黃土地區(qū)地鐵車站明挖深基坑綜合施工技術(shù)

孟維民 劉玉香 張 斌 張秀枝

1. 山西煤炭建設(shè)監(jiān)理咨詢公司 太原 030012；2. 山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司建安公司 晉中 032000；3. 中鐵電化局西鐵工程公司 西安 710056

1 工程概況

擬建地鐵車站位于西安市金花南路南端，呈“一”字形布置，東側(cè)緊鄰西安鐵路信號(hào)廠9層辦公樓（辦公樓距離基坑邊3.66 m），西側(cè)緊鄰東二環(huán)立交橋（橋基礎(chǔ)距離基坑邊11 m）。站長(zhǎng)為190.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.2 m，擴(kuò)大端寬度為24.8 m，車站共設(shè)置5 個(gè)出入口及2個(gè)風(fēng)亭，車站建筑總面積12 805.85 m2。車站主體結(jié)構(gòu)為地下2層兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站主體深基坑采用明挖法施工，北端局部鋪設(shè)鋼便橋進(jìn)行鋪蓋法施工。

2 水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

本車站地形總體平坦，地貌單元屬于黃土洼地，車站沿線地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土，上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、殘積古土壤、中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土及殘積古土壤等地層。該場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面及支護(hù)方案示意

2.2 水文地質(zhì)

該場(chǎng)地地下水位埋深介于3.30～5.50 m、地下水位高程介于417.86～419.91 m之間，屬賦存于第四系松散層中的孔隙潛水類型。潛水含水層組中無明顯隔水層，也無明顯具承壓性的含水層。根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合類似基坑降水工程經(jīng)驗(yàn)，本工點(diǎn)降水設(shè)計(jì)土層的綜合滲透系數(shù)取7 m/d。

2.3 周邊環(huán)境

擬建車站東側(cè)緊鄰西安全路通號(hào)器材研究所、西安鐵路信號(hào)廠9層辦公樓、西安鐵路信號(hào)廠4層辦公樓；車站西側(cè)緊鄰東二環(huán)立交橋。車站與西安鐵路信號(hào)廠9層辦公樓距離僅為3.66 m，與東二環(huán)立交橋基礎(chǔ)最近距離為11 m，車站周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，見圖2。

圖2 擬建車站周邊環(huán)境

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

本深基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度17.4 m，擴(kuò)大段深度18.84 m，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁＋鋼管（混凝土）內(nèi)支撐+樁間掛網(wǎng)噴混組合支護(hù)。鉆孔灌注樁Φ1 200 mm，樁間距部位分別采用1 600 mm和1 500 mm；基坑內(nèi)支撐第1道采用混凝土支撐，第2、3道支撐采用Φ609 mm鋼管支撐；Φ800 mm、間距為1 600 mm的高壓旋噴樁作止水帷幕；樁間掛網(wǎng)噴射厚150 mm混凝土，混凝土強(qiáng)度C20。

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-7]

本車站標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 200 mm@1 600 mm的圓形鉆孔灌注樁，支護(hù)樁嵌固深度為基坑底以下6.5 m；盾構(gòu)井處支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圓形鉆孔灌注樁，支護(hù)樁嵌固深度為基坑底以下7.5 m；鐵路信號(hào)廠辦公樓附近采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圓形鉆孔灌注樁，樁嵌固深度為基坑底以下6.5 m；鋼便橋處采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圓形鉆孔灌注樁，樁嵌固深度為基坑底以下8 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管（鋼筋混凝土）支撐的內(nèi)支撐型式，結(jié)合基坑的深度和寬度，標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向設(shè)置3 道支撐，盾構(gòu)井處豎向設(shè)置3 道支撐（再加1 道倒撐），在車站的北部位置做臨時(shí)鋪蓋系統(tǒng)。支護(hù)方案詳見圖1。

3.2 降水方案

由于本車站地下水位埋深較淺，在四周支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁間采用Φ800 mm高壓旋噴樁止水，以防止基坑開挖時(shí)的樁間水滲漏，并采用深井降水方案。

4 施工順序及工藝流程

根據(jù)工期要求及場(chǎng)地情況，本車站分為10 個(gè)施工段，車站基坑開挖及支撐安裝由基坑南端向北端施工。圍護(hù)樁施工完成后立即進(jìn)行冠梁、擋土墻及第1道鋼筋混凝土支撐施工，同時(shí)進(jìn)行降水井施工。

