地铁车站主体土方开挖施工技术.docx
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地铁车站主体土方开挖施工技术
地铁车站主体结构深基坑土方开挖施工技术
摘要：
北京地铁十号线xx车站主体结构为明开法施工，车站全长183.4m，宽度为20.7m，土方挖方量共为71850m3，围护结构采用钻孔灌注桩+内撑法。
为确保基坑土方开挖的高效、安全，需采取科学的土方开挖措施。
本文重点介绍了土方开挖的施工流程，强调了监测工作在深基坑土方开挖中的重要意义。
关键词：
地铁车站基坑开挖施工技术
1工程概况
1.1北京地铁十号线xx车站主体土方工程
xx车站全长183.4m，宽度为20.7m。
车站现状地面标高41.69～42.17m，车站结构顶板覆土埋深3.5m左右，结构底板埋深约16.5～18m，基坑全长185m，西端盾构井处最宽处为39.8m，东端盾构井宽25.5m，深18.07m；标准段宽20.9m，深16.23m。
主体土方挖方量共为71850m3。
工程采用明挖法施工，xx车站主体围护结构为钻孔灌注桩壁，随挖土方随架设钢支撑的内支撑形式。
灌注桩桩径800mm，桩长22m，间距1.4m。
钢支撑为φ630mm钢管，壁厚12mm。
车站主体围护结构见图1。
图1车站主体围护结构平面图（单位：
mm）
xx车站由于工期紧张（计划工期为150天），且土方工程是整个车站工程最重要的一步，所以怎样安全、快捷的完成土方开挖工程，成为本车站工程的一个重点。
1.2水文地质情况
根据地质资料，xx站地层主要由第四纪粘性土、砂及碎石类土构成。
车站范围地下水有潜水、承压水和上层滞水。
具体详见表1。
表1xx站工程地质与水文地质条件
项目类别
详细内容描述
工程地质条件
根据岩土工程勘察报告，站区内地层自上而下依次为：
⑴人工填土层：
粉土填土①、杂填土①1层，层底标高31.10～40.42m。
⑵新近沉积层：
粉土②、粉质粘土②1、粉细砂②3层，层底标高28.82～34.57m。
⑶第四纪全新世冲洪积层：
粉土③、粉质粘土③1、粘土③2、粉细砂③3层。
层底标高26.42～34.65m；粉质粘土④、粘土④1、粉土④2、粉细砂④3层。
层底标高22.47～30.17m。
⑷第四纪晚更新世冲洪积层：
圆砾卵石⑤、中粗砂⑤1、粉细砂⑤2，层底标高17.95～27.07m；粉质粘土⑥、粘土⑥1、粉土⑥2、细中砂⑥3层，层底标高为9.58～21.89m。
站体座落在粉质粘土⑥和粉土⑥2层上。
xx站工程水文地质纵剖面图：
2主体土方开挖方案的确定
对于内支撑式的围护结构的深基坑土方开挖施工一般有如下两种：
第一种是中心岛（墩）式挖土：
此方法宜用于大型基坑，支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边框架式，中间具有较大空间情况下。
此时可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。
挖土机可利用栈桥下到基坑挖土，运土的汽车宜可利用栈桥进入基坑运土。
这样可以加快挖土和运图的速度。
第二种是盆式挖土：
是先开挖基坑中间部分的土，周围四边留土坡，土坡最后挖除。
这种挖土式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用，有利于减少围护墙的变形。
其缺点是大量的土方不能直接外运，需集中提升后装车外运。
盆式挖土周边留置的土坡，其宽度、高度和坡度大小均应通过稳定验算确定。
如留的过小，对围护墙支撑作用不明显，失去盆式挖土的意义。
如坡度太陡边坡不稳定，在挖土过程中可能失稳滑动，不但失去对围护墙的支撑作用，影响施工，而且有损于工程桩的质量。
两种方法各有利弊，哪种方法最合适xx车站的土方开挖呢？
北京市市市政四公司地铁项目部组织公司技术人员，并邀请市政集团副总工程师关龙同志等有关专家进行了专门论证。
专家们根据以上两种方法的优缺点，结合现场水文地质情况，本着确保安全，节约资金的原则，推荐采用盆式挖土的方案，并严格遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。
