陳海微， 郝笛笛， 應(yīng)克忠， 方詩(shī)圣， 趙 旭

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中鐵四局集團(tuán)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(kāi)挖支護(hù)施工常面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，且常要面臨在大坑內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)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(cuò)以及地下管線繁多等特點(diǎn)，使得地鐵車站修建風(fēng)險(xiǎn)增加，坑中坑開(kāi)挖施工更為復(fù)雜危險(xiǎn)。坑中坑開(kāi)挖使得臨近施工段圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形復(fù)雜化[2]，表現(xiàn)為圍護(hù)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(duì)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(kāi)挖方案、支護(hù)方案[3,4]。目前已經(jīng)有學(xué)者對(duì)坑中坑的開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究[5-8]。當(dāng)前地鐵車站坑中坑開(kāi)挖方法主要以階梯式開(kāi)挖為主，需要在基坑內(nèi)形成多臺(tái)階，土方單向挖運(yùn)，施工作業(yè)面對(duì)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(kāi)挖方案，并結(jié)合施工安全與經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)論證該方案可行性。

1 工程概況

1.1 基坑圍護(hù)

合肥某地鐵車站位于城市交通主干道下，主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)216.8 m，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入上部相對(duì)隔水地層不小于2 m，向下至強(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)化砂巖層巖土交界面。止水帷幕進(jìn)入上部相對(duì)隔水地層不小于2 m，向下至基底以下3 m；若強(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)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(gè)單元層和若干個(gè)亞層。基底位于中等風(fēng)化砂巖層中，各級(jí)風(fēng)化巖層在天然狀態(tài)下物理力學(xué)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(wú)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(xué)參數(shù)表

2 坑中坑開(kāi)挖施工技術(shù)

2.1 基坑開(kāi)挖

外坑開(kāi)挖采用傳統(tǒng)階梯后退式開(kāi)挖方案，由基坑長(zhǎng)度方向兩側(cè)向中部開(kāi)挖，沿縱向分為9個(gè)開(kāi)挖段(圖1)。由于換乘節(jié)點(diǎn)處坑中坑深度大，且作業(yè)面不大，在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)破壞基坑周圍原有的平衡狀態(tài)，進(jìn)而影響圍護(hù)樁的變形和基底沉降，因此坑中坑采用具有開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基底沉降影響小、施工作業(yè)面對(duì)稱、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)及時(shí)準(zhǔn)確到位等特點(diǎn)的四角環(huán)形開(kāi)挖方案，即開(kāi)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(kāi)挖區(qū)域劃分如圖2所示。開(kāi)挖步驟分3個(gè)階段：第一階段開(kāi)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(tái)挖機(jī)分別從4個(gè)角開(kāi)挖，開(kāi)挖土方運(yùn)放至核心土區(qū)域，由抓斗機(jī)運(yùn)送至坑外；第二階段開(kāi)挖第二層外環(huán)土與第一層核心土，由5臺(tái)挖機(jī)同時(shí)進(jìn)行，外環(huán)土運(yùn)放至核心土區(qū)并由抓斗機(jī)運(yùn)送至基坑外；第三階段開(kāi)挖剩余第二層核心土。

圖1 外坑土方開(kāi)挖段劃分圖

圖2 坑中坑土方開(kāi)挖區(qū)域劃分圖

2.2 坑中坑支護(hù)

坑中坑基底距地表深約26 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工必須及時(shí)、準(zhǔn)確、到位，結(jié)合基坑開(kāi)挖方案，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑609 mm，壁厚20 mm鋼支撐?？又锌迂Q向設(shè)置2道支護(hù)面，分別位于坑中坑頂面與頂面以下4.6 m處，2層支護(hù)面支撐布置相同，4個(gè)角部設(shè)5道斜撐，中部3道對(duì)撐?？又锌又ёo(hù)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(kāi)挖，在4個(gè)角設(shè)置斜撐；隨第二階段開(kāi)挖，及時(shí)架設(shè)第二支護(hù)面四角斜撐與第一支護(hù)面對(duì)撐；隨第三階段開(kāi)挖，及時(shí)架設(shè)第二支護(hù)面對(duì)撐，每道鋼支撐嚴(yán)格按設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3 施工機(jī)械配置

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

(2)出運(yùn)土機(jī)械配用U45型號(hào)抓斗機(jī)1臺(tái)，將外坑后期開(kāi)挖基底土方與坑中坑開(kāi)挖土方運(yùn)至基坑外，配置東風(fēng)自卸工程車30臺(tái)，將土方運(yùn)出作業(yè)區(qū)。基坑外配置25 t噸位汽車吊4臺(tái)，基坑開(kāi)挖完成將基坑內(nèi)挖機(jī)吊回地面。

(3)降排水機(jī)械坑中坑基坑底位于風(fēng)化砂巖中。該場(chǎng)區(qū)開(kāi)挖面土滲透性差，水量小，不計(jì)劃井點(diǎn)降水，采用集水井、排水溝結(jié)合抽水泵進(jìn)行明溝式排水。

