地鐵車站主體土方開挖施工技術(shù)

1、地鐵車站主體結(jié)構(gòu)深基坑土方開挖施工技術(shù)摘 要:北京地鐵十號線 xx 車站主體結(jié)構(gòu)為明開法施工, 車站全長 183.4m , 寬度為 20.7m , 土方挖方量共為 71850m 3, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁 +內(nèi)撐法。 為確?；油练介_挖的高效、 安全, 需采取科學(xué)的土方開挖措施。 本文重點(diǎn)介紹了土方開挖的施工流程, 強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測工作 在深基坑土方開挖中的重要意義。關(guān)鍵詞 :地鐵車站 基坑開挖 施工技術(shù)1 工程概況1. 1北 京 地 鐵 十 號 線 x x 車 站 主 體 土 方 工 程xx 車站全長 183.4m , 寬度為 20.7m 。 車站現(xiàn)狀地面標(biāo)高 41.6942.17m , 車站結(jié)

2、構(gòu)頂板 覆土埋深 3.5m 左右,結(jié)構(gòu)底板埋深約 16.518m ,基坑全長 185m ,西端盾構(gòu)井處最寬處為 39.8m ,東端盾構(gòu)井寬 25.5m ,深 18.07m ;標(biāo)準(zhǔn)段寬 20.9m ,深 16.23m 。主體土方挖方量共 為 71850m 3。工程采用明挖法施工, xx 車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁壁,隨挖土方隨架設(shè)鋼支撐 的內(nèi)支撐形式。 灌注樁樁徑 800mm , 樁長 22m , 間距 1.4m 。 鋼支撐為 630mm 鋼管, 壁厚 12mm 。 車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)見圖 1。 圖 1 車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖(單位:mm xx 車站由于工期緊張 (計(jì)劃工期為 150天 , 且土

3、方工程是整個(gè)車站工程最重要的一步, 所以怎樣安全、快捷的完成土方開挖工程,成為本車站工程的一個(gè)重點(diǎn)。1. 2水 文 地 質(zhì) 情 況根據(jù)地質(zhì)資料, xx 站地層主要由第四紀(jì)粘性土、砂及碎石類土構(gòu)成。車站范圍地下水 有潛水、承壓水和上層滯水。具體詳見表 1。表 1 xx站工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件2主體土方開挖方案的確定對于內(nèi)支撐式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑土方開挖施工一般有如下兩種:第一種是中心島(墩式挖土:此方法宜用于大型基坑,支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐形式為角撐、 環(huán)梁式或邊框架式,中間具有較大空間情況下。此時(shí)可利用中間的土墩作為支點(diǎn)搭設(shè)棧橋。 挖土機(jī)可利用棧橋下到基坑挖土, 運(yùn)土的汽車宜可利用棧橋進(jìn)入基坑運(yùn)土。

4、這樣可以加快挖 土和運(yùn)圖的速度。第二種是盆式挖土:是先開挖基坑中間部分的土,周圍四邊留土坡,土坡最后挖除。這 種挖土式的優(yōu)點(diǎn)是周邊的土坡對圍護(hù)墻有支撐作用, 有利于減少圍護(hù)墻的變形。 其缺點(diǎn)是大 量的土方不能直接外運(yùn),需集中提升后裝車外運(yùn)。盆式挖土周邊留置的土坡, 其寬度、 高度和坡度大小均應(yīng)通過穩(wěn)定驗(yàn)算確定。 如留的過 小,對圍護(hù)墻支撐作用不明顯,失去盆式挖土的意義。如坡度太陡邊坡不穩(wěn)定,在挖土過程 中可能失穩(wěn)滑動(dòng),不但失去對圍護(hù)墻的支撐作用,影響施工,而且有損于工程樁的質(zhì)量。 兩種方法各有利弊,哪種方法最合適 xx 車站的土方開挖呢?北京市市市政四公司地鐵 項(xiàng)目部組織公司技術(shù)人員,并邀請市

