地铁车站深大基坑工程开挖施工研究
摘 要: 通过对苏州火车站地铁 2 号线基坑工程的分析，围绕时空效应理论，介绍了采用“分区、分层、分段、对称、平衡”的开挖方法，并且具体阐述了基坑开挖的施工顺序和施工方法，同时介绍了相关的技术措施，通过合理确定支撑体系、综合控制基坑变形等措施，以保证深基坑的顺利开挖，确保了基坑稳定及周围建筑物和管线的安全，为同类工程的施工提供了一种新的思路。
关键词: 深基坑，土方开挖，边坡稳定，支撑体系
深基坑是在天然地面下因工程施工需要而临时或永久开挖所形成的地坑［1］。深基坑工程是一个令人值得深入研究的岩土工程课题［2］。随着城市建设的发展，深基坑开挖的数目越来越多，开挖条件也互不相同［3］。深基坑土方的开挖是基坑工程的一个重要内容，基坑土方如何组织开挖，不但影响工期、造价，而且还影响支护结构的安全和变形值，直接影响环境的保护［4］。因此，深基坑开挖具有相当的复杂性与艰巨性［5］。近年来随着国民经济的不断发展，城市交通得到了很大的改善，地铁作为一种比较新型的交通方式也得到了很大的发展，同时在施工中会碰到对已有车站的穿越和对将来修建车站的预留，或者对已有车站的部分拆除、结构凿除和改建等难题［6，7］，因此地铁车站深大基坑工程开挖施工的研究也越来越受到相关工程单位的重视。本文通过对苏州火车站地铁 2 号线基坑工程的分析研究，详细阐述了地铁车站深大基坑工程开挖的新技术。
1 工程概况
苏州火车站综合改造工程主要由新建沪宁城际铁路苏州站、普速铁路苏州站、城市地铁交通 2 号线与 4 号线车站以及与之配套的无柱雨棚、生活和办公所属房屋工程组成。火车站枢纽共分5 层，其中地上 2 层，地下 3 层，其中地上第二层为高架的候车大厅，地面层为城际和普速铁路站房。地铁 2 号线是苏州火车站改造工程的一部分，与高架候车室、站房工程、地下空间同步设计、同步施工。苏州地铁2 号线呈东西走向，地铁 4 号线呈南北走向，其位于苏州火车站城际站房与高架候车厅正下方，与国铁站房合建。
地铁2 号线基坑开挖长度118．3 m，宽度38．4 m/28． 7 m，基底开挖标高 －15．5 m( 局部 －17．1 m) ，与地铁4 号线在 －1 层，－2 层垂直重叠部位长度 26． 4 m，开挖土方量为 46 267 m3，其中 －1 层土方为23 954 m3，－2 层土方为22 313 m3。故地铁2 号线土方开挖属于深大基坑开挖。
2 水文地质条件
2． 1 地质条件
苏州站场地位于太湖冲湖及泻湖沉积平原区，地势平坦，第四系覆盖层厚度较大。据勘察结果，60 m 以内土层为第四系全新世至早更新世沉积的疏松沉积物，以粘性土为主，间夹砂性土。
2． 2 水文条件
场区内地表水系极其发育，地表水由太湖水补给，水位标高变化主要受太湖水位、周围江湖水位及季节性降水影响。勘察期间测得: 场区内潜水稳定水位标高为 2． 0 m ～2． 5 m; 微承压水主要赋存于浅层粉土、粉砂夹粉土层中，富水性中等; 微承压水水位标高为 1． 0 m ～1． 5 m，场区内承压水主要赋存于中部的粉土、粉砂层中，富水性中等; 承压水水位变化一般在 8 m ～12 m。
3 施工安排
根据本地区施工经验知，地表水、潜水及微承压水对深基坑工程建设有影响，当基坑开挖深度超过 15 m 时，可能还会受承压水的影响。故地铁 2 号线基坑进行开挖前，按照基坑降水方案，布置好降水井，实施降水。地铁 2 号线 － 1 层基坑土方用明挖法施工，基底标高为 －7． 9 m，并按施工布置留出出土通道。由于地铁 2 号线 －2 层基坑基底标高为 －15． 5 m( 局部为 －17． 1 m) ，故现以地铁 2 号线 －2 层基坑开挖为例进行具体阐述。
