地鐵車站主體土方開挖施工技術

1、地鐵車站主體結構深基坑土方開挖施工技術摘 要:北京地鐵十號線 xx 車站主體結構為明開法施工, 車站全長 183.4m , 寬度為 20.7m , 土方挖方量共為 71850m 3, 圍護結構采用鉆孔灌注樁 +內撐法。 為確?；油练介_挖的高效、 安全, 需采取科學的土方開挖措施。 本文重點介紹了土方開挖的施工流程, 強調了監(jiān)測工作 在深基坑土方開挖中的重要意義。關鍵詞 :地鐵車站 基坑開挖 施工技術1 工程概況1. 1北 京 地 鐵 十 號 線 x x 車 站 主 體 土 方 工 程xx 車站全長 183.4m , 寬度為 20.7m 。 車站現(xiàn)狀地面標高 41.6942.17m , 車站結

2、構頂板 覆土埋深 3.5m 左右,結構底板埋深約 16.518m ,基坑全長 185m ,西端盾構井處最寬處為 39.8m ,東端盾構井寬 25.5m ,深 18.07m ;標準段寬 20.9m ,深 16.23m 。主體土方挖方量共 為 71850m 3。工程采用明挖法施工, xx 車站主體圍護結構為鉆孔灌注樁壁,隨挖土方隨架設鋼支撐 的內支撐形式。 灌注樁樁徑 800mm , 樁長 22m , 間距 1.4m 。 鋼支撐為 630mm 鋼管, 壁厚 12mm 。 車站主體圍護結構見圖 1。 圖 1 車站主體圍護結構平面圖(單位:mm xx 車站由于工期緊張 (計劃工期為 150天 , 且土

3、方工程是整個車站工程最重要的一步, 所以怎樣安全、快捷的完成土方開挖工程,成為本車站工程的一個重點。1. 2水 文 地 質 情 況根據(jù)地質資料, xx 站地層主要由第四紀粘性土、砂及碎石類土構成。車站范圍地下水 有潛水、承壓水和上層滯水。具體詳見表 1。表 1 xx站工程地質與水文地質條件2主體土方開挖方案的確定對于內支撐式的圍護結構的深基坑土方開挖施工一般有如下兩種:第一種是中心島(墩式挖土:此方法宜用于大型基坑,支護結構的支撐形式為角撐、 環(huán)梁式或邊框架式,中間具有較大空間情況下。此時可利用中間的土墩作為支點搭設棧橋。 挖土機可利用棧橋下到基坑挖土, 運土的汽車宜可利用棧橋進入基坑運土。

4、這樣可以加快挖 土和運圖的速度。第二種是盆式挖土:是先開挖基坑中間部分的土,周圍四邊留土坡,土坡最后挖除。這 種挖土式的優(yōu)點是周邊的土坡對圍護墻有支撐作用, 有利于減少圍護墻的變形。 其缺點是大 量的土方不能直接外運,需集中提升后裝車外運。盆式挖土周邊留置的土坡, 其寬度、 高度和坡度大小均應通過穩(wěn)定驗算確定。 如留的過 小,對圍護墻支撐作用不明顯,失去盆式挖土的意義。如坡度太陡邊坡不穩(wěn)定,在挖土過程 中可能失穩(wěn)滑動,不但失去對圍護墻的支撐作用,影響施工,而且有損于工程樁的質量。 兩種方法各有利弊,哪種方法最合適 xx 車站的土方開挖呢?北京市市市政四公司地鐵 項目部組織公司技術人員,并邀請市

5、政集團副總工程師關龍同志等有關專家進行了專門論 證。專家們根據(jù)以上兩種方法的優(yōu)缺點,結合現(xiàn)場水文地質情況,本著確保安全,節(jié)約資金 的原則,推薦采用盆式挖土的方案,并嚴格遵循“開槽支撐,先撐后挖,分層開挖,嚴禁超 挖”的原則。理由有以下幾點: 基坑標準寬度為 22m ,不適合采用中心墩式挖土的方法; 盆式開挖的兩側留土臺可對暴露的護壁樁有支撐作用,并可方便進行鋼支撐架設工 作; xx 車站在基坑上方沿基坑方向采用臺階法施工,土方可以做到一次運輸。3土方開挖施工3. 1土 方 開 挖 施 工 工 藝xx 車站土方開挖施工工藝流程如下:通過計算,確定挖運土機械型號及數(shù)量確定分 層開挖高度開挖第一層土

