黄土地区地铁车站明挖深基坑综合施工技术

孟维民 刘玉香 张 斌 张秀枝

1. 山西煤炭建设监理咨询公司 太原 030012；2. 山西汾西工程建设有限责任公司建安公司 晋中 032000；3. 中铁电化局西铁工程公司 西安 710056

1 工程概况

拟建地铁车站位于西安市金花南路南端，呈“一”字形布置，东侧紧邻西安铁路信号厂9层办公楼（办公楼距离基坑边3.66 m），西侧紧邻东二环立交桥（桥基础距离基坑边11 m）。站长为190.4 m，标准段宽度为19.2 m，扩大端宽度为24.8 m，车站共设置5 个出入口及2个风亭，车站建筑总面积12 805.85 m2。车站主体结构为地下2层两跨钢筋混凝土框架结构，车站主体深基坑采用明挖法施工，北端局部铺设钢便桥进行铺盖法施工。

2 水文地质及工程地质条件

2.1 工程地质

本车站地形总体平坦，地貌单元属于黄土洼地，车站沿线地层自上而下依次为第四系全新统人工填土，上更新统风积新黄土、残积古土壤、中更新统风积老黄土及残积古土壤等地层。该场地地层结构详见图1。

图1 工程地质剖面及支护方案示意

2.2 水文地质

该场地地下水位埋深介于3.30～5.50 m、地下水位高程介于417.86～419.91 m之间，属赋存于第四系松散层中的孔隙潜水类型。潜水含水层组中无明显隔水层，也无明显具承压性的含水层。根据水文地质试验结果，结合类似基坑降水工程经验，本工点降水设计土层的综合渗透系数取7 m/d。

2.3 周边环境

拟建车站东侧紧邻西安全路通号器材研究所、西安铁路信号厂9层办公楼、西安铁路信号厂4层办公楼；车站西侧紧邻东二环立交桥。车站与西安铁路信号厂9层办公楼距离仅为3.66 m，与东二环立交桥基础最近距离为11 m，车站周边环境相当复杂，见图2。

图2 拟建车站周边环境

3 基坑支护设计方案

本深基坑标准段深度17.4 m，扩大段深度18.84 m，车站围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩＋钢管（混凝土）内支撑+桩间挂网喷混组合支护。钻孔灌注桩Φ1 200 mm，桩间距部位分别采用1 600 mm和1 500 mm；基坑内支撑第1道采用混凝土支撑，第2、3道支撑采用Φ609 mm钢管支撑；Φ800 mm、间距为1 600 mm的高压旋喷桩作止水帷幕；桩间挂网喷射厚150 mm混凝土，混凝土强度C20。

3.1 支护结构[1-7]

本车站标准段支护结构采用Φ1 200 mm@1 600 mm的圆形钻孔灌注桩，支护桩嵌固深度为基坑底以下6.5 m；盾构井处支护结构采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圆形钻孔灌注桩，支护桩嵌固深度为基坑底以下7.5 m；铁路信号厂办公楼附近采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圆形钻孔灌注桩，桩嵌固深度为基坑底以下6.5 m；钢便桥处采用Φ1 200 mm@1 500 mm的圆形钻孔灌注桩，桩嵌固深度为基坑底以下8 m。支护结构采用钻孔灌注桩+钢管（钢筋混凝土）支撑的内支撑型式，结合基坑的深度和宽度，标准段支护结构竖向设置3 道支撑，盾构井处竖向设置3 道支撑（再加1 道倒撑），在车站的北部位置做临时铺盖系统。支护方案详见图1。

3.2 降水方案

由于本车站地下水位埋深较浅，在四周支护结构的桩间采用Φ800 mm高压旋喷桩止水，以防止基坑开挖时的桩间水渗漏，并采用深井降水方案。

4 施工顺序及工艺流程

根据工期要求及场地情况，本车站分为10 个施工段，车站基坑开挖及支撑安装由基坑南端向北端施工。围护桩施工完成后立即进行冠梁、挡土墙及第1道钢筋混凝土支撑施工，同时进行降水井施工。

土方开挖施工主要分4 步[8-13]：

（a）第1步开挖至第1道钢筋混凝土支撑下0.1 m处，开挖高度1.7～2.7 m；浇筑第1道钢筋混凝土支撑。

（b）第2步开挖时，待第1道钢筋混凝土支撑达到强度要求后，由南向北从基坑中间拉槽至北端头，施工出土坡道，然后从南向北分层分段进行开挖至第2道支撑下0.5 m。为确保第3层土方开挖时，第2道支撑不影响挖掘机施工，在第2层土方开挖到第2道支撑下0.5 m时，中间采取拉槽开挖，预留两侧土方架设第2道支撑。采取中间拉槽开挖时两侧土方应预留坡度，拉槽边坡按1∶0.7～1∶1，两侧预留边坡顶距围护桩不小于2.0 m，第2层土方开挖高度为5.45 m。在土方开挖过程中应及时对桩间进行喷射混凝土，每层喷射混凝土高度应控制在2 m范围以内。

