淺析高鐵車站內(nèi)的深基坑圍護施工

樂思韜

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淺析高鐵車站內(nèi)的深基坑圍護施工

樂思韜

西南交通大學

高鐵車站與城市地鐵、公交的無縫連接,加快構建了便捷、高效的城市軌道交通網(wǎng)絡，更加有效地發(fā)揮城市對周邊地區(qū)的輻射作用，便捷了旅客的出行。高鐵地下空間的開發(fā)也帶來了深基坑圍護施工安全的課題。該文結合高鐵廈門北站內(nèi)地鐵1、4號線深基坑圍護工程的成功實施,為其它類似工程提供借鑒與參考。

深基坑圍護 降水 支撐 開挖 變形監(jiān)測

1 工程概況

廈門北站位于廈門市集美區(qū)后溪鎮(zhèn)，站區(qū)南側有天山路、孫坂路及集美大道等城市主干道與廈門本島相連，東側有廈安高速連接線和城市西環(huán)快速路輻射北部城區(qū)，規(guī)劃地鐵1號線和4號線穿過站區(qū)。地鐵1號線呈南北走向，為地下一層車站；地鐵4號線呈東西走向，為地下兩層車站。1號線車站總長約354m，標注段寬分別為26m、71.8m、21.6m。4號線車站為東西向，總長為176.5m，標準段寬度為21.1m，1號線與4號線呈十字相交。目前地鐵上部的站房結構及剛架橋已經(jīng)施工完畢，動車組已經(jīng)開行，在1號線左右兩側的出站通道均要具備旅客通行的條件，地鐵1號線開始施工時，東西出站通道及頂部的剛架橋已經(jīng)啟用，供地鐵的施工空間僅有站房中跨的33m，挖土作業(yè)的表面距橋底的凈高僅為7.5m，大型打樁機械及汽車吊均不能施工。4號線位于站房結構的北高架橋下方，南側靠近站房結構的北站房，4號線的開挖深度大，基坑底標高為-29.5m（相對標高）左右，場地標高為-7.0m左右，自冠梁以下開挖深度達17m左右，如何保證施工安全是我們研究的課題。

圖1 地鐵圍護平面示意圖

2 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露地質(zhì)情況，自上而下分別為素填土（Qml）①厚度0.6～6.1m，耕植土（Qml）②，揭露厚度為0.3～1.3m。粉質(zhì)粘土（Q3al-pl）③厚度為1.2～6.3m，粗砂（Q3al-pl）④厚度為0.6～2.3m，粉質(zhì)粘土（Qdl）⑤厚度為1.5～6.5m，殘積砂質(zhì)粘性土（Qel）⑥厚度為3～42.8m，全風化花崗巖（r52（3）c）⑦埋深11～33m，砂礫狀強風化花崗巖（r52（3）c）⑧厚度為0.45～23.1m。

水文地質(zhì)條件：擬建工程場地地下水主要賦存和運移于粗砂④的孔隙中及下部殘積土⑥、全風化⑦、砂礫狀強風化巖⑧及微風化巖⑨的孔隙、網(wǎng)狀裂隙中。地下水類型在粗砂④為承壓水；在下部殘積土和風化帶基巖中為潛水～微承壓水。地下水主要接受大氣降水、相鄰含水層的側向補給和滲流，并總體隨地形由東北向西南滲流、排泄。場地內(nèi)除粗砂④屬強透水層和主要含水層，富水性較好外，下部基巖裂隙的導水性和富水性主要受構造裂隙特征所控制，差異較大且具各向異性，因場地內(nèi)基巖裂隙大多呈閉合狀態(tài)，故其透水性和富水性總體較差，其余各土層均屬弱～微透水、弱含水層或相對隔水層，富水性差。

根據(jù)擬建工程沿線地形、地貌特征、地區(qū)氣候特點以及工程施工后沿線水文地質(zhì)條件將產(chǎn)生改變的情況，地鐵工程最高地下水位按室外設計地面以下1m考慮。

