地鐵車站主體土方開挖施工技術(shù)

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1、地鐵車站主體結(jié)構(gòu)深基坑土方開挖施工技術(shù)摘 要：成都地鐵十號線xx車站主體結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)撐法。為確保基坑土方開挖的高效、安全，需采取科學(xué)的土方開挖措施。本文重點介紹了土方開挖的施工流程，強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測工作在深基坑土方開挖中的重要意義。關(guān)鍵詞：地鐵車站 基坑開挖 施工技術(shù)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(xiàn)狀地面標(biāo)高41.6942.17m，車站結(jié)構(gòu)頂板覆土埋深3.5m左右，結(jié)構(gòu)底板埋深約16.518m，基坑全長185m，西端盾構(gòu)井處最寬

2、處為39.8m，東端盾構(gòu)井寬25.5m，深18.07m；標(biāo)準(zhǔn)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(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁壁，隨挖土方隨架設(shè)鋼支撐的內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)見圖1。 圖1 車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(zhì)情況根據(jù)地質(zhì)資料，xx站地層主要由第四紀(jì)粘性土、砂及碎石類土構(gòu)成。

3、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(zhì)與水文地質(zhì)條件項目類別詳細(xì)內(nèi)容描述工程地質(zhì)條件根據(jù)巖土工程勘察報告，站區(qū)內(nèi)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(biāo)高31.1040.42m。 新近沉積層：粉土、粉質(zhì)粘土1、粉細(xì)砂3層，層底標(biāo)高28.8234.57m。 第四紀(jì)全新世沖洪積層：粉土、粉質(zhì)粘土1、粘土2、粉細(xì)砂3層。層底標(biāo)高26.4234.65m；粉質(zhì)粘土、粘土1、粉土2、粉細(xì)砂3層。層底標(biāo)高22.4730.17m。 第四紀(jì)晚更新世沖洪積層：圓礫卵石、中粗砂1、粉細(xì)砂2，層底標(biāo)高17.9527.07m；粉質(zhì)粘土、粘土1、粉土2、細(xì)中砂3層

4、，層底標(biāo)高為9.5821.89m。站體座落在粉質(zhì)粘土和粉土2層上。xx站工程水文地質(zhì)縱剖面圖：2 主體土方開挖方案的確定對于內(nèi)支撐式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)棧橋。挖土機(jī)可利用棧橋下到基坑挖土，運(yùn)土的汽車宜可利用棧橋進(jìn)入基坑運(yùn)土。這樣可以加快挖土和運(yùn)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(hù)墻有支撐作用，有利于減少圍護(hù)墻的變形。其缺點是大量的土方不能直

5、接外運(yùn)，需集中提升后裝車外運(yùn)。盆式挖土周邊留置的土坡，其寬度、高度和坡度大小均應(yīng)通過穩(wěn)定驗算確定。如留的過小，對圍護(hù)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(hù)墻的支撐作用，影響施工，而且有損于工程樁的質(zhì)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(shù)人員，并邀請市政集團(tuán)副總工程師關(guān)龍同志等有關(guān)專家進(jìn)行了專門論證。專家們根據(jù)以上兩種方法的優(yōu)缺點，結(jié)合現(xiàn)場水文地質(zhì)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(yán)格遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴(yán)禁超挖”的原則。理由有以下

6、幾點： 基坑標(biāo)準(zhǔn)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(cè)留土臺可對暴露的護(hù)壁樁有支撐作用，并可方便進(jìn)行鋼支撐架設(shè)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(yùn)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(yùn)土機(jī)械型號及數(shù)量確定分層開挖高度開挖第一層土方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè)第一道鋼支撐、施加預(yù)應(yīng)力開挖第二層土方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè)第二道鋼支撐、施加預(yù)應(yīng)力開挖第三層土方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè)第三道鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力人工清槽底。3.2 機(jī)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(jié)構(gòu)形式和總體部署分區(qū)，土層

7、的分界線為鋼支撐下1m，第一層土方采用1.6m3挖掘機(jī)直接挖裝；第二層土方采用一臺1.6m3挖掘機(jī)從基坑西端開挖；第三層土方采用1.6m3挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘，第四層土方采用1.2m3挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘，即每層需要一臺挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)?；最A(yù)留300mm人工開挖?；娱_挖過程中隨挖隨按設(shè)計位置架設(shè)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(biāo)準(zhǔn)段）。其中第二、第三層、第

8、四層土方開挖需分臺階開挖。機(jī)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(jī)械開挖基坑步土方，隨開挖隨架設(shè)第一道鋼支撐。第三步機(jī)械開挖基坑步土方，隨開挖隨架設(shè)第二道鋼支撐。第四步人工開挖基坑步土方，隨開挖隨架設(shè)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(kuò)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(cè)開挖面進(jìn)行開挖作業(yè)?？v向拉中槽縱向拉中槽，即在每層開挖工作

