粉細(xì)砂地層地鐵車站附屬二次基坑開挖支護(hù)工藝研究

任巍杰

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030032）

1 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的城市開始修建地鐵。基坑工程的施工是地鐵建設(shè)的重要部分[1]；對(duì)此，大部分車站采用明挖法施工。除車站深基坑外，其他各類設(shè)施的建設(shè)也涉及到基坑開挖施工。在地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)施工中通常會(huì)設(shè)計(jì)在開挖水平以下繼續(xù)開挖二次基坑施作廢水池、集水坑或泵房等結(jié)構(gòu)[3]。而在粉細(xì)砂地層中施工二次基坑不僅場(chǎng)地受限，且開挖容易引起涌水涌沙，可能造成基坑坍塌，風(fēng)險(xiǎn)較大[4]。

目前基坑開挖支護(hù)工藝已相當(dāng)成熟[2]，常見(jiàn)的基坑支護(hù)工藝包括排樁、地下連續(xù)墻、水泥擋土墻、土釘墻、逆作拱墻、原狀土放坡、樁/墻加支撐系統(tǒng)、簡(jiǎn)單水平支撐、鋼筋混凝土排樁或采用2 種以上方式的合理組合等[5-6]。受工作面及施工成本等因素的影響，以上方法均不適用于附屬結(jié)構(gòu)二次基坑支護(hù)。根據(jù)以往施工案例，有些施工單位會(huì)采用二次基坑周邊承插鋼管或小型型鋼進(jìn)行支護(hù)，但效果并不理想[7]。本課題的研究目標(biāo)是制定并實(shí)施一種適用于粉細(xì)砂地層地鐵附屬結(jié)構(gòu)狹窄場(chǎng)地的基坑支護(hù)工藝技術(shù)，要求其施工簡(jiǎn)單，效果明顯，工期短，成本低。另外，還需探索相關(guān)措施，以減少基底涌水涌沙對(duì)基坑開挖及后續(xù)施工的影響，改善作業(yè)環(huán)境[8]。

2 工程概況

太原地鐵2 號(hào)線206 標(biāo)包含2 站2 區(qū)間；其車站均采用明挖法施工，2 站共設(shè)14 個(gè)出入口及4 組風(fēng)亭，附屬結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)計(jì)有集水坑、廢水池等結(jié)構(gòu)；因此，附屬基坑開挖后需繼續(xù)開挖二次基坑，即“坑中坑”。依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬開挖二次基坑深度范圍內(nèi)主要為2-4粉細(xì)砂層及2-5 中砂層，為太原市主要淺層孔隙含水層，滲透系數(shù)為5～20 m/d，富水性中等，地層十分軟弱。前期主體結(jié)構(gòu)土方開挖施工中涌水涌沙現(xiàn)象嚴(yán)重，開挖基坑周邊易發(fā)生坍塌，開挖困難，嚴(yán)重影響工期及施工質(zhì)量；因此，需要研究一種適用于粉細(xì)砂含水地層的地鐵附屬二次基坑開挖支護(hù)工藝。

3 工藝方案比選

根據(jù)以往基坑開挖施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)二次基坑開挖支護(hù)工藝進(jìn)行探討，針對(duì)粉細(xì)砂地層的特點(diǎn)，提出3 種基坑支護(hù)開挖實(shí)施方案。根據(jù)附屬結(jié)構(gòu)圖紙，以集水坑為例，基坑長(zhǎng)寬方向一般為3～4 m，深度一般為2.5～3 m，開挖深度距地面13～16 m。本次方案比選中設(shè)定基坑為邊長(zhǎng)為3 m 的正方形基坑，一側(cè)靠邊墻，開挖深度為2.5 m；表1 為二次基坑開挖支護(hù)工藝對(duì)比情況表。

