陳海微， 郝笛笛， 應(yīng)克忠， 方詩圣， 趙 旭

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

地鐵車站作為城市軌道交通的地下樞紐，基坑開挖支護施工常面臨諸多風險，且常要面臨在大坑內(nèi)進一步開挖小坑，形成坑中坑[1]。由于城市環(huán)境具有建筑密集、道路交錯以及地下管線繁多等特點，使得地鐵車站修建風險增加，坑中坑開挖施工更為復(fù)雜危險。坑中坑開挖使得臨近施工段圍護結(jié)構(gòu)受力、變形復(fù)雜化[2]，表現(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移變形和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加。要降低坑中坑施工對基坑環(huán)境穩(wěn)定性的不利影響，應(yīng)結(jié)合基坑環(huán)境選擇合理的開挖方案、支護方案[3,4]。目前已經(jīng)有學者對坑中坑的開挖與支護技術(shù)進行了研究[5-8]。當前地鐵車站坑中坑開挖方法主要以階梯式開挖為主，需要在基坑內(nèi)形成多臺階，土方單向挖運，施工作業(yè)面對稱性稍差且效率不高。本文以合肥某地鐵車站為依托，提出一種新型坑中坑開挖方案，并結(jié)合施工安全與經(jīng)濟效益優(yōu)勢論證該方案可行性。

1 工程概況

1.1 基坑圍護

合肥某地鐵車站位于城市交通主干道下，主體結(jié)構(gòu)長216.8 m，標準段寬23 m，深16.50～18.18 m?？拷囌疚鱾?cè)66.7 m處存在一處坑中坑，長27.8 m，寬24.8 m，深度 9 m(距地表26.06 m)。車站周邊建筑多為低層樓，建筑分布密度不大。

車站端頭井采用φ1 000@300鉆孔灌注樁，縱向標準段采用φ800@500(坑中坑段為φ1200@500)鉆孔灌注樁，坑中坑段南北向采用φ800@500高壓旋噴樁與止水帷幕，止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2 m，向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2 m，向下至基底以下3 m；若強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面在基底以下3 m范圍內(nèi)，則止水帷幕向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類型、巖性特征，將本勘察單元范圍內(nèi)的巖土層劃分為5個單元層和若干個亞層?；孜挥谥械蕊L化砂巖層中，各級風化巖層在天然狀態(tài)下物理力學性質(zhì)較好，但水理性質(zhì)差，遇水易崩解，造成地基承載力降低。

本車站范圍內(nèi)無地表水，工程區(qū)內(nèi)基巖均為砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，地下水總體不發(fā)育。

表1 地層力學參數(shù)表

2 坑中坑開挖施工技術(shù)

2.1 基坑開挖

外坑開挖采用傳統(tǒng)階梯后退式開挖方案，由基坑長度方向兩側(cè)向中部開挖，沿縱向分為9個開挖段(圖1)。由于換乘節(jié)點處坑中坑深度大，且作業(yè)面不大，在開挖過程中會破壞基坑周圍原有的平衡狀態(tài)，進而影響圍護樁的變形和基底沉降，因此坑中坑采用具有開挖過程對周邊圍護結(jié)構(gòu)變形和基底沉降影響小、施工作業(yè)面對稱、支護結(jié)構(gòu)架設(shè)及時準確到位等特點的四角環(huán)形開挖方案，即開挖區(qū)沿豎向分為2層施工，第一層深4.6 m，第二層深4.4 m。坑中坑每層土方分為外環(huán)土區(qū)與核心土區(qū),土方開挖區(qū)域劃分如圖2所示。開挖步驟分3個階段：第一階段開挖第一層外環(huán)土，保留第一層核心土(核心土保留以有效減小基底隆起)，由4臺挖機分別從4個角開挖，開挖土方運放至核心土區(qū)域，由抓斗機運送至坑外；第二階段開挖第二層外環(huán)土與第一層核心土，由5臺挖機同時進行，外環(huán)土運放至核心土區(qū)并由抓斗機運送至基坑外；第三階段開挖剩余第二層核心土。

圖1 外坑土方開挖段劃分圖

圖2 坑中坑土方開挖區(qū)域劃分圖

2.2 坑中坑支護

坑中坑基底距地表深約26 m，支護結(jié)構(gòu)施工必須及時、準確、到位，結(jié)合基坑開挖方案，支護結(jié)構(gòu)采用直徑609 mm，壁厚20 mm鋼支撐。坑中坑豎向設(shè)置2道支護面，分別位于坑中坑頂面與頂面以下4.6 m處，2層支護面支撐布置相同，4個角部設(shè)5道斜撐，中部3道對撐?？又锌又ёo結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示，剖面圖如圖4所示。隨第一階段開挖，在4個角設(shè)置斜撐；隨第二階段開挖，及時架設(shè)第二支護面四角斜撐與第一支護面對撐；隨第三階段開挖，及時架設(shè)第二支護面對撐，每道鋼支撐嚴格按設(shè)計圖的要求施加 30%～50% 的預(yù)應(yīng)力，保持支撐面水平，控制支撐軸心在一條直線上。

圖3 坑中坑支護結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 坑中坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3 施工機械配置

(1)挖掘機械。根據(jù)(土方量，工期)基坑環(huán)境及開挖、支護方案特點，選擇施工機械配置。外坑采用階梯式后退開挖方案，分5個開挖區(qū)，坑中坑開挖分3個開挖區(qū)。挖配置反鏟挖機PC300 -6型4臺、PC200SC-6長臂挖機2臺、PC50-6小型反鏟挖掘機4臺?？又锌硬捎眯⌒头寸PPC50-6挖機在支撐下駁運、喂土，以適應(yīng)車站基坑支撐密布下的挖土。