6、方根據(jù)監(jiān)測結果架設第一道鋼支撐、 施加預應力開挖第二層 土方根據(jù)監(jiān)測結果架設第二道鋼支撐、 施加預應力開挖第三層土方根據(jù)監(jiān)測結果架設 第三道鋼支撐施加預應力人工清槽底。3. 2機 械 挖 方3.2.1開挖程序的確定3.2.1.1豎向分層按車站的結構形式和總體部署分區(qū), 土層的分界線為鋼支撐下 1m , 第一層土方采用 1.6m 3挖掘機直接挖裝; 第二層土方采用一臺 1.6m 3挖掘機從基坑西端開挖; 第三層土方采用 1.6m 3挖掘機進行挖掘, 第四層土方采用 1.2m 3挖掘機進行挖掘, 即每層需要一臺挖掘機進行作業(yè)。 基底預留 300mm 人工開挖。 基坑開挖過程中隨挖隨按設計位置架設鋼

7、管支撐, 開挖順序為由 上而下逐層開挖。開挖方法見圖 2。 圖 2 車站主體土方開挖示意圖車站基坑主體深度基本相同,基坑土方在豎向上共分四層開挖:第一層:豎向高度約為 4.35m ;第二層:豎向高度約為 5.0m ;第三層:豎向高度約為 5.0m ;第四層:豎向高度約為 3.72m (端頭井 、 1.88m (標準段 。其中第二、第三層、第四層土方開挖需分臺階開挖。機械作業(yè)臺階寬度 67m ,臺階坡 度 1:0.75。豎向土方分層開挖步序如下表。表 2 土方分層開挖步序 3.2.2.2縱向分段沿車站縱軸線方向,第二、三、四層土方每隔 6m 同時開挖。3.2.2.3縱向拉槽、橫向擴邊在每一層每一

8、段的土方施工中,在橫斷面跨中開中槽,由車站西區(qū)端開始沿縱向挖掘; 由中槽向兩側開挖面進行開挖作業(yè)。縱向拉中槽縱向拉中槽,即在每層開挖工作面始端沿車站縱向拉坡開挖中槽,中槽位于車站主體 結構橫斷面中間。 中槽的大小首先要滿足挖掘機回轉棄土的要求, 同時要盡可能多的保留兩 側土體,以支撐圍護結構,減小對周邊環(huán)境的擾動,并滿足鋼支撐施作要求。中槽的寬度為10m 左右。 橫向擴邊拓展為中槽開挖至 6m 后,向橫向擴邊拓展,即由中槽向兩邊跨開挖擴邊。開挖方式為:由 中槽向兩邊跨橫向挖土, 兩邊跨的土方開挖盡量對稱進行, 土方開挖至鉆孔樁附近時, 改為 人工挖土, 以免機械開挖破壞鉆孔樁。 基坑土方開挖縱

9、向拉中槽、 橫向擴邊拓展平面示意圖 見下圖。 圖3 基坑土方開挖縱向拉中槽、橫向擴邊拓展平面示意圖3. 3 鋼 圍 檁 、 鋼 支 撐 架 設 3.3.1 鋼圍檁架設土層開挖至支撐架設設計位置后,安裝三角托架,架設鋼圍檁,鋼圍檁與鉆孔灌注樁 之間預留 60mm 的水平通長空隙,其間用 C30細石混凝土添嵌。鋼圍檁架設方式見圖 4。 用龍門吊垂直起吊將鋼支撐固于鋼圍檁上,為方便鋼支撐就位后的焊接,項目部人員 經研究采取了在端部采用鋼板焊成托架, 使鋼支撐放置在鋼托架上進行焊接的方法, 提高了 施工的安全性。見圖 5: 圖 5 鋼圍檁托架示意圖3.3.2吊裝鋼支撐1 吊裝鋼管支撐前, 按規(guī)定備齊檢

10、驗合格的支撐配件、 施加預應力的油鎬, 并檢查托 架是否完好。2 鋼支撐采用現(xiàn)場 10t 天車吊裝, 根據(jù)材料理學理論, 吊繩兩吊點從鋼支撐兩端分別 內移 0.2l ,此時可模擬為外伸梁的鋼支撐最大彎距僅為 ql 2/40,是吊裝的最佳吊點,故以 本工程標準段的 22m 鋼支撐為例, 吊點位置選在鋼管兩端向內 4.4m 處, 具體見圖 6 鋼支撐 圖 6 鋼支撐吊裝示意圖3 當使用 10t 天車時,鋼管由順基坑方向調整至垂直基坑方向時(此時鋼身約 2/5長度進入基坑換繩,按正式吊裝綁繩、吊裝入位。鋼管被安放在圍檁托架上入位至施加 預應力過程中不得松繩,以平衡彎曲矢量,保持鋼管處于軸心受力狀態(tài)。

