地下三層地鐵車站基坑開挖施工技術(shù)應(yīng)用

【摘 要】地下三層地鐵車站在施工時需要進行基坑開挖，在深基坑開挖過程中常見的病害有土體失穩(wěn)、地面沉降、坑底塌陷、坑壁滑動等，對施工工期及運營期安全提出挑戰(zhàn)。以成都軌道交通13號線一期工程嬌子立交站為工程背景，結(jié)合工程地質(zhì)與水文條件，對基坑圍護結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁的施作以及基坑主體的開挖施工技術(shù)進行了詳細闡述。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站； 基坑開挖； 圍護結(jié)構(gòu)； 鉆孔灌注樁； 施工技術(shù)

【中圖分類號】U231.3【文獻標(biāo)志碼】A

0 引言

大型深基坑工程是高層建筑和城市地下工程的重要組成部分。在深基坑工程的施工中，圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對基坑穩(wěn)定性有主要影響。

深基坑開挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，且要有效控制基坑周圍地層移動以保護周圍環(huán)境。由于地層構(gòu)造錯綜復(fù)雜，加上設(shè)計與施工管理不善，如果支護技術(shù)不當(dāng)，開挖措施不力，會導(dǎo)致基坑周邊土體失穩(wěn)造成房屋開裂傾斜、變形、地下管網(wǎng)斷裂等等，嚴(yán)重破壞基坑周圍環(huán)境。如果對這些問題處理不當(dāng)，會對深基坑的施工造成重大影響，延誤工期，造成巨大經(jīng)濟損失和不良的影響。

在基坑開挖過程中由于改變了原位土體的應(yīng)力場及地下水等環(huán)境因素，必然引起圍護結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞、基坑周圍地表的沉降、基坑失穩(wěn)和基坑隆起等現(xiàn)象［1］。因此，基坑開挖施工必須考慮既有土體和地下水的影響。

劉建航等［2］近二十年來結(jié)合上海軟土地區(qū)深大基坑工程實踐，提出了深基坑時空效應(yīng)理論。高文華、范益群、侍倩、劉國彬、張燕凱等［3-7］對深基坑工程時空效應(yīng)作了更進一步的研究，在試驗和理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上得出一些計算土壓力和基床系數(shù)的經(jīng)驗公式。這些方法基本思路是根據(jù)深基坑時空效應(yīng)規(guī)律，修正主動區(qū)的主動土壓力系數(shù)，將被動區(qū)的彈性基床系數(shù)修改為考慮開挖過程的時空效應(yīng)的等效系數(shù)。

在針對地鐵車站基坑開挖施工技術(shù)研究方面，張念等［8］結(jié)合烏魯木齊地鐵１號線某車站施工，采用數(shù)值模擬計算方法對比分析拉槽分層開挖方法與傳統(tǒng)基坑開挖方法在施工過程中的基坑的穩(wěn)定性，說明拉槽分層開挖方法的可行性；田憲國［9］根據(jù)蘇州市臨頓路地鐵車站深基坑開挖的地質(zhì)與周邊的復(fù)雜情況，采用鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、深層攪拌樁等多結(jié)構(gòu)形式聯(lián)合圍護的基坑加固方案，可最大程度地降低結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險；惠吉會［10］以已建成蘇州地鐵某車站未設(shè)置換撐的超深基坑為工程背景，運用啟明星等軟件模擬不設(shè)置換撐與設(shè)置換撐不同工況下，基坑變形及周邊管線沉降數(shù)據(jù)地墻位移等，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，研究地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)換撐設(shè)計的經(jīng)濟性與合理性。

1 工程簡介

1.1 13號線一期工程簡介

13號線一期沿線經(jīng)過青羊區(qū)、武侯區(qū)、錦江區(qū)、龍泉驛區(qū)，線路如圖1所示。

1.2 嬌子立交站工程簡介

嬌子立交站是13號線一期工程的第17座車站，車站位于成龍大道與南三環(huán)交叉口東側(cè)，沿成龍大道北側(cè)綠地西北-東南方向設(shè)置。預(yù)留遠期30號線換乘通道。本站為島式車站，總長13 m，使用雙柱三跨地下三層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)進行標(biāo)準(zhǔn)段施工，其寬度為22.9 m，本站中心里程為右DK38+261.329，右線設(shè)計起點里程為右DK38+125.028，右線設(shè)計終點里程為右DK38+370.729，車站總長245.7 m。

