填海区复杂地质地铁超大地下停车场盖下开挖施工技术

2022-09-06黄辉辉夏能辉庄业成

建筑施工 2022年5期

姚俊黄辉辉夏能辉庄业成成铭

中国建筑第二工程局有限公司华南分公司广东深圳 518048

盖挖法是先盖后挖，以临时路面或结构顶板维持地面畅通再施工下部结构的方法。相对明挖法，盖挖法将结构板作为支撑，具有结构水平位移小、节省临时支撑、缩短路面占用时间、减少地面干扰、受外界影响小等优点[1]，但由于盖下挖土时顶板已施工完，存在出土不便、工效低、速度慢等缺点，因此盖下开挖时需精心组织施工，充分发挥盖挖施工的优势，弱化工效低、速度慢等缺点。

1 工程概况

1.1 项目概况

深圳市城市轨道交通13号线内湖停车场项目位于内湖南岸，西侧为科苑大道及深圳湾1号高端住宅小区，南侧为东滨路，东侧为沙河西路，北侧为深圳人才公园（图1）。本工程地质条件为人工填海区，原场地地面高程4～10 m。项目地层分布依次为素填土、填碎石土、填块石、填砂、泥炭质淤泥、淤泥、可塑粉质黏土、硬塑粉质黏土、砾砂，软弱土广泛分布。

图1 项目地理位置

1.2 设计概况

本工程为地下1层框架结构停车场，停车场基坑全长约710 m，宽度100～170 m，深度约12.3 m，面积约10万 m2，安全等级为一级。停车场内部设计有综合楼、维修楼、物资总库等建筑，均为2层，层高4.2～4.8 m，综合楼、维修楼、物资总库等建筑与停车场共用基础和顶板（图2）。

图2 内湖停车场内部功能划分区域

内湖停车场主体结构采用盖挖顺作法施工，围护结构为φ1 500 mm@2 200 mm套管咬合桩（一荤一素），顶板兼作第1道支撑，局部设第2道斜撑，竖向支撑构件采用钢格构柱，钢格构柱下设置桩基础，土方开挖量约为134万 m3（图3）。

图3 盖挖段支撑横剖面示意

2 盖下开挖重难点分析

一是项目体量和土方工程量大，地质和运输条件差，盖挖法施工较明挖法效率低；二是项目地下水位较高，地质条件复杂，基坑面积巨大，土方开挖过程中降排水难度大；三是项目周边车流量大，场地狭小，加之盖挖法施工穿插流水作业多，交通运输组织难度大；四是盖挖施工阶段顶板依靠格构柱支撑，盖下开挖时挖掘机在顶板下流动作业，若碰撞到格构柱，将造成不可逆的结构破坏，容易发生质量安全事故。

3 总体施工部署

3.1 开挖竖向分段

根据本工程设计特点及现场实际情况，土方开挖共分3个阶段，如图4所示。

图4 典型土方竖向分段示意

第1阶段：绿化迁移和管线改迁后开始第1阶段地表出土，由地表场平至＋5 m标高，进行地基加固施工，采用三轴搅拌桩和双管旋喷桩对底板以下（－6 m标高）淤泥等不良地质进行加固。

第2阶段：由＋5 m标高挖至＋1 m标高，开挖第1层土方，采用明挖施工，在＋1 m标高土层上施工300 mm厚钢筋混凝土垫层，以垫层为工作面施工工程桩、降水井和1 m厚顶板，顶板采用盘扣脚手架支撑体系，搭设高度3 m。

第3阶段：顶板施工完后，采用盖挖法施工对顶板以下土方进行开挖，开挖第2～4层土方，每层开挖高度2～3 m，挖至最后一层时预留20～30 cm的高度，采用人工修土；由＋1 m标高挖至板底标高（－6.1 m）处。

3.2 开挖平面分区

第1、2阶段采用明挖法施工，平面分为6个区域进行流水施工（图5），分层分区开挖，遵循“竖向分层、纵向分段”的原则。

图5 第1、第2阶段平面分区

第2阶段开挖后施工顶板，因顶板兼作围护结构第1道支撑，因此在顶板分区域施工完并形成南北对顶后，开始第3阶段土方开挖。第3阶段采用盖挖法施工，盖下开挖平面共分为23个区域，每个区域约4 000 m2，长臂挖机站位于顶板上，通过顶板预留洞口对盖下土方进行垂直开挖，盖下开挖平面分区见图6。

图6 第3阶段盖下开挖平面分区

4 盖下土方开挖施工技术

4.1 开挖原则

土方开挖遵循分层、分段、平衡、对称、限时进行、不得超挖的原则，每个分层厚度不宜大于3 m，分段长度不宜小于20 m。盖挖出土口结合施工预留出土洞口留设，出土口的布置必须充分考虑盖下挖机倒运运距，同时必须保证通风、照明要求。基坑、出入通道和出土口周边应设置混凝土挡水坎，场地四周应设置排水沟。

