摘  要：成都地铁十号线xx车站主体结构为明开法施工，车站全长183.4m，宽度为20.7m，土方挖方量共为71850m3，围护结构采用钻孔灌注桩+内撑法。为确保基坑土方开挖的高效、安全，需采取科学的土方开挖措施。本文重点介绍了土方开挖的施工流程，强调了监测工作在深基坑土方开挖中的重要意义。

关键词：地铁车站 基坑开挖 施工技术

1 工程概况

成都地铁十号线xx车站主体土方工程

xx车站全长183.4m，宽度为20.7m。车站现状地面标高41.69～42.17m，车站结构顶板覆土埋深3.5m左右，结构底板埋深约16.5～18m，基坑全长185m，西端盾构井处最宽处为39.8m，东端盾构井宽25.5m，深18.07m；标准段宽20.9m，深16.23m。主体土方挖方量共为71850m3。   

工程采用明挖法施工，xx车站主体围护结构为钻孔灌注桩壁，随挖土方随架设钢支撑的内支撑形式。灌注桩桩径800mm，桩长22m，间距1.4m。钢支撑为φ630mm钢管，壁厚12mm。车站主体围护结构见图1。

图1  车站主体围护结构平面图（单位：mm）

xx车站由于工期紧张（计划工期为150天），且土方工程是整个车站工程最重要的一步，所以怎样安全、快捷的完成土方开挖工程，成为本车站工程的一个重点。

水文地质情况

根据地质资料，xx站地层主要由第四纪粘性土、砂及碎石类土构成。车站范围地下水有潜水、承压水和上层滞水。具体详见表1。

表1 xx站工程地质与水文地质条件

对于内支撑式的围护结构的深基坑土方开挖施工一般有如下两种：

第一种是中心岛（墩）式挖土：此方法宜用于大型基坑，支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边框架式，中间具有较大空间情况下。此时可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。挖土机可利用栈桥下到基坑挖土，运土的汽车宜可利用栈桥进入基坑运土。这样可以加快挖土和运图的速度。

第二种是盆式挖土：是先开挖基坑中间部分的土，周围四边留土坡，土坡最后挖除。这种挖土式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用，有利于减少围护墙的变形。其缺点是大量的土方不能直接外运，需集中提升后装车外运。

盆式挖土周边留置的土坡，其宽度、高度和坡度大小均应通过稳定验算确定。如留的过小，对围护墙支撑作用不明显，失去盆式挖土的意义。如坡度太陡边坡不稳定，在挖土过程中可能失稳滑动，不但失去对围护墙的支撑作用，影响施工，而且有损于工程桩的质量。

两种方法各有利弊，哪种方法最合适xx车站的土方开挖呢？成都市市市政四公司地铁项目部组织公司技术人员，并邀请市政集团副总工程师关龙同志等有关专家进行了专门论证。专家们根据以上两种方法的优缺点，结合现场水文地质情况，本着确保安全，节约资金的原则，推荐采用盆式挖土的方案，并严格遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。理由有以下几点：

⑴ 基坑标准宽度为22m，不适合采用中心墩式挖土的方法；

⑵ 盆式开挖的两侧留土台可对暴露的护壁桩有支撑作用，并可方便进行钢支撑架设工作；

⑶xx车站在基坑上方沿基坑方向采用台阶法施工，土方可以做到一次运输。

土方开挖施工

土方开挖施工工艺

xx车站土方开挖施工工艺流程如下：通过计算，确定挖运土机械型号及数量→确定分层开挖高度→开挖第一层土方→根据监测结果架设第一道钢支撑、施加预应力→开挖第二层土方→根据监测结果架设第二道钢支撑、施加预应力→开挖第三层土方→根据监测结果架设第三道钢支撑施加预应力→人工清槽底。

机械挖方

开挖程序的确定

3.2.1.1竖向分层

按车站的结构形式和总体部署分区，土层的分界线为钢支撑下1m，第一层土方采用1.6m3挖掘机直接挖装；第二层土方采用一台1.6m3挖掘机从基坑西端开挖；第三层土方采用1.6m3挖掘机进行挖掘，第四层土方采用1.2m3挖掘机进行挖掘，即每层需要一台挖掘机进行作业。基底预留300mm人工开挖。基坑开挖过程中随挖随按设计位置架设钢管支撑，开挖顺序为由上而下逐层开挖。开挖方法见图2。

