大面積深基坑開挖及圍護(hù)施工

閆棟梁

(中鐵三局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

隨著城市建設(shè)的大發(fā)展，大面積、深基坑施工越來越普遍，與一般房建工程不同，地鐵停車場具有整體基坑面積大、基坑開挖較深，場地相對較為狹小的特點，這就要求基坑開挖和支護(hù)方案需要從整體出發(fā)，對基坑圍護(hù)和開挖進(jìn)行合理設(shè)計和施工。

1 工程概況

武漢市軌道交通三號線一期工程升官渡停車場位于武漢市漢陽區(qū)，與3號線一期工程客運(yùn)中心站接軌，主要承擔(dān)配屬列車的雙周/三月檢、列檢及停放等日常保養(yǎng)，以及供電、機(jī)電、通號等維修工區(qū)工作。升官渡停車場地下庫區(qū)為地下1層2跨～10跨矩形框架結(jié)構(gòu)，位于庫區(qū)上方的綜合樓為框架結(jié)構(gòu)(地下2層，地上5層)，主體形狀不規(guī)則，呈刀把狀?？偨ㄖ娣e68 674．1 m2，其中地下庫區(qū)建筑面積為61 781．7 m2。

2 地質(zhì)條件

2．1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《巖土工程詳細(xì)勘察報告》，從地表往下與基坑開挖支護(hù)有關(guān)的土層資料如下:

①雜填土(Qml):雜色，結(jié)構(gòu)松散，壓縮性高，層厚0．30 m～2．10 m。

②粉質(zhì)粘土(Qal4):褐黃～灰褐色，可塑，壓縮性中等，層厚1．00 m ～8．50 m。

③粘土(Qal+pl2):褐 ～褐紅色，硬塑狀態(tài)，壓縮性低，層厚0．50 m ～15．00 m。

④紅粘土(Qel):灰白色，硬塑狀態(tài)，中偏低壓縮性，層厚0．80m ～13．50 m。

2．2 水文地質(zhì)條件

勘察期間測得其穩(wěn)定水位埋深為地面下0．1 m～2．5 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高18．06 m～26．59 m。對基坑構(gòu)成危害的地下水主要是上層滯水。對地表水和地下水的處理方式采取明排處理。

基坑淺部素填土、雜填土滲透性較大，故在基坑外側(cè)做截水溝，并接入市政排水系統(tǒng)，防止地面雨水進(jìn)入基坑。

3 基坑支護(hù)方案

3．1 基坑圍護(hù)設(shè)計

本工程地下部分形狀不規(guī)則，呈刀把狀，最寬處120．1 m，最窄處13．5 m，根據(jù)基坑開挖深度、地層條件的不同，將基坑劃為幾個支護(hù)單元，見圖1。1)列車運(yùn)用庫(長約300 m、寬約120 m)及相鄰的道岔咽喉區(qū)(長約150 m、寬約32 m～120 m)的基坑寬度較寬，面積較大，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，局部土層為巖層的采用放坡+土釘形式。雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)具有更大的側(cè)向剛度，可以明顯減小基坑的側(cè)向變形，支護(hù)的深度也相應(yīng)增加，鉆孔灌注樁具有工藝成熟、自身剛度大、施工速度快、布置靈活、造價低的優(yōu)點。土釘墻施工簡單，不用橫撐，施工空間大。2)出入段線(長約200 m、寬約15 m)及相鄰的道岔咽喉區(qū)(長約350 m、寬約15 m～32 m)的基坑寬度較窄，考慮采用單排灌注樁+二道支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)。懸臂式單排護(hù)坡樁在粘性土地基的基坑開挖支護(hù)工程中應(yīng)用很普遍，適用于各種地層。3)內(nèi)支撐:第一道采用混凝土支撐，其他各道采用鋼管撐，支撐水平間距為6 m。

圖1 基坑圍護(hù)設(shè)計示意圖

3．2 基坑監(jiān)測方案

升官渡停車場工程基坑保護(hù)等級為一級。為了指導(dǎo)施工，確保工程的順利進(jìn)行和周圍臨時建筑物及基坑的安全，而加強(qiáng)施工監(jiān)測，實行信息化施工，隨時預(yù)報，及時處理，防患于未然。

