地铁基坑开挖及支护施工工法研究

孙更利，杨 昊，窦炳昭，李文波，张 欢

(中交一公局第三工程有限公司 北京市 101102)

0 引言

近年来，随着我国在建地铁数量的增多，地铁基坑开挖项目的数量不断增加[1]，工程中遇到多种难点，有必要对基坑开挖及支护施工方案进行进一步的研究。

在基坑支护及土方工程技术方面，王军等[1]对上海深基坑工程设计与施工的问题进行了梳理分析，并给出了建议的对策方案。丁辉[2]以杭州经济开发区某高层建筑工程为背景，制定了切实可行的基坑支护及土方工程专项施工方案，方案中采用较先进的工艺装囊式锚杆施工。魏奇斌[3]对建筑工程施工中深基坑支护的施工技术措施进行了研究。在深基坑支护方案比选上，李卓[4]对常见的支护方式进行了梳理，同时介绍了运用理正软件和PLAXIS软件分析桩锚支护及土钉墙支护的使用方法。孙建波[5]通过利用基坑开挖的时空效应原理，结合基坑本身的平立面形状、深度和边界面的特点，比选出最优方案中的主要施工参数。在隧道施工工法方面，王健[6]使用三维数值模拟对比分析了三台阶七步法与CD法对铁路隧道开挖带来的结构受力的影响。此外，地铁基坑在施工过程中也要尽量做到环境友好，降低对周边建筑物的影响。在深基坑施工对周边环境影响上，潘星羽[7]通过实测和预测数据的对比，分析了长沙地铁2号线一超深基坑开挖对周边环境的影响，完善了设计、监测和施工方案。

依托哈尔滨市轨道交通3号线二期工程安通街车辆基地工程，制定了切实可行的基坑开挖及支护工程施工方案，并对放坡开挖、支护开挖及暗挖区台阶法的施工工艺进行了详细的介绍，可为类似工程施工与设计提供参考。

1 工程背景

1.1 工程简介

哈尔滨市轨道交通3号线二期工程安通街车辆基地土方开挖及支护工程，包括试车线和联络线两部分。

试车线位于车辆基地内北侧，起于车辆基地西段红星路东侧，向东止于三环路西侧；起终点里程为SSK0+000.000～SSK1+235.000，全长1235m。联络线位于车辆基地内中部，起于车辆基地西南侧，向东北止于试车线里程SSK1+028.503；起始里程为LSK0+000.000，终点里程为LSK0+702.467，全长702.467m。车辆基地试车线及联络线分区图如图1。

图1 车辆基地试车线及联络线分区图

1.2 工程地质条件

哈尔滨处在松嫩平原的东南缘，地处松花江中游。试车线位于哈尔滨市香坊区红星路与红黎街交口东侧空旷地块儿内，所处地貌单元为岗阜状平原。本场地地面高程介与163.96～164.54m之间，场地地形较为平坦。

根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析，本工点地层主要为第四系上更新统哈尔滨组冲洪积层。下部基岩为白垩纪泥岩、粉砂岩。第四系中更新统上荒山组湖积层、第四系中更新统下荒山组冲积层[8]。本标段线位位于岗阜状平原地貌中，根据地下水赋存条件，地下水类型主要有第四系孔隙承压转无压水和上层滞水。

1.3 主要风险源及预防措施

工程自身风险，基坑为自身风险源。对于里程SSK0+000.000～SSK0+095.000放坡开挖的区段，基坑深度8.1～10.5m，基坑开挖宽度约为15～36m, 坡面挂Φ8@200×200钢筋网，喷射C20混凝土100mm厚，并设置人工打入式土钉Φ16钢筋。对于里程SSK0+095.000～SSK1+235.000明挖法施工的区段，基坑深度10.5～18.6m，基坑开挖宽度约为6.7～14.9m，采用Φ800mm@1400mm钻孔灌注桩+三道钢支撑。对于里程LSK0+402.000～LSK0+642.645暗挖法施工的区段，施工过程中作好超前注浆，严格控制开挖进尺，初支及时封闭，加强监控量测。