(2)出運土機械配用U45型號抓斗機1臺，將外坑后期開挖基底土方與坑中坑開挖土方運至基坑外，配置東風自卸工程車30臺，將土方運出作業(yè)區(qū)?；油馀渲?5 t噸位汽車吊4臺，基坑開挖完成將基坑內(nèi)挖機吊回地面。

(3)降排水機械坑中坑基坑底位于風化砂巖中。該場區(qū)開挖面土滲透性差，水量小，不計劃井點降水，采用集水井、排水溝結(jié)合抽水泵進行明溝式排水。

(4)其他機械施工過程還需使用液壓千斤頂、鋼筋加工機械等，用于鋼支撐調(diào)位與預(yù)應(yīng)力施加等施工。

2.4 坑中坑出土方案

換乘節(jié)點處尺寸為27 m×23.6 m×9.1 m，支護采用圍護樁+2道鋼支撐(1道倒撐)，兩道鋼支撐間凈距為4 m。3號線土方開挖至標準段坑底位置后開始開挖換乘節(jié)點處土方。首先將1～4區(qū)域開挖至第一道鋼支撐以下50 cm→架設(shè)第一道鋼支撐→將5、6區(qū)域降至第二道鋼支撐上50 cm(此時1～4區(qū)域同步降至此標高)→將1～4區(qū)域開挖至第二道鋼支撐下50 cm→架設(shè)第二道鋼支撐→依次類推開挖至基底上30 cm→人工清底。整個出土范圍在5、6區(qū)域，采用挖機+汽車吊+吊斗(或抓土機)形式進行出土。

2.5 地下水導(dǎo)排

車站地下水水量不大，不設(shè)降水井。為避免地下水及雨季施工對基坑開挖的影響，在開挖期間沿挖孔樁的內(nèi)側(cè)設(shè)置臨時集水坑，擬采取間隔10 m布置一個集水坑，集水坑之間設(shè)置排水溝，基坑開挖前地下水降至開挖面下0.8 m，確保施工過程基底干燥。

3 實施效果

3.1 施工監(jiān)測

由于車站基坑深度較大且周邊環(huán)境復(fù)雜，施工監(jiān)測工作十分重要[8-10]。沿基坑縱向每隔 15 m埋置測斜管，南、北側(cè)各24個(補坑中坑的)(南側(cè)編號 ZQT1～ZQT24，北側(cè)編號ZQT25～ZQT48)，共48個，監(jiān)測設(shè)計預(yù)警值為 20 mm。在圍護結(jié)構(gòu)外緣距基坑邊0.1 m處布設(shè)14個沉降監(jiān)測點，沿縱向每隔20 m設(shè)1個測點(北側(cè)編號DBC1～DBC12，南側(cè)編號DBC13～DBC24)，共計24個。坑中坑段取蓋挖側(cè)(南側(cè))布置測點1處(ZQT-35、DBC-35)，全蓋挖段南北兩側(cè)對稱布置測點各2處觀察點，如圖7所示。對關(guān)鍵節(jié)點和深度較大位置鋼支撐進行應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)測頻率選擇1次/(1～3 d)，若出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常(如變形、應(yīng)力急劇增大)或趨近預(yù)警值時，增大監(jiān)測頻率。

圖5 測點布置圖

3.2 坑中坑監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果表明，坑中坑開挖過程基坑南北側(cè)圍護樁變形均呈兩端小、中部大趨勢，基坑沿縱向兩側(cè)圍護樁變形值基本一致，坑中坑范圍處圍護樁側(cè)移峰值較其他位置更大，峰值點深度在10～11 m，坑中坑外圍護樁側(cè)移峰值位于深9～10 m。坑中坑開挖前后，各測點樁體側(cè)移值均有增大趨勢，坑中坑范圍圍護樁側(cè)移值變化最大，而樁體側(cè)移變形趨勢及峰值位置基本保持不變。地表沉降值基本不變，鄰近區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)變形不斷增大，其中累計側(cè)移值為：測點ZQT-3為20.7 mm，ZQT-35為21.5 mm，ZQT-36為19.5 mm。坑中坑范圍內(nèi)圍護樁側(cè)移變形未較坑外鄰近圍護樁變形明顯更大，采用四角環(huán)形開挖方案，有效減小基坑開挖對鄰近環(huán)境的不利影響。

圖6 測點ZQT-3樁體側(cè)移曲線

圖7 測點ZQT-35樁體側(cè)移曲線

圖8 測點ZQT-36樁體側(cè)移曲線

3.3 經(jīng)濟效益

采用四角環(huán)形向內(nèi)開挖方案需投入小型挖機5臺，吊車1臺，工期0.7個月，共需費用約17.22萬元；采用傳統(tǒng)單向階梯后退式開挖方案需投入挖機大型挖機4臺或小型挖機6臺，吊車1臺，工期0.9個月，共需費用約26.01萬元。經(jīng)比選，采用四角環(huán)形向內(nèi)開挖方案與單向階梯后退式開挖方案相比能節(jié)約費用約8.79萬元，工期減少約0.2個月，采用四角環(huán)形向內(nèi)開挖方案經(jīng)濟效益更優(yōu)。

4 結(jié) 論

(1)以合肥某地鐵基坑工程為依托，提出一種新型“四角環(huán)形開挖技術(shù)”，詳細介紹了坑中坑挖土、支護方案及施工器械配置，相比傳統(tǒng)階梯后退式開挖技術(shù)，其施工作業(yè)部署更為對稱、有序、高效，經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯。

(2)工程實踐表明，采用“四角環(huán)形開挖技術(shù)”，坑中坑范圍內(nèi)圍護樁側(cè)移變形低于25 mm，相比坑外鄰近區(qū)域樁變形稍大(約3 mm)，施工對周圍圍護結(jié)構(gòu)干擾小。