城市軌道交通車站大尺寸深基坑工程中的盆式開挖逆作法技術*

曾鐵梅 吳賢國 李博文 陳虹宇 張立茂

(1．武漢地鐵集團有限公司，430030，武漢；2．華中科技大學土木學院工程管理研究所，430074，武漢；3. 紐卡斯爾大學，2299，澳大利亞 紐卡斯爾//第一作者，高級工程師)

近年來，針對逆作法施工的相關研究工作涵蓋了基礎理論研究、計算分析軟件的編制與應用，以及與設計施工相結合的反演、預測、試驗等工程應用研究。實踐證明，在地鐵施工過程中采用逆作法作業能夠降低工程建設在支撐或錨桿結構方面的成本支出，把支護結構的變形控制在合理范圍內，以及大幅減小對相鄰建筑物的影響，實現降低工程造價、優化項目經濟效益、減小支護變形等目的。逆作法在施工工藝與目標實現等方面較其他施工工法更為先進，但目前對逆作法施工的應用還存在著較多方面的制約，理論支撐的缺位致使工程實踐中問題頻發，這成為制約逆作法技術應用于工程實踐的客觀因素。

本文基于武漢軌道交通商務區站深基坑逆作法工程，利用有限元分析探討了該工程支撐方案選型，針對逆作法施工挖土時間較長以及施工組織較為復雜等問題，提出更為優化的方案。

1 工程概況

商務區站為武漢軌道交通3號線一期工程與7號線的十字交叉換乘站。車站位于漢口王家墩中央商務區核心區域下沉廣場下方，車站為地下四層站。負一、二兩層為矩形平面，平面尺寸為205 m×137 m，地下三層為3號線站臺層(標準段寬32.9 m)和3號線、7號線設備層(標準段寬52.1 m)的十字交叉基坑；地下四層為7號線站臺層(標準段寬52.1 m)，站臺層兩側為黃海路隧道。負一層是下沉式廣場，廣場中央為直徑為23 m的半圓形穹頂，負二層為商業區及3號線、7號線站廳層，在站廳層中部，半圓形穹頂區域內無梁無柱，形成一個通透空間。該站是王家墩中央情況商務區的重要換乘車站及極具觀賞特色的車站。

地基土屬中軟場地土，場地土層分布情況如表1所示。

表1 武漢市商務區站場地土層分布情況表

在該場地中，地下水主要為上層滯水和層間承壓水。上層滯水主要賦存于雜填土和粉土層中，承壓水為主要地下水類型，賦存于粉質黏土、粉砂互層和粉細砂層中。

2 工程特點及施工方法選擇

2.1 工程特點

商務區站基坑工程的主要特征總結如下：

(1) 工程處于典型的長江漢口地區一級階地地層，土質條件差；

(2) 基坑平面尺寸較大，深度較深，且坑中坑較多；

(3) 基坑坑邊為武漢中心高428 m的超高層建筑，該建筑的地下室距離車站基坑地下連續墻約32 m。

由于該站平面形狀類似于正方形，平面長、寬尺寸太大，工程位于長江一級階地，所處的地質條件很差，因此對車站基坑支護系統設計帶來很大困難。該基坑工程短邊長度大于100 m，長邊長度大于200 m，如果采用內支撐，需設較多立柱，支撐截面也較大，導致水平支撐構件斷面尺寸和自重較大，以及施工工期加長；如采用不設內支撐的懸臂支護樁或者樁錨體系，由于地質條件差，且工程周邊有在建建筑，導致工程無法實施。

2.2 施工方法選擇

2.2.1 施工方法分析

蓋挖逆作法是在基坑施工過程中將結構板作為支撐結構的一種基坑施工方法。由于結構板剛度較大，基坑安全優勢較明顯，因此能節省大量的臨時混凝土支撐，以及節約施工工期，但施工難度較明挖方案較高。本站采用蓋挖逆作法施工時，需要重點考慮的問題包括：①施工過程中圍護結構與主體結構的安全問題；②結構柱形式的選擇及定位；③主體結構防水層的設計和施工；④針對如此大面積的基坑，如何安全快速出土的問題。

經多方研究比較，最終采用了明挖順筑與蓋挖逆筑的盆式開挖法施工。該施工方法以車站結構板在水平向的整體剛度取代水平支撐體系，主體結構采用逆作法施工，既減少了工程量，又節省了施工工期，同時還為土方開挖和材料運輸提供了空曠空間。