图2  车站主体土方开挖示意图

车站基坑主体深度基本相同，基坑土方在竖向上共分四层开挖：

第一层：竖向高度约为4.35m；

第二层：竖向高度约为5.0m；

第三层：竖向高度约为5.0m；

第四层：竖向高度约为3.72m（端头井）、1.88m（标准段）。

其中第二、第三层、第四层土方开挖需分台阶开挖。机械作业台阶宽度6～7m，台阶坡度1：0.75。

竖向土方分层开挖步序如下表。

表2 土方分层开挖步序

沿车站纵轴线方向，第二、三、四层土方每隔6m同时开挖。

3.2.2.3纵向拉槽、横向扩边

在每一层每一段的土方施工中，在横断面跨中开中槽，由车站西区端开始沿纵向挖掘；由中槽向两侧开挖面进行开挖作业。

⑴纵向拉中槽

纵向拉中槽，即在每层开挖工作面始端沿车站纵向拉坡开挖中槽，中槽位于车站主体结构横断面中间。中槽的大小首先要满足挖掘机回转弃土的要求，同时要尽可能多的保留两侧土体，以支撑围护结构，减小对周边环境的扰动，并满足钢支撑施作要求。中槽的宽度为10m左右。

⑵ 横向扩边拓展

为中槽开挖至6m后，向横向扩边拓展，即由中槽向两边跨开挖扩边。开挖方式为：由中槽向两边跨横向挖土，两边跨的土方开挖尽量对称进行，土方开挖至钻孔桩附近时，改为人工挖土，以免机械开挖破坏钻孔桩。基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图见下图。

图3 基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图

钢围檩、钢支撑架设

钢围檩架设

土层开挖至支撑架设设计位置后，安装三角托架，架设钢围檩，钢围檩与钻孔灌注桩之间预留60mm的水平通长空隙，其间用C30细石混凝土添嵌。钢围檩架设方式见图4。

图4 钢围檩支撑方式

用龙门吊垂直起吊将钢支撑固于钢围檩上，为方便钢支撑就位后的焊接，项目部人员经研究采取了在端部采用钢板焊成托架，使钢支撑放置在钢托架上进行焊接的方法，提高了施工的安全性。见图5：

图5 钢围檩托架示意图

吊装钢支撑

1)吊装钢管支撑前，按规定备齐检验合格的支撑配件、施加预应力的油镐，并检查托架是否完好。

2)钢支撑采用现场10t天车吊装，根据材料理学理论，吊绳两吊点从钢支撑两端分别内移0.2l，此时可模拟为外伸梁的钢支撑最大弯距仅为ql2/40，是吊装的最佳吊点，故以本工程标准段的22m钢支撑为例，吊点位置选在钢管两端向内4.4m处，具体见图6 钢支撑吊装示意图，吊绳用钢丝绳将钢管栓牢，并用卡环锁牢。

图6  钢支撑吊装示意图

3)当使用10t天车时，钢管由顺基坑方向调整至垂直基坑方向时（此时钢身约2/5长度进入基坑）换绳，按正式吊装绑绳、吊装入位。钢管被安放在围檩托架上入位至施加预应力过程中不得松绳，以平衡弯曲矢量，保持钢管处于轴心受力状态。钢管入位按先活动端后固定端顺序，以确保钢管与围檩受力面接触密实。

施加预应力

钢支撑固定端固定完成后，采用两台80t液压千斤顶在活动端支撑两侧对称逐级预加力，预加力达到设计支撑轴力的50%时，采用钢楔锁定支撑。钢支撑在加工时在千斤顶的最大进程与最小进程间焊接千斤顶支点。

图7 钢支撑预施轴力示意图

各道支撑设计及预加轴力见下表：

表3 各道支撑预施轴力表

4)根据钢管的长度误差确定需焊接25mm厚的钢板块数，并将25mm厚的钢板如图焊接在钢围檩上。

图8 楔铁安装示意

5)将楔块1焊接在钢板上，用千斤顶对钢管施加预应，观察千斤顶应力表，当预加轴力达到要求时，稳压5分钟，然后将楔块2如图嵌入，边钉入边观察压力表，当压力减小至0时，停止钉入，并将千斤顶卸下。其中要注意千斤顶示值为MPA，施工前需将预加轴力值（KN）换算成（MPa），可参考下图：

图9 千斤顶轴力标订图

6)钢支撑端部设φ10钢筋吊环，通过钢丝绳或钢筋连系在围护桩上，同时用于微调的钢楔采用电焊连接，防止坠落。

护壁桩喷护

对于基坑围护桩桩间采取挂钢筋网（φ6@200（双向））喷射混凝土的护壁形式。基坑分步开挖，分步支护，随挖随支。挂网安装在每步开挖后及时进行，格栅定点预制，分片安装。使用膨胀钉将钢丝网片与围护桩固定（膨胀钉纵向间距0.5m）。然后喷射60mm厚C20豆石混凝土。

监测配合

⑴xx车站监测项目

表4  监测项目

因本工程围护结构钢支撑较多，且间距较小（最大间距3m），故机械开挖土方时，为保证机械作业面，通过监测数据最大程度的提高机械效率，及时架设钢支撑，故在允许位移量的基础上设定警戒值，允许围护结构变形在警戒值范围内。

