超大異形深基坑支撐體系施工技術(shù)研究

劉銳，徐奎，吳雙雙 （中鐵四局集團(tuán)城市軌道交通工程分公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

異形基坑的支撐體系通常較為復(fù)雜，周冠南[1]對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線某異形基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了混凝土支撐+魚(yú)腹梁可以有效控制基坑變形，并重復(fù)利用，提高施工效率。劉關(guān)華等[2]論述了圍護(hù)樁+錨索可以避免鋼支撐這類支撐的拆除問(wèn)題，應(yīng)用于異形基坑可以減少工序。張文明[3]通過(guò)有限元計(jì)算了南京青奧軸線非對(duì)稱基坑中上部懸臂、下部?jī)?nèi)支撐結(jié)構(gòu)的變形，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)安全性。張建忠等[4]分析了異形深基坑陽(yáng)角的受力與變形，因此在異形基坑施工中需要注意陽(yáng)角處的加固措施。馬國(guó)強(qiáng)[5]使用層次分析法進(jìn)行了異形基坑支護(hù)體系的比選，結(jié)果表明棧橋島式開(kāi)挖方式與地連墻+內(nèi)支撐適用于深大異形基坑。

梅若非[6]通過(guò)PLAXIS模擬鋼支撐代替混凝土支撐的方案，計(jì)算結(jié)果表明提高鋼支撐剛度可以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形但是同樣會(huì)增大其彎矩值。戢貞建[7]通過(guò)數(shù)值計(jì)算表明基坑支護(hù)樁存在有效樁徑，支撐存在有效截面積，因此工程中應(yīng)合理選擇樁徑與支撐截面。于肖昆[8]通過(guò)數(shù)值模擬分析了環(huán)梁支撐體系拆撐過(guò)程，提出拆撐原則：對(duì)角對(duì)稱拆撐，更需要考慮綜合因素選擇最佳拆撐工藝。梁軍[9]依托工程實(shí)例從技術(shù)管理、進(jìn)度管理和安全管理角度進(jìn)行技術(shù)研究并總結(jié)得到：軟土地區(qū)深大基坑采用圓環(huán)形支撐是合理的。馮超元[10]對(duì)比分析了在狹長(zhǎng)地鐵車站基坑中，全混凝土、全鋼支撐和混合支撐三種支撐體系，得到混凝土支撐與鋼支撐組成的混合支撐體系對(duì)狹長(zhǎng)基坑變形控制效果更佳。

綜上所述，圍護(hù)樁、內(nèi)支撐和錨索錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)能適用于深大基坑，對(duì)于異形深大基坑還需要根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文總結(jié)了條形+圓形+條形組成超大異形深基坑支護(hù)體系施工技術(shù)，在保證基坑施工的安全性的前提下，縮短工程工期，降低造價(jià)。

1 工程概況

船政文化城站位于馬尾區(qū)區(qū)內(nèi)港口路與君竹路交叉口，沿港口路東西向布置。小里程端基坑為雙線盾構(gòu)始發(fā)，大里程基坑為雙線盾構(gòu)接收，中間圓形基坑為車站主體，地下三層島式車站，車站負(fù)一層為市政地道，兩端接市政地道；負(fù)二、三層為地鐵車站，負(fù)三層兩端接盾構(gòu)區(qū)間，如圖1～圖2所示。車站基坑主要采用明挖法施工車站基坑長(zhǎng)202.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3m，基坑擴(kuò)大段寬24.2m，弧形基坑半徑40.8m，三層車站部分開(kāi)挖深度為24.8m，弧形站廳部分開(kāi)挖深度為18.5m。

圖1 船政中心站基坑平面示意圖

圖2 船政中心站基坑剖面示意圖

2 施工技術(shù)特點(diǎn)

①該施工方法可以實(shí)現(xiàn)超大異形深基坑，特別是條形與圓形組合形式的這類基坑的安全開(kāi)挖；

②該施工方法的成功運(yùn)用基于排樁+錨索錨桿+地連墻+內(nèi)撐等混合支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的異形基坑支撐體系；

③該施工方法中使用的地連墻、冠梁（腰梁）、內(nèi)支撐、立柱等組成的支撐體系可以形成開(kāi)闊的挖土空間，方便機(jī)械施工，縮短工期；

④該施工方法中的圓環(huán)形支撐體系整體性較好，且更能發(fā)揮混凝土抗壓性能，有利于控制基坑變形；

⑤該施工方法采用分區(qū)開(kāi)挖分區(qū)支撐方式，并保留核心土，可以充分利用時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行土體暴露后的及時(shí)支護(hù)；