5、政集團(tuán)副總工程師關(guān)龍同志等有關(guān)專家進(jìn)行了專門論 證。專家們根據(jù)以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場水文地質(zhì)情況,本著確保安全,節(jié)約資金 的原則,推薦采用盆式挖土的方案,并嚴(yán)格遵循“開槽支撐,先撐后挖,分層開挖,嚴(yán)禁超 挖”的原則。理由有以下幾點(diǎn): 基坑標(biāo)準(zhǔn)寬度為 22m ,不適合采用中心墩式挖土的方法; 盆式開挖的兩側(cè)留土臺(tái)可對暴露的護(hù)壁樁有支撐作用,并可方便進(jìn)行鋼支撐架設(shè)工 作; xx 車站在基坑上方沿基坑方向采用臺(tái)階法施工,土方可以做到一次運(yùn)輸。3土方開挖施工3. 1土 方 開 挖 施 工 工 藝xx 車站土方開挖施工工藝流程如下:通過計(jì)算,確定挖運(yùn)土機(jī)械型號及數(shù)量確定分 層開挖高度開挖第一層土

6、方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè)第一道鋼支撐、 施加預(yù)應(yīng)力開挖第二層 土方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè)第二道鋼支撐、 施加預(yù)應(yīng)力開挖第三層土方根據(jù)監(jiān)測結(jié)果架設(shè) 第三道鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力人工清槽底。3. 2機(jī) 械 挖 方按車站的結(jié)構(gòu)形式和總體部署分區(qū), 土層的分界線為鋼支撐下 1m , 第一層土方采用 1.6m 3挖掘機(jī)直接挖裝; 第二層土方采用一臺(tái) 1.6m 3挖掘機(jī)從基坑西端開挖; 第三層土方采用 1.6m 3挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘, 第四層土方采用 1.2m 3挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘, 即每層需要一臺(tái)挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)。 基底預(yù)留 300mm 人工開挖。 基坑開挖過程中隨挖隨按設(shè)計(jì)位置架設(shè)鋼管支撐, 開挖順序?yàn)橛?上而下逐層開挖。開挖方

7、法見圖 2。 圖 2 車站主體土方開挖示意圖車站基坑主體深度基本相同,基坑土方在豎向上共分四層開挖:第一層:豎向高度約為 4.35m ;第二層:豎向高度約為 5.0m ;第三層:豎向高度約為 5.0m ;第四層:豎向高度約為 3.72m (端頭井 、 1.88m (標(biāo)準(zhǔn)段 。其中第二、第三層、第四層土方開挖需分臺(tái)階開挖。機(jī)械作業(yè)臺(tái)階寬度 67m ,臺(tái)階坡 度 1:0.75。豎向土方分層開挖步序如下表。表 2 土方分層開挖步序 沿車站縱軸線方向,第二、三、四層土方每隔 6m 同時(shí)開挖。3.2.2.3縱向拉槽、橫向擴(kuò)邊在每一層每一段的土方施工中,在橫斷面跨中開中槽,由車站西區(qū)端開始沿縱向挖掘; 由

8、中槽向兩側(cè)開挖面進(jìn)行開挖作業(yè)。縱向拉中槽縱向拉中槽,即在每層開挖工作面始端沿車站縱向拉坡開挖中槽,中槽位于車站主體 結(jié)構(gòu)橫斷面中間。 中槽的大小首先要滿足挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)棄土的要求, 同時(shí)要盡可能多的保留兩 側(cè)土體,以支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu),減小對周邊環(huán)境的擾動(dòng),并滿足鋼支撐施作要求。中槽的寬度為10m 左右。 橫向擴(kuò)邊拓展為中槽開挖至 6m 后,向橫向擴(kuò)邊拓展,即由中槽向兩邊跨開挖擴(kuò)邊。開挖方式為:由 中槽向兩邊跨橫向挖土, 兩邊跨的土方開挖盡量對稱進(jìn)行, 土方開挖至鉆孔樁附近時(shí), 改為 人工挖土, 以免機(jī)械開挖破壞鉆孔樁。 基坑土方開挖縱向拉中槽、 橫向擴(kuò)邊拓展平面示意圖 見下圖。 圖3 基坑土方開挖縱向

