城市复杂条件下盾构井开挖施工技术研究*

郭红斌，李 蒙，范中原，王 超，张晓宝，方中义

(1.中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

随着我国城镇化的不断推进，城市建设环境日趋复杂，这对保证城市深基坑施工安全、减少施工对周围环境的影响提出了更大挑战[1]。如今，城市地铁施工项目越来越多，地铁线路往往位于城市繁华地带，周边建筑物较多，沉降、变形控制成为地铁基坑设计和施工中的重难点问题。针对此类问题，国内学者从数值模拟、监测数据分析等方面做了一系列研究。张尚根等[2]通过对多个深基坑开挖监测数据进行统计分析，提出了估算地表沉降和围护结构变形的函数模型，具有较高的应用价值。李兵等[3]、张波等[4]通过对深基坑开挖工程进行数值模拟，并与监测数据进行对比分析，得到了影响建筑物沉降的相关因素，论证了开挖方案的合理性，并提出相应防范措施。龙林等[5]、奚家米等[6]对不同基坑开挖过程中的实测数据进行了分析和讨论，得到了地表沉降和围护结构变形的相关规律。李新刚[7]、董敏忠[8]介绍了深基坑开挖过程中不同类型围护结构施工方案，可为其他类似基坑开挖提供借鉴。

城市复杂条件下的深基坑开挖工程，不仅对基坑围护结构的侧向水平位移控制提出了要求，更需严格限制周边建筑物沉降。本文以广州地铁13号线二期棠下—珠村段盾构始发井开挖工程为依托，对施工方案进行研究。

1 工程概况

1.1 概述

本工程为广州地铁13号线二期工程棠下—珠村区间盾构始发井，施工竖井中心里程位于右线线路里程ZCK32+183，地处中山大道和车陂路交会口西南角某大型超市停车场。竖井开挖尺寸为 18.5m×14.5m，深37.2m，属于深基坑开挖工程。采用1m厚地下连续墙+环框梁支护形式，地下连续墙深38.7m，墙体嵌固深度为1.5m。墙身四周设顶部冠梁和4道环框梁，冠梁与环框梁钢筋网通过墙身预埋钢筋连接。

竖井南侧距某单层钢结构大型超市38.6m，西侧距人行天桥49.7m，北侧距中山大道15.3m，车流量大。施工范围内改迁污水管线1条，距竖井约5.6m需保护电力管线1条。施工过程中需对上述设施加强监测。

1.2 工程地质条件

根据地质勘探揭露，场地内岩土层从上至下依次为①人工填土、②1粉质黏土、②2中粗砂、③粉质黏土、④强风化泥质粉砂岩、⑤中风化泥质砂岩、⑥微风化粉砂岩。

1.3 水文地质条件

该工程地下水系按其储存方式可分为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要来源为地表径流和大气垂直降水，排泄方式主要为地表蒸发。基岩裂隙水埋藏深度大，具有承压水特性，主要由第四系砂层越流补给。

2 施工重难点

1)盾构井位于城市市区，周围建筑物密集，路网管线较多，基坑开挖深度大，施工阶段需加强监测，确保周边安全。

2)施工场地狭小，需对现场进行合理布置，有序安排施工机械进场，提高空间使用效率。

3)该盾构井基坑深度大，对围护结构侧向变形、地表沉降有较高要求。广州地区地层含水量丰富，施工期间正值雨季，采取合适的降水措施，减少坑底泡水时间成为施工安全重点。

4)盾构井基坑开挖范围内地质条件复杂，地质种类较多，当施工进行到微风化粉砂岩层时，传统机械施工效率低，无法满足施工要求，选用恰当的施工方法并尽可能减少对周边环境的影响也是本工程需解决的难点之一。

3 关键施工技术

3.1 总体施工部署

该盾构井深基坑围护结构剖面及地层分布状况如图1所示。主体围护结构采用1m厚地下连续墙+5道内支撑，连续墙采用工字钢接头。其中，地下连续墙为临时结构，水下浇筑混凝土，抗渗等级P6，地下连续墙导墙、垫层采用C20混凝土，其余部位均为C35混凝土。施工过程中，围护结构15m范围内临时堆载不得大于20kPa。

