軟土地區(qū)超大地下空間圍護(hù)方案選型和土方施工技術(shù)

馬強(qiáng)強(qiáng) 羅仲東

1. 中鐵一局集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710054；2. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

隨著我國城市進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建設(shè)工程中的基坑工程也迎來新的挑戰(zhàn)。軟土地區(qū)中面積超大、開挖深度深、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)的基坑工程越來越多。針對這些基坑工程，總結(jié)適用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土方施工方案，有很重要的實(shí)際價(jià)值[1-2]。本文通過平潭高鐵中心站綜合交通樞紐及高鐵中心站站前城市綜合體項(xiàng)目，說明在大面積軟土地區(qū)基坑中采用分級分區(qū)支護(hù)技術(shù)和盆式開挖方案，可以有效節(jié)省工期和造價(jià)。且檢測結(jié)果表明，分區(qū)分級支護(hù)有足夠的強(qiáng)度和剛度來保證基坑順利開挖。

1 工程概況

平潭高鐵中心站綜合交通樞紐及高鐵中心站前城市綜合體項(xiàng)目位于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)中樓鄉(xiāng)韓厝村附近，火車站片區(qū)核心區(qū)內(nèi)，是福平高鐵平潭站的配套設(shè)施，場地東至高鐵站房，西鄰瑤竹路，南北兩側(cè)鄰車站環(huán)路，基地中軸西側(cè)對接平潭島東西向主通道麒麟大道，總用地面積155 630.18 m2，設(shè)計(jì)總建筑面積20 4425.60 m2。其中：地下建筑面積約140 484.91 m2，地上建筑面積約63 940.69 m2。以公共建筑為主，包含長途客運(yùn)站、鄉(xiāng)村客運(yùn)站、出租車蓄車及上客區(qū)、平潭旅游服務(wù)中心、樞紐配套用房、地下停車庫、地下非機(jī)動(dòng)車庫、配套設(shè)備用房、高鐵送站車行匝道及車道、與高鐵站相接停車區(qū)、車道及部分人行區(qū)等。

本工程±0 m相當(dāng)于絕對高程＋5.90 m，現(xiàn)狀場地為北高南低，絕對高程為1.03～4.57 m（相對標(biāo)高－4.87～－1.33 m）之間，基坑底面相對標(biāo)高為－9.86 m（地下1層區(qū)）/－13.46 m（地下2層區(qū)），基坑開挖深度8.53～12.13 m之間，開挖總面積約為190 802 m2，基坑總周長約為1 753 m，基坑開挖深度較深，開挖面積非常大，因此本工程的土方開挖、支護(hù)、降水工程屬于超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)和難點(diǎn)

平潭高鐵中心站綜合交通樞紐及高鐵中心站站前城市綜合體項(xiàng)目位于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)金井灣片區(qū)，其基坑工程屬于超大面積深基坑，具有以下施工難點(diǎn)。

1）地質(zhì)條件較差?；拥貙佑散偎靥钔?、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)土、④粉質(zhì)黏土、⑤粉砂、⑥黏土及⑦淤泥質(zhì)土組成，土的強(qiáng)度較低，且地下水埋藏深度較淺，地下水較豐富，開挖后側(cè)壁穩(wěn)定性差。

2）基坑面積超大。整個(gè)大基坑的面積為16.8萬 m2?；娱_挖如防護(hù)不當(dāng)，在大氣降水、地下水或地面行駛車輛動(dòng)荷載等因素作用下可能會(huì)產(chǎn)生較大范圍滑塌的破壞模式。

3）基坑深度大。深度超過10 m的范圍較大，擬建場地不具備放坡開挖的地質(zhì)條件，因此必須采用圍護(hù)樁（墻）支護(hù)。

4）存在基坑底突涌、滲流可能性。基坑開挖后，基坑底下部分地段存在粗砂和基巖風(fēng)化帶承壓含水層?；鶐r風(fēng)化帶含水層頂部到坑底厚度較小，穩(wěn)定系數(shù)小于1.1。因此在含水層頂部到坑底厚度較小地段不滿足基坑底抗?jié)B穩(wěn)定性要求，即基坑開挖后，坑底將會(huì)產(chǎn)生滲流破壞。

5）基坑?xùn)|側(cè)的基坑支護(hù)需與站房主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合?；?xùn)|側(cè)緊靠站房樁基，無法采用錨桿支護(hù)，故采用鋼管內(nèi)支撐結(jié)合坑邊盆式開挖、坑內(nèi)留土的支護(hù)形式，將主體結(jié)構(gòu)作為支撐反力，隨鋼支撐邊施工邊開挖。因此橫向支撐對主體結(jié)構(gòu)的推力將對結(jié)構(gòu)有一定的影響，需要考慮其相互作用，確保主體結(jié)構(gòu)及基坑的安全。

