軟土地區緊鄰地鐵站體超大深基坑“分倉法+盆式法+階梯法”土方開挖技術

□文/于峰 李卓文 初煥冰 王常旭 程子恒 魏恩娜

軟土地區緊鄰地鐵站體超大深基坑“分倉法+盆式法+階梯法”土方開挖技術

□文/于峰 李卓文 初煥冰 王常旭 程子恒 魏恩娜

以某臨近地鐵和重點保護性建筑超大超深基坑工程為例，詳細地介紹了軟土地區“分倉法+盆式法+階梯法”土方開挖技術及取得的成效。基坑施工中采用“分倉法”將整個大基坑分成四個小基坑，分區、分層、分塊采用“盆式和階梯式”進行開挖，保證了基坑及周邊建筑物的安全性，確保了地鐵的正常運營，取得了良好的效果。

超大深基坑；臨近地鐵；施工技術；“分倉法+盆式法+階梯法”

隨著城市化進程的不斷加快，城市空間的不斷縮小，城市建筑不斷向更高的天空和更深的地下方向發展，這就造成了越來越多的超大超深基坑土方開挖施工不斷增多，超大超深基坑土方開挖施工本就非常困難，而在建筑物密集、人口眾多、空間狹小的市中心施工，又對工程施工提出了更高的安全性要求，給施工造成更多的困難。如何在軟土地區且具有復雜周邊環境的市中心做好超大超深基坑土方開挖施工，是一個值得關注的問題。

1　工程概況

某軟土地區工程項目位于城市中心地段，為一大型商業購物中心，工程主體地上8層，地下5層，框架-剪力墻結構，建筑總面積為203 300 m2，其中地下總建筑面積為66 200 m2，地上總建筑面積為137 100 m2。地上建筑主體高度48.30 m，基底標高-19.060 m，局部最深處標高為-21.800 m。該工程基坑呈不規則矩形，基坑周長約為535 m，基坑開挖面積約為1.3萬m2。

2　工程地質概況

根據工程地質勘察報告，與土方開挖及降水工程相關土層主要為上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層，主要為雜填土、粉質粘土及粘土，該土層泌水性差、強度低且擾動后易形成“橡皮土”，見表1。

表1　土層分布情況

該工程場區與工程相關水層含水量豐富且基底距離第一承壓水層較近，見圖1。

圖1　水層分布

3　周邊環境概況

工程地處城市核心商業區，四周為市政道路，東側為市政主干道，西側為商業步行街，南側和北側為道路狹窄的單行道，周圍每天經過大量的人流車流。道路與基坑中間地帶地下存在大量市政管線，錯綜復雜，最近線路距離基坑僅僅1 m。

同時工程為一地鐵上蓋物業，約6 000 m2接建工程在地鐵上蓋進行施工，包含接建構筑物6棟，接建框架柱達108根，接建梁33根。工程基坑一側緊貼已運營的地鐵站，地鐵站體為地下3層車站，基坑埋深約21.46 m，盾構井埋深約22.61 m。該基坑與地鐵零距離接觸長度達213 m，中部僅間隔一道1 m厚地下連續墻，局部地下結構與地鐵站體連通。如此銜接緊密的結構關系，對該基坑施工提出了極高的要求，微小的基坑變形都可能影響到地鐵的安全穩定運營。

另外，該工程基坑處于兩座重點保護等級和兩座特殊保護等級歷史風貌建筑核心區。兩座特殊保護等級歷史風貌建筑緊鄰基坑，建筑物年齡均在80 a以上且距離基坑最近處僅為4 m；另外兩座重點保護性建筑與基坑隔街相鄰，見圖2。此四座歷史風貌建筑在歷史上都具有相當重要的意義，其中包括地標性建筑、歷史名人下榻旅館、國家級文藝匯演場所以及百年歷史老店。