3 主要施工工藝

廈門北站地鐵1、4號線工程開挖為長大型深基坑，基坑施工包括基坑圍護、坑內(nèi)降水、基坑開挖、支撐和基坑監(jiān)測等。

基坑圍護順序：一區(qū)→二區(qū)→三區(qū)→四區(qū)→六區(qū)，土方開挖順序：一區(qū)→二區(qū)→三區(qū)→四區(qū)；同時五區(qū)、七區(qū)→六區(qū)?；訃o施工根據(jù)廈門北站房總體進度要求，先進行一區(qū)的基坑圍護，一號線土方開挖自南向北，分段開挖，一區(qū)土方開挖完成后立即進行結構施工，二區(qū)土方開始施工，形成流水作業(yè)。一區(qū)自南至北最后在六區(qū)土方收口，四號線土方五區(qū)、七區(qū)土方同時施工，最后在六區(qū)收口土方。遵循“先撐后挖，邊挖邊撐”的原則，確?；臃€(wěn)定。

圖2 圍護樁施工工藝流程圖

測量定位：由專業(yè)測量人員根據(jù)給定的控制點按規(guī)范和施工圖紙測放樁位并標明。

鉆機就位：鉆機就位必須平正、穩(wěn)固，確保在施工中不傾斜、移動。

埋設護筒：根據(jù)場地條件，必要時埋深護筒。埋設過程中用十字拴樁法確保護筒中心與樁位中心重合。

鉆進：鉆進過程中必須控制好鉆斗的升降速度，以防產(chǎn)生“活塞效應”。

清孔：在下鋼筋籠之前用鉆斗排除沉渣。灌注混凝土前應測量沉渣厚度。

鋼筋籠制作與吊裝：鋼筋連接采用直螺紋套筒連接，上節(jié)采用半絲，下節(jié)采用全絲，待孔口對接時將套筒向上節(jié)旋轉(zhuǎn)擰緊。鋼筋的材料、加工、接頭和安裝，符合要求。

清孔完畢，經(jīng)檢查孔深、孔徑和豎直度檢查符合要求后，即進行鋼筋籠施工。

鋼筋籠在現(xiàn)場集中分節(jié)預制，設專人負責，確保鋼筋骨架的幾何尺寸和綁扎質(zhì)量。為保證在運輸過程中不變形，鋼筋籠內(nèi)用十字支撐加固。鋼筋籠用吊車或鉆機本身吊裝裝置吊入孔內(nèi)，在孔口接頭焊接或機械連接，并保持上下節(jié)在一條軸線上。鋼筋骨架的保護層厚度由圓形與樁身混凝土同強度細石混凝土墊塊或耳朵形鋼筋來保證，按豎向每隔2m設一道，每一道沿圓周設4個呈梅花型布置。鋼筋籠下到設計標高后，用懸掛器將其與護筒或平臺連接牢固，防止鋼筋籠發(fā)生掉籠或浮籠現(xiàn)象。

水下混凝土灌注：

鋼筋籠吊裝完畢后，進行隱蔽工程驗收，合格后應立即澆注混凝土。導管采用φ300鋼管，每節(jié)2～3m，配1～2節(jié)1～1.5m的短管。下導管后，二次清孔，確?？椎壮猎穸确弦?guī)范要求。

對灌注導管要檢查其圓滿度、垂直度及其連接密封性，按期對導管進行水封試驗。

隔水塞用與導管口徑相符的皮球或隔水板、隔水塞。保證足夠的初灌量，保證導管埋深0.8~1.5m，連貫灌注時埋深2~6m，灌注應連續(xù)進行。

及時測量導管的埋入深度，并做好記錄，灌注混凝土過程中，要經(jīng)常探測混凝土面上升高度，檢查埋管深度。

導管提升應保持居中，防止掛碰鋼筋籠，拆下的導管要及時沖清干凈。

灌注砼時，棄盈系數(shù)控制在1.15左右。

接近樁頂時，由于導管內(nèi)砼高度減少，壓力降低，管外泥漿稠度比重增加，出現(xiàn)灌注困難，應提高漏斗高度。

砼灌注完成時，適時拔出護筒，并做好孔內(nèi)防護，防止發(fā)生意外事故。

3.2 樁頂冠梁及混凝土支撐的施工

施工工序：

技術要求：

3.2.1樁頭鋼筋插入帽梁內(nèi)不小于38d，數(shù)量不少于樁主筋1/2。

3.2.2樁頭要清理干凈，鑿除浮漿，槽支護采用鋼模板。

3.2.3澆筑砼后用振搗棒振搗密實，保證帽梁表面平整、光滑、順直。

3.2.4混凝土支撐要與冠梁一起澆注，形成一個整體。

3.3 旋噴樁施工

施工工藝流程：

測量定位：首先采用全站儀根據(jù)高壓旋噴樁的里程樁號放出試驗區(qū)域的控制樁，然后使用鋼卷尺和麻線根據(jù)樁距傳遞放出旋噴樁的樁位位置，用小竹簽做好標記，并撒白灰標識，確保樁機準確就位。

