地铁车站主体土方开挖施工技术

地铁车站主体结构深基坑土方开挖施工技术摘 要：成都地铁十号线xx车站主体结构为明开法施工，车站全长183.4m，宽度为20.7m，土方挖方量共为71850m3，围护结构采用钻孔灌注桩+内撑法。为确保基坑土方开挖的高效、安全，需采取科学的土方开挖措施。本文重点介绍了土方开挖的施工流程，强调了监测工作在深基坑土方开挖中的重要意义。关键词：地铁车站 基坑开挖 施工技术1 工程概况1.1 成都地铁十号线xx车站主体土方工程xx车站全长183.4m，宽度为20.7m。车站现状地面标高41.6942.17m，车站结构顶板覆土埋深3.5m左右，结构底板埋深约16.518m，基坑全长185m，西端盾构井处最宽处为39.8m，东端盾构井宽25.5m，深18.07m；标准段宽20.9m，深16.23m。主体土方挖方量共为71850m3。 工程采用明挖法施工，xx车站主体围护结构为钻孔灌注桩壁，随挖土方随架设钢支撑的内支撑形式。灌注桩桩径800mm，桩长22m，间距1.4m。钢支撑为630mm钢管，壁厚12mm。车站主体围护结构见图1。 图1 车站主体围护结构平面图（单位：mm）xx车站由于工期紧张（计划工期为150天），且土方工程是整个车站工程最重要的一步，所以怎样安全、快捷的完成土方开挖工程，成为本车站工程的一个重点。1.2 水文地质情况根据地质资料，xx站地层主要由第四纪粘性土、砂及碎石类土构成。车站范围地下水有潜水、承压水和上层滞水。具体详见表1。表1 xx站工程地质与水文地质条件项目类别详细内容描述工程地质条件根据岩土工程勘察报告，站区内地层自上而下依次为： 人工填土层：粉土填土、杂填土1层，层底标高31.1040.42m。 新近沉积层：粉土、粉质粘土1、粉细砂3层，层底标高28.8234.57m。 第四纪全新世冲洪积层：粉土、粉质粘土1、粘土2、粉细砂3层。层底标高26.4234.65m；粉质粘土、粘土1、粉土2、粉细砂3层。层底标高22.4730.17m。 第四纪晚更新世冲洪积层：圆砾卵石、中粗砂1、粉细砂2，层底标高17.9527.07m；粉质粘土、粘土1、粉土2、细中砂3层，层底标高为9.5821.89m。站体座落在粉质粘土和粉土2层上。xx站工程水文地质纵剖面图：2 主体土方开挖方案的确定对于内支撑式的围护结构的深基坑土方开挖施工一般有如下两种：第一种是中心岛（墩）式挖土：此方法宜用于大型基坑，支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边框架式，中间具有较大空间情况下。此时可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。挖土机可利用栈桥下到基坑挖土，运土的汽车宜可利用栈桥进入基坑运土。这样可以加快挖土和运图的速度。第二种是盆式挖土：是先开挖基坑中间部分的土，周围四边留土坡，土坡最后挖除。这种挖土式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用，有利于减少围护墙的变形。其缺点是大量的土方不能直接外运，需集中提升后装车外运。盆式挖土周边留置的土坡，其宽度、高度和坡度大小均应通过稳定验算确定。如留的过小，对围护墙支撑作用不明显，失去盆式挖土的意义。如坡度太陡边坡不稳定，在挖土过程中可能失稳滑动，不但失去对围护墙的支撑作用，影响施工，而且有损于工程桩的质量。两种方法各有利弊，哪种方法最合适xx车站的土方开挖呢？成都市市市政四公司地铁项目部组织公司技术人员，并邀请市政集团副总工程师关龙同志等有关专家进行了专门论证。专家们根据以上两种方法的优缺点，结合现场水文地质情况，本着确保安全，节约资金的原则，推荐采用盆式挖土的方案，并严格遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。