填海區(qū)復雜地質地鐵超大地下停車場蓋下開挖施工技術

姚 俊 黃輝輝 夏能輝 莊業(yè)成 成 銘

中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

蓋挖法是先蓋后挖，以臨時路面或結構頂板維持地面暢通再施工下部結構的方法。相對明挖法，蓋挖法將結構板作為支撐，具有結構水平位移小、節(jié)省臨時支撐、縮短路面占用時間、減少地面干擾、受外界影響小等優(yōu)點[1]，但由于蓋下挖土時頂板已施工完，存在出土不便、工效低、速度慢等缺點，因此蓋下開挖時需精心組織施工，充分發(fā)揮蓋挖施工的優(yōu)勢，弱化工效低、速度慢等缺點。

1 工程概況

1.1 項目概況

深圳市城市軌道交通13號線內湖停車場項目位于內湖南岸，西側為科苑大道及深圳灣1號高端住宅小區(qū)，南側為東濱路，東側為沙河西路，北側為深圳人才公園（圖1）。本工程地質條件為人工填海區(qū)，原場地地面高程4～10 m。項目地層分布依次為素填土、填碎石土、填塊石、填砂、泥炭質淤泥、淤泥、可塑粉質黏土、硬塑粉質黏土、礫砂，軟弱土廣泛分布。

圖1 項目地理位置

1.2 設計概況

本工程為地下1層框架結構停車場，停車場基坑全長約710 m，寬度100～170 m，深度約12.3 m，面積約10萬 m2，安全等級為一級。停車場內部設計有綜合樓、維修樓、物資總庫等建筑，均為2層，層高4.2～4.8 m，綜合樓、維修樓、物資總庫等建筑與停車場共用基礎和頂板（圖2）。

圖2 內湖停車場內部功能劃分區(qū)域

內湖停車場主體結構采用蓋挖順作法施工，圍護結構為φ1 500 mm@2 200 mm套管咬合樁（一葷一素），頂板兼作第1道支撐，局部設第2道斜撐，豎向支撐構件采用鋼格構柱，鋼格構柱下設置樁基礎，土方開挖量約為134萬 m3（圖3）。

圖3 蓋挖段支撐橫剖面示意

2 蓋下開挖重難點分析

一是項目體量和土方工程量大，地質和運輸條件差，蓋挖法施工較明挖法效率低；二是項目地下水位較高，地質條件復雜，基坑面積巨大，土方開挖過程中降排水難度大；三是項目周邊車流量大，場地狹小，加之蓋挖法施工穿插流水作業(yè)多，交通運輸組織難度大；四是蓋挖施工階段頂板依靠格構柱支撐，蓋下開挖時挖掘機在頂板下流動作業(yè)，若碰撞到格構柱，將造成不可逆的結構破壞，容易發(fā)生質量安全事故。

3 總體施工部署

3.1 開挖豎向分段

根據本工程設計特點及現(xiàn)場實際情況，土方開挖共分3個階段，如圖4所示。

圖4 典型土方豎向分段示意

第1階段：綠化遷移和管線改遷后開始第1階段地表出土，由地表場平至＋5 m標高，進行地基加固施工，采用三軸攪拌樁和雙管旋噴樁對底板以下（－6 m標高）淤泥等不良地質進行加固。

第2階段：由＋5 m標高挖至＋1 m標高，開挖第1層土方，采用明挖施工，在＋1 m標高土層上施工300 mm厚鋼筋混凝土墊層，以墊層為工作面施工工程樁、降水井和1 m厚頂板，頂板采用盤扣腳手架支撐體系，搭設高度3 m。

第3階段：頂板施工完后，采用蓋挖法施工對頂板以下土方進行開挖，開挖第2～4層土方，每層開挖高度2～3 m，挖至最后一層時預留20～30 cm的高度，采用人工修土；由＋1 m標高挖至板底標高（－6.1 m）處。

3.2 開挖平面分區(qū)

第1、2階段采用明挖法施工，平面分為6個區(qū)域進行流水施工（圖5），分層分區(qū)開挖，遵循“豎向分層、縱向分段”的原則。

圖5 第1、第2階段平面分區(qū)