9、面始端沿車站縱向拉坡開挖中槽，中槽位于車站主體結(jié)構(gòu)橫斷面中間。中槽的大小首先要滿足挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)棄土的要求，同時要盡可能多的保留兩側(cè)土體，以支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(kuò)邊拓展為中槽開挖至6m后，向橫向擴(kuò)邊拓展，即由中槽向兩邊跨開挖擴(kuò)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(jìn)行，土方開挖至鉆孔樁附近時，改為人工挖土，以免機(jī)械開挖破壞鉆孔樁?；油练介_挖縱向拉中槽、橫向擴(kuò)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(kuò)邊拓展平面示意圖3.3 鋼圍檁、鋼支撐架設(shè)3.3.1 鋼圍檁架設(shè)土層開挖至支撐架設(shè)設(shè)計位

10、置后，安裝三角托架，架設(shè)鋼圍檁，鋼圍檁與鉆孔灌注樁之間預(yù)留60mm的水平通長空隙，其間用C30細(xì)石混凝土添嵌。鋼圍檁架設(shè)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(jīng)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(jìn)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(yù)應(yīng)力的油鎬，并檢查托架是否完好。2) 鋼支撐采用現(xiàn)場10t天車吊裝，根據(jù)材料理學(xué)理論，吊繩兩吊點從鋼支撐兩端分別內(nèi)移0.2l，此時可模擬為外伸梁的鋼支撐最大彎距僅為ql2

11、/40，是吊裝的最佳吊點，故以本工程標(biāo)準(zhǔn)段的22m鋼支撐為例，吊點位置選在鋼管兩端向內(nèi)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(dāng)使用10t天車時，鋼管由順基坑方向調(diào)整至垂直基坑方向時（此時鋼身約2/5長度進(jìn)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(cè)對稱逐級預(yù)加力，預(yù)加力達(dá)到設(shè)計支撐軸力的

12、50%時，采用鋼楔鎖定支撐。鋼支撐在加工時在千斤頂?shù)淖畲筮M(jìn)程與最小進(jìn)程間焊接千斤頂支點。圖7 鋼支撐預(yù)施軸力示意圖各道支撐設(shè)計及預(yù)加軸力見下表：表3 各道支撐預(yù)施軸力表支撐設(shè)計軸力KN預(yù)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(jù)鋼管的長度誤差確定需焊接25mm厚的鋼板塊數(shù)，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(yù)應(yīng)，觀察千斤頂應(yīng)力表，當(dāng)預(yù)加軸力達(dá)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(dāng)壓力減小至0時，停止釘入，并將千斤頂卸下。其中要注意千

13、斤頂示值為MPA，施工前需將預(yù)加軸力值（KN）換算成（MPa），可參考下圖：圖9 千斤頂軸力標(biāo)訂圖6) 鋼支撐端部設(shè)10鋼筋吊環(huán)，通過鋼絲繩或鋼筋連系在圍護(hù)樁上，同時用于微調(diào)的鋼楔采用電焊連接，防止墜落。3.4 護(hù)壁樁噴護(hù)對于基坑圍護(hù)樁樁間采取掛鋼筋網(wǎng)（6200（雙向）噴射混凝土的護(hù)壁形式?；臃植介_挖，分步支護(hù)，隨挖隨支。掛網(wǎng)安裝在每步開挖后及時進(jìn)行，格柵定點預(yù)制，分片安裝。使用膨脹釘將鋼絲網(wǎng)片與圍護(hù)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(zhǔn)儀30m一個監(jiān)測斷面根

14、據(jù)施工進(jìn)度確定，在開挖卸載急劇階段，每天三次，其余情況3天/次。當(dāng)監(jiān)測結(jié)果超過警戒值時加密監(jiān)測，當(dāng)有危險事故征兆時連續(xù)觀測，并及時通知有關(guān)單位并立即采取應(yīng)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(hù)樁結(jié)構(gòu)受力鋼筋應(yīng)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(nèi)力軸力計15m一個監(jiān)測斷面6地面建構(gòu)筑物調(diào)查及沉降監(jiān)測水準(zhǔn)儀1.5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物警戒值的確定因本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐較多，且間距較小（最大間距3m），故機(jī)械開挖土方時，為保證機(jī)械作業(yè)面，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)最大程度的提高機(jī)械效率，及時架設(shè)鋼支撐，故在允許位移量的基礎(chǔ)上設(shè)定警戒值，允許圍護(hù)結(jié)構(gòu)

