天津地鐵下瓦房車站深基坑施工技術

【摘 要】 在天津軟弱的地層和林立的建筑群間進行深基坑施工，為確保深基坑的施工安全，必須要有科學、合理及完善的施工技術，文章介紹了天津地鐵1號線基坑開挖最深的下瓦房地鐵車站的深基坑施工技術，為今后天津地鐵及更多的地下工程深基坑施工提供參考。
【關鍵詞】 深基坑圍護 基底加固 降水 支撐 開挖 環境監測

一、工程概況
天津地鐵1號線下瓦房車站位于寧波道以南、瓊州道以北的大沽南路下，是1＃線與5＃線之間的換乘車站，1＃線與5＃線在大沽南路與奉化道交口成“十”字相交(交角為83°，1＃線在上，5＃線在下)。
車站為雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，地下三層為換乘段節點部分。
車站主體結構基坑長204.3m，寬19.3～21.55m，開挖深度為16.5～23.553m，并設4個出入口、2條風道，見圖1。

圖1 下瓦房車站平面布置圖

大沽南路是天津的主要交通干道，基坑周圍建筑多，如鴻起順飯店與主體結構圍護間距僅7.5m，10層樓的下瓦房距南端頭井10m，受車站基坑施工影響的還有瓊州道和奉化道交口的6層居民樓、北段基坑西側的3幢7層居民樓以及在建的恒華大廈高層建筑等。為此，設計要求主體基坑施工安全保護等級為一級。

二、工程地質和地貌
基坑開挖深度為16.5～23.553m，圍護結構深度為27.5～39.0m。天津地區是沖積平原，地形平坦開闊，表覆第四系全新人工填土層(雜填土)，主要土層有粉質粘土、粉土、粉砂、細砂、中砂等；土質松軟，結構松散，見表1。

表1 主要軟土物理力學指標

本場地地下水類型為第四系孔隙潛水， 賦存于第四系粘性土、 粉土及砂類土中， 地下水較豐富。 地下水位深1.0～2.4m(高程+0.8～+2.0m)，水位變幅在1.0～2.0m，地下水主要補給來源為大氣降水，在第Ⅲ陸相層中粉土及砂類土層中的地下水具微層壓性。

三、主要施工工藝
天津地鐵1號線下瓦房車站為長大型深基坑，基坑施工包括基坑圍護、基底加固、坑內降水、基坑開挖、支撐和基坑監測等。
1. 基坑圍護
當基坑開挖深度超過10m、基坑平面超過1000m2時，鋼板樁、混凝土板樁、攪拌樁作為圍護結構，一般難以抵抗側向土水壓力，而采用地下連續墻作為圍護結構是最適宜的，因為它具有施工振動小、噪音低、對周邊環境無擾動、墻體剛度大、阻水性能好、能適應多種地基條件、施工安全等眾多優點。
本主體結構基坑采用國家級工法“地下連續墻液壓抓斗工法”施工的地下連續墻作為基坑圍護結構，其規格及數量見表2。