(4)其他機(jī)械施工過(guò)程還需使用液壓千斤頂、鋼筋加工機(jī)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(diǎn)處尺寸為27 m×23.6 m×9.1 m，支護(hù)采用圍護(hù)樁+2道鋼支撐(1道倒撐)，兩道鋼支撐間凈距為4 m。3號(hào)線土方開(kāi)挖至標(biāo)準(zhǔn)段坑底位置后開(kāi)始開(kāi)挖換乘節(jié)點(diǎn)處土方。首先將1～4區(qū)域開(kāi)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(shí)1～4區(qū)域同步降至此標(biāo)高)→將1～4區(qū)域開(kāi)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(kāi)挖至基底上30 cm→人工清底。整個(gè)出土范圍在5、6區(qū)域，采用挖機(jī)+汽車吊+吊斗(或抓土機(jī))形式進(jìn)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(duì)基坑開(kāi)挖的影響，在開(kāi)挖期間沿挖孔樁的內(nèi)側(cè)設(shè)置臨時(shí)集水坑，擬采取間隔10 m布置一個(gè)集水坑，集水坑之間設(shè)置排水溝，基坑開(kāi)挖前地下水降至開(kāi)挖面下0.8 m，確保施工過(guò)程基底干燥。

3 實(shí)施效果

3.1 施工監(jiān)測(cè)

由于車站基坑深度較大且周邊環(huán)境復(fù)雜，施工監(jiān)測(cè)工作十分重要[8-10]。沿基坑縱向每隔 15 m埋置測(cè)斜管，南、北側(cè)各24個(gè)(補(bǔ)坑中坑的)(南側(cè)編號(hào) ZQT1～ZQT24，北側(cè)編號(hào)ZQT25～ZQT48)，共48個(gè)，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)預(yù)警值為 20 mm。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外緣距基坑邊0.1 m處布設(shè)14個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿縱向每隔20 m設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)(北側(cè)編號(hào)DBC1～DBC12，南側(cè)編號(hào)DBC13～DBC24)，共計(jì)24個(gè)?？又锌佣稳∩w挖側(cè)(南側(cè))布置測(cè)點(diǎn)1處(ZQT-35、DBC-35)，全蓋挖段南北兩側(cè)對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)各2處觀察點(diǎn)，如圖7所示。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和深度較大位置鋼支撐進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率選擇1次/(1～3 d)，若出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常(如變形、應(yīng)力急劇增大)或趨近預(yù)警值時(shí)，增大監(jiān)測(cè)頻率。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 坑中坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，坑中坑開(kāi)挖過(guò)程基坑南北側(cè)圍護(hù)樁變形均呈兩端小、中部大趨勢(shì)，基坑沿縱向兩側(cè)圍護(hù)樁變形值基本一致，坑中坑范圍處圍護(hù)樁側(cè)移峰值較其他位置更大，峰值點(diǎn)深度在10～11 m，坑中坑外圍護(hù)樁側(cè)移峰值位于深9～10 m?？又锌娱_(kāi)挖前后，各測(cè)點(diǎn)樁體側(cè)移值均有增大趨勢(shì)，坑中坑范圍圍護(hù)樁側(cè)移值變化最大，而樁體側(cè)移變形趨勢(shì)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(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷增大，其中累計(jì)側(cè)移值為：測(cè)點(diǎn)ZQT-3為20.7 mm，ZQT-35為21.5 mm，ZQT-36為19.5 mm?？又锌臃秶鷥?nèi)圍護(hù)樁側(cè)移變形未較坑外鄰近圍護(hù)樁變形明顯更大，采用四角環(huán)形開(kāi)挖方案，有效減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近環(huán)境的不利影響。

圖6 測(cè)點(diǎn)ZQT-3樁體側(cè)移曲線

圖7 測(cè)點(diǎn)ZQT-35樁體側(cè)移曲線

圖8 測(cè)點(diǎn)ZQT-36樁體側(cè)移曲線

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

采用四角環(huán)形向內(nèi)開(kāi)挖方案需投入小型挖機(jī)5臺(tái)，吊車1臺(tái)，工期0.7個(gè)月，共需費(fèi)用約17.22萬(wàn)元；采用傳統(tǒng)單向階梯后退式開(kāi)挖方案需投入挖機(jī)大型挖機(jī)4臺(tái)或小型挖機(jī)6臺(tái)，吊車1臺(tái)，工期0.9個(gè)月，共需費(fèi)用約26.01萬(wàn)元。經(jīng)比選，采用四角環(huán)形向內(nèi)開(kāi)挖方案與單向階梯后退式開(kāi)挖方案相比能節(jié)約費(fèi)用約8.79萬(wàn)元，工期減少約0.2個(gè)月，采用四角環(huán)形向內(nèi)開(kāi)挖方案經(jīng)濟(jì)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(kāi)挖技術(shù)”，詳細(xì)介紹了坑中坑挖土、支護(hù)方案及施工器械配置，相比傳統(tǒng)階梯后退式開(kāi)挖技術(shù)，其施工作業(yè)部署更為對(duì)稱、有序、高效，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)工程實(shí)踐表明，采用“四角環(huán)形開(kāi)挖技術(shù)”，坑中坑范圍內(nèi)圍護(hù)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(duì)周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)干擾小。