深基坑开挖施工技术
2018-06-05韩再冰
韩再冰
（中铁十四局集团第四工程有限公司 山东济南 250000）
1 工程概况
某车站为地下二层12m岛式车站，车站总长269m，顶部覆土厚度3～3.8m，基坑开挖深度16.2～17.5m，车站主体结构及附属结构出入口、单层风道基坑采用混凝土桩与内支撑组合。本站基坑围护结构标准段采用D800@1100混凝土桩+内支撑组合，嵌固深度8～9m；桩顶设置1100×800mm的钢筋混凝土冠梁。基坑开挖采用明挖顺作法，深度方向设置三道钢管内撑，端头井位置在第二段钢支撑下方1.5m处设置一道换撑。
2 施工准备
车站主体基坑开挖总量约为10.5万m3。结合现场实际情况，每个车站配备满足施工需求的挖土及运输设备，确保开挖后连续施工，基坑开挖前需完成以下施工准备：
（1）基坑围护桩桩体混凝土强度达到设计开挖强度要求；
（2）冠梁施工长度不小于100m，混凝土强度符合设计开挖强度要求；
（3）基坑周边排水系统已形成，能排至市政管网，洗车槽、安全防护栏杆已完成；
（4）周围建筑物、地下管线调研结束，对建筑物有变形开裂现象的已记录、照（摄）相，建设单位已组织产权单位进行了现场确认签字；
（5）基坑监控量测点、周围建筑物沉降观测点布设完毕，并已测得初始值；
（6）基坑土方开挖机具、运输车辆、运输路线及弃土场已选定，并办理了相应的手续；
（7）钢支撑及喷浆挂网机械、材料准备就绪；
（8）基坑开挖、支护方案已审批；
（9）已进行安全风险源识别汇总，应急预案已审批；
（10）已对现场作业人员进行了技术交底；
（11）施工前按总平面布置图的规划，在一定距离布置了测量控制点，各控制点均应为永久性的坐标桩和水准基点桩，所布置的测量控制点均应以书面形式报监理复核，复核无误后方可使用，并采取有效保护措施，以防破坏。
3 施工方案及技术措施
3.1 开挖原则
开挖基坑施工的原则是确保施工过程中周边安全环境及节点工期满足规定要求。开挖的顺序及方案必须与现场实际施工相一致，并遵守“水平分段、竖向分层、对称、平衡、快挖、快撑、随挖随撑、严禁超挖、保证施工安全前提下迅速施工”的原则，充分利用“时空效应”，减小变形量。在竖向开挖上按照钢支撑设计位置分段、分层进行，在每一次开挖至钢支撑底部以下40～60cm时立即进行钢支撑架设。网喷面层混凝土强度达到70%设计强度后方可开挖下层土体。纵向分段开挖时，应在基坑周边设置混凝土排水渠，防止降雨进入基坑内部，并采用从基坑一端向另一端分层开挖，纵向坡度1：5，以方便自卸汽车运输。每一段降土和支撑的安装时间不应超过8h，同时每一道支撑必须设置可靠的底部支托和防坠落钢丝绳，防止因围护结构变形和施工撞击而发生支撑脱落。
3.2 土方开挖、运输形式
基坑内土方开挖自一侧端头井向另一侧端头井倒退式开挖，当纵向坡度满足渣土车爬坡条件时，采取挖掘机直接装车的方式（见图1）；当纵向坡度不满足渣土车爬坡条件时，可采取多台挖掘机台阶式翻土的形式装车运走（见图2）。
图1 坡度满足要求
图2 坡度不满足要求
3.3 土方开挖分层
根据设计基坑深度及钢支撑、混凝土支撑位置，确定基坑竖向分层开挖层数，每次开挖至钢支撑以下40～60cm，开始架设钢支撑。
3.4 挖土施工工艺
3.4.1 表层土开挖
首先破除原有沥青路面，开挖至设计混凝土支撑梁底标高。采用分段退挖方式，人工配合挖掘机进行，采用自卸车将弃土直接外运至弃土场。开挖完成一段后立即进行混凝土冠梁及混凝土撑的施工。
3.4.2 端头井土方开挖
端头井部分先开挖转角并架设斜支撑，后开挖标准段并架设直撑的顺序施工。每块土体开挖时间不超过6h，每块的钢支撑在土方挖完后8h内安装完毕。
进入第三层及以下各层土方开挖时，由于斜支撑架设所需时间较长，进行端头井土方开始时，首先从端头井中间区域开始（图3所示），一次开挖至设计需架设钢支撑底标高以下40～60cm，最后采用用小型挖机进入斜撑区域开挖基坑转角部位第一次开挖触及不到的土方。开挖完成一边转角位置的土石方后立即架设斜撑、施加预应力，然后按照一样的步序对另一侧端头井的转角部位进行土方的开挖，完成后开始进行标准段的降土开挖作业。
3.4.3 标准段土方开挖
第二层土方开挖深度为5.2～6.1m，中间开槽开挖，两侧围护桩靠基坑侧3m范围内预留反压土，以便于安装第二层的钢支撑和网喷施工，利用土体抵抗围护墙后土压力，保证围护结构安全，槽底至反压土平台坡度为1：0.75；每层开挖深度不大于3m，中间开槽开挖至第一道钢支撑下50cm，架设第一道钢支撑并施加预应力（图4所示）。其余层与本层开挖方式相同。