第2階段開挖后施工頂板，因頂板兼作圍護結構第1道支撐，因此在頂板分區(qū)域施工完并形成南北對頂后，開始第3階段土方開挖。第3階段采用蓋挖法施工，蓋下開挖平面共分為23個區(qū)域，每個區(qū)域約4 000 m2，長臂挖機站位于頂板上，通過頂板預留洞口對蓋下土方進行垂直開挖，蓋下開挖平面分區(qū)見圖6。

圖6 第3階段蓋下開挖平面分區(qū)

4 蓋下土方開挖施工技術

4.1 開挖原則

土方開挖遵循分層、分段、平衡、對稱、限時進行、不得超挖的原則，每個分層厚度不宜大于3 m，分段長度不宜小于20 m。蓋挖出土口結合施工預留出土洞口留設，出土口的布置必須充分考慮蓋下挖機倒運運距，同時必須保證通風、照明要求?；?、出入通道和出土口周邊應設置混凝土擋水坎，場地四周應設置排水溝。

4.2 施工流程

施工準備→前期工程→場地平整→套管咬合樁施工→地基加固施工→土方開挖至頂板下3 m施工→工程樁墊層施工→立柱工程樁及降水井施工→頂板結構及部分側墻施工→土方蓋挖至斜支撐施工→腰梁、第2道斜支撐施工→土方蓋挖至基底標高施工→底板結構施工→局部第2道斜撐拆除及側墻立柱施工（圖7）。

圖7 蓋挖段總體施工流程

4.3 頂板出土口數量和位置設置

頂板出土口數量和位置決定了蓋下土方開挖的施工效率。蓋挖出土口的留設必須根據圖紙、土方開挖工程量、地面環(huán)境條件等因素確定，采用原設計預留洞口與施工預留出土洞口相結合的方式?？紤]蓋下挖掘機倒運運距和施工回轉半徑等因素，確定本場地出土口平均間距約50 m，出土口數量利用了23個原設計洞口，施工預留出土洞口19個，共42個出土口，平均每個出土口覆蓋面積2 100 m2。

4.4 蓋土方開挖順序與交通運輸

內湖停車場土方量巨大，蓋挖法施工穿插流水作業(yè)多，場地狹小，須合理部署開挖順序和場內運輸車輛道路，并在出土高峰期增派交通疏導員，避免車輛擁堵。

根據現(xiàn)場預留出土坡道等實際施工情況，第1、2階段土方開挖施工順序分東西兩大區(qū)域進行開挖，施工順序為：第5區(qū)→第6區(qū)→第4區(qū)、第1區(qū)→第2區(qū)→第3區(qū)。

第1、2階段土方開挖交通規(guī)劃：沿現(xiàn)場東南西三面硬化4 m寬環(huán)場路，中部沿東西方向硬化一條6 m寬主干道連接西側和東側環(huán)場路；南北向設置3條支路，由中部主干路連接南側環(huán)場路。渣土車通過1～3號門進出現(xiàn)場（圖8）。

圖8 第1層土方開挖平面部署

第3階段蓋下土方開挖施工順序：總體從東西兩側往中間施工。東側蓋挖線路：1區(qū)、2區(qū)→5區(qū)、3區(qū)→4區(qū)、6區(qū)→9區(qū)、7區(qū)→8區(qū)→10區(qū)、11區(qū)→13區(qū)、12區(qū)、14區(qū)→15區(qū)、16區(qū)；西側蓋挖路線：23區(qū)、22區(qū)→21區(qū)、20區(qū)→19區(qū)→17區(qū)→18區(qū)。

第3階段蓋下土方開挖交通運輸規(guī)劃：在頂板中部設置一條東西方向6 m寬的交通主干路，中間設置3條支路由主干路連接南側環(huán)場路，再設置若干支路使取土口與附近的道路連接。渣土車通過1號、2號及3號門進出現(xiàn)場。

