城市復雜條件下盾構井開挖施工技術研究*

郭紅斌，李 蒙，范中原，王 超，張曉寶，方中義

(1.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著我國城鎮化的不斷推進，城市建設環境日趨復雜，這對保證城市深基坑施工安全、減少施工對周圍環境的影響提出了更大挑戰[1]。如今，城市地鐵施工項目越來越多，地鐵線路往往位于城市繁華地帶，周邊建筑物較多，沉降、變形控制成為地鐵基坑設計和施工中的重難點問題。針對此類問題，國內學者從數值模擬、監測數據分析等方面做了一系列研究。張尚根等[2]通過對多個深基坑開挖監測數據進行統計分析，提出了估算地表沉降和圍護結構變形的函數模型，具有較高的應用價值。李兵等[3]、張波等[4]通過對深基坑開挖工程進行數值模擬，并與監測數據進行對比分析，得到了影響建筑物沉降的相關因素，論證了開挖方案的合理性，并提出相應防范措施。龍林等[5]、奚家米等[6]對不同基坑開挖過程中的實測數據進行了分析和討論，得到了地表沉降和圍護結構變形的相關規律。李新剛[7]、董敏忠[8]介紹了深基坑開挖過程中不同類型圍護結構施工方案，可為其他類似基坑開挖提供借鑒。

城市復雜條件下的深基坑開挖工程，不僅對基坑圍護結構的側向水平位移控制提出了要求，更需嚴格限制周邊建筑物沉降。本文以廣州地鐵13號線二期棠下—珠村段盾構始發井開挖工程為依托，對施工方案進行研究。

1 工程概況

1.1 概述

本工程為廣州地鐵13號線二期工程棠下—珠村區間盾構始發井，施工豎井中心里程位于右線線路里程ZCK32+183，地處中山大道和車陂路交會口西南角某大型超市停車場。豎井開挖尺寸為 18.5m×14.5m，深37.2m，屬于深基坑開挖工程。采用1m厚地下連續墻+環框梁支護形式，地下連續墻深38.7m，墻體嵌固深度為1.5m。墻身四周設頂部冠梁和4道環框梁，冠梁與環框梁鋼筋網通過墻身預埋鋼筋連接。

豎井南側距某單層鋼結構大型超市38.6m，西側距人行天橋49.7m，北側距中山大道15.3m，車流量大。施工范圍內改遷污水管線1條，距豎井約5.6m需保護電力管線1條。施工過程中需對上述設施加強監測。

1.2 工程地質條件

根據地質勘探揭露，場地內巖土層從上至下依次為①人工填土、②1粉質黏土、②2中粗砂、③粉質黏土、④強風化泥質粉砂巖、⑤中風化泥質砂巖、⑥微風化粉砂巖。

1.3 水文地質條件

該工程地下水系按其儲存方式可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要來源為地表徑流和大氣垂直降水，排泄方式主要為地表蒸發。基巖裂隙水埋藏深度大，具有承壓水特性，主要由第四系砂層越流補給。

2 施工重難點

1)盾構井位于城市市區，周圍建筑物密集，路網管線較多，基坑開挖深度大，施工階段需加強監測，確保周邊安全。

2)施工場地狹小，需對現場進行合理布置，有序安排施工機械進場，提高空間使用效率。

3)該盾構井基坑深度大，對圍護結構側向變形、地表沉降有較高要求。廣州地區地層含水量豐富，施工期間正值雨季，采取合適的降水措施，減少坑底泡水時間成為施工安全重點。

4)盾構井基坑開挖范圍內地質條件復雜，地質種類較多，當施工進行到微風化粉砂巖層時，傳統機械施工效率低，無法滿足施工要求，選用恰當的施工方法并盡可能減少對周邊環境的影響也是本工程需解決的難點之一。

3 關鍵施工技術

3.1 總體施工部署

該盾構井深基坑圍護結構剖面及地層分布狀況如圖1所示。主體圍護結構采用1m厚地下連續墻+5道內支撐，連續墻采用工字鋼接頭。其中，地下連續墻為臨時結構，水下澆筑混凝土，抗滲等級P6，地下連續墻導墻、墊層采用C20混凝土，其余部位均為C35混凝土。施工過程中，圍護結構15m范圍內臨時堆載不得大于20kPa。

