地铁狭长型深基坑开挖技术

地铁狭长型深基坑开挖技术

庄仁杰

上海地铁18号线航头站位于上海市浦东新区航头路与航圆路之间，沿沪南公路南北向敷设，车站总度620m（18号线全线最长车站，相当于3个标准车站），宽20.4m。车站设计为地下两层岛式站台车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，总建筑面积30139㎡。

1基坑工程概况

本站基坑长620m，标准段开挖宽度20.4m，标准段深度约16.5m，南侧废水池段开挖宽度20.4m，深度约18.06m，北侧端头井开挖宽度25.2m，深度约18.69m，基坑安全等级为一级。该基坑一倍开挖深度范围内有φ500高压燃气、φ1200上水、信息管线等重要管线及现有建筑物，基坑环境保护等级为一级。

围护结构选用800mm厚地下连续墙，墙长29.5～31m，插入比1:0.66～1：0.84。沿基坑深度方向设置四道支撑（其中南北端头为五道），其中第一道为钢筋混凝土支撑，其余各道支撑均为∅609钢管支撑。坑底每隔2-3m用旋喷桩抽条加固，每条加固宽度3m，加固深度3m。基坑坑底主要位于④淤泥质粘土、⑤11粘土。场地内第③、④、⑤11土具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、低强度的特性，各层土具体物理力学指标如表1所示。

表1土层物理力学指标

本工程潜水含水层地下水静止水位埋深一般为1.20～2.50m，平均静止水位标高为3.75m。对本工程有影响的承压水分布于第⑦层粉性土、砂土层中，开挖期间实测资料显示，第⑦层承压水位的埋深为8～9m。

2开挖难点

1）、狭长型深基坑（620×20.4m）中间设一道封堵墙，将基坑分为100m、520m两个基坑，狭长基坑纵向挖土易出现纵向滑坡风险，且本站基坑跨越雨季施工，狭长基坑土方暴露面大，受雨水冲刷，同样会造成纵向滑坡风险。

2）、潜水、承压水对基坑开挖有影响。本基坑主要软弱土层为第③、④层灰色淤泥质粘土，该土层含水量高，土质软弱，高压缩性，具有高灵敏度、低强度的特点，若不采取措施降低土层含水量，将造成开挖面软弱，开挖面积水等现象，影响开挖施工。本基坑地下墙围护结构深入承压水至⑦2层中，但不隔断，⑦2层对基坑底板可能存在突涌风险，减压降水属于部分敞开式降水，对周边环境影响较大。

3）、周边一倍开挖深度范围内有φ500高压燃气、φ1200上水、信息管线等重要管线及现有建筑物，对基坑开挖期间管线、建筑物的保护要求高。

3基坑开挖关键施工技术

3.1降水

1）潜水。采用真空疏干深井，疏干井按1个/200㎡布置，井深23～24m。基坑开挖前30天开始降水，并开挖前及过程中保证疏干深井真空度，有效降低软弱土层含水量。

2）承压水。基坑标准段减压井设置在基坑外（备而不降），南北两侧端头井设置在坑内。基坑开挖过程中采用水位远程实时监控系统，根据实时承压水埋深数据进行的基坑抗突涌验算。南北两侧端头井挖最后一层土期间进行降承压水，中间标准段减压井未运行，较好做到备而不降的原则。

3.2时空效应的应用

1）开挖参数确定

基坑开挖支撑的施工工序基本原则按“分层、分步、对称、平衡”的原则进行控制。根据车站狭长型特点，确定开挖参数：分段长度:L按结构段长度（最小结构段长度15.4m，最长结构段长度30.45m），每小段宽度:Bi=6m（2根钢支撑宽度），每层厚度:hi=3～4m（视基坑每层开挖深度），每小段开挖支撑时限：Tr=16h。

图1每开挖段分层分小段开挖示意图

2）开挖方法

充分利用“时空效应”，减少挖土阶段围护结构的变形，控制浅层土体沉降及位移，开挖单元以6m宽（2根支撑）为一单元，两侧挖机同时“对称、平衡”进行挖土。基坑开挖中，纵向以设计的伸缩缝、诱导缝划分，最小开挖段长度15.4m，最大开挖段长度30.45m，在每个开挖段每开挖层中，分小段开挖。第一及第二层开挖中，每小段长度不大于6m，在8小时内完成开挖，并在8小时内安装钢支撑（每小段开挖支撑时限：Tr=16h）。