表1 二次基坑開挖支護(hù)工藝對(duì)比情況表

綜合比較3 種方案在施工工期、開挖成本、環(huán)保節(jié)能等方面的特點(diǎn)，選取采用預(yù)制沉箱法分層開挖二次基坑。

4 施工工藝研究

4.1 工藝原理分析

在基坑開挖前，利用鋼板等材料制作沉箱體結(jié)構(gòu)。在二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置安放沉箱；在沉箱的支護(hù)作用下逐層開挖土方，直至設(shè)計(jì)位置。在沉箱內(nèi)部基底中心位置設(shè)置集水坑，將基底涌水導(dǎo)流至集水坑，采用潛水泵抽排至外部沉淀池。二次基坑開挖至預(yù)定位置后，在中心向下開挖并設(shè)置降水井，放置潛水泵持續(xù)抽排積水。利用磚石等材料在開挖到位的基底表面設(shè)置涌水導(dǎo)流通道，在上面鋪設(shè)模板封閉基底，之后進(jìn)行墊層、防水層及結(jié)構(gòu)施工。

4.2 沉箱法工藝流程

采用沉箱法施工的工藝流程如下所示。

預(yù)制沉箱結(jié)構(gòu)→基坑測(cè)量放線→吊放沉箱至指定位置→中心設(shè)置集水池、積水抽排→分層開挖、沉箱下沉→開挖至基底→沉箱加固→設(shè)置降水井→尋找涌水涌沙點(diǎn)、設(shè)置導(dǎo)流通道→安放止水鋼套筒→封閉基底→施作墊層→施作防水層→鋼筋安裝、結(jié)構(gòu)澆筑→封堵降水井。

4.3 預(yù)制沉箱結(jié)構(gòu)

依據(jù)集水池結(jié)構(gòu)尺寸制作沉箱，沉箱包括鋼板壁、對(duì)撐、斜撐、槽鋼肋板、角鋼肋板、錘擊帽等結(jié)構(gòu)。圖 1 為沉箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 沉箱平面結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 沉箱法施工操作要點(diǎn)

4.4.1 基坑測(cè)量放線、沉箱安放

在初始開挖面標(biāo)定出二次基坑邊界位置；沉箱的安放位置與基坑的外邊緣線對(duì)應(yīng)。二次基坑周邊區(qū)域及時(shí)澆筑墊層并預(yù)埋土釘，保證后期沉箱體加固使用。將沉箱吊放至預(yù)定位置并調(diào)整沉箱角度，保證沉箱側(cè)壁與開挖面垂直；沉箱吊放就位后于外側(cè)壁涂刷油脂潤(rùn)滑劑。

4.4.2 中心設(shè)置集水坑、積水抽排

在沉箱內(nèi)開挖面中心位置處向下開挖集水坑，由四周開挖導(dǎo)流溝，將基坑內(nèi)涌水匯集到集水坑內(nèi)；坑內(nèi)架設(shè)潛水泵連續(xù)抽排積水；集水坑應(yīng)隨開挖面的分層開挖而向下開挖。

4.4.3 分層開挖、沉箱下沉

挖機(jī)配合人工進(jìn)行分層開挖作業(yè)，由中心向四周開挖，先開挖中心集水坑位置，后向四周對(duì)稱擴(kuò)展開挖，最后開挖沉箱刃腳位置的土方。一層土方開挖完成后，采用小型挖機(jī)或大錘對(duì)稱敲擊錘擊帽，使沉箱緩慢下沉，下沉到分層開挖的位置后，開挖下層土方，實(shí)現(xiàn)循環(huán)進(jìn)尺。分層開挖厚度控制在15～20 cm，開挖出的渣土裝入吊斗內(nèi)，由吊車吊出。沉箱下降至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)停止開挖，應(yīng)保證沉箱下部的對(duì)撐和斜撐上表面位于澆筑墊層表面以下15 cm，沉箱頂部與周邊墊層表面齊平。圖2 為沉箱法開挖縱剖面示意圖。

圖2 沉箱法開挖縱剖面示意圖

4.4.4 沉箱加固

沉箱到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，加固沉箱體，將鋼絲繩一端用彎頭焊接在錘擊帽上，另一端連接在土釘上，并使其保持拉緊受力。鋼絲繩拉緊后，切割掉沉箱上側(cè)的對(duì)撐和斜撐。圖3 為沉箱體加固平面示意圖。

