城市軌道交通車站大尺寸深基坑工程中的盆式開挖逆作法技術(shù)*

曾鐵梅 吳賢國(guó) 李博文 陳虹宇 張立茂

(1．武漢地鐵集團(tuán)有限公司，430030，武漢；2．華中科技大學(xué)土木學(xué)院工程管理研究所，430074，武漢；3. 紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，2299，澳大利亞 紐卡斯?fàn)?/第一作者，高級(jí)工程師)

近年來，針對(duì)逆作法施工的相關(guān)研究工作涵蓋了基礎(chǔ)理論研究、計(jì)算分析軟件的編制與應(yīng)用，以及與設(shè)計(jì)施工相結(jié)合的反演、預(yù)測(cè)、試驗(yàn)等工程應(yīng)用研究。實(shí)踐證明，在地鐵施工過程中采用逆作法作業(yè)能夠降低工程建設(shè)在支撐或錨桿結(jié)構(gòu)方面的成本支出，把支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制在合理范圍內(nèi)，以及大幅減小對(duì)相鄰建筑物的影響，實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)、優(yōu)化項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、減小支護(hù)變形等目的。逆作法在施工工藝與目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等方面較其他施工工法更為先進(jìn)，但目前對(duì)逆作法施工的應(yīng)用還存在著較多方面的制約，理論支撐的缺位致使工程實(shí)踐中問題頻發(fā)，這成為制約逆作法技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐的客觀因素。

本文基于武漢軌道交通商務(wù)區(qū)站深基坑逆作法工程，利用有限元分析探討了該工程支撐方案選型，針對(duì)逆作法施工挖土?xí)r間較長(zhǎng)以及施工組織較為復(fù)雜等問題，提出更為優(yōu)化的方案。

1 工程概況

商務(wù)區(qū)站為武漢軌道交通3號(hào)線一期工程與7號(hào)線的十字交叉換乘站。車站位于漢口王家墩中央商務(wù)區(qū)核心區(qū)域下沉廣場(chǎng)下方，車站為地下四層站。負(fù)一、二兩層為矩形平面，平面尺寸為205 m×137 m，地下三層為3號(hào)線站臺(tái)層(標(biāo)準(zhǔn)段寬32.9 m)和3號(hào)線、7號(hào)線設(shè)備層(標(biāo)準(zhǔn)段寬52.1 m)的十字交叉基坑；地下四層為7號(hào)線站臺(tái)層(標(biāo)準(zhǔn)段寬52.1 m)，站臺(tái)層兩側(cè)為黃海路隧道。負(fù)一層是下沉式廣場(chǎng)，廣場(chǎng)中央為直徑為23 m的半圓形穹頂，負(fù)二層為商業(yè)區(qū)及3號(hào)線、7號(hào)線站廳層，在站廳層中部，半圓形穹頂區(qū)域內(nèi)無梁無柱，形成一個(gè)通透空間。該站是王家墩中央情況商務(wù)區(qū)的重要換乘車站及極具觀賞特色的車站。

地基土屬中軟場(chǎng)地土，場(chǎng)地土層分布情況如表1所示。

表1 武漢市商務(wù)區(qū)站場(chǎng)地土層分布情況表

在該場(chǎng)地中，地下水主要為上層滯水和層間承壓水。上層滯水主要賦存于雜填土和粉土層中，承壓水為主要地下水類型，賦存于粉質(zhì)黏土、粉砂互層和粉細(xì)砂層中。

2 工程特點(diǎn)及施工方法選擇

2.1 工程特點(diǎn)

商務(wù)區(qū)站基坑工程的主要特征總結(jié)如下：

(1) 工程處于典型的長(zhǎng)江漢口地區(qū)一級(jí)階地地層，土質(zhì)條件差；

(2) 基坑平面尺寸較大，深度較深，且坑中坑較多；

(3) 基坑坑邊為武漢中心高428 m的超高層建筑，該建筑的地下室距離車站基坑地下連續(xù)墻約32 m。

由于該站平面形狀類似于正方形，平面長(zhǎng)、寬尺寸太大，工程位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，所處的地質(zhì)條件很差，因此對(duì)車站基坑支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大困難。該基坑工程短邊長(zhǎng)度大于100 m，長(zhǎng)邊長(zhǎng)度大于200 m，如果采用內(nèi)支撐，需設(shè)較多立柱，支撐截面也較大，導(dǎo)致水平支撐構(gòu)件斷面尺寸和自重較大，以及施工工期加長(zhǎng)；如采用不設(shè)內(nèi)支撐的懸臂支護(hù)樁或者樁錨體系，由于地質(zhì)條件差，且工程周邊有在建建筑，導(dǎo)致工程無法實(shí)施。

