深基坑支护结构的施工技术选择分析
摘 要： 本文根据北京地铁 14 号线工程的施工中出现的问题，总结地铁深基坑支护体系采用两种结构形式的施工经验，通过施工方案对技术质量控制、成本控制方面的对比总结深基坑支护结构的施工选用的方案注意事项，为地铁施工方案制定提供依据。
关键词： 深基坑支护结构；技术经验总结与分析；施工方案制定
1 工程概况与设计参数对比
沈阳地铁二号线一期崇山路站二号风井采用明挖法施工，明挖基坑采用钻孔桩+钢支撑体系围护结构进行施工。钢支撑分为直撑和斜撑两种，钢管支撑端部分别固定在型钢围檩上。基坑设七层钢支撑，钻孔灌注桩桩顶均设置钢筋混凝土冠梁。
设计参数：风井围护结构外轮廓为 17.2×7.5m，开挖深度 29.985m。二号风井明挖结构围护桩为ɸ800mm 钻孔桩，间距 1.2m，共 40 根，单根长 35.685m，桩顶设计钢筋混凝土冠梁，截面尺寸为 800mm×800mm。风井内支撑采用ɸ609，t=14 钢管支撑。见图 1。
北京地铁 14 号线工程大望路站 2 号施工竖井结合车站 2 号风道设置在车站主体北端西侧，竖井平面形状为矩形。采用倒挂井壁法分部施工。竖井中间位置设置南北向两道、东西向一道中隔墙。井口设置钢筋混凝土锁口圈梁。
设计参数：竖井初支结构外轮廓为 15.36×12.76m，深28.388m。竖井初期支护 400mm 厚，由喷射混凝土、双层钢筋网及钢格栅组成，中隔墙由 20a 工字钢ɸ22 连接筋、挂双层钢筋网并喷射混凝土组成。井底采用钢格栅+喷射混凝土铺底封闭，锁口圈梁断面尺寸为 1500mm×1200mm。见图 2 所示。设计概况见图 2 所示。
2 施工流程与施工方案对比
2.1 施工工艺流程如下图所示：
沈阳地铁二号线一期崇山路站二号风井施工流程与北京地铁 14 号线工程大望路站 2 号竖井施工流程见图3、图 4 所示。
2.2 施工方案 沈阳地铁二号线一期崇山路站二号风井施工方案具体如下：
①施工准备：前期施工场地平整；施工机械、材料、人员进场。
②钻孔灌注桩施工：钢筋笼加工；泥浆池开挖与泥浆制备；埋设护桶；钻机调整就位；钻孔至设计深度；清孔；吊装钢筋笼；灌注水下混凝土。
③桩顶冠梁施工：开挖土方；破除桩头、整平桩顶；清洗、整平桩顶钢筋；绑扎冠梁钢筋；安装模板；浇筑混凝土；养护、拆模。
④龙门吊安装；竖井挡水墙及护栏施工；竖井周边降水施工。
⑤竖井开挖：竖井开挖遵循“分层开挖、随挖随撑”的开挖原则，开挖土方时，跟进桩间喷锚支护，开挖至每层钢支撑设计标高时，及时安装钢围檩与钢支撑并施加预应力，遵循此过程开挖竖井。
⑥竖井封底施工。
北京地铁 14 号线工程大望路站 2 号竖井施工方案具体如下：
①施工准备：前期施工场地平整；施工机械、材料、人员进场。
②锁口圈梁施工：开挖土方；清理梁底；绑扎冠梁钢筋；安装模板；浇筑混凝土；养护、拆模。
③龙门吊安装；竖井挡水墙及护栏施工；竖井周边降水施工；钢格栅、网片加工等。
④竖井开挖：采用倒挂井壁法分六部开挖竖井并施作初期支护，竖井开挖支护遵循“垂直分层、环向分部开挖，随开挖随支护，及时封闭成环”原则。开挖土方后及时安装格栅，焊接连接筋，挂设网片，喷锚施工，遵循此过程开挖竖井。
⑤竖井封底施工。
3 两种结构形式施工对比总结
3.1 技术质量控制要点对比 采用钻孔桩+钢支撑体系施工基坑的主要控制要点为：
3.1.1 钻孔桩是整个基坑的围护结构，钻孔桩各个工序的质量控制尤为重要，主要控制要点有：①钻孔深度：采用测绳、长卷尺检查控制，钻进至设计深度后，及时下放导管进行清孔，保证孔底的沉碴厚度符合设计要求。②钻孔直径：检查钻机自身携带钻头直径。③桩钢筋笼的加工质量：钢筋加工按设计施工。④吊装钢筋时各节钢筋笼的连接质量：有焊接与直螺纹连接两种形式。⑤水下灌注混凝土质量：分混凝土质量与灌注质量，混凝土通过试验方法检查；灌注混凝土时，计算好导管长度与浇筑混凝土高度关系，导管埋入混凝土深度约 2m左右。