9、拉中槽、橫向擴(kuò)邊拓展平面示意圖3. 3 鋼 圍 檁 、 鋼 支 撐 架 設(shè) 3.3.1 鋼圍檁架設(shè)土層開挖至支撐架設(shè)設(shè)計(jì)位置后,安裝三角托架,架設(shè)鋼圍檁,鋼圍檁與鉆孔灌注樁 之間預(yù)留 60mm 的水平通長空隙,其間用 C30細(xì)石混凝土添嵌。鋼圍檁架設(shè)方式見圖 4。 用龍門吊垂直起吊將鋼支撐固于鋼圍檁上,為方便鋼支撐就位后的焊接,項(xiàng)目部人員 經(jīng)研究采取了在端部采用鋼板焊成托架, 使鋼支撐放置在鋼托架上進(jìn)行焊接的方法, 提高了 施工的安全性。見圖 5: 圖 5 鋼圍檁托架示意圖1 吊裝鋼管支撐前, 按規(guī)定備齊檢驗(yàn)合格的支撐配件、 施加預(yù)應(yīng)力的油鎬, 并檢查托 架是否完好。2 鋼支撐采用現(xiàn)場 10t

10、 天車吊裝, 根據(jù)材料理學(xué)理論, 吊繩兩吊點(diǎn)從鋼支撐兩端分別 內(nèi)移 0.2l ,此時(shí)可模擬為外伸梁的鋼支撐最大彎距僅為 ql 2/40,是吊裝的最佳吊點(diǎn),故以 本工程標(biāo)準(zhǔn)段的 22m 鋼支撐為例, 吊點(diǎn)位置選在鋼管兩端向內(nèi) 4.4m 處, 具體見圖 6 鋼支撐 圖 6 鋼支撐吊裝示意圖3 當(dāng)使用 10t 天車時(shí),鋼管由順基坑方向調(diào)整至垂直基坑方向時(shí)(此時(shí)鋼身約 2/5長度進(jìn)入基坑換繩,按正式吊裝綁繩、吊裝入位。鋼管被安放在圍檁托架上入位至施加 預(yù)應(yīng)力過程中不得松繩,以平衡彎曲矢量,保持鋼管處于軸心受力狀態(tài)。鋼管入位按先活 動(dòng)端后固定端順序,以確保鋼管與圍檁受力面接觸密實(shí)。鋼支撐固定端固定完成后

11、,采用兩臺(tái) 80t 液壓千斤頂在活動(dòng)端支撐兩側(cè)對稱逐級預(yù)加 力,預(yù)加力達(dá)到設(shè)計(jì)支撐軸力的 50%時(shí),采用鋼楔鎖定支撐。鋼支撐在加工時(shí)在千斤頂?shù)淖畲筮M(jìn)程與最小進(jìn)程間焊接千斤頂支點(diǎn)。 4 根據(jù)鋼管的長度誤差確定需焊接 25mm 厚的鋼板塊數(shù), 并將 25mm 厚的鋼板如圖焊接 在鋼圍檁上。鋼 板楔 鐵 楔 鐵 2630(鋼 支 撐鋼 檁圖 8 楔鐵安裝示意5 將楔塊 1焊接在鋼板上, 用千斤頂對鋼管施加預(yù)應(yīng), 觀察千斤頂應(yīng)力表, 當(dāng)預(yù)加軸 力達(dá)到要求時(shí),穩(wěn)壓 5分鐘,然后將楔塊 2如圖嵌入,邊釘入邊觀察壓力表,當(dāng)壓力減小至 0時(shí),停止釘入,并將千斤頂卸下。其中要注意千斤頂示值為 MPA ,施工前需

