青島一地鐵站基坑施工采用新型明挖法的可行性分析

趙志康 楊 輝 于晨凱 刁澤辰

（1.青島黃海學院，山東 青島 266427；2.青島海川建設集團有限公司，山東 青島，266000）

0 引言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展快速穩(wěn)健增長，一些城市規(guī)模的擴大和人口密度的提升，給城市的交通運輸能力帶來了很大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)存的地上路面交通已處于高壓高負荷運行的狀態(tài)，從而凸顯了修建地鐵的重要性，交通運輸和社會經(jīng)濟的發(fā)展是相互促進又互為制約的[1]。地鐵作為一種新興的交通運輸方式，具有快速、安全、便捷、運載量大、不占有地上現(xiàn)有空間等特點，自2015年12月青島地鐵3號線首次開通以來，截止到2020年12月31日，已經(jīng)有6條線路在青島開通運營，使青島市民的出行變得非常的便利。

本文對青島地鐵一號線（在建）的“天目山路”地鐵站進行研究，對該車站采用的深基坑開挖方法進行調(diào)查和分析，提出一種新型的深基坑明挖技術，并對這種新型方法進行可行性分析。

1 基坑工程國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基坑工程是與巖土、地質(zhì)、結構等多門學科相互關聯(lián)的一個學科。對于基坑工程特別是深基坑中的土壓力理論和基坑設計原理目前為止并不完善，在相異地質(zhì)構造情況下，也很難掌握基坑土體對圍護結構的荷載規(guī)律。

國外Terzaghi[2]和Peck[3]首先總結出一套計算土的總應力的方法，為基坑技術的發(fā)展奠定了基礎。Rowe[4]使用排樁模型試驗對土壓力進行研究，推斷出在確保錨桿彈性變形充沛的情況下，土壓力分布為三角形形態(tài)；Vaziri[5]通過Rowe的結論總結了關于土拱效應的因素。我國學者陳盛金利用FLAC3D對成都地質(zhì)條件下的基坑變形進行了深度研究。袁德浩[6]以青島地鐵一期工程（3號線）科研課題項目為例，通過數(shù)值模擬說明隧道施工導致地表下沉的一些相關性規(guī)律，通過以隨機介質(zhì)理論為框架，對地鐵區(qū)間隧道施工中慣用的臺階法預測關系式進行闡述；董文龍[7]針對青島土巖結合地層，對蓋挖法地鐵車站施工進行研究，對地鐵車站基坑和圍護結構的變形機理進行了研究和探討。

2 青島天目山路地鐵站基坑施工方法研究

2.1 工程概況

青島地鐵1號線天目山路地鐵站位于嘉陵江路與長江東路十字路口西側，沿長江東路縱貫而建。車站可分成兩層地下島式結構車站（見圖1），有的地方有三層（見圖2），同時擬留出后期其他線路地鐵的轉乘條件。盾構機接收井布置在站的兩端處，便于盾構機的調(diào)運。本車站整體主結構長188.75m，寬20.9~25.3m，埋深25.1m（西）~16.7m（東），結構構件尺寸見表1。并有四個正常進出通道和一個消防安全通道、兩個風亭。

表1 結構構件尺寸

圖1 二層位置標準橫斷面

圖2 三層位置標準橫斷面

經(jīng)過查閱資料，天目山路車站位于以青山系及第四系為主的華夏構造體系平原地區(qū)，處于中生界地區(qū)，下部為白堊系沉積巖及噴出巖（K），上部為第四系人工堆積層（Q4m）l，中部為全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+q）l，上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)。

第四系人工堆積層（Q4m）l：分布在地表，為人工填筑土。土顆粒色雜，松散分布，較為濕潤，主要由砂土、碎石、碎磚等建筑垃圾組成。分布于地表，厚3~4m左右。該層土分布不均勻，承載力也較差，承重后土會有較大沉降。

全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+ql）：由砂土層、卵石土層組成。砂土層顏色呈褐黃色，較為密實，濕度較大，分布于卵石層的上部，部分與卵石夾雜。卵石土層呈褐灰色，稍濕潤，較為密實，卵石含量50%~60%，粒徑為20~70mm左右，部分粒徑達到160mm，卵石間填充為砂土，局部含少量碎石夾雜。

上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)：主要由細砂土層組成。細砂土顏色呈褐黃色，較不穩(wěn)定，層厚0.5±0.3m。

白堊系沉積巖及噴出巖（K）：由強風化巖和中風化巖組成，強風化巖顏色呈紅褐色，巖質(zhì)軟，呈節(jié)理發(fā)育。層厚約0.9~1.3m。中風化巖顏色呈紫褐色，硬度較大，有少量砂質(zhì)夾雜，風化裂隙較發(fā)育，厚度未知。