土方開挖施工主要分4 步[8-13]：

（a）第1步開挖至第1道鋼筋混凝土支撐下0.1 m處，開挖高度1.7～2.7 m；澆筑第1道鋼筋混凝土支撐。

（b）第2步開挖時(shí)，待第1道鋼筋混凝土支撐達(dá)到強(qiáng)度要求后，由南向北從基坑中間拉槽至北端頭，施工出土坡道，然后從南向北分層分段進(jìn)行開挖至第2道支撐下0.5 m。為確保第3層土方開挖時(shí)，第2道支撐不影響挖掘機(jī)施工，在第2層土方開挖到第2道支撐下0.5 m時(shí)，中間采取拉槽開挖，預(yù)留兩側(cè)土方架設(shè)第2道支撐。采取中間拉槽開挖時(shí)兩側(cè)土方應(yīng)預(yù)留坡度，拉槽邊坡按1∶0.7～1∶1，兩側(cè)預(yù)留邊坡頂距圍護(hù)樁不小于2.0 m，第2層土方開挖高度為5.45 m。在土方開挖過程中應(yīng)及時(shí)對(duì)樁間進(jìn)行噴射混凝土，每層噴射混凝土高度應(yīng)控制在2 m范圍以內(nèi)。

（c）第3步開挖第3層土方至第3道鋼支撐中心下0.5 m，開挖高度5.36 m，開挖方法同第（b）步。

（d）第4步開挖第4層土方至基坑底以上0.3 m，開挖高度3.09 m，開挖前先在中部拉槽，然后再倒退開挖兩側(cè)其余部分土方；剩余0.3 m厚度的土方在基底驗(yàn)槽合格后采用機(jī)械配合人工進(jìn)行清理?；油练介_挖遵循“縱向分段、豎向分層、先支后挖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”的施工原則。

基坑施工按以下順序進(jìn)行：

高壓旋噴樁施工→鉆孔灌注樁施工→開挖第1層土→施工冠梁、擋墻及第1道鋼筋混凝土支撐→施工降水管井→開挖第2層土→施工第2道水平鋼支撐→開挖第3層土→施工第3道鋼支撐→開挖第4層土→車站主體結(jié)構(gòu)施工→防水及回填土方施工→拆除支撐。

5 施工要點(diǎn)

5.1 鉆孔灌注樁的施工要點(diǎn)

鉆孔灌注樁的施工要點(diǎn)有2 點(diǎn)：

（a）在支護(hù)樁鋼筋籠第2道水平鋼支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高的位置處有腰梁連接鋼筋，故在立柱鋼筋籠第2道水平鋼支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高的位置處埋設(shè)了鋼套筒，預(yù)埋的套筒必須與樁身鋼筋牢固連接。

（b）水下澆筑混凝土。為保證混凝土的密實(shí)度，混凝土澆筑前應(yīng)清孔沉渣，形成水下澆筑混凝土。澆筑時(shí)邊澆筑混凝土，邊拔導(dǎo)管，應(yīng)保證導(dǎo)管底始終低于混凝土漿面不小于2.5 m。

5.2 混凝土（鋼）支撐施工工藝操作要點(diǎn)

（a）基坑開挖第1層結(jié)束后，直接施工第1道鋼筋混凝土支撐。第2道、第3道鋼支撐端頭設(shè)置鋼圍檁，鋼圍檁逐節(jié)吊入、安裝。鋼支撐采用坑外拼裝、整節(jié)吊入、安放就位的架設(shè)方法。

（b）支撐架設(shè)前，在基坑壁面上標(biāo)出鋼圍檁的位置，首先進(jìn)行鋼圍檁處的墻面平整工作，待鋼圍檁安裝結(jié)束后，再對(duì)鋼圍檁與墻面間的縫隙塞填水泥砂漿和小鋼板，以盡量增大鋼圍檁和坑壁的接觸面。

（c）基坑開挖時(shí)，待支撐位置挖出來以后，立即安裝支撐并及時(shí)施加設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。

（d）支撐加力前，設(shè)定支護(hù)樁支撐軸力檢查點(diǎn)，待加力完成后，即可實(shí)測(cè)支撐軸力初值。

（e）斜撐的架設(shè)與直撐的架設(shè)方法基本相同，但還需在斜撐的端頭設(shè)置牢固可靠的防滑措施。

（f）鋼支撐預(yù)應(yīng)力的施加可以采用1 臺(tái)3 000 kN的千斤頂完成，千斤頂使用前必須經(jīng)過鑒定。預(yù)應(yīng)力施加時(shí)，千斤頂與支撐軸線的偏差不得超過10 mm，并且必須垂直于鋼圍檁。施加預(yù)應(yīng)力值為設(shè)計(jì)軸力的30％～50％。

5.3 高壓旋噴樁施工要點(diǎn)

（a）旋噴樁28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得小于1.2 MPa，抗?jié)B系數(shù)小于10-7cm/s。