图1 盾构井剖面及对应地层分布关系

本盾构井开挖深度约37.2m，具体施工流程为：测量放样→地下连续墙施工→基坑降水→表层土方开挖→冠梁施工→第2层土方开挖及环框梁施工→第3层土方开挖及环框梁施工→第4层土方开挖及环框梁施工→第5层土方开挖及环框梁施工→第6层土方开挖→底板施工。

3.2 地下连续墙施工

在地下连续墙主体结构施工前首先利用工程槽段进行一个单元槽段的成槽工艺试验。本工程选用旋挖钻、双轮铣进行成槽。首先进行导墙施工，接着在护壁泥浆的作用下，用旋挖钻进行钻孔施工，钻孔施工后，利用双轮铣将泥浆混合液引入泥浆分离装置，分离出砂土和水，分离后的水继续回流至槽内。泥质粉砂层施工时可适当提高泥浆黏度与密度以防止槽内壁坍塌，本工程砂层施工时泥浆相对密度为1.15。成槽深度达到设计要求后，运用沉淀法清除槽底泥渣，进行钢筋笼吊装，吊装完成后约1h再次进行泥渣厚度检测，当槽底泥渣厚度小于100mm时，即可进行水下混凝土浇筑。

由于地下连续墙深度较大，钢筋笼采用分段吊装，接头处采用螺纹连接，钢筋笼中钢筋交叉点至少50%采用焊接。水下浇筑混凝土，其水灰比不应大于0.5，坍落度宜为18～20cm，且需一次浇筑完成，不留施工缝。为保证墙体混凝土质量，实际浇筑高度应高于墙顶设计标高500mm，避免泥浆杂质对结构强度产生影响。

3.3 盾构井降、排水

根据工程和水文地质条件，本工程采用井点降水法进行盾构井降水，井内侧布置井点管，井外不降水。每次降至开挖面下1m后进行盾构井开挖作业，且在盾构井外侧设置回流槽，防止井外水位大幅度下降引起地表沉降。

为防止地表水和大气降水流入盾构井，使井底长时间受水浸泡，在盾构井地面周围设置引流槽，并在井底采用集水坑排水法进行排水。集水坑设计在井底西南角，低于开挖面0.5m，其边缘距坑壁≥0.5m， 沟底宽度≥0.3m，纵向坡度≥0.5%。盾构井内积水用水泵排至市政雨(污)水管网中，以保证大雨过后迅速施工。

3.4 场地出渣

3.5 盾构井开挖

3.5.1表层土方开挖及冠梁施工

该盾构井地表层为人工填土，开挖前通过井内井点降水将地下水降至开挖面下1m后，采用反铲挖掘机加人工配合分层开挖，首层开挖深度2m，45°放坡开挖。开挖完成后对坡面采取φ8@200×200钢筋网和80mm厚C20混凝土护面，首层机械开挖至冠梁底面上方20cm处，人工开挖至冠梁底。根据设计图纸凿除地下连续墙外保护层混凝土，取出预埋接驳钢筋和吊筋，与冠梁钢筋网进行连接，冠梁截面尺寸为2 500mm×1 500mm，支护模板、浇筑混凝土完成冠梁施工。

3.5.2第2层土方开挖及第2道环框梁施工

待冠梁强度达到设计强度的80%及完成施工降水后，开始第2层土方开挖。第2层土方开挖及第2道环框梁施工与3.5.1节相同。

3.5.3第3，4层土方开挖及第3，4道环框梁施工

当盾构井开挖至第3层土方时，地质条件发生改变，挖掘机单独施工不适用于该层土方开挖要求，因此，强风化泥质粉砂岩采用破碎锤破除，中风化泥质粉砂岩采用液压劈裂。采用“分层台阶开挖”施工，水平方向从两边向中间掘进，每层开挖深度控制在2m以内，遵循“先临空面挖槽后向两边扩展”的施工顺序。采用挖掘机配合抓斗将土石方垂直运输至地表渣土池内。当开挖至距第3道环框梁底面20cm处时，采用人工配合风镐的方式，开挖至该环框梁底面标高位置，后参照3.5.1节进行第3道环框梁施工。后续进行第4层土方开挖及第4道环框梁施工。

3.5.4第5，6层土方开挖及第5道环框梁施工

第5，6层地质条件为微风化粉砂岩，该岩层风化程度低、硬度大、强度高。液压劈裂法无法满足施工需要，为了减少破岩过程对周边环境的影响，提高开挖效率，采用高压气体膨胀法施工。