3.1.2 钢支撑是基坑的内支持体系，对控制基坑收敛与地表沉降起重要作用，主要控制要点有：①钢支撑与钢围檩加工质量。②钢围檩托架安装：钢支撑与钢围檩的自身重量全部靠托架支撑，托架安装质量关系到整层钢支撑体系的稳定与安全，一般采用膨胀螺栓将托架安装在钻孔桩上。③钢支撑安装：钢支撑的一端为活络头，活络头伸缩范围 10cm 左右，钢支撑与活络头的拼装长度误差控制在 20mm 左右，钢支撑的预应力施加过程中，为了防止预应力损失，钢支撑预应力应分级施加，重复进行。分三级进行，第一级施加到设计预应力的 50%，检查钢支撑的接点和受力偏心情况，检查无误后，施加第二级预应力至设计 80%，同样观察钢支撑的情况，检查无误后，第三级将钢支撑预应力施加到设计值，三次施加预应力时间间隔在 10 分钟左右。预应力施加到设计值时，应再次检查各连接点的情况，必要时对节点进行加固，待压力稳定（持续 10 分钟）后锁定，用钢锲块撑紧端头处的缝隙并焊牢。然后回油松开千斤顶，解开起吊钢丝绳，完成这根钢支撑的安装。
3.1.3 基坑开挖：基坑开挖要点为：①分层开挖：根据地质情况及时进行桩间网喷，避免土体从桩间塌落，造成背后土体扰动或空洞。②及时安装钢支撑与钢围檩，基坑开挖至各层钢支撑标高时，要及时安装钢支撑与钢围檩，否则对基坑自身结构安全性造成隐患，并且由于开挖深度大而造成钢支撑安装难度与人员操作危险性增加。
采用钻钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井主要控制要点为：
①钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土结构形式竖井，格栅加工与安装的质量是重要控制环节。主要有：1）钢格栅加工：做到尺寸准确，弧形圆顺；钢筋焊接（或搭接）长度满足设计要求，钢架两侧对称焊接成型时，钢架主筋中心与轴线重合，接头处相邻两节圆心重合，连接孔位准确。2）钢格栅安装：由于本案竖井平面尺寸较大，竖井分 6 洞室开挖。格栅安装累计误差较大，安装误差直接导致各节格栅节点处的螺栓无法连接，所以要求值班技术员要严格控制好安装尺寸。3）型钢支撑：竖井净空尺寸大，采用工 20a工字钢作为内支撑以增强竖井结构稳定。内支撑安装要垂直于井壁格栅，使其轴心受压。
②竖井开挖：1）竖井开挖时先开挖井口中间土体，再掏槽开挖格栅安装位置，并及时安装格栅喷锚，尽量减少掌子面暴露时间，及时封闭成环。2）每次开挖深度根据设计格栅间距，满足操作空间即可，减少深度超挖，造成施工操作不便，并增加掌子面土体坍塌的危险性。
③其他常规控制要点：1）喷射混凝土配合比控制，采用自动配料机电子称控制砂石料与水泥的配比，经常检修搅拌机系统的运行状态，喷锚时检查操作司机的严谨性。2）格栅连接是结构的薄弱环节，检查格栅各个节点处的连接质量。3）及时回填注浆，填充由于结构自身变形或坍塌造成的背后空洞，加固竖井背后土体。4）连接筋、网片安装质量：根据规范要求施工，网片安装一定要紧贴格栅主筋并安装牢固，因竖井喷锚后由于混凝土自重，在凝固前易将网片挤压变形，造成结构侵限，同时初支背后产生空洞。
3.2 施工成本分析 采用钻孔桩+钢支撑体系施工基坑施工成本分析总结：
①钻孔桩施工：钻孔桩施工钻孔过程中，受不良水文地质层，易产生斜孔、弯孔、缩颈、塌孔等情况，直接造成混凝土超方，造成浪费。根据沈阳地铁砂质地层经验，每根钻孔桩混凝土设计量为 18m3，然后由于在钻孔过程中砂质地层易出现坍塌，40 根桩实际浇筑方量约 21m3，总共造成了约 120m3混凝土的浪费。同时，在基坑开挖过程中对于侵限桩体要进行凿除，增加施工人员工费与破除混凝土量，并对施工进度产生一定的影响。