理由有以下几点： 基坑标准宽度为22m，不适合采用中心墩式挖土的方法； 盆式开挖的两侧留土台可对暴露的护壁桩有支撑作用，并可方便进行钢支撑架设工作；xx车站在基坑上方沿基坑方向采用台阶法施工，土方可以做到一次运输。3 土方开挖施工3.1 土方开挖施工工艺xx车站土方开挖施工工艺流程如下：通过计算，确定挖运土机械型号及数量确定分层开挖高度开挖第一层土方根据监测结果架设第一道钢支撑、施加预应力开挖第二层土方根据监测结果架设第二道钢支撑、施加预应力开挖第三层土方根据监测结果架设第三道钢支撑施加预应力人工清槽底。3.2 机械挖方3.2.1 开挖程序的确定3.2.1.1竖向分层按车站的结构形式和总体部署分区，土层的分界线为钢支撑下1m，第一层土方采用1.6m3挖掘机直接挖装；第二层土方采用一台1.6m3挖掘机从基坑西端开挖；第三层土方采用1.6m3挖掘机进行挖掘，第四层土方采用1.2m3挖掘机进行挖掘，即每层需要一台挖掘机进行作业。基底预留300mm人工开挖。基坑开挖过程中随挖随按设计位置架设钢管支撑，开挖顺序为由上而下逐层开挖。开挖方法见图2。图2 车站主体土方开挖示意图车站基坑主体深度基本相同，基坑土方在竖向上共分四层开挖：第一层：竖向高度约为4.35m；第二层：竖向高度约为5.0m；第三层：竖向高度约为5.0m；第四层：竖向高度约为3.72m（端头井）、1.88m（标准段）。其中第二、第三层、第四层土方开挖需分台阶开挖。机械作业台阶宽度67m，台阶坡度1：0.75。竖向土方分层开挖步序如下表。表2 土方分层开挖步序步骤例图说明第一步开挖地面浅基坑(桩顶摘帽)，施作钻孔灌注桩及冠梁。第二步机械开挖基坑步土方，随开挖随架设第一道钢支撑。第三步机械开挖基坑步土方，随开挖随架设第二道钢支撑。第四步人工开挖基坑步土方，随开挖随架设第三道钢支撑。3.2.2.2纵向分段沿车站纵轴线方向，第二、三、四层土方每隔6m同时开挖。3.2.2.3纵向拉槽、横向扩边在每一层每一段的土方施工中，在横断面跨中开中槽，由车站西区端开始沿纵向挖掘；由中槽向两侧开挖面进行开挖作业。纵向拉中槽纵向拉中槽，即在每层开挖工作面始端沿车站纵向拉坡开挖中槽，中槽位于车站主体结构横断面中间。中槽的大小首先要满足挖掘机回转弃土的要求，同时要尽可能多的保留两侧土体，以支撑围护结构，减小对周边环境的扰动，并满足钢支撑施作要求。中槽的宽度为10m左右。 横向扩边拓展为中槽开挖至6m后，向横向扩边拓展，即由中槽向两边跨开挖扩边。开挖方式为：由中槽向两边跨横向挖土，两边跨的土方开挖尽量对称进行，土方开挖至钻孔桩附近时，改为人工挖土，以免机械开挖破坏钻孔桩。基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图见下图。图3 基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图3.3 钢围檩、钢支撑架设3.3.1 钢围檩架设土层开挖至支撑架设设计位置后，安装三角托架，架设钢围檩，钢围檩与钻孔灌注桩之间预留60mm的水平通长空隙，其间用C30细石混凝土添嵌。钢围檩架设方式见图4。图4 钢围檩支撑方式用龙门吊垂直起吊将钢支撑固于钢围檩上，为方便钢支撑就位后的焊接，项目部人员经研究采取了在端部采用钢板焊成托架，使钢支撑放置在钢托架上进行焊接的方法，提高了施工的安全性。见图5：图5 钢围檩托架示意图3.3.2 吊装钢支撑1) 吊装钢管支撑前，按规定备齐检验合格的支撑配件、施加预应力的油镐，并检查托架是否完好。2) 钢支撑采用现场10t天车吊装，根据材料理学理论，吊绳两吊点从钢支撑两端分别内移0.2l，此时可模拟为外伸梁的钢支撑最大弯距仅为ql2/40，是吊装的最佳吊点，故以本工程标准段的22m钢支撑为例，吊点位置选在钢管两端向内4.4m处，具体见图6 钢支撑吊装示意图，吊绳用钢丝绳将钢管栓牢，并用卡环锁牢。图6 钢支撑吊装示意图3) 当使用10t天车时，钢管由顺基坑方向调整至垂直基坑方向时（此时钢身约2/5长度进入基坑）换绳，按正式吊装绑绳、吊装入位。