⑥該施工方法采用分層對(duì)稱開(kāi)挖方式，兩側(cè)平衡，進(jìn)一步降低開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程

本工程基坑形狀復(fù)雜，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)分為四種，分別為無(wú)支撐垂直段、吊腳樁段、地連墻段標(biāo)準(zhǔn)段、地連墻環(huán)形段。主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，車站選用圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用吊腳樁、錨索支護(hù)、地下連續(xù)墻、混凝土支撐及鋼支撐等形式，車站小里程端頭井基巖較淺豎向設(shè)置1道混凝土撐+2道鋼支撐+錨索結(jié)構(gòu)，大里程端豎向設(shè)置3道混凝土支撐+2道鋼支撐+1道換撐。圓形站廳處采用深淺坑支護(hù)，為桁架對(duì)撐結(jié)構(gòu)，坑深18.2m，為三道混凝土支撐，負(fù)三層部分設(shè)置兩道鋼支撐+1道鋼換撐。船政文化城站主體結(jié)構(gòu)車站三層部分采用1200厚地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、兩層圓形站廳部分采用800厚地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)幅寬6m，最寬墻體為7.5m，C35水下混凝土澆筑。深度為26.50m、27.50m、28.50m、31.00m、32.00m、34.00m、37.50m、41.00m、43.00m、43.50m、47.50m、48.50、52.00m、52.50m、53.50m、54.00m等。

圖3 主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

車站主體連續(xù)墻共66幅，其中“一”型24幅，“L-Ⅰ”型5幅，“L-Ⅱ”型5幅，“L-Ⅲ”型30幅，“T”型2幅。地連墻主筋采用HRB400直徑為32mm、28mm、25mm螺紋鋼，桁架筋采用HRB400直徑為28mm螺紋鋼，分布筋采用HRB400直徑18mm和HRB400直徑20mm（支撐上下各1m范圍內(nèi)采用@100）螺紋鋼。地下連續(xù)墻槽段間采用工680×350×10（適合于800mm厚地連墻）和工1080×500×14（適合于1200mm厚地連墻）的工字鋼板接頭連接，為保證連續(xù)墻鋼筋籠的整體穩(wěn)定性，在連續(xù)墻外側(cè)面兩側(cè)需設(shè)置X形剪力筋。連續(xù)墻施工前，采用φ650@450深層三軸攪拌樁對(duì)槽壁內(nèi)外進(jìn)行加固，確保其成槽效果。在深基坑開(kāi)挖前，應(yīng)對(duì)地連墻施工過(guò)程中存在塌孔、混凝土超方等有可能存在質(zhì)量隱患的部位，提前在基坑外預(yù)埋注漿管，做注漿預(yù)處理。

3.1 無(wú)支撐垂直段施工

無(wú)支撐垂直段在本工程中占比較少，其主要步驟為：①分層邊開(kāi)挖邊打設(shè)錨桿至基坑底；②主體結(jié)構(gòu)施工；③覆土回填、二次結(jié)構(gòu)施工。詳見(jiàn)圖4～圖6所示。

圖4 無(wú)支撐垂直段施工步驟一

圖5 無(wú)支撐垂直段施工步驟二

圖6 無(wú)支撐垂直段施工步驟三

3.2 吊腳樁段施工

吊腳樁段主要施作于小里程基坑，其主要步驟：①依次開(kāi)挖架設(shè)各道支撐至坑底，施作墊層、防水、底板，及部分立柱側(cè)墻，同步回填主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙；②待底板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第五道支撐，施作負(fù)二層板及部分立柱側(cè)墻，同步回填主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙；③待負(fù)二層板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第四道支撐，施作負(fù)一層板及部分立柱側(cè)墻，同步回填主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙；④待負(fù)二層板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第三道支撐，施作部分立柱側(cè)墻，同步回填主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙；⑤待負(fù)一層側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第二道支撐，施作剩余部分立柱側(cè)墻及頂板，同步回填主體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙；⑥拆除第一道支撐，鋪設(shè)頂板防水層，回搬管線并覆土至原地面，恢復(fù)路面，封閉降水井，施工二次結(jié)構(gòu)。