12、將預(yù)加軸力值 (KN 換算成(MPa ,可參考下圖: 圖 9 千斤頂軸力標(biāo)訂圖6 鋼支撐端部設(shè) 10鋼筋吊環(huán),通過鋼絲繩或鋼筋連系在圍護(hù)樁上,同時(shí)用于微調(diào) 的鋼楔采用電焊連接,防止墜落。3. 4護(hù) 壁 樁 噴 護(hù)對于基坑圍護(hù)樁樁間采取掛鋼筋網(wǎng)(6200(雙向 噴射混凝土的護(hù)壁形式?；?分步開挖,分步支護(hù),隨挖隨支。掛網(wǎng)安裝在每步開挖后及時(shí)進(jìn)行,格柵定點(diǎn)預(yù)制,分片安 裝。使用膨脹釘將鋼絲網(wǎng)片與圍護(hù)樁固定(膨脹釘縱向間距 0.5m 。然后噴射 60mm 厚 C20豆石混凝土。3. 5監(jiān) 測 配 合 xx 車站監(jiān)測項(xiàng)目表 4 監(jiān)測項(xiàng)目 因本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐較多,且間距較小(最大間距 3m ,故機(jī)

13、械開挖土方時(shí),為保 證機(jī)械作業(yè)面, 通過監(jiān)測數(shù)據(jù)最大程度的提高機(jī)械效率, 及時(shí)架設(shè)鋼支撐, 故在允許位移量 的基礎(chǔ)上設(shè)定警戒值,允許圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形在警戒值范圍內(nèi)。 基坑圍護(hù)樁測斜,取允許最大位移 30mm 的 70%作為警戒值即 21mm 。 樁的差異隆沉,基坑開挖中引起的樁柱的隆沉不得超過 10mm 。 支撐軸力,根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書確定,一般將警戒值定為 80%的設(shè)計(jì)允許最大值。 其他部分:對基坑沉降、 裂縫發(fā)展等光滑的變化曲線, 若曲線上有明顯的折點(diǎn)變化, 應(yīng)做出報(bào)警處理。4幾點(diǎn)體會(huì)4. 1開 挖 方 式 與 圍 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 相 結(jié) 合 施工進(jìn)度與保證措施能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、 高度機(jī)械化的開

14、挖, 從而保證少占用工期, 是內(nèi)撐式圍護(hù)體系能否成 立的關(guān)鍵問題。早期的雙向鋼管支撐確實(shí)不利于機(jī)械化開挖, 因而影響進(jìn)度。 這使得人們產(chǎn)生一種固有 的偏見,認(rèn)為內(nèi)撐式圍護(hù)妨礙開挖, 影響進(jìn)度。近年來內(nèi)撐式圍護(hù)體系設(shè)計(jì)有所改進(jìn), 表現(xiàn) 為選型合理的前提就是應(yīng)該便于施工。 在一道內(nèi)撐內(nèi), 桿件之間的空間應(yīng)便于大型機(jī)械的施 展;而且任兩道支撐 (包括下?lián)闻c坑底之間 之間的空間,應(yīng)力要求滿足型號合適的開挖機(jī) 械的順利工作。 做到這一點(diǎn), 如果沒有其它限制條件, 就可以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)撐條件下近于百分之 百的機(jī)械化開挖,從而大大的縮短工期。 此外在開挖結(jié)束時(shí), 如果基坑深度較大, 則無法保 證挖土機(jī)械順利的自行

15、推出坑外。 這時(shí), 可以利用已經(jīng)安裝完畢的垂直運(yùn)輸機(jī)械 (本工程根 據(jù)地鐵工程基坑特點(diǎn)很好的引用了 10t 天車來解決水平及垂直運(yùn)輸 , 將挖土機(jī)械整體的 (小 型挖土機(jī)或予以解體后(大型挖土機(jī)吊出基坑。 開挖方式與圍護(hù)構(gòu)件的荷載在使用大型機(jī)械開挖的條件下挖土的方式與順序問題。 應(yīng)該慎用挖土機(jī)沿基坑邊緣一挖 到底的開挖方式。 因?yàn)閺奈锢磉^程來看, 挖土的速度會(huì)影響土壓力的大小。 目前雖然還缺少 這方面的實(shí)測資料, 但已見到過由于沿圍護(hù)樁邊迅速切出一條深溝, 第二天圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)坍 毀的實(shí)例。 可以這樣理解土壓力變化的機(jī)理:在未開挖之前, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力是靜止 土壓力;在開挖之后。樁前的壓力

