软土地区超大地下空间围护方案选型和土方施工技术

马强强 罗仲东

1. 中铁一局集团有限公司 陕西 西安 710054；2. 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

随着我国城市进程的不断推进，建设工程中的基坑工程也迎来新的挑战。软土地区中面积超大、开挖深度深、环境复杂等特点的基坑工程越来越多。针对这些基坑工程，总结适用的围护结构和土方施工方案，有很重要的实际价值[1-2]。本文通过平潭高铁中心站综合交通枢纽及高铁中心站站前城市综合体项目，说明在大面积软土地区基坑中采用分级分区支护技术和盆式开挖方案，可以有效节省工期和造价。且检测结果表明，分区分级支护有足够的强度和刚度来保证基坑顺利开挖。

1 工程概况

平潭高铁中心站综合交通枢纽及高铁中心站前城市综合体项目位于平潭综合实验区中楼乡韩厝村附近，火车站片区核心区内，是福平高铁平潭站的配套设施，场地东至高铁站房，西邻瑶竹路，南北两侧邻车站环路，基地中轴西侧对接平潭岛东西向主通道麒麟大道，总用地面积155 630.18 m2，设计总建筑面积20 4425.60 m2。其中：地下建筑面积约140 484.91 m2，地上建筑面积约63 940.69 m2。以公共建筑为主，包含长途客运站、乡村客运站、出租车蓄车及上客区、平潭旅游服务中心、枢纽配套用房、地下停车库、地下非机动车库、配套设备用房、高铁送站车行匝道及车道、与高铁站相接停车区、车道及部分人行区等。

本工程±0 m相当于绝对高程＋5.90 m，现状场地为北高南低，绝对高程为1.03～4.57 m（相对标高－4.87～－1.33 m）之间，基坑底面相对标高为－9.86 m（地下1层区）/－13.46 m（地下2层区），基坑开挖深度8.53～12.13 m之间，开挖总面积约为190 802 m2，基坑总周长约为1 753 m，基坑开挖深度较深，开挖面积非常大，因此本工程的土方开挖、支护、降水工程属于超过一定规模的危险性较大分部分项工程。

2 项目特点和难点

平潭高铁中心站综合交通枢纽及高铁中心站站前城市综合体项目位于平潭综合实验区金井湾片区，其基坑工程属于超大面积深基坑，具有以下施工难点。

1）地质条件较差。基坑地层由①素填土、②粉质黏土、③淤泥质土、④粉质黏土、⑤粉砂、⑥黏土及⑦淤泥质土组成，土的强度较低，且地下水埋藏深度较浅，地下水较丰富，开挖后侧壁稳定性差。

2）基坑面积超大。整个大基坑的面积为16.8万 m2。基坑开挖如防护不当，在大气降水、地下水或地面行驶车辆动荷载等因素作用下可能会产生较大范围滑塌的破坏模式。

3）基坑深度大。深度超过10 m的范围较大，拟建场地不具备放坡开挖的地质条件，因此必须采用围护桩（墙）支护。

4）存在基坑底突涌、渗流可能性。基坑开挖后，基坑底下部分地段存在粗砂和基岩风化带承压含水层。基岩风化带含水层顶部到坑底厚度较小，稳定系数小于1.1。因此在含水层顶部到坑底厚度较小地段不满足基坑底抗渗稳定性要求，即基坑开挖后，坑底将会产生渗流破坏。

5）基坑东侧的基坑支护需与站房主体地下结构相结合。基坑东侧紧靠站房桩基，无法采用锚杆支护，故采用钢管内支撑结合坑边盆式开挖、坑内留土的支护形式，将主体结构作为支撑反力，随钢支撑边施工边开挖。因此横向支撑对主体结构的推力将对结构有一定的影响，需要考虑其相互作用，确保主体结构及基坑的安全。

3 支撑方案选型

本工程局部存在深厚的淤泥质土层，不适宜采用锚杆支护。常规钢支撑和混凝土支撑，因为基坑面积太大不适用。针对软土地区大面积、开挖深度深和环境复杂的基坑和地下空间结构，本工程采用分区分级支护形式。

3.1 常规撑锚类型

水平钢支撑一般采用十字正交对撑布置，由于基坑长宽2个方向均超长，采用水平钢支撑体系，主要有以下不利因素：杆件布置较为密集，挖土空间小，效率低；钢支撑体系刚度相对较小，不利于基坑变形控制和周边环境保护；满堂设置水平钢支撑体系，须待基础底板整体施工完成，形成可靠的传力体系后方可进行钢支撑的拆除，施工速度较慢[3]。

钢筋混凝土内支撑具有刚度大、变形小的特点，常规可采用对撑或者圆环撑2种形式。但大面积混凝土支撑体系的工程量巨大，且混凝土支撑的施工、养护和拆除均占用工期，不利于土方开挖。

3.2 分区分级支护

分区分级支护方案是一种经济、高效、灵活的支护方案。首先在基坑周边留土放坡开挖至坑底，在完成中部底板之后再利用完成的基础底板或地下结构梁设置钢管斜撑，最后挖去四周盆边土方。该支护方案的优势为：中心区域土方开挖不受支撑影响，可快速进行中心区域主楼施工，缩短项目工期；利用中心结构体系作为整体支撑传力体系，仅需在周边留土区域设置较短的钢斜坡撑，大大减少大面积满堂设置支撑的工程量和支撑施工所占用的工期。

