地鐵基坑開挖及支護施工工法研究

孫更利，楊 昊，竇炳昭，李文波，張 歡

(中交一公局第三工程有限公司 北京市 101102)

0 引言

近年來，隨著我國在建地鐵數量的增多，地鐵基坑開挖項目的數量不斷增加[1]，工程中遇到多種難點，有必要對基坑開挖及支護施工方案進行進一步的研究。

在基坑支護及土方工程技術方面，王軍等[1]對上海深基坑工程設計與施工的問題進行了梳理分析，并給出了建議的對策方案。丁輝[2]以杭州經濟開發區某高層建筑工程為背景，制定了切實可行的基坑支護及土方工程專項施工方案，方案中采用較先進的工藝裝囊式錨桿施工。魏奇斌[3]對建筑工程施工中深基坑支護的施工技術措施進行了研究。在深基坑支護方案比選上，李卓[4]對常見的支護方式進行了梳理，同時介紹了運用理正軟件和PLAXIS軟件分析樁錨支護及土釘墻支護的使用方法。孫建波[5]通過利用基坑開挖的時空效應原理，結合基坑本身的平立面形狀、深度和邊界面的特點，比選出最優方案中的主要施工參數。在隧道施工工法方面，王健[6]使用三維數值模擬對比分析了三臺階七步法與CD法對鐵路隧道開挖帶來的結構受力的影響。此外，地鐵基坑在施工過程中也要盡量做到環境友好，降低對周邊建筑物的影響。在深基坑施工對周邊環境影響上，潘星羽[7]通過實測和預測數據的對比，分析了長沙地鐵2號線一超深基坑開挖對周邊環境的影響，完善了設計、監測和施工方案。

依托哈爾濱市軌道交通3號線二期工程安通街車輛基地工程，制定了切實可行的基坑開挖及支護工程施工方案，并對放坡開挖、支護開挖及暗挖區臺階法的施工工藝進行了詳細的介紹，可為類似工程施工與設計提供參考。

1 工程背景

1.1 工程簡介

哈爾濱市軌道交通3號線二期工程安通街車輛基地土方開挖及支護工程，包括試車線和聯絡線兩部分。

試車線位于車輛基地內北側，起于車輛基地西段紅星路東側，向東止于三環路西側；起終點里程為SSK0+000.000～SSK1+235.000，全長1235m。聯絡線位于車輛基地內中部，起于車輛基地西南側，向東北止于試車線里程SSK1+028.503；起始里程為LSK0+000.000，終點里程為LSK0+702.467，全長702.467m。車輛基地試車線及聯絡線分區圖如圖1。

圖1 車輛基地試車線及聯絡線分區圖

1.2 工程地質條件

哈爾濱處在松嫩平原的東南緣，地處松花江中游。試車線位于哈爾濱市香坊區紅星路與紅黎街交口東側空曠地塊兒內，所處地貌單元為崗阜狀平原。本場地地面高程介與163.96～164.54m之間，場地地形較為平坦。

根據鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，本工點地層主要為第四系上更新統哈爾濱組沖洪積層。下部基巖為白堊紀泥巖、粉砂巖。第四系中更新統上荒山組湖積層、第四系中更新統下荒山組沖積層[8]。本標段線位位于崗阜狀平原地貌中，根據地下水賦存條件，地下水類型主要有第四系孔隙承壓轉無壓水和上層滯水。

1.3 主要風險源及預防措施

工程自身風險，基坑為自身風險源。對于里程SSK0+000.000～SSK0+095.000放坡開挖的區段，基坑深度8.1～10.5m，基坑開挖寬度約為15～36m, 坡面掛Φ8@200×200鋼筋網，噴射C20混凝土100mm厚，并設置人工打入式土釘Φ16鋼筋。對于里程SSK0+095.000～SSK1+235.000明挖法施工的區段，基坑深度10.5～18.6m，基坑開挖寬度約為6.7～14.9m，采用Φ800mm@1400mm鉆孔灌注樁+三道鋼支撐。對于里程LSK0+402.000～LSK0+642.645暗挖法施工的區段，施工過程中作好超前注漿，嚴格控制開挖進尺，初支及時封閉，加強監控量測。

