近地鐵狹小深基坑圍護樁開洞出土技術研究

何祉健，汪能亮，陳 飛，梅獻忠

浙江省建工集團有限責任公司，浙江杭州310013

0 引 言

為提高深基坑工程出土效率，出土技術逐漸呈現(xiàn)多樣化，如設置斜鋼便橋、多出土棧橋與土坡道結合、坑內(nèi)架設貝雷橋、移動式鋼絲繩抓斗出土、輸送帶出土等多樣化技術不斷在狹小深基坑工程中出現(xiàn)。但以上出土技術也存在一定弊端，如難以應用于狹小空間深基坑工程中或在施工進度方面難以實現(xiàn)快速出土需求。為滿足鄰近地鐵狹小深基坑出土施工進度要求，本項目創(chuàng)新性地在狹小深基坑圍護樁上開設洞口，工程車輛直接穿過洞口進入基坑底層裝載土方后外運，出土效率提升的同時基坑變形得到了良好控制，整體效果較佳。

1 工程概況

余政工出［2019］28號地塊項目位于杭州市余杭區(qū)，總建筑面積60萬m2，地下建筑面積18.7 萬m2，地上建筑面積41.3 萬m2，項目北側2棟200 m超高層雙子塔緊鄰杭州地鐵3號線龍舟路站（圖1）。雙子塔基坑開挖深度13.60～19.90 m，基坑距地鐵站房最近19.20 m，距地鐵隧道最近30 m。

圖1 余政工出[2019]28號地塊項目效果圖

為減小基坑開挖對地鐵站房和軌道變形影響，本項目基坑分成四個分坑，其中鄰近地鐵側設分坑一至分坑三，南面為分坑四（圖2）。分坑一地下結構完成后可開挖分坑二、三，分坑二、三地下結構完成后可開挖分坑四。分坑一、二、三均設置三道水平支撐，第一道均為鋼筋混凝土支撐，第二、三道除下文描述的圍護樁開洞部位為鋼筋混凝土支撐外，其他位置均為預應力型鋼支撐。分坑四設置兩道鋼筋混凝土支撐。

圖2 基坑圍護工況

2 基坑圍護體系開洞情況

本項目分坑一至分坑三均位于城市軌道交通控制保護區(qū)范圍，即地鐵地下車站與隧道結構外邊線外側50 m內(nèi)［1］，且分坑一距離軌道最近。為確保地鐵盾構施工安全，要求地鐵隧道盾構前分坑一地下室結構須全部完工，施工進度要求較高。分坑一尺寸80 m（長）×50 m（寬），深19.90 m。若在基坑內(nèi)設置常規(guī)土坡，需滿足1∶7坡度要求，即需滿足土坡高差15.30 m，土坡長度107 m的尺寸要求，該基坑無法滿足常規(guī)土坡方案要求。而采用土方抓斗機或長臂挖機無法滿足該深基坑的土方外運進度要求。

為滿足施工進度要求，擬在分坑一東南角圍護樁上開設洞口供車輛通行（圖3）。即通過截斷第一道與第二道支撐梁間的連續(xù)幾根圍護樁，在圍護體系上形成門洞口，土方施工機械均由此門洞口進出，解決土方開挖技術難題［2］（圖4）。為確保深基坑整體變形穩(wěn)定，洞口頂部第一道混凝土角撐仍完整保留，洞口上部壓頂梁兼作洞口頂過梁，配筋按豎向受力加強?；油庠O土坡與洞口相連，基坑內(nèi)設置1∶7土坡與混凝土角撐棧橋板相連，形成完整土方運輸通道，土方車可直接開至基坑底部，以提升土方外運效率。

圖3 分坑一圍護樁開洞工況模擬

圖4 分坑一圍護樁開洞三維效果

3 圍護體系開洞方案策劃及實施

3.1 圍護樁開洞方案

本項目土方車型號為“聯(lián)合卡車C&CU420 重卡”，外形尺寸6.87 m （長） ×2.55 m（寬）×3.65 m（高）。擬開設洞口底標高同第二道支撐頂標高（-7.10 m），洞口頂標高同第一道支撐底標高（-2.80 m），即洞口高度為7.10-2.80=4.30 m＞3.65 m。擬將圖5 所示4 根圍護樁截除，則洞寬為4×1.0+5×0.2=5.0 m＞2.55 m（考慮車輛后視鏡外伸寬度和左右兩側安全距離）。

