大面積深基坑開挖及圍護施工

閆棟梁

(中鐵三局集團建筑安裝工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

隨著城市建設的大發展，大面積、深基坑施工越來越普遍，與一般房建工程不同，地鐵停車場具有整體基坑面積大、基坑開挖較深，場地相對較為狹小的特點，這就要求基坑開挖和支護方案需要從整體出發，對基坑圍護和開挖進行合理設計和施工。

1 工程概況

武漢市軌道交通三號線一期工程升官渡停車場位于武漢市漢陽區，與3號線一期工程客運中心站接軌，主要承擔配屬列車的雙周/三月檢、列檢及停放等日常保養，以及供電、機電、通號等維修工區工作。升官渡停車場地下庫區為地下1層2跨～10跨矩形框架結構，位于庫區上方的綜合樓為框架結構(地下2層，地上5層)，主體形狀不規則，呈刀把狀?？偨ㄖ娣e68 674．1 m2，其中地下庫區建筑面積為61 781．7 m2。

2 地質條件

2．1 工程地質條件

根據《巖土工程詳細勘察報告》，從地表往下與基坑開挖支護有關的土層資料如下:

①雜填土(Qml):雜色，結構松散，壓縮性高，層厚0．30 m～2．10 m。

②粉質粘土(Qal4):褐黃～灰褐色，可塑，壓縮性中等，層厚1．00 m ～8．50 m。

③粘土(Qal+pl2):褐 ～褐紅色，硬塑狀態，壓縮性低，層厚0．50 m ～15．00 m。

④紅粘土(Qel):灰白色，硬塑狀態，中偏低壓縮性，層厚0．80m ～13．50 m。

2．2 水文地質條件

勘察期間測得其穩定水位埋深為地面下0．1 m～2．5 m，穩定水位標高18．06 m～26．59 m。對基坑構成危害的地下水主要是上層滯水。對地表水和地下水的處理方式采取明排處理。

基坑淺部素填土、雜填土滲透性較大，故在基坑外側做截水溝，并接入市政排水系統，防止地面雨水進入基坑。

3 基坑支護方案

3．1 基坑圍護設計

本工程地下部分形狀不規則，呈刀把狀，最寬處120．1 m，最窄處13．5 m，根據基坑開挖深度、地層條件的不同，將基坑劃為幾個支護單元，見圖1。1)列車運用庫(長約300 m、寬約120 m)及相鄰的道岔咽喉區(長約150 m、寬約32 m～120 m)的基坑寬度較寬，面積較大，采用雙排樁支護結構，局部土層為巖層的采用放坡+土釘形式。雙排支護結構具有更大的側向剛度，可以明顯減小基坑的側向變形，支護的深度也相應增加，鉆孔灌注樁具有工藝成熟、自身剛度大、施工速度快、布置靈活、造價低的優點。土釘墻施工簡單，不用橫撐，施工空間大。2)出入段線(長約200 m、寬約15 m)及相鄰的道岔咽喉區(長約350 m、寬約15 m～32 m)的基坑寬度較窄，考慮采用單排灌注樁+二道支撐的支護結構。懸臂式單排護坡樁在粘性土地基的基坑開挖支護工程中應用很普遍，適用于各種地層。3)內支撐:第一道采用混凝土支撐，其他各道采用鋼管撐，支撐水平間距為6 m。

圖1 基坑圍護設計示意圖

3．2 基坑監測方案

升官渡停車場工程基坑保護等級為一級。為了指導施工，確保工程的順利進行和周圍臨時建筑物及基坑的安全，而加強施工監測，實行信息化施工，隨時預報，及時處理，防患于未然。

1)主要監測內容見表1。

表1 基坑主要監測內容

2)施工安全性判別。

根據監測內容，選用圍護結構水平位移及鋼支撐軸力兩項設定預警值，作為圍護結構施工安全判別標準，其安全性判別標準如下:每步開挖圍護樁水平位移允許值為0．14%H(H為基坑開挖深度)，水平位移變化速率應小于3 mm/d;立柱樁隆起或沉降達到15 mm;管線沉降達到15 mm或沉降差達到3‰;既有建筑物相鄰柱基的沉降差達到其間距的2‰;鋼支撐軸力容許值2 800 kN。

