粉细砂地层地铁车站附属二次基坑开挖支护工艺研究

任巍杰

（中铁十二局集团第二工程有限公司，山西太原 030032）

1 引言

随着城市建设的不断发展，越来越多的城市开始修建地铁。基坑工程的施工是地铁建设的重要部分[1]；对此，大部分车站采用明挖法施工。除车站深基坑外，其他各类设施的建设也涉及到基坑开挖施工。在地铁车站附属结构施工中通常会设计在开挖水平以下继续开挖二次基坑施作废水池、集水坑或泵房等结构[3]。而在粉细砂地层中施工二次基坑不仅场地受限，且开挖容易引起涌水涌沙，可能造成基坑坍塌，风险较大[4]。

目前基坑开挖支护工艺已相当成熟[2]，常见的基坑支护工艺包括排桩、地下连续墙、水泥挡土墙、土钉墙、逆作拱墙、原状土放坡、桩/墙加支撑系统、简单水平支撑、钢筋混凝土排桩或采用2 种以上方式的合理组合等[5-6]。受工作面及施工成本等因素的影响，以上方法均不适用于附属结构二次基坑支护。根据以往施工案例，有些施工单位会采用二次基坑周边承插钢管或小型型钢进行支护，但效果并不理想[7]。本课题的研究目标是制定并实施一种适用于粉细砂地层地铁附属结构狭窄场地的基坑支护工艺技术，要求其施工简单，效果明显，工期短，成本低。另外，还需探索相关措施，以减少基底涌水涌沙对基坑开挖及后续施工的影响，改善作业环境[8]。

2 工程概况

太原地铁2 号线206 标包含2 站2 区间；其车站均采用明挖法施工，2 站共设14 个出入口及4 组风亭，附属结构内均设计有集水坑、废水池等结构；因此，附属基坑开挖后需继续开挖二次基坑，即“坑中坑”。依据地质勘察报告，拟开挖二次基坑深度范围内主要为2-4粉细砂层及2-5 中砂层，为太原市主要浅层孔隙含水层，渗透系数为5～20 m/d，富水性中等，地层十分软弱。前期主体结构土方开挖施工中涌水涌沙现象严重，开挖基坑周边易发生坍塌，开挖困难，严重影响工期及施工质量；因此，需要研究一种适用于粉细砂含水地层的地铁附属二次基坑开挖支护工艺。

3 工艺方案比选

根据以往基坑开挖施工经验，通过对二次基坑开挖支护工艺进行探讨，针对粉细砂地层的特点，提出3 种基坑支护开挖实施方案。根据附属结构图纸，以集水坑为例，基坑长宽方向一般为3～4 m，深度一般为2.5～3 m，开挖深度距地面13～16 m。本次方案比选中设定基坑为边长为3 m 的正方形基坑，一侧靠边墙，开挖深度为2.5 m；表1 为二次基坑开挖支护工艺对比情况表。

表1 二次基坑开挖支护工艺对比情况表

综合比较3 种方案在施工工期、开挖成本、环保节能等方面的特点，选取采用预制沉箱法分层开挖二次基坑。

4 施工工艺研究

4.1 工艺原理分析

在基坑开挖前，利用钢板等材料制作沉箱体结构。在二次结构设计位置安放沉箱；在沉箱的支护作用下逐层开挖土方，直至设计位置。在沉箱内部基底中心位置设置集水坑，将基底涌水导流至集水坑，采用潜水泵抽排至外部沉淀池。二次基坑开挖至预定位置后，在中心向下开挖并设置降水井，放置潜水泵持续抽排积水。利用砖石等材料在开挖到位的基底表面设置涌水导流通道，在上面铺设模板封闭基底，之后进行垫层、防水层及结构施工。

4.2 沉箱法工艺流程

采用沉箱法施工的工艺流程如下所示。

预制沉箱结构→基坑测量放线→吊放沉箱至指定位置→中心设置集水池、积水抽排→分层开挖、沉箱下沉→开挖至基底→沉箱加固→设置降水井→寻找涌水涌沙点、设置导流通道→安放止水钢套筒→封闭基底→施作垫层→施作防水层→钢筋安装、结构浇筑→封堵降水井。

