复杂环境中深大基坑支护开挖施工技术
[摘 要]随着城市轨道交通建设的飞速发展，深大基坑越来越多地出现在地铁工程中，由于城市内工程条件复杂，深大基坑的开挖会对周边环境产生多方面影响。本文介绍某深大基坑支护开挖过程中所应用的支护形式设计、开挖支护步序安排等技术措施及取得的良好效果，对类似工程有一定参考价值。
[关键词]深大基坑；周边环境；钢支撑；开挖支护
随着经济的发展和人们出行需求，国家提出要大力发展公共交通，尤其是城市轨道交通来解决城市交通拥堵问题。中国各大中城市纷纷进入轨道交通建设的高峰期，大量的城市地铁车站采用明挖法施工，深大基坑越来越多地出现在地铁工程中。本文以北京西部中心城区2010年完工的某地铁明挖车站深基坑工程为例，对地铁深大基坑施工技术进行针对性的分析、探讨和总结。
1 基坑工程简介
本基坑工程为北京西南部市区2条在建地铁线路车站的换乘节点段，位于首体南路与车公庄西路交叉口西北角，设置在十字路口北侧西部首体南路绿化带、人行道和非机动车道位置。基坑长约46m、宽约40m、深约25.7m，采用钻孔灌注围护桩+桩间挂钢筋网片喷射混凝土护壁+内支撑结构体系。钻孔灌注围护桩桩径1 000mm、间距约1.4m、桩长30.30m左右，桩间采用挂网喷射混凝土封闭找平，喷射混凝土厚度为100mm。钻孔灌注桩桩顶设1 000mm×1 000mm冠梁，冠梁顶标高以上采用240mm砖砌保护，砖砌墙内设构造柱。
围护桩内支撑体系采用4道钢管内支撑(另有1道倒撑)，第一道支撑设于冠梁处，钢管撑直径600mm厚16mm；其余3道支撑通过水平钢腰梁(双拼H型钢)支撑在钻孔灌注桩上，钢管撑直径800mm厚14/16mm；各道钢支撑中部设临时钢立柱加固，临时钢立柱采用联系梁连接。钢腰梁采用H型钢400×408×21×21组合结构，钢支撑间距2.4～3.8m，支撑安装后施加预压力，具体见图1。
2 工程基本环境条件
2.1 地质、水文情况
基坑主要穿越地层从上而下可分为人工堆积层、第四系沉积层2大类，进一步依次分为：杂填土①、粉土填土①1、粉土③、粉质粘土③1、细砂-粉砂④、园砾卵石⑤、粘土⑥1、卵石-圆砾⑦和粉细砂⑦2层。
基坑处于工程水文地质分区Ⅲb亚区。地下水为潜水，水位标高20.05～20.33m(埋深32.20～32.50m)，含水层为卵石、圆砾⑨层。受季节性降雨入渗、管道渗漏的影响，拟建场区范围内的浅部地层(砂卵石层中的粘性土、粉土层)中局部地段可能形成上层滞水。
2.2 基坑周边复杂的城市环境条件
1）主要地下管线分布 邻近基坑南侧沟底埋深4.4m的4 400×2 100热力沟，与基坑净距约2.3～3.1m；埋深2.7m的φ1 250雨水管；邻近基坑东侧管内底埋深2.7m的φ1 250雨水管，与基坑水平净距1.17～3.76m；埋深5.75m的4 400×2 800热力沟；由基坑内向基坑外临时改移后埋深1.66m的φ400给水管、埋深1.2m、1.25m的φ500天然气管及埋深0.9m的36孔电信管等。
2）主要地下构筑物分布 基坑范围场地上世纪80年代为某轻型汽车制造厂厂房所在地，地下分布有大量厂房建筑基础、钢筋混凝土设备基础和小型桩基础，纵横交错。
3）周边地面建构筑物分布 十字路口西北角的主语国际中心为高层框架结构，地下3层，地上分别为24层、19层及8层，采用筏板基础，地下室与换乘节点段最小平面净距12.834m；基坑东南侧2～4m范围环绕1条架空电车电缆及路灯杆。
4）周边道路交通情况 车公庄西路是北京市城区东西沟通的第三条交通干道，日常车流量大、人流量较多；首体南路呈南北走向、双向6车道，该路高峰期车流量较大，人流量一般。
3 深基坑工程特点、难点及对策
综上所述，该基坑具有宽、大、深和支撑体系复杂的特点，且处于交通干道，周边地上、地下障碍物较多的城市复杂环境条件下，安全风险大(该基坑工程自身为一级风险源)，施工场地狭窄、施工工期紧。从围护桩施工至土方开挖、钢支撑的架设、监控量测的实施均需采取针对性的处理措施和技术工艺，才能克服以上困难，顺利完成基坑施工。