理由有以下几点：
⑴基坑标准宽度为22m，不适合采用中心墩式挖土的方法；
⑵盆式开挖的两侧留土台可对暴露的护壁桩有支撑作用，并可方便进行钢支撑架设工作；
⑶xx车站在基坑上方沿基坑方向采用台阶法施工，土方可以做到一次运输。
3土方开挖施工
3.1土方开挖施工工艺
xx车站土方开挖施工工艺流程如下：
通过计算，确定挖运土机械型号及数量→确定分层开挖高度→开挖第一层土方→根据监测结果架设第一道钢支撑、施加预应力→开挖第二层土方→根据监测结果架设第二道钢支撑、施加预应力→开挖第三层土方→根据监测结果架设第三道钢支撑施加预应力→人工清槽底。
3.2机械挖方
开挖程序的确定
3.2.1.1竖向分层
按车站的结构形式和总体部署分区，土层的分界线为钢支撑下1m，第一层土方采用1.6m3挖掘机直接挖装；第二层土方采用一台1.6m3挖掘机从基坑西端开挖；第三层土方采用1.6m3挖掘机进行挖掘，第四层土方采用1.2m3挖掘机进行挖掘，即每层需要一台挖掘机进行作业。
基底预留300mm人工开挖。
基坑开挖过程中随挖随按设计位置架设钢管支撑，开挖顺序为由上而下逐层开挖。
开挖方法见图2。
图2车站主体土方开挖示意图
车站基坑主体深度基本相同，基坑土方在竖向上共分四层开挖：
第一层：
竖向高度约为4.35m；
第二层：
竖向高度约为5.0m；
第三层：
竖向高度约为5.0m；
第四层：
竖向高度约为3.72m（端头井）、1.88m（标准段）。
其中第二、第三层、第四层土方开挖需分台阶开挖。
机械作业台阶宽度6～7m，台阶坡度1：
0.75。
竖向土方分层开挖步序如下表。
表2土方分层开挖步序
步骤
例图
说明
第一步
开挖地面浅基坑（桩顶摘帽），施作钻孔灌注桩及冠梁。
第二步
机械开挖基坑Ⅱ步土方，随开挖随架设第一道钢支撑。
第三步
机械开挖基坑Ⅲ步土方，随开挖随架设第二道钢支撑。
第四步
人工开挖基坑Ⅳ步土方，随开挖随架设第三道钢支撑。
3.2.2.2纵向分段
沿车站纵轴线方向，第二、三、四层土方每隔6m同时开挖。
3.2.2.3纵向拉槽、横向扩边
在每一层每一段的土方施工中，在横断面跨中开中槽，由车站西区端开始沿纵向挖掘；由中槽向两侧开挖面进行开挖作业。
⑴纵向拉中槽
纵向拉中槽，即在每层开挖工作面始端沿车站纵向拉坡开挖中槽，中槽位于车站主体结构横断面中间。
中槽的大小首先要满足挖掘机回转弃土的要求，同时要尽可能多的保留两侧土体，以支撑围护结构，减小对周边环境的扰动，并满足钢支撑施作要求。
中槽的宽度为10m左右。
⑵横向扩边拓展
为中槽开挖至6m后，向横向扩边拓展，即由中槽向两边跨开挖扩边。
开挖方式为：
由中槽向两边跨横向挖土，两边跨的土方开挖尽量对称进行，土方开挖至钻孔桩附近时，改为人工挖土，以免机械开挖破坏钻孔桩。
基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图见下图。
图3基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图
3.3钢围檩、钢支撑架设
钢围檩架设
土层开挖至支撑架设设计位置后，安装三角托架，架设钢围檩，钢围檩与钻孔灌注桩之间预留60mm的水平通长空隙，其间用C30细石混凝土添嵌。
钢围檩架设方式见图4。
图4钢围檩支撑方式
用龙门吊垂直起吊将钢支撑固于钢围檩上，为方便钢支撑就位后的焊接，项目部人员经研究采取了在端部采用钢板焊成托架，使钢支撑放置在钢托架上进行焊接的方法，提高了施工的安全性。
见图5：
图5钢围檩托架示意图
吊装钢支撑
1）吊装钢管支撑前，按规定备齐检验合格的支撑配件、施加预应力的油镐，并检查托架是否完好。
2）钢支撑采用现场10t天车吊装，根据材料理学理论，吊绳两吊点从钢支撑两端分别内移0.2l，此时可模拟为外伸梁的钢支撑最大弯距仅为ql2/40，是吊装的最佳吊点，故以本工程标准段的22m钢支撑为例，吊点位置选在钢管两端向内4.4m处，具体见图6钢支撑吊装示意图，吊绳用钢丝绳将钢管栓牢，并用卡环锁牢。
图6钢支撑吊装示意图
3）当使用10t天车时，钢管由顺基坑方向调整至垂直基坑方向时（此时钢身约2/5长度进入基坑）换绳，按正式吊装绑绳、吊装入位。
钢管被安放在围檩托架上入位至施加预应力过程中不得松绳，以平衡弯曲矢量，保持钢管处于轴心受力状态。