2.2 施工方法選擇

2.2.1 施工方法分析

蓋挖逆作法是在基坑施工過程中將結(jié)構(gòu)板作為支撐結(jié)構(gòu)的一種基坑施工方法。由于結(jié)構(gòu)板剛度較大，基坑安全優(yōu)勢(shì)較明顯，因此能節(jié)省大量的臨時(shí)混凝土支撐，以及節(jié)約施工工期，但施工難度較明挖方案較高。本站采用蓋挖逆作法施工時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的問題包括：①施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的安全問題；②結(jié)構(gòu)柱形式的選擇及定位；③主體結(jié)構(gòu)防水層的設(shè)計(jì)和施工；④針對(duì)如此大面積的基坑，如何安全快速出土的問題。

經(jīng)多方研究比較，最終采用了明挖順筑與蓋挖逆筑的盆式開挖法施工。該施工方法以車站結(jié)構(gòu)板在水平向的整體剛度取代水平支撐體系，主體結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，既減少了工程量，又節(jié)省了施工工期，同時(shí)還為土方開挖和材料運(yùn)輸提供了空曠空間。

傳統(tǒng)的蓋挖逆作法中，各層結(jié)構(gòu)板可作為基坑的水平支撐。由于結(jié)構(gòu)板上預(yù)留出土孔，加之車站基坑面積大，同時(shí)又是地下四層，若單純利用出土孔出土，出土效率不高，影響工期?？紤]到其地下一層和二層為矩形基坑，若將地下一層進(jìn)行放坡，地下二層利用環(huán)板(主體結(jié)構(gòu)板的一部分)支撐，中間留出矩形出土區(qū)域，并在環(huán)板上的適當(dāng)位置預(yù)留孔并結(jié)合永久孔出土，這樣出土效率會(huì)大幅提高。但也隨之帶來了一個(gè)問題：對(duì)環(huán)板而言，最不利工況為當(dāng)基坑開挖到地下二層，且地下二層的結(jié)構(gòu)板未施做的情況下，環(huán)板能否抵擋基坑側(cè)向水土壓力及地面超載，需要對(duì)施工過程中環(huán)板結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.2 支撐方案選擇

選取兩個(gè)方案對(duì)環(huán)板支撐進(jìn)行了對(duì)比分析。方案一為三跨板一字梁帶結(jié)合桁架撐方案(見圖1)，方案二為四跨板帶井字梁方案(見圖2)。對(duì)這兩個(gè)方案采用三維載荷結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了最不利工況下的結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算結(jié)果表明，兩個(gè)方案均能滿足基坑及環(huán)板的安全與穩(wěn)定要求。其中，方案一中地下連續(xù)墻的水平位移為13.3 mm，桁架撐全部處于受壓狀態(tài)，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為4 740 kN；地下連續(xù)墻的最大彎矩為596 kN·m。按照計(jì)算結(jié)果，方案一的桁架撐需要采用較大的截面，這對(duì)后期結(jié)構(gòu)板的施工有較大影響，因此環(huán)板需要可靠的傳力節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。方案二的計(jì)算結(jié)果顯示，采用四跨并取消桁架撐后，地下連續(xù)墻兩個(gè)水平方向的最大變形分別為7.9 mm和10.7 mm，結(jié)構(gòu)柱的最大側(cè)向變形約為6 mm，地下連續(xù)墻的最大彎矩521 kN·m。通過分析比較，方案二優(yōu)勢(shì)較為明顯，因此對(duì)于盆式開挖預(yù)留環(huán)板的支撐設(shè)計(jì)，推薦選用方案二。

圖1 盆式開挖方案一(三跨板一字梁帶結(jié)合桁架撐)

圖2 盆式開挖方案二(四跨板帶井字梁)

3 基坑施工方法

3.1 施工步驟

商務(wù)區(qū)站盆式開挖基坑工程的施工具體步驟為：

(1) 平整場(chǎng)地、打設(shè)降水井。

(2) 依次施作導(dǎo)墻、水泥土攪拌樁止水帷幕、地下連續(xù)墻、抗拔樁、主體結(jié)構(gòu)柱和臨時(shí)格構(gòu)柱等，以及對(duì)基坑進(jìn)行降水作業(yè)。

