城市轨道交通车站大尺寸深基坑工程中的盆式开挖逆作法技术*

曾铁梅 吴贤国 李博文 陈虹宇 张立茂

(1．武汉地铁集团有限公司，430030，武汉；2．华中科技大学土木学院工程管理研究所，430074，武汉；3. 纽卡斯尔大学，2299，澳大利亚 纽卡斯尔//第一作者，高级工程师)

近年来，针对逆作法施工的相关研究工作涵盖了基础理论研究、计算分析软件的编制与应用，以及与设计施工相结合的反演、预测、试验等工程应用研究。实践证明，在地铁施工过程中采用逆作法作业能够降低工程建设在支撑或锚杆结构方面的成本支出，把支护结构的变形控制在合理范围内，以及大幅减小对相邻建筑物的影响，实现降低工程造价、优化项目经济效益、减小支护变形等目的。逆作法在施工工艺与目标实现等方面较其他施工工法更为先进，但目前对逆作法施工的应用还存在着较多方面的制约，理论支撑的缺位致使工程实践中问题频发，这成为制约逆作法技术应用于工程实践的客观因素。

本文基于武汉轨道交通商务区站深基坑逆作法工程，利用有限元分析探讨了该工程支撑方案选型，针对逆作法施工挖土时间较长以及施工组织较为复杂等问题，提出更为优化的方案。

1 工程概况

商务区站为武汉轨道交通3号线一期工程与7号线的十字交叉换乘站。车站位于汉口王家墩中央商务区核心区域下沉广场下方，车站为地下四层站。负一、二两层为矩形平面，平面尺寸为205 m×137 m，地下三层为3号线站台层(标准段宽32.9 m)和3号线、7号线设备层(标准段宽52.1 m)的十字交叉基坑；地下四层为7号线站台层(标准段宽52.1 m)，站台层两侧为黄海路隧道。负一层是下沉式广场，广场中央为直径为23 m的半圆形穹顶，负二层为商业区及3号线、7号线站厅层，在站厅层中部，半圆形穹顶区域内无梁无柱，形成一个通透空间。该站是王家墩中央情况商务区的重要换乘车站及极具观赏特色的车站。

地基土属中软场地土，场地土层分布情况如表1所示。

表1 武汉市商务区站场地土层分布情况表

在该场地中，地下水主要为上层滞水和层间承压水。上层滞水主要赋存于杂填土和粉土层中，承压水为主要地下水类型，赋存于粉质黏土、粉砂互层和粉细砂层中。

2 工程特点及施工方法选择

2.1 工程特点

商务区站基坑工程的主要特征总结如下：

(1) 工程处于典型的长江汉口地区一级阶地地层，土质条件差；

(2) 基坑平面尺寸较大，深度较深，且坑中坑较多；

(3) 基坑坑边为武汉中心高428 m的超高层建筑，该建筑的地下室距离车站基坑地下连续墙约32 m。

由于该站平面形状类似于正方形，平面长、宽尺寸太大，工程位于长江一级阶地，所处的地质条件很差，因此对车站基坑支护系统设计带来很大困难。该基坑工程短边长度大于100 m，长边长度大于200 m，如果采用内支撑，需设较多立柱，支撑截面也较大，导致水平支撑构件断面尺寸和自重较大，以及施工工期加长；如采用不设内支撑的悬臂支护桩或者桩锚体系，由于地质条件差，且工程周边有在建建筑，导致工程无法实施。

2.2 施工方法选择

2.2.1 施工方法分析

盖挖逆作法是在基坑施工过程中将结构板作为支撑结构的一种基坑施工方法。由于结构板刚度较大，基坑安全优势较明显，因此能节省大量的临时混凝土支撑，以及节约施工工期，但施工难度较明挖方案较高。本站采用盖挖逆作法施工时，需要重点考虑的问题包括：①施工过程中围护结构与主体结构的安全问题；②结构柱形式的选择及定位；③主体结构防水层的设计和施工；④针对如此大面积的基坑，如何安全快速出土的问题。

经多方研究比较，最终采用了明挖顺筑与盖挖逆筑的盆式开挖法施工。该施工方法以车站结构板在水平向的整体刚度取代水平支撑体系，主体结构采用逆作法施工，既减少了工程量，又节省了施工工期，同时还为土方开挖和材料运输提供了空旷空间。