圖1 盾構井剖面及對應地層分布關系

本盾構井開挖深度約37.2m，具體施工流程為：測量放樣→地下連續墻施工→基坑降水→表層土方開挖→冠梁施工→第2層土方開挖及環框梁施工→第3層土方開挖及環框梁施工→第4層土方開挖及環框梁施工→第5層土方開挖及環框梁施工→第6層土方開挖→底板施工。

3.2 地下連續墻施工

在地下連續墻主體結構施工前首先利用工程槽段進行一個單元槽段的成槽工藝試驗。本工程選用旋挖鉆、雙輪銑進行成槽。首先進行導墻施工，接著在護壁泥漿的作用下，用旋挖鉆進行鉆孔施工，鉆孔施工后，利用雙輪銑將泥漿混合液引入泥漿分離裝置，分離出砂土和水，分離后的水繼續回流至槽內。泥質粉砂層施工時可適當提高泥漿黏度與密度以防止槽內壁坍塌，本工程砂層施工時泥漿相對密度為1.15。成槽深度達到設計要求后，運用沉淀法清除槽底泥渣，進行鋼筋籠吊裝，吊裝完成后約1h再次進行泥渣厚度檢測，當槽底泥渣厚度小于100mm時，即可進行水下混凝土澆筑。

由于地下連續墻深度較大，鋼筋籠采用分段吊裝，接頭處采用螺紋連接，鋼筋籠中鋼筋交叉點至少50%采用焊接。水下澆筑混凝土，其水灰比不應大于0.5，坍落度宜為18～20cm，且需一次澆筑完成，不留施工縫。為保證墻體混凝土質量，實際澆筑高度應高于墻頂設計標高500mm，避免泥漿雜質對結構強度產生影響。

3.3 盾構井降、排水

根據工程和水文地質條件，本工程采用井點降水法進行盾構井降水，井內側布置井點管，井外不降水。每次降至開挖面下1m后進行盾構井開挖作業，且在盾構井外側設置回流槽，防止井外水位大幅度下降引起地表沉降。

為防止地表水和大氣降水流入盾構井，使井底長時間受水浸泡，在盾構井地面周圍設置引流槽，并在井底采用集水坑排水法進行排水。集水坑設計在井底西南角，低于開挖面0.5m，其邊緣距坑壁≥0.5m， 溝底寬度≥0.3m，縱向坡度≥0.5%。盾構井內積水用水泵排至市政雨(污)水管網中，以保證大雨過后迅速施工。

3.4 場地出渣

3.5 盾構井開挖

3.5.1表層土方開挖及冠梁施工

該盾構井地表層為人工填土，開挖前通過井內井點降水將地下水降至開挖面下1m后，采用反鏟挖掘機加人工配合分層開挖，首層開挖深度2m，45°放坡開挖。開挖完成后對坡面采取φ8@200×200鋼筋網和80mm厚C20混凝土護面，首層機械開挖至冠梁底面上方20cm處，人工開挖至冠梁底。根據設計圖紙鑿除地下連續墻外保護層混凝土，取出預埋接駁鋼筋和吊筋，與冠梁鋼筋網進行連接，冠梁截面尺寸為2 500mm×1 500mm，支護模板、澆筑混凝土完成冠梁施工。

3.5.2第2層土方開挖及第2道環框梁施工

待冠梁強度達到設計強度的80%及完成施工降水后，開始第2層土方開挖。第2層土方開挖及第2道環框梁施工與3.5.1節相同。

3.5.3第3，4層土方開挖及第3，4道環框梁施工

當盾構井開挖至第3層土方時，地質條件發生改變，挖掘機單獨施工不適用于該層土方開挖要求，因此，強風化泥質粉砂巖采用破碎錘破除，中風化泥質粉砂巖采用液壓劈裂。采用“分層臺階開挖”施工，水平方向從兩邊向中間掘進，每層開挖深度控制在2m以內，遵循“先臨空面挖槽后向兩邊擴展”的施工順序。采用挖掘機配合抓斗將土石方垂直運輸至地表渣土池內。當開挖至距第3道環框梁底面20cm處時，采用人工配合風鎬的方式，開挖至該環框梁底面標高位置，后參照3.5.1節進行第3道環框梁施工。后續進行第4層土方開挖及第4道環框梁施工。

3.5.4第5，6層土方開挖及第5道環框梁施工

第5，6層地質條件為微風化粉砂巖，該巖層風化程度低、硬度大、強度高。液壓劈裂法無法滿足施工需要，為了減少破巖過程對周邊環境的影響，提高開挖效率，采用高壓氣體膨脹法施工。