表2 連續墻圍護結構簡明表

2. 基底加固
為改善基底土體，提高基坑開挖階段被動區土體的側壓力和基底的上涌，對深基坑的基底土體進行加固處理，目前可采用的土體加固主要手段有分層壓密注漿加固或水泥攪拌樁加固，由于采用水泥攪拌樁加固施工周期較長，對基坑內的土體擾動大，易產生基坑失穩、縱坡不穩等現象，而采用分層壓密注漿進行加固，則施工中成孔孔徑小(鉆孔孔徑為73mm)，對基坑內土體擾動小，施工周期短；當采用雙液漿加固時，漿體進入土體后，早期固結快，漿液不易流失(經測試，3天即可達到70%的加固強度)，為基坑開挖創造條件。因此，下瓦房車站采用了雙液注漿加固方法。在主體結構基坑內基底位置(南、北2個端頭井和換乘段肋部及地下連續墻底部)進行地基加固處理，注漿孔間距為1.0～1.2m。加固后效果明顯，經檢測，土體強度超過設計的加固技術要求指標Ps=1.2MPa。
3. 基坑降水
天津地區地下水豐富，土體顆粒大，透水性強，在深基坑施工時，降水可提高基坑開挖施工過程中的邊坡穩定和防止基底涌土、涌水現象的產生。
根據在基坑開挖區鉆探的7只鉆孔(ZXWF-1、3、7、10、19、21、25)的資料綜合分析，施工場區地形平坦，各孔孔口標高相差不大，故以ZXWF-7鉆孔資料作為布置深井降水的主要依據。
基坑開挖要穿越上部粉土層，座落在粉質粘土層中，由于粉土、粉質粘土同屬含水地層，地下水較豐富，根據每口井的有效抽水面積(約130m2)，需在開挖面積約4210m2的主體結構基坑中布置32口降水深井，深井埋設深度比挖土基底深4.5m。同時基坑內設置3口水位觀測井(標準段內設置2口，深17.0m；換乘段設置1口，深24.0m)；在基坑圍護外布置4口水位觀測井，深10.0m，用于觀測基坑內降水對基坑外地下水位的影響，根據坑內外水位變化，確定降水的速率和抽水量。
(1)深井施工
采用鉆機成孔，井徑為705mm，井深為基底以下4.5m，成孔為6.0m，井管材料為φ500/400mm水泥礫石濾水管，井口下部3m的濾水管外包一層40目尼龍網。回填濾料高度是從孔底填到地面以下1.5m范圍內，回填粒徑3～7mm濾料，孔頂處1.5m深度用粘土封堵。在每口深井內放入1臺深井潛水泵作重力排水。
(2)降水控制
降水使基坑內的土體排水固結，并具有一定強度，從而提高坑內土體的水平抗力，減少基坑的變形量。根據下瓦房站的土體滲透性和基坑的周圍環境，嚴格控制基坑內的降水速度和降水量非常重要，若基坑內過早或過量降水，則會使基坑外地下水位太低，而產生過大沉降，影響周圍環境的安全。因此，基坑降水必須和開挖密切配合，施工中采取分段、快速、集中降水的方法，并且依據土體滲水速率、基坑內土體疏干情況和基坑開挖的速度進行降水，主體結構深基坑是采用分層降水法，在基坑開挖前5～7天開始進行降水，由深井內的水泵位置來控制降水深度，由調節抽水時間來控制基坑內的出水量。通過基坑內的觀測井，掌握水位變化情況，其控制高度應通過計算確定，既不要抽水過深引起地面沉降，也不要抽水過淺危及坑底安全。基本將地下水降至基坑開挖面下1.0m左右，即滿足開挖該層土體的要求。結構段施工完畢，隨即停止抽水。
4. 基坑開挖
下瓦房站主體結構是一個長大型基坑，兩端設盾構工作井，中間有與5＃地鐵線相連的換乘段(比標準段結構多一層)，在基坑周圍有數十棟的建筑物，距基坑最近的鴻起順飯店僅7.5m，而且交通車輛僅靠基坑一側的道路通行，給基坑施工帶來較大困難。
(1)合理劃分開挖段
車站主體結構基坑長204.3m、寬19.3～23.8m，根據地鐵車站施工特點和結構施工要求，將基坑劃分為10個開挖段，即1個換乘段、2個盾構工作井、7個標準段，每段長度約20m，見圖2。

(2)挖土
在基坑開挖施工時，貫徹集中、快速施工的原則，嚴格控制基坑暴露面積和深度。在基坑開挖時，分層、分步進行。每層土體的開挖深度以設計的支撐位置為準，確保在基坑開挖后能及時進行支撐安裝，減少圍護墻的位移。根據實際情況，確定每單元土體的開挖順序，基本原則為：先中間，后兩側，確保兩側預留土堤護壁，減少圍護墻的懸臂長度和懸壁時間，見圖3。