圖2　周邊環境

4　土方開挖難點

4.1地處軟土地區

該工程位于華北地區，場地土質較軟，含水率高，開挖面積較大，土體隨時間的蠕變和基坑的空間效應明顯，即“時空效應”較強，整個基坑開挖期間會對周圍環境產生較大影響。

4.2緊鄰城市運營地鐵

該工程基坑緊鄰已開通運營的地鐵線路，地鐵隧道沿基坑東南側平行穿過，地鐵基坑埋深約21.46 m，盾構井埋深約22.61 m。基坑東側為該線路站體，站體為地下3層車站，已經投入使用。

基坑圍護結構地下連續墻與地鐵隧道最近處僅5.8 m，與地鐵站體最遠垂直距離約53 m，基坑與地鐵結構“零”接觸長度達213 m。該地鐵日均客流量達10萬人次，假日期間高達30萬人次。地鐵隧道對變形要求較高，基坑開挖需考慮對地鐵正常運營的影響。

4.3周邊歷史風貌保護建筑

工程位于“歷史文化保護區”的心臟地帶，周邊存在多處重點保護性建筑物，這些建筑均擁有80 a以上的歷史，均屬于該城市地標性建筑。這些建筑距離本工程基坑最近處僅有4 m，距離較遠的的也不超過20 m，土方開挖中基坑微小的變形將對建筑物產生不可忽視的影響。

4.4地處城市核心區，出土困難

該工程地處城市核心商業區，工程四周為市政主干道路和商業步行街，交通條件復雜，運輸路線及出土的時間受到限制，土石方外運只能安排在晚上進行，卸土點的選擇、運輸線路的優化和車輛分散與分流、交通線路的疏導等，是本工程交通組織的一大難點。

4.5存在不透水土層，土方開挖外運困難

該工程在標高-8.400～-13.900 m處存在一層淤泥質粘土，該土質呈褐灰色，軟塑狀，高塑性，滲水性極差，一旦擾動將形成“橡皮土”，通過基坑降水無法達到土方外運要求，是土方開挖外運的一大難點。

5　基坑“分倉法”技術

為有效解決工程土方開挖及外運困難的難題，經過分析研究和反復探索并借鑒其他工程經驗，在設計上采用了地下連續墻+鋼筋桁架內支撐+應力伺服系統鋼支撐的基坑支護形式。

1）圍護結構采用永久性地下連續墻。圍護地下連續墻厚度為1 m，混凝土強度等級為C35P8，共58幅，其中47幅深33.5 m，其余11幅深35 m，均為工字形型鋼接頭，基坑臨近地鐵側利用了地鐵原有的地下連續墻。將基坑內外分割開來，形成一個獨立的施工區域。

2）分倉設計采用臨時地下連續墻。臨時地下連續墻厚度為1 m，混凝土強度等級為C35P8，設計深度為33.5 m，接頭形式為鎖口管，共有25幅。臨時地下連續墻和永久地下連續墻共同作用將大基坑劃分為四個獨立施工區域。其中Ⅰ區基坑面積約為5 057 m2，Ⅱ區基坑面積約為5 907 m2，Ⅲ區基坑面積約為1 274 m2，Ⅳ區基坑面積約為814 m2。

3）鋼筋桁架內支撐+應力伺服系統鋼支撐支撐體系。根據劃分后的施工區域單獨施工水平支撐體系，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區每區各施工三道鋼筋混凝土桁架內支撐，Ⅲ區除首道撐采用鋼筋混凝土內支撐外，另有三道全自動軸力伺服系統鋼支撐，見圖3和圖4。實時進行24 h監測調節，高壓自動報警，低壓自動補償，最大程度減小基坑臨近地鐵的變形。

圖3　基坑分倉與首道支撐平面

圖4　I區、II區、Ⅳ區二、三道支撐及Ⅲ區二、三、四道支撐平面

6　土方開挖施工原則

1）結合基坑“分倉法”設計，根據各區域實際情況，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區采用盆式開挖，做好留土護壁，先撐后挖；Ⅲ區采用階梯式開挖，隨撐隨挖。