環境風險。基坑與工業廠房最小距離1.4m(施工前拆除)，基坑與居民住宅最小距離9.0m。為防范風險，應加強施工量測，做好施工預案，必要時進行注漿加固、增設隔離樁等，保證周邊建(構)筑物、高鐵的安全和穩定。

2 施工總體部署

2.1 施工方案比選

隧道的常用施工方法分為臺階法、盾構法、明挖法等[9]，表1從施工工藝、速度、質量等多種角度對三種方法進行了方案比選。根據線路平面布置、埋深、工程地質、水文地質條件及線路所經地區的環境條件，區間隧道的施工方法選擇明挖法和臺階法。試車線及聯絡線處于車輛基地北側，場地較開闊，周邊無建筑物影響，并且施工作業環境為無水作業，結合成本、施工工藝簡便快捷考慮，試車線及聯絡線大部分采用明挖法施工。其中結構Ⅵ區因車輛基地建設方案及咽喉區施工影響不能進行圍護樁施工，施工段落較短，故采用臺階法施工。

表1 施工方案比較

2.2 土方開挖施工部署

為了提高基坑開挖效率，明挖段及暗挖段分為五個工點進行土方開挖，施工分區及施工方向如圖2所示。總體施工工序流程為：

圖2 開挖及支護施工順序

(1)場地清理及管線調查。

(2)現場場地布置。

(3)試車線及聯絡線各區圍護樁(或土釘墻)及冠梁、擋土墻施工。

(4)各區土方分層分段開挖及支護。

(5)各區主體結構施工。

施工順序為：待圍護結構及冠梁施工完成后，工點1、工點2及工點3、工點4分別開挖，待工點2、工點4與暗挖段接口處完成開挖后，即可組織進行工點5開挖。

3 施工工藝技術

基坑開挖在圍護結構施工完成后進行，宜分層分段均勻對稱進行，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”五個要點，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則[10]。每個施工工點分別配備一臺PC360-7履帶式挖掘機和一臺PC220-8履帶式液壓挖掘機，利用PC360挖掘機縱向放坡開挖，PC220挖掘機修整反壓土邊坡。

3.1 放坡開挖施工工藝

支護開挖主要采用土釘墻及放坡開挖施工工藝進行施工，此區域為試車線結構分區Ⅰ區、Ⅱ區，土方開挖施工的工點1、工點2。放坡開挖施工流程如圖3。

圖3 放坡開挖施工流程圖

具體施工工藝如下：

(1)土釘支護應按設計開挖順序分批施工，同時坡面開挖應嚴格控制斜率，隨開挖隨噴混凝土支護，經監理工程師檢驗后鋪設鋼筋網，噴射混凝土。下一土層開挖，應在上一土層的土釘支護與噴射混凝土之后進行[11]。

(2)機械進行土方作業時，嚴禁邊壁出現超挖或造成邊壁土體松動。基坑的邊壁宜采用小型機具或鏟進行切削清坡，以保證邊坡達到設計坡度并保持相對平整。

(3)基坑開挖時應分層、分段對稱平衡開挖，基坑四周需預留三角土護坡，每層挖土厚度不宜超過2m，施工至基坑底部0.3m時應采用人工開挖、找平，然后及時封閉坑底，基坑底應平整壓實，其允許偏差為：高程(+10mm，-20mm)；平整度20mm，并在1m范圍內不得多于1處。

(4)在基坑開挖施工時，應控制基坑地面堆載不超過20kPa，并且周邊2m范圍內禁止堆載，3m以內盡量減少堆放雜物，坑邊嚴禁重型車輛通行。

3.2 支護開挖施工工藝

支護開挖區域包含試車線及聯絡線結構分區的Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區、Ⅴ區和Ⅶ區，同時為土方開挖施工的工點1、工點2、工點3、工點4。

此區域支護結構為鉆孔灌注樁+樁間掛網噴混凝土+內支撐，圍護樁采用Φ800mm/Φ600mm間距1400mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。鋼支撐支護施工流程如圖4。

