合肥某地鐵車站坑中坑開挖支護施工技術

陳海微， 郝笛笛， 應克忠， 方詩圣， 趙 旭

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

地鐵車站作為城市軌道交通的地下樞紐，基坑開挖支護施工常面臨諸多風險，且常要面臨在大坑內進一步開挖小坑，形成坑中坑[1]。由于城市環境具有建筑密集、道路交錯以及地下管線繁多等特點，使得地鐵車站修建風險增加，坑中坑開挖施工更為復雜危險。坑中坑開挖使得臨近施工段圍護結構受力、變形復雜化[2]，表現為圍護結構側移變形和內支撐結構內力增加。要降低坑中坑施工對基坑環境穩定性的不利影響，應結合基坑環境選擇合理的開挖方案、支護方案[3,4]。目前已經有學者對坑中坑的開挖與支護技術進行了研究[5-8]。當前地鐵車站坑中坑開挖方法主要以階梯式開挖為主，需要在基坑內形成多臺階，土方單向挖運，施工作業面對稱性稍差且效率不高。本文以合肥某地鐵車站為依托，提出一種新型坑中坑開挖方案，并結合施工安全與經濟效益優勢論證該方案可行性。

1 工程概況

1.1 基坑圍護

合肥某地鐵車站位于城市交通主干道下，主體結構長216.8 m，標準段寬23 m，深16.50～18.18 m。靠近車站西側66.7 m處存在一處坑中坑，長27.8 m，寬24.8 m，深度 9 m(距地表26.06 m)。車站周邊建筑多為低層樓，建筑分布密度不大。

車站端頭井采用φ1 000@300鉆孔灌注樁，縱向標準段采用φ800@500(坑中坑段為φ1200@500)鉆孔灌注樁，坑中坑段南北向采用φ800@500高壓旋噴樁與止水帷幕，止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2 m，向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2 m，向下至基底以下3 m；若強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面在基底以下3 m范圍內，則止水帷幕向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。

1.2 工程地質與水文地質

結合區域地質資料，根據沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類型、巖性特征，將本勘察單元范圍內的巖土層劃分為5個單元層和若干個亞層。基底位于中等風化砂巖層中，各級風化巖層在天然狀態下物理力學性質較好，但水理性質差，遇水易崩解，造成地基承載力降低。

本車站范圍內無地表水，工程區內基巖均為砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，地下水總體不發育。

表1 地層力學參數表

2 坑中坑開挖施工技術

2.1 基坑開挖

外坑開挖采用傳統階梯后退式開挖方案，由基坑長度方向兩側向中部開挖，沿縱向分為9個開挖段(圖1)。由于換乘節點處坑中坑深度大，且作業面不大，在開挖過程中會破壞基坑周圍原有的平衡狀態，進而影響圍護樁的變形和基底沉降，因此坑中坑采用具有開挖過程對周邊圍護結構變形和基底沉降影響小、施工作業面對稱、支護結構架設及時準確到位等特點的四角環形開挖方案，即開挖區沿豎向分為2層施工，第一層深4.6 m，第二層深4.4 m。坑中坑每層土方分為外環土區與核心土區,土方開挖區域劃分如圖2所示。開挖步驟分3個階段：第一階段開挖第一層外環土，保留第一層核心土(核心土保留以有效減小基底隆起)，由4臺挖機分別從4個角開挖，開挖土方運放至核心土區域，由抓斗機運送至坑外；第二階段開挖第二層外環土與第一層核心土，由5臺挖機同時進行，外環土運放至核心土區并由抓斗機運送至基坑外；第三階段開挖剩余第二層核心土。

圖1 外坑土方開挖段劃分圖

圖2 坑中坑土方開挖區域劃分圖

2.2 坑中坑支護

坑中坑基底距地表深約26 m，支護結構施工必須及時、準確、到位，結合基坑開挖方案，支護結構采用直徑609 mm，壁厚20 mm鋼支撐。坑中坑豎向設置2道支護面，分別位于坑中坑頂面與頂面以下4.6 m處，2層支護面支撐布置相同，4個角部設5道斜撐，中部3道對撐。坑中坑支護結構平面圖如圖3所示，剖面圖如圖4所示。隨第一階段開挖，在4個角設置斜撐；隨第二階段開挖，及時架設第二支護面四角斜撐與第一支護面對撐；隨第三階段開挖，及時架設第二支護面對撐，每道鋼支撐嚴格按設計圖的要求施加 30%～50% 的預應力，保持支撐面水平，控制支撐軸心在一條直線上。

圖3 坑中坑支護結構平面圖

圖4 坑中坑支護結構剖面圖

2.3 施工機械配置

(1)挖掘機械。根據(土方量，工期)基坑環境及開挖、支護方案特點，選擇施工機械配置。外坑采用階梯式后退開挖方案，分5個開挖區，坑中坑開挖分3個開挖區。挖配置反鏟挖機PC300 -6型4臺、PC200SC-6長臂挖機2臺、PC50-6小型反鏟挖掘機4臺。坑中坑采用小型反鏟PC50-6挖機在支撐下駁運、喂土，以適應車站基坑支撐密布下的挖土。