1）围护桩施工难点对策 针对地下管线、厂房基础等地下障碍物，施工前进行人工挖探复测，提前将基坑范围内管线改移出去，及时清理地下障碍物，避免拖延工期。围护桩采用旋挖钻机施工，桩基穿越的砂卵石层渗透系数大、松散，成孔时易出现塌孔、漏浆现象，增加泥浆比重至1.2～1.3提高护壁效果，由常规的隔1桩跳打改为隔2桩跳打，有效避免了以上现象。
2）土方开挖施工重点措施 总体遵循竖向分层、纵向分段、中部挖坑、横向扩边的原则组织基坑施工。由于土方开挖工程量大，钢支撑架设、桩间护坡等施工工序交叉影响，同时基坑内部无出土马道位置，须采用竖井出土方式。
3）特殊地层护坡处理技术措施 基坑开挖至粉细砂层和圆砾卵石层时，局部桩间土在喷射混凝土过程中出现坍塌，混凝土护壁在渗水的情况下不能稳固成形。采用加设双层钢筋网片适当降低喷射压力、增加扫喷次数的方法，解决了护坡失稳的问题。
4）钢支撑架设施工难点对策 在保证基坑安全稳定的前提下优化钢腰梁和钢支撑管架设顺序；带临时立柱联系梁的钢管支撑吊装采用一大一小2台起重机配合施工，基坑内配置倒链提升、移动安装位置。
4 基坑的开挖支护施工技术
4.1 施工总体部署
由于施工场地狭窄、基坑周边无车辆行驶条件，在土方开挖及钢支撑架设期间需在基坑中南部开设车辆进出通道以进行土方及钢构件的运输工作。土方开挖后临时现场堆放，夜间机动车行驶低谷阶段运出现场。
本工程基坑平面尺寸小而深度大，基坑内部无出土马道位置，因此采用竖井出土方式。加之工程工期紧，考虑到钢支撑架设、围檩施工与土方开挖交叉施工影响，在基坑开挖深度＜16m时采用2台长臂挖掘机出土(图2)，开挖深度＞16m时改用1台70t汽车起重机垂直出土(2个3.5 m3出土斗)。
4.2 土方开挖方法
1）竖向分层 竖向根据支撑的设置分5层开挖，土层的分界线为设计钢支撑以下0.5m，挖掘机由上而下逐层开挖，自卸汽车运输，开挖过程中随挖随按设计位置架设钢管支撑。第一层由现况地面至冠梁底，开挖深度约2.0m，完毕后开始进行帽梁、挡墙及压顶梁的施工。第二层竖向高度约6.2m，第三层约6.5m，第四层约5.3m，分别至第二、三、四道钢管支撑下0.5m；第五层竖向高度约4.9m，至基底。其中第二、第五层土方开挖需由台阶中部挖坑逐渐向外扩展。机械作业台阶宽度4～5m，存土台阶宽2～2.5m，台阶坡度1∶2.5。
2）纵向分段 根据基坑特点，为避免设计有临时立柱的钢支撑体系影响挖掘机操作，将整个基坑分南北两段错开向下开挖。
3）中部挖坑 在每层土方施工中中部挖坑，护坡桩侧留3.0m宽平台保证围护结构的稳定，同时利用此平台封堵围护结构的渗漏水，在钢支撑架设完成后进行下一层土方开挖前再挖除预留平台的土方。
4）横向扩边 采用机械由中坑向桩侧横向挖土，人工配合清理桩间土直至围护结构。
4.3 土方开挖技术要点
1）在每一层的开挖支撑过程中实行先进行中心挖坑。利用边土在严格规定的时间内进行支撑安装、调试以及大量的锚喷混凝土工作，最后进行边土开挖。
2）施工区段内每层开挖完成后须待架设钢支撑后才能进行下层土方的挖掘。
3）开挖过程中提高监控量测频率，密切注意对周边环境的保护，切实减小围护结构的变形位移及土体的不均匀沉降。
4）每区段采取对称方式进行开挖，即横向由中间向两侧开挖，以免产生偏压现象。
4.4 带临时立柱及联系梁的钢支撑架设施工
1）架设时间要求 钢支撑架设极具时间性，须考虑时空效应，在12～24h内支撑完毕。
2）钢支撑的架设 保证钢支撑与墙面垂直并对墙体施加预应力。顶紧后采用钢楔固定牢固，防止钢支撑因桩体变形和施工碰撞而脱落。
3）钢支撑的固定 土层开挖至设计位置后第一道支撑凿出冠梁预埋钢板，其余支撑在护坡桩上植入钢筋后焊接牛腿，安装钢围檩。采用一大一小2台起重机配合起吊，将钢支撑固定于腰梁上，一端为活动端，一端为固定端。钢支撑固定后用2台液压千斤顶在活动端支撑两侧对称逐级预加力到设计值时，持续稳压一段时间后采用钢楔锁定支撑。钢支撑架设安装应严格遵守分层开挖、先支撑后开挖的原则；斜支撑的架设安装须在节点上焊好与斜支撑轴线垂直的斜撑支座，保证其强度刚度可靠。