整个施工流程为引孔→埋设膨胀管→灌浆封孔→路线监测→充入空气→盖钢板→起爆。整个爆破过程振动小、噪声低、无粉尘污染，特别适用于城市地下岩层的破除施工。

本工程采用“纵向分区段、水平分层”的爆破方式，且整个爆破过程应注意对地下连续墙的保护。首先在距地下连续墙四周1m范围内实施预爆破，使爆破区段与墙体间产生一条水平贯穿裂缝，后用钻机进行修边，以减少岩层爆破过程对地下连续墙的冲击。后用地质钻机在岩石面垂直方向进行钻孔作业，每层分3排布设引爆孔，孔深6m，排距、行距各为1m，呈梅花状布置。钻孔结束后将各节气体膨胀管插入引爆孔内，膨胀管直径为50mm，插入节数根据临空面高度H和引爆孔深度L确定。膨胀管安装完成后用早强快硬微膨胀压浆料进行灌浆填实，约3h后压浆料完全将引爆孔封堵严密，在膨胀管上端外接引气管，并用导线将各管串联，做好引线。

待准备工作完成后，用小型空气压缩机通过引气管向各膨胀管内注入压缩空气，膨胀管气体压强控制在2.5MPa左右，充气工作结束后立即拧紧进气阀门。

为了防止岩石飞溅，爆破前用钢板将爆破面压实，并将所有人员、机械疏散至150m外安全场地。

爆破完成，岩石面产生贯穿裂缝，岩石疏松，后用破碎锤、挖掘机配合抓斗输送土石，后续环框梁施工方式与3.5.1节相同。

3.5.5底板施工

采用气体膨胀法开挖至底板底标高上方20cm时，人工进行破除作业，避免超挖，不允许欠挖。在西南角距地下连续墙2m位置处留设边长1.5m的立方体集水坑。底板受力钢筋均与地下连续墙预埋钢筋相连，混凝土强度等级为C20，较环框梁有所降低，保护层厚30mm。待底板施工完成后，完成盾构井主体结构施工。

4 测点布置与数据分析

4.1 现场监测点布置

为分析该盾构井开挖方案的合理性，需对围护结构侧向位移、周边地表沉降进行监测，盾构井围护结构、邻近人行天桥和既有大型超市现场监测点布置如图2所示。

图2 现场监测点布置

4.2 监测数据分析

本工程周边建(构)筑物地基沉降曲线如图3所示，由图3可知，地基沉降随盾构井开挖深度的增加而增大，其中，人行天桥最大沉降值为4.34mm，既有大型超市最大沉降值为4.24mm，其相对应沉降监测点分别为B3，GJC5，均位于靠近盾构井开挖面一侧，且沉降量远小于设计要求的20mm。

图3 盾构井周边建(构)筑物沉降曲线

不同开挖深度下，基坑围护结构侧向位移变化曲线如图4所示，位移值为正表示向盾构井内部产生侧移。由图4可知，随着开挖深度的增加，围护结构顶部位移逐渐增加，最终稳定在6mm左右。围护结构侧向位移在竖直方向上呈现先增大后减小的变化趋势，最大位移位于盾构井开挖深度一半左右位置，并随着开挖深度的增加，最大位移位置不断加深，且最大位移量也不断增加。至最终施工完成，该盾构井围护结构最大侧向位移出现在地面以下16m深处，位移值为13.01mm，远小于30mm的监测控制值。盾构井围护结构侧向水平位移较小的原因可能是地下连续墙+多道环框梁组成的围护结构整体性能好，抗侧向刚度大，且该盾构井大部分地层处于强、中、微风化泥质粉砂岩中，地质条件较好。

图4 围护结构侧向位移变化曲线

5 结语

本文通过对广州地铁13号线棠下—珠村段盾构始发井开挖施工技术进行研究，主要得到以下结论。

1)复杂地质条件下，地下连续墙+多道环框梁的结构形式整体性较好，抗侧向刚度大，能有效降低周边土体沉降量和盾构井侧向水平位移。

2)施工过程中应加强对盾构井周边建筑沉降、路网管线、侧向水平位移等数据的监测，对单日变化量过大或报警区段及时采取措施，防止事故发生。

3)开挖至硬质岩层时，传统机械工作效率低，采用气体膨胀爆破法施工，可显著提高开挖效率、减少对城市周边环境的影响。