16、消失,樁背土體膨脹,樁身變形,樁背壓力下降。這一壓 力下降是能量釋放的過程, 在能量釋放過程中壓力起變化。 如果能量釋放過程是平緩的, 則壓力可能逐漸下降。如果釋放過程是急劇而短暫的，則壓力可能會(huì)暫時(shí)不變甚至上升，從而 導(dǎo)致了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。所以不宜采用“沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊切出一道深溝”的開挖方式。而且要 開挖面曝露后及時(shí)進(jìn)行支撐。 基于同一道理，只要工期許可，應(yīng)該有計(jì)劃的分層、分段開挖。分層宜薄不宜厚，分段 宜短不宜長。當(dāng)然，在具體工程中，工期與施工進(jìn)度安排往往成為第一要素，設(shè)計(jì)單位應(yīng)在 這方面適當(dāng)留有余地。 4.2 監(jiān)控測量在土方開挖過程中的重要性 本工程對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的布點(diǎn)監(jiān)測

17、， 從施工整個(gè)過程來看， 監(jiān)測工作 取得了重大的效果及作用，對深基坑施工過程進(jìn)行監(jiān)測的重要性主要表現(xiàn)在以下幾方面： 驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工 當(dāng)前我國基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平處于半理論半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)， 土壓力計(jì)算大多采用經(jīng)典的 側(cè)向土壓力公式， 與現(xiàn)場實(shí)測值相比較有一定的差異， 還沒有成熟的方法計(jì)算基坑周圍土體 的變形情況。因此，在施工過程中迫切需要知道現(xiàn)場實(shí)際的應(yīng)力和變形情況，與設(shè)計(jì)時(shí)采用 的值進(jìn)行比較，必要時(shí)對設(shè)計(jì)方案或施工過程和方法進(jìn)行修正。 保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全 在深基坑開挖與支護(hù)工程中， 為滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)及被支護(hù)土體的穩(wěn)定性， 首先要防止破壞 或極限狀態(tài)發(fā)

18、生。破壞或極限狀態(tài)表現(xiàn)為靜力平衡的喪失，或支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造性破壞。在破 壞前，往往會(huì)在基坑側(cè)向的不同部位上出現(xiàn)較大的變形，或變形速率明顯增大。支護(hù)結(jié)構(gòu)和 被支護(hù)土體的過大位移，將引起鄰近建筑物的傾斜或開裂，鄰近管道的滲漏，有時(shí)會(huì)引發(fā)一 連串災(zāi)難性的后果。如有周密的監(jiān)測控制，無疑有利于采取應(yīng)急措施，在很大程度上避免或 減輕破壞的后果。 總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，為完善設(shè)計(jì)分析提供依據(jù) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分部受支護(hù)方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、施工過程和被支護(hù)土類的影響，并 直接與側(cè)向位移有關(guān)，往往是非常復(fù)雜的，現(xiàn)行設(shè)計(jì)分析理論尚未達(dá)到成熟的階段，積累完 整準(zhǔn)確的基坑與支護(hù)監(jiān)測結(jié)果，對于總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)分析理論都是十分寶貴的。 4.3 深基坑施工過程中需引進(jìn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及信息化施工新技術(shù) 傳統(tǒng)的施工是嚴(yán)格按圖進(jìn)行的， 除非在出現(xiàn)事故或確知結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)， 才允許采 取應(yīng)急措施，改變設(shè)計(jì)方案。如果說這樣的施工過程對上部結(jié)構(gòu)還可以接受的，那么對于深 基坑開挖來說就十分不合適了。在目前深基坑支護(hù)體系的設(shè)計(jì)中，不確定的因素太多，結(jié)構(gòu) 的安全度難以掌握， 要使設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況是太難了， 至少在目前的技術(shù)發(fā)展水平上是太難 了。