圖3 沉箱體加固平面示意圖

4.4.5 設(shè)置降水井、導(dǎo)流通道

在中心集水坑位置向下開挖并設(shè)置降水井進(jìn)行連續(xù)抽排；降水井采用無(wú)砂漏管安裝，周邊按粒徑大小由內(nèi)而外回填碎石。在基底尋找涌水涌砂點(diǎn)，用磚石等材料砌筑多條引流通道，方向均以降水井為中心向四周發(fā)散布設(shè)，將涌水涌砂點(diǎn)留于引流通道內(nèi)，從而將水匯集到中部降水井后統(tǒng)一完成抽排。在降水井外側(cè)安裝止水鋼套管，鋼套筒的上邊緣高出集水池底板頂面標(biāo)高10 cm以上。在引流通道頂部鋪設(shè)模板，模板頂部滿鋪塑料布，封閉基底。圖4 為基底處理積水抽排剖面示意圖。

圖4 基底處理積水抽排剖面示意圖

4.4.6 施作后續(xù)結(jié)構(gòu)

基地封閉后，盡快澆筑C20 混凝土墊層；墊層達(dá)到一定強(qiáng)度后鋪設(shè)防水卷材層，止水鋼套管位置施做加強(qiáng)防水層。防水層施工完成后，施工廢水池鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求后，封閉降水井。

4.5 沉箱法施工注意事項(xiàng)

（1）沉箱鋼板壁內(nèi)側(cè)的凈空尺寸應(yīng)大于基坑開挖面各邊尺寸10 cm 以上，以留出槽鋼肋板及防水層的空間。鋼板壁采用的鋼板厚度在2 cm 以上，對(duì)撐和斜撐分為上下2 層。

（2）沉箱下沉過(guò)程中，測(cè)量人員應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉箱位置及傾角，發(fā)現(xiàn)偏移后及時(shí)進(jìn)行糾偏，防止開挖方向過(guò)于偏移設(shè)計(jì)位置。每次循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)實(shí)時(shí)觀察沉箱的上邊緣水平面各處標(biāo)高，以保證沉箱四邊的下沉高度相同。開挖過(guò)程中，沉箱的外側(cè)壁與原狀土間出現(xiàn)空隙時(shí)應(yīng)及時(shí)填入水泥土進(jìn)行封閉；開挖面的四周還應(yīng)設(shè)置土壟，用以防止外部水流入。

（3）沉箱法施工應(yīng)嚴(yán)格做到分層開挖，開挖順序由中心向四周；沉箱沉降到位后，方可進(jìn)行下一層土方開挖施工；每層開挖深度保持在20 cm 左右，嚴(yán)禁超挖；開挖沉箱刃腳處土方時(shí)，應(yīng)將渣石清理干凈，保證沉箱順利下沉。

5 施工效果分析

5.1 時(shí)間效益

在太原地鐵2 號(hào)線2 座車站使用沉箱法施工，支護(hù)開挖一個(gè)集水池或廢水池結(jié)構(gòu)只需耗時(shí)36 h。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，平均每個(gè)附屬結(jié)構(gòu)節(jié)約時(shí)間約72 h，整體完成工期節(jié)點(diǎn)提前1 個(gè)月，保證太原地鐵2 號(hào)線全線通車的目標(biāo)按時(shí)實(shí)現(xiàn)。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用沉箱法施工地鐵附屬結(jié)構(gòu)二次基坑，出入口二次基坑節(jié)約支護(hù)成本1.5 萬(wàn)元，節(jié)約人工成本0.5 萬(wàn)元，節(jié)約機(jī)械成本0.5 萬(wàn)元，減少返工成本1.7 萬(wàn)元，減少其他材料費(fèi)用0.3 萬(wàn)元；風(fēng)亭二次基坑開挖平均單個(gè)節(jié)約支護(hù)成本1.7 萬(wàn)元，節(jié)約人工成本0.6 萬(wàn)元，節(jié)約機(jī)械成本0.7 萬(wàn)元，減少返工成本2.0 萬(wàn)元，減少其他材料費(fèi)用0.5 萬(wàn)元；平均單個(gè)附屬結(jié)構(gòu)減少基底處理費(fèi)用1.7 萬(wàn)元。2 座車站共節(jié)約115.6 萬(wàn)元（（1.5+0.5+0.5+1.7+0.3）×14+（1.7+0.6+0.7+2.0+0.5）×4+1.7×18），經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.3 環(huán)保節(jié)能效益