钢管入位按先活动端后固定端顺序，以确保钢管与围檩受力面接触密实。
施加预应力
钢支撑固定端固定完成后，采用两台80t液压千斤顶在活动端支撑两侧对称逐级预加力，预加力达到设计支撑轴力的50%时，采用钢楔锁定支撑。
钢支撑在加工时在千斤顶的最大进程与最小进程间焊接千斤顶支点。
图7钢支撑预施轴力示意图
各道支撑设计及预加轴力见下表：
表3各道支撑预施轴力表
支撑
设计轴力KN
预加轴力KN
第一道撑
300
150
第二道撑
1500
700
第三道撑
1500
700
钢楔固定钢支撑方式如下：
4）根据钢管的长度误差确定需焊接25mm厚的钢板块数，并将25mm厚的钢板如图焊接在钢围檩上。
图8楔铁安装示意
5）将楔块1焊接在钢板上，用千斤顶对钢管施加预应，观察千斤顶应力表，当预加轴力达到要求时，稳压5分钟，然后将楔块2如图嵌入，边钉入边观察压力表，当压力减小至0时，停止钉入，并将千斤顶卸下。
其中要注意千斤顶示值为MPA，施工前需将预加轴力值（KN）换算成（MPa），可参考下图：
图9千斤顶轴力标订图
6）钢支撑端部设φ10钢筋吊环，通过钢丝绳或钢筋连系在围护桩上，同时用于微调的钢楔采用电焊连接，防止坠落。
3.4护壁桩喷护
对于基坑围护桩桩间采取挂钢筋网（φ6@200（双向））喷射混凝土的护壁形式。
基坑分步开挖，分步支护，随挖随支。
挂网安装在每步开挖后及时进行，格栅定点预制，分片安装。
使用膨胀钉将钢丝网片与围护桩固定（膨胀钉纵向间距0.5m）。
然后喷射60mm厚C20豆石混凝土。
3.5监测配合
⑴xx车站监测项目
表4监测项目
序号
监测项目
方法及工具
断面距离
监测频率
1
地表变形观测
水准仪
30m一个监测断面
根据施工进度确定，在开挖卸载急剧阶段，每天三次，其余情况3天/次。
当监测结果超过警戒值时加密监测，当有危险事故征兆时连续观测，并及时通知有关单位并立即采取应急措施。
2
桩体变形及桩顶位移
测斜管
15m一个监测断面
3
围护桩结构受力
钢筋应力计
15m一个监测断面
4
基坑周围土体受力
土压力盒
15m一个监测断面
5
支撑内力
轴力计
15m一个监测断面
6
地面建构筑物调查及沉降监测
水准仪
1.5倍基坑开挖深度范围内的建构筑物
⑵警戒值的确定
因本工程围护结构钢支撑较多，且间距较小（最大间距3m），故机械开挖土方时，为保证机械作业面，通过监测数据最大程度的提高机械效率，及时架设钢支撑，故在允许位移量的基础上设定警戒值，允许围护结构变形在警戒值范围内。
⑴基坑围护桩测斜，取允许最大位移30mm的70%作为警戒值即21mm。
⑵桩的差异隆沉，基坑开挖中引起的桩柱的隆沉不得超过10mm。
⑶支撑轴力，根据设计计算书确定，一般将警戒值定为80％的设计允许最大值。
⑷其他部分：
对基坑沉降、裂缝发展等光滑的变化曲线，若曲线上有明显的折点变化，应做出报警处理。
4几点体会
4.1开挖方式与围护结构设计相结合
⑴施工进度与保证措施
能否实现大规模、高度机械化的开挖，从而保证少占用工期，是内撑式围护体系能否成立的关键问题。
早期的双向钢管支撑确实不利于机械化开挖，因而影响进度。
这使得人们产生一种固有的偏见，认为内撑式围护妨碍开挖，影响进度。
近年来内撑式围护体系设计有所改进，表现为选型合理的前提就是应该便于施工。
在一道内撑内，杆件之间的空间应便于大型机械的施展；而且任两道支撑（包括下撑与坑底之间）之间的空间，应力要求满足型号合适的开挖机械的顺利工作。
做到这一点，如果没有其它限制条件，就可以实现在内撑条件下近于百分之百的机械化开挖，从而大大的缩短工期。
此外在开挖结束时，如果基坑深度较大，则无法保证挖土机械顺利的自行推出坑外。
这时，可以利用已经安装完毕的垂直运输机械（本工程根据地铁工程基坑特点很好的引用了10t天车来解决水平及垂直运输），将挖土机械整体的（小型挖土机）或予以解体后（大型挖土机）吊出基坑。
⑵开挖方式与围护构件的荷载
在使用大型机械开挖的条件下挖土的方式与顺序问题。
应该慎用挖土机沿基坑边缘一挖到底的开挖方式。
因为从物理过程来看，挖土的速度会影响土压力的大小。
目前虽然还缺少这方面的实测资料，但已见到过由于沿围护桩边迅速切出一条深沟，第二天围护结构失稳坍毁的实例。
