青岛一地铁站基坑施工采用新型明挖法的可行性分析

赵志康 杨 辉 于晨凯 刁泽辰

（1.青岛黄海学院，山东 青岛 266427；2.青岛海川建设集团有限公司，山东 青岛，266000）

0 引言

自改革开放以来，我国经济发展快速稳健增长，一些城市规模的扩大和人口密度的提升，给城市的交通运输能力带来了很大的挑战，现存的地上路面交通已处于高压高负荷运行的状态，从而凸显了修建地铁的重要性，交通运输和社会经济的发展是相互促进又互为制约的[1]。地铁作为一种新兴的交通运输方式，具有快速、安全、便捷、运载量大、不占有地上现有空间等特点，自2015年12月青岛地铁3号线首次开通以来，截止到2020年12月31日，已经有6条线路在青岛开通运营，使青岛市民的出行变得非常的便利。

本文对青岛地铁一号线（在建）的“天目山路”地铁站进行研究，对该车站采用的深基坑开挖方法进行调查和分析，提出一种新型的深基坑明挖技术，并对这种新型方法进行可行性分析。

1 基坑工程国内外研究现状

基坑工程是与岩土、地质、结构等多门学科相互关联的一个学科。对于基坑工程特别是深基坑中的土压力理论和基坑设计原理目前为止并不完善，在相异地质构造情况下，也很难掌握基坑土体对围护结构的荷载规律。

国外Terzaghi[2]和Peck[3]首先总结出一套计算土的总应力的方法，为基坑技术的发展奠定了基础。Rowe[4]使用排桩模型试验对土压力进行研究，推断出在确保锚杆弹性变形充沛的情况下，土压力分布为三角形形态；Vaziri[5]通过Rowe的结论总结了关于土拱效应的因素。我国学者陈盛金利用FLAC3D对成都地质条件下的基坑变形进行了深度研究。袁德浩[6]以青岛地铁一期工程（3号线）科研课题项目为例，通过数值模拟说明隧道施工导致地表下沉的一些相关性规律，通过以随机介质理论为框架，对地铁区间隧道施工中惯用的台阶法预测关系式进行阐述；董文龙[7]针对青岛土岩结合地层，对盖挖法地铁车站施工进行研究，对地铁车站基坑和围护结构的变形机理进行了研究和探讨。

2 青岛天目山路地铁站基坑施工方法研究

2.1 工程概况

青岛地铁1号线天目山路地铁站位于嘉陵江路与长江东路十字路口西侧，沿长江东路纵贯而建。车站可分成两层地下岛式结构车站（见图1），有的地方有三层（见图2），同时拟留出后期其他线路地铁的转乘条件。盾构机接收井布置在站的两端处，便于盾构机的调运。本车站整体主结构长188.75m，宽20.9~25.3m，埋深25.1m（西）~16.7m（东），结构构件尺寸见表1。并有四个正常进出通道和一个消防安全通道、两个风亭。

表1 结构构件尺寸

图1 二层位置标准横断面

图2 三层位置标准横断面

经过查阅资料，天目山路车站位于以青山系及第四系为主的华夏构造体系平原地区，处于中生界地区，下部为白垩系沉积岩及喷出岩（K），上部为第四系人工堆积层（Q4m）l，中部为全新统冲洪积层（Q4al+q）l，上更新统冲洪积层(Q3al+pl)。

第四系人工堆积层（Q4m）l：分布在地表，为人工填筑土。土颗粒色杂，松散分布，较为湿润，主要由砂土、碎石、碎砖等建筑垃圾组成。分布于地表，厚3~4m左右。该层土分布不均匀，承载力也较差，承重后土会有较大沉降。

全新统冲洪积层（Q4al+ql）：由砂土层、卵石土层组成。砂土层颜色呈褐黄色，较为密实，湿度较大，分布于卵石层的上部，部分与卵石夹杂。卵石土层呈褐灰色，稍湿润，较为密实，卵石含量50%~60%，粒径为20~70mm左右，部分粒径达到160mm，卵石间填充为砂土，局部含少量碎石夹杂。