圖5 分坑一圍護樁開洞平面示意

洞口底部第二道水平支撐局部設置加強板作為工程車輛行駛的棧橋板使用。棧橋板底部支撐梁交叉位置增設格構柱以滿足豎向承載要求。格構柱截面尺寸480mm×480mm，格構柱角鋼4×L180×16，綴板規(guī)格420 mm×220 mm×12 mm，綴板中心間距400 mm。

3.2 開洞部位圍護體系加強方案

3.2.1 洞口部位圍護樁加強方案

圍護樁開洞處理后，在其外部3 m處增設3根頂標高相同的圍護樁，兩排樁之間通過樁頂壓頂梁和之間的鋼筋混凝土連系梁進行剛性連接形成整體，以減小圍護樁受到土方車水平?jīng)_擊荷載作用后的位移（圖6）。

圖6 第一道支撐局部（東南角）加強示意

因洞口外側還須進行坑外放坡，基坑外側土方局部被挖空，無可靠傳力媒介，基坑整體性受到破壞，穩(wěn)定性受到削弱。為保證洞口部位荷載傳遞可靠性，在洞口外部兩側分別設置6根補強圍護樁（圖6），確?？煽總髁Α?2根補強圍護樁與基坑其他圍護樁通過壓頂梁、連系梁、加強板連成整體。

3.2.2 混凝土角撐加強方案

為減小基坑變形，在開洞部位的三道鋼筋混凝土支撐上設加強板（圖6），以增強該部位混凝土支撐整體剛度。因第二道混凝土支撐局部作棧橋板使用，所以在該部位原支撐上設置300 mm厚C30混凝土加強板，板內(nèi)設置16@150 雙層雙向鋼筋網(wǎng)片，板面標高同梁面，施工期間控制使用荷載不大于40 kPa。棧橋板下方補強或增設格構柱，格構柱可與工程樁結合使用（須經(jīng)設計單位受力驗算并滿足要求），將棧橋板的豎向荷載傳遞至下部持力層。

3.3 坑外坡道施工方案

在基坑外側擬設置4 000 mm寬坡道與洞口連接，以形成完整運輸通道?？油獾孛嫦鄬烁?2.00 m，洞口底標高-7.10 m，坑外坡道高差5.10 m。為確保土坡兩側邊坡安全，須對該區(qū)域圍護方案進行單獨設計。

坡道深度范圍土質(zhì)為雜填土、黏土和粉質(zhì)黏土，根據(jù)土力學計算，將坡道開挖深度按0～1.50 m、1.50～3.00 m、3.00～5.10 m三個深度范圍進行邊坡圍護設計（圖7）。0～1.50 m開挖深度范圍，在坡道兩側設置坡度1∶1.5的土坡；1.50～3.00 m開挖深度范圍，采用放坡噴錨+拉森鋼板樁的復合圍護方式，即在頂部1.50 m 深度范圍的坡道兩側設坡度1∶1.5 土坡并設鋼筋混凝土噴錨層，剩余高度用9 m 長SP-U400×170×15.5拉森鋼板樁進行圍護；3.00～5.10 m開挖深度范圍，坡道兩側采用雙排（間距6 m）拉森鋼板樁互相拉結的圍護方式。其中拉森鋼板樁長度9 m，型號SP-U400×170×15.5。雙排鋼板樁頂設置600 mm×400 mm鋼筋混凝土壓頂梁，雙排壓頂梁之間用500 mm×500 mm鋼筋混凝土連系梁拉結。

圖7 坑外坡道平面示意

坡道地面做法：基層土體整平壓實后鋪設500 mm厚塘渣或碎石整平壓實，面層澆筑300 mm厚鋼筋混凝土板，混凝土面層掃毛或作其他防滑處理。坡道排水措施應合理，避免冬季結冰影響行車安全。

