近地铁狭小深基坑围护桩开洞出土技术研究

何祉健，汪能亮，陈 飞，梅献忠

浙江省建工集团有限责任公司，浙江杭州310013

0 引 言

为提高深基坑工程出土效率，出土技术逐渐呈现多样化，如设置斜钢便桥、多出土栈桥与土坡道结合、坑内架设贝雷桥、移动式钢丝绳抓斗出土、输送带出土等多样化技术不断在狭小深基坑工程中出现。但以上出土技术也存在一定弊端，如难以应用于狭小空间深基坑工程中或在施工进度方面难以实现快速出土需求。为满足邻近地铁狭小深基坑出土施工进度要求，本项目创新性地在狭小深基坑围护桩上开设洞口，工程车辆直接穿过洞口进入基坑底层装载土方后外运，出土效率提升的同时基坑变形得到了良好控制，整体效果较佳。

1 工程概况

余政工出［2019］28号地块项目位于杭州市余杭区，总建筑面积60万m2，地下建筑面积18.7 万m2，地上建筑面积41.3 万m2，项目北侧2栋200 m超高层双子塔紧邻杭州地铁3号线龙舟路站（图1）。双子塔基坑开挖深度13.60～19.90 m，基坑距地铁站房最近19.20 m，距地铁隧道最近30 m。

图1 余政工出[2019]28号地块项目效果图

为减小基坑开挖对地铁站房和轨道变形影响，本项目基坑分成四个分坑，其中邻近地铁侧设分坑一至分坑三，南面为分坑四（图2）。分坑一地下结构完成后可开挖分坑二、三，分坑二、三地下结构完成后可开挖分坑四。分坑一、二、三均设置三道水平支撑，第一道均为钢筋混凝土支撑，第二、三道除下文描述的围护桩开洞部位为钢筋混凝土支撑外，其他位置均为预应力型钢支撑。分坑四设置两道钢筋混凝土支撑。

图2 基坑围护工况

2 基坑围护体系开洞情况

本项目分坑一至分坑三均位于城市轨道交通控制保护区范围，即地铁地下车站与隧道结构外边线外侧50 m内［1］，且分坑一距离轨道最近。为确保地铁盾构施工安全，要求地铁隧道盾构前分坑一地下室结构须全部完工，施工进度要求较高。分坑一尺寸80 m（长）×50 m（宽），深19.90 m。若在基坑内设置常规土坡，需满足1∶7坡度要求，即需满足土坡高差15.30 m，土坡长度107 m的尺寸要求，该基坑无法满足常规土坡方案要求。而采用土方抓斗机或长臂挖机无法满足该深基坑的土方外运进度要求。

为满足施工进度要求，拟在分坑一东南角围护桩上开设洞口供车辆通行（图3）。即通过截断第一道与第二道支撑梁间的连续几根围护桩，在围护体系上形成门洞口，土方施工机械均由此门洞口进出，解决土方开挖技术难题［2］（图4）。为确保深基坑整体变形稳定，洞口顶部第一道混凝土角撑仍完整保留，洞口上部压顶梁兼作洞口顶过梁，配筋按竖向受力加强。基坑外设土坡与洞口相连，基坑内设置1∶7土坡与混凝土角撑栈桥板相连，形成完整土方运输通道，土方车可直接开至基坑底部，以提升土方外运效率。

图3 分坑一围护桩开洞工况模拟

图4 分坑一围护桩开洞三维效果

3 围护体系开洞方案策划及实施

3.1 围护桩开洞方案

本项目土方车型号为“联合卡车C&CU420 重卡”，外形尺寸6.87 m （长） ×2.55 m（宽）×3.65 m（高）。拟开设洞口底标高同第二道支撑顶标高（-7.10 m），洞口顶标高同第一道支撑底标高（-2.80 m），即洞口高度为7.10-2.80=4.30 m＞3.65 m。拟将图5 所示4 根围护桩截除，则洞宽为4×1.0+5×0.2=5.0 m＞2.55 m（考虑车辆后视镜外伸宽度和左右两侧安全距离）。

