粉細砂地層地鐵車站附屬二次基坑開挖支護工藝研究

任巍杰

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原 030032）

1 引言

隨著城市建設的不斷發展，越來越多的城市開始修建地鐵。基坑工程的施工是地鐵建設的重要部分[1]；對此，大部分車站采用明挖法施工。除車站深基坑外，其他各類設施的建設也涉及到基坑開挖施工。在地鐵車站附屬結構施工中通常會設計在開挖水平以下繼續開挖二次基坑施作廢水池、集水坑或泵房等結構[3]。而在粉細砂地層中施工二次基坑不僅場地受限，且開挖容易引起涌水涌沙，可能造成基坑坍塌，風險較大[4]。

目前基坑開挖支護工藝已相當成熟[2]，常見的基坑支護工藝包括排樁、地下連續墻、水泥擋土墻、土釘墻、逆作拱墻、原狀土放坡、樁/墻加支撐系統、簡單水平支撐、鋼筋混凝土排樁或采用2 種以上方式的合理組合等[5-6]。受工作面及施工成本等因素的影響，以上方法均不適用于附屬結構二次基坑支護。根據以往施工案例，有些施工單位會采用二次基坑周邊承插鋼管或小型型鋼進行支護，但效果并不理想[7]。本課題的研究目標是制定并實施一種適用于粉細砂地層地鐵附屬結構狹窄場地的基坑支護工藝技術，要求其施工簡單，效果明顯，工期短，成本低。另外，還需探索相關措施，以減少基底涌水涌沙對基坑開挖及后續施工的影響，改善作業環境[8]。

2 工程概況

太原地鐵2 號線206 標包含2 站2 區間；其車站均采用明挖法施工，2 站共設14 個出入口及4 組風亭，附屬結構內均設計有集水坑、廢水池等結構；因此，附屬基坑開挖后需繼續開挖二次基坑，即“坑中坑”。依據地質勘察報告，擬開挖二次基坑深度范圍內主要為2-4粉細砂層及2-5 中砂層，為太原市主要淺層孔隙含水層，滲透系數為5～20 m/d，富水性中等，地層十分軟弱。前期主體結構土方開挖施工中涌水涌沙現象嚴重，開挖基坑周邊易發生坍塌，開挖困難，嚴重影響工期及施工質量；因此，需要研究一種適用于粉細砂含水地層的地鐵附屬二次基坑開挖支護工藝。

3 工藝方案比選

根據以往基坑開挖施工經驗，通過對二次基坑開挖支護工藝進行探討，針對粉細砂地層的特點，提出3 種基坑支護開挖實施方案。根據附屬結構圖紙，以集水坑為例，基坑長寬方向一般為3～4 m，深度一般為2.5～3 m，開挖深度距地面13～16 m。本次方案比選中設定基坑為邊長為3 m 的正方形基坑，一側靠邊墻，開挖深度為2.5 m；表1 為二次基坑開挖支護工藝對比情況表。

表1 二次基坑開挖支護工藝對比情況表

綜合比較3 種方案在施工工期、開挖成本、環保節能等方面的特點，選取采用預制沉箱法分層開挖二次基坑。

4 施工工藝研究

4.1 工藝原理分析

在基坑開挖前，利用鋼板等材料制作沉箱體結構。在二次結構設計位置安放沉箱；在沉箱的支護作用下逐層開挖土方，直至設計位置。在沉箱內部基底中心位置設置集水坑，將基底涌水導流至集水坑，采用潛水泵抽排至外部沉淀池。二次基坑開挖至預定位置后，在中心向下開挖并設置降水井，放置潛水泵持續抽排積水。利用磚石等材料在開挖到位的基底表面設置涌水導流通道，在上面鋪設模板封閉基底，之后進行墊層、防水層及結構施工。

4.2 沉箱法工藝流程

采用沉箱法施工的工藝流程如下所示。

預制沉箱結構→基坑測量放線→吊放沉箱至指定位置→中心設置集水池、積水抽排→分層開挖、沉箱下沉→開挖至基底→沉箱加固→設置降水井→尋找涌水涌沙點、設置導流通道→安放止水鋼套筒→封閉基底→施作墊層→施作防水層→鋼筋安裝、結構澆筑→封堵降水井。