4.2 施工流程

施工准备→前期工程→场地平整→套管咬合桩施工→地基加固施工→土方开挖至顶板下3 m施工→工程桩垫层施工→立柱工程桩及降水井施工→顶板结构及部分侧墙施工→土方盖挖至斜支撑施工→腰梁、第2道斜支撑施工→土方盖挖至基底标高施工→底板结构施工→局部第2道斜撑拆除及侧墙立柱施工（图7）。

图7 盖挖段总体施工流程

4.3 顶板出土口数量和位置设置

顶板出土口数量和位置决定了盖下土方开挖的施工效率。盖挖出土口的留设必须根据图纸、土方开挖工程量、地面环境条件等因素确定，采用原设计预留洞口与施工预留出土洞口相结合的方式。考虑盖下挖掘机倒运运距和施工回转半径等因素，确定本场地出土口平均间距约50 m，出土口数量利用了23个原设计洞口，施工预留出土洞口19个，共42个出土口，平均每个出土口覆盖面积2 100 m2。

4.4 盖土方开挖顺序与交通运输

内湖停车场土方量巨大，盖挖法施工穿插流水作业多，场地狭小，须合理部署开挖顺序和场内运输车辆道路，并在出土高峰期增派交通疏导员，避免车辆拥堵。

根据现场预留出土坡道等实际施工情况，第1、2阶段土方开挖施工顺序分东西两大区域进行开挖，施工顺序为：第5区→第6区→第4区、第1区→第2区→第3区。

第1、2阶段土方开挖交通规划：沿现场东南西三面硬化4 m宽环场路，中部沿东西方向硬化一条6 m宽主干道连接西侧和东侧环场路；南北向设置3条支路，由中部主干路连接南侧环场路。渣土车通过1～3号门进出现场（图8）。

图8 第1层土方开挖平面部署

第3阶段盖下土方开挖施工顺序：总体从东西两侧往中间施工。东侧盖挖线路：1区、2区→5区、3区→4区、6区→9区、7区→8区→10区、11区→13区、12区、14区→15区、16区；西侧盖挖路线：23区、22区→21区、20区→19区→17区→18区。

第3阶段盖下土方开挖交通运输规划：在顶板中部设置一条东西方向6 m宽的交通主干路，中间设置3条支路由主干路连接南侧环场路，再设置若干支路使取土口与附近的道路连接。渣土车通过1号、2号及3号门进出现场。

4.5 盖下土方开挖施工方法

第1、2阶段土方开挖，采用明挖形式，分层放坡开挖，施工现场土方运输坡道，坡度应小于1∶5。挖土最大高差控制在3 m以内，每层开挖边坡度不大于1∶0.7。渣土车通过坡道进入基坑内，挖掘机配合装土后驶出基坑。

第3阶段盖下土方开挖，顶板留设出土口，采用垂直出土的方式，一个取土口配1台长臂挖机和3台小型挖机，先由长臂挖机将出土口区域的盖下土方开挖至第2层底标高，再用小型挖机在盖板下转运至出土口，长臂挖机在出土口将土方抓出转运至渣土车，再转运至弃土点。

4.6 盖下土方开挖工期目标与资源配置

4.6.1 第3阶段盖下土方开挖工期目标

第2～4层土方量63.1万 m3，工期目标159 d。

4.6.2 单个盖下土方区域开挖资源配置

通过计算单个盖下土方区域的资源配置，进而确定现场多个施工区域同时施工的资源配置需求，根据现场实际施工情况及时调整资源配置，达到最大出土效率。根据类似工程施工经验及现场实际情况，同一个盖挖区域1个出土口出土效率约500 m3/d，同时有2个出土口考虑车辆相互影响降效，出土效率按照800 m3/d。

1）每个出土口挖掘机配置计算。每个出土口需配置1台长臂挖机，盖下配置若干台小型挖机配合转运土方。根据以往工程施工经验及市场调研，选用PC360开长臂挖机，每台PC360长臂挖机每小时出土约100 m3，每天工作10 h，则出土1 000 m3/d＞500 m3/d，满足施工要求。

盖下土方转运选用PC120挖机，按盖下土方运距计算，每个出土口最大间距为50 m，即每个出土口土方倒运半径为25 m。PC120挖机回转半径约为10 m，则按盖下土方运距计算需配备3台PC120挖机。每台PC120挖机每小时出土约100 m3，每天工作时间与长臂挖机相同，则每天出土量为1 000 m3，满足长臂挖机工效。