3 支撐方案選型

本工程局部存在深厚的淤泥質(zhì)土層，不適宜采用錨桿支護(hù)。常規(guī)鋼支撐和混凝土支撐，因?yàn)榛用娣e太大不適用。針對軟土地區(qū)大面積、開挖深度深和環(huán)境復(fù)雜的基坑和地下空間結(jié)構(gòu)，本工程采用分區(qū)分級支護(hù)形式。

3.1 常規(guī)撐錨類型

水平鋼支撐一般采用十字正交對撐布置，由于基坑長寬2個(gè)方向均超長，采用水平鋼支撐體系，主要有以下不利因素：桿件布置較為密集，挖土空間小，效率低；鋼支撐體系剛度相對較小，不利于基坑變形控制和周邊環(huán)境保護(hù)；滿堂設(shè)置水平鋼支撐體系，須待基礎(chǔ)底板整體施工完成，形成可靠的傳力體系后方可進(jìn)行鋼支撐的拆除，施工速度較慢[3]。

鋼筋混凝土內(nèi)支撐具有剛度大、變形小的特點(diǎn)，常規(guī)可采用對撐或者圓環(huán)撐2種形式。但大面積混凝土支撐體系的工程量巨大，且混凝土支撐的施工、養(yǎng)護(hù)和拆除均占用工期，不利于土方開挖。

3.2 分區(qū)分級支護(hù)

分區(qū)分級支護(hù)方案是一種經(jīng)濟(jì)、高效、靈活的支護(hù)方案。首先在基坑周邊留土放坡開挖至坑底，在完成中部底板之后再利用完成的基礎(chǔ)底板或地下結(jié)構(gòu)梁設(shè)置鋼管斜撐，最后挖去四周盆邊土方。該支護(hù)方案的優(yōu)勢為：中心區(qū)域土方開挖不受支撐影響，可快速進(jìn)行中心區(qū)域主樓施工，縮短項(xiàng)目工期；利用中心結(jié)構(gòu)體系作為整體支撐傳力體系，僅需在周邊留土區(qū)域設(shè)置較短的鋼斜坡?lián)危蟠鬁p少大面積滿堂設(shè)置支撐的工程量和支撐施工所占用的工期。

深基坑分區(qū)分級支護(hù)施工是指在基坑開挖時(shí)，根據(jù)不同區(qū)域施工條件，分2級對土方卸荷，分級支護(hù)。避免設(shè)置常規(guī)支護(hù)方式所需的多層、大面積水平支撐，有效地縮短基坑及地下空間結(jié)構(gòu)部分的施工工期，降低工程造價(jià)。首級基坑深度范圍通常采用直接放坡的方式開挖，坡高控制在4 m以內(nèi)，坡比根據(jù)場地施工空間及土質(zhì)情況確定，場地受限需提高坡比時(shí)，可采用土釘或注漿等措施對坡體土體進(jìn)行加固，以滿足此級坡自身的穩(wěn)定要求。上級支護(hù)高度范圍內(nèi)的土體作為下級支護(hù)的荷載考慮。

下級支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載較大，其穩(wěn)定性控制著基坑的整體穩(wěn)定。下級支護(hù)采用施工工藝較成熟的三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，采用灌注樁作為板式支護(hù)體系圍護(hù)墻，采用鋼支撐作為內(nèi)支撐。鋼支撐傾斜支于先期施工基礎(chǔ)底板，下級支護(hù)結(jié)構(gòu)邊預(yù)留坑內(nèi)反壓土，待支撐架設(shè)好施加預(yù)應(yīng)力，剛度形成后，方可開挖坑邊留土，施工剩余基礎(chǔ)底板。

混凝土傳力帶從基礎(chǔ)底板邊澆筑至圍護(hù)樁邊，為圍護(hù)樁提供穩(wěn)定底座，之后拆除鋼支撐，圍護(hù)樁成懸臂狀態(tài)。隨后施工地下空間結(jié)構(gòu)，待地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成后盡快回填基坑側(cè)壁，最終基坑施工完成。

