深基坑开挖与支护技术
摘 要：以深圳地铁 5 号线五和站为例，介绍了深基坑开挖与支护的施工方法和技术。
关键词：深基坑；土方开挖；支护技术
前言
深基坑开挖与支护是一个系统工程，它受地质工程、降水施工、支护技术、时空效应等多方面因素的制约，是融多种学科知识于一体的综合性学科，它关系着深基坑建筑物施工的成败。本文根据深圳地铁五和站的实际情况，充分运用“时空效应”理论，着重介绍了基坑支护和土方开挖的方式以及机械设备的选型与配备，以达到高质量、快速度和低成本的目标。
1 工程概况
1.1 地理位置及工程规模
五和站行政隶属于深圳市龙岗区坂田街道办事处，位于布龙公路和五和南路交叉口桥下南侧，平行于布龙公路，与五和南路呈“+”状布置。车站长度为 254.4m，宽度为 21.4～31.6m，总占地面积 15000㎡。车站结构型式为地下两层（局部三层）双柱三跨钢筋混凝土矩形框架结构。车站底板埋深平均约 19m，最深处达 25m。车站采用明挖法施工，主体围护结构采用 Φ1200mm 钻孔桩+Φ600mm 旋喷桩进行支护和止水，采用直径 Ф=600mm 厚度 δ=16 mm 的圆钢管做为内支撑系统，标准段基坑竖向设 4道钢支撑，局部竖向设 5 道。
1.2 水文地质条件
五和站所在地区为台地，地形起伏较大，地面高程为 69.58～83.25m。车站范围内的地下水主要表现为上层孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在第四系砂层、粘性土及残积层中，砂层地下水略具承压性。基岩裂隙水主要赋存在花岗岩强～中等风化层中，略具承压性。
1.3 基坑安全等级
五和地铁站位于坂田汽车站和高档住宅小区附近，地处交通繁华地带，对环境及安全要求严格，本工程基坑的安全等级为一级，车站主体结构的基坑变形保护等级为一级。
2 开挖支护理论体系
2.1 开挖支护“时空效应”理论
基坑开挖遵循“时空效应”理论，采用分层、分段挖土，并且先分层后分段开挖，按照“开槽支撑、随撑随挖、分层开挖、严禁超挖”的原则施工。按照“时空效应”理论，确定施工参数，以保证：1）减少开挖过程中的土体扰动范围，最大限度减少基坑周围土体位移量；2）在每一步开挖及支撑的工况下，基坑中已施加的部分支撑围护体系及开挖纵向坡度得以保持稳定，并控制坑周土体位移量；3）有计划的进行现场工程监测，将监测数据与预测值相比较，判断施工工艺和施工参数是否符合预期要求，以确定和优化下一步的施工参数。
2.2 “时空效应”理论的应用
本工程根据“时空效应”理论和有关规范的要求，对基坑围护和开挖过程进行了认真分析，明确了以严格控制基坑变形，保持基坑稳定为首要目的；以严格控制土体开挖卸载后无支撑暴露时间为主要施工参数；采用加固地基、适当降水提高土体抗剪强度和注意做好基坑排水等综合措施，达到控制基坑周边地层位移，保护环境，安全施工的目的。
3 基坑支护方式
由于本基坑地下水位较高，且深度大，受场地限制，无法设置锚索和土钉，所以采用多支点混合支护结构，即围护桩悬臂结构与内支撑相结合组成的支护体系，内支撑采用组合式钢支撑。组合式钢支撑具有截面灵活可变、加工方便，可在各种地质情况和复杂周边环境下使用，施工速度快、可拆卸重复利用、节省投资，可施加预应力、支撑形式多样等特点。所以本基坑支护采用直径 Φ=600mm 壁厚 δ=16mm 的组合钢管支撑系统。基坑内标准段设四道钢支撑，盾构吊出区设五道钢支撑，并施加预应力。
4 基坑开挖方式
本基坑土方开挖采用挖掘机分台阶“接力棒”倒运，装载机配合，自卸车外运的方式。开挖机械采用液压反铲挖掘机，“两大四小”即两台220 型和四台 60 型挖掘机相结合的方式，辅以推土机和装载机等设备，弃土运输则以自卸汽车为主。
5 开挖与支护
根据“时空效应”理论，基坑土方开挖与支护遵循“竖向分层、纵向分段、平面分区、对称平衡、先支后挖”的原则进行。
5.1 分层分段开挖