上更新统冲洪积层(Q3al+pl)：主要由细砂土层组成。细砂土颜色呈褐黄色，较不稳定，层厚0.5±0.3m。

白垩系沉积岩及喷出岩（K）：由强风化岩和中风化岩组成，强风化岩颜色呈红褐色，岩质软，呈节理发育。层厚约0.9~1.3m。中风化岩颜色呈紫褐色，硬度较大，有少量砂质夹杂，风化裂隙较发育，厚度未知。

2.2 天目山路地铁站普通明挖法施工步骤

天目山路地铁站的基坑工程如果采用普通明挖法，得先开挖到基坑底部设计标高后，再按照垫层、接地→底板（底梁）→负三层侧墙→负三层框架柱→负二层中板（中板梁）→负二层侧墙→负二层框架柱→负一层中板（中板梁）→负一层侧墙→负一层框架柱→顶板（顶板梁）→附属结构（楼梯、电梯井、站台板）→管线回迁、顶板回填的施工顺序自下而上对主体结构和承重结构进行施工。

2.3 新型明挖法技术创新点的分析

新型明挖法[8]是深基坑开挖施工技术，新型明挖法的原型是隧道施工技术中的环形预留核心土开挖方法，将隧道施工中的立面转移到基坑开挖的平面进行施工的一种技术。

新型明挖法主要创新在施工工艺上，其施工工艺有两个技术创新点：一是预留核心土法；二是可调钢管支撑法。这两种新型方法在整个新型明挖法中相辅相成。预留核心土法可以有效地保证施工工期，合理利用空间节省施工经费；可调钢管支撑法可以使普通的钢管撑轴力可调节，根据基坑变形情况实时控制各支撑的应力。

2.3.1 预留核心土施工工艺

在传统的明挖法施工中，同一水平面的土是同时向下开挖的，开挖到一定的深度后，开始支模板浇筑混凝土支撑和设置钢管支撑，这时传统的明挖法施工将面临一个问题：基坑开挖到的平面标高通常在混凝土支撑的设计标高之下，浇筑混凝土所搭设的模板还将使用模板架和脚手架才能正常进行混凝土支撑的浇筑，搭设模板架不仅费时费力加大施工工期，脚手架和模板架在浇筑时还将面临一系列的安全问题，使施工现场难以管理。本文提出的预留核心土基坑施工方法能解决此类问题，预留核心土法适合配合地下连续墙围护或者SMW工法桩维护结构进行施工，在围护结构按设计位置施工完毕后，在基坑各边向内缩进1.5~2m处放线，此时基坑边缘到该放线区域即为开挖区域，而该放线所围成的区域即为预留核心土区域（见图3）。

图3 预留核心土法施工

当基坑开挖作业挖到距预留核心土部分1~1.5m左右时，确保预留核心土边缘具有一定的自稳性，然后开始施作混凝土支撑结构。在本新型明挖法中施作混凝土支撑结构时，在预留核心土部分开挖沟槽，按照混凝土支撑的设计标高、位置和截面尺寸以及所采用模板的厚度确定预留核心土中所开挖沟槽的深度和宽度系数。开挖好沟槽后对沟槽进行平整和稳固，检验其尺寸没有偏差，之后就可以直接将浇筑混凝土支撑所用模板贴合沟槽内壁并固定。对于两端悬挑出来的模板，应用连接件使模板和围护结构进行固定，同时可架设小型钢管对悬挑出的模板进行支撑，确保浇筑混凝土时不会发生偏移和变形。浇筑混凝土时应自中间向两边浇筑，并随时检查模板不会出现漏浆等现象。

该预留核心土的方法合理地解决了浇筑混凝土支撑时架设模板所面临的浪费工期和一系列安全问题。通过用基坑原有的预留核心土当作模板支架，合理地利用了现有的资源，也使混凝土支撑浇筑时更加地安全牢固，不会出现坍塌的可能，同时预留核心土的未利用部分还可以当作工人的施工面，节省搭设脚手架的时间。其次在混凝土支撑结构还未施工完成时，可以在开挖区域处架设钢管临时横撑，横撑一端架设在维护结构上，另一端架设在预留核心土上，保证了基坑开挖初始阶段的稳定和安全。