3.4 基坑監(jiān)測方案

圍護樁開洞對分坑一圍護體系造成局部削弱，對基坑變形存在不利影響，須對開洞部位和鄰近地鐵一側基坑變形進行全過程跟蹤監(jiān)測。結合“監(jiān)測項目應能夠反映圍護結構的安全狀態(tài)以及周邊環(huán)境受影響的程度”原則［3］，控制變形的監(jiān)測項目主要含基坑邊深層土體水平位移（CX）、棧橋部位立柱樁沉降和開洞部位混凝土角撐軸力（ZL）監(jiān)測。如圖8所示，CX監(jiān)測點共設5處，其中洞口西側圍護樁轉(zhuǎn)角位置1 處（2#CX），洞口東側1處（3#CX），基坑南側對撐與角撐交接位置1處（1#CX），基坑北側設2處監(jiān)測點（4#CX、5#CX）。其中2#、3#監(jiān)測點用于洞口區(qū)域變形監(jiān)測，4#、5#監(jiān)測點用于鄰近地鐵一側變形監(jiān)測，1#監(jiān)測點用于基坑日常變形監(jiān)測。同時2#、3#監(jiān)測點可與1#、4#、5#監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)對比，以分析圍護樁開洞對基坑變形的影響大小。開洞位置上方門梁和該部位第一道支撐梁上分別設置1#～4#軸力（ZL）監(jiān)測點，在第二道支撐棧橋板下方設1個立柱樁沉降監(jiān)測點，以監(jiān)測土方車輛行駛過程中對棧橋板的沉降影響。

圖8 基坑監(jiān)測點位布置

3.5 洞口封堵方案

該基坑負一層結構樓板（-6.25 m）位于洞口高度范圍，負一層結構樓板澆筑并換撐完成后可拆除第一道支撐。為確保樓板在洞口部位可靠換撐傳力，減小樓板局部受力不均導致的變形或開裂，在負一層結構板澆筑前需對洞口采取可靠封堵措施。經(jīng)計算，本項目采取400 mm厚C35鋼筋混凝土墻對洞口進行封堵，墻內(nèi)設16@150 雙層雙向鋼筋網(wǎng)，墻體上下左右鋼筋均采用化學植筋方式與上下側壓頂梁、左右側圍護樁進行連接。

4 實施效果

4.1 基坑變形情況

根據(jù)監(jiān)測方案對分坑一從土方開挖至地下室結構結頂（換撐完成）期間每日基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行跟蹤記錄。本文對三道水平支撐安裝及拆卸完成、土方開挖到底、底板施工完成共8個時點的深層土體水平位移（CX）數(shù)據(jù)進行記錄（圖9），洞口兩側2#、3#CX的數(shù)據(jù)最大值分別為34.38、34.52 mm，1#、4#、5#CX 數(shù)據(jù)最大值分別為40.48、39.14、44.65 mm。分坑一整體水平位移變形數(shù)據(jù)均在限值50 mm 范圍內(nèi)，對地鐵側變形影響也較小，整體變形可控，圍護樁開洞未對整體變形造成較大影響。且根據(jù)監(jiān)測結果可發(fā)現(xiàn)，洞口兩側的變形明顯小于其他部位。

圖9 分坑一深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

如圖10，棧橋立柱樁最大沉降值為6.24 mm（設計限值為35 mm），開洞附近混凝土支撐梁最大軸力監(jiān)測值為2 424 kN（限值5 000 kN），均在限值范圍內(nèi)。表明洞口兩側圍護體系加強和棧橋底部增設立柱樁等起到了良好的加固作用，圍護樁開洞及過程中工程車輛動荷載未對基坑整體變形產(chǎn)生較大影響。

圖10 開洞部位棧橋板底立柱樁沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 開洞后土方外運效率分析

分坑一和分坑二第二道支撐以下土方均為4.08 萬m3。分坑一第二道支撐以下土方外運，土方車直接通過洞口開至裝土點的方式出土，土方外運（不含支撐安裝）持續(xù)時間為24日歷天，日均外運土方量1 700.00 m3/d。分坑二第二道支撐以下土方常用長臂挖機在基坑外側地面掏土的方式進行開挖，土方開挖外運（不含支撐安裝）持續(xù)時間為38日歷天，日均外運土方量1 073.68 m3/d。經(jīng)對比，通過圍護樁開洞的方式進行土方外運，效率大幅提升。分坑一出土工期比原計劃提前14 d，在地鐵盾構施工前順利完成分坑一地下室結構施工。

5 結 語

本項目分坑一屬狹小深基坑，通過采取在圍護樁上開洞及水平支撐體系局部加強這一技術措施，有效提高了基坑出土效率，且開洞部位、鄰近地鐵一側和基坑整體的深層土體水平位移等變形均得到了合理控制，避免了鄰近地鐵一側土體水平位移超出限值，從而為地鐵盾構安全施工提供了保障。該技術在本項目深基坑工程中應用效果良好，在工程進度方面體現(xiàn)出較大應用價值，可為后期其他類似狹小深基坑的土方外運施工提供案例借鑒。