（b）噴射注漿的材料用425#普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需要加入適量的外加劑，水泥漿液的水灰比宜取1.0～1.5，灌入水泥漿液的相對(duì)密度取1.6，水泥摻入量18％～20％。

（c）施工時(shí)應(yīng)保證鉆孔的垂直偏差不超過0.5％，樁位偏差不大于50 cm。

（d）成孔完成后，將注漿管置入孔中，待噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，方可注漿。檢查噴射注漿參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，即可按旋噴的施工工藝要求，從下至上噴射注漿。注漿管逐段提升的搭接長(zhǎng)度不能小于100 cm。

（e）噴射壓力、提升速度對(duì)成樁質(zhì)量的直接影響較大，應(yīng)根據(jù)成樁的深度和土質(zhì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

（f）高壓噴漿過程中，攪拌時(shí)間若超過了4 h的水泥漿液，不應(yīng)使用。

5.4 基坑降水及開挖施工要點(diǎn)

5.4.1 基坑降水

為保證基坑開挖處于無水作業(yè)狀態(tài)，基坑開挖前，在冠梁頂部、擋土墻外側(cè)設(shè)置25 cm×40 cm的截水溝；基坑土方開挖前，按要求沿基坑周邊設(shè)置排水明溝，基坑內(nèi)設(shè)置集水坑，用水泵抽排至排水溝。如坑底滲水量較大，且有一定動(dòng)水壓力時(shí)，可在墊層下設(shè)置縱、橫向排水盲管，將地下水匯集于降水井中排至坑外。

5.4.2 基坑開挖要求

（a）基坑底部預(yù)留0.3 m的保護(hù)層，采用人工開挖、修平，并經(jīng)相關(guān)單位驗(yàn)槽合格后進(jìn)行接地網(wǎng)施工，接地網(wǎng)報(bào)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)合格后進(jìn)行混凝土墊層施工，以保證基坑底土層不被擾動(dòng)。距樁壁0.5 m處改由人工修挖，以免對(duì)樁身的穩(wěn)定產(chǎn)生破壞。

（b）基坑土方開挖時(shí)，隨挖隨撐，減少基坑暴露時(shí)間。

（c）基坑土方開挖后，及時(shí)按設(shè)計(jì)施作網(wǎng)噴支護(hù)，按規(guī)定時(shí)限于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)施加支撐預(yù)應(yīng)力。

（d）基坑土方開挖完成一塊，清理平整一塊；清理平整一塊，墊層施工一塊。

（e）基坑土方開挖過程中，加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)，隨時(shí)掌握土體壓力、支撐結(jié)構(gòu)受力及地下水位變化等情況，做到信息化指導(dǎo)施工。

（f）在每層土方施工中，在橫斷面跨中縱向拉坡開中槽，護(hù)坡樁兩側(cè)各留5～6 m寬平臺(tái)，充分利用其土體抗力保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)利用此平臺(tái)及時(shí)進(jìn)行封堵圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏水，在鋼支撐架設(shè)完成后，采用機(jī)械由中槽向兩邊橫向挖土，人工配合清理樁間土直至圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

5.4.3 基坑開挖過程中的施工要點(diǎn)

（a）基坑頂面2 m范圍內(nèi)周邊嚴(yán)格控制堆土、堆料或重型機(jī)械行走，支護(hù)結(jié)構(gòu)四周范圍內(nèi)地面超載不得大于20 kPa。

（b）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，設(shè)專人指揮，防止挖掘機(jī)碰損鋼支撐，防止挖掘機(jī)碰撞圍護(hù)樁，樁間土方采用人工修平，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)車輛統(tǒng)一由專人調(diào)配。

（c）基坑側(cè)壁土方開挖完成后必須及時(shí)噴射150 mm厚的混凝土，確保樁間土體穩(wěn)定。

（d）實(shí)行信息化施工，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)報(bào)駐地監(jiān)理和業(yè)主研究處理。

（e）運(yùn)輸車輛進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)路口，設(shè)專人防護(hù)，統(tǒng)一指揮，及時(shí)疏導(dǎo)行人及周邊機(jī)械。

5.5 網(wǎng)噴混凝土施工要點(diǎn)[14-19]

車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁，為確保開挖過程中樁間土體的穩(wěn)定性，圍護(hù)樁樁間土隨基坑開挖進(jìn)行網(wǎng)噴混凝土，圍護(hù)樁樁間網(wǎng)噴混凝土厚150 mm，混凝土等級(jí)為C20，鋼筋網(wǎng)采用Φ8 mm@200 mm×200 mm。在土方開挖過程中，由上往下、隨挖隨噴，以防止基坑開挖過程中的樁間土暴露時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生坍塌，影響基坑周邊的穩(wěn)定和施工安全。