钢管被安放在围檩托架上入位至施加预应力过程中不得松绳，以平衡弯曲矢量，保持钢管处于轴心受力状态。钢管入位按先活动端后固定端顺序，以确保钢管与围檩受力面接触密实。3.3.3 施加预应力钢支撑固定端固定完成后，采用两台80t液压千斤顶在活动端支撑两侧对称逐级预加力，预加力达到设计支撑轴力的50%时，采用钢楔锁定支撑。钢支撑在加工时在千斤顶的最大进程与最小进程间焊接千斤顶支点。图7 钢支撑预施轴力示意图各道支撑设计及预加轴力见下表：表3 各道支撑预施轴力表支撑设计轴力KN预加轴力KN第一道撑300150第二道撑1500700第三道撑1500700钢楔固定钢支撑方式如下：4) 根据钢管的长度误差确定需焊接25mm厚的钢板块数，并将25mm厚的钢板如图焊接在钢围檩上。图8 楔铁安装示意5) 将楔块1焊接在钢板上，用千斤顶对钢管施加预应，观察千斤顶应力表，当预加轴力达到要求时，稳压5分钟，然后将楔块2如图嵌入，边钉入边观察压力表，当压力减小至0时，停止钉入，并将千斤顶卸下。其中要注意千斤顶示值为MPA，施工前需将预加轴力值（KN）换算成（MPa），可参考下图：图9 千斤顶轴力标订图6) 钢支撑端部设10钢筋吊环，通过钢丝绳或钢筋连系在围护桩上，同时用于微调的钢楔采用电焊连接，防止坠落。3.4 护壁桩喷护对于基坑围护桩桩间采取挂钢筋网（6200（双向）喷射混凝土的护壁形式。基坑分步开挖，分步支护，随挖随支。挂网安装在每步开挖后及时进行，格栅定点预制，分片安装。使用膨胀钉将钢丝网片与围护桩固定（膨胀钉纵向间距0.5m）。然后喷射60mm厚C20豆石混凝土。3.5 监测配合xx车站监测项目表4 监测项目序号监测项目方法及工具断面距离监测频率1地表变形观测水准仪30m一个监测断面根据施工进度确定，在开挖卸载急剧阶段，每天三次，其余情况3天/次。当监测结果超过警戒值时加密监测，当有危险事故征兆时连续观测，并及时通知有关单位并立即采取应急措施。2桩体变形及桩顶位移测斜管15m一个监测断面3围护桩结构受力钢筋应力计15m一个监测断面4基坑周围土体受力土压力盒15m一个监测断面5支撑内力轴力计15m一个监测断面6地面建构筑物调查及沉降监测水准仪1.5倍基坑开挖深度范围内的建构筑物警戒值的确定因本工程围护结构钢支撑较多，且间距较小（最大间距3m），故机械开挖土方时，为保证机械作业面，通过监测数据最大程度的提高机械效率，及时架设钢支撑，故在允许位移量的基础上设定警戒值，允许围护结构变形在警戒值范围内。 基坑围护桩测斜，取允许最大位移30mm的70%作为警戒值即21mm。 桩的差异隆沉，基坑开挖中引起的桩柱的隆沉不得超过10mm。 支撑轴力，根据设计计算书确定，一般将警戒值定为80的设计允许最大值。 其他部分：对基坑沉降、裂缝发展等光滑的变化曲线，若曲线上有明显的折点变化，应做出报警处理。4 几点体会4.1 开挖方式与围护结构设计相结合 施工进度与保证措施能否实现大规模、高度机械化的开挖，从而保证少占用工期，是内撑式围护体系能否成立的关键问题。早期的双向钢管支撑确实不利于机械化开挖，因而影响进度。这使得人们产生一种固有的偏见，认为内撑式围护妨碍开挖，影响进度。近年来内撑式围护体系设计有所改进，表现为选型合理的前提就是应该便于施工。在一道内撑内，杆件之间的空间应便于大型机械的施展；而且任两道支撑（包括下撑与坑底之间）之间的空间，应力要求满足型号合适的开挖机械的顺利工作。做到这一点，如果没有其它限制条件，就可以实现在内撑条件下近于百分之百的机械化开挖，从而大大的缩短工期。此外在开挖结束时，如果基坑深度较大，则无法保证挖土机械顺利的自行推出坑外。这时，可以利用已经安装完毕的垂直运输机械（本工程根据地铁工程基坑特点很好的引用了10t天车来解决水平及垂直运输），将挖土机械整体的（小型挖土机）或予以解体后（大型挖土机）吊出基坑。 开挖方式与围护构件的荷载在使用大型机械开挖的条件下挖土的方式与顺序问题。应该慎用挖土机沿基坑边缘一挖到底的开挖方式。因为从物理过程来看，挖土的速度会影响土压力的大小。