可以这样理解土压力变化的机理：
在未开挖之前，围护结构两侧的土压力是静止土压力；在开挖之后。
桩前的压力消失，桩背土体膨胀，桩身变形，桩背压力下降。
这一压力下降是能量释放的过程，在能量释放过程中压力起变化。
如果能量释放过程是平缓的，则压力可能逐渐下降。
如果释放过程是急剧而短暂的，则压力可能会暂时不变甚至上升，从而导致了围护结构的破坏。
所以不宜采用“沿围护结构边切出一道深沟”的开挖方式。
而且要开挖面曝露后及时进行支撑。
基于同一道理，只要工期许可，应该有计划的分层、分段开挖。
分层宜薄不宜厚，分段宜短不宜长。
当然，在具体工程中，工期与施工进度安排往往成为第一要素，设计单位应在这方面适当留有余地。
4.2监控测量在土方开挖过程中的重要性
本工程对围护结构及支撑结构进行了大量的布点监测，从施工整个过程来看，监测工作取得了重大的效果及作用，对深基坑施工过程进行监测的重要性主要表现在以下几方面：
⑴验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工
当前我国基坑支护结构设计水平处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，还没有成熟的方法计算基坑周围土体的变形情况。
因此，在施工过程中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况，与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案或施工过程和方法进行修正。
⑵保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全
在深基坑开挖与支护工程中，为满足支护结构及被支护土体的稳定性，首先要防止破坏或极限状态发生。
破坏或极限状态表现为静力平衡的丧失，或支护结构的构造性破坏。
在破坏前，往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。
支护结构和被支护土体的过大位移，将引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管道的渗漏，有时会引发一连串灾难性的后果。
如有周密的监测控制，无疑有利于采取应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。
⑶总结工程经验，为完善设计分析提供依据
支护结构的土压力分部受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响，并直接与侧向位移有关，往往是非常复杂的，现行设计分析理论尚未达到成熟的阶段，积累完整准确的基坑与支护监测结果，对于总结工程经验，完善设计分析理论都是十分宝贵的。
4.3深基坑施工过程中需引进动态设计及信息化施工新技术
传统的施工是严格按图进行的，除非在出现事故或确知结构处于危险状态时，才允许采取应急措施，改变设计方案。
如果说这样的施工过程对上部结构还可以接受的，那么对于深基坑开挖来说就十分不合适了。
在目前深基坑支护体系的设计中，不确定的因素太多，结构的安全度难以掌握，要使设计符合实际情况是太难了，至少在目前的技术发展水平上是太难了。
设计者只有两种选择，一是设计得比较保守，以确保施工安全；二是冒较大风险，以节省投资。
不论做何种选择，应该说对工程得安全与经济都难两全。
较好的方法应该是根据施工过程的信息反馈不断修正设计，以指导施工。
由以上分析可知，传统设计法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象，进行定值的设计。
然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字，在开挖过程中，包括某些土质参数在内的各种参量，诸如侧土压力、结构内力、土体应力及变形等都在变化。
而其变化规律目前还未被充分掌握。
这就产生了设计结果与实际情的差别，从而引发各种工程事故，或者可能造成浪费。
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