圖3 基坑開挖分步示意圖

深基坑開挖是從上到下分段、分層、分單元進行，分層開挖施工時，根據施工區域的地質情況，臨時邊坡控制在1∶2以上，每層設3.0m寬平臺，保證開挖機械設備的運作。基坑開挖到坑底標高時，總體基坑縱向坡度控制為1∶3，確保邊坡的穩定。由于主體結構施工是根據總體施工計劃進行的，在北側3段施工后，進行南側的基坑施工，北側邊坡需要暴露一段時間，為了減少坡面受雨水的沖刷，在北側邊坡上采用鋼絲網和50mm厚的細石混凝土進行保護，在坡底設置300mm×300mm的排水溝，保證雨水、地表水能夠及時排除。
(3)挖土設備
基坑需開挖約80 000m3的土方量，開挖時又受到支撐的影響；基坑開挖有5～7層不等，開挖深度為16.5～23.553m，故配備了1m3挖掘機2臺、12m臂長的挖掘機1臺、20m臂長的挖掘機1臺、0.2m3挖掘機2臺，保證基坑開挖施工的需要。
根據每層開挖土體位置，在開挖第一層時采用1m3挖掘機，快速進行挖土；在開挖下層土體時，采用長臂挖掘機在地面上取土，可以減少對支撐的碰撞；小型挖掘機可以穿越在基坑下面，挖掘支撐下部和角落的土體，形成立體開挖作業，縮短挖土時間。同時采用小型液壓挖掘機水平挖土、伸縮長臂液壓挖掘機垂直輸送的方法，使水平挖掘和垂直運輸分離，并做到縱向放坡，隨挖隨刷坡，防止發生縱坡滑坡。
5. 支撐
主體結構基坑采用的支撐體系為φ609mm(壁厚16mm)的組合鋼管支撐和部分現澆鋼筋混凝土撐。組合鋼管支撐基本為排撐，基坑端部為斜撐，設置在圍護拐角處的角撐為現澆鋼筋混凝土撐。基坑標準段為4道支撐，南、北端頭井布置5道斜支撐，換乘段為6道支撐，上下道支撐間距在2～4m不等。
(1)施工要求
當開挖出一道支撐的位置時，即按要求在支護樁兩側斷面上測定出該道支撐兩端與支護樁的接觸位置，以保證支撐位置準確(嚴格控制支撐端部的中心位置)，且與支護結構面垂直，接觸位置應平整，使之受力均勻。基坑開挖至設計標高后，及時安裝支撐，并按設計要求施加預應力。
(2)鋼支撐安裝及施加預應力
由于基坑中部無支撐立柱，支撐跨度達19.5～21.8m，經我公司確定，在設計支撐軸力大于2200kN的部位，應采用上下雙榀φ609鋼支撐，為保證支撐的穩定，鋼支撐將以設計支撐為中心上下布置，間距控制在30cm左右。
鋼支撐安裝前，根據支撐位置的實際長度進行拼裝，施工中使用的組合鋼支撐長度規格有0.1～13m不等，并有可伸縮調節的活絡支撐，鋼支撐一端為固定段，另一端為活絡段，中間由不同長度的直支撐組成，兩支承點間的中間段一般控制在3節。
當開挖至支撐土面時，立即進行支撐安裝，標準段支撐兩端不設預埋鋼板，施工時在支撐兩端將槽壁鑿出主筋，然后再焊小三角牛腿(其尺寸為20mm×200mm×350mm)。端頭井端頭位置的支撐均設計為斜撐，支撐受力點必須預埋鋼板(其外形尺寸為200mm×1000mm×1000mm)，以備焊接斜牛腿，斜牛腿用厚20mm鋼板按實際角度預制，外形尺寸為700mm×700mm×500mm的三角形。
鋼支撐采用50t吊機安裝就位，并同時施加預應力，預應力應達設計軸力的40%～80%不等，其偏差值不大于50kN。當在第一次施加預應力后12h內，觀測預應力損失及墻體水平位移。當晝夜溫差過大，導致支撐預應力損失時，應復加預應力至設計值；當墻體水平位移速率超過警戒值時，可適量增加支撐軸力，以控制變形。
鋼支撐拼裝要確保直線度，其允許誤差≯1.5‰，且≯50mm，活絡伸縮頭伸出長度≯200mm。支撐端面必須與地下連續墻緊貼，空隙處填C20細石混凝土或塞鐵。
(3)混凝土三角撐
由于基坑轉角處采用的是斜撐，而斜撐距離短，無法使用伸縮支撐段(一般伸縮支撐段長2.8m)，若采用型鋼等，則影響預應力的施加，因而轉角處支撐成為薄弱環節，易產生圍護墻變形；再則轉角處圍護地下墻的兩個面大小不等，所受土壓力也不等，會造成轉角幅地下墻的旋轉。采用現澆鋼筋混凝土角撐，可不受轉角處的形狀差異、轉角處兩邊長度不等的影響，從而增強了基坑支撐的穩定性。
主體結構基坑的轉角處，按照設計支撐高度的要求，設置了厚600mm的鋼筋混凝土角撐，角撐大小由圍護地下端支撐點的位置決定，采用早強C40混凝土澆注。
6. 施工監測
施工監測的內容包括：基坑內外的情況觀察、地表及周邊建筑物沉降、連續墻位移、橫撐內力、連續墻內力、地下水位觀測和基坑回彈。
監測工作根據各個施工階段進行動態同步監測，施工期間監測頻率為1～2次/d；施工后期，每間隔1～3d進行1次后期變化監測。根據每日監測情況，及時對基坑開挖的速度和深度、降水的速度和降水量、支撐安裝的及時性和施加預應力情況等進行調整，使深基坑施工在監控信息指導下，正確、合理地進行。

四、小結
下瓦房地鐵車站主體結構基坑施工，由于采取了科學合理的技術措施和嚴格的施工管理，達到一級基坑安全保護等級的要求，周圍地表沉降控制在允許范圍內，周圍建筑物未發生過量下沉及開裂、破損。
1．基坑圍護結構地下墻的垂直度均在1/300以上，墻面平整，接縫密貼，無明顯漏水，地下墻墻趾注漿量充足，控制了基坑內外滲水通道。
2. 由于在基坑施工時確定了正確的降水方案，控制了降水速度和降水量，基坑內的水位始終保持在開挖面以下。基坑內開挖的是干土，既保證了基坑開挖的安全，又保證了環境的整潔，同時使基坑外的水位穩定(基坑外觀測井的水位變化均在500mm以內)。
3. 對基坑底部土體進行有效的加固，既達到設計要求，又未對基坑內的開挖土體產生過大的擾動，確保深基坑開挖施工的安全，同時加快了施工進度。
4. 充分運用深基坑施工的“時空效應”原則，將長大型深基坑分段、分層、分單元進行開挖、支撐，使基坑開挖和支撐兩道工序有機地結合，有效地控制了深基坑圍護結構的位移量，經監測，圍護地下墻的位移量控制在15mm左右。
5. 正確、及時的監測，對深基坑施工進行動態管理，獲到了完整的數據，實現了信息化施工，保證了深基坑和周圍環境的安全。
下瓦房地鐵車站深基坑施工的成功，為在天津地區進行大型深基坑或超深基坑的施工積累了經驗，可供今后天津地鐵深基坑施工參考。