软土地区紧邻地铁站体超大深基坑“分仓法+盆式法+阶梯法”土方开挖技术

2016-10-20于峰李卓文初焕冰王常旭程子恒魏恩娜

天津建设科技 2016年2期

□文/于峰李卓文初焕冰王常旭程子恒魏恩娜

□文/于峰李卓文初焕冰王常旭程子恒魏恩娜

以某临近地铁和重点保护性建筑超大超深基坑工程为例，详细地介绍了软土地区“分仓法+盆式法+阶梯法”土方开挖技术及取得的成效。基坑施工中采用“分仓法”将整个大基坑分成四个小基坑，分区、分层、分块采用“盆式和阶梯式”进行开挖，保证了基坑及周边建筑物的安全性，确保了地铁的正常运营，取得了良好的效果。

超大深基坑；临近地铁；施工技术；“分仓法+盆式法+阶梯法”

随着城市化进程的不断加快，城市空间的不断缩小，城市建筑不断向更高的天空和更深的地下方向发展，这就造成了越来越多的超大超深基坑土方开挖施工不断增多，超大超深基坑土方开挖施工本就非常困难，而在建筑物密集、人口众多、空间狭小的市中心施工，又对工程施工提出了更高的安全性要求，给施工造成更多的困难。如何在软土地区且具有复杂周边环境的市中心做好超大超深基坑土方开挖施工，是一个值得关注的问题。

1　工程概况

某软土地区工程项目位于城市中心地段，为一大型商业购物中心，工程主体地上8层，地下5层，框架-剪力墙结构，建筑总面积为203 300 m2，其中地下总建筑面积为66 200 m2，地上总建筑面积为137 100 m2。地上建筑主体高度48.30 m，基底标高-19.060 m，局部最深处标高为-21.800 m。该工程基坑呈不规则矩形，基坑周长约为535 m，基坑开挖面积约为1.3万m2。

2　工程地质概况

根据工程地质勘察报告，与土方开挖及降水工程相关土层主要为上更新统第四组滨海潮汐带沉积层，主要为杂填土、粉质粘土及粘土，该土层泌水性差、强度低且扰动后易形成“橡皮土”，见表1。

表1　土层分布情况

该工程场区与工程相关水层含水量丰富且基底距离第一承压水层较近，见图1。

图1　水层分布

3　周边环境概况

工程地处城市核心商业区，四周为市政道路，东侧为市政主干道，西侧为商业步行街，南侧和北侧为道路狭窄的单行道，周围每天经过大量的人流车流。道路与基坑中间地带地下存在大量市政管线，错综复杂，最近线路距离基坑仅仅1 m。

同时工程为一地铁上盖物业，约6 000 m2接建工程在地铁上盖进行施工，包含接建构筑物6栋，接建框架柱达108根，接建梁33根。工程基坑一侧紧贴已运营的地铁站，地铁站体为地下3层车站，基坑埋深约21.46 m，盾构井埋深约22.61 m。该基坑与地铁零距离接触长度达213 m，中部仅间隔一道1 m厚地下连续墙，局部地下结构与地铁站体连通。如此衔接紧密的结构关系，对该基坑施工提出了极高的要求，微小的基坑变形都可能影响到地铁的安全稳定运营。

另外，该工程基坑处于两座重点保护等级和两座特殊保护等级历史风貌建筑核心区。两座特殊保护等级历史风貌建筑紧邻基坑，建筑物年龄均在80 a以上且距离基坑最近处仅为4 m；另外两座重点保护性建筑与基坑隔街相邻，见图2。此四座历史风貌建筑在历史上都具有相当重要的意义，其中包括地标性建筑、历史名人下榻旅馆、国家级文艺汇演场所以及百年历史老店。

图2　周边环境

4　土方开挖难点

4.1地处软土地区

该工程位于华北地区，场地土质较软，含水率高，开挖面积较大，土体随时间的蠕变和基坑的空间效应明显，即“时空效应”较强，整个基坑开挖期间会对周围环境产生较大影响。

4.2紧邻城市运营地铁

该工程基坑紧邻已开通运营的地铁线路，地铁隧道沿基坑东南侧平行穿过，地铁基坑埋深约21.46 m，盾构井埋深约22.61 m。基坑东侧为该线路站体，站体为地下3层车站，已经投入使用。

基坑围护结构地下连续墙与地铁隧道最近处仅5.8 m，与地铁站体最远垂直距离约53 m，基坑与地铁结构“零”接触长度达213 m。该地铁日均客流量达10万人次，假日期间高达30万人次。地铁隧道对变形要求较高，基坑开挖需考虑对地铁正常运营的影响。