⑴ 基坑围护桩测斜，取允许最大位移30mm的70%作为警戒值即21mm。

⑵ 桩的差异隆沉，基坑开挖中引起的桩柱的隆沉不得超过10mm。

⑶ 支撑轴力，根据设计计算书确定，一般将警戒值定为80％的设计允许最大值。

⑷ 其他部分：对基坑沉降、裂缝发展等光滑的变化曲线，若曲线上有明显的折点变化，应做出报警处理。

几点体会

开挖方式与围护结构设计相结合

⑴ 施工进度与保证措施

能否实现大规模、高度机械化的开挖，从而保证少占用工期，是内撑式围护体系能否成立的关键问题。

早期的双向钢管支撑确实不利于机械化开挖，因而影响进度。这使得人们产生一种固有的偏见，认为内撑式围护妨碍开挖，影响进度。近年来内撑式围护体系设计有所改进，表现为选型合理的前提就是应该便于施工。在一道内撑内，杆件之间的空间应便于大型机械的施展；而且任两道支撑（包括下撑与坑底之间）之间的空间，应力要求满足型号合适的开挖机械的顺利工作。做到这一点，如果没有其它条件，就可以实现在内撑条件下近于百分之百的机械化开挖，从而大大的缩短工期。此外在开挖结束时，如果基坑深度较大，则无法保证挖土机械顺利的自行推出坑外。这时，可以利用已经安装完毕的垂直运输机械（本工程根据地铁工程基坑特点很好的引用了10t天车来解决水平及垂直运输），将挖土机械整体的（小型挖土机）或予以解体后（大型挖土机）吊出基坑。

⑵ 开挖方式与围护构件的荷载

在使用大型机械开挖的条件下挖土的方式与顺序问题。应该慎用挖土机沿基坑边缘一挖到底的开挖方式。因为从物理过程来看，挖土的速度会影响土压力的大小。目前虽然还缺少这方面的实测资料，但已见到过由于沿围护桩边迅速切出一条深沟，第二天围护结构失稳坍毁的实例。可以这样理解土压力变化的机理：在未开挖之前，围护结构两侧的土压力是静止土压力；在开挖之后。桩前的压力消失，桩背土体膨胀，桩身变形，桩背压力下降。这一压力下降是能量释放的过程，在能量释放过程中压力起变化。如果能量释放过程是平缓的，则压力可能逐渐下降。如果释放过程是急剧而短暂的，则压力可能会暂时不变甚至上升，从而导致了围护结构的破坏。所以不宜采用“沿围护结构边切出一道深沟”的开挖方式。而且要开挖面曝露后及时进行支撑。

基于同一道理，只要工期许可，应该有计划的分层、分段开挖。分层宜薄不宜厚，分段宜短不宜长。当然，在具体工程中，工期与施工进度安排往往成为第一要素，设计单位应在这方面适当留有余地。

监控测量在土方开挖过程中的重要性

本工程对围护结构及支撑结构进行了大量的布点监测，从施工整个过程来看，监测工作取得了重大的效果及作用，对深基坑施工过程进行监测的重要性主要表现在以下几方面：

⑴验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工

当前我国基坑支护结构设计水平处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，还没有成熟的方法计算基坑周围土体的变形情况。因此，在施工过程中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案或施工过程和方法进行修正。

⑵保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全

在深基坑开挖与支护工程中，为满足支护结构及被支护土体的稳定性，首先要防止破坏或极限状态发生。破坏或极限状态表现为静力平衡的丧失，或支护结构的构造性破坏。在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。支护结构和被支护土体的过大位移，将引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管道的渗漏，有时会引发一连串灾难性的后果。如有周密的监测控制，无疑有利于采取应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。

⑶总结工程经验，为完善设计分析提供依据

支护结构的土压力分部受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响，并直接与侧向位移有关，往往是非常复杂的，现行设计分析理论尚未达到成熟的阶段，积累完整准确的基坑与支护监测结果，对于总结工程经验，完善设计分析理论都是十分宝贵的。

深基坑施工过程中需引进动态设计及信息化施工新技术

传统的施工是严格按图进行的，除非在出现事故或确知结构处于危险状态时，才允许采取应急措施，改变设计方案。如果说这样的施工过程对上部结构还可以接受的，那么对于深基坑开挖来说就十分不合适了。在目前深基坑支护体系的设计中，不确定的因素太多，结构的安全度难以掌握，要使设计符合实际情况是太难了，至少在目前的技术发展水平上是太难了。设计者只有两种选择，一是设计得比较保守，以确保施工安全；二是冒较大风险，以节省投资。不论做何种选择，应该说对工程得安全与经济都难两全。较好的方法应该是根据施工过程的信息反馈不断修正设计，以指导施工。

由以上分析可知，传统设计法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象，进行定值的设计。然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字，在开挖过程中，包括某些土质参数在内的各种参量，诸如侧土压力、结构内力、土体应力及变形等都在变化。而其变化规律目前还未被充分掌握。这就产生了设计结果与实际情的差别，从而引发各种工程事故，或者可能造成浪费。下载本文