機具就位：采用起重機懸吊攪拌機到達指定樁位附近，利用樁機底部步覆裝置，緩慢移動至施工部位，由專人指揮，用水平尺和定位測錘校準樁機，使樁機水平，導向架和鉆桿應與地面垂直，傾斜率小于1.5%。對不符合垂直度要求的鉆桿進行調(diào)整，直到鉆桿的垂直度達到要求。為了保證樁位準確，必須使用定位卡，樁位對中誤差不大于5cm。

啟動鉆機邊旋轉(zhuǎn)邊鉆進，至設計標高后停止鉆進：采單管旋噴法施工。該方法插管與鉆孔兩道工序合二為一，即鉆孔完成時插管作業(yè)同時完成。在插管過程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，高壓水噴嘴邊射水、邊插管，水壓力一般不超過1MPa，至設計標高后停止鉆進。

噴射注漿：在插入旋噴管前，先檢查高壓設備和管路系統(tǒng)，設備的壓力和排量必須滿足設計要求。各部位密封圈必須良好，各通道和噴嘴內(nèi)不得有雜物，并做高壓水射水試驗，合格后方可噴射漿液。

旋噴作業(yè)系統(tǒng)的各項工藝參數(shù)都必須按照預先設定的要求加以控制，并隨時做好關于旋噴時間、用漿量、冒漿情況、壓力變化等的記錄。

施工注意事項：施工前，要求檢查旋噴管的高壓水與空氣噴射情況，各部位密封圈是否封閉，合格后方可噴射漿液；噴射時，先應達到預定的噴射壓力、噴漿量后，再逐漸提升注漿管。中間發(fā)生故障時，應停止提升和旋噴，以防樁體中斷，同時立即進行檢查排除故障；旋噴過程中，冒漿量控制在10%～25%之間；高壓噴射注漿完畢后，應迅速拔出噴射管。

3.4 降水施工

降水使基坑內(nèi)的土體排水固結，并具有一定強度，從而提高坑內(nèi)土體的水平抗力，減少基坑的變形量。根據(jù)廈門北站的土體滲透性和基坑的周圍環(huán)境，嚴格控制基坑內(nèi)的降水速度和降水量非常重要，若基坑內(nèi)過早或過量降水，則會使基坑外地下水位太低，而產(chǎn)生過大沉降，影響周圍環(huán)境的安全。因此，基坑降水必須和開挖密切配合，施工中采取分段、快速、集中降水的方法，并且依據(jù)土體滲水速率、基坑內(nèi)土體疏干情況和基坑開挖的速度進行降水，主體結構深基坑采用分層降水法，在基坑開挖前5～7天開始進行降水，由深井內(nèi)的水泵位置來控制降水深度，由調(diào)節(jié)抽水時間來控制基坑內(nèi)的出水量。通過基坑內(nèi)的觀測井，掌握水位變化情況，其控制高度通過計算確定，既不要抽水過深引起地面沉降，也不要抽水過淺危及坑底安全，將地下水降至基坑開挖面下1.0m左右，即滿足開挖該層土體的要求，結構段施工完畢，隨即停止抽水。

根據(jù)巖土工程勘察報告顯示，基坑開挖受到地下水位的影響，土方施工之前需進行人工降低地下水位。根據(jù)該場區(qū)現(xiàn)查明的潛水、層間水和承壓水，采用管井降水，一般采用井徑600mm，管井的深度1號線16.7m（進入槽底以下4.74m）；4號線28.5m（進入槽底以下7.0m）。