(3) 放坡開挖地下一層，待放坡施工完畢后，開挖土方至基坑地下一層結(jié)構(gòu)板處，施作地下一層環(huán)板及角部桁架支撐。

(4) 繼續(xù)向下開挖土方至基坑地下二層結(jié)構(gòu)板處，施作車站和物業(yè)區(qū)地下二層底板和側(cè)墻。

(5) 通過地下二層結(jié)構(gòu)板上的預(yù)留孔，繼續(xù)向下開挖車站基坑土方至地下三層結(jié)構(gòu)板處，施作地下三層底板和側(cè)墻。

(6) 通過地下三層結(jié)構(gòu)板上的預(yù)留孔，繼續(xù)向下開挖基坑土方至基坑底，并在車站兩端頭預(yù)留反壓土；再依次施作接地網(wǎng)、墊層、底板防水層和底板；待兩端頭臨時(shí)鋼管斜撐施工完畢后，開挖預(yù)留反壓土體，完成整個(gè)底板的施工，然后拆除臨時(shí)鋼管斜撐。

(7) 依次施作地下一層及以下各層剩余梁、板結(jié)構(gòu)，以及施作地下一層側(cè)墻防水、側(cè)墻和頂板。

(8) 對(duì)放坡進(jìn)行回填，拆除臨時(shí)格構(gòu)柱，施作站臺(tái)板和軌頂風(fēng)道等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，回筑施工預(yù)留孔洞；待盾構(gòu)始發(fā)后，回筑盾構(gòu)吊入孔，并施作頂板防水層，以及對(duì)覆土進(jìn)行回填，并停止施工降水。

3.2 基坑施工注意問題

(1) 長(zhǎng)江漢口地區(qū)為一級(jí)階地地層，土質(zhì)條件差，當(dāng)位于軟土地區(qū)的基坑工程進(jìn)行逆作法施工作業(yè)時(shí)，考慮到土體流變的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形和立柱沉降與開挖時(shí)間成正相關(guān)。因此，為了將施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形、立柱/樁與墻間的沉降差異控制在合理范圍內(nèi)，并減小施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，應(yīng)盡可能縮短深基坑逆作法暗挖土方的開挖時(shí)間，以及在每層土體開挖到相應(yīng)標(biāo)高時(shí)及時(shí)澆筑梁板結(jié)構(gòu)。

(2) 當(dāng)采用逆作法技術(shù)進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，混凝土樓板/梁的澆筑工作在每一個(gè)挖土工況完成后進(jìn)行。經(jīng)凝結(jié)硬化后，混凝土樓板/梁對(duì)基坑壁形成強(qiáng)有力的支撐，但相較于鋼管支撐等水平支撐，混凝土達(dá)到相應(yīng)剛度所耗費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。在混凝土樓板/梁的剛度尚未完全形成之前，土體由于流變往往會(huì)發(fā)生較大的位移。為了使混凝土樓板結(jié)構(gòu)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)要求的剛度，盡早對(duì)土體形成強(qiáng)有力的支撐，在逆作法作業(yè)中，地下室樓板宜采用早強(qiáng)混凝土。

(3) 當(dāng)逆作法施工采用盆式開挖法挖土?xí)r，最大位移出現(xiàn)在地下連續(xù)墻墻頂處，此時(shí)應(yīng)在確保將墻頂位移控制在合理范圍的前提下，基于首層土的開挖深度，確定盆式挖土預(yù)留土體的經(jīng)濟(jì)寬度。針對(duì)逆作法盆式開挖不同坡肩寬度下地下連續(xù)墻的位移變化情況，采用有限元法進(jìn)行了研究。以往的工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)軟土區(qū)首層土盆式開挖深度取6.5 m、坡肩寬度取6.0 m時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)將地下連續(xù)墻的變形控制在合理范圍內(nèi)的目的。

(4) 在逆作法作業(yè)中，當(dāng)采用盆式開挖法進(jìn)行土方開挖時(shí)，預(yù)留土體對(duì)地下連續(xù)墻具有一定的支撐作用，不但能控制墻體本身水平位移的發(fā)展，有效減小位移值，還能減輕施工人員暗挖土方的工作量，進(jìn)而縮短工期和節(jié)約工程成本。