當實測值小于0．8×容許值，安全;當實測值大于0．8×容許值，報警(0．8×容許值為臨界值)。

當安全性為危險時，應每天觀測，并召集設計、施工及監測等單位進行會診，對可能出現的各種情況作出估計和決策，并采取有效措施，不斷完善與優化下一步的設計與施工。

所有監測數據必須有完整的紀錄，并定期將監測結果報告給建設、監理和設計單位。

3．3 土方及支撐施工設計方案

1)基坑開挖必須在鉆孔灌注樁及止水帷幕均達到設計強度80%后方可進行。2)基坑開挖按照先淺后深的原則進行開挖;土方開挖的順序、方法必須與設計工況一致，并遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則，開挖第一層土時每一段的開挖長度一般不超過12 m;其他各道支撐開挖時，每小段長度一般不超過6 m，開挖時間和鋼支撐的安裝時間在16 h和8 h。3)設計工況。a．首先進行場地平整及清表工作，隨后進行鉆孔灌注樁及立柱樁與鋼格構柱施工。b．開挖土方至20．5 m標高處;施工基坑周邊截水溝、地面硬化并做好放坡面土釘掛網支護。c．鑿除支護樁及立柱樁樁頂浮漿，施工冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐梁。d．支護結構混凝土設計強度達到80%后，土方分層開挖至15．1 m標高處;鑿除鋼格構周邊混凝土，施工鋼圍檁及第二道鋼支撐梁;及時完成樁間掛網噴射混凝土護面施工。e．土方分層開挖至11．28標高處;鑿除鋼格構周邊混凝土，施工墊層及坑底排水溝;完成樁間掛網噴射混凝土護面施工。f．施工鋼格構穿越底板處防水板、底板;支護樁與底板邊線間采用C20混凝土回填換撐后，拆除第二道鋼支撐。g．主體結構施工，基坑采用粘性土和粉質粘土回填。h．拆除第一道鋼筋混凝土支撐梁，割除主體結構空間內鋼格構柱，主體結構覆土回填。

4 施工方法

4．1 圍護結構施工

4．1．1 鉆孔灌注樁施工

1)鉆孔灌注樁設計參數見表2。

2)施工方法選擇。

根據工程特點，場地內地下水水位低，有利于干作業鉆孔灌注樁施工。成孔工藝采用旋挖鉆成孔施工工法又稱鉆斗施工工法;成樁采用導管法灌注混凝土。采用履帶式樁機，樁機就位之前需對場地進行夯實平整、清理雜物，以免發生不均勻沉降。

工藝流程為:樁位放樣→埋設鋼護筒→鉆機就位→鉆進成孔→清孔→安裝鋼筋籠→設置導管→導管法灌注混凝土→混凝土養護、拆除護筒等。

4．1．2 支撐體系施工

1)工藝流程。

鉆孔灌注樁與立柱樁施工完成→土方開挖至樁頂標高→坡面土釘掛網支護→鑿樁頭至樁頂標高→施工冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐梁→土方開挖至第二道鋼支撐以下1 m→施工鋼圍檁及第二道鋼支撐梁，樁間掛網噴射混凝土護面→土方開挖至基底→樁間掛網噴射混凝土護面→設置基底排水溝。

2)施工要點。

a．樁頂冠梁施工。

圍護樁頂設置1 200 mm×800 mm冠梁，不同標高處冠梁采用1∶3坡率進行過渡。冠梁之間通過混凝土支撐梁(500 mm×600 mm)進行連接。

第一道混凝土支撐和冠梁采用C35混凝土澆筑，混凝土支撐梁施工前，需在支撐梁下鋪設一層彩條布隔層。

b．鋼支撐施工。

支撐由活動端頭、固定端頭和中間節組成。各節由螺栓連接，中間節由多節組合而成，可根據實際情況確定(見圖2)。橫撐用φ609×16 mm焊接鋼管，每榀支撐安裝時，用2臺100 t千斤頂對擋土結構施加預應力，鋼圍檁的接長采用焊接。

表2 鉆孔灌注樁設計參數

4．1．3 土釘墻施工

1)施工內容及技術參數見表3。

表3 土釘墻施工內容及技術參數

2)土釘墻支護立面示意圖見圖3。

圖3 土釘墻支護立面示意圖

3)施工方法。

a．設置排水系統。

施工時應提前沿坡頂挖設排水溝排除地表水，并在第一段開挖噴射混凝土期間可用混凝土做排水溝覆面。

支擋土體按以下排水方式設置排水:泄水孔采用包濾網填礫PVC管，管徑為75 mm，管長400 mm～500 mm，沿管身每約100 mm距離梅花形開設透水孔，孔徑10 mm，外斜10%;泄水孔水平布置間距2 m，垂直布置間距根據邊坡情況設置，每段邊坡垂直設置兩處(見圖4)。

圖4 泄水孔大樣圖

最底層的護坡完成施工后，在基坑底部設置排水溝與集水井進行排水。

b．開挖、修坡。

土釘墻開挖按設計要求分段分層進行，在機械開挖后，應輔以人工修整坡面，坡面平整度的允許偏差為±20 mm。

c．噴射混凝土。

在開挖完成后必須盡快做第一層噴射混凝土，厚度10 mm～15 mm。噴射混凝土應分段進行，同一分段內噴射順序應自下而上，一次噴射厚度為30 mm～40 mm，噴射混凝土上下層及相鄰段的接槎，應做成斜坡搭接，搭接長度一般為噴射厚度的2倍以上。鋼筋網鋪設完畢后，還要進行復噴，復噴的一次厚度為40mm～50mm。