通过以上计算可知，每个出土洞口配置1台PC360长臂挖机和3台PC120挖机可满足施工需求。

2）每个出土口需配渣土车数量计算。一辆渣土车装载能力为10 m3，每趟外运周期为2 h，受市区土方外运管制要求，外运土方采用夜间运输，每天出土时间为10 h，则每辆车平均每天外运土方50 m3。单个盖挖区1个出土口土方车辆配置500/50＝10辆。考虑土方车辆损耗维修及不可控因素等，现场实际需土方车12.5辆，取13辆车。若单个盖挖区有2个出土口，土方车辆配置16辆。考虑土方车辆损耗维修及不可控因素等，现场实际需土方车辆20辆。

4.6.3 高峰期盖下土方开挖资源配置

高峰期盖挖区域12区～21区同时开挖，共10个盖下区域同时施工，根据施工总进度计划，该阶段高峰期平均每天出土达到7 000 m3。

土方车辆配置计算：本工程土方开挖高峰期为第2～4层盖下土方开挖阶段，高峰期土方车辆配置为7 000/50＝140辆。考虑土方车辆损耗维修及不可控因素等，同时根据以往施工经验，现场实际需土方车辆140/0.8＝175辆。

挖机配置计算：盖挖阶段挖土主要采用PC360长臂挖机，高峰期共10个区同时开挖，每个区至少配置1台长臂挖机，即配置10台长臂挖机，每台PC360长臂挖机每小时出土约100 m3，每天工作10 h，则长臂挖机理论效率可达10 000 m3/d，满足7 000 m3/d的出土需求，考虑损耗及机械故障等问题，盖下土方开挖阶段配备长臂挖机10/0.8＝12.5，取13台长臂挖机。每个长臂挖机采用3台PC120挖机配合，则13台长臂挖机需39台PC120挖机配合施工。

综上所述，高峰期盖下土方开挖阶段需PC360长臂挖机13台，PC120挖机39台，渣土车175辆。

4.7 淤泥层开挖工艺要求

开挖淤泥层时，采用换填砖渣或铺设钢板等方式，在基坑内铺设形成施工通道，防止施工机械（挖掘机、出土车辆）内陷。若遇大雨或有较大水量时，采用搅拌水泥等措施加快淤泥干结，方便车辆行驶及装车外运，确保挖机在基坑内的作业、行驶安全。淤泥质土方开挖流程：在出土洞口边通过长臂挖机下挖土方，按分层要求清出中心区场地，以换填砖渣、铺设钢板等方式形成中心岛区域。挖机以中心岛向四周分层分段开挖，边开挖边铺设施工通道，确保基坑内设备的安全、正常作业。

5 基坑降排水

基坑降水以管井井点降水为主，辅以排水明沟。降水井井孔直径为800 mm，井管直径为500 mm，井深低于底板底标高不少于2 m，基坑内共设置216口降水井，间距约20 m。降水井采用钢筋笼降水井方案，宜选择渗透性好的地层。管井周边采用碎石填充。

基坑顶部及底部，沿基坑四周布置明沟，疏导、汇集地表水或坑底渗水。坑底排水沟汇集至集水井后，通过水泵往上排至坑顶部水沟，经过三级沉淀池后接入市政管网。

派专人对基坑降水进行管理，做到及时降排水。每个开挖分区沿分区边沿设置临时排水沟，每个开挖分区沉砂池不少于1个，开挖过程中雨污水通过沉砂池抽排至坑顶三级沉淀池后再排入市政管网。同时增设水循环利用系统，做到降排水的同时水资源回收利用。

6 内支撑、工程桩及围护桩保护措施

1）机械挖土时，应做好内支撑、工程桩及围护桩的保护工作，机械挖土应保留内支撑边或桩边50 cm处的土采用人工挖土，以防挖机破坏内支撑及桩体截面，严禁机械铲斗直接碰撞内支撑和桩。

2）桩边及格构柱内支撑周边土方需严格分层分段、对称开挖，为减少土压力的影响，不得单侧开挖导致桩身或格构柱挤断、变形或移位。

3）在施工阶段格构柱为顶板支撑的竖向受力构件，盖下开挖时挖机容易碰撞到格构柱导致变形，引发顶板结构破坏。为防止挖机大臂碰撞格构柱，发明了红外线格构柱防侵入预警装置（图9），其包括固定架、连接部、红外传感器和预警部等部件，当挖机侵入格构柱500 mm安全区域时，红外线装置立即报警，提醒挖掘机司机马上停止作业，确保挖掘机在盖下开挖时不碰撞到格构柱，有效保证格构柱周边施工的安全性。目前该发明已获国家实用新型专利。