圖3 降水計算地層剖面圖

3.5 土方施工

土方開挖根據(jù)現(xiàn)場條件劃分為七個區(qū)，根據(jù)圍護形式，1號線開挖深度9.73m（以混凝土支撐梁頂始以下），分為三步開挖順序，第一步開挖至第一道混凝土支撐梁的底部，標高為+10.01m，開挖深度為1m，在此標高下出土凈高為7.5m左右，可采用大型挖掘機施工，開挖完成后開始混凝土支撐梁的施工，完成后梁間的距離為6m，混凝土支撐梁達到設計強度后開始第二步土方的開挖，第二步土方通長開挖至+5.81m的標高（距鋼支撐80cm的距離），當?shù)诙酵练骄嚯x頂部混凝土支撐梁的底部凈高為4.2m，作業(yè)寬度為26m，采用3臺小型挖機PC100型號在基坑內(nèi)施工倒運土方，頂部采用2臺大型挖掘機進行裝土作業(yè)。第二步土方開挖完成后，東側鋼支撐組裝進行，同時第三步土方開挖從南側開始至北側單獨對立柱樁西側開挖一道出土道路，深為2.8m，底標高為+3.01m。道路兩側采用1:1放坡開挖，采用掛鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土支護，厚度為10cm。在出土道路底部鋪設建筑渣土一層，厚度為50cm，寬度為6m，詳見圖5。當西側道路施工完畢后，開始剩余鋼支撐的安裝，具體安裝方法參照鋼支撐安裝方案。第二道鋼支撐的支撐間距為4m。第二步鋼支撐架設完成后開始第四步土方的開挖，直接開挖至基坑底部。

4號線的土方開挖深度為19.35m（自混凝土支撐梁頂以下），周圍場地開闊，可采用汽車吊進行吊裝，因此在土方開挖過程中不采用單側開槽的施工方法，直接將土方開挖至鋼支撐的下側80cm處，共分為4步進行開挖，第一步開挖至冠梁底（標高+12.084m）處的標高，第二步開挖至鋼管支撐底80cm處（標高+5.084m），第三步開挖至設計標高-0.768m，第四步開挖至基坑底部標高為-5.448m。在開挖深度內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場可施工區(qū)域的分布，及時分層、分步布置挖土機械，多臺挖土機上下、左右齊頭并進，為保持多機作業(yè)工作面，充分利用空間和時間，采用晝、夜兩班交替，以保持持續(xù)高產(chǎn)。

圖5 1號線豎向開挖分布圖

圖6 4號線豎向開挖分步圖

開挖注意事項：

3.5.1該階段土方及基礎樁施工全面展開，工程量較大，工序多，機械設備多，要解決好工作面與日產(chǎn)量、工序間工作面相互制約的矛盾，各工序間需采用交叉流水作業(yè)。每個工作面都要采用定機械設備、定日產(chǎn)量、定工期等三定措施，確保工程順利進行。

3.5.2本工程的施工關鍵是土方運輸，因此要合理布置現(xiàn)場道路和出入口，合理規(guī)劃卸土場地、優(yōu)化運土路線，安排好作業(yè)時間，做好車輛分流，減少道路擁擠，行車路線盡量用循環(huán)路。

3.5.3盡量采用反鏟挖土，充分利用挖土半徑，提高效率，盡量抓緊時間，保證按期完成任務。

3.5.4嚴格按開挖線進行開挖，嚴禁超挖，測量工作隨時配合。

3.5.5清土與挖土應與別的工序緊密配合，不可超前或滯后。

3.6 鋼支撐施工方案

鋼支撐架設緊跟土方開挖，遵循“先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴禁超挖”的原則進行施工，鋼支撐現(xiàn)場整體拼裝，擬配液壓千斤頂在鋼管支撐活動端分級預加軸力并鎖定。鋼腰梁現(xiàn)場加工，提前安設鋼牛腿。

圖7 鋼支撐安裝流程

3.7 預應力錨桿施工

圖8 預應力錨桿工藝流程

注意事項：

3.7.1鉆孔前定位：根據(jù)設計要求定出孔位，做出標記。

3.7.2鉆孔：鉆機就位、開機，鉆機鉆入地層。套管跟進式鉆進時，護壁套管同時跟進，沖洗介質(zhì)通過鉆桿和鉆頭的通道輸入鉆孔，將鉆孔廢渣沿鉆桿和套管間排出；干鉆成孔時，可使用小螺旋鉆機或其他成孔方法。