4）钢支撑的拼装 轴线偏差≤20mm并保证支撑接头的承载力符合设计要求。支撑端部设φ10钢筋吊环通过钢丝绳或钢筋连系在围护桩上，用于微调的钢楔采用电焊连接，防止坠落。
5）钢支撑轴力的施加 选用QYS050型双作用液压千斤顶2台串联对钢支撑施加预压力可满足施工要求。支撑安装完毕后经检查确认符合要求后方可施加预压力。施加预压力在活动端两侧同时进行，由专人统一指挥以保证施工同步协调。按照设计预压力值分级施加、重复进行，直至设计值时检查各接点情况，必要时进行加固，待额定压力稳定后予以锁定。当逐根加压时复核邻近的支撑预压力。预压力对围护结构位移影响、相邻支撑之间预压力的影响等数据应根据监测确定。
6）连系梁及抱箍制作 土方开挖到钢支撑中心以下50cm时立即在护坡桩上设置膨胀螺栓，连接牛腿，安装钢围檩，在临时立柱上焊接钢牛腿。然后由1台起重机吊装连系梁，复验无误再由2台起重机架设钢支撑并及时施加预应力，最后在连系梁上加焊抱箍。
7）钢支撑拆除 严格遵循先换撑、后拆撑的原则，在对应板层混凝土达到设计强度70%、回填密实或换撑实施后才能拆除钢支撑。钢支撑(钢转檩)拆除用链条葫芦或起重机并辅以人工进行。拆除前在钢支撑底部搭设牢固的脚手架将钢管垫住，在活动端设2台千斤顶，施加轴力至活动端松动，用气割方法拆除挡板，逐级卸载，将钢支撑稳在架子上，人工将其滚动50～100cm，避开上部支撑，挂钩、系缆绳，起重机起吊，人工配合稳管将钢支撑拆出。在拆除过程中必须保证不与尚未拆除的支撑碰撞，以免发生危险，当支撑底与结构面之间距离很小时可在支撑下垫放方木或旧轮胎等，使其“软着落”而后再起吊装车。
4.5 钢支撑体系施工关键控制点
1）支撑钢管标准节长度为6m，施工中提前做好管节拼装大样，筹划管节法兰连接位置以避开连系梁位置，能避免返工，提高架撑工效。
2）基坑角部斜撑布置较多，钢围檩后背抗剪凳设置非常重要，抗剪凳要能紧靠围护桩桩体，确保钢支撑施加轴力后不会滑动失稳。
3）应力施加和复加是钢支撑施工的重要组成部分，也是控制基坑变形关键手段之一。应力施加系统必须完好，油泵、千斤顶和压力表等必须经过检测标定并在有效期内使用。
4）钢支撑对中后应及时按设计要求施加预应力，施工过程中加强对钢支撑轴力的监测，根据支撑轴力监测情况决定是否加强支撑。
5）预加轴力完成后应将伸缩腿与支撑头后座之间的空隙采用钢板楔块垫塞紧密，锁定钢支撑预加轴力后再拆除千斤顶。
6）施工过程中设专人对支护结构的变形、位移进行观测、监控，以便及时采取有效措施确保结构和人员安全。
7）专人检查钢管支撑隼子，一有松动及时重新加荷打隼子。
5 结束语
换乘节点深基坑工程自2009年12月底开始打设围护桩，2010年3月初完成全部围护桩并开始第一次土方开挖，2010年7月初全部完成基坑开挖与支护，最终在2010年11月底车站换乘节点段主体结构顺利封顶，达到了预期工期目标。
该基坑经历1个雨季汛期和附近高层建筑、地下污水、地下管线的影响及交通干道重载车流扰动冲击，基坑的监控量测数据均满足设计要求和各方管理要求，有效地控制了施工环境风险和自身风险。
本项城市复杂环境条件下的深基坑施工，通过合理配置机械设备、统筹安排开挖与支护等交叉工序、优选针对性技术措施、加强监控量测并利用监测数据来指导施工等技术手段，将风险控制到最低限度，确保了工程安全、经济、高效完成，为类似工程施工提供了经验。
[参考文献]
[1] 施仲衡，张 弥．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社，2006．
8）在钢支撑拆除过程中加强对围护结构的监控量测，出现异常及时处理。
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