d．設置土釘。

土釘施工包括定位、成孔、設置鋼筋、注漿等工序。

按照施工圖放置土釘定位點。

按設計要求長度加工錨筋，錨筋采用22的螺紋鋼筋，為了保證鋼筋設置居中，在錨筋上每隔2 m～3 m應設一個定位支架，如圖5所示。

圖5 土釘節點圖

在孔口處設置止漿塞及排氣管，并將止漿塞旋緊，使其與孔壁緊密結合，在止漿塞上將注漿管插入注漿口，深入至距孔底250 mm～500 mm處，注漿管連接注漿泵，邊注漿邊向孔口方向拔管，直至注滿為止，再放松止漿塞，將注漿管與止漿塞拔出，然后用粘性土或水泥漿充填孔口。

e．鋪設鋼筋網。

鋼筋網應在噴射一層混凝土后鋪設，鋼筋網片采用φ6@200×200，鋼筋網片的固定采用直徑14 mm，長度為200 mm，間距為2 000 mm的短鋼筋固定。

f．樁間掛網噴射混凝土護面。

支護樁之間樁間土插入直徑為22 mm，長1 000 mm，間距為500 mm×500 mm的錨筋;外掛φ6@200 mm×200 mm鋼筋網片;面層噴射80厚C20混凝土。

4．2 基坑土方開挖

4．2．1 土方量及機械設備投入計劃

1)土方量匯總。

整個地下庫區基坑幾何尺寸不規則，大體上可以分為作業車庫(長450 m、寬120 m)和出入線段(長550 m、寬15 m)兩部分，基坑占地面積約為62 500 m2，總土方開挖量約為97萬m3(從原始地坪計算)。因本工程支護體系以樁頂冠梁作為圍檁，只有基坑東側采用土釘墻噴錨支護(見表4)。

表4 土方開挖情況

2)挖土機械設備投入計劃。

a．第一次挖土總土方量約為33萬m3。本次土方開挖主要為平整場地及場地內表層土方調配，為圍護樁施工提供工作面，在1個半月內全部完成本部分土方挖運。每日計劃挖土量0．75萬m3，按每輛挖掘機每臺班挖土量約為1 000 m3，現場實際每臺挖掘機工作1．5個臺班，需投入挖掘機共5臺，配合土方車30輛(運距按10 km計，場內堆放15萬m3)。

b．第二次挖土總土方量約為40萬m3。本次土方開挖主要完成從冠梁頂到鋼支撐部位。根據2個月內完成土方開挖的總體規劃，本次土方開挖需在40 d內完成，每日計劃挖土量1萬m3，需投入挖掘機8臺，配合土方車40輛(考慮土方場內堆放20萬m3)。c．第三次挖土總土方量約為23．8萬m3。本次土方開挖主要完成從鋼支撐到基底部位。根據2個月內完成土方開挖的總體規劃，本次土方開挖需在20 d內完成，每日計劃挖土量1．2萬m3，需投入挖掘機9臺，配合土方車40輛(考慮到土方場地內堆放12萬m3)。

4．2．2 基坑開挖施工

1)施工順序。

a．采用土釘墻支護的部位:

第一層清表開挖→第一層土釘墻施工→第二層土方開挖→第二層土釘墻施工→第三層土方開挖→…→第六層土方開挖→第六層土釘墻支護→設置排水設施(坑底排水明溝)→人工清除20 cm預留土層。

b．采用樁支撐支護的部位:

第一層清除雜填土→支護樁、貫梁、支撐梁施工→第二層土方開挖、土釘墻、鋼支撐施工→第三層土方開挖、土釘墻支護→設置排水設施(坑底排水明溝)→人工清除20 cm預留土層。

2)開挖方法。

本工程采用大開挖形式根據邊坡高度分層分段完成土方開挖。

第一步進行清表開挖。

第二步進行庫區及出入線段主體土方開挖，采用反鏟挖掘機進行機械挖土，配備自卸汽車將土運出場外。

土釘墻噴錨放坡段開挖按照設計圖要求進行放坡及分層開挖;樁支撐段必須在鉆孔灌注樁及止水帷幕混凝土強度達到設計抗壓強度80%后方可進行開挖，單次開挖深度不宜大于4m，并在開挖完成后及時做好噴射混凝土面層。

第三步進行樁間土及基底開挖，采用反鏟挖掘機同時人工配合機械挖土。

機械開挖挖至設計標高樁頂1 m，改用小斗進行樁間土的開挖。在進行樁間土的開挖時，需對樁位進行確認?？刹捎萌斯ね谕恋姆绞竭M行定位，待定了樁位后再進行機械挖土。

［1］JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］．

［2］GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術規范［S］．

［3］CECS 96∶97，基坑土釘支護技術規程［S］．

［4］楊 昕，張東巖，史志利．大規模多層次復雜基坑的合理開挖支護設計［J］．山西建筑，2013，39(9):69-71．