詳見(jiàn)圖7～圖12所示。

圖7 吊腳樁段施工步驟一

圖8 吊腳樁段施工步驟二

圖9 吊腳樁段施工步驟三

圖10 吊腳樁段施工步驟四

圖11 吊腳樁段施工步驟五

圖12 吊腳樁段施工步驟六

3.3 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工順序

地連墻標(biāo)準(zhǔn)段主要施作于小里程基坑靠近圓形基坑一側(cè)和大里程基坑，其主要步驟為：①依次開(kāi)挖架設(shè)各道支撐至坑底，施作墊層、防水、底板，及部分立柱側(cè)墻；②待底板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第五道支撐，繼續(xù)施作負(fù)三層側(cè)墻及立柱，架設(shè)換撐；③拆除第四道支撐，施作負(fù)二層板及部分立柱側(cè)墻；④待負(fù)二層板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第三道支撐，施作負(fù)一層板及部分立柱側(cè)墻；⑤待負(fù)一層板及側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第二道支撐，施作負(fù)一層部分立柱側(cè)墻及頂板；⑥待頂板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第一道支撐、換撐、格構(gòu)柱，鋪設(shè)頂板防水層，澆筑壓頂梁，回搬管線并覆土至原地面，恢復(fù)路面，封閉降水井，施工二次結(jié)構(gòu)。詳見(jiàn)圖13～圖18所示。

圖13 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟一

圖14 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟二

圖15 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟三

圖16 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟四

圖17 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟五

圖18 地連墻標(biāo)準(zhǔn)段施工步驟六

3.4 地連墻環(huán)形段施工順序

圓形基坑處采用環(huán)形地連墻，其主要步驟：①依次開(kāi)挖架設(shè)各道支撐至圓形站廳坑底，施作墊層、防水、圓形站廳底板、逆作車站部分負(fù)二層板及部分立柱側(cè)墻；②待已澆筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，繼續(xù)開(kāi)挖架設(shè)第四道支撐至車站三層坑底，施作墊層、防水、車站底板及部分立柱側(cè)墻；③拆除第四道撐，繼續(xù)施作車站負(fù)三層剩余側(cè)墻及立柱；④拆除第三道撐，繼續(xù)向上施作車站側(cè)墻、立柱及負(fù)一層板，架設(shè)斜剖換撐；⑤拆除第二道撐，繼續(xù)向上施作車站側(cè)墻、立柱及頂板；⑥待頂板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，拆除第一道支撐、換撐、格構(gòu)柱，鋪設(shè)頂板防水層，澆筑壓頂梁，回搬管線并覆土至原地面，恢復(fù)路面，封閉降水井，施工二次結(jié)構(gòu)。詳見(jiàn)圖19～圖24所示。

圖19 地連墻環(huán)形段施工步驟一

圖20 地連墻環(huán)形段施工步驟二

圖21 地連墻環(huán)形段施工步驟三

圖22 地連墻環(huán)形段施工步驟四

圖23 地連墻環(huán)形段施工步驟五

圖24 地連墻環(huán)形段施工步驟六

4 支撐體系施工技術(shù)

4.1 冠梁及鎖口圈梁施工技術(shù)

地連墻及鉆孔樁頂設(shè)置冠梁，冠梁截面為1.2m×1m混凝土采用C35混凝土澆筑，冠梁施工時(shí)鑿除挖地連墻超灌部分，至設(shè)計(jì)標(biāo)高；船政小里程端頭部位采用錨桿錨索法，施工部位上方采取鎖扣圈梁施工，鎖口圈梁尺寸為2.2×1m/2.2×1.5m。冠梁鋼筋在鋼筋棚內(nèi)制作成半成品，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)綁扎。冠梁及鎖口圈梁采用塑鋼模板拼裝現(xiàn)場(chǎng)澆筑。外龍骨兩道、斜撐選用Ф48鋼管。測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)放樣，模板安裝平、直、順，尺寸準(zhǔn)確，拼縫嚴(yán)密不漏漿。冠梁施工工藝圖如圖25所示。

圖25 冠梁施工工藝圖

4.2 混凝土支撐、擋墻、腰梁及蓋板施工技術(shù)