传统的盖挖逆作法中，各层结构板可作为基坑的水平支撑。由于结构板上预留出土孔，加之车站基坑面积大，同时又是地下四层，若单纯利用出土孔出土，出土效率不高，影响工期。考虑到其地下一层和二层为矩形基坑，若将地下一层进行放坡，地下二层利用环板(主体结构板的一部分)支撑，中间留出矩形出土区域，并在环板上的适当位置预留孔并结合永久孔出土，这样出土效率会大幅提高。但也随之带来了一个问题：对环板而言，最不利工况为当基坑开挖到地下二层，且地下二层的结构板未施做的情况下，环板能否抵挡基坑侧向水土压力及地面超载，需要对施工过程中环板结构的安全性进行详细分析。

2.2.2 支撑方案选择

选取两个方案对环板支撑进行了对比分析。方案一为三跨板一字梁带结合桁架撑方案(见图1)，方案二为四跨板带井字梁方案(见图2)。对这两个方案采用三维载荷结构有限元模型进行了最不利工况下的结构分析。计算结果表明，两个方案均能满足基坑及环板的安全与稳定要求。其中，方案一中地下连续墙的水平位移为13.3 mm，桁架撑全部处于受压状态，最大轴力标准值为4 740 kN；地下连续墙的最大弯矩为596 kN·m。按照计算结果，方案一的桁架撑需要采用较大的截面，这对后期结构板的施工有较大影响，因此环板需要可靠的传力节点设计。方案二的计算结果显示，采用四跨并取消桁架撑后，地下连续墙两个水平方向的最大变形分别为7.9 mm和10.7 mm，结构柱的最大侧向变形约为6 mm，地下连续墙的最大弯矩521 kN·m。通过分析比较，方案二优势较为明显，因此对于盆式开挖预留环板的支撑设计，推荐选用方案二。

图1 盆式开挖方案一(三跨板一字梁带结合桁架撑)

图2 盆式开挖方案二(四跨板带井字梁)

3 基坑施工方法

3.1 施工步骤

商务区站盆式开挖基坑工程的施工具体步骤为：

(1) 平整场地、打设降水井。

(2) 依次施作导墙、水泥土搅拌桩止水帷幕、地下连续墙、抗拔桩、主体结构柱和临时格构柱等，以及对基坑进行降水作业。

(3) 放坡开挖地下一层，待放坡施工完毕后，开挖土方至基坑地下一层结构板处，施作地下一层环板及角部桁架支撑。

(4) 继续向下开挖土方至基坑地下二层结构板处，施作车站和物业区地下二层底板和侧墙。

(5) 通过地下二层结构板上的预留孔，继续向下开挖车站基坑土方至地下三层结构板处，施作地下三层底板和侧墙。

(6) 通过地下三层结构板上的预留孔，继续向下开挖基坑土方至基坑底，并在车站两端头预留反压土；再依次施作接地网、垫层、底板防水层和底板；待两端头临时钢管斜撑施工完毕后，开挖预留反压土体，完成整个底板的施工，然后拆除临时钢管斜撑。

(7) 依次施作地下一层及以下各层剩余梁、板结构，以及施作地下一层侧墙防水、侧墙和顶板。

(8) 对放坡进行回填，拆除临时格构柱，施作站台板和轨顶风道等内部结构，回筑施工预留孔洞；待盾构始发后，回筑盾构吊入孔，并施作顶板防水层，以及对覆土进行回填，并停止施工降水。

3.2 基坑施工注意问题

(1) 长江汉口地区为一级阶地地层，土质条件差，当位于软土地区的基坑工程进行逆作法施工作业时，考虑到土体流变的影响，支护结构墙体变形和立柱沉降与开挖时间成正相关。因此，为了将施工中支护结构墙体变形、立柱/桩与墙间的沉降差异控制在合理范围内，并减小施工对周围环境的影响，应尽可能缩短深基坑逆作法暗挖土方的开挖时间，以及在每层土体开挖到相应标高时及时浇筑梁板结构。

(2) 当采用逆作法技术进行施工作业时，混凝土楼板/梁的浇筑工作在每一个挖土工况完成后进行。经凝结硬化后，混凝土楼板/梁对基坑壁形成强有力的支撑，但相较于钢管支撑等水平支撑，混凝土达到相应刚度所耗费的时间更长。在混凝土楼板/梁的刚度尚未完全形成之前，土体由于流变往往会发生较大的位移。为了使混凝土楼板结构在尽可能短的时间内达到相应要求的刚度，尽早对土体形成强有力的支撑，在逆作法作业中，地下室楼板宜采用早强混凝土。