环境风险。基坑与工业厂房最小距离1.4m(施工前拆除)，基坑与居民住宅最小距离9.0m。为防范风险，应加强施工量测，做好施工预案，必要时进行注浆加固、增设隔离桩等，保证周边建(构)筑物、高铁的安全和稳定。

2 施工总体部署

2.1 施工方案比选

隧道的常用施工方法分为台阶法、盾构法、明挖法等[9]，表1从施工工艺、速度、质量等多种角度对三种方法进行了方案比选。根据线路平面布置、埋深、工程地质、水文地质条件及线路所经地区的环境条件，区间隧道的施工方法选择明挖法和台阶法。试车线及联络线处于车辆基地北侧，场地较开阔，周边无建筑物影响，并且施工作业环境为无水作业，结合成本、施工工艺简便快捷考虑，试车线及联络线大部分采用明挖法施工。其中结构Ⅵ区因车辆基地建设方案及咽喉区施工影响不能进行围护桩施工，施工段落较短，故采用台阶法施工。

表1 施工方案比较

2.2 土方开挖施工部署

为了提高基坑开挖效率，明挖段及暗挖段分为五个工点进行土方开挖，施工分区及施工方向如图2所示。总体施工工序流程为：

图2 开挖及支护施工顺序

(1)场地清理及管线调查。

(2)现场场地布置。

(3)试车线及联络线各区围护桩(或土钉墙)及冠梁、挡土墙施工。

(4)各区土方分层分段开挖及支护。

(5)各区主体结构施工。

施工顺序为：待围护结构及冠梁施工完成后，工点1、工点2及工点3、工点4分别开挖，待工点2、工点4与暗挖段接口处完成开挖后，即可组织进行工点5开挖。

3 施工工艺技术

基坑开挖在围护结构施工完成后进行，宜分层分段均匀对称进行，在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点，遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的施工原则[10]。每个施工工点分别配备一台PC360-7履带式挖掘机和一台PC220-8履带式液压挖掘机，利用PC360挖掘机纵向放坡开挖，PC220挖掘机修整反压土边坡。

3.1 放坡开挖施工工艺

支护开挖主要采用土钉墙及放坡开挖施工工艺进行施工，此区域为试车线结构分区Ⅰ区、Ⅱ区，土方开挖施工的工点1、工点2。放坡开挖施工流程如图3。

图3 放坡开挖施工流程图

具体施工工艺如下：

(1)土钉支护应按设计开挖顺序分批施工，同时坡面开挖应严格控制斜率，随开挖随喷混凝土支护，经监理工程师检验后铺设钢筋网，喷射混凝土。下一土层开挖，应在上一土层的土钉支护与喷射混凝土之后进行[11]。

(2)机械进行土方作业时，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。基坑的边壁宜采用小型机具或铲进行切削清坡，以保证边坡达到设计坡度并保持相对平整。

(3)基坑开挖时应分层、分段对称平衡开挖，基坑四周需预留三角土护坡，每层挖土厚度不宜超过2m，施工至基坑底部0.3m时应采用人工开挖、找平，然后及时封闭坑底，基坑底应平整压实，其允许偏差为：高程(+10mm，-20mm)；平整度20mm，并在1m范围内不得多于1处。

(4)在基坑开挖施工时，应控制基坑地面堆载不超过20kPa，并且周边2m范围内禁止堆载，3m以内尽量减少堆放杂物，坑边严禁重型车辆通行。

3.2 支护开挖施工工艺

支护开挖区域包含试车线及联络线结构分区的Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区和Ⅶ区，同时为土方开挖施工的工点1、工点2、工点3、工点4。