深基坑分区分级支护施工是指在基坑开挖时，根据不同区域施工条件，分2级对土方卸荷，分级支护。避免设置常规支护方式所需的多层、大面积水平支撑，有效地缩短基坑及地下空间结构部分的施工工期，降低工程造价。首级基坑深度范围通常采用直接放坡的方式开挖，坡高控制在4 m以内，坡比根据场地施工空间及土质情况确定，场地受限需提高坡比时，可采用土钉或注浆等措施对坡体土体进行加固，以满足此级坡自身的稳定要求。上级支护高度范围内的土体作为下级支护的荷载考虑。

下级支护结构所受荷载较大，其稳定性控制着基坑的整体稳定。下级支护采用施工工艺较成熟的三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，采用灌注桩作为板式支护体系围护墙，采用钢支撑作为内支撑。钢支撑倾斜支于先期施工基础底板，下级支护结构边预留坑内反压土，待支撑架设好施加预应力，刚度形成后，方可开挖坑边留土，施工剩余基础底板。

混凝土传力带从基础底板边浇筑至围护桩边，为围护桩提供稳定底座，之后拆除钢支撑，围护桩成悬臂状态。随后施工地下空间结构，待地下结构强度形成后尽快回填基坑侧壁，最终基坑施工完成。

当基坑深度较大，首级基坑可采用多级放坡或采用重力式水泥土墙等无支撑围护方式，下级支护可采用多道支撑。

4 土方开挖

4.1 基本原则

结合本工程分级分区支护形式，确定本工程总体开挖方案为盆式开挖。总体分2个阶段开挖。

第1阶段：放坡开挖至基坑底部，此阶段为基坑开挖的主要阶段，开挖量占总量的90%以上。

第2阶段：完成冠梁、腰梁和钢管撑施工后开挖坑内留土，该阶段虽然开挖量小，但受周围结构和钢管撑等的限制，操作难度大，开挖效率低。

根据总体工期安排，土方开挖是制约总工期目标能否实现的一个重要因素，因此要做好开挖前的整体规划，合理地划分开挖区块和开挖方式，确保开挖过程有序可控，降低因开挖场面混乱、工序交叉等造成的工效损失。

土方开挖应严格按照“分块分层、限时开挖、开槽支撑、先撑后挖、严禁超挖”原则，尽可能同步、均衡地进行开挖。

4.2 盆式开挖施工流程

盆式开挖首先施工围护桩、止水帷幕和立柱桩等，然后放坡开挖至坑底。施工中间部分主体混凝土结构，利用主体混凝土结构施工斜抛撑，在开挖坑边预留土体，施工坑边主体结构，完成换撑后拆除斜抛撑。

采用斜抛撑和盆式开挖法有以下优点：

1）放坡开挖阶段，土方开挖量达到90%以上，施工效率高，节省造价和工期。

2）利用主体结构结合斜抛撑作为支撑体系，免去大量内支撑，节省造价。

3）利用主体结构结合斜抛撑作为支撑体系，结构刚度大，控制变形能力更强，安全性更高。

4.3 土方施工工况

本工程深基坑施工遵循场地平整→三轴水泥土搅拌桩止水帷幕和坑外加固施工→桩机施工→放坡开挖土方→冠梁及支撑系统施工→坑内预留土开挖的总体施工顺序。

具体的施工工序为：场地平整至设计要求标高→施工三轴水泥土搅拌桩止水帷幕→施工钻孔灌注桩→施工立柱桩→1∶2放坡开挖卸土至围护桩顶→喷射混凝土护坡→冠梁施工→坑内加固→1∶2放坡开挖至－10.00 m→喷射混凝土护坡→1∶2放坡开挖至坑底→喷射混凝土护坡→待先期地下主体结构施工完成→第1道钢支撑施工→坑边留土开挖至腰梁底→施工腰梁并架设第2道钢支撑→开挖留土至坑底→施工相应处地下室底板→施工底板传力带→拆除第2道钢支撑→施工地下2层主体。

5 数据监测

本项目根据有关规范和设计及建设单位要求，进行以下项目监测：深层土体变形（测斜）监测；坡顶水平位移监测；坡顶沉降监测；周边地表沉降监测；坑外地下水位监测；周边建筑沉降监测；支撑轴力监测；立柱沉降监测；周边建筑、地表裂缝观测。

围护结构水平位移监测结果表明，本基坑工程实施平稳顺利，分级分区支护结构具有足够的强度和刚度，基坑本身安全以及对周围环境的影响都在可控范围内。

6 结语

本基坑工程为软土地区超大面积深基坑工程，总体采用分区分级支护方案，首先在基坑周边留土放坡开挖至坑底，在完成中部底板之后再利用完成的基础底板或地下结构梁设置钢管斜撑，最后挖去四周盆边土方。避免设置常规支护方式所需的多层、大面积水平支撑，有效地缩短基坑及地下空间结构部分的施工工期，减少工程造价。

本基坑工程超深超长，“时空效应”明显，基坑监测表明，采用分区分级支护结构，有足够强度和刚度保证基坑本身安全，并减小基坑施工对周围环境的影响，保证基坑工程顺利实施。