4.3 预制沉箱结构

依据集水池结构尺寸制作沉箱，沉箱包括钢板壁、对撑、斜撑、槽钢肋板、角钢肋板、锤击帽等结构。图 1 为沉箱结构示意图。

图1 沉箱平面结构示意图

4.4 沉箱法施工操作要点

4.4.1 基坑测量放线、沉箱安放

在初始开挖面标定出二次基坑边界位置；沉箱的安放位置与基坑的外边缘线对应。二次基坑周边区域及时浇筑垫层并预埋土钉，保证后期沉箱体加固使用。将沉箱吊放至预定位置并调整沉箱角度，保证沉箱侧壁与开挖面垂直；沉箱吊放就位后于外侧壁涂刷油脂润滑剂。

4.4.2 中心设置集水坑、积水抽排

在沉箱内开挖面中心位置处向下开挖集水坑，由四周开挖导流沟，将基坑内涌水汇集到集水坑内；坑内架设潜水泵连续抽排积水；集水坑应随开挖面的分层开挖而向下开挖。

4.4.3 分层开挖、沉箱下沉

挖机配合人工进行分层开挖作业，由中心向四周开挖，先开挖中心集水坑位置，后向四周对称扩展开挖，最后开挖沉箱刃脚位置的土方。一层土方开挖完成后，采用小型挖机或大锤对称敲击锤击帽，使沉箱缓慢下沉，下沉到分层开挖的位置后，开挖下层土方，实现循环进尺。分层开挖厚度控制在15～20 cm，开挖出的渣土装入吊斗内，由吊车吊出。沉箱下降至设计标高时停止开挖，应保证沉箱下部的对撑和斜撑上表面位于浇筑垫层表面以下15 cm，沉箱顶部与周边垫层表面齐平。图2 为沉箱法开挖纵剖面示意图。

图2 沉箱法开挖纵剖面示意图

4.4.4 沉箱加固

沉箱到达设计位置后，加固沉箱体，将钢丝绳一端用弯头焊接在锤击帽上，另一端连接在土钉上，并使其保持拉紧受力。钢丝绳拉紧后，切割掉沉箱上侧的对撑和斜撑。图3 为沉箱体加固平面示意图。

图3 沉箱体加固平面示意图

4.4.5 设置降水井、导流通道

在中心集水坑位置向下开挖并设置降水井进行连续抽排；降水井采用无砂漏管安装，周边按粒径大小由内而外回填碎石。在基底寻找涌水涌砂点，用砖石等材料砌筑多条引流通道，方向均以降水井为中心向四周发散布设，将涌水涌砂点留于引流通道内，从而将水汇集到中部降水井后统一完成抽排。在降水井外侧安装止水钢套管，钢套筒的上边缘高出集水池底板顶面标高10 cm以上。在引流通道顶部铺设模板，模板顶部满铺塑料布，封闭基底。图4 为基底处理积水抽排剖面示意图。

图4 基底处理积水抽排剖面示意图

4.4.6 施作后续结构

基地封闭后，尽快浇筑C20 混凝土垫层；垫层达到一定强度后铺设防水卷材层，止水钢套管位置施做加强防水层。防水层施工完成后，施工废水池钢筋混凝土结构。结构强度及抗渗性能满足设计要求后，封闭降水井。

4.5 沉箱法施工注意事项

（1）沉箱钢板壁内侧的净空尺寸应大于基坑开挖面各边尺寸10 cm 以上，以留出槽钢肋板及防水层的空间。钢板壁采用的钢板厚度在2 cm 以上，对撑和斜撑分为上下2 层。

（2）沉箱下沉过程中，测量人员应实时监测沉箱位置及倾角，发现偏移后及时进行纠偏，防止开挖方向过于偏移设计位置。每次循环进尺应实时观察沉箱的上边缘水平面各处标高，以保证沉箱四边的下沉高度相同。开挖过程中，沉箱的外侧壁与原状土间出现空隙时应及时填入水泥土进行封闭；开挖面的四周还应设置土垄，用以防止外部水流入。