此区域支护结构为钻孔灌注桩+桩间挂网喷混凝土+内支撑，围护桩采用Φ800mm/Φ600mm间距1400mm钢筋混凝土钻孔灌注桩。钢支撑支护施工流程如图4。

图4 钢支撑施工流程图

施工要点如下：

(1)第一道钢支撑安装在冠梁上，第二、三道钢支撑安装在桩间喷混面上，通过钢围檩传力至桩身。第一道钢支撑与第二道钢支撑(中心)间距5.5m。钢支撑支护施工如图5。

(2)冠梁施工时根据施工图纸提前预埋钢筋及直撑、斜撑钢板。当土方开挖至第一道钢支撑下0.5m(约冠梁底标高下0.4m处)时，采用长285mm的膨胀螺栓打入冠梁内，将角钢与冠梁结成一体，形成钢支撑托架并设拉筋。托架施工完毕后安装钢支撑。其中斜撑在托架上安放支座。支座与墙间的空隙用混凝土填充密实。

(3)钢围檩的施工。钢围檩之间采用钢板帮焊连接，要求钢板必须全部覆盖两个钢围檩，并且钢板与钢围檩之间采用满焊，焊缝高度不小于8mm。由于桩间喷混的不平整性，导致钢围檩背后空隙，需要填充C30混凝土。

(4)预应力施加。预加力按设计轴力的30%～40%分级施加，每级轴力施加，及轴力达到设计值时，均应保持施加的预应力稳定10min左右后，方可进行下一级轴力的施加，或者进行锁定。下道支撑施加预应力后，需对其所有上部支撑复加预应力，在首次施加预应力后12h内，需进行预应力轴力监控及墙体位移测量，并对预应力进行补加。

(5)钢支撑的拆除。试车线主体结构底板强度应达到设计要求的80%后，方可拆除第三道钢支撑。拆除钢支撑时应逐级释放，避免结构受力不均导致变形、开裂。钢支撑支护见图5。

图5 钢支撑支护

3.3 台阶法施工工艺

结构Ⅵ区为暗挖台阶法施工区间，结构型式为单洞单线马蹄形断面。结构参数设计采用工程类别和理论计算相结合的方法确定。施工中循环进尺长度标准段长0.75m。施工流程如图6。

图6 台阶法施工流程图

施工要点[12]如下：

(1)首先在隧道拱部范围进行小导管注浆，示意图如图7。小导管可用Φ42×3.25钢管，长度在3m左右，环向间距0.3m。注浆采用纯水泥浆，纵向间距1.5m。

图7 小导管注浆工艺示意图

(2)完成小导管的压浆加固后，将隧道基坑划分为上、下两个台阶，以拱脚分界，先对上部台阶进行施工作业，预留核心土，核心土预留长度2～3m，每完成一个循环的开挖，立即架立拱部格栅钢架、喷混凝土至设计厚度。

(3)下台阶的开挖紧跟上台阶，即距离6m左右的超短台阶，下部台阶开挖进尺同格栅间距，每开挖下部一循环后立即安装设置下部格栅，并与拱部钢架连接牢固，喷射混凝土至设计厚度后，及早封闭混凝土初支结构。

4 结语

以哈尔滨市轨道交通3号线二期工程安通街车辆基地开挖及支护工程为背景，进行了施工方案比选、施工部署策划、施工工艺研究，得到以下结论：

(1)从施工工艺、速度、质量等多种角度对三种隧道开挖方法进行了方案比选，区间大部分采用明挖法施工，分为放开开挖和支护开挖两种。其中结构Ⅵ区因不能进行围护桩施工，施工段落较短，故采用台阶法施工。

(2)基坑开挖在围护结构施工完成后进行，宜分层分段均匀对称进行，明挖段及暗挖段分为多个工点进行土方开挖可以提高基坑开挖效率。

(3)介绍了放坡开挖、支护开挖及暗挖区台阶法的施工工艺。随着基坑开挖深度的增加，需要做好支护工程，同时加强监测，防范基坑造成的自身风险，以及施工带来相邻建筑物的环境风险。