3.7.3清孔、桿體制作和安放：安放錨桿前，濕式鉆孔應用清水清洗干凈。鋼絞線根據(jù)設計長度加上張拉長度截好，用綁扎絲綁在隔離架上，隔離架之間的間距控制在2.0m左右，桿體自由段用軟塑料管包裹，與錨固段相交處的塑料管管口用綁絲綁緊。桿體制作好后，應將注漿管隨錨桿一同放入孔，注漿管端部距離孔底宜為50cm左右。

3.7.4制漿：水泥漿水灰比控制在0.45～0.50之間，用攪漿機攪拌均勻。

3.7.5灌漿：灌漿采用M35水泥砂漿，配合比通過現(xiàn)場試驗確定，錨索推送就位后可進行第一次灌漿，灌漿未飽滿，可進行二次灌漿。灌漿應慢、穩(wěn)、連續(xù)進行，直到孔內(nèi)的液體和氣泡全部排出孔外，出口處溢出的泥漿與新漿相同后，再延續(xù)1min即可停止。

3.7.6預應力張拉、鎖定：鋼腰梁制作安裝好后，將墊板放入，然后安放好錨具。當注漿體的強砂漿齡期達到7天后，方可進行張拉。張拉應分3級張拉，至設計值鎖定。

3.8 基坑監(jiān)測

為確?；邮┕ず褪褂眠^程中的安全和穩(wěn)定及基坑周邊臨時道路安全，應做好基坑圍護施工的監(jiān)測工作。

3.8.1監(jiān)測項目

①監(jiān)測基坑坡頂?shù)乃轿灰啤?/p>

②監(jiān)測基坑周邊一倍坑深范圍內(nèi)的路面及地下管線（如果有）的沉降。

③定期巡視檢查基坑外周邊環(huán)境變化情況。

3.8.2監(jiān)測方法及精度要求

①基準點布置：根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行基準點及方向點的布置，應布置在監(jiān)測期限內(nèi)不被擾動。

②變形觀測點布置：采用沿基坑周邊布置觀測點，布點原則是在通長的基坑邊間隔設置觀測點，在變形最大、受力最大及局部地質(zhì)條件最為不利的地段增加觀測點?，F(xiàn)場實際布置時根據(jù)通視條件、現(xiàn)場布置等可以適當調(diào)整測點位置。

3.8.3監(jiān)測頻率及時限

（1）基坑施工過程中的監(jiān)測

①開挖前，觀測3次，記錄初始值，以3次平均值作為初始值。

②基坑每開挖一步應觀測不少于1次，且每天應觀測1次。

③雨天過后，應至少4h觀測1次，如連續(xù)3次觀測數(shù)據(jù)相同（或在誤差允許范圍內(nèi)），可按②繼續(xù)觀測。

④基坑開挖完7天內(nèi)，仍應每天觀測1次。

⑤基坑開挖完7～15天，每3天觀測1次，如觀測數(shù)據(jù)變化大，應每天觀測1次。

⑥基坑開挖完15～30天，每7天觀測1次，如觀測數(shù)據(jù)變化大，應每天觀測1次。

⑦基坑開挖完30天，如果最后連續(xù)3次的觀測數(shù)據(jù)相同或在誤差允許范圍內(nèi)，可停止施工過程的監(jiān)測。

（2）監(jiān)控預警

本工程的坡頂位移預警值應為坑深的3‰，對于開挖過程中出現(xiàn)的變形量大或變形加劇等現(xiàn)象，應及時向設計人員反饋，以便及時調(diào)整方案。

4 小結

廈門北站內(nèi)地鐵1、4號線主體結構基坑施工，由于采取了科學合理的技術措施和嚴格的施工管理，達到一級基坑安全保護等級的要求，周圍地表沉降控制在允許范圍內(nèi)，周圍建筑物未發(fā)生下沉及開裂。充分運用了深基坑施工的“時空效應”原則，將長大型深基坑分段、分層、分單元進行開挖、支撐，使基坑開挖和支撐兩道工序有機結合，有效控制了深基坑圍護結構的位移量，正確、及時的監(jiān)測，對深基坑施工進行動態(tài)管理，獲到了完整的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了信息化施工，保證了深基坑和周圍環(huán)境的安全。廈門北站內(nèi)地鐵1、4號線深基坑施工的成功，為在廈門地區(qū)進行大型深基坑或超深基坑的施工積累了經(jīng)驗，可供今后類似深基坑施工參考。