根据本工程基坑规模、几何尺寸、围护结构及支撑结构体系布置等工程特点，选择分层、分步、对称开挖和先支撑后开挖的施工顺序，并确定各工序的时限，按照支撑布置，第一层土方开挖深度 3.0m，长度 6m，按约 1:3 放坡，标准段土方量约为 350m3；第二层土方开挖深度 5.3m，长度6m，按约 1:3 放坡，标准段土方量约为 700m3；第三层土方开挖深度5.66m，长度 12m，按约 1:3 放坡, 标准段土方量约为 750m3；第四层土方开挖深度 3.5m，长度 6m,按约 1:3 放坡, 标准段土方量约为 450m3。
5.2 开挖顺序
1） 基坑开挖工程根据临时钢管支撑的分布情况及反铲挖掘机的性能，采用三至四台反铲挖掘机接力开挖的方式，根据开挖深度和支撑层数的变化适当调整台阶层数。
2）冠梁顶部需要放坡段，自地面分段放坡开挖，地面以下 3.0m 范围直接采用反铲装入自卸汽车运至指定点。
3）每个台阶各设一台反铲挖掘机同时开挖，土方接力挖到运输便道的自卸汽车上。
4）坑底挖土至自卸汽车的过程为：第一台反铲置于底部台阶，挖掘最底层土体，挖土甩放在底层台阶后部，由上层台阶反铲接力，直至顶层台阶，然后由最上层反铲负责装车。由于底层台阶反铲工作受基坑钢管支撑制约，可根据反铲卸土工作净高，选择小型反铲挖机。
5）分层分段对称进行土方开挖，基坑两侧预留三角土护坡，每层台阶的长度，根据机械开挖作业要求，控制在 5m 左右。
6）基坑最后端头剩余土体无法利用台阶接力式开挖的，采取长臂挖掘机配合基坑上部大型吊车垂直运输的方式进行土方开挖施工。
5.3 支撑安装
1）钢支撑安装
每根支撑预拼到设计长度，采用龙门吊与汽车吊配合的方式整体起吊摆放在支撑牛腿上，钢支撑整体吊装到位后用千斤顶施加预应力，达到设计轴力之后，在活络端插入钢楔块。预应力分步施加，第 1 次施加50%～80%；通过检查螺栓、螺帽，无异常情况后，施加第 2 次预应力，达到设计值。施工时，因支撑横向跨度大（>20m），在基坑中间增设格构柱，以减小钢支撑长细比，增加稳定性。配合监测单位做好轴力计的安装和监测工作。
2）钢支撑施工技术措施
千斤顶预加轴力要求分级加载，所有支撑连接处均应垫紧贴密，防止钢支撑偏心受压。钢支撑拆除时应分级释放轴力，避免瞬间预加应力释放过大而导致结构局部变形、开裂。利用主体结构换支撑时，主体结构顶板、中板或底板混凝土强度必须达到设计强度。施工时加强监测，对基坑回弹导致格构柱竖向支撑位移所产生的横向支撑竖向挠曲变形在接近允许值时，及时采取措施，防止支撑挠曲变形过大。支撑体系中底板混凝土垫层的作用不容忽视，基坑开挖后迅速封底。
5.4 基坑开挖的检测控制
深基坑施工根据“承载能力极限状态”和“正常使用极限状态”进行检测控制，采用信息化设计、施工及管理，根据监控量测的结果进行修正设计，并指导施工，从安全上考虑监控量测十分重要。本工程从五个方面进行监控：一是围护桩体变形监测 ，二是支撑轴力监测，三是基坑周围地表沉降监测，四是地下水位观测，五是地下管线的沉降和位移观测。特别指出的是，在实际工程中，墙体竖向变位测量往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体自重应力的释放，致使墙体产生竖向变位（上移或沉降）。墙体的竖向变位给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害。
6 结束语
深基坑土方开挖与支护关系着基坑工程的成败，它是在基坑围护、基底加固和坑内降水成熟的前提下进行的，同时又是后续车站主体结构施工的前提条件。1）本工程采用的钢支撑具有刚度大、安装方便、可主动预加轴力等特点，便于进行施工控制。2）根据基坑规模、围护墙体及支撑结构体系的布置等，采用分层、分块、对称、平衡开挖和支撑的顺序，并确定各工序的时限，能有效控制基坑变形。3）深基坑施工参数是对开挖分步和每步开挖尺寸、开挖时限、支撑时限、支撑预应力等各道工序的定量管理指标。开工前定参数，施工过程中根据监控信息数据调整参数，分阶段工况及时总结参数，能有效地保证深基坑和环境安全，对深基坑施工具有积极借鉴意义。
参考文献
[1] 黄强.深基坑支护结构实用内力计算手册(第一版)[M].中国建筑工业出版社,1995.
[2] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册(第二版)[M].中国建筑工业出版社,2009.
京公网安备 11010202007575号