11、鋼管入位按先活 動端后固定端順序,以確保鋼管與圍檁受力面接觸密實。3.3.3施加預應力鋼支撐固定端固定完成后,采用兩臺 80t 液壓千斤頂在活動端支撐兩側對稱逐級預加 力,預加力達到設計支撐軸力的 50%時,采用鋼楔鎖定支撐。鋼支撐在加工時在千斤頂?shù)淖畲筮M程與最小進程間焊接千斤頂支點。 4 根據(jù)鋼管的長度誤差確定需焊接 25mm 厚的鋼板塊數(shù), 并將 25mm 厚的鋼板如圖焊接 在鋼圍檁上。鋼 板楔 鐵 楔 鐵 2630(鋼 支 撐鋼 檁圖 8 楔鐵安裝示意5 將楔塊 1焊接在鋼板上, 用千斤頂對鋼管施加預應, 觀察千斤頂應力表, 當預加軸 力達到要求時,穩(wěn)壓 5分鐘,然后將楔塊 2如圖嵌入,

12、邊釘入邊觀察壓力表,當壓力減小至 0時,停止釘入,并將千斤頂卸下。其中要注意千斤頂示值為 MPA ,施工前需將預加軸力值 (KN 換算成(MPa ,可參考下圖: 圖 9 千斤頂軸力標訂圖6 鋼支撐端部設 10鋼筋吊環(huán),通過鋼絲繩或鋼筋連系在圍護樁上,同時用于微調 的鋼楔采用電焊連接,防止墜落。3. 4護 壁 樁 噴 護對于基坑圍護樁樁間采取掛鋼筋網(wǎng)(6200(雙向 噴射混凝土的護壁形式?；?分步開挖,分步支護,隨挖隨支。掛網(wǎng)安裝在每步開挖后及時進行,格柵定點預制,分片安 裝。使用膨脹釘將鋼絲網(wǎng)片與圍護樁固定(膨脹釘縱向間距 0.5m 。然后噴射 60mm 厚 C20豆石混凝土。3. 5監(jiān) 測

13、 配 合 xx 車站監(jiān)測項目表 4 監(jiān)測項目 因本工程圍護結構鋼支撐較多,且間距較小(最大間距 3m ,故機械開挖土方時,為保 證機械作業(yè)面, 通過監(jiān)測數(shù)據(jù)最大程度的提高機械效率, 及時架設鋼支撐, 故在允許位移量 的基礎上設定警戒值,允許圍護結構變形在警戒值范圍內。 基坑圍護樁測斜,取允許最大位移 30mm 的 70%作為警戒值即 21mm 。 樁的差異隆沉,基坑開挖中引起的樁柱的隆沉不得超過 10mm 。 支撐軸力,根據(jù)設計計算書確定,一般將警戒值定為 80%的設計允許最大值。 其他部分:對基坑沉降、 裂縫發(fā)展等光滑的變化曲線, 若曲線上有明顯的折點變化, 應做出報警處理。4幾點體會4.

14、1開 挖 方 式 與 圍 護 結 構 設 計 相 結 合 施工進度與保證措施能否實現(xiàn)大規(guī)模、 高度機械化的開挖, 從而保證少占用工期, 是內撐式圍護體系能否成 立的關鍵問題。早期的雙向鋼管支撐確實不利于機械化開挖, 因而影響進度。 這使得人們產生一種固有 的偏見,認為內撐式圍護妨礙開挖, 影響進度。近年來內撐式圍護體系設計有所改進, 表現(xiàn) 為選型合理的前提就是應該便于施工。 在一道內撐內, 桿件之間的空間應便于大型機械的施 展;而且任兩道支撐 (包括下?lián)闻c坑底之間 之間的空間,應力要求滿足型號合適的開挖機 械的順利工作。 做到這一點, 如果沒有其它限制條件, 就可以實現(xiàn)在內撐條件下近于百分之