圖4 鋼支撐施工流程圖

施工要點如下：

(1)第一道鋼支撐安裝在冠梁上，第二、三道鋼支撐安裝在樁間噴混面上，通過鋼圍檁傳力至樁身。第一道鋼支撐與第二道鋼支撐(中心)間距5.5m。鋼支撐支護施工如圖5。

(2)冠梁施工時根據施工圖紙提前預埋鋼筋及直撐、斜撐鋼板。當土方開挖至第一道鋼支撐下0.5m(約冠梁底標高下0.4m處)時，采用長285mm的膨脹螺栓打入冠梁內，將角鋼與冠梁結成一體，形成鋼支撐托架并設拉筋。托架施工完畢后安裝鋼支撐。其中斜撐在托架上安放支座。支座與墻間的空隙用混凝土填充密實。

(3)鋼圍檁的施工。鋼圍檁之間采用鋼板幫焊連接，要求鋼板必須全部覆蓋兩個鋼圍檁，并且鋼板與鋼圍檁之間采用滿焊，焊縫高度不小于8mm。由于樁間噴混的不平整性，導致鋼圍檁背后空隙，需要填充C30混凝土。

(4)預應力施加。預加力按設計軸力的30%～40%分級施加，每級軸力施加，及軸力達到設計值時，均應保持施加的預應力穩定10min左右后，方可進行下一級軸力的施加，或者進行鎖定。下道支撐施加預應力后，需對其所有上部支撐復加預應力，在首次施加預應力后12h內，需進行預應力軸力監控及墻體位移測量，并對預應力進行補加。

(5)鋼支撐的拆除。試車線主體結構底板強度應達到設計要求的80%后，方可拆除第三道鋼支撐。拆除鋼支撐時應逐級釋放，避免結構受力不均導致變形、開裂。鋼支撐支護見圖5。

圖5 鋼支撐支護

3.3 臺階法施工工藝

結構Ⅵ區為暗挖臺階法施工區間，結構型式為單洞單線馬蹄形斷面。結構參數設計采用工程類別和理論計算相結合的方法確定。施工中循環進尺長度標準段長0.75m。施工流程如圖6。

圖6 臺階法施工流程圖

施工要點[12]如下：

(1)首先在隧道拱部范圍進行小導管注漿，示意圖如圖7。小導管可用Φ42×3.25鋼管，長度在3m左右，環向間距0.3m。注漿采用純水泥漿，縱向間距1.5m。

圖7 小導管注漿工藝示意圖

(2)完成小導管的壓漿加固后，將隧道基坑劃分為上、下兩個臺階，以拱腳分界，先對上部臺階進行施工作業，預留核心土，核心土預留長度2～3m，每完成一個循環的開挖，立即架立拱部格柵鋼架、噴混凝土至設計厚度。

(3)下臺階的開挖緊跟上臺階，即距離6m左右的超短臺階，下部臺階開挖進尺同格柵間距，每開挖下部一循環后立即安裝設置下部格柵，并與拱部鋼架連接牢固，噴射混凝土至設計厚度后，及早封閉混凝土初支結構。

4 結語

以哈爾濱市軌道交通3號線二期工程安通街車輛基地開挖及支護工程為背景，進行了施工方案比選、施工部署策劃、施工工藝研究，得到以下結論：

(1)從施工工藝、速度、質量等多種角度對三種隧道開挖方法進行了方案比選，區間大部分采用明挖法施工，分為放開開挖和支護開挖兩種。其中結構Ⅵ區因不能進行圍護樁施工，施工段落較短，故采用臺階法施工。

(2)基坑開挖在圍護結構施工完成后進行，宜分層分段均勻對稱進行，明挖段及暗挖段分為多個工點進行土方開挖可以提高基坑開挖效率。

(3)介紹了放坡開挖、支護開挖及暗挖區臺階法的施工工藝。隨著基坑開挖深度的增加，需要做好支護工程，同時加強監測，防范基坑造成的自身風險，以及施工帶來相鄰建筑物的環境風險。