車站總建筑面積為28 502.06 m2，主體結(jié)構(gòu)基坑深度為29.4～34.88 m，平均覆土厚度約為4.95 m。共設(shè)置7個出入口，9個獨立消防疏散通道，2組風(fēng)亭，1個消防水池和1座冷卻塔。本站圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)形式，車站采用明挖形式，車站大小里程端為盾構(gòu)接收。

嬌子立交站施工風(fēng)險主要在于該站為地下三層結(jié)構(gòu)，采用碗扣式支架體系施工，支架搭設(shè)高度較高，跨度大，在進行大體積混凝土澆筑過程中安全風(fēng)險較高。

嬌子立交站標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

嬌子立交站施工范圍內(nèi)地面較為平整，場內(nèi)標(biāo)高在4.95 m左右，地層自上而下主要涉及到的地層有①Q(mào)4ml雜填土、②Q1+2fgl黏土、③Q1+2fgl含黏土卵石、④K2g全風(fēng)化泥巖、⑤K2g強風(fēng)化泥巖、⑥K2g中風(fēng)化泥巖，各地層地質(zhì)特征見土層特征表，地質(zhì)分布情況見圖2。

2.2 水文地質(zhì)

施工范圍內(nèi)的地下水主要是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水、第四系砂、卵石層的孔隙潛水，而卵石層的孔隙潛水、第四系砂對施工造成的影響較大。

（1）上層滯水。賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水主要分布在地表，其特點是不穩(wěn)定且水量變化較大。

（2）孔隙潛水。施工區(qū)間具有成層狀分布的較厚含黏土卵石層，局部夾薄層砂，孔隙潛水大量賦存于間隙中，其具有水位高、水量大的特點，主要補給源包括區(qū)域地表水、大氣降水。貫通的自由水面由含黏土卵石層中的孔隙水形成。

2.3 不良地質(zhì)情況

通過查閱該地區(qū)氣田分布圖，本站點施工區(qū)間不存在氣田，即可判定為為非瓦斯地段。但由于各種污水井、雨水井及地下管道遍布嬌子立交站場地位置道路下方，可能形成有害氣體。在類似市政工程施工中曾多次由于類似原因而造成傷亡事故，因此在進行基坑開挖施工時需要加強對有害氣體的監(jiān)測并采取合適的防護措施。

3 基坑開挖施工技術(shù)

根據(jù)本工程建設(shè)總進度計劃安排，結(jié)合基坑平面、埋深及管線遷改次序等特點，車站主要施工思路：

（1）前期做好施工準(zhǔn)備、施工場地圍蔽、地下管線遷改、地上交通疏解、施工場地內(nèi)部三通一平。

（2）完成降水井、排水溝、基坑圍護樁、冠梁施工。

（3）進行第一層土方開挖，邊坡網(wǎng)噴砼防護，架設(shè)第一道支撐。

（4）進行分層分段開挖基坑，同時架設(shè)鋼支撐，土方挖至坑底。

施工技術(shù)與測量技術(shù)黨偉松：地下三層地鐵車站基坑開挖施工技術(shù)研究

（5）當(dāng)開挖至基底以上0.3 m后便停止基坑開挖，驗收合格后進行接地系統(tǒng)施工。在接地系統(tǒng)驗收合格后，立刻開挖至基底標(biāo)高，質(zhì)量達標(biāo)后澆筑混凝土墊層封閉基底。

（6）按照順序施工車站防水層、底板、側(cè)墻、中板、頂板及防水。

（7）車站頂板回填覆土，恢復(fù)地面及道路。

（8）進行車站內(nèi)部及附屬結(jié)構(gòu)作業(yè)。

3.1 車站鉆孔灌注樁施工

嬌子立交車站標(biāo)準(zhǔn)段、盾構(gòu)段采用1 200@1 800 mm鉆孔樁，圍護樁采取3 m的嵌固深度。在盾構(gòu)洞門影響區(qū)間內(nèi)的圍護樁使用1 200@1 600 mm玻璃纖維筋樁。樁間土采用8.0@150×150 mm鋼筋網(wǎng)、150 mm厚C20網(wǎng)噴混凝土封閉。鉆孔樁共計329根，樁長31.394 m，抗拔樁118根，樁長16 m，圍護樁設(shè)計為水下C35，附屬圍護結(jié)構(gòu)180根。其中工程樁主筋采用HRB400E級鋼筋，其它樁基主筋采用HRB400級鋼筋。格構(gòu)柱型鋼四根角鋼及綴板焊接而成，格構(gòu)柱長度為12.9～21.7 m。