（3）沉箱法施工应严格做到分层开挖，开挖顺序由中心向四周；沉箱沉降到位后，方可进行下一层土方开挖施工；每层开挖深度保持在20 cm 左右，严禁超挖；开挖沉箱刃脚处土方时，应将渣石清理干净，保证沉箱顺利下沉。

5 施工效果分析

5.1 时间效益

在太原地铁2 号线2 座车站使用沉箱法施工，支护开挖一个集水池或废水池结构只需耗时36 h。根据以往施工经验，平均每个附属结构节约时间约72 h，整体完成工期节点提前1 个月，保证太原地铁2 号线全线通车的目标按时实现。

5.2 经济效益

采用沉箱法施工地铁附属结构二次基坑，出入口二次基坑节约支护成本1.5 万元，节约人工成本0.5 万元，节约机械成本0.5 万元，减少返工成本1.7 万元，减少其他材料费用0.3 万元；风亭二次基坑开挖平均单个节约支护成本1.7 万元，节约人工成本0.6 万元，节约机械成本0.7 万元，减少返工成本2.0 万元，减少其他材料费用0.5 万元；平均单个附属结构减少基底处理费用1.7 万元。2 座车站共节约115.6 万元（（1.5+0.5+0.5+1.7+0.3）×14+（1.7+0.6+0.7+2.0+0.5）×4+1.7×18），经济效益显著。

5.3 环保节能效益

采用沉箱法技术后减少额外土方开挖及回填工程量，降低侧壁涌水涌砂、发生坍塌的风险，减少作业面的积水，保障开挖面的环境质量的同时节约水泥等施工材料，提高工时效率，有较强的环保节能意义。

5.4 社会效益

沉箱法可以有效减少粉细砂地层对基坑开挖的影响；新工艺安全性高、可靠性好、可操作性强，各附属结构二次基坑开挖质量较高，无一发生基坑坍塌现象，且控水能力较强，突出绿色施工概念，推进城市地铁施工的标准化发展，取得显著的社会效益，值得在相似地质条件的城市地铁及市政工程中推广。

6 结构变形监测

6.1 沉箱体变形监测

在沉箱体钢板壁顶端对称选取4 组监测点，监测沉箱体向内侧的收敛变形。从沉箱体下沉开始至到达设计位置，4 组收敛变形最大数值分别为-8 mm、-7 mm、-5 mm、-7 mm；沉箱体结构稳定，没有侵占结构尺寸。另外，在钢板壁内侧选取2 组垂直监测点，施工过程中每开挖一层进行一次检测，垂直度均处于可控范围内。

6.2 大基坑围护桩变形监测

在附属基坑临近集水池位置处围护桩上及周边地面设立监测点，定期监测大基坑变形情况及地面沉降情况。监测数据显示围护桩无发生较大变形的特殊情况出现，收敛变形正常；地面监测点无明显沉降发生，总沉降量在合理范围内。

7 结论

本课题的研究通过对比，优选出适合粉细砂地层地铁车站附属二次基坑的开挖支护工艺沉箱法施工，并采取设置导流通道的措施降低基底涌水涌沙对基坑开挖的影响，总结出一整套施工作业指导书及相应工法。本工艺涉及的沉箱体结构设计合理，结构坚固，而且制作成本低，工艺性强，安全性能高，操作简单。本工艺尤其适用于场地比较狭窄的工作面，使得二次基坑开挖在沉箱体的保护下进行，降低特殊潜压水地层对开挖作业面的影响，在保证支护结构稳定的前提下提高开挖效率，而且防水效果良好，大幅改善作业环境，提高工程施工质量。

对沉箱法施工进行效益分析，发现它不仅大幅缩短施工时间，而且施工成本较之传统方法明显降低，环保节能及社会效益明显。对沉箱体及大基坑的变形监测证明沉箱法施工结构稳定，安全性能高。沉箱法施工经济合理，操作安全，工艺性强，效果显著，具有较强的推广价值。