（c）第3步开挖第3层土方至第3道钢支撑中心下0.5 m，开挖高度5.36 m，开挖方法同第（b）步。

（d）第4步开挖第4层土方至基坑底以上0.3 m，开挖高度3.09 m，开挖前先在中部拉槽，然后再倒退开挖两侧其余部分土方；剩余0.3 m厚度的土方在基底验槽合格后采用机械配合人工进行清理。基坑土方开挖遵循“纵向分段、竖向分层、先支后挖、实时监测”的施工原则。

基坑施工按以下顺序进行：

高压旋喷桩施工→钻孔灌注桩施工→开挖第1层土→施工冠梁、挡墙及第1道钢筋混凝土支撑→施工降水管井→开挖第2层土→施工第2道水平钢支撑→开挖第3层土→施工第3道钢支撑→开挖第4层土→车站主体结构施工→防水及回填土方施工→拆除支撑。

5 施工要点

5.1 钻孔灌注桩的施工要点

钻孔灌注桩的施工要点有2 点：

（a）在支护桩钢筋笼第2道水平钢支撑设计标高的位置处有腰梁连接钢筋，故在立柱钢筋笼第2道水平钢支撑设计标高的位置处埋设了钢套筒，预埋的套筒必须与桩身钢筋牢固连接。

（b）水下浇筑混凝土。为保证混凝土的密实度，混凝土浇筑前应清孔沉渣，形成水下浇筑混凝土。浇筑时边浇筑混凝土，边拔导管，应保证导管底始终低于混凝土浆面不小于2.5 m。

5.2 混凝土（钢）支撑施工工艺操作要点

（a）基坑开挖第1层结束后，直接施工第1道钢筋混凝土支撑。第2道、第3道钢支撑端头设置钢围檩，钢围檩逐节吊入、安装。钢支撑采用坑外拼装、整节吊入、安放就位的架设方法。

（b）支撑架设前，在基坑壁面上标出钢围檩的位置，首先进行钢围檩处的墙面平整工作，待钢围檩安装结束后，再对钢围檩与墙面间的缝隙塞填水泥砂浆和小钢板，以尽量增大钢围檩和坑壁的接触面。

（c）基坑开挖时，待支撑位置挖出来以后，立即安装支撑并及时施加设计预应力。

（d）支撑加力前，设定支护桩支撑轴力检查点，待加力完成后，即可实测支撑轴力初值。

（e）斜撑的架设与直撑的架设方法基本相同，但还需在斜撑的端头设置牢固可靠的防滑措施。

（f）钢支撑预应力的施加可以采用1 台3 000 kN的千斤顶完成，千斤顶使用前必须经过鉴定。预应力施加时，千斤顶与支撑轴线的偏差不得超过10 mm，并且必须垂直于钢围檩。施加预应力值为设计轴力的30％～50％。

5.3 高压旋喷桩施工要点

（a）旋喷桩28 d的无侧限抗压强度不得小于1.2 MPa，抗渗系数小于10-7cm/s。

（b）喷射注浆的材料用425#普通硅酸盐水泥，根据需要加入适量的外加剂，水泥浆液的水灰比宜取1.0～1.5，灌入水泥浆液的相对密度取1.6，水泥掺入量18％～20％。

（c）施工时应保证钻孔的垂直偏差不超过0.5％，桩位偏差不大于50 cm。

（d）成孔完成后，将注浆管置入孔中，待喷嘴达到设计高程后，方可注浆。检查喷射注浆参数，达到设计要求后，即可按旋喷的施工工艺要求，从下至上喷射注浆。注浆管逐段提升的搭接长度不能小于100 cm。

（e）喷射压力、提升速度对成桩质量的直接影响较大，应根据成桩的深度和土质有关参数进行调控。

（f）高压喷浆过程中，搅拌时间若超过了4 h的水泥浆液，不应使用。

5.4 基坑降水及开挖施工要点

5.4.1 基坑降水

为保证基坑开挖处于无水作业状态，基坑开挖前，在冠梁顶部、挡土墙外侧设置25 cm×40 cm的截水沟；基坑土方开挖前，按要求沿基坑周边设置排水明沟，基坑内设置集水坑，用水泵抽排至排水沟。如坑底渗水量较大，且有一定动水压力时，可在垫层下设置纵、横向排水盲管，将地下水汇集于降水井中排至坑外。

5.4.2 基坑开挖要求

（a）基坑底部预留0.3 m的保护层，采用人工开挖、修平，并经相关单位验槽合格后进行接地网施工，接地网报监理工程师检验合格后进行混凝土垫层施工，以保证基坑底土层不被扰动。距桩壁0.5 m处改由人工修挖，以免对桩身的稳定产生破坏。

（b）基坑土方开挖时，随挖随撑，减少基坑暴露时间。

（c）基坑土方开挖后，及时按设计施作网喷支护，按规定时限于设计标准施加支撑预应力。

（d）基坑土方开挖完成一块，清理平整一块；清理平整一块，垫层施工一块。

（e）基坑土方开挖过程中，加强施工监控量测，随时掌握土体压力、支撑结构受力及地下水位变化等情况，做到信息化指导施工。

（f）在每层土方施工中，在横断面跨中纵向拉坡开中槽，护坡桩两侧各留5～6 m宽平台，充分利用其土体抗力保证围护结构的稳定，同时利用此平台及时进行封堵围护结构的渗漏水，在钢支撑架设完成后，采用机械由中槽向两边横向挖土，人工配合清理桩间土直至围护结构。