2）開挖前首先探明地下障礙物，開挖過程中遇到文物或不明物立即停止，與相關單位協調后再進行下一步施工。

3）基坑開挖必須在圍護墻及墻頂圈梁達到設計強度完畢后方可進行，要先探后挖，確保地下連續墻不滲漏方可進行開挖。

4）土方開挖遵循分層、分塊、對稱式的開挖原則，開挖至基底標高后及時澆筑混凝土墊層及基礎底板，以減少基坑大面積暴露時間，控制基坑的回彈隆起。

5）對于集水坑、電梯井等局部深坑的土方開挖須在主樓底板墊層澆筑完畢后方可進行，該區域土方開挖時應進行試探性開挖，其土方開挖及墊層施工須控制在12 h內。

6）Ⅲ區基坑平面形狀呈狹長條形，土方開挖采用分層、分塊階梯式進行，每小段長度一般不超過6 m，開挖時間和支撐的安裝控制在16 h內完成。

7）在基坑開挖過程中，采取有效措施，確保邊坡留土及動態土坡的穩定性；基坑內部臨時土坡坡度≯1∶1且在土方開挖過程中挖土最大高差控制在3 m左右，慎防土體的局部坍塌造成豎向支撐移位破壞、現場人員損傷和機械的損壞等工程事故。

8）土方分層開挖，每道支撐完成且結構強度達到80%后再開挖支撐下一層土方，開挖下一層土方時，將支撐底模完全拆除，避免底模掉落傷人或損壞機械。

9）土方開挖需密切關注基坑動態監測，第一時間收集各項監測信息，施工過程嚴格堅持信息化施工，以第三方監測數據為準繩，及時調整開挖范圍與速度。

10）土方開挖前，應做好降水工作，始終保持基坑內水位于開挖面以下1m左右。

7　土方開挖施工

土方開挖施工遵循先遠離地鐵，后靠近地鐵的原則，同時由于Ⅲ、Ⅳ區面積均較小，為加快施工工期，在確保安全的前提，采取Ⅲ、Ⅳ區基坑同時開挖并將Ⅲ、Ⅳ區之間臨時地下連續墻隨同土方開挖一并拆除，見圖5。

圖5　土方開挖步序

1）準備工作。施作基坑地下連續墻及分隔墻、布置降水井等。

2）開挖Ⅰ區基坑。Ⅰ坑開挖至第一道撐底，做第一道撐并開挖至第二道撐底面，做第二道撐并挖至第三道撐底面，做第三道撐并挖至坑底。

3）開挖Ⅱ區基坑。Ⅰ坑底板封閉，Ⅱ坑開挖至第一道撐底面；Ⅰ坑拆除第三道撐，Ⅱ坑做第一道撐并開挖至第二道撐底面；Ⅰ坑做B4層頂板并拆除第二道撐，Ⅱ坑做第二道撐并開挖至第三道撐底面；Ⅰ坑做B2層頂板并拆除第一道撐，Ⅱ坑做第三道撐并開挖至坑底。

4）開挖Ⅲ、Ⅳ區基坑。Ⅰ坑頂板封閉，Ⅱ坑底板封閉，Ⅲ、Ⅳ坑同時開挖至第一道撐底面；Ⅱ坑拆除第三道支撐，Ⅳ坑做第一道撐并開挖至第二道撐底面，Ⅲ坑階梯式開挖并進行鋼支撐安裝；Ⅱ坑做B4層頂板并拆除第二道撐，Ⅳ坑做第二道支撐并開挖至第三道撐底面，Ⅲ坑階梯式開挖并進行鋼支撐安裝；Ⅱ坑做B2層頂板并拆除第一道撐，Ⅳ坑做第三道支撐并開挖至坑底面，Ⅲ坑階梯式開挖完畢并完成所有鋼支撐安裝；Ⅱ坑頂板封閉，Ⅲ、Ⅳ坑底板封閉。