4.3 預制沉箱結構

依據集水池結構尺寸制作沉箱，沉箱包括鋼板壁、對撐、斜撐、槽鋼肋板、角鋼肋板、錘擊帽等結構。圖 1 為沉箱結構示意圖。

圖1 沉箱平面結構示意圖

4.4 沉箱法施工操作要點

4.4.1 基坑測量放線、沉箱安放

在初始開挖面標定出二次基坑邊界位置；沉箱的安放位置與基坑的外邊緣線對應。二次基坑周邊區域及時澆筑墊層并預埋土釘，保證后期沉箱體加固使用。將沉箱吊放至預定位置并調整沉箱角度，保證沉箱側壁與開挖面垂直；沉箱吊放就位后于外側壁涂刷油脂潤滑劑。

4.4.2 中心設置集水坑、積水抽排

在沉箱內開挖面中心位置處向下開挖集水坑，由四周開挖導流溝，將基坑內涌水匯集到集水坑內；坑內架設潛水泵連續抽排積水；集水坑應隨開挖面的分層開挖而向下開挖。

4.4.3 分層開挖、沉箱下沉

挖機配合人工進行分層開挖作業，由中心向四周開挖，先開挖中心集水坑位置，后向四周對稱擴展開挖，最后開挖沉箱刃腳位置的土方。一層土方開挖完成后，采用小型挖機或大錘對稱敲擊錘擊帽，使沉箱緩慢下沉，下沉到分層開挖的位置后，開挖下層土方，實現循環進尺。分層開挖厚度控制在15～20 cm，開挖出的渣土裝入吊斗內，由吊車吊出。沉箱下降至設計標高時停止開挖，應保證沉箱下部的對撐和斜撐上表面位于澆筑墊層表面以下15 cm，沉箱頂部與周邊墊層表面齊平。圖2 為沉箱法開挖縱剖面示意圖。

圖2 沉箱法開挖縱剖面示意圖

4.4.4 沉箱加固

沉箱到達設計位置后，加固沉箱體，將鋼絲繩一端用彎頭焊接在錘擊帽上，另一端連接在土釘上，并使其保持拉緊受力。鋼絲繩拉緊后，切割掉沉箱上側的對撐和斜撐。圖3 為沉箱體加固平面示意圖。

圖3 沉箱體加固平面示意圖

4.4.5 設置降水井、導流通道

在中心集水坑位置向下開挖并設置降水井進行連續抽排；降水井采用無砂漏管安裝，周邊按粒徑大小由內而外回填碎石。在基底尋找涌水涌砂點，用磚石等材料砌筑多條引流通道，方向均以降水井為中心向四周發散布設，將涌水涌砂點留于引流通道內，從而將水匯集到中部降水井后統一完成抽排。在降水井外側安裝止水鋼套管，鋼套筒的上邊緣高出集水池底板頂面標高10 cm以上。在引流通道頂部鋪設模板，模板頂部滿鋪塑料布，封閉基底。圖4 為基底處理積水抽排剖面示意圖。

圖4 基底處理積水抽排剖面示意圖

4.4.6 施作后續結構

基地封閉后，盡快澆筑C20 混凝土墊層；墊層達到一定強度后鋪設防水卷材層，止水鋼套管位置施做加強防水層。防水層施工完成后，施工廢水池鋼筋混凝土結構。結構強度及抗滲性能滿足設計要求后，封閉降水井。

4.5 沉箱法施工注意事項

（1）沉箱鋼板壁內側的凈空尺寸應大于基坑開挖面各邊尺寸10 cm 以上，以留出槽鋼肋板及防水層的空間。鋼板壁采用的鋼板厚度在2 cm 以上，對撐和斜撐分為上下2 層。

（2）沉箱下沉過程中，測量人員應實時監測沉箱位置及傾角，發現偏移后及時進行糾偏，防止開挖方向過于偏移設計位置。每次循環進尺應實時觀察沉箱的上邊緣水平面各處標高，以保證沉箱四邊的下沉高度相同。開挖過程中，沉箱的外側壁與原狀土間出現空隙時應及時填入水泥土進行封閉；開挖面的四周還應設置土壟，用以防止外部水流入。