1)主要監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1 基坑主要監(jiān)測內(nèi)容

2)施工安全性判別。

根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，選用圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及鋼支撐軸力兩項設(shè)定預(yù)警值，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工安全判別標(biāo)準(zhǔn)，其安全性判別標(biāo)準(zhǔn)如下:每步開挖圍護(hù)樁水平位移允許值為0．14%H(H為基坑開挖深度)，水平位移變化速率應(yīng)小于3 mm/d;立柱樁隆起或沉降達(dá)到15 mm;管線沉降達(dá)到15 mm或沉降差達(dá)到3‰;既有建筑物相鄰柱基的沉降差達(dá)到其間距的2‰;鋼支撐軸力容許值2 800 kN。

當(dāng)實測值小于0．8×容許值，安全;當(dāng)實測值大于0．8×容許值，報警(0．8×容許值為臨界值)。

當(dāng)安全性為危險時，應(yīng)每天觀測，并召集設(shè)計、施工及監(jiān)測等單位進(jìn)行會診，對可能出現(xiàn)的各種情況作出估計和決策，并采取有效措施，不斷完善與優(yōu)化下一步的設(shè)計與施工。

所有監(jiān)測數(shù)據(jù)必須有完整的紀(jì)錄，并定期將監(jiān)測結(jié)果報告給建設(shè)、監(jiān)理和設(shè)計單位。

3．3 土方及支撐施工設(shè)計方案

1)基坑開挖必須在鉆孔灌注樁及止水帷幕均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%后方可進(jìn)行。2)基坑開挖按照先淺后深的原則進(jìn)行開挖;土方開挖的順序、方法必須與設(shè)計工況一致，并遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，開挖第一層土?xí)r每一段的開挖長度一般不超過12 m;其他各道支撐開挖時，每小段長度一般不超過6 m，開挖時間和鋼支撐的安裝時間在16 h和8 h。3)設(shè)計工況。a．首先進(jìn)行場地平整及清表工作，隨后進(jìn)行鉆孔灌注樁及立柱樁與鋼格構(gòu)柱施工。b．開挖土方至20．5 m標(biāo)高處;施工基坑周邊截水溝、地面硬化并做好放坡面土釘掛網(wǎng)支護(hù)。c．鑿除支護(hù)樁及立柱樁樁頂浮漿，施工冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐梁。d．支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計強(qiáng)度達(dá)到80%后，土方分層開挖至15．1 m標(biāo)高處;鑿除鋼格構(gòu)周邊混凝土，施工鋼圍檁及第二道鋼支撐梁;及時完成樁間掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面施工。e．土方分層開挖至11．28標(biāo)高處;鑿除鋼格構(gòu)周邊混凝土，施工墊層及坑底排水溝;完成樁間掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面施工。f．施工鋼格構(gòu)穿越底板處防水板、底板;支護(hù)樁與底板邊線間采用C20混凝土回填換撐后，拆除第二道鋼支撐。g．主體結(jié)構(gòu)施工，基坑采用粘性土和粉質(zhì)粘土回填。h．拆除第一道鋼筋混凝土支撐梁，割除主體結(jié)構(gòu)空間內(nèi)鋼格構(gòu)柱，主體結(jié)構(gòu)覆土回填。

4 施工方法

4．1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

4．1．1 鉆孔灌注樁施工

1)鉆孔灌注樁設(shè)計參數(shù)見表2。

2)施工方法選擇。

根據(jù)工程特點，場地內(nèi)地下水水位低，有利于干作業(yè)鉆孔灌注樁施工。成孔工藝采用旋挖鉆成孔施工工法又稱鉆斗施工工法;成樁采用導(dǎo)管法灌注混凝土。采用履帶式樁機(jī)，樁機(jī)就位之前需對場地進(jìn)行夯實平整、清理雜物，以免發(fā)生不均勻沉降。

工藝流程為:樁位放樣→埋設(shè)鋼護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→清孔→安裝鋼筋籠→設(shè)置導(dǎo)管→導(dǎo)管法灌注混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)、拆除護(hù)筒等。

4．1．2 支撐體系施工

1)工藝流程。

鉆孔灌注樁與立柱樁施工完成→土方開挖至樁頂標(biāo)高→坡面土釘掛網(wǎng)支護(hù)→鑿樁頭至樁頂標(biāo)高→施工冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐梁→土方開挖至第二道鋼支撐以下1 m→施工鋼圍檁及第二道鋼支撐梁，樁間掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面→土方開挖至基底→樁間掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面→設(shè)置基底排水溝。