图5 分坑一围护桩开洞平面示意

洞口底部第二道水平支撑局部设置加强板作为工程车辆行驶的栈桥板使用。栈桥板底部支撑梁交叉位置增设格构柱以满足竖向承载要求。格构柱截面尺寸480mm×480mm，格构柱角钢4×L180×16，缀板规格420 mm×220 mm×12 mm，缀板中心间距400 mm。

3.2 开洞部位围护体系加强方案

3.2.1 洞口部位围护桩加强方案

围护桩开洞处理后，在其外部3 m处增设3根顶标高相同的围护桩，两排桩之间通过桩顶压顶梁和之间的钢筋混凝土连系梁进行刚性连接形成整体，以减小围护桩受到土方车水平冲击荷载作用后的位移（图6）。

图6 第一道支撑局部（东南角）加强示意

因洞口外侧还须进行坑外放坡，基坑外侧土方局部被挖空，无可靠传力媒介，基坑整体性受到破坏，稳定性受到削弱。为保证洞口部位荷载传递可靠性，在洞口外部两侧分别设置6根补强围护桩（图6），确保可靠传力。12根补强围护桩与基坑其他围护桩通过压顶梁、连系梁、加强板连成整体。

3.2.2 混凝土角撑加强方案

为减小基坑变形，在开洞部位的三道钢筋混凝土支撑上设加强板（图6），以增强该部位混凝土支撑整体刚度。因第二道混凝土支撑局部作栈桥板使用，所以在该部位原支撑上设置300 mm厚C30混凝土加强板，板内设置16@150 双层双向钢筋网片，板面标高同梁面，施工期间控制使用荷载不大于40 kPa。栈桥板下方补强或增设格构柱，格构柱可与工程桩结合使用（须经设计单位受力验算并满足要求），将栈桥板的竖向荷载传递至下部持力层。

3.3 坑外坡道施工方案

在基坑外侧拟设置4 000 mm宽坡道与洞口连接，以形成完整运输通道。坑外地面相对标高-2.00 m，洞口底标高-7.10 m，坑外坡道高差5.10 m。为确保土坡两侧边坡安全，须对该区域围护方案进行单独设计。

坡道深度范围土质为杂填土、黏土和粉质黏土，根据土力学计算，将坡道开挖深度按0～1.50 m、1.50～3.00 m、3.00～5.10 m三个深度范围进行边坡围护设计（图7）。0～1.50 m开挖深度范围，在坡道两侧设置坡度1∶1.5的土坡；1.50～3.00 m开挖深度范围，采用放坡喷锚+拉森钢板桩的复合围护方式，即在顶部1.50 m 深度范围的坡道两侧设坡度1∶1.5 土坡并设钢筋混凝土喷锚层，剩余高度用9 m 长SP-U400×170×15.5拉森钢板桩进行围护；3.00～5.10 m开挖深度范围，坡道两侧采用双排（间距6 m）拉森钢板桩互相拉结的围护方式。其中拉森钢板桩长度9 m，型号SP-U400×170×15.5。双排钢板桩顶设置600 mm×400 mm钢筋混凝土压顶梁，双排压顶梁之间用500 mm×500 mm钢筋混凝土连系梁拉结。

图7 坑外坡道平面示意

坡道地面做法：基层土体整平压实后铺设500 mm厚塘渣或碎石整平压实，面层浇筑300 mm厚钢筋混凝土板，混凝土面层扫毛或作其他防滑处理。坡道排水措施应合理，避免冬季结冰影响行车安全。