8　土方開挖施工技術

8.1盆式開挖施工技術

通過分倉后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區基坑的形狀大致呈長短邊相差不大的矩形，為有效減小基坑變形，保證基坑安全，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區采用盆式開挖。盆式挖土是先開挖基坑中間部分的土方，周圍預留反壓土土坡，做好留土護壁，待中間位置土方開挖完成支撐施工完畢或墊層封底完成后或底板完成具備周邊土方開挖條件時，進行周邊土坡開挖。

由于基坑開挖較深，結合內支撐施工需要，將Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區土方分為四層開挖。同時，根據每個區域的具體情況，考慮到Ⅰ、Ⅱ區面積較大及流水施工的需要，Ⅰ區分成了三個小區域施工，Ⅱ區分成了兩個小區域施工，Ⅳ區由于面積較小，不做另外分區，每個小坑均遵循盆式開挖的原則，每段開挖出內支撐施工作業面后，及時插入內支撐的施工，見圖6和圖7。

圖6　I區、II區、Ⅳ區盆式開挖分層

圖7　I區、II區、Ⅳ區盆式開挖分塊

以I區為例，介紹盆式法土方開挖施工工藝，I區盆式開挖具體分塊見圖8。

圖8　I區盆式開挖具體分塊

1）首步土開挖。首步土標高為-0.600～-2.400 m。土方開挖前先選一些可能存在風險的點位進行探挖，觀察探挖情況，確定無滲漏、積水現象后再進行開挖，后續土方開挖時也必須遵循探挖的原則。

正式開挖時，采用2臺SK330級挖掘機先開挖無支撐區域的1-1部分，出土車輛站在1-2C和1-3C處；待1-1挖掘到設計標高后，按照1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C的順序依次開挖，每開挖出一段基坑立即插入內支撐和棧橋板施工，盡快形成封閉支撐體系；第一流水段挖完后，按照2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的順序依次開挖第二、三流水段，及時完成支撐施工。

2）首道撐施工。內支撐及棧橋板施工緊隨土方開挖，減少基坑暴露時間。

3）二步土開挖與二道撐施工。二步土標高為-2.400～-8.400 m，二步土開挖應待首道撐棧橋板強度達到100%后方可開挖；二步土開挖時采用2臺SK330級挖掘機于棧橋板上開挖，出土車停放在靠近第二流水段的棧橋上，首先開挖1-1，將1-1開挖至設計標高，四周做好留土護壁，形成盆式，接著按照1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C的順序依次開挖，開挖時采用4臺PC120挖掘機將土方倒運至1-1由SK330級挖掘機挖土裝車外運，每開挖出一段施工面及時插入內支撐施工；開挖第二、三流水段按照2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的順序采取盆式依次開挖，其中開挖第二流水段時采用3臺SK330級挖掘機和6臺PC120挖掘機，開挖第三流水段時采用2臺SK330級挖掘機和4臺PC120挖掘機。

4）三步土開挖與三道撐施工。三步土標高為-8.400～-13.950 m，三步土開挖時依然按照1-1→1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C→2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的順序采取盆式開挖；三步土開挖時由于深度較深，普通挖掘機已經不能滿足施工要求，SK330級挖掘機換成了2臺EX270LC長臂挖掘機，坑內采用了6臺PC120挖掘機進行開挖及倒運；三步土開挖時遭遇到不透水或難透水的土層，導致降水井降水不能達到要求，土中含水率較高，無法外運，為保證土方順利外運，工程對其摻入生石灰來達到降低水分的作用，灰土比為2∶8，以滿足土方外運；同時土方開挖過程中及時做好支撐施工的插入。

5）四步土開挖。四步土標高為-13.9500～-19.060 m，四步土開挖時依然按照1-1→1-2A→1-2B→1-2C→1-3A→1-3B→1-3C→2-1→2-2A→2-2B→2-3→3-1→3-2的順序采取盆式開挖；最后一步土開挖時，由于基坑深度較深且存在大量樁頭，給土方開挖造成很大難度，因此工程采用8臺PC60小挖掘機主要負責挖土，4臺PC120挖掘機負責土方開挖及倒運，2臺SH200主要負責坑內倒運土方，將土堆放到1-1、2-1區域，最后由2臺EX270LC長臂挖掘機進行挖土裝車。