(2)出運土機械配用U45型號抓斗機1臺，將外坑后期開挖基底土方與坑中坑開挖土方運至基坑外，配置東風自卸工程車30臺，將土方運出作業區。基坑外配置25 t噸位汽車吊4臺，基坑開挖完成將基坑內挖機吊回地面。

(3)降排水機械坑中坑基坑底位于風化砂巖中。該場區開挖面土滲透性差，水量小，不計劃井點降水，采用集水井、排水溝結合抽水泵進行明溝式排水。

(4)其他機械施工過程還需使用液壓千斤頂、鋼筋加工機械等，用于鋼支撐調位與預應力施加等施工。

2.4 坑中坑出土方案

換乘節點處尺寸為27 m×23.6 m×9.1 m，支護采用圍護樁+2道鋼支撐(1道倒撐)，兩道鋼支撐間凈距為4 m。3號線土方開挖至標準段坑底位置后開始開挖換乘節點處土方。首先將1～4區域開挖至第一道鋼支撐以下50 cm→架設第一道鋼支撐→將5、6區域降至第二道鋼支撐上50 cm(此時1～4區域同步降至此標高)→將1～4區域開挖至第二道鋼支撐下50 cm→架設第二道鋼支撐→依次類推開挖至基底上30 cm→人工清底。整個出土范圍在5、6區域，采用挖機+汽車吊+吊斗(或抓土機)形式進行出土。

2.5 地下水導排

車站地下水水量不大，不設降水井。為避免地下水及雨季施工對基坑開挖的影響，在開挖期間沿挖孔樁的內側設置臨時集水坑，擬采取間隔10 m布置一個集水坑，集水坑之間設置排水溝，基坑開挖前地下水降至開挖面下0.8 m，確保施工過程基底干燥。

3 實施效果

3.1 施工監測

由于車站基坑深度較大且周邊環境復雜，施工監測工作十分重要[8-10]。沿基坑縱向每隔 15 m埋置測斜管，南、北側各24個(補坑中坑的)(南側編號 ZQT1～ZQT24，北側編號ZQT25～ZQT48)，共48個，監測設計預警值為 20 mm。在圍護結構外緣距基坑邊0.1 m處布設14個沉降監測點，沿縱向每隔20 m設1個測點(北側編號DBC1～DBC12，南側編號DBC13～DBC24)，共計24個。坑中坑段取蓋挖側(南側)布置測點1處(ZQT-35、DBC-35)，全蓋挖段南北兩側對稱布置測點各2處觀察點，如圖7所示。對關鍵節點和深度較大位置鋼支撐進行應力監測。監測頻率選擇1次/(1～3 d)，若出現監測數據異常(如變形、應力急劇增大)或趨近預警值時，增大監測頻率。

圖5 測點布置圖

3.2 坑中坑監測結果

監測結果表明，坑中坑開挖過程基坑南北側圍護樁變形均呈兩端小、中部大趨勢，基坑沿縱向兩側圍護樁變形值基本一致，坑中坑范圍處圍護樁側移峰值較其他位置更大，峰值點深度在10～11 m，坑中坑外圍護樁側移峰值位于深9～10 m。坑中坑開挖前后，各測點樁體側移值均有增大趨勢，坑中坑范圍圍護樁側移值變化最大，而樁體側移變形趨勢及峰值位置基本保持不變。地表沉降值基本不變，鄰近區域圍護結構變形不斷增大，其中累計側移值為：測點ZQT-3為20.7 mm，ZQT-35為21.5 mm，ZQT-36為19.5 mm。坑中坑范圍內圍護樁側移變形未較坑外鄰近圍護樁變形明顯更大，采用四角環形開挖方案，有效減小基坑開挖對鄰近環境的不利影響。

圖6 測點ZQT-3樁體側移曲線

圖7 測點ZQT-35樁體側移曲線

圖8 測點ZQT-36樁體側移曲線

3.3 經濟效益

采用四角環形向內開挖方案需投入小型挖機5臺，吊車1臺，工期0.7個月，共需費用約17.22萬元；采用傳統單向階梯后退式開挖方案需投入挖機大型挖機4臺或小型挖機6臺，吊車1臺，工期0.9個月，共需費用約26.01萬元。經比選，采用四角環形向內開挖方案與單向階梯后退式開挖方案相比能節約費用約8.79萬元，工期減少約0.2個月，采用四角環形向內開挖方案經濟效益更優。

4 結 論

(1)以合肥某地鐵基坑工程為依托，提出一種新型“四角環形開挖技術”，詳細介紹了坑中坑挖土、支護方案及施工器械配置，相比傳統階梯后退式開挖技術，其施工作業部署更為對稱、有序、高效，經濟效益優勢明顯。

(2)工程實踐表明，采用“四角環形開挖技術”，坑中坑范圍內圍護樁側移變形低于25 mm，相比坑外鄰近區域樁變形稍大(約3 mm)，施工對周圍圍護結構干擾小。