地鐵基坑開挖及支護(hù)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(shù)量的增多，地鐵基坑開挖項(xiàng)目的數(shù)量不斷增加[1]，工程中遇到多種難點(diǎn)，有必要對(duì)基坑開挖及支護(hù)施工方案進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

在基坑支護(hù)及土方工程技術(shù)方面，王軍等[1]對(duì)上海深基坑工程設(shè)計(jì)與施工的問題進(jìn)行了梳理分析，并給出了建議的對(duì)策方案。丁輝[2]以杭州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)某高層建筑工程為背景，制定了切實(shí)可行的基坑支護(hù)及土方工程專項(xiàng)施工方案，方案中采用較先進(jìn)的工藝裝囊式錨桿施工。魏奇斌[3]對(duì)建筑工程施工中深基坑支護(hù)的施工技術(shù)措施進(jìn)行了研究。在深基坑支護(hù)方案比選上，李卓[4]對(duì)常見的支護(hù)方式進(jìn)行了梳理，同時(shí)介紹了運(yùn)用理正軟件和PLAXIS軟件分析樁錨支護(hù)及土釘墻支護(hù)的使用方法。孫建波[5]通過利用基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)原理，結(jié)合基坑本身的平立面形狀、深度和邊界面的特點(diǎn)，比選出最優(yōu)方案中的主要施工參數(shù)。在隧道施工工法方面，王健[6]使用三維數(shù)值模擬對(duì)比分析了三臺(tái)階七步法與CD法對(duì)鐵路隧道開挖帶來的結(jié)構(gòu)受力的影響。此外，地鐵基坑在施工過程中也要盡量做到環(huán)境友好，降低對(duì)周邊建筑物的影響。在深基坑施工對(duì)周邊環(huán)境影響上，潘星羽[7]通過實(shí)測和預(yù)測數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析了長沙地鐵2號(hào)線一超深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，完善了設(shè)計(jì)、監(jiān)測和施工方案。

依托哈爾濱市軌道交通3號(hào)線二期工程安通街車輛基地工程，制定了切實(shí)可行的基坑開挖及支護(hù)工程施工方案，并對(duì)放坡開挖、支護(hù)開挖及暗挖區(qū)臺(tái)階法的施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，可為類似工程施工與設(shè)計(jì)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(hào)線二期工程安通街車輛基地土方開挖及支護(hù)工程，包括試車線和聯(lián)絡(luò)線兩部分。

試車線位于車輛基地內(nèi)北側(cè)，起于車輛基地西段紅星路東側(cè)，向東止于三環(huán)路西側(cè)；起終點(diǎn)里程為SSK0+000.000～SSK1+235.000，全長1235m。聯(lián)絡(luò)線位于車輛基地內(nèi)中部，起于車輛基地西南側(cè)，向東北止于試車線里程SSK1+028.503；起始里程為LSK0+000.000，終點(diǎn)里程為LSK0+702.467，全長702.467m。車輛基地試車線及聯(lián)絡(luò)線分區(qū)圖如圖1。

圖1 車輛基地試車線及聯(lián)絡(luò)線分區(qū)圖

1.2 工程地質(zhì)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(qū)紅星路與紅黎街交口東側(cè)空曠地塊兒內(nèi)，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(jù)鉆探揭示及對(duì)地層成因、年代的分析，本工點(diǎn)地層主要為第四系上更新統(tǒng)哈爾濱組沖洪積層。下部基巖為白堊紀(jì)泥巖、粉砂巖。第四系中更新統(tǒng)上荒山組湖積層、第四系中更新統(tǒng)下荒山組沖積層[8]。本標(biāo)段線位位于崗阜狀平原地貌中，根據(jù)地下水賦存條件，地下水類型主要有第四系孔隙承壓轉(zhuǎn)無壓水和上層滯水。