第一道和第二道內(nèi)撐為混凝土支撐，冠梁上部按照設(shè)計(jì)要求施工擋墻。

①混凝土支撐施工工藝流程開(kāi)挖土方至混凝土支撐底標(biāo)高下5cm處→人工清理找平混凝土支撐→施工混凝土支撐墊層→測(cè)量放樣支撐中線及標(biāo)高→安裝地板革（每側(cè)超寬支撐邊線10cm）→綁扎鋼筋及安裝預(yù)埋件→預(yù)埋防撞墻鋼筋→支立加固模板→澆筑支撐混凝土→待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)，拆除模板→混凝土澆筑完成后12h灑水養(yǎng)護(hù)。

②蓋板施工工藝流程

綁扎蓋板鋼筋及安裝預(yù)埋件→支立加固模板→澆筑蓋板混凝土→待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)，拆除模板→混凝土澆筑完成后12h灑水養(yǎng)護(hù)。

③擋土墻施工工藝

測(cè)量放樣中線及邊線→綁扎鋼筋及安裝預(yù)埋件→支立加固模板→澆筑支撐混凝土→待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)，拆除模板→混凝土澆筑完成后12h灑水養(yǎng)護(hù)。

4.3 蓋板及混凝土支撐拆除技術(shù)

4.3.1 混凝土支撐破除

①頂板土方回填一部分，將頂板覆蓋住，防止破除過(guò)程中的混凝土塊掉落而損壞結(jié)構(gòu)外觀；②將混凝土支撐按照設(shè)計(jì)好的切點(diǎn)進(jìn)行分段；③采用風(fēng)鎬將鋼筋混凝土支撐破除，分段線處鋼筋外面的一圈混凝土剝除；④用氣焊將主筋割斷；⑤吊運(yùn)每段長(zhǎng)度不大于3m；⑥對(duì)頂板回填土散落的混凝土廢渣進(jìn)行清理，并外運(yùn)。

4.3.2 蓋板段混凝土破除

①頂板土方回填一部分，將頂板覆蓋住，防止破除過(guò)程中的混凝土塊掉落而損壞結(jié)構(gòu)外觀；②將混凝土蓋板按照設(shè)計(jì)好的切點(diǎn)進(jìn)行分片；③采用風(fēng)鎬將鋼筋蓋板破除，分段線處鋼筋外面的一圈混凝土剝除；④用氣焊將主筋割斷；⑤將混凝土蓋板分片吊運(yùn)，吊運(yùn)每片長(zhǎng)度不大于2×2m。⑥對(duì)頂板回填土散落的混凝土廢渣進(jìn)行清理，并外運(yùn)。

4.4 鋼支撐拼裝和安裝技術(shù)

小里程第二道采用Φ800，壁厚t＝16鋼管支撐，總共10道，鋼支撐長(zhǎng)19.86+21.4m；大小里程第四道、第五道及換撐支撐采用Φ800，壁厚t＝20鋼管支撐，總共59道，鋼支撐長(zhǎng)19.7m；圓廳層采用Φ800，壁厚t＝20鋼管支撐，總共61道，鋼支撐長(zhǎng)9.9m。標(biāo)準(zhǔn)單根最重鋼支撐為10.15t。端頭井設(shè)置換撐。支撐水平間距不等，均按照設(shè)計(jì)圖紙安裝，局部間距略有調(diào)整。支撐分活動(dòng)端、固定端及中間節(jié)組成。支撐與圍護(hù)樁間通過(guò)預(yù)埋件連接，在基坑開(kāi)挖至鋼支撐底時(shí)，及時(shí)完成鋼支撐安裝。鋼支撐施工工藝流程如圖26所示。

圖26 鋼支撐拆設(shè)流程圖

鋼支撐均采用φ800mm的鋼管。支撐由活絡(luò)端、固定端和中間標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)組成，管節(jié)之間采用法蘭盤高強(qiáng)螺栓連接。

第五六道鋼支撐安裝在地面進(jìn)行拼裝，然后再通過(guò)80t履帶吊進(jìn)行吊裝，吊裝作業(yè)履帶吊站立于基坑兩側(cè)，吊裝半徑約為基坑寬度的一半（約12m），最大吊重為 10.15t，故選用 80t履帶吊作為吊裝設(shè)備。

為防止第六道鋼支撐吊裝過(guò)程中碰撞第五道鋼支撐，需將第六道鋼支撐逐節(jié)吊入基坑，在基坑中拼裝完成后進(jìn)行安裝。吊車的吊裝安全距離為10m。