2.2 天目山路地鐵站普通明挖法施工步驟

天目山路地鐵站的基坑工程如果采用普通明挖法，得先開挖到基坑底部設計標高后，再按照墊層、接地→底板（底梁）→負三層側墻→負三層框架柱→負二層中板（中板梁）→負二層側墻→負二層框架柱→負一層中板（中板梁）→負一層側墻→負一層框架柱→頂板（頂板梁）→附屬結構（樓梯、電梯井、站臺板）→管線回遷、頂板回填的施工順序自下而上對主體結構和承重結構進行施工。

2.3 新型明挖法技術創(chuàng)新點的分析

新型明挖法[8]是深基坑開挖施工技術，新型明挖法的原型是隧道施工技術中的環(huán)形預留核心土開挖方法，將隧道施工中的立面轉移到基坑開挖的平面進行施工的一種技術。

新型明挖法主要創(chuàng)新在施工工藝上，其施工工藝有兩個技術創(chuàng)新點：一是預留核心土法；二是可調(diào)鋼管支撐法。這兩種新型方法在整個新型明挖法中相輔相成。預留核心土法可以有效地保證施工工期，合理利用空間節(jié)省施工經(jīng)費；可調(diào)鋼管支撐法可以使普通的鋼管撐軸力可調(diào)節(jié)，根據(jù)基坑變形情況實時控制各支撐的應力。

2.3.1 預留核心土施工工藝

在傳統(tǒng)的明挖法施工中，同一水平面的土是同時向下開挖的，開挖到一定的深度后，開始支模板澆筑混凝土支撐和設置鋼管支撐，這時傳統(tǒng)的明挖法施工將面臨一個問題：基坑開挖到的平面標高通常在混凝土支撐的設計標高之下，澆筑混凝土所搭設的模板還將使用模板架和腳手架才能正常進行混凝土支撐的澆筑，搭設模板架不僅費時費力加大施工工期，腳手架和模板架在澆筑時還將面臨一系列的安全問題，使施工現(xiàn)場難以管理。本文提出的預留核心土基坑施工方法能解決此類問題，預留核心土法適合配合地下連續(xù)墻圍護或者SMW工法樁維護結構進行施工，在圍護結構按設計位置施工完畢后，在基坑各邊向內(nèi)縮進1.5~2m處放線，此時基坑邊緣到該放線區(qū)域即為開挖區(qū)域，而該放線所圍成的區(qū)域即為預留核心土區(qū)域（見圖3）。

圖3 預留核心土法施工

當基坑開挖作業(yè)挖到距預留核心土部分1~1.5m左右時，確保預留核心土邊緣具有一定的自穩(wěn)性，然后開始施作混凝土支撐結構。在本新型明挖法中施作混凝土支撐結構時，在預留核心土部分開挖溝槽，按照混凝土支撐的設計標高、位置和截面尺寸以及所采用模板的厚度確定預留核心土中所開挖溝槽的深度和寬度系數(shù)。開挖好溝槽后對溝槽進行平整和穩(wěn)固，檢驗其尺寸沒有偏差，之后就可以直接將澆筑混凝土支撐所用模板貼合溝槽內(nèi)壁并固定。對于兩端懸挑出來的模板，應用連接件使模板和圍護結構進行固定，同時可架設小型鋼管對懸挑出的模板進行支撐，確保澆筑混凝土時不會發(fā)生偏移和變形。澆筑混凝土時應自中間向兩邊澆筑，并隨時檢查模板不會出現(xiàn)漏漿等現(xiàn)象。

該預留核心土的方法合理地解決了澆筑混凝土支撐時架設模板所面臨的浪費工期和一系列安全問題。通過用基坑原有的預留核心土當作模板支架，合理地利用了現(xiàn)有的資源，也使混凝土支撐澆筑時更加地安全牢固，不會出現(xiàn)坍塌的可能，同時預留核心土的未利用部分還可以當作工人的施工面，節(jié)省搭設腳手架的時間。其次在混凝土支撐結構還未施工完成時，可以在開挖區(qū)域處架設鋼管臨時橫撐，橫撐一端架設在維護結構上，另一端架設在預留核心土上，保證了基坑開挖初始階段的穩(wěn)定和安全。