4.3周边历史风貌保护建筑

工程位于“历史文化保护区”的心脏地带，周边存在多处重点保护性建筑物，这些建筑均拥有80 a以上的历史，均属于该城市地标性建筑。这些建筑距离本工程基坑最近处仅有4 m，距离较远的的也不超过20 m，土方开挖中基坑微小的变形将对建筑物产生不可忽视的影响。

4.4地处城市核心区，出土困难

该工程地处城市核心商业区，工程四周为市政主干道路和商业步行街，交通条件复杂，运输路线及出土的时间受到限制，土石方外运只能安排在晚上进行，卸土点的选择、运输线路的优化和车辆分散与分流、交通线路的疏导等，是本工程交通组织的一大难点。

4.5存在不透水土层，土方开挖外运困难

该工程在标高-8.400～-13.900 m处存在一层淤泥质粘土，该土质呈褐灰色，软塑状，高塑性，渗水性极差，一旦扰动将形成“橡皮土”，通过基坑降水无法达到土方外运要求，是土方开挖外运的一大难点。

5　基坑“分仓法”技术

为有效解决工程土方开挖及外运困难的难题，经过分析研究和反复探索并借鉴其他工程经验，在设计上采用了地下连续墙+钢筋桁架内支撑+应力伺服系统钢支撑的基坑支护形式。

1）围护结构采用永久性地下连续墙。围护地下连续墙厚度为1 m，混凝土强度等级为C35P8，共58幅，其中47幅深33.5 m，其余11幅深35 m，均为工字形型钢接头，基坑临近地铁侧利用了地铁原有的地下连续墙。将基坑内外分割开来，形成一个独立的施工区域。

2）分仓设计采用临时地下连续墙。临时地下连续墙厚度为1 m，混凝土强度等级为C35P8，设计深度为33.5 m，接头形式为锁口管，共有25幅。临时地下连续墙和永久地下连续墙共同作用将大基坑划分为四个独立施工区域。其中Ⅰ区基坑面积约为5 057 m2，Ⅱ区基坑面积约为5 907 m2，Ⅲ区基坑面积约为1 274 m2，Ⅳ区基坑面积约为814 m2。

3）钢筋桁架内支撑+应力伺服系统钢支撑支撑体系。根据划分后的施工区域单独施工水平支撑体系，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区每区各施工三道钢筋混凝土桁架内支撑，Ⅲ区除首道撑采用钢筋混凝土内支撑外，另有三道全自动轴力伺服系统钢支撑，见图3和图4。实时进行24 h监测调节，高压自动报警，低压自动补偿，最大程度减小基坑临近地铁的变形。

图3　基坑分仓与首道支撑平面

图4　I区、II区、Ⅳ区二、三道支撑及Ⅲ区二、三、四道支撑平面

6　土方开挖施工原则

1）结合基坑“分仓法”设计，根据各区域实际情况，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区采用盆式开挖，做好留土护壁，先撑后挖；Ⅲ区采用阶梯式开挖，随撑随挖。

2）开挖前首先探明地下障碍物，开挖过程中遇到文物或不明物立即停止，与相关单位协调后再进行下一步施工。

3）基坑开挖必须在围护墙及墙顶圈梁达到设计强度完毕后方可进行，要先探后挖，确保地下连续墙不渗漏方可进行开挖。

4）土方开挖遵循分层、分块、对称式的开挖原则，开挖至基底标高后及时浇筑混凝土垫层及基础底板，以减少基坑大面积暴露时间，控制基坑的回弹隆起。

5）对于集水坑、电梯井等局部深坑的土方开挖须在主楼底板垫层浇筑完毕后方可进行，该区域土方开挖时应进行试探性开挖，其土方开挖及垫层施工须控制在12 h内。

6）Ⅲ区基坑平面形状呈狭长条形，土方开挖采用分层、分块阶梯式进行，每小段长度一般不超过6 m，开挖时间和支撑的安装控制在16 h内完成。

7）在基坑开挖过程中，采取有效措施，确保边坡留土及动态土坡的稳定性；基坑内部临时土坡坡度≯1∶1且在土方开挖过程中挖土最大高差控制在3 m左右，慎防土体的局部坍塌造成竖向支撑移位破坏、现场人员损伤和机械的损坏等工程事故。