1.3 主要風(fēng)險(xiǎn)源及預(yù)防措施

工程自身風(fēng)險(xiǎn)，基坑為自身風(fēng)險(xiǎn)源。對(duì)于里程SSK0+000.000～SSK0+095.000放坡開挖的區(qū)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(wǎng)，噴射C20混凝土100mm厚，并設(shè)置人工打入式土釘Φ16鋼筋。對(duì)于里程SSK0+095.000～SSK1+235.000明挖法施工的區(qū)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(duì)于里程LSK0+402.000～LSK0+642.645暗挖法施工的區(qū)段，施工過程中作好超前注漿，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，初支及時(shí)封閉，加強(qiáng)監(jiān)控量測。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?；优c工業(yè)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(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)施工量測，做好施工預(yù)案，必要時(shí)進(jìn)行注漿加固、增設(shè)隔離樁等，保證周邊建(構(gòu))筑物、高鐵的安全和穩(wěn)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(tái)階法、盾構(gòu)法、明挖法等[9]，表1從施工工藝、速度、質(zhì)量等多種角度對(duì)三種方法進(jìn)行了方案比選。根據(jù)線路平面布置、埋深、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及線路所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境條件，區(qū)間隧道的施工方法選擇明挖法和臺(tái)階法。試車線及聯(lián)絡(luò)線處于車輛基地北側(cè)，場地較開闊，周邊無建筑物影響，并且施工作業(yè)環(huán)境為無水作業(yè)，結(jié)合成本、施工工藝簡便快捷考慮，試車線及聯(lián)絡(luò)線大部分采用明挖法施工。其中結(jié)構(gòu)Ⅵ區(qū)因車輛基地建設(shè)方案及咽喉區(qū)施工影響不能進(jìn)行圍護(hù)樁施工，施工段落較短，故采用臺(tái)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(gè)工點(diǎn)進(jìn)行土方開挖，施工分區(qū)及施工方向如圖2所示?？傮w施工工序流程為：

圖2 開挖及支護(hù)施工順序

(1)場地清理及管線調(diào)查。

(2)現(xiàn)場場地布置。

(3)試車線及聯(lián)絡(luò)線各區(qū)圍護(hù)樁(或土釘墻)及冠梁、擋土墻施工。

(4)各區(qū)土方分層分段開挖及支護(hù)。

(5)各區(qū)主體結(jié)構(gòu)施工。

施工順序?yàn)椋捍龂o(hù)結(jié)構(gòu)及冠梁施工完成后，工點(diǎn)1、工點(diǎn)2及工點(diǎn)3、工點(diǎn)4分別開挖，待工點(diǎn)2、工點(diǎn)4與暗挖段接口處完成開挖后，即可組織進(jìn)行工點(diǎn)5開挖。

3 施工工藝技術(shù)

基坑開挖在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行，宜分層分段均勻?qū)ΨQ進(jìn)行，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”五個(gè)要點(diǎn)，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則[10]。每個(gè)施工工點(diǎn)分別配備一臺(tái)PC360-7履帶式挖掘機(jī)和一臺(tái)PC220-8履帶式液壓挖掘機(jī)，利用PC360挖掘機(jī)縱向放坡開挖，PC220挖掘機(jī)修整反壓土邊坡。

3.1 放坡開挖施工工藝

支護(hù)開挖主要采用土釘墻及放坡開挖施工工藝進(jìn)行施工，此區(qū)域?yàn)樵囓嚲€結(jié)構(gòu)分區(qū)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)，土方開挖施工的工點(diǎn)1、工點(diǎn)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(hù)應(yīng)按設(shè)計(jì)開挖順序分批施工，同時(shí)坡面開挖應(yīng)嚴(yán)格控制斜率，隨開挖隨噴混凝土支護(hù)，經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土。下一土層開挖，應(yīng)在上一土層的土釘支護(hù)與噴射混凝土之后進(jìn)行[11]。

(2)機(jī)械進(jìn)行土方作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁邊壁出現(xiàn)超挖或造成邊壁土體松動(dòng)?；拥倪叡谝瞬捎眯⌒蜋C(jī)具或鏟進(jìn)行切削清坡，以保證邊坡達(dá)到設(shè)計(jì)坡度并保持相對(duì)平整。

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

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

3.2 支護(hù)開挖施工工藝

支護(hù)開挖區(qū)域包含試車線及聯(lián)絡(luò)線結(jié)構(gòu)分區(qū)的Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)和Ⅶ區(qū)，同時(shí)為土方開挖施工的工點(diǎn)1、工點(diǎn)2、工點(diǎn)3、工點(diǎn)4。