3）竖向分层、纵向放坡

竖向分层厚度为支撑竖向间距，在开挖过程中又按1m/小层进行开挖施工，并随时掌握开挖深度与支撑位置的关系，严禁出现超挖回填现象发生。基坑开挖纵向坡度1:3，坡顶设截水沟，坡底设集水井，并在坡腰位置设宽度不小于20m的台阶，坡面在下雨时采取遮盖防雨措施。

3.3基坑两侧留土护壁

基坑开挖过程中两侧留土增大围护结构被动区的土压力,一定宽度和坡度的留土相当于减少基坑开挖深度,增大围护插入比。同时,由于留土的自重,会使基坑开挖侧一定深度内的土体水平向基床系数有所提高,以减少围护结构变形。

现场结合钢支撑系梁和小挖机的站位，在每单元土开挖时首先挖除本单元及下单元土中间部位的土方（用于停置小挖机），最后挖除两侧的护壁土方，大挖机停在基坑两侧同步进行出土，然后进行该单元区域的钢支撑架设施工。

图2基坑开挖顺序图

图3基坑两侧留土护壁示意图

通过开挖过程中两侧保留4至5m的留土护壁，基坑土方开挖过程中的变形会受到有效的约束，有效的控制围护结构的变形。

3.4合理组织基坑开挖，控制基坑有支护暴露变形

基坑有支撑暴露时间内挡墙的变形主要是土体蠕变引起的变形，这个阶段由于支撑已完成并按设计值施加轴力，坑底被动区土体的应力水平相对降低，土体进入了稳定的蠕变变形阶段。

有支撑暴露变形与基坑开挖暴露时间有直接关系。在航头站基坑开挖过程中，按车站纵向结构段长度分段，竖向分层分块、放坡开挖原则划分每天开挖区域。控制基坑每个结构段从土方开挖至垫层浇注完成在30天内。

图4基坑开挖区域划分图

4信息化施工

基坑施工期间在周边环境和基坑本体上设置各种监测点,组成监测体系。监测的主要内容有:周边建筑物竖向位移、周边管线（燃气、上水）垂直位移、地表点竖向位移、支撑立柱竖向位移、地连墙墙顶竖向位移、地连墙水平位移、坑外水位、支撑轴力、及地连墙深层水平位移等。监测工作从2017年6月23日至2018年1月14日。在基坑开挖全过程中，根据监测的地连墙位移、支撑立柱竖向位移及周边管线垂直位移数据,每天对数据进行分析,根据数据有针对性地几时采取措施,如控制施工进度和调整施工方案等,以保证基坑及周围环境的安全和施工顺利进行。基坑开挖过程中关键监测数据如下：

1)地连墙深层水平位移：所有底板浇筑完成，累计最大值42.9mm。

2)支撑立柱最大隆起值38.9mm，发生在端头井开挖过程中，底板浇筑完成后，趋于稳定。

3)支撑轴力最大值-1548.4KN。

4）高压燃气管线沉降19.7mm，上水管沉降23.4mm。

5结语

18号航头站基坑开挖土方共计21万m³，历时210天。开挖过程中严格遵循“时空效应理论”，同时优化施工过程，减少无支撑暴露时间及有支撑暴露时间，从而有效控制基坑开挖过程中围护结构墙体的水平位移。从监测结果看，基坑开挖全过程中围护墙体水平位移、立柱桩竖向位移、支撑轴力、基坑周边地面、重要管线及建构筑物的沉降均正常。基坑开挖全过程中，保证了基坑及周边重要管线及建构筑物的安全，达到了较好效果。

参考文献

[1]刘建航,侯学渊基坑工程手册[M]，北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2]上海市市政工程管理局，SZ-08-2000上海地铁基坑工程规程，2000.

[3]刘建航，刘国彬，范益群软土基坑工程中时空效应理论与实践（上）、（下），地下工程与隧道，1999.

[4]刘燕，刘国彬，孙晓玲，王海平考虑时空效应的软土地区深基坑变形分析，岩土工程学报，2006.

[5]刘涛，杨国伟，刘国彬上海软土深基坑有支撑暴露变形研究，岩土工程学报，2006.