復雜環(huán)境條件下大型異形超深基坑施工風險分析及控制對策

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

昆明市軌道交通首期工程2號線與3號線工程換乘車站文化宮站，位于北京路與東風東路十字路口下，2號線與3號線之間設置聯(lián)絡線（圖1）。2號線車站為地下2 層島式車站，外包長度249.6 m，外包寬度22.7 m；3號線車站為地下3 層島式車站，外包長度307.6 m，外包寬度22.9 m。車站基坑占地面積約2 萬m2，整個異形基坑整體開挖。車站主體圍護結(jié)構采用地下連續(xù)墻，坑內(nèi)深淺坑采用排樁及落地墻圍護，開挖采用半蓋挖法施工，2號線開挖深度一般為16.58 m，最深達18.18 m，3號線一般開挖深度為23.56 m，最大開挖深度達25.30 m。

圖1 車站平面布置

2 基坑環(huán)境分析

（a）本工程比較典型的地質(zhì)情況為：①1粉質(zhì)黏土、③2黏土、③4泥灰質(zhì)土、③5圓礫、③7粉砂土、③8粉土。

（b）勘察期間于鉆孔內(nèi)測得兩穩(wěn)定地下水位：混合水位及圓礫③2層潛水水位。本段歷史最高水位為現(xiàn)地表下約2 m；盤龍江距本線位段較近，與本場區(qū)地下水位有聯(lián)系。

（c）本站地處昆明市2 條主干道交叉處，交通通行壓力大，施工的同時又要保證道路通暢，根據(jù)交通組織，需要以北京路、東風東路十字路口為界，將車站劃分成若干區(qū)域進行分階段施工，翻交次數(shù)較多。采用局部半蓋挖法就是考慮確保交通不能中斷的需要。由此造成施工場地狹小（最窄的場地寬度只有17 m），并且變化較多。

（d）車站主體兩側(cè)建筑物眾多，基坑距離周邊建筑物很近，最近距離僅2.5 m，且部分建筑物的基礎形式比較差，建筑物保護要求高。

（e）該車站施工范圍內(nèi)北京路上地下管線錯綜復雜，既有管線與新建管線形成了密集的地下管網(wǎng)；東風東路的東西向管線與北京路的南北向管線在十字路口交匯，使得十字路口處的管線呈現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)狀分布。

3 基坑施工存在風險分析

3.1 圍護結(jié)構施工質(zhì)量難以控制[1,2]

（a）圓礫層存在，且分布不均，厚度變化大，容易產(chǎn)生坍方、漏漿等問題，進而影響地下連續(xù)墻施工質(zhì)量。

（b）基坑形狀為異形基坑，圓弧段較多，且圓弧段均采用鎖口管接頭，地下連續(xù)墻接頭施工質(zhì)量難以保證。

（c）受管線遷改及交通翻交影響，圍護結(jié)構施工階段較多，且各階段之間施工時間間隔較長，導致圍護結(jié)構新老部位接頭多。

（d）受交通環(huán)境制約，混凝土早晚高峰期不能供應，可能造成無法及時澆筑混凝土或混凝土澆筑中斷。

（e）大部分導墻位于原市政管溝上，土質(zhì)較松，處理不好易產(chǎn)生坍方，導墻坍塌等事故，影響圍護結(jié)構的施工質(zhì)量。

3.2 周邊建筑保護難度大

基坑周邊的建筑物中，震莊賓館為云南省國賓館，主要接待高層領導，目前尚未進行開挖，房屋已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂縫；電信大樓為文物保護建筑，年代久遠，基礎形式差；中方大廈高度較高，但基礎形式僅為3 m深的筏板基礎，無樁基。因此，對建筑物保護難度非常大。

3.3 管線保護難度大

基坑周邊管線縱橫交錯，種類繁多，且很多已經(jīng)年久老化，容易變形損壞。新改遷的管線雖遷出基坑范圍，但是由于空間的限制，新遷的位置距離基坑非常近，施工場地內(nèi)管線分布零散，場地內(nèi)重型設備較多，稍有疏忽，則可能造成管線損壞。