（3）沉箱法施工應嚴格做到分層開挖，開挖順序由中心向四周；沉箱沉降到位后，方可進行下一層土方開挖施工；每層開挖深度保持在20 cm 左右，嚴禁超挖；開挖沉箱刃腳處土方時，應將渣石清理干凈，保證沉箱順利下沉。

5 施工效果分析

5.1 時間效益

在太原地鐵2 號線2 座車站使用沉箱法施工，支護開挖一個集水池或廢水池結構只需耗時36 h。根據以往施工經驗，平均每個附屬結構節約時間約72 h，整體完成工期節點提前1 個月，保證太原地鐵2 號線全線通車的目標按時實現。

5.2 經濟效益

采用沉箱法施工地鐵附屬結構二次基坑，出入口二次基坑節約支護成本1.5 萬元，節約人工成本0.5 萬元，節約機械成本0.5 萬元，減少返工成本1.7 萬元，減少其他材料費用0.3 萬元；風亭二次基坑開挖平均單個節約支護成本1.7 萬元，節約人工成本0.6 萬元，節約機械成本0.7 萬元，減少返工成本2.0 萬元，減少其他材料費用0.5 萬元；平均單個附屬結構減少基底處理費用1.7 萬元。2 座車站共節約115.6 萬元（（1.5+0.5+0.5+1.7+0.3）×14+（1.7+0.6+0.7+2.0+0.5）×4+1.7×18），經濟效益顯著。

5.3 環保節能效益

采用沉箱法技術后減少額外土方開挖及回填工程量，降低側壁涌水涌砂、發生坍塌的風險，減少作業面的積水，保障開挖面的環境質量的同時節約水泥等施工材料，提高工時效率，有較強的環保節能意義。

5.4 社會效益

沉箱法可以有效減少粉細砂地層對基坑開挖的影響；新工藝安全性高、可靠性好、可操作性強，各附屬結構二次基坑開挖質量較高，無一發生基坑坍塌現象，且控水能力較強，突出綠色施工概念，推進城市地鐵施工的標準化發展，取得顯著的社會效益，值得在相似地質條件的城市地鐵及市政工程中推廣。

6 結構變形監測

6.1 沉箱體變形監測

在沉箱體鋼板壁頂端對稱選取4 組監測點，監測沉箱體向內側的收斂變形。從沉箱體下沉開始至到達設計位置，4 組收斂變形最大數值分別為-8 mm、-7 mm、-5 mm、-7 mm；沉箱體結構穩定，沒有侵占結構尺寸。另外，在鋼板壁內側選取2 組垂直監測點，施工過程中每開挖一層進行一次檢測，垂直度均處于可控范圍內。

6.2 大基坑圍護樁變形監測

在附屬基坑臨近集水池位置處圍護樁上及周邊地面設立監測點，定期監測大基坑變形情況及地面沉降情況。監測數據顯示圍護樁無發生較大變形的特殊情況出現，收斂變形正常；地面監測點無明顯沉降發生，總沉降量在合理范圍內。

7 結論

本課題的研究通過對比，優選出適合粉細砂地層地鐵車站附屬二次基坑的開挖支護工藝沉箱法施工，并采取設置導流通道的措施降低基底涌水涌沙對基坑開挖的影響，總結出一整套施工作業指導書及相應工法。本工藝涉及的沉箱體結構設計合理，結構堅固，而且制作成本低，工藝性強，安全性能高，操作簡單。本工藝尤其適用于場地比較狹窄的工作面，使得二次基坑開挖在沉箱體的保護下進行，降低特殊潛壓水地層對開挖作業面的影響，在保證支護結構穩定的前提下提高開挖效率，而且防水效果良好，大幅改善作業環境，提高工程施工質量。

對沉箱法施工進行效益分析，發現它不僅大幅縮短施工時間，而且施工成本較之傳統方法明顯降低，環保節能及社會效益明顯。對沉箱體及大基坑的變形監測證明沉箱法施工結構穩定，安全性能高。沉箱法施工經濟合理，操作安全，工藝性強，效果顯著，具有較強的推廣價值。