②基坑喷射混凝土：钻孔桩+钢支撑体系主要受力结构为钻孔桩与钢支撑，喷射混凝土仅起到稳定桩间土体左右，通常设计厚度较薄约 10cm，工程量少。然而实际施工过程中由于桩体为混凝土形式，且桩间喷射厚度太薄，造成大量的回填料，远超规范要求的侧墙喷锚不大于 15%回填量。
③钢支撑与钢围檩：相比于其他内支撑体系，钢支撑的使用具有一定的灵活性，根据竖井施工工期，为节约成本，可采用租赁与采购两种形式。沈阳地铁崇山路站主要采用租赁形式，部分采用采购加工，起到了很好的经济效益。
采用钻钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井施工成本分析总结：
①钢格栅与型钢支撑：各种钢材基本采用采购形式，并集中加工成型，各类钢材按设计施工，没有可节余空间。然而用工字钢作为内支撑的临时结构，在二衬结构施工时需要破除，破除后的工字钢能保持其完整性，可以二次回收利用。
②其他材料：墙体喷射混凝土厚度较厚，回填量少，处于可控状态。但是，受地质层的影响，砂质地层易造成塌落，超挖现象，对喷射混凝土有一定的浪费。
3.3 施工进度分析 采用钻孔桩+钢支撑体系施工基坑施工进度总结：
①工序衔接影响：采用钻孔桩+钢支撑体系施工基坑，施工工序较多，对施工进度产生一定影响。例钻孔桩主要流程为: 埋设护桶→钻机调整就位→钻孔至设计深度；清孔→吊装钢筋笼→灌注水下混凝土，各种工序衔接时都有不同程度的时间耽搁。
②施工场地内需要材料存放、钢筋笼加工、泥浆池、临时板房等场地，同时还需要提供钻机、吊车、小挖机等机械存放场地，灌注混凝土时还要有良好的罐车运输通道。若施工场地宽敞，可以多台钻机同时作业，能有效的加快施工进度；相反，若施工场地狭小，则需要各种施工机械频繁进出场，并且造成相互干扰影响，对施工进度起到了反面影响，制约了施工进度。
采用钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井施工进度总结：
①传统的钢格栅+喷射混凝土形式的竖井，施工工艺非常成熟，施工工序工艺相对而言较为简单，一般同一班组工人完全能够完成整个循环作业。施工时，各工序能顺畅衔接，没有浪费施工时间。
②传统的钢格栅+喷射混凝土形式的竖井，施工场地大小对其进度影响不大。
对比分析：
竖井开挖前准备阶段：采用钻钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井，除了锁口圈、龙门吊等必须的施工前提，没有其他工作内容，前期施工准备较简单。而桩撑结构的明挖基坑，需要施工钻孔灌注桩施工，推后了基坑开挖时间。
竖井开挖阶段：采用钻钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井，竖井开挖阶段只能按格栅间距循环作业，一般采用人工开挖，施工进度没有太大的扩展空间；而桩撑结构的明挖基坑根据净空尺寸大小，通常可以使用一台或多台挖机等机械同时作业，能加快开挖进度。
竖井开挖后阶段：采用钢筋格栅+型钢支撑+喷射混凝土形式的竖井，在竖井封底后，能马上组织进行马头门破除，并施工横通道，能快速进入车站主体施工。而桩撑结构的明挖基坑，由于钢支撑的影响，往往需要做完竖井二次衬砌结构后才能破除马头门，进入横通道，再施工车站主体，相对较慢。
4 结束语
目前国内城市地铁建设飞速发展，施工方案选择对地铁项目的质量、效益、进度起关键作用。本文通过对沈阳地铁二号线一期崇山路站二号风井与北京地铁 14 号线工程大望路站 2 号竖井的工程实践，对该两种方案进行了技术质量、成本和进度的对比与总结。两种方案都是目前常用的竖井施工方案，但是方案的选择受其不同的水文地质、市场环境、地理位置等各方面的影响，最终方案的选择，应在结合其项目的实际条件进行方案的比选、论证后，才能确定。
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