整個施工流程為引孔→埋設膨脹管→灌漿封孔→路線監測→充入空氣→蓋鋼板→起爆。整個爆破過程振動小、噪聲低、無粉塵污染，特別適用于城市地下巖層的破除施工。

本工程采用“縱向分區段、水平分層”的爆破方式，且整個爆破過程應注意對地下連續墻的保護。首先在距地下連續墻四周1m范圍內實施預爆破，使爆破區段與墻體間產生一條水平貫穿裂縫，后用鉆機進行修邊，以減少巖層爆破過程對地下連續墻的沖擊。后用地質鉆機在巖石面垂直方向進行鉆孔作業，每層分3排布設引爆孔，孔深6m，排距、行距各為1m，呈梅花狀布置。鉆孔結束后將各節氣體膨脹管插入引爆孔內，膨脹管直徑為50mm，插入節數根據臨空面高度H和引爆孔深度L確定。膨脹管安裝完成后用早強快硬微膨脹壓漿料進行灌漿填實，約3h后壓漿料完全將引爆孔封堵嚴密，在膨脹管上端外接引氣管，并用導線將各管串聯，做好引線。

待準備工作完成后，用小型空氣壓縮機通過引氣管向各膨脹管內注入壓縮空氣，膨脹管氣體壓強控制在2.5MPa左右，充氣工作結束后立即擰緊進氣閥門。

為了防止巖石飛濺，爆破前用鋼板將爆破面壓實，并將所有人員、機械疏散至150m外安全場地。

爆破完成，巖石面產生貫穿裂縫，巖石疏松，后用破碎錘、挖掘機配合抓斗輸送土石，后續環框梁施工方式與3.5.1節相同。

3.5.5底板施工

采用氣體膨脹法開挖至底板底標高上方20cm時，人工進行破除作業，避免超挖，不允許欠挖。在西南角距地下連續墻2m位置處留設邊長1.5m的立方體集水坑。底板受力鋼筋均與地下連續墻預埋鋼筋相連，混凝土強度等級為C20，較環框梁有所降低，保護層厚30mm。待底板施工完成后，完成盾構井主體結構施工。

4 測點布置與數據分析

4.1 現場監測點布置

為分析該盾構井開挖方案的合理性，需對圍護結構側向位移、周邊地表沉降進行監測，盾構井圍護結構、鄰近人行天橋和既有大型超市現場監測點布置如圖2所示。

圖2 現場監測點布置

4.2 監測數據分析

本工程周邊建(構)筑物地基沉降曲線如圖3所示，由圖3可知，地基沉降隨盾構井開挖深度的增加而增大，其中，人行天橋最大沉降值為4.34mm，既有大型超市最大沉降值為4.24mm，其相對應沉降監測點分別為B3，GJC5，均位于靠近盾構井開挖面一側，且沉降量遠小于設計要求的20mm。

圖3 盾構井周邊建(構)筑物沉降曲線

不同開挖深度下，基坑圍護結構側向位移變化曲線如圖4所示，位移值為正表示向盾構井內部產生側移。由圖4可知，隨著開挖深度的增加，圍護結構頂部位移逐漸增加，最終穩定在6mm左右。圍護結構側向位移在豎直方向上呈現先增大后減小的變化趨勢，最大位移位于盾構井開挖深度一半左右位置，并隨著開挖深度的增加，最大位移位置不斷加深，且最大位移量也不斷增加。至最終施工完成，該盾構井圍護結構最大側向位移出現在地面以下16m深處，位移值為13.01mm，遠小于30mm的監測控制值。盾構井圍護結構側向水平位移較小的原因可能是地下連續墻+多道環框梁組成的圍護結構整體性能好，抗側向剛度大，且該盾構井大部分地層處于強、中、微風化泥質粉砂巖中，地質條件較好。

圖4 圍護結構側向位移變化曲線

5 結語

本文通過對廣州地鐵13號線棠下—珠村段盾構始發井開挖施工技術進行研究，主要得到以下結論。

1)復雜地質條件下，地下連續墻+多道環框梁的結構形式整體性較好，抗側向剛度大，能有效降低周邊土體沉降量和盾構井側向水平位移。

2)施工過程中應加強對盾構井周邊建筑沉降、路網管線、側向水平位移等數據的監測，對單日變化量過大或報警區段及時采取措施，防止事故發生。

3)開挖至硬質巖層時，傳統機械工作效率低，采用氣體膨脹爆破法施工，可顯著提高開挖效率、減少對城市周邊環境的影響。