3． 1 － 2 层基坑开挖方案
1) 开挖原则: 按照“时空效应”施工方法实施，采用“分区、分层、分段、对称、平衡”的开挖方法和“随挖随撑，以尽量减少基坑暴露时间为目的”的支撑方法作为主导思想，应用机械施工为主，人力施工为辅的开挖方式，每层、每段采用盆式挖土法进行具体施工;
2) 开挖分区: 根据设计图纸，地铁基坑开挖分区段划分，2 号线基坑分 B 区，D 区及 C 区( 与 4 号线重叠部分区段) ( 见图 1) ;
3) 开挖分层: 根据 2 号线基坑布置方案，基坑 － 2 层分两层开挖，第一层开挖深度 1． 6 m，开挖标高为 －9． 5 m; 第二层开挖深度6． 0 m，开挖标高为 15． 5 m，由于第二层开挖深度大，故又分成两小层，第一小层开挖深度 3 m，开挖标高为 －12． 5 m; 第二小层开挖深度 3 m，开挖标高为 －15． 5 m; 局部较深处分成第三层挖至基坑底设计标高，开挖深度 1． 6 m，开挖标高为 －17． 1 m。每个开挖区的各个开挖层均分成 6 m 小段开挖;
4) 总体上 2 号线基坑土方开挖由东西两端对称平衡地向4 号线方向同时进行; 机械挖不到的死角用人工翻挖，堆向坑下小挖掘机或坑上长臂挖掘机，设计坑底以上 30 cm 厚的土方均采用人工清底，尽量减少机械对坑底土体的扰动。
3． 2 土方外运
1) 根据苏州市政府相关规定，弃土只能在晚上 23: 00 至早上5: 00 之内外运，以防堵塞交通及影响市容; 2) 用 20 台 15 t 自卸翻斗车在晚上外运，则可完成土方任务; 3) 为保证市内清洁，防止车辆漏、掉泥土，要对运输车斗进行改造。
4 挖土方法
4． 1 基坑开挖前的准备工作
1) 清除基坑范围内障碍物，修好基坑出土道路及施工场地范围内运输便道;
2) 做好地面排水及基坑降水工作，确保降水效果;
3) 按工程监测要求，作好各种不同类型的测点布置，并测设各测点的初始数据;
4) 按设计要求完成冠梁施工，并达到设计强度。
4． 2 基坑开挖具体方法
1) 基坑 － 2 层上部第一层( 1． 6 m 厚) 开挖用 EX200 挖掘机直接在基坑内挖土，自卸车直接在路基箱上退到基坑内运土出坑，开挖标高为 － 9． 5 m，与大基坑高差按 1∶ 1 放坡，坡底距冠梁边设置 1． 5 m 宽平台，组织 2 号线冠梁施工，冠梁采用 C30 早强混凝土浇筑，确保浇筑完 7 d 内，混凝土强度达到设计强度的85% ，使其具备安装钢支撑的条件，安装一道钢支撑;
2) 第二层 1 小层( 3 m 厚) 待支撑安装完成后，在钢支撑间沿横向方向设铺路基箱，作为挖掘机及自卸车行走道路，EX200 挖掘机退回基坑内挖土，自卸车由路基箱上退到基坑内运土出坑用;
3) 第二层 2 小层( 3 m 厚) 用 EX200 挖掘机站在基坑周边挖土，基坑内用铲斗容量为 0． 4 m3挖掘机喂土给基坑边上挖掘机，装车运土出坑;
4) 局部较深处，第三层开挖采用长臂挖掘机在连续墙外侧基坑边上，挖掘机长臂伸入基坑内挖土出坑，下部采用铲斗容量为0． 4 m3挖掘机负责水平方向集土工作，基坑外利用 －1 层基础承台架设 200 mm 厚路基箱作为运土道路，自卸汽车退至挖掘机装车位置，运土出基坑，运至弃土场;