2.3.2 可调钢管支撑

钢管支撑是基坑支撑结构形式之一，它不像混凝土支撑一样作为永久的主体结构之一，而是在基坑的主体施工完毕并具有承受荷载的能力后一般会将其进行拆除，在传统的基坑施工中，钢管支撑的设置十分复杂，如果整个开挖过程仅仅依靠钢管支撑限制其围护结构的横向位移，那么对于钢管支撑所架设的位置选择，钢管的长度选择和受力点的分析等都将是一套复杂的程序，而且钢管支撑的危险性远远比采用混凝土支撑要高很多。

根据查阅相关资料发现，基坑钢管支撑失稳所引发的安全性问题，其主要原因除了施工不规范合理之外，更重要的是因为钢管支撑并不像混凝土支撑一样通过钢筋锚固的方式与围护结构形成一个整体，而是通过面接触的方式进行传递应力。同时基坑工程特别是深基坑在开挖的过程中，开挖到不同的标高位置，其围护结构的变形和土传递给围护结构的应力是不同的，而普通的钢管支撑架设好后无法对其进行有效地控制，一旦围护结构出现轻微变形，钢管支撑将会受压失稳。

新型明挖法提出将液压千斤顶安装在钢管支撑的两端或一端，千斤顶与围护结构的接触面用膨胀螺栓的方法进行连接固定，千斤顶采用可以精准控制的电动千斤顶。根据明挖施工到不同的阶段，结合基坑变形的精准测量数据，对同一水平面的千斤顶统一通过电脑进行精确控制，做到基坑钢管支撑结构的应力可调节。

3 青岛“天目山路”地铁站采用新型明挖法的可行性分析

新型明挖法对场地的适应能力非常强，天目山路地铁站如采用此方法是完全可行的，但需要改变其原有的施工工艺。首先应先对天目山路地铁站按照其地下结构的设计尺寸在相应位置施作地下连续墙，此地下连续墙在基坑工程施工完毕后将作为该地铁车站的永久结构。地下连续墙施工完毕后按照预留核心土法对基坑进行向下开挖并浇筑混凝土支撑，待混凝土支撑施工完毕拆模使用后，继续向下开挖，此时预留核心土的标高和开挖施工处的标高应同步向下进行，其相对高差保持不变。开挖到预留核心土的标高，在下一个混凝土支撑的上表面时，按照与第一个混凝土支撑相同的方法继续进行施工，两支撑之间使用混凝土柱进行连接，在混凝土凝结前利用可调应力钢管支撑对基坑进行临时支护。最后开挖到基坑设计标高，施作垫层和底梁，将柱与地梁连接，形成框架结构，随后施作底板中板和顶板，并对侧墙和底板做好抹平和防水处理，完成地铁车站的主体结构。

其大致步骤为地下连续墙→第一道支撑（顶板梁）→负一层框架柱→第二道支撑（中板梁）→负二层框架柱→第三道支撑（底板梁）→负三层框架柱→垫层→侧墙和底板防水平整→附属结构（楼梯、电梯井、站台板）→底板→中板→顶板→管线回迁、顶板回填的顺序进行。可以看出，天目山路地铁站采用新型明挖法不仅使资源和时间得到合理地利用，同时因为采用地下连续墙，后续可作为外墙而不用单独对每一层外墙进行施工，节省了施工步骤，使该工程施工变得更加地简便。

天目山路地铁站采用新型明挖法虽然优点较多，但也有一些值得注意的问题。首先是该工程所在地区碎岩较多，在施作预留核心土法时，混凝土支撑所在位置可能存在大块岩石，如果将岩石去除就破坏了原有的核心土平面，要将土平整后再架设模板。二是该方法因为需要预留核心土的自稳能力，如果该土的自稳能力不强或受震动、地下水等影响，可能会导致核心土向开挖处滑坡，此时可采用分段开挖的方法，并减小开挖面与预留核心土高度差的方式进行解决。

4 结束语

综上所述，天目山路地铁站采用新型明挖法是完全可行的，但需要改变其原有的施工工艺，并实施科学的优化措施。总之，新型明挖法为基坑工程提供了一种全新的开挖方法，其具有较多的优点和可改良之处，同时其使用价值还可进行更深一步的研究和探讨，希望该方法能在未来的基坑工程施工中发挥出应有的作用。