嬌子立交站共計鉆孔灌注樁659根，樁徑為1.0 m、1.2 m，根據(jù)綜合考慮，計劃投入3臺旋挖鉆機進行施工，每臺樁機日平均完成2根樁，采取跳槽法施工，完成一個樁基后做好防護隔天進行回填，泥漿護壁，導(dǎo)管法灌注水下混凝土，施工順序自大里程向小里程方向進行施工。鋼筋籠采取分節(jié)加工，分節(jié)鋼筋籠采用25 t吊車起吊。

嬌子立交站支撐立柱在基坑開挖面以上采用格構(gòu)式鋼柱，在開挖面以下鉆孔樁作為基礎(chǔ)樁，格構(gòu)柱插入鉆孔樁的長度為2.5 m，并與樁內(nèi)鋼筋籠焊接一次成樁。格構(gòu)柱采用角鋼180 mm×180 mm×16 mm和鋼板380 mm×300 mm×10 mm制作。格構(gòu)柱主要包括鋼立柱和灌注樁兩部分，上部鋼立柱為鋼構(gòu)件，下部為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。格構(gòu)柱分節(jié)吊裝，兩節(jié)格構(gòu)柱拼接采用焊接連接，接頭錯開1 m，固定時格構(gòu)柱必須居于鋼筋籠正中心。格構(gòu)柱對接完成后，整體下放插入已經(jīng)安放就位的鉆孔樁鋼筋籠內(nèi)（圖3、圖4）。

灌注水下混凝土?xí)r，導(dǎo)管和漏斗之間設(shè)置閥門關(guān)好，導(dǎo)管距孔底0.3～0.5 m，將儲料斗、灌注漏斗裝滿混凝土后，開啟事先設(shè)置好的閥門進行水下混凝土澆注?；炷凉嘧?yīng)連續(xù)進行不得中斷。灌樁時導(dǎo)管提升高度不宜過大。為確保樁頂質(zhì)量，混凝土澆筑應(yīng)比設(shè)計標(biāo)高增加500 mm，澆筑底板（梁）前，應(yīng)將樁頂浮漿鑿除清理干凈，保證暴露的樁頂混凝土達到強度設(shè)計值，樁頂以上露出的鋼筋長度應(yīng)達到設(shè)計要求。

3.2 車站基坑開挖

車站均采用明挖順筑法施工，嬌子立交站主體基坑深度約29.4～34.88 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9 m，端頭井寬度為29.9 m，基坑開挖由大里程往小里程開挖，基坑開挖工藝流程如圖5所示。

根據(jù)車站地質(zhì)及地下水情況，開挖前在基坑外設(shè)置地面截水溝，防止雨水流入基坑。基坑開挖過程中做好基坑降水、防排水工作?；觽?cè)壁應(yīng)在24 h之內(nèi)完成封閉，以防基坑側(cè)壁變形過大造成坍塌。

采用明挖順作法進行嬌子立交車站施工。依據(jù)“時空效應(yīng)”原理，橫向是先中間后兩側(cè)、先主體后附屬，縱向采用“分段、分層、留土護壁、限時、減少無支撐暴露時間”的原則，滿足基坑開挖、坑底降水、支撐圍護、監(jiān)控量測、結(jié)構(gòu)作業(yè)等相關(guān)工施工序緊密結(jié)合。

采用機械開挖為主的土方開挖施工，人工配合修邊、清底，以防對樁身結(jié)構(gòu)的擾動破壞。挖掘機在基坑內(nèi)作業(yè)時，須有專人指揮，防止碰撞鋼支撐發(fā)生支撐掉落危險。

嚴(yán)格按施工方案分層厚度進行開挖，及時架設(shè)鋼支撐，確?；影踩??；娱_挖至支撐設(shè)計標(biāo)高以下0.5 m時必須停止開挖，在8 h之內(nèi)安裝好鋼管支撐，并按設(shè)計要求預(yù)加力。