3.4 基坑降水風險大

昆明地區(qū)開挖如此面積和深度的深基坑尚無前例可以借鑒，在深基坑降水方面也無任何經(jīng)驗可以參考。本基坑周邊還有盤龍江和震莊賓館人工湖存在，和坑內(nèi)存在什么樣的水利聯(lián)系尚不可知。圓礫層及硬度較大的粉土層也都將對降水方案的設計及降水效果產(chǎn)生影響。周邊環(huán)境如此復雜，開挖大面積異形深基坑的基坑降水風險很大。

3.5 半蓋挖區(qū)圍護結(jié)構應急搶險困難

本工程為了確保道路通行不受影響，設計采用了半蓋挖施工，蓋挖區(qū)頂板上用于道路通行。這就造成了蓋挖區(qū)下的圍護結(jié)構在基坑開挖時處于通行道路之下，一旦發(fā)生涌水涌砂情況，受交通通行及管線限制，應急搶險將非常困難。

3.6 異形基坑，深淺坑開挖風險大

本基坑開挖面積大，基坑形狀不規(guī)則，支撐體系復雜，基坑開挖變化多，而且存在深淺坑開挖問題。設計工序為先淺后深，即淺坑施工完底板后再開挖深坑，且聯(lián)絡通道開挖深度為連續(xù)坡度，深淺坑間隔圍護為落低排樁，容易發(fā)生滲漏情況，將對淺坑底板質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.7 開挖順序、進度協(xié)調(diào)難度大

本基坑為整體開挖，根據(jù)支撐體系布置情況，開挖時將由東南西北四個方向向基坑中部同步開挖。但這幾個開挖區(qū)域又被蓋挖頂板上的通行道路分隔開，開挖過程必須協(xié)調(diào)好各開挖區(qū)的進度，避免由于個別區(qū)域開挖速度快而旁邊區(qū)域未能及時跟上開挖速度，造成基坑開挖放坡面過陡或坡頂荷載過大的情況。

3.8 支撐體系施工難度大，質(zhì)量要求高

基坑支撐體系采用鋼支撐與混凝土支撐結(jié)合體系，其中，混凝土支撐體系中的格構柱采用的是鋼管柱，必須通過法蘭進行節(jié)點傳力連接，施工難度較大，質(zhì)量難以控制。在聯(lián)絡通道弧線段圍護結(jié)構上，鋼支撐與圍護結(jié)構為非垂直關系，受力不合理，這對鋼支撐施工質(zhì)量要求很高。

4 基坑施工風險的控制對策

4.1 嚴格控制各工序施工質(zhì)量

（a）導墻施工時，如果遇到市政管溝，必須將管溝全部挖除，必要時進行回填后再施工導墻[3]。同時，根據(jù)導墻底部土質(zhì)情況及本段地下連續(xù)墻的接頭形式，綜合確定每一段導墻的深度，確保導墻具有足夠的承載力。

（b）圍護結(jié)構施工時，除了一般施工中對施工質(zhì)量有影響的因素必須嚴格控制，針對本項目特有的可能影響圍護結(jié)構施工質(zhì)量的因素也必須有對策：

第一，對成槽至圓礫層后，必須增加對槽段深度及泥漿高度及時跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)異常，必須及時采取補漿等措施，坍方嚴重時，必須及時對槽段進行回填。

第二，對于蓋挖區(qū)采用的H型鋼接頭進行改進，確保接頭施工質(zhì)量。

第三，對于圓弧段鎖口管接頭，增加接頭的刷壁次數(shù)，嚴格刷壁質(zhì)量驗收，確保合格后方可下放鋼筋籠。

第四，對于混凝土供應不及時問題，首先盡量調(diào)整施工時間，使?jié)仓炷習r間盡量避開早晚高峰；確實無法錯開高峰期澆筑的情況，需要做好材料計劃，在高峰期之間需要準備一定的混凝土余量，并且放緩澆筑速度，確保槽段混凝土不凝固，并控制好導管的振搗和提拔。

（c）圍護結(jié)構施工完成后，尤其是處于蓋挖區(qū)頂板下部的圍護結(jié)構，要及時進行質(zhì)量分析，各項數(shù)據(jù)反映質(zhì)量存在問題的，及時采取補救措施，不可抱任何僥幸心理。

（d）所有圍護結(jié)構新老接頭部位、圓弧段接頭部位，尤其是處于蓋挖區(qū)頂板下部的圍護結(jié)構接頭，開挖前全部進行止水補強，確保萬無一失。

（e）支撐施工時，混凝土支撐與鋼管柱連接節(jié)點必須嚴格驗收，所有的焊接必須合格；圓弧段鋼支撐架設完畢后，必須在鋼支撐與圍護墻的角度空隙內(nèi)填充細石混凝土，待混凝土達到強度后方可繼續(xù)開挖。