3.4 基坑监测方案

围护桩开洞对分坑一围护体系造成局部削弱，对基坑变形存在不利影响，须对开洞部位和邻近地铁一侧基坑变形进行全过程跟踪监测。结合“监测项目应能够反映围护结构的安全状态以及周边环境受影响的程度”原则［3］，控制变形的监测项目主要含基坑边深层土体水平位移（CX）、栈桥部位立柱桩沉降和开洞部位混凝土角撑轴力（ZL）监测。如图8所示，CX监测点共设5处，其中洞口西侧围护桩转角位置1 处（2#CX），洞口东侧1处（3#CX），基坑南侧对撑与角撑交接位置1处（1#CX），基坑北侧设2处监测点（4#CX、5#CX）。其中2#、3#监测点用于洞口区域变形监测，4#、5#监测点用于邻近地铁一侧变形监测，1#监测点用于基坑日常变形监测。同时2#、3#监测点可与1#、4#、5#监测点进行数据对比，以分析围护桩开洞对基坑变形的影响大小。开洞位置上方门梁和该部位第一道支撑梁上分别设置1#～4#轴力（ZL）监测点，在第二道支撑栈桥板下方设1个立柱桩沉降监测点，以监测土方车辆行驶过程中对栈桥板的沉降影响。

图8 基坑监测点位布置

3.5 洞口封堵方案

该基坑负一层结构楼板（-6.25 m）位于洞口高度范围，负一层结构楼板浇筑并换撑完成后可拆除第一道支撑。为确保楼板在洞口部位可靠换撑传力，减小楼板局部受力不均导致的变形或开裂，在负一层结构板浇筑前需对洞口采取可靠封堵措施。经计算，本项目采取400 mm厚C35钢筋混凝土墙对洞口进行封堵，墙内设16@150 双层双向钢筋网，墙体上下左右钢筋均采用化学植筋方式与上下侧压顶梁、左右侧围护桩进行连接。

4 实施效果

4.1 基坑变形情况

根据监测方案对分坑一从土方开挖至地下室结构结顶（换撑完成）期间每日基坑监测数据进行跟踪记录。本文对三道水平支撑安装及拆卸完成、土方开挖到底、底板施工完成共8个时点的深层土体水平位移（CX）数据进行记录（图9），洞口两侧2#、3#CX的数据最大值分别为34.38、34.52 mm，1#、4#、5#CX 数据最大值分别为40.48、39.14、44.65 mm。分坑一整体水平位移变形数据均在限值50 mm 范围内，对地铁侧变形影响也较小，整体变形可控，围护桩开洞未对整体变形造成较大影响。且根据监测结果可发现，洞口两侧的变形明显小于其他部位。

图9 分坑一深层土体水平位移监测数据

如图10，栈桥立柱桩最大沉降值为6.24 mm（设计限值为35 mm），开洞附近混凝土支撑梁最大轴力监测值为2 424 kN（限值5 000 kN），均在限值范围内。表明洞口两侧围护体系加强和栈桥底部增设立柱桩等起到了良好的加固作用，围护桩开洞及过程中工程车辆动荷载未对基坑整体变形产生较大影响。

图10 开洞部位栈桥板底立柱桩沉降监测数据

4.2 开洞后土方外运效率分析

分坑一和分坑二第二道支撑以下土方均为4.08 万m3。分坑一第二道支撑以下土方外运，土方车直接通过洞口开至装土点的方式出土，土方外运（不含支撑安装）持续时间为24日历天，日均外运土方量1 700.00 m3/d。分坑二第二道支撑以下土方常用长臂挖机在基坑外侧地面掏土的方式进行开挖，土方开挖外运（不含支撑安装）持续时间为38日历天，日均外运土方量1 073.68 m3/d。经对比，通过围护桩开洞的方式进行土方外运，效率大幅提升。分坑一出土工期比原计划提前14 d，在地铁盾构施工前顺利完成分坑一地下室结构施工。

5 结 语

本项目分坑一属狭小深基坑，通过采取在围护桩上开洞及水平支撑体系局部加强这一技术措施，有效提高了基坑出土效率，且开洞部位、邻近地铁一侧和基坑整体的深层土体水平位移等变形均得到了合理控制，避免了邻近地铁一侧土体水平位移超出限值，从而为地铁盾构安全施工提供了保障。该技术在本项目深基坑工程中应用效果良好，在工程进度方面体现出较大应用价值，可为后期其他类似狭小深基坑的土方外运施工提供案例借鉴。