(3) 当逆作法施工采用盆式开挖法挖土时，最大位移出现在地下连续墙墙顶处，此时应在确保将墙顶位移控制在合理范围的前提下，基于首层土的开挖深度，确定盆式挖土预留土体的经济宽度。针对逆作法盆式开挖不同坡肩宽度下地下连续墙的位移变化情况，采用有限元法进行了研究。以往的工程经验表明，当软土区首层土盆式开挖深度取6.5 m、坡肩宽度取6.0 m时，即可实现将地下连续墙的变形控制在合理范围内的目的。

(4) 在逆作法作业中，当采用盆式开挖法进行土方开挖时，预留土体对地下连续墙具有一定的支撑作用，不但能控制墙体本身水平位移的发展，有效减小位移值，还能减轻施工人员暗挖土方的工作量，进而缩短工期和节约工程成本。

(5) 由于进行暗挖施工时的作业面较小，在空间上限制了大型机械的使用，具体的施工操作主要还是依赖人工作业，加之施工组织较为复杂，因而作业持续时间往往较长，工作效率不尽理想。因此，在进行暗挖前，为确保挖土工作的顺利开展和提高工作效率，应在施工前充分作好挖土施工组织设计；在施工方法选择上尽量采用流水施工，可将基坑进行分段施工，即基坑每挖完一段，结构施工跟进一段，这样可缩短开挖面的暴露时间。

(6) 基于车站所处的地质条件以及基坑本身的结构特点，对中间支撑柱采用下部定位器加上部丝杠的方法进行定位。其中，定位器对钢管柱下端进行定位，丝杠则对其上端进行定位，以减小施工偏差，方便施工操作，以及节约工程成本。

(7) 在采用逆作法进行施工作业时，混凝土采用后填的方式，致使混凝土在浇注完成后会因沉降和收缩在其上方形成空隙，并在接头表面产生析水或聚集气泡，极易造成结构和防水的缺陷。因此，为减小逆作法施工带来的这一不利影响，在进行节点连接时，采用充填法进行施工，即后浇混凝土浇捣完毕后，将接缝下方5～10 cm厚的混凝土浮浆层清除掉，然后在此处注入充填材料。

(8) 针对施工过程中的防水措施，车站的主体结构及附属结构以混凝土自防水为主，即防水措施主要着眼于提高防水混凝土的防水抗裂性能，同时应附加外防水层。

4 结论

(1) 针对于平面形状类似于正方形，且平面的长度和宽度尺寸太大，所处地质条件很差的基坑工程，如果采用内支撑结构体系，需设置较多立柱，导致水平支撑构件断面增大、自重增大和施工工期加长；如采用不设内支撑的悬臂支护桩或者桩锚体系，由于地质条件较差，且工程周边存在在建建筑，导致工程无法实施。采用明挖顺筑与盖挖逆筑的盆式开挖法施工时，以车站结构板在水平向的整体刚度取代水平支撑体系，以及主体结构进行逆作法施工，既减少了工程量，又节省了施工工期，同时还为土方开挖和材料运输提供了空旷空间。

(2) 采用四跨板带井字梁方案时，桁架撑两个水平方向的最大变形分别为7.9 mm和10.7 mm，结构柱的最大侧向变形约为6 mm，地下连续墙的最大弯矩为521 kN·m；采用三跨板一字梁带结合桁架撑方案时，地下连续墙的水平位移为13.3 mm，桁架撑全部处于受压状态，最大轴力标准值为4 740 kN，地下连续墙的最大弯矩为596 kN·m。由此可见，前者所需截面更小，对后期结构板的施工影响亦较小。

(3) 在逆作法作业中，当采用盆式开挖法施工时，最大位移出现在地下连续墙墙顶处，此时应在确保将墙顶位移控制在合理范围的前提下，基于首层土的开挖深度，确定盆式挖土预留土体的经济宽度。当位于软土地区的基坑工程进行逆作法施工作业时，考虑到土体流变的影响，支护结构墙体变形和立柱沉降与开挖时间成正相关。因此，在土层开挖完成后，地下结构的施工应即时跟进，尽量缩短开挖面的暴露时间。

通过合理组织施工，该工程得以有效实施，并取得了很好的效果。武汉轨道交通商务区站作为武汉市首个采用盆式开挖逆作法施工的地下车站，为以后大平面的基坑支护方案提供了新的设计思路，可对后续类似的工程项目提供借鉴。