15、百的機械化開挖,從而大大的縮短工期。 此外在開挖結束時, 如果基坑深度較大, 則無法保 證挖土機械順利的自行推出坑外。 這時, 可以利用已經安裝完畢的垂直運輸機械 (本工程根 據(jù)地鐵工程基坑特點很好的引用了 10t 天車來解決水平及垂直運輸 , 將挖土機械整體的 (小 型挖土機或予以解體后(大型挖土機吊出基坑。 開挖方式與圍護構件的荷載在使用大型機械開挖的條件下挖土的方式與順序問題。 應該慎用挖土機沿基坑邊緣一挖 到底的開挖方式。 因為從物理過程來看, 挖土的速度會影響土壓力的大小。 目前雖然還缺少 這方面的實測資料, 但已見到過由于沿圍護樁邊迅速切出一條深溝, 第二天圍護結構失穩(wěn)坍 毀的實例

16、。 可以這樣理解土壓力變化的機理:在未開挖之前, 圍護結構兩側的土壓力是靜止 土壓力;在開挖之后。樁前的壓力消失,樁背土體膨脹,樁身變形,樁背壓力下降。這一壓 力下降是能量釋放的過程, 在能量釋放過程中壓力起變化。 如果能量釋放過程是平緩的, 則壓力可能逐漸下降。如果釋放過程是急劇而短暫的，則壓力可能會暫時不變甚至上升，從而 導致了圍護結構的破壞。所以不宜采用“沿圍護結構邊切出一道深溝”的開挖方式。而且要 開挖面曝露后及時進行支撐。 基于同一道理，只要工期許可，應該有計劃的分層、分段開挖。分層宜薄不宜厚，分段 宜短不宜長。當然，在具體工程中，工期與施工進度安排往往成為第一要素，設計單位應在 這

17、方面適當留有余地。 4.2 監(jiān)控測量在土方開挖過程中的重要性 本工程對圍護結構及支撐結構進行了大量的布點監(jiān)測， 從施工整個過程來看， 監(jiān)測工作 取得了重大的效果及作用，對深基坑施工過程進行監(jiān)測的重要性主要表現(xiàn)在以下幾方面： 驗證支護結構設計，指導基坑開挖和支護結構的施工 當前我國基坑支護結構設計水平處于半理論半經驗的狀態(tài)， 土壓力計算大多采用經典的 側向土壓力公式， 與現(xiàn)場實測值相比較有一定的差異， 還沒有成熟的方法計算基坑周圍土體 的變形情況。因此，在施工過程中迫切需要知道現(xiàn)場實際的應力和變形情況，與設計時采用 的值進行比較，必要時對設計方案或施工過程和方法進行修正。 保證基坑支護結構和相鄰

18、建筑物的安全 在深基坑開挖與支護工程中， 為滿足支護結構及被支護土體的穩(wěn)定性， 首先要防止破壞 或極限狀態(tài)發(fā)生。破壞或極限狀態(tài)表現(xiàn)為靜力平衡的喪失，或支護結構的構造性破壞。在破 壞前，往往會在基坑側向的不同部位上出現(xiàn)較大的變形，或變形速率明顯增大。支護結構和 被支護土體的過大位移，將引起鄰近建筑物的傾斜或開裂，鄰近管道的滲漏，有時會引發(fā)一 連串災難性的后果。如有周密的監(jiān)測控制，無疑有利于采取應急措施，在很大程度上避免或 減輕破壞的后果。 總結工程經驗，為完善設計分析提供依據(jù) 支護結構的土壓力分部受支護方式、支護結構剛度、施工過程和被支護土類的影響，并 直接與側向位移有關，往往是非常復雜的，現(xiàn)行設計分析理論尚未達到成熟的階段，積累完 整準確的基坑與支護監(jiān)測結果，對于總結工程經驗，完善設計分析理論都是十分寶貴的。 4.3 深基坑施工過程中需引進動態(tài)設計及信息化施工新技術 傳統(tǒng)的施工是嚴格按圖進行的， 除非在出現(xiàn)事故或確知結構處于危險狀態(tài)時， 才允許采 取應急措施，改變設計方案。如果說這樣的施工過程對上部結構還可以接受的，那么對于深 基坑開挖來說就十分不合適了。在目前深基坑支護體系的設計中，不確定的因素太多，結構 的安全度難以掌握， 要使設計符合實際情況是太難了， 至少在目前的技術發(fā)展水平上是太難