2)施工要點。

a．樁頂冠梁施工。

圍護(hù)樁頂設(shè)置1 200 mm×800 mm冠梁，不同標(biāo)高處冠梁采用1∶3坡率進(jìn)行過渡。冠梁之間通過混凝土支撐梁(500 mm×600 mm)進(jìn)行連接。

第一道混凝土支撐和冠梁采用C35混凝土澆筑，混凝土支撐梁施工前，需在支撐梁下鋪設(shè)一層彩條布隔層。

b．鋼支撐施工。

支撐由活動端頭、固定端頭和中間節(jié)組成。各節(jié)由螺栓連接，中間節(jié)由多節(jié)組合而成，可根據(jù)實際情況確定(見圖2)。橫撐用φ609×16 mm焊接鋼管，每榀支撐安裝時，用2臺100 t千斤頂對擋土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，鋼圍檁的接長采用焊接。

表2 鉆孔灌注樁設(shè)計參數(shù)

4．1．3 土釘墻施工

1)施工內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 土釘墻施工內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)

2)土釘墻支護(hù)立面示意圖見圖3。

圖3 土釘墻支護(hù)立面示意圖

3)施工方法。

a．設(shè)置排水系統(tǒng)。

施工時應(yīng)提前沿坡頂挖設(shè)排水溝排除地表水，并在第一段開挖噴射混凝土期間可用混凝土做排水溝覆面。

支擋土體按以下排水方式設(shè)置排水:泄水孔采用包濾網(wǎng)填礫PVC管，管徑為75 mm，管長400 mm～500 mm，沿管身每約100 mm距離梅花形開設(shè)透水孔，孔徑10 mm，外斜10%;泄水孔水平布置間距2 m，垂直布置間距根據(jù)邊坡情況設(shè)置，每段邊坡垂直設(shè)置兩處(見圖4)。

圖4 泄水孔大樣圖

最底層的護(hù)坡完成施工后，在基坑底部設(shè)置排水溝與集水井進(jìn)行排水。

b．開挖、修坡。

土釘墻開挖按設(shè)計要求分段分層進(jìn)行，在機(jī)械開挖后，應(yīng)輔以人工修整坡面，坡面平整度的允許偏差為±20 mm。

c．噴射混凝土。

在開挖完成后必須盡快做第一層噴射混凝土，厚度10 mm～15 mm。噴射混凝土應(yīng)分段進(jìn)行，同一分段內(nèi)噴射順序應(yīng)自下而上，一次噴射厚度為30 mm～40 mm，噴射混凝土上下層及相鄰段的接槎，應(yīng)做成斜坡搭接，搭接長度一般為噴射厚度的2倍以上。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)完畢后，還要進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴的一次厚度為40mm～50mm。

d．設(shè)置土釘。

土釘施工包括定位、成孔、設(shè)置鋼筋、注漿等工序。

按照施工圖放置土釘定位點。

按設(shè)計要求長度加工錨筋，錨筋采用22的螺紋鋼筋，為了保證鋼筋設(shè)置居中，在錨筋上每隔2 m～3 m應(yīng)設(shè)一個定位支架，如圖5所示。

圖5 土釘節(jié)點圖

在孔口處設(shè)置止?jié){塞及排氣管，并將止?jié){塞旋緊，使其與孔壁緊密結(jié)合，在止?jié){塞上將注漿管插入注漿口，深入至距孔底250 mm～500 mm處，注漿管連接注漿泵，邊注漿邊向孔口方向拔管，直至注滿為止，再放松止?jié){塞，將注漿管與止?jié){塞拔出，然后用粘性土或水泥漿充填孔口。

e．鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

鋼筋網(wǎng)應(yīng)在噴射一層混凝土后鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)片采用φ6@200×200，鋼筋網(wǎng)片的固定采用直徑14 mm，長度為200 mm，間距為2 000 mm的短鋼筋固定。

f．樁間掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面。

支護(hù)樁之間樁間土插入直徑為22 mm，長1 000 mm，間距為500 mm×500 mm的錨筋;外掛φ6@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片;面層噴射80厚C20混凝土。

