂支點。圖7 鋼支撐預施軸力示意圖各道支撐設計及預加軸力見下表：表3 各道支撐預施軸力表支撐設計軸力KN預加軸力KN第一道撐300150第二道撐1500700第三道撐1500700鋼楔固定鋼支撐方式如下：4) 根據鋼管的長度誤差確定需焊接25mm厚的鋼板塊數，并將25mm厚的鋼板如圖焊接在鋼圍檁上。圖8 楔鐵安裝示意5) 將楔塊1焊接在鋼板上，用千斤頂對鋼管施加預應，觀察千斤頂應力表，當預加軸力達到要求時，穩(wěn)壓5分鐘，然后將楔塊2如圖嵌入，邊釘入邊觀察壓力表，當壓力減小至0時，停止釘入，并將千斤頂卸下。其中要注意千斤頂示值為MPA，施工前需將預加軸力值（KN）換算成（MPa），可參考下圖：圖9 千斤頂軸力標訂圖6) 鋼支撐端部設10鋼筋吊環(huán)，通過鋼絲繩或鋼筋連系在圍護樁上，同時用于微調的鋼楔采用電焊連接，防止墜落。3.4 護壁樁噴護對于基坑圍護樁樁間采取掛鋼筋網（6200（雙向）噴射混凝土的護壁形式?；臃植介_挖，分步支護，隨挖隨支。掛網安裝在每步開挖后及時進行，格柵定點預制，分片安裝。使用膨脹釘將鋼絲網片與圍護樁固定（膨脹釘縱向間距0.5m）。然后噴射60mm厚C20豆石混凝土。3.5 監(jiān)測配合xx車站監(jiān)測項目表4 監(jiān)測項目序號監(jiān)測項目方法及工具斷面距離監(jiān)測頻率1地表變形觀測水準儀30m一個監(jiān)測斷面根據施工進度確定，在開挖卸載急劇階段，每天三次，其余情況3天/次。當監(jiān)測結果超過警戒值時加密監(jiān)測，當有危險事故征兆時連續(xù)觀測，并及時通知有關單位并立即采取應急措施。2樁體變形及樁頂位移測斜管15m一個監(jiān)測斷面3圍護樁結構受力鋼筋應力計15m一個監(jiān)測斷面4基坑周圍土體受力土壓力盒15m一個監(jiān)測斷面5支撐內力軸力計15m一個監(jiān)測斷面6地面建構筑物調查及沉降監(jiān)測水準儀1.5倍基坑開挖深度范圍內的建構筑物警戒值的確定因本工程圍護結構鋼支撐較多，且間距較?。ㄗ畲箝g距3m），故機械開挖土方時，為保證機械作業(yè)面，通過監(jiān)測數據最大程度的提高機械效率，及時架設鋼支撐，故在允許位移量的基礎上設定警戒值，允許圍護結構變形在警戒值范圍內。 基坑圍護樁測斜，取允許最大位移30mm的70%作為警戒值即21mm。 樁的差異隆沉，基坑開挖中引起的樁柱的隆沉不得超過10mm。 支撐軸力，根據設計計算書確定，一般將警戒值定為80的設計允許最大值。 其他部分：對基坑沉降、裂縫發(fā)展等光滑的變化曲線，若曲線上有明顯的折點變化，應做出報警處理。4 幾點體會4.1 開挖方式與圍護結構設計相結合 施工進度與保證措施能否實現大規(guī)模、高度機械化的開挖，從而保證少占用工期，是內撐式圍護體系能否成立的關鍵問題。早期的雙向鋼管支撐確實不利于機械化開挖，因而影響進度。這使得人們產生一種固有的偏見，認為內撐式圍護妨礙開挖，影響進度。近年來內撐式圍護體系設計有所改進，表現為選型合理的前提就是應該便于施工。在一道內撐內，桿件之間的空間應便于大型機械的施展；而且任兩道支撐（包括下撐與坑底之間）之間的空間，應力要求滿足型號合適的開挖機械的順利工作。做到這一點，如果沒有其它限制條件，就可以實現在內撐條件下近于百分之百的機械化開挖，從而大大的縮短工期。此外在開挖結束時，如果基坑深度較大，則無法保證挖土機械順利的自行推出坑外。這時，可以利用已經安裝完畢的垂直運輸機械（本工程根據地鐵工程基坑特點很好的引用了10t天車來解決水平及垂直運輸），將挖土機械整體的（小型挖土機）或予以解體后（大型挖土機）吊出基坑。 開挖方式與圍護構件的荷載在使用大型機械開挖的條件下挖土的方式與順序問題。