5.4.3 基坑开挖过程中的施工要点

（a）基坑顶面2 m范围内周边严格控制堆土、堆料或重型机械行走，支护结构四周范围内地面超载不得大于20 kPa。

（b）加强现场管理，设专人指挥，防止挖掘机碰损钢支撑，防止挖掘机碰撞围护桩，桩间土方采用人工修平，整个现场车辆统一由专人调配。

（c）基坑侧壁土方开挖完成后必须及时喷射150 mm厚的混凝土，确保桩间土体稳定。

（d）实行信息化施工，加强施工监测，发现异常情况及时报驻地监理和业主研究处理。

（e）运输车辆进出施工现场路口，设专人防护，统一指挥，及时疏导行人及周边机械。

5.5 网喷混凝土施工要点[14-19]

车站基坑围护结构采用围护桩，为确保开挖过程中桩间土体的稳定性，围护桩桩间土随基坑开挖进行网喷混凝土，围护桩桩间网喷混凝土厚150 mm，混凝土等级为C20，钢筋网采用Φ8 mm@200 mm×200 mm。在土方开挖过程中，由上往下、随挖随喷，以防止基坑开挖过程中的桩间土暴露时间过长而产生坍塌，影响基坑周边的稳定和施工安全。

为确保做好现场防尘等工作，施工采用湿喷法，混凝土喷射设备选用TK－961湿喷机，湿喷料用JS500强制式搅拌机拌制。喷射混凝土由下向上分段、分片、分层螺旋式喷射。每段长度按循环进尺。每层厚度控制在5 cm，喷射混凝土回弹料不能再次使用。

喷射混凝土施工前必须清理好基面和渗漏水，如果渗水较大可在喷射前进行堵漏，然后进行喷混凝土，喷混凝土时加大速凝剂用量。

6 施工监控量测

6.1 监控量测方案

监控量测内容包括围护结构水平位移、围护结构及土体侧向变形、水压力、围护结构土压力、地面沉降、地下水位、支撑轴力、地下管线、周边地面建筑基础沉降及裂缝观察、周边立交桥沉降观测、临时立柱沉降等。监测系统通过全站仪观测站、控制测量基准点（左线3 个断面，右线3 个断面）、变形点（40 个）、中继站计算机以及远程监控计算机等组成。

6.2 控制标准

（a）当围护结构的水平位移及沉降超过警戒值时（预警值为基坑开挖深度的2‰，控制值为基坑开挖深度的2.5‰），通知有关部门，加大监测频率，组织有关技术人员分析施工因素，调整钢支撑参数，或同时采用地层加固措施，确保围护结构稳定；当超过最大控制值时，停止施工，组织专家对施工工艺进行调整，并采取有效措施，等围护结构得到稳定后再重新开工。

（b）当地表沉降速度过大（地表沉降预警值为10 mm，警戒值为20 mm，最大控制值为30 mm），加大监测频率，必要时应该通知有关部门，停工并检查，通过加强支撑、加固围岩地层的措施确保施工安全。

（c）当周围建筑物基础和地表沉降量过大时，应及时采取回灌措施，或者对基坑周边的地层进行加固，直至建筑物和地表稳定为止。

（d）根据支撑轴力量测结果分析研究钢支撑的受力状态，分析是否调整钢支撑的有关参数。当钢支撑受力超过设计要求时，加密钢支撑，保证基坑围护的安全。

（e）当建筑物的变形接近预警值时（预警值为10 mm），加大监测频率，同时，根据监测结果及时调整开挖段的支撑参数，或者加固地层；当达到警戒值时（警戒值为20 mm），通知监理及上级主管部门，必要时，对既有建筑物的基础采取加固措施；当达到最大允许值时（最大允许值为30 mm），停止施工，组织专家对施工工艺进行改进，确保建筑物的安全。

从本基坑的监控量测过程数据、最终结果及基坑施工过程中的安全状态来看，本工程地下结构的封顶、拆撑，地下管线及周边建筑物基础的沉降、变形观测结果均在安全可控范围，说明本基坑围护结构的工程实践是成功的。

7 结语

（a）钻孔灌注桩+高压旋喷桩＋钢管（混凝土）内支撑+桩间挂网喷混组合支护方案适用于黄土地区周边建筑密集且有地下结构的较深基坑支护，结构强度和整体刚度较大，结构各构件间受力、传力清楚，能较有效地控制基坑变形，深基坑的安全稳定性良好。

（b）本基坑围护结构的施工工艺简单易行，支撑结构体系主要由钢筋混凝土支撑和钢支撑组成，围护结构和内支撑结构组合布置灵活，可用于不同平面形状的基坑。

（c）钢筋混凝土围护桩和高压旋喷桩相间布置，相互咬合、连接紧密，形成了封闭的挡土结构，不仅能有效挡土且成为封闭止水帷幕，内支撑能保证基坑支护安全。