在進行基坑開挖時，基坑內(nèi)支撐軸力是監(jiān)測的重點，對收集的數(shù)據(jù)進行及時的分析處理。當(dāng)開挖至基底以上0.3 m后便停止基坑開挖，驗收合格后進行接地系統(tǒng)施工。在接地系統(tǒng)驗收合格后，立刻開挖至基底標(biāo)高，質(zhì)量達標(biāo)后澆筑混凝土墊層封閉基底。

基坑開挖質(zhì)量控制措施為：

（1）設(shè)置專門負(fù)責(zé)按設(shè)計長度配置、檢查與及時提供開挖面上所需支撐的作業(yè)人員，從而保證支撐長度和支撐軸線偏差滿足規(guī)范要求。

（2）在完成一定范圍的土方開挖并具備鋼支撐安裝條件后，立即架設(shè)鋼支撐，第二道、三道、四道支撐位置開挖面暴露長度不應(yīng)大于12 m，其支撐軸向預(yù)應(yīng)力需依據(jù)規(guī)范要求進行施加。提供預(yù)應(yīng)力的油泵設(shè)備必須要經(jīng)常檢查，保證正常運行的同時確保預(yù)應(yīng)力值的準(zhǔn)確測定。為保證在有限的時間內(nèi)完成鋼支撐和噴錨支護，項目部計劃成立網(wǎng)噴小組、牛腿安裝小組、圍檁安裝小組，分專業(yè)流水作業(yè)，提高效率。對于每一根支撐，提前一天完成拼裝完畢，待使用時直接使用門吊吊裝。

（3）按開挖段邊坡土質(zhì)特性進行邊坡穩(wěn)定性判定，確定安全坡度，整個開挖施工務(wù)必確保邊坡坡度大于安全坡度，時刻關(guān)注并及時排除流出邊坡的水流，避免滑坡發(fā)生。在每段土方開挖時，2 m以上的陡坡或垂直土壁嚴(yán)禁出現(xiàn)，以防邊坡土體塌方傷人，確保橫向支撐的穩(wěn)定安全。

（4）水土流失病害若在基坑開挖施工中發(fā)生，需對水土流失縫隙進行引排，嚴(yán)防基坑支護結(jié)構(gòu)被小股流砂沖破，避免發(fā)展成急劇涌砂造成大量地面沉陷和支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡事故。

（5）為確?？拥组_挖平整，防止開挖時局部區(qū)域發(fā)生超挖現(xiàn)象，坑底標(biāo)高0.3 m的基坑土方采用人工結(jié)合小面積開挖修平，保證基坑底部土體保持原狀。用砂對局部開挖的洼坑進行填實，嚴(yán)禁使用爛泥回填，同時布設(shè)集水坑結(jié)合抽水泵排除坑底積水。

（6）對最下道支撐下土方逐小段開挖后，澆筑混凝土墊層須在12 h內(nèi)。為方便基坑開挖好后施作下道施工工藝，需事先做好施工準(zhǔn)備工作，包括澆筑鋼筋混凝土底板的機械設(shè)備、人員配置、施工材料等。

（7）實行信息化基坑開挖施工，設(shè)置實時現(xiàn)場視頻監(jiān)控工作室，在整個基坑開挖施工過程中，每層開挖支撐的施工進展實現(xiàn)實時動態(tài)調(diào)整，地層位移實現(xiàn)實時監(jiān)測。

（8）在整個開挖施工進程中，基坑內(nèi)外防水作業(yè)務(wù)必做好?；油夥浪扇≡诨铀闹茉O(shè)置截水溝（450 mm×500 mm），同時通過排水溝將基坑內(nèi)部的雨水、滲水等引流至集水井中，并及時排至基坑外，基坑內(nèi)嚴(yán)禁有水侵泡坡腳。

4 結(jié)束語

地鐵車站的建設(shè)是城市軌道交通系統(tǒng)中的重點內(nèi)容，其中基坑開挖又是重難點項目，其施工環(huán)境滾錯綜復(fù)雜，開挖難度大，需要采取高效安全的深基坑開挖技術(shù)，創(chuàng)造安全穩(wěn)定的施工環(huán)境。本文結(jié)合成都軌道交通13號線一期工程嬌子立交地鐵車站工程實例，對其基坑圍護結(jié)構(gòu)及基坑開挖施工技術(shù)展開分析，對類似地鐵車站基坑施工具有一定的參考價值。

參考文獻

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［作者簡介］黨偉松（1990—），男，本科，助理工程師，主要從事地下工程相關(guān)工作。