2.3.2 可調(diào)鋼管支撐

鋼管支撐是基坑支撐結構形式之一，它不像混凝土支撐一樣作為永久的主體結構之一，而是在基坑的主體施工完畢并具有承受荷載的能力后一般會將其進行拆除，在傳統(tǒng)的基坑施工中，鋼管支撐的設置十分復雜，如果整個開挖過程僅僅依靠鋼管支撐限制其圍護結構的橫向位移，那么對于鋼管支撐所架設的位置選擇，鋼管的長度選擇和受力點的分析等都將是一套復雜的程序，而且鋼管支撐的危險性遠遠比采用混凝土支撐要高很多。

根據(jù)查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，基坑鋼管支撐失穩(wěn)所引發(fā)的安全性問題，其主要原因除了施工不規(guī)范合理之外，更重要的是因為鋼管支撐并不像混凝土支撐一樣通過鋼筋錨固的方式與圍護結構形成一個整體，而是通過面接觸的方式進行傳遞應力。同時基坑工程特別是深基坑在開挖的過程中，開挖到不同的標高位置，其圍護結構的變形和土傳遞給圍護結構的應力是不同的，而普通的鋼管支撐架設好后無法對其進行有效地控制，一旦圍護結構出現(xiàn)輕微變形，鋼管支撐將會受壓失穩(wěn)。

新型明挖法提出將液壓千斤頂安裝在鋼管支撐的兩端或一端，千斤頂與圍護結構的接觸面用膨脹螺栓的方法進行連接固定，千斤頂采用可以精準控制的電動千斤頂。根據(jù)明挖施工到不同的階段，結合基坑變形的精準測量數(shù)據(jù)，對同一水平面的千斤頂統(tǒng)一通過電腦進行精確控制，做到基坑鋼管支撐結構的應力可調(diào)節(jié)。

3 青島“天目山路”地鐵站采用新型明挖法的可行性分析

新型明挖法對場地的適應能力非常強，天目山路地鐵站如采用此方法是完全可行的，但需要改變其原有的施工工藝。首先應先對天目山路地鐵站按照其地下結構的設計尺寸在相應位置施作地下連續(xù)墻，此地下連續(xù)墻在基坑工程施工完畢后將作為該地鐵車站的永久結構。地下連續(xù)墻施工完畢后按照預留核心土法對基坑進行向下開挖并澆筑混凝土支撐，待混凝土支撐施工完畢拆模使用后，繼續(xù)向下開挖，此時預留核心土的標高和開挖施工處的標高應同步向下進行，其相對高差保持不變。開挖到預留核心土的標高，在下一個混凝土支撐的上表面時，按照與第一個混凝土支撐相同的方法繼續(xù)進行施工，兩支撐之間使用混凝土柱進行連接，在混凝土凝結前利用可調(diào)應力鋼管支撐對基坑進行臨時支護。最后開挖到基坑設計標高，施作墊層和底梁，將柱與地梁連接，形成框架結構，隨后施作底板中板和頂板，并對側墻和底板做好抹平和防水處理，完成地鐵車站的主體結構。

其大致步驟為地下連續(xù)墻→第一道支撐（頂板梁）→負一層框架柱→第二道支撐（中板梁）→負二層框架柱→第三道支撐（底板梁）→負三層框架柱→墊層→側墻和底板防水平整→附屬結構（樓梯、電梯井、站臺板）→底板→中板→頂板→管線回遷、頂板回填的順序進行。可以看出，天目山路地鐵站采用新型明挖法不僅使資源和時間得到合理地利用，同時因為采用地下連續(xù)墻，后續(xù)可作為外墻而不用單獨對每一層外墻進行施工，節(jié)省了施工步驟，使該工程施工變得更加地簡便。

天目山路地鐵站采用新型明挖法雖然優(yōu)點較多，但也有一些值得注意的問題。首先是該工程所在地區(qū)碎巖較多，在施作預留核心土法時，混凝土支撐所在位置可能存在大塊巖石，如果將巖石去除就破壞了原有的核心土平面，要將土平整后再架設模板。二是該方法因為需要預留核心土的自穩(wěn)能力，如果該土的自穩(wěn)能力不強或受震動、地下水等影響，可能會導致核心土向開挖處滑坡，此時可采用分段開挖的方法，并減小開挖面與預留核心土高度差的方式進行解決。

4 結束語

綜上所述，天目山路地鐵站采用新型明挖法是完全可行的，但需要改變其原有的施工工藝，并實施科學的優(yōu)化措施?？傊?，新型明挖法為基坑工程提供了一種全新的開挖方法，其具有較多的優(yōu)點和可改良之處，同時其使用價值還可進行更深一步的研究和探討，希望該方法能在未來的基坑工程施工中發(fā)揮出應有的作用。