5) 在各层每小段开挖时，均采用盆式开挖法施工; 先挖中间部位土方至设计开挖面，在连续墙边每侧留出 6 m 宽度土方，待中间部位土方开挖完成后，开挖两侧预留部位土方，每小段土方开挖至设计基坑底标高后，立即施工基础垫层及基础底板钢筋混凝土结构;
6) 在前期，站房 － 1 层土方开挖结束前，尽可能利用站房预留出土通道进行出土; 基坑内至基坑顶在基坑东南侧设置了 1 条进出坡道，最后基坑内剩余土方可由坡道运出基坑。
5 技术措施
5． 1 边坡稳定保证措施
1) 根据施工经验，分层开挖，放坡坡度，在即时开挖时，一般不小于 1∶ 3，本次施工采用 1∶ 2; 施工间隙时段过长时，坡度设为1∶ 3，层与层之间设置平台，平台宽度 3 m; 总放坡坡度约为 1∶ 4;2) 在冠梁顶上砌高 50 cm 的挡水墙，防止地表水流入基坑并用钢管架刷警戒漆做防护围栏; 3) 一般土质土坡，覆盖彩条布，让水直接流入排水沟以避免大量水渗入土中; 4) 在坡顶与坡脚处设置排水沟，及时用水泵抽水。
5． 2 土方开挖质量保证措施
1) 每层土方开挖前，降水必须把地下水位降到基底标高以下2 m ～ 3 m，并且土方达到相应的固结要求后才能开始开挖; 2) 挖土时防止超挖，水准仪随时测量挖土标高，严格控制土方开挖造成相邻区的土方高差; 3) 基坑开挖接近基坑底 300 mm 时，配合人工清底，不得超挖或扰动基底土; 4) 必须采用非对称开挖部分，建议对靠近地铁车站两侧土体进行加固，加固以深度 6 m，宽度 5 m左右为宜，待加固体达到一定强度后再开挖［8，9］。
5． 3 支撑体系、质量技术措施
1) 支撑体系要通过比较支撑刚度、挡墙刚度、开挖形状和土的力学性质等综合确定［10］; 2) 2 号线基坑设置 1 道钢支撑，采用Ф609 mm 钢管，在转角处设置厚为 300 mm 的钢筋混凝土角撑与钢支撑对应; 3) 钢支撑的施工要求紧随挖土的施工作业，随挖随撑，无支撑挖土的暴露时间控制在 8 h ～ 12 h 内，无特殊情况下，严禁超过 16 h 并根据情况制定应急方案，并且遵循先撑后挖的施工原则; 4) 每组钢支撑安装后必须施加预应力，预应力的施加严格按照设计要求进行。挖好每小段土方后，在 8 h 内安装好支撑，12 h ～ 14 h 内观测预应力损失及地下连续墙等围护结构水平位移情况，会同有关各方商定附加预应力的实施。
6 结语
1) 深大基坑工程开挖施工的主要参数为基坑规模、邻近环境要求、几何尺寸、支撑形式、开挖方式和地基条件等，其中最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖深度，以及每层开挖中基坑挡墙被动区土体开挖后、挡墙未支撑前的暴露时间。2) 地铁车站深大基坑工程开挖应考虑承压水的影响，要按照基坑降水方案，布置好降水井，实施降水。3) 深大基坑工程应遵循“先撑后挖”的施工原则，安装好钢支撑，按规定时限正确施加预应力。4)应用“时空效应”理论，采用“分区、分层、分段、对称、平衡”的开挖方法和“随挖随撑”的支撑方法，对称开挖对地铁车站结构更为有利，每层、每段均采用盆式挖土，能有效地控制基坑变形，保护周围建筑物、地下管线、邻近隧道等的安全，保证基坑土方的顺利开挖，缩短工期，降低成本，取得良好的社会效益和经济效益，值得同类工程借鉴。
参考文献:
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