為確保做好現(xiàn)場(chǎng)防塵等工作，施工采用濕噴法，混凝土噴射設(shè)備選用TK－961濕噴機(jī)，濕噴料用JS500強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制。噴射混凝土由下向上分段、分片、分層螺旋式噴射。每段長(zhǎng)度按循環(huán)進(jìn)尺。每層厚度控制在5 cm，噴射混凝土回彈料不能再次使用。

噴射混凝土施工前必須清理好基面和滲漏水，如果滲水較大可在噴射前進(jìn)行堵漏，然后進(jìn)行噴混凝土，噴混凝土?xí)r加大速凝劑用量。

6 施工監(jiān)控量測(cè)

6.1 監(jiān)控量測(cè)方案

監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向變形、水壓力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力、地面沉降、地下水位、支撐軸力、地下管線、周邊地面建筑基礎(chǔ)沉降及裂縫觀察、周邊立交橋沉降觀測(cè)、臨時(shí)立柱沉降等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過全站儀觀測(cè)站、控制測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)（左線3 個(gè)斷面，右線3 個(gè)斷面）、變形點(diǎn)（40 個(gè)）、中繼站計(jì)算機(jī)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。

6.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

（a）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及沉降超過警戒值時(shí)（預(yù)警值為基坑開挖深度的2‰，控制值為基坑開挖深度的2.5‰），通知有關(guān)部門，加大監(jiān)測(cè)頻率，組織有關(guān)技術(shù)人員分析施工因素，調(diào)整鋼支撐參數(shù)，或同時(shí)采用地層加固措施，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；當(dāng)超過最大控制值時(shí)，停止施工，組織專家對(duì)施工工藝進(jìn)行調(diào)整，并采取有效措施，等圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定后再重新開工。

（b）當(dāng)?shù)乇沓两邓俣冗^大（地表沉降預(yù)警值為10 mm，警戒值為20 mm，最大控制值為30 mm），加大監(jiān)測(cè)頻率，必要時(shí)應(yīng)該通知有關(guān)部門，停工并檢查，通過加強(qiáng)支撐、加固圍巖地層的措施確保施工安全。

（c）當(dāng)周圍建筑物基礎(chǔ)和地表沉降量過大時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取回灌措施，或者對(duì)基坑周邊的地層進(jìn)行加固，直至建筑物和地表穩(wěn)定為止。

（d）根據(jù)支撐軸力量測(cè)結(jié)果分析研究鋼支撐的受力狀態(tài)，分析是否調(diào)整鋼支撐的有關(guān)參數(shù)。當(dāng)鋼支撐受力超過設(shè)計(jì)要求時(shí)，加密鋼支撐，保證基坑圍護(hù)的安全。

（e）當(dāng)建筑物的變形接近預(yù)警值時(shí)（預(yù)警值為10 mm），加大監(jiān)測(cè)頻率，同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整開挖段的支撐參數(shù)，或者加固地層；當(dāng)達(dá)到警戒值時(shí)（警戒值為20 mm），通知監(jiān)理及上級(jí)主管部門，必要時(shí)，對(duì)既有建筑物的基礎(chǔ)采取加固措施；當(dāng)達(dá)到最大允許值時(shí)（最大允許值為30 mm），停止施工，組織專家對(duì)施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，確保建筑物的安全。

從本基坑的監(jiān)控量測(cè)過程數(shù)據(jù)、最終結(jié)果及基坑施工過程中的安全狀態(tài)來看，本工程地下結(jié)構(gòu)的封頂、拆撐，地下管線及周邊建筑物基礎(chǔ)的沉降、變形觀測(cè)結(jié)果均在安全可控范圍，說明本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐是成功的。

7 結(jié)語

（a）鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁＋鋼管（混凝土）內(nèi)支撐+樁間掛網(wǎng)噴混組合支護(hù)方案適用于黃土地區(qū)周邊建筑密集且有地下結(jié)構(gòu)的較深基坑支護(hù)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體剛度較大，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間受力、傳力清楚，能較有效地控制基坑變形，深基坑的安全穩(wěn)定性良好。

（b）本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝簡(jiǎn)單易行，支撐結(jié)構(gòu)體系主要由鋼筋混凝土支撐和鋼支撐組成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)組合布置靈活，可用于不同平面形狀的基坑。

（c）鋼筋混凝土圍護(hù)樁和高壓旋噴樁相間布置，相互咬合、連接緊密，形成了封閉的擋土結(jié)構(gòu)，不僅能有效擋土且成為封閉止水帷幕，內(nèi)支撐能保證基坑支護(hù)安全。