4.5 蓋下土方開挖施工方法

第1、2階段土方開挖，采用明挖形式，分層放坡開挖，施工現(xiàn)場土方運輸坡道，坡度應小于1∶5。挖土最大高差控制在3 m以內，每層開挖邊坡度不大于1∶0.7。渣土車通過坡道進入基坑內，挖掘機配合裝土后駛出基坑。

第3階段蓋下土方開挖，頂板留設出土口，采用垂直出土的方式，一個取土口配1臺長臂挖機和3臺小型挖機，先由長臂挖機將出土口區(qū)域的蓋下土方開挖至第2層底標高，再用小型挖機在蓋板下轉運至出土口，長臂挖機在出土口將土方抓出轉運至渣土車，再轉運至棄土點。

4.6 蓋下土方開挖工期目標與資源配置

4.6.1 第3階段蓋下土方開挖工期目標

第2～4層土方量63.1萬 m3，工期目標159 d。

4.6.2 單個蓋下土方區(qū)域開挖資源配置

通過計算單個蓋下土方區(qū)域的資源配置，進而確定現(xiàn)場多個施工區(qū)域同時施工的資源配置需求，根據現(xiàn)場實際施工情況及時調整資源配置，達到最大出土效率。根據類似工程施工經驗及現(xiàn)場實際情況，同一個蓋挖區(qū)域1個出土口出土效率約500 m3/d，同時有2個出土口考慮車輛相互影響降效，出土效率按照800 m3/d。

1）每個出土口挖掘機配置計算。每個出土口需配置1臺長臂挖機，蓋下配置若干臺小型挖機配合轉運土方。根據以往工程施工經驗及市場調研，選用PC360開長臂挖機，每臺PC360長臂挖機每小時出土約100 m3，每天工作10 h，則出土1 000 m3/d＞500 m3/d，滿足施工要求。

蓋下土方轉運選用PC120挖機，按蓋下土方運距計算，每個出土口最大間距為50 m，即每個出土口土方倒運半徑為25 m。PC120挖機回轉半徑約為10 m，則按蓋下土方運距計算需配備3臺PC120挖機。每臺PC120挖機每小時出土約100 m3，每天工作時間與長臂挖機相同，則每天出土量為1 000 m3，滿足長臂挖機工效。

通過以上計算可知，每個出土洞口配置1臺PC360長臂挖機和3臺PC120挖機可滿足施工需求。

2）每個出土口需配渣土車數量計算。一輛渣土車裝載能力為10 m3，每趟外運周期為2 h，受市區(qū)土方外運管制要求，外運土方采用夜間運輸，每天出土時間為10 h，則每輛車平均每天外運土方50 m3。單個蓋挖區(qū)1個出土口土方車輛配置500/50＝10輛?？紤]土方車輛損耗維修及不可控因素等，現(xiàn)場實際需土方車12.5輛，取13輛車。若單個蓋挖區(qū)有2個出土口，土方車輛配置16輛?？紤]土方車輛損耗維修及不可控因素等，現(xiàn)場實際需土方車輛20輛。

4.6.3 高峰期蓋下土方開挖資源配置

高峰期蓋挖區(qū)域12區(qū)～21區(qū)同時開挖，共10個蓋下區(qū)域同時施工，根據施工總進度計劃，該階段高峰期平均每天出土達到7 000 m3。

土方車輛配置計算：本工程土方開挖高峰期為第2～4層蓋下土方開挖階段，高峰期土方車輛配置為7 000/50＝140輛?？紤]土方車輛損耗維修及不可控因素等，同時根據以往施工經驗，現(xiàn)場實際需土方車輛140/0.8＝175輛。

挖機配置計算：蓋挖階段挖土主要采用PC360長臂挖機，高峰期共10個區(qū)同時開挖，每個區(qū)至少配置1臺長臂挖機，即配置10臺長臂挖機，每臺PC360長臂挖機每小時出土約100 m3，每天工作10 h，則長臂挖機理論效率可達10 000 m3/d，滿足7 000 m3/d的出土需求，考慮損耗及機械故障等問題，蓋下土方開挖階段配備長臂挖機10/0.8＝12.5，取13臺長臂挖機。每個長臂挖機采用3臺PC120挖機配合，則13臺長臂挖機需39臺PC120挖機配合施工。