6）底板施工。土方開挖至指定標高位置后，施工人員及時插入進行清槽、墊層、防水、底板施工，減少基坑暴露時間。

8.2Ⅲ區階梯式開挖施工技術

通過地下連續墻分倉后，Ⅲ區形成了一個狹長型的基坑，結合應力伺服系統鋼支撐安裝方便的特性，同時考慮減小靠近地鐵側基坑的變形，Ⅲ區土方開挖采取階梯式對撐開挖，隨挖隨撐，充分利用基坑時空效應，降低基坑變形，保證基坑安全。階梯式對稱開挖為先將基坑分層、分塊，分成一段段長條形，見圖9和圖10。

圖9　三區土方分段開挖

圖10　三區土方階梯式開挖

開挖時，按照每段寬6 m（局部根據支撐位置調整）、厚3 m，從兩端對稱開挖，每小段在16 h內開挖完畢并支撐，無支撐暴露時間最多不能超過24 h。開挖至基坑底標高后應及時插入墊層及底板的施工，減少基坑暴露時間，保證基坑安全。采用1臺SK330級挖掘機停在Ⅲ區基坑中部進行挖土裝車，兩端分別采用PC120挖掘機挖土倒運并根據開挖深度及區域增添PC120挖掘機數量。

9　基坑、地鐵及周邊環境變形

9.1基坑變形

在土方開挖的過程中，通過對坑外降水井、地下連續墻深層水平位移及頂部水平位移、支撐立柱豎向位移等進行的每天一次的監測結果顯示，土方開挖期間，坑外降水井的水位基本穩定，無太大變化，基坑內無明顯滲漏情況；在通過分倉+盆式+階梯式開挖的條件下，地下連續墻水平位移及墻頂水平位移，均在可控的范圍內；立柱的隆起是由于基坑底部土體卸載回彈所引起的，其變化在一定程度上反映了基底土體卸載回彈情況。開挖之后隨著底板的澆筑，基坑底部土體的回彈受到抑制，加上底板自身的質量，土體發生一定程度的沉降，立柱也隨著沉降。

9.2地鐵變形

對地鐵軌道及站體設置了多個監測點位，對盾構隧道水平及豎向位移、變形縫相對沉降、隧道收斂、車站側墻水平位移、軌道橫向差異沉降等進行了每天一次的監測，見表2。

表2　地鐵監測結果mm

其中，地鐵結構與隧道的變形位移主要是由于基坑開挖過程中基坑圍護結構內移與土體卸荷引起的，地鐵結構與盾構隧道與開挖基坑距離很近，故對基坑變形極其敏感，通過監測數據顯示，“先遠離地鐵，后靠近地鐵”的“分倉+盆式+階梯式”基坑開挖方式大大減小了地鐵結構與盾構隧道的變形，使變形值均在可接受的范圍內，確保了地鐵軌道的正常運營。

9.3周邊建筑變形情況

在保護建筑內設置了對監測點位，每天一次監測，以便及時調整開挖方式與位置，保證建筑安全。事實證明，通過“分倉+盆式+階梯式”土方開挖的施工方式，很好減小了基坑及周邊建筑的變形，使周邊建筑處于安全使用狀態。

10　結語

該基坑工程開挖面積大，深度深，臨近市中心軌道交通線運營地鐵，周邊環境復雜，歷史保護性建筑多。工程采用“分倉法”將基坑分成四個獨立的小坑，再加上采用“盆式+階梯式”開挖方式，考慮軟土地區土體的流變性，充分利用基坑開挖的“時空效應”原理，有效的確保了地鐵與周邊保護性建筑的安全，取得了良好的效果。

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□李卓文、初煥冰、王常旭、程子恒、魏恩娜/中建一局集團建設發展有限公司。

TU753

C

1008-3197（2016）02-07-06

2016-01-18

于峰/男，1979年出生，高級工程師，中建一局集團建設發展有限公司，從事工程技術管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.003