當(dāng)基坑深度較大，首級基坑可采用多級放坡或采用重力式水泥土墻等無支撐圍護(hù)方式，下級支護(hù)可采用多道支撐。

4 土方開挖

4.1 基本原則

結(jié)合本工程分級分區(qū)支護(hù)形式，確定本工程總體開挖方案為盆式開挖?？傮w分2個(gè)階段開挖。

第1階段：放坡開挖至基坑底部，此階段為基坑開挖的主要階段，開挖量占總量的90%以上。

第2階段：完成冠梁、腰梁和鋼管撐施工后開挖坑內(nèi)留土，該階段雖然開挖量小，但受周圍結(jié)構(gòu)和鋼管撐等的限制，操作難度大，開挖效率低。

根據(jù)總體工期安排，土方開挖是制約總工期目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素，因此要做好開挖前的整體規(guī)劃，合理地劃分開挖區(qū)塊和開挖方式，確保開挖過程有序可控，降低因開挖場面混亂、工序交叉等造成的工效損失。

土方開挖應(yīng)嚴(yán)格按照“分塊分層、限時(shí)開挖、開槽支撐、先撐后挖、嚴(yán)禁超挖”原則，盡可能同步、均衡地進(jìn)行開挖。

4.2 盆式開挖施工流程

盆式開挖首先施工圍護(hù)樁、止水帷幕和立柱樁等，然后放坡開挖至坑底。施工中間部分主體混凝土結(jié)構(gòu)，利用主體混凝土結(jié)構(gòu)施工斜拋撐，在開挖坑邊預(yù)留土體，施工坑邊主體結(jié)構(gòu)，完成換撐后拆除斜拋撐。

采用斜拋撐和盆式開挖法有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）放坡開挖階段，土方開挖量達(dá)到90%以上，施工效率高，節(jié)省造價(jià)和工期。

2）利用主體結(jié)構(gòu)結(jié)合斜拋撐作為支撐體系，免去大量內(nèi)支撐，節(jié)省造價(jià)。

3）利用主體結(jié)構(gòu)結(jié)合斜拋撐作為支撐體系，結(jié)構(gòu)剛度大，控制變形能力更強(qiáng)，安全性更高。

4.3 土方施工工況

本工程深基坑施工遵循場地平整→三軸水泥土攪拌樁止水帷幕和坑外加固施工→樁機(jī)施工→放坡開挖土方→冠梁及支撐系統(tǒng)施工→坑內(nèi)預(yù)留土開挖的總體施工順序。

具體的施工工序?yàn)椋簣龅仄秸猎O(shè)計(jì)要求標(biāo)高→施工三軸水泥土攪拌樁止水帷幕→施工鉆孔灌注樁→施工立柱樁→1∶2放坡開挖卸土至圍護(hù)樁頂→噴射混凝土護(hù)坡→冠梁施工→坑內(nèi)加固→1∶2放坡開挖至－10.00 m→噴射混凝土護(hù)坡→1∶2放坡開挖至坑底→噴射混凝土護(hù)坡→待先期地下主體結(jié)構(gòu)施工完成→第1道鋼支撐施工→坑邊留土開挖至腰梁底→施工腰梁并架設(shè)第2道鋼支撐→開挖留土至坑底→施工相應(yīng)處地下室底板→施工底板傳力帶→拆除第2道鋼支撐→施工地下2層主體。

5 數(shù)據(jù)監(jiān)測

本項(xiàng)目根據(jù)有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)及建設(shè)單位要求，進(jìn)行以下項(xiàng)目監(jiān)測：深層土體變形（測斜）監(jiān)測；坡頂水平位移監(jiān)測；坡頂沉降監(jiān)測；周邊地表沉降監(jiān)測；坑外地下水位監(jiān)測；周邊建筑沉降監(jiān)測；支撐軸力監(jiān)測；立柱沉降監(jiān)測；周邊建筑、地表裂縫觀測。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測結(jié)果表明，本基坑工程實(shí)施平穩(wěn)順利，分級分區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，基坑本身安全以及對周圍環(huán)境的影響都在可控范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

本基坑工程為軟土地區(qū)超大面積深基坑工程，總體采用分區(qū)分級支護(hù)方案，首先在基坑周邊留土放坡開挖至坑底，在完成中部底板之后再利用完成的基礎(chǔ)底板或地下結(jié)構(gòu)梁設(shè)置鋼管斜撐，最后挖去四周盆邊土方。避免設(shè)置常規(guī)支護(hù)方式所需的多層、大面積水平支撐，有效地縮短基坑及地下空間結(jié)構(gòu)部分的施工工期，減少工程造價(jià)。

本基坑工程超深超長，“時(shí)空效應(yīng)”明顯，基坑監(jiān)測表明，采用分區(qū)分級支護(hù)結(jié)構(gòu)，有足夠強(qiáng)度和剛度保證基坑本身安全，并減小基坑施工對周圍環(huán)境的影響，保證基坑工程順利實(shí)施。