傳統的蓋挖逆作法中，各層結構板可作為基坑的水平支撐。由于結構板上預留出土孔，加之車站基坑面積大，同時又是地下四層，若單純利用出土孔出土，出土效率不高，影響工期。考慮到其地下一層和二層為矩形基坑，若將地下一層進行放坡，地下二層利用環板(主體結構板的一部分)支撐，中間留出矩形出土區域，并在環板上的適當位置預留孔并結合永久孔出土，這樣出土效率會大幅提高。但也隨之帶來了一個問題：對環板而言，最不利工況為當基坑開挖到地下二層，且地下二層的結構板未施做的情況下，環板能否抵擋基坑側向水土壓力及地面超載，需要對施工過程中環板結構的安全性進行詳細分析。

2.2.2 支撐方案選擇

選取兩個方案對環板支撐進行了對比分析。方案一為三跨板一字梁帶結合桁架撐方案(見圖1)，方案二為四跨板帶井字梁方案(見圖2)。對這兩個方案采用三維載荷結構有限元模型進行了最不利工況下的結構分析。計算結果表明，兩個方案均能滿足基坑及環板的安全與穩定要求。其中，方案一中地下連續墻的水平位移為13.3 mm，桁架撐全部處于受壓狀態，最大軸力標準值為4 740 kN；地下連續墻的最大彎矩為596 kN·m。按照計算結果，方案一的桁架撐需要采用較大的截面，這對后期結構板的施工有較大影響，因此環板需要可靠的傳力節點設計。方案二的計算結果顯示，采用四跨并取消桁架撐后，地下連續墻兩個水平方向的最大變形分別為7.9 mm和10.7 mm，結構柱的最大側向變形約為6 mm，地下連續墻的最大彎矩521 kN·m。通過分析比較，方案二優勢較為明顯，因此對于盆式開挖預留環板的支撐設計，推薦選用方案二。

圖1 盆式開挖方案一(三跨板一字梁帶結合桁架撐)

圖2 盆式開挖方案二(四跨板帶井字梁)

3 基坑施工方法

3.1 施工步驟

商務區站盆式開挖基坑工程的施工具體步驟為：

(1) 平整場地、打設降水井。

(2) 依次施作導墻、水泥土攪拌樁止水帷幕、地下連續墻、抗拔樁、主體結構柱和臨時格構柱等，以及對基坑進行降水作業。

(3) 放坡開挖地下一層，待放坡施工完畢后，開挖土方至基坑地下一層結構板處，施作地下一層環板及角部桁架支撐。

(4) 繼續向下開挖土方至基坑地下二層結構板處，施作車站和物業區地下二層底板和側墻。

(5) 通過地下二層結構板上的預留孔，繼續向下開挖車站基坑土方至地下三層結構板處，施作地下三層底板和側墻。

(6) 通過地下三層結構板上的預留孔，繼續向下開挖基坑土方至基坑底，并在車站兩端頭預留反壓土；再依次施作接地網、墊層、底板防水層和底板；待兩端頭臨時鋼管斜撐施工完畢后，開挖預留反壓土體，完成整個底板的施工，然后拆除臨時鋼管斜撐。

(7) 依次施作地下一層及以下各層剩余梁、板結構，以及施作地下一層側墻防水、側墻和頂板。

(8) 對放坡進行回填，拆除臨時格構柱，施作站臺板和軌頂風道等內部結構，回筑施工預留孔洞；待盾構始發后，回筑盾構吊入孔，并施作頂板防水層，以及對覆土進行回填，并停止施工降水。

3.2 基坑施工注意問題

(1) 長江漢口地區為一級階地地層，土質條件差，當位于軟土地區的基坑工程進行逆作法施工作業時，考慮到土體流變的影響，支護結構墻體變形和立柱沉降與開挖時間成正相關。因此，為了將施工中支護結構墻體變形、立柱/樁與墻間的沉降差異控制在合理范圍內，并減小施工對周圍環境的影響，應盡可能縮短深基坑逆作法暗挖土方的開挖時間，以及在每層土體開挖到相應標高時及時澆筑梁板結構。

(2) 當采用逆作法技術進行施工作業時，混凝土樓板/梁的澆筑工作在每一個挖土工況完成后進行。經凝結硬化后，混凝土樓板/梁對基坑壁形成強有力的支撐，但相較于鋼管支撐等水平支撐，混凝土達到相應剛度所耗費的時間更長。在混凝土樓板/梁的剛度尚未完全形成之前，土體由于流變往往會發生較大的位移。為了使混凝土樓板結構在盡可能短的時間內達到相應要求的剛度，盡早對土體形成強有力的支撐，在逆作法作業中，地下室樓板宜采用早強混凝土。