采用沉箱法技術(shù)后減少額外土方開挖及回填工程量，降低側(cè)壁涌水涌砂、發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，減少作業(yè)面的積水，保障開挖面的環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約水泥等施工材料，提高工時(shí)效率，有較強(qiáng)的環(huán)保節(jié)能意義。

5.4 社會(huì)效益

沉箱法可以有效減少粉細(xì)砂地層對(duì)基坑開挖的影響；新工藝安全性高、可靠性好、可操作性強(qiáng)，各附屬結(jié)構(gòu)二次基坑開挖質(zhì)量較高，無(wú)一發(fā)生基坑坍塌現(xiàn)象，且控水能力較強(qiáng)，突出綠色施工概念，推進(jìn)城市地鐵施工的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，取得顯著的社會(huì)效益，值得在相似地質(zhì)條件的城市地鐵及市政工程中推廣。

6 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

6.1 沉箱體變形監(jiān)測(cè)

在沉箱體鋼板壁頂端對(duì)稱選取4 組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)沉箱體向內(nèi)側(cè)的收斂變形。從沉箱體下沉開始至到達(dá)設(shè)計(jì)位置，4 組收斂變形最大數(shù)值分別為-8 mm、-7 mm、-5 mm、-7 mm；沉箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒(méi)有侵占結(jié)構(gòu)尺寸。另外，在鋼板壁內(nèi)側(cè)選取2 組垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)，施工過(guò)程中每開挖一層進(jìn)行一次檢測(cè)，垂直度均處于可控范圍內(nèi)。

6.2 大基坑圍護(hù)樁變形監(jiān)測(cè)

在附屬基坑臨近集水池位置處圍護(hù)樁上及周邊地面設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期監(jiān)測(cè)大基坑變形情況及地面沉降情況。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍護(hù)樁無(wú)發(fā)生較大變形的特殊情況出現(xiàn)，收斂變形正常；地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯沉降發(fā)生，總沉降量在合理范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

本課題的研究通過(guò)對(duì)比，優(yōu)選出適合粉細(xì)砂地層地鐵車站附屬二次基坑的開挖支護(hù)工藝沉箱法施工，并采取設(shè)置導(dǎo)流通道的措施降低基底涌水涌沙對(duì)基坑開挖的影響，總結(jié)出一整套施工作業(yè)指導(dǎo)書及相應(yīng)工法。本工藝涉及的沉箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，而且制作成本低，工藝性強(qiáng)，安全性能高，操作簡(jiǎn)單。本工藝尤其適用于場(chǎng)地比較狹窄的工作面，使得二次基坑開挖在沉箱體的保護(hù)下進(jìn)行，降低特殊潛壓水地層對(duì)開挖作業(yè)面的影響，在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下提高開挖效率，而且防水效果良好，大幅改善作業(yè)環(huán)境，提高工程施工質(zhì)量。

對(duì)沉箱法施工進(jìn)行效益分析，發(fā)現(xiàn)它不僅大幅縮短施工時(shí)間，而且施工成本較之傳統(tǒng)方法明顯降低，環(huán)保節(jié)能及社會(huì)效益明顯。對(duì)沉箱體及大基坑的變形監(jiān)測(cè)證明沉箱法施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性能高。沉箱法施工經(jīng)濟(jì)合理，操作安全，工藝性強(qiáng)，效果顯著，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。