4．2 基坑土方開挖

4．2．1 土方量及機(jī)械設(shè)備投入計劃

1)土方量匯總。

整個地下庫區(qū)基坑幾何尺寸不規(guī)則，大體上可以分為作業(yè)車庫(長450 m、寬120 m)和出入線段(長550 m、寬15 m)兩部分，基坑占地面積約為62 500 m2，總土方開挖量約為97萬m3(從原始地坪計算)。因本工程支護(hù)體系以樁頂冠梁作為圍檁，只有基坑?xùn)|側(cè)采用土釘墻噴錨支護(hù)(見表4)。

表4 土方開挖情況

2)挖土機(jī)械設(shè)備投入計劃。

a．第一次挖土總土方量約為33萬m3。本次土方開挖主要為平整場地及場地內(nèi)表層土方調(diào)配，為圍護(hù)樁施工提供工作面，在1個半月內(nèi)全部完成本部分土方挖運(yùn)。每日計劃挖土量0．75萬m3，按每輛挖掘機(jī)每臺班挖土量約為1 000 m3，現(xiàn)場實際每臺挖掘機(jī)工作1．5個臺班，需投入挖掘機(jī)共5臺，配合土方車30輛(運(yùn)距按10 km計，場內(nèi)堆放15萬m3)。

b．第二次挖土總土方量約為40萬m3。本次土方開挖主要完成從冠梁頂?shù)戒撝尾课?。根?jù)2個月內(nèi)完成土方開挖的總體規(guī)劃，本次土方開挖需在40 d內(nèi)完成，每日計劃挖土量1萬m3，需投入挖掘機(jī)8臺，配合土方車40輛(考慮土方場內(nèi)堆放20萬m3)。c．第三次挖土總土方量約為23．8萬m3。本次土方開挖主要完成從鋼支撐到基底部位。根據(jù)2個月內(nèi)完成土方開挖的總體規(guī)劃，本次土方開挖需在20 d內(nèi)完成，每日計劃挖土量1．2萬m3，需投入挖掘機(jī)9臺，配合土方車40輛(考慮到土方場地內(nèi)堆放12萬m3)。

4．2．2 基坑開挖施工

1)施工順序。

a．采用土釘墻支護(hù)的部位:

第一層清表開挖→第一層土釘墻施工→第二層土方開挖→第二層土釘墻施工→第三層土方開挖→…→第六層土方開挖→第六層土釘墻支護(hù)→設(shè)置排水設(shè)施(坑底排水明溝)→人工清除20 cm預(yù)留土層。

b．采用樁支撐支護(hù)的部位:

第一層清除雜填土→支護(hù)樁、貫梁、支撐梁施工→第二層土方開挖、土釘墻、鋼支撐施工→第三層土方開挖、土釘墻支護(hù)→設(shè)置排水設(shè)施(坑底排水明溝)→人工清除20 cm預(yù)留土層。

2)開挖方法。

本工程采用大開挖形式根據(jù)邊坡高度分層分段完成土方開挖。

第一步進(jìn)行清表開挖。

第二步進(jìn)行庫區(qū)及出入線段主體土方開挖，采用反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)械挖土，配備自卸汽車將土運(yùn)出場外。

土釘墻噴錨放坡段開挖按照設(shè)計圖要求進(jìn)行放坡及分層開挖;樁支撐段必須在鉆孔灌注樁及止水帷幕混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計抗壓強(qiáng)度80%后方可進(jìn)行開挖，單次開挖深度不宜大于4m，并在開挖完成后及時做好噴射混凝土面層。

第三步進(jìn)行樁間土及基底開挖，采用反鏟挖掘機(jī)同時人工配合機(jī)械挖土。

機(jī)械開挖挖至設(shè)計標(biāo)高樁頂1 m，改用小斗進(jìn)行樁間土的開挖。在進(jìn)行樁間土的開挖時，需對樁位進(jìn)行確認(rèn)?？刹捎萌斯ね谕恋姆绞竭M(jìn)行定位，待定了樁位后再進(jìn)行機(jī)械挖土。

［1］JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］CECS 96∶97，基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．

［4］楊 昕，張東巖，史志利．大規(guī)模多層次復(fù)雜基坑的合理開挖支護(hù)設(shè)計［J］．山西建筑，2013，39(9):69-71．