應該慎用挖土機沿基坑邊緣一挖到底的開挖方式。因為從物理過程來看，挖土的速度會影響土壓力的大小。目前雖然還缺少這方面的實測資料，但已見到過由于沿圍護樁邊迅速切出一條深溝，第二天圍護結構失穩(wěn)坍毀的實例。可以這樣理解土壓力變化的機理：在未開挖之前，圍護結構兩側的土壓力是靜止土壓力；在開挖之后。樁前的壓力消失，樁背土體膨脹，樁身變形，樁背壓力下降。這一壓力下降是能量釋放的過程，在能量釋放過程中壓力起變化。如果能量釋放過程是平緩的，則壓力可能逐漸下降。如果釋放過程是急劇而短暫的，則壓力可能會暫時不變甚至上升，從而導致了圍護結構的破壞。所以不宜采用“沿圍護結構邊切出一道深溝”的開挖方式。而且要開挖面曝露后及時進行支撐?；谕坏览?，只要工期許可，應該有計劃的分層、分段開挖。分層宜薄不宜厚，分段宜短不宜長。當然，在具體工程中，工期與施工進度安排往往成為第一要素，設計單位應在這方面適當留有余地。4.2 監(jiān)控測量在土方開挖過程中的重要性本工程對圍護結構及支撐結構進行了大量的布點監(jiān)測，從施工整個過程來看，監(jiān)測工作取得了重大的效果及作用，對深基坑施工過程進行監(jiān)測的重要性主要表現在以下幾方面：驗證支護結構設計，指導基坑開挖和支護結構的施工當前我國基坑支護結構設計水平處于半理論半經驗的狀態(tài)，土壓力計算大多采用經典的側向土壓力公式，與現場實測值相比較有一定的差異，還沒有成熟的方法計算基坑周圍土體的變形情況。因此，在施工過程中迫切需要知道現場實際的應力和變形情況，與設計時采用的值進行比較，必要時對設計方案或施工過程和方法進行修正。保證基坑支護結構和相鄰建筑物的安全在深基坑開挖與支護工程中，為滿足支護結構及被支護土體的穩(wěn)定性，首先要防止破壞或極限狀態(tài)發(fā)生。破壞或極限狀態(tài)表現為靜力平衡的喪失，或支護結構的構造性破壞。在破壞前，往往會在基坑側向的不同部位上出現較大的變形，或變形速率明顯增大。支護結構和被支護土體的過大位移，將引起鄰近建筑物的傾斜或開裂，鄰近管道的滲漏，有時會引發(fā)一連串災難性的后果。如有周密的監(jiān)測控制，無疑有利于采取應急措施，在很大程度上避免或減輕破壞的后果。總結工程經驗，為完善設計分析提供依據支護結構的土壓力分部受支護方式、支護結構剛度、施工過程和被支護土類的影響，并直接與側向位移有關，往往是非常復雜的，現行設計分析理論尚未達到成熟的階段，積累完整準確的基坑與支護監(jiān)測結果，對于總結工程經驗，完善設計分析理論都是十分寶貴的。4.3 深基坑施工過程中需引進動態(tài)設計及信息化施工新技術傳統(tǒng)的施工是嚴格按圖進行的，除非在出現事故或確知結構處于危險狀態(tài)時，才允許采取應急措施，改變設計方案。如果說這樣的施工過程對上部結構還可以接受的，那么對于深基坑開挖來說就十分不合適了。在目前深基坑支護體系的設計中，不確定的因素太多，結構的安全度難以掌握，要使設計符合實際情況是太難了，至少在目前的技術發(fā)展水平上是太難了。設計者只有兩種選擇，一是設計得比較保守，以確保施工安全；二是冒較大風險，以節(jié)省投資。不論做何種選擇，應該說對工程得安全與經濟都難兩全。較好的方法應該是根據施工過程的信息反饋不斷修正設計，以指導施工。由以上分析可知，傳統(tǒng)設計法的主要問題在于一個“靜”字，以開挖的最終狀態(tài)為對象，進行定值的設計。然而基坑開挖工程與其它工程的最大不同之處又在于一個“動”字，在開挖過程中，包括某些土質參數在內的各種參量，諸如側土壓力、結構內力、土體應力及變形等都在變化。而其變化規(guī)律目前還未被充分掌握。這就產生了設計結果與實際情的差別，從而引發(fā)各種工程事故，或者可能造成浪費。11