圓廳層鋼支撐在5/8兩段各有三根φ800mm需要施工，在基坑開(kāi)挖至鋼支撐底下20cm時(shí)，考慮采取地面80t履帶吊吊裝，地下15t叉車及挖機(jī)配合，分為2段（一端置于連系梁，一端叉車抬吊）能完成鋼支撐架設(shè)，施工順序需要從最內(nèi)側(cè)鋼支撐施工完畢后才可施工外側(cè)鋼支撐。鋼支撐安裝就位后，用兩臺(tái)100T液壓千斤頂在鋼管支撐活絡(luò)端分級(jí)預(yù)加軸力，并進(jìn)行鎖定。鋼支撐活絡(luò)端兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，鋼支撐安裝完設(shè)置下托上掛保護(hù)裝置。

4.5 鋼支撐拆除技術(shù)

①鋼支撐拆除順序：主體結(jié)構(gòu)底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第四道支撐；第三道支撐以下部分側(cè)墻及中板混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，拆第三道支撐。鋼支撐采用80t履帶吊配合拆除。

鋼支撐拆除時(shí)分級(jí)釋放軸力，避免瞬間預(yù)加應(yīng)力釋放過(guò)大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部變形、開(kāi)裂。

為防止結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)板混凝土需到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以后才能拆除鋼支撐。

②鋼支撐拆除方法

用80t履帶吊將鋼支撐吊起，在活動(dòng)端設(shè)100T千斤頂，施加軸力至鋼楔塊松動(dòng)取出鋼楔塊，逐級(jí)卸載至取完鋼楔，拆下鋼支撐。

圓廳層蓋板下六根鋼支撐待施工完畢后，采用叉車將鋼支撐依次從外側(cè)進(jìn)行拆除。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

①由于船政文化城站多為淤泥質(zhì)夾砂及粉砂地層，地下水位豐富且水位較高，因此對(duì)基坑內(nèi)的土體進(jìn)行三軸攪拌樁抽條加固。主要加固措施為基底加固、槽壁加固和陽(yáng)角加固。

②地連墻環(huán)形段是以“以折代曲”的折線地連墻，每幅地連墻折角為171.63°/170.85°，在地連墻接縫處可能因?yàn)閵A渣、接縫平整度不夠，導(dǎo)致滲漏水的情況出現(xiàn)，而地連墻部位多為粉砂、淤泥質(zhì)夾砂等地層，因此需要采取多次刷壁、引孔預(yù)埋注漿管及開(kāi)挖期間采用“掏槽檢縫”的方法予以克服或減緩滲漏水情況。

③在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)隨挖隨撐好的鋼支撐及時(shí)（安裝好后1小時(shí)內(nèi)）施加軸向預(yù)應(yīng)力，以減小支撐不及時(shí)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。軸力施加時(shí)按照設(shè)計(jì)給出的預(yù)加軸力分三次逐級(jí)施加。第一次施加到設(shè)計(jì)預(yù)加軸力的30%，觀察鋼支撐的受力情況及螺栓、焊縫等情況，無(wú)變化第二次施加到設(shè)計(jì)預(yù)加軸力的70%，觀察鋼支撐的受力情況及螺栓、焊縫等情況，無(wú)變化第三次施加到設(shè)計(jì)預(yù)加軸力。

④船政文化城站基坑為一個(gè)分期施工、土層、巖層均包含的異形基坑，對(duì)于條形基坑開(kāi)挖原則為“分層、對(duì)稱、留土護(hù)壁、限時(shí)完成開(kāi)挖與支撐”，對(duì)于環(huán)形基坑開(kāi)挖原則為“預(yù)留核心土、先撐后挖、對(duì)稱施工、及時(shí)施作底板”。

6 結(jié)語(yǔ)

福州地鐵船政文化城站基坑工程為條形+圓形+條形組成的超大異形深基坑，為確保此深大基坑的安全開(kāi)挖，控制其基坑變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，根據(jù)每段基坑各自形狀、地質(zhì)等因素設(shè)計(jì)采用樁+錨+墻+撐等多支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的異形基坑支撐體系。超大異形深基坑支撐體系施工技術(shù)成功運(yùn)用，極大地推動(dòng)了基坑施工進(jìn)度，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，采用本工法是切實(shí)可行的，可為今后類似工程提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。