8）土方分层开挖，每道支撑完成且结构强度达到80%后再开挖支撑下一层土方，开挖下一层土方时，将支撑底模完全拆除，避免底模掉落伤人或损坏机械。

9）土方开挖需密切关注基坑动态监测，第一时间收集各项监测信息，施工过程严格坚持信息化施工，以第三方监测数据为准绳，及时调整开挖范围与速度。

10）土方开挖前，应做好降水工作，始终保持基坑内水位于开挖面以下1m左右。

7　土方开挖施工

土方开挖施工遵循先远离地铁，后靠近地铁的原则，同时由于Ⅲ、Ⅳ区面积均较小，为加快施工工期，在确保安全的前提，采取Ⅲ、Ⅳ区基坑同时开挖并将Ⅲ、Ⅳ区之间临时地下连续墙随同土方开挖一并拆除，见图5。

图5　土方开挖步序

1）准备工作。施作基坑地下连续墙及分隔墙、布置降水井等。

2）开挖Ⅰ区基坑。Ⅰ坑开挖至第一道撑底，做第一道撑并开挖至第二道撑底面，做第二道撑并挖至第三道撑底面，做第三道撑并挖至坑底。

3）开挖Ⅱ区基坑。Ⅰ坑底板封闭，Ⅱ坑开挖至第一道撑底面；Ⅰ坑拆除第三道撑，Ⅱ坑做第一道撑并开挖至第二道撑底面；Ⅰ坑做B4层顶板并拆除第二道撑，Ⅱ坑做第二道撑并开挖至第三道撑底面；Ⅰ坑做B2层顶板并拆除第一道撑，Ⅱ坑做第三道撑并开挖至坑底。

4）开挖Ⅲ、Ⅳ区基坑。Ⅰ坑顶板封闭，Ⅱ坑底板封闭，Ⅲ、Ⅳ坑同时开挖至第一道撑底面；Ⅱ坑拆除第三道支撑，Ⅳ坑做第一道撑并开挖至第二道撑底面，Ⅲ坑阶梯式开挖并进行钢支撑安装；Ⅱ坑做B4层顶板并拆除第二道撑，Ⅳ坑做第二道支撑并开挖至第三道撑底面，Ⅲ坑阶梯式开挖并进行钢支撑安装；Ⅱ坑做B2层顶板并拆除第一道撑，Ⅳ坑做第三道支撑并开挖至坑底面，Ⅲ坑阶梯式开挖完毕并完成所有钢支撑安装；Ⅱ坑顶板封闭，Ⅲ、Ⅳ坑底板封闭。

8　土方开挖施工技术

8.1盆式开挖施工技术

通过分仓后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区基坑的形状大致呈长短边相差不大的矩形，为有效减小基坑变形，保证基坑安全，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区采用盆式开挖。盆式挖土是先开挖基坑中间部分的土方，周围预留反压土土坡，做好留土护壁，待中间位置土方开挖完成支撑施工完毕或垫层封底完成后或底板完成具备周边土方开挖条件时，进行周边土坡开挖。

由于基坑开挖较深，结合内支撑施工需要，将Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区土方分为四层开挖。同时，根据每个区域的具体情况，考虑到Ⅰ、Ⅱ区面积较大及流水施工的需要，Ⅰ区分成了三个小区域施工，Ⅱ区分成了两个小区域施工，Ⅳ区由于面积较小，不做另外分区，每个小坑均遵循盆式开挖的原则，每段开挖出内支撑施工作业面后，及时插入内支撑的施工，见图6和图7。

图6　I区、II区、Ⅳ区盆式开挖分层

图7　I区、II区、Ⅳ区盆式开挖分块

以I区为例，介绍盆式法土方开挖施工工艺，I区盆式开挖具体分块见图8。

图8　I区盆式开挖具体分块

1）首步土开挖。首步土标高为-0.600～-2.400 m。土方开挖前先选一些可能存在风险的点位进行探挖，观察探挖情况，确定无渗漏、积水现象后再进行开挖，后续土方开挖时也必须遵循探挖的原则。

正式开挖时，采用2台SK330级挖掘机先开挖无支撑区域的1-1部分，出土车辆站在1-2C和1-3C处；待1-1挖掘到设计标高后，按照1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C的顺序依次开挖，每开挖出一段基坑立即插入内支撑和栈桥板施工，尽快形成封闭支撑体系；第一流水段挖完后，按照2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的顺序依次开挖第二、三流水段，及时完成支撑施工。

2）首道撑施工。内支撑及栈桥板施工紧随土方开挖，减少基坑暴露时间。

3）二步土开挖与二道撑施工。二步土标高为-2.400～-8.400 m，二步土开挖应待首道撑栈桥板强度达到100%后方可开挖；二步土开挖时采用2台SK330级挖掘机于栈桥板上开挖，出土车停放在靠近第二流水段的栈桥上，首先开挖1-1，将1-1开挖至设计标高，四周做好留土护壁，形成盆式，接着按照1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C的顺序依次开挖，开挖时采用4台PC120挖掘机将土方倒运至1-1由SK330级挖掘机挖土装车外运，每开挖出一段施工面及时插入内支撑施工；开挖第二、三流水段按照2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的顺序采取盆式依次开挖，其中开挖第二流水段时采用3台SK330级挖掘机和6台PC120挖掘机，开挖第三流水段时采用2台SK330级挖掘机和4台PC120挖掘机。