图3 端头井开挖
图4 一般段开挖
3.4.4 收尾段土方开挖
当挖掘机已经没有足够的活动范围进行土方开挖时，换用抓斗或长臂挖掘机在基坑边进行内部土方的上移。基坑深度超出12m，以下土方不能采用长臂挖机时采用小型挖机配合一台45t龙门吊竖向出土。最后采用龙门吊将小挖机吊出。基底以上30cm厚土体，采用人工清底。开挖完一块并清底至设计坑底标高后及时施工接地网并浇筑混凝土垫层。
4 基坑监测
4.1 监测目的
（1）验证支撑体系方案设计，作为施工的眼睛指导土方开挖和支撑体系的施工，实现信息化施工。
（2）确保基坑安全。支撑体系在破坏之初，通常会在基坑不同位置上出现较大的变化或监测到速率明显增加。假设有合理的监测控制系统，以便于采取合理应急措施，立即启动应急预案，减轻或避免破坏的发生。
4.2 监测基本原则
4.2.1 系统性原则
（1）所有监测项目相结合，形成空间控制网，各测试项目的数据相辅相成、相互校核；
（2）运用监测系统整体功效对基坑进行立体的全方位监测，保证所测数据的正确性；
（3）监测连续，数据连续；
（4）合理布局、减少布设，节约成本。
4.2.2 可靠性原则
（1）施工过程中采用的监测手段是已基本成熟的方法；（2）在施工过程中对布设的测点进行可靠保护。
4.2.3 与结构设计相结合原则
对结构设计中使用的关键参数进行监测，达到进一步优化设计的目的。
4.2.4 重点部位优先、兼顾其他的原则
（1）对围护桩、混凝土支撑、钢支撑中加密测点数和监测项目，进行重点密切关注；
（2）除了重点部位优先布设监测点以外，在全局性的基础上合理的布设监测点。
4.2.5 与现场相结合的原则
（1）结合现场实际情况确定监测方法、监测设备的种类型号、监测点的保护；
（2）结合现场实际情况调整布设点的位置，最大限度的减少对施工的影响；
（3）结合现场实际情况确定各测试项的频率。
4.2.6 经济合理原则
（1）监测方法及监测项目的选择，应结合监测单位丰富的经验尽量采用直观、方便、有效的方法；
（2）监测点的数量，在确保全面、安全的前提下，合理利用监测点之间联系，减少测点数量，提高工作效率，降低成本。
4.3 监测数据处理与应用
4.3.1 量测数据散点图和曲线
对现场监测数据分析处理，即及时绘制位移（s）-时间（t）曲线散点图，将现场量测数据绘制成s-t时态曲线图和位移关系曲线，通过所绘制图形分析现场施工实际情况。
（1）当s-t曲线关系趋于平缓时，说明现场变化较规律，通过数据处理及回归分析，可以推算出最终位移值和掌握位移值的变化规律；
（2）当s-t关系曲线出现突变或反弯点的情况时，则表明支护体系已呈不稳定状态，此时应密切监视地层动态，并加强支护，必要时应立即暂停开挖，立即进行支护体系加固处理；
（3）根据s-t曲线的变化形态来判别支护体系稳定性。
围护体系结构变化曲线可化分为三个区段，围护结构蠕变曲线如图5。
图5 围护结构蠕变曲线
①基本稳定区段：明显特征是变形速率不断下降，即d2s/d2t＜0，为一次蠕变区段，表明围护体系趋于稳定，支护结构是稳定安全的；
②过渡区段：变形速率较长时间保持稳定不变，即d2s/d2t=0，为二次蠕变区段，应发出警告，立即调整施工节奏，强化支撑系统的刚度、强度及稳定性；
③破坏区段：明显特征是变形速率逐渐增大，即d2s/d2t＞0，为三次蠕变区段，曲线出现向上反弯点，揭示支撑体系已达到危险临界状态，必须立即停止开挖作业进行加固处理。
基坑稳定性的判别标准相对来说较复杂，在判别基坑稳定程度时应根据项目的具体情况，采用以上三种情况的标准综合对比分析，将结果反馈于设计与施工现场。
4.3.2 沉降与水平位移数据分析
对量测数据进行整理，绘制沉降-时间曲线和水平位移-时间曲线，根据曲线表现的形态进行分析判断，提出相应措施。
5 结束语
基坑工程是一个大的系统工程，在基坑开挖过程中需对各个工序加强监测、对比分析并采取切实有效的措施，确保深基坑开挖工程施工过程的安全。针对本工程深基坑开挖的特点及今后肯定会遇到类似施工项目，我们对该工程加以总结，希望可以对类似的基坑开挖项目提供经验和一定的参考价值。
[1]刘建航.基坑工程手册[M].中国建筑工业，1996.
[2]赖春芳.浅谈深基坑开挖的控制[J].北方交通，2010（01）.