此區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+樁間掛網(wǎng)噴混凝土+內(nèi)支撐，圍護(hù)樁采用Φ800mm/Φ600mm間距1400mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。鋼支撐支護(hù)施工流程如圖4。

圖4 鋼支撐施工流程圖

施工要點(diǎn)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(hù)施工如圖5。

(2)冠梁施工時(shí)根據(jù)施工圖紙?zhí)崆邦A(yù)埋鋼筋及直撐、斜撐鋼板。當(dāng)土方開挖至第一道鋼支撐下0.5m(約冠梁底標(biāo)高下0.4m處)時(shí)，采用長285mm的膨脹螺栓打入冠梁內(nèi)，將角鋼與冠梁結(jié)成一體，形成鋼支撐托架并設(shè)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(shí)。

(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(gè)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(dǎo)致鋼圍檁背后空隙，需要填充C30混凝土。

(4)預(yù)應(yīng)力施加。預(yù)加力按設(shè)計(jì)軸力的30%～40%分級(jí)施加，每級(jí)軸力施加，及軸力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，均應(yīng)保持施加的預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定10min左右后，方可進(jìn)行下一級(jí)軸力的施加，或者進(jìn)行鎖定。下道支撐施加預(yù)應(yīng)力后，需對(duì)其所有上部支撐復(fù)加預(yù)應(yīng)力，在首次施加預(yù)應(yīng)力后12h內(nèi)，需進(jìn)行預(yù)應(yīng)力軸力監(jiān)控及墻體位移測量，并對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)加。

(5)鋼支撐的拆除。試車線主體結(jié)構(gòu)底板強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的80%后，方可拆除第三道鋼支撐。拆除鋼支撐時(shí)應(yīng)逐級(jí)釋放，避免結(jié)構(gòu)受力不均導(dǎo)致變形、開裂。鋼支撐支護(hù)見圖5。

圖5 鋼支撐支護(hù)

3.3 臺(tái)階法施工工藝

結(jié)構(gòu)Ⅵ區(qū)為暗挖臺(tái)階法施工區(qū)間，結(jié)構(gòu)型式為單洞單線馬蹄形斷面。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)采用工程類別和理論計(jì)算相結(jié)合的方法確定。施工中循環(huán)進(jìn)尺長度標(biāo)準(zhǔn)段長0.75m。施工流程如圖6。

圖6 臺(tái)階法施工流程圖

施工要點(diǎn)[12]如下：

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

圖7 小導(dǎo)管注漿工藝示意圖

(2)完成小導(dǎo)管的壓漿加固后，將隧道基坑劃分為上、下兩個(gè)臺(tái)階，以拱腳分界，先對(duì)上部臺(tái)階進(jìn)行施工作業(yè)，預(yù)留核心土，核心土預(yù)留長度2～3m，每完成一個(gè)循環(huán)的開挖，立即架立拱部格柵鋼架、噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(3)下臺(tái)階的開挖緊跟上臺(tái)階，即距離6m左右的超短臺(tái)階，下部臺(tái)階開挖進(jìn)尺同格柵間距，每開挖下部一循環(huán)后立即安裝設(shè)置下部格柵，并與拱部鋼架連接牢固，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度后，及早封閉混凝土初支結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

以哈爾濱市軌道交通3號(hào)線二期工程安通街車輛基地開挖及支護(hù)工程為背景，進(jìn)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(jié)論：

(1)從施工工藝、速度、質(zhì)量等多種角度對(duì)三種隧道開挖方法進(jìn)行了方案比選，區(qū)間大部分采用明挖法施工，分為放開開挖和支護(hù)開挖兩種。其中結(jié)構(gòu)Ⅵ區(qū)因不能進(jìn)行圍護(hù)樁施工，施工段落較短，故采用臺(tái)階法施工。

(2)基坑開挖在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行，宜分層分段均勻?qū)ΨQ進(jìn)行，明挖段及暗挖段分為多個(gè)工點(diǎn)進(jìn)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(hù)開挖及暗挖區(qū)臺(tái)階法的施工工藝。隨著基坑開挖深度的增加，需要做好支護(hù)工程，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測，防范基坑造成的自身風(fēng)險(xiǎn)，以及施工帶來相鄰建筑物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。