(3) 當逆作法施工采用盆式開挖法挖土時，最大位移出現在地下連續墻墻頂處，此時應在確保將墻頂位移控制在合理范圍的前提下，基于首層土的開挖深度，確定盆式挖土預留土體的經濟寬度。針對逆作法盆式開挖不同坡肩寬度下地下連續墻的位移變化情況，采用有限元法進行了研究。以往的工程經驗表明，當軟土區首層土盆式開挖深度取6.5 m、坡肩寬度取6.0 m時，即可實現將地下連續墻的變形控制在合理范圍內的目的。

(4) 在逆作法作業中，當采用盆式開挖法進行土方開挖時，預留土體對地下連續墻具有一定的支撐作用，不但能控制墻體本身水平位移的發展，有效減小位移值，還能減輕施工人員暗挖土方的工作量，進而縮短工期和節約工程成本。

(5) 由于進行暗挖施工時的作業面較小，在空間上限制了大型機械的使用，具體的施工操作主要還是依賴人工作業，加之施工組織較為復雜，因而作業持續時間往往較長，工作效率不盡理想。因此，在進行暗挖前，為確保挖土工作的順利開展和提高工作效率，應在施工前充分作好挖土施工組織設計；在施工方法選擇上盡量采用流水施工，可將基坑進行分段施工，即基坑每挖完一段，結構施工跟進一段，這樣可縮短開挖面的暴露時間。

(6) 基于車站所處的地質條件以及基坑本身的結構特點，對中間支撐柱采用下部定位器加上部絲杠的方法進行定位。其中，定位器對鋼管柱下端進行定位，絲杠則對其上端進行定位，以減小施工偏差，方便施工操作，以及節約工程成本。

(7) 在采用逆作法進行施工作業時，混凝土采用后填的方式，致使混凝土在澆注完成后會因沉降和收縮在其上方形成空隙，并在接頭表面產生析水或聚集氣泡，極易造成結構和防水的缺陷。因此，為減小逆作法施工帶來的這一不利影響，在進行節點連接時，采用充填法進行施工，即后澆混凝土澆搗完畢后，將接縫下方5～10 cm厚的混凝土浮漿層清除掉，然后在此處注入充填材料。

(8) 針對施工過程中的防水措施，車站的主體結構及附屬結構以混凝土自防水為主，即防水措施主要著眼于提高防水混凝土的防水抗裂性能，同時應附加外防水層。

4 結論

(1) 針對于平面形狀類似于正方形，且平面的長度和寬度尺寸太大，所處地質條件很差的基坑工程，如果采用內支撐結構體系，需設置較多立柱，導致水平支撐構件斷面增大、自重增大和施工工期加長；如采用不設內支撐的懸臂支護樁或者樁錨體系，由于地質條件較差，且工程周邊存在在建建筑，導致工程無法實施。采用明挖順筑與蓋挖逆筑的盆式開挖法施工時，以車站結構板在水平向的整體剛度取代水平支撐體系，以及主體結構進行逆作法施工，既減少了工程量，又節省了施工工期，同時還為土方開挖和材料運輸提供了空曠空間。

(2) 采用四跨板帶井字梁方案時，桁架撐兩個水平方向的最大變形分別為7.9 mm和10.7 mm，結構柱的最大側向變形約為6 mm，地下連續墻的最大彎矩為521 kN·m；采用三跨板一字梁帶結合桁架撐方案時，地下連續墻的水平位移為13.3 mm，桁架撐全部處于受壓狀態，最大軸力標準值為4 740 kN，地下連續墻的最大彎矩為596 kN·m。由此可見，前者所需截面更小，對后期結構板的施工影響亦較小。

(3) 在逆作法作業中，當采用盆式開挖法施工時，最大位移出現在地下連續墻墻頂處，此時應在確保將墻頂位移控制在合理范圍的前提下，基于首層土的開挖深度，確定盆式挖土預留土體的經濟寬度。當位于軟土地區的基坑工程進行逆作法施工作業時，考慮到土體流變的影響，支護結構墻體變形和立柱沉降與開挖時間成正相關。因此，在土層開挖完成后，地下結構的施工應即時跟進，盡量縮短開挖面的暴露時間。

通過合理組織施工，該工程得以有效實施，并取得了很好的效果。武漢軌道交通商務區站作為武漢市首個采用盆式開挖逆作法施工的地下車站，為以后大平面的基坑支護方案提供了新的設計思路，可對后續類似的工程項目提供借鑒。