4）三步土开挖与三道撑施工。三步土标高为-8.400～-13.950 m，三步土开挖时依然按照1-1→1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C→2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的顺序采取盆式开挖；三步土开挖时由于深度较深，普通挖掘机已经不能满足施工要求，SK330级挖掘机换成了2台EX270LC长臂挖掘机，坑内采用了6台PC120挖掘机进行开挖及倒运；三步土开挖时遭遇到不透水或难透水的土层，导致降水井降水不能达到要求，土中含水率较高，无法外运，为保证土方顺利外运，工程对其掺入生石灰来达到降低水分的作用，灰土比为2∶8，以满足土方外运；同时土方开挖过程中及时做好支撑施工的插入。

5）四步土开挖。四步土标高为-13.9500～-19.060 m，四步土开挖时依然按照1-1→1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C→2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的顺序采取盆式开挖；最后一步土开挖时，由于基坑深度较深且存在大量桩头，给土方开挖造成很大难度，因此工程采用8台PC60小挖掘机主要负责挖土，4台PC120挖掘机负责土方开挖及倒运，2台SH200主要负责坑内倒运土方，将土堆放到1-1、2-1区域，最后由2台EX270LC长臂挖掘机进行挖土装车。

6）底板施工。土方开挖至指定标高位置后，施工人员及时插入进行清槽、垫层、防水、底板施工，减少基坑暴露时间。

8.2Ⅲ区阶梯式开挖施工技术

通过地下连续墙分仓后，Ⅲ区形成了一个狭长型的基坑，结合应力伺服系统钢支撑安装方便的特性，同时考虑减小靠近地铁侧基坑的变形，Ⅲ区土方开挖采取阶梯式对撑开挖，随挖随撑，充分利用基坑时空效应，降低基坑变形，保证基坑安全。阶梯式对称开挖为先将基坑分层、分块，分成一段段长条形，见图9和图10。

图9　三区土方分段开挖

图10　三区土方阶梯式开挖

开挖时，按照每段宽6 m（局部根据支撑位置调整）、厚3 m，从两端对称开挖，每小段在16 h内开挖完毕并支撑，无支撑暴露时间最多不能超过24 h。开挖至基坑底标高后应及时插入垫层及底板的施工，减少基坑暴露时间，保证基坑安全。采用1台SK330级挖掘机停在Ⅲ区基坑中部进行挖土装车，两端分别采用PC120挖掘机挖土倒运并根据开挖深度及区域增添PC120挖掘机数量。

9　基坑、地铁及周边环境变形

9.1基坑变形

在土方开挖的过程中，通过对坑外降水井、地下连续墙深层水平位移及顶部水平位移、支撑立柱竖向位移等进行的每天一次的监测结果显示，土方开挖期间，坑外降水井的水位基本稳定，无太大变化，基坑内无明显渗漏情况；在通过分仓+盆式+阶梯式开挖的条件下，地下连续墙水平位移及墙顶水平位移，均在可控的范围内；立柱的隆起是由于基坑底部土体卸载回弹所引起的，其变化在一定程度上反映了基底土体卸载回弹情况。开挖之后随着底板的浇筑，基坑底部土体的回弹受到抑制，加上底板自身的质量，土体发生一定程度的沉降，立柱也随着沉降。

9.2地铁变形

对地铁轨道及站体设置了多个监测点位，对盾构隧道水平及竖向位移、变形缝相对沉降、隧道收敛、车站侧墙水平位移、轨道横向差异沉降等进行了每天一次的监测，见表2。

表2　地铁监测结果mm

其中，地铁结构与隧道的变形位移主要是由于基坑开挖过程中基坑围护结构内移与土体卸荷引起的，地铁结构与盾构隧道与开挖基坑距离很近，故对基坑变形极其敏感，通过监测数据显示，“先远离地铁，后靠近地铁”的“分仓+盆式+阶梯式”基坑开挖方式大大减小了地铁结构与盾构隧道的变形，使变形值均在可接受的范围内，确保了地铁轨道的正常运营。

9.3周边建筑变形情况

在保护建筑内设置了对监测点位，每天一次监测，以便及时调整开挖方式与位置，保证建筑安全。事实证明，通过“分仓+盆式+阶梯式”土方开挖的施工方式，很好减小了基坑及周边建筑的变形，使周边建筑处于安全使用状态。