綜上所述，高峰期蓋下土方開挖階段需PC360長臂挖機13臺，PC120挖機39臺，渣土車175輛。

4.7 淤泥層開挖工藝要求

開挖淤泥層時，采用換填磚渣或鋪設鋼板等方式，在基坑內鋪設形成施工通道，防止施工機械（挖掘機、出土車輛）內陷。若遇大雨或有較大水量時，采用攪拌水泥等措施加快淤泥干結，方便車輛行駛及裝車外運，確保挖機在基坑內的作業(yè)、行駛安全。淤泥質土方開挖流程：在出土洞口邊通過長臂挖機下挖土方，按分層要求清出中心區(qū)場地，以換填磚渣、鋪設鋼板等方式形成中心島區(qū)域。挖機以中心島向四周分層分段開挖，邊開挖邊鋪設施工通道，確?；觾仍O備的安全、正常作業(yè)。

5 基坑降排水

基坑降水以管井井點降水為主，輔以排水明溝。降水井井孔直徑為800 mm，井管直徑為500 mm，井深低于底板底標高不少于2 m，基坑內共設置216口降水井，間距約20 m。降水井采用鋼筋籠降水井方案，宜選擇滲透性好的地層。管井周邊采用碎石填充。

基坑頂部及底部，沿基坑四周布置明溝，疏導、匯集地表水或坑底滲水?？拥着潘疁蠀R集至集水井后，通過水泵往上排至坑頂部水溝，經過三級沉淀池后接入市政管網。

派專人對基坑降水進行管理，做到及時降排水。每個開挖分區(qū)沿分區(qū)邊沿設置臨時排水溝，每個開挖分區(qū)沉砂池不少于1個，開挖過程中雨污水通過沉砂池抽排至坑頂三級沉淀池后再排入市政管網。同時增設水循環(huán)利用系統(tǒng)，做到降排水的同時水資源回收利用。

6 內支撐、工程樁及圍護樁保護措施

1）機械挖土時，應做好內支撐、工程樁及圍護樁的保護工作，機械挖土應保留內支撐邊或樁邊50 cm處的土采用人工挖土，以防挖機破壞內支撐及樁體截面，嚴禁機械鏟斗直接碰撞內支撐和樁。

2）樁邊及格構柱內支撐周邊土方需嚴格分層分段、對稱開挖，為減少土壓力的影響，不得單側開挖導致樁身或格構柱擠斷、變形或移位。

3）在施工階段格構柱為頂板支撐的豎向受力構件，蓋下開挖時挖機容易碰撞到格構柱導致變形，引發(fā)頂板結構破壞。為防止挖機大臂碰撞格構柱，發(fā)明了紅外線格構柱防侵入預警裝置（圖9），其包括固定架、連接部、紅外傳感器和預警部等部件，當挖機侵入格構柱500 mm安全區(qū)域時，紅外線裝置立即報警，提醒挖掘機司機馬上停止作業(yè)，確保挖掘機在蓋下開挖時不碰撞到格構柱，有效保證格構柱周邊施工的安全性。目前該發(fā)明已獲國家實用新型專利。

圖9 紅外線格構柱防侵入預警裝置

4）蓋下土方開挖時，現(xiàn)場工長和專職安全員應進行旁站，每個作業(yè)面必須有管理人員監(jiān)督指揮。

7 結語

內湖停車場項目蓋下土方開挖經一系列先進的施工技術，保證填海區(qū)復雜地質地鐵超大地下停車場蓋下134萬 m3土方開挖的質量、安全、工期均滿足設計和施工的要求，可為其他類似的蓋下開挖工程提供借鑒。

8 致謝

本論文研究依托于中國建筑第二工程局有限公司科技研發(fā)課題完成，課題名稱為《深圳地鐵13號線13101-5、13101-7標段主體工程施工技術綜合研究》，課題編號為91110000100024296D 19 0002。