目前虽然还缺少这方面的实测资料，但已见到过由于沿围护桩边迅速切出一条深沟，第二天围护结构失稳坍毁的实例。可以这样理解土压力变化的机理：在未开挖之前，围护结构两侧的土压力是静止土压力；在开挖之后。桩前的压力消失，桩背土体膨胀，桩身变形，桩背压力下降。这一压力下降是能量释放的过程，在能量释放过程中压力起变化。如果能量释放过程是平缓的，则压力可能逐渐下降。如果释放过程是急剧而短暂的，则压力可能会暂时不变甚至上升，从而导致了围护结构的破坏。所以不宜采用“沿围护结构边切出一道深沟”的开挖方式。而且要开挖面曝露后及时进行支撑。基于同一道理，只要工期许可，应该有计划的分层、分段开挖。分层宜薄不宜厚，分段宜短不宜长。当然，在具体工程中，工期与施工进度安排往往成为第一要素，设计单位应在这方面适当留有余地。4.2 监控测量在土方开挖过程中的重要性本工程对围护结构及支撑结构进行了大量的布点监测，从施工整个过程来看，监测工作取得了重大的效果及作用，对深基坑施工过程进行监测的重要性主要表现在以下几方面：验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工当前我国基坑支护结构设计水平处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，还没有成熟的方法计算基坑周围土体的变形情况。因此，在施工过程中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案或施工过程和方法进行修正。保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全在深基坑开挖与支护工程中，为满足支护结构及被支护土体的稳定性，首先要防止破坏或极限状态发生。破坏或极限状态表现为静力平衡的丧失，或支护结构的构造性破坏。在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。支护结构和被支护土体的过大位移，将引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管道的渗漏，有时会引发一连串灾难性的后果。如有周密的监测控制，无疑有利于采取应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。总结工程经验，为完善设计分析提供依据支护结构的土压力分部受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响，并直接与侧向位移有关，往往是非常复杂的，现行设计分析理论尚未达到成熟的阶段，积累完整准确的基坑与支护监测结果，对于总结工程经验，完善设计分析理论都是十分宝贵的。4.3 深基坑施工过程中需引进动态设计及信息化施工新技术传统的施工是严格按图进行的，除非在出现事故或确知结构处于危险状态时，才允许采取应急措施，改变设计方案。如果说这样的施工过程对上部结构还可以接受的，那么对于深基坑开挖来说就十分不合适了。在目前深基坑支护体系的设计中，不确定的因素太多，结构的安全度难以掌握，要使设计符合实际情况是太难了，至少在目前的技术发展水平上是太难了。设计者只有两种选择，一是设计得比较保守，以确保施工安全；二是冒较大风险，以节省投资。不论做何种选择，应该说对工程得安全与经济都难两全。较好的方法应该是根据施工过程的信息反馈不断修正设计，以指导施工。由以上分析可知，传统设计法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象，进行定值的设计。然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字，在开挖过程中，包括某些土质参数在内的各种参量，诸如侧土压力、结构内力、土体应力及变形等都在变化。而其变化规律目前还未被充分掌握。这就产生了设计结果与实际情的差别，从而引发各种工程事故，或者可能造成浪费。11