(5) 由于進(jìn)行暗挖施工時(shí)的作業(yè)面較小，在空間上限制了大型機(jī)械的使用，具體的施工操作主要還是依賴人工作業(yè)，加之施工組織較為復(fù)雜，因而作業(yè)持續(xù)時(shí)間往往較長(zhǎng)，工作效率不盡理想。因此，在進(jìn)行暗挖前，為確保挖土工作的順利開展和提高工作效率，應(yīng)在施工前充分作好挖土施工組織設(shè)計(jì)；在施工方法選擇上盡量采用流水施工，可將基坑進(jìn)行分段施工，即基坑每挖完一段，結(jié)構(gòu)施工跟進(jìn)一段，這樣可縮短開挖面的暴露時(shí)間。

(6) 基于車站所處的地質(zhì)條件以及基坑本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)中間支撐柱采用下部定位器加上部絲杠的方法進(jìn)行定位。其中，定位器對(duì)鋼管柱下端進(jìn)行定位，絲杠則對(duì)其上端進(jìn)行定位，以減小施工偏差，方便施工操作，以及節(jié)約工程成本。

(7) 在采用逆作法進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，混凝土采用后填的方式，致使混凝土在澆注完成后會(huì)因沉降和收縮在其上方形成空隙，并在接頭表面產(chǎn)生析水或聚集氣泡，極易造成結(jié)構(gòu)和防水的缺陷。因此，為減小逆作法施工帶來的這一不利影響，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，采用充填法進(jìn)行施工，即后澆混凝土澆搗完畢后，將接縫下方5～10 cm厚的混凝土浮漿層清除掉，然后在此處注入充填材料。

(8) 針對(duì)施工過程中的防水措施，車站的主體結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)以混凝土自防水為主，即防水措施主要著眼于提高防水混凝土的防水抗裂性能，同時(shí)應(yīng)附加外防水層。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)于平面形狀類似于正方形，且平面的長(zhǎng)度和寬度尺寸太大，所處地質(zhì)條件很差的基坑工程，如果采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，需設(shè)置較多立柱，導(dǎo)致水平支撐構(gòu)件斷面增大、自重增大和施工工期加長(zhǎng)；如采用不設(shè)內(nèi)支撐的懸臂支護(hù)樁或者樁錨體系，由于地質(zhì)條件較差，且工程周邊存在在建建筑，導(dǎo)致工程無法實(shí)施。采用明挖順筑與蓋挖逆筑的盆式開挖法施工時(shí)，以車站結(jié)構(gòu)板在水平向的整體剛度取代水平支撐體系，以及主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆作法施工，既減少了工程量，又節(jié)省了施工工期，同時(shí)還為土方開挖和材料運(yùn)輸提供了空曠空間。

(2) 采用四跨板帶井字梁方案時(shí)，桁架撐兩個(gè)水平方向的最大變形分別為7.9 mm和10.7 mm，結(jié)構(gòu)柱的最大側(cè)向變形約為6 mm，地下連續(xù)墻的最大彎矩為521 kN·m；采用三跨板一字梁帶結(jié)合桁架撐方案時(shí)，地下連續(xù)墻的水平位移為13.3 mm，桁架撐全部處于受壓狀態(tài)，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為4 740 kN，地下連續(xù)墻的最大彎矩為596 kN·m。由此可見，前者所需截面更小，對(duì)后期結(jié)構(gòu)板的施工影響亦較小。

(3) 在逆作法作業(yè)中，當(dāng)采用盆式開挖法施工時(shí)，最大位移出現(xiàn)在地下連續(xù)墻墻頂處，此時(shí)應(yīng)在確保將墻頂位移控制在合理范圍的前提下，基于首層土的開挖深度，確定盆式挖土預(yù)留土體的經(jīng)濟(jì)寬度。當(dāng)位于軟土地區(qū)的基坑工程進(jìn)行逆作法施工作業(yè)時(shí)，考慮到土體流變的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形和立柱沉降與開挖時(shí)間成正相關(guān)。因此，在土層開挖完成后，地下結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)即時(shí)跟進(jìn)，盡量縮短開挖面的暴露時(shí)間。

通過合理組織施工，該工程得以有效實(shí)施，并取得了很好的效果。武漢軌道交通商務(wù)區(qū)站作為武漢市首個(gè)采用盆式開挖逆作法施工的地下車站，為以后大平面的基坑支護(hù)方案提供了新的設(shè)計(jì)思路，可對(duì)后續(xù)類似的工程項(xiàng)目提供借鑒。