4.2 進行科學的降水試驗[4,5]

本基坑的復雜性，對降水試驗提出了很高的要求。鑒于此，本工程進行了科學的降水試驗，主要對圍護下部未封閉承壓含水層③3粉砂含水層進行研究，進而為降水方案優(yōu)化設計提供依據(jù)。

4.3 加強基坑監(jiān)測工作

首先，必須制訂完善詳盡的監(jiān)測方案，合理布置監(jiān)測點，尤其是周邊的房屋建筑，必須進行針對性的布點，使其切實能反映房屋建筑的變形，并確定各階段的監(jiān)測報警值和監(jiān)測頻率。其次，在施工中必須注重監(jiān)測點的保護工作，以免損壞監(jiān)測點，影響到數(shù)據(jù)收集；第三，時刻關注周邊環(huán)境的變化，對監(jiān)測報表進行分析研究，遇有監(jiān)測報警或異常情況時，須立即采取應急措施，將險情杜絕，確?；拥陌踩Ｊ┕び斜匾獣r，要及時加大監(jiān)測頻率，及時進行數(shù)據(jù)分析，以監(jiān)測信息指導施工。

4.4 細化管線管理工作

由于管線與本工程基坑關系密切，一旦管理不善發(fā)生管線事故，不但影響工程推進，造成經(jīng)濟損失，嚴重者會危及基坑安全，因此必須細化管線管理工作。

制定專人進行管線管理，加強與管線單位的溝通，熟悉管線情況。管線遷改后，對新設線路，須進行準確定位，以便后期需要時，能夠迅速將管線定位。建立管線管理檔案，及時收集整理各種管線信息。

4.5 動態(tài)跟蹤開挖，綜合協(xié)調(diào)進度

本工程對基坑開挖風險大，協(xié)調(diào)難度大的風險采取了如下應對措施：

（a）制定全面系統(tǒng)的基坑開挖方案，做好專家評審工作，及時進行安全技術交底；

（b）加強工序管理與銜接，遵循時空效應，控制變形。基坑開挖期間是車站位移變化最為敏感的時間段，車站基坑開挖嚴格按照“時空效應”的理論，分層分段施工，并要隨挖隨撐。由于淺坑底板作為深坑開挖支撐體系的傳力結(jié)構，因此，在淺坑底板形成并達到強度之前，深坑區(qū)域靠近圍護結(jié)構側(cè)土方不能挖除，僅可挖除淺坑底板施工所需部分的土方，并確保土方放坡安全；

（c）每天召開開挖例會，切實落實挖土令制度。

5 風險控制效果分析

通過嚴格控制圍護結(jié)構施工質(zhì)量，基坑開挖過程中未出現(xiàn)涌水涌砂情況，僅出現(xiàn)個別滲水情況。圍護結(jié)構的良好質(zhì)量確保了基坑開挖安全。

由于管線均距離基坑太近，部分管線沉降測點達到報警值（－20 mm），大部分測點的絕對沉降量在－5～－30 mm之間，報警率約12.5%。但通過對管線的細化管理，基坑開挖后至工程完工，未發(fā)生管線事故，管線得到了較好的保護。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在挖土施工期間周邊建筑物雖有一定量的沉降，但總體變化不大，變形比較平緩，沒有突變的趨勢，相鄰點差異沉降不是太大，總體來說基坑施工對周邊建筑物的影響在可控范圍之內(nèi)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖過程中墻體位移最大值約為45.40 mm，大部分墻體位移測點的最大位移值為20～40 mm，部分超出35 mm的報警值，墻體變形控制較好。

6 結(jié)語

目前一些新建地鐵的城市，其地鐵車站站位往往位于主城區(qū)，深基坑施工面臨的環(huán)境往往是非常復雜的。而基坑開挖又是地鐵建設過程中極易發(fā)生事故的階段，結(jié)合基坑周邊環(huán)境特點對其進行風險分析和控制相當必要。以上針對地鐵車站深基坑的環(huán)境特點，進行環(huán)境條件及風險分析，并提出一系列施工風險控制應對措施，可供其他工程借鑒。