15、變形在警戒值范圍內(nèi)。 基坑圍護(hù)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(jù)設(shè)計計算書確定，一般將警戒值定為80的設(shè)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(yīng)做出報警處理。4 幾點體會4.1 開挖方式與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合 施工進(jìn)度與保證措施能否實現(xiàn)大規(guī)模、高度機(jī)械化的開挖，從而保證少占用工期，是內(nèi)撐式圍護(hù)體系能否成立的關(guān)鍵問題。早期的雙向鋼管支撐確實不利于機(jī)械化開挖，因而影響進(jìn)度。這使得人們產(chǎn)生一種固有的偏見，認(rèn)為內(nèi)撐式圍護(hù)妨礙開挖，影響進(jìn)度。近年來內(nèi)撐式

16、圍護(hù)體系設(shè)計有所改進(jìn)，表現(xiàn)為選型合理的前提就是應(yīng)該便于施工。在一道內(nèi)撐內(nèi)，桿件之間的空間應(yīng)便于大型機(jī)械的施展；而且任兩道支撐（包括下?lián)闻c坑底之間）之間的空間，應(yīng)力要求滿足型號合適的開挖機(jī)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(xiàn)在內(nèi)撐條件下近于百分之百的機(jī)械化開挖，從而大大的縮短工期。此外在開挖結(jié)束時，如果基坑深度較大，則無法保證挖土機(jī)械順利的自行推出坑外。這時，可以利用已經(jīng)安裝完畢的垂直運(yùn)輸機(jī)械（本工程根據(jù)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(yùn)輸），將挖土機(jī)械整體的（小型挖土機(jī)）或予以解體后（大型挖土機(jī)）吊出基坑。 開挖方式與圍護(hù)構(gòu)件的荷載在使用大型機(jī)械開挖

17、的條件下挖土的方式與順序問題。應(yīng)該慎用挖土機(jī)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(hù)樁邊迅速切出一條深溝，第二天圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍毀的實例。可以這樣理解土壓力變化的機(jī)理：在未開挖之前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)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(dǎo)致了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。所以不宜采用“沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊切出一道深溝”

18、的開挖方式。而且要開挖面曝露后及時進(jìn)行支撐?；谕坏览恚灰て谠S可，應(yīng)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(dāng)然，在具體工程中，工期與施工進(jìn)度安排往往成為第一要素，設(shè)計單位應(yīng)在這方面適當(dāng)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(hù)結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測的重要性主要表現(xiàn)在以下幾方面：驗證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，指導(dǎo)基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工當(dāng)前我國基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平處于半理論半經(jīng)驗的狀態(tài)，土壓力計算大多采用經(jīng)典的側(cè)向土壓力公式，與現(xiàn)場實測值相比較有一定的差異，還沒有成熟的方法

19、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(xiàn)場實際的應(yīng)力和變形情況，與設(shè)計時采用的值進(jìn)行比較，必要時對設(shè)計方案或施工過程和方法進(jìn)行修正。保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全在深基坑開挖與支護(hù)工程中，為滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)及被支護(hù)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(xiàn)為靜力平衡的喪失，或支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造性破壞。在破壞前，往往會在基坑側(cè)向的不同部位上出現(xiàn)較大的變形，或變形速率明顯增大。支護(hù)結(jié)構(gòu)和被支護(hù)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(zāi)難性的后果。如有周密的監(jiān)測控制，無疑有利于采取應(yīng)急措施，在很大程度上避免或減輕破壞的后果。總

20、結(jié)工程經(jīng)驗，為完善設(shè)計分析提供依據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分部受支護(hù)方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、施工過程和被支護(hù)土類的影響，并直接與側(cè)向位移有關(guān)，往往是非常復(fù)雜的，現(xiàn)行設(shè)計分析理論尚未達(dá)到成熟的階段，積累完整準(zhǔn)確的基坑與支護(hù)監(jiān)測結(jié)果，對于總結(jié)工程經(jīng)驗，完善設(shè)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(jìn)動態(tài)設(shè)計及信息化施工新技術(shù)傳統(tǒng)的施工是嚴(yán)格按圖進(jìn)行的，除非在出現(xiàn)事故或確知結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)時，才允許采取應(yīng)急措施，改變設(shè)計方案。如果說這樣的施工過程對上部結(jié)構(gòu)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(hù)體系的設(shè)計中，不確定的因素太多，結(jié)構(gòu)的安全度難以掌握，要使設(shè)計符合實際情況是

21、太難了，至少在目前的技術(shù)發(fā)展水平上是太難了。設(shè)計者只有兩種選擇，一是設(shè)計得比較保守，以確保施工安全；二是冒較大風(fēng)險，以節(jié)省投資。不論做何種選擇，應(yīng)該說對工程得安全與經(jīng)濟(jì)都難兩全。較好的方法應(yīng)該是根據(jù)施工過程的信息反饋不斷修正設(shè)計，以指導(dǎo)施工。由以上分析可知，傳統(tǒng)設(shè)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(jìn)行定值的設(shè)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(zhì)參數(shù)在內(nèi)的各種參量，諸如側(cè)土壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體應(yīng)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(chǎn)生了設(shè)計結(jié)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(fèi)。11