57-深基坑土方开挖及钢支撑架设技术

深基坑土方开挖及钢支撑架设技术吴云广州轨道交通建设监理有限公司摘要:南京地铁3号线TA16标诚信大道车站为钻孔咬合桩基坑围护结构,根据设计图纸要求,在基坑开挖中对钻孔咬合桩围护结构成功地实施钢支撑架设和置换,加快工程进度,保证施工质量和基坑安全;同时,为城市地铁不同围护结构深基坑开挖支撑提供一种实用方法。关键词：南京地铁3号线;深基坑;钻孔咬合桩;钢支撑架设;置换引言：地铁车站围护结构设计多为钻孔桩、地下连续墙等围护结构形式,基坑的支撑体系主要有钢支撑体系、钢筋混凝土支撑体系、钢筋混凝土和钢支撑的混合体系等类型。常见的钢支撑有609mm×12mm,609mm×16mm等,支撑活动端活络头有单活络头和双活络头两种,钢支撑采用格构式钢围檩,型钢中立柱由型钢加工而成,基础多采用钻孔桩基础。一、工程概况及地质描述（一）工程概述诚信大道站位于双龙大道与诚信大道交叉路口南侧，沿双龙大道南北布置，与5号线通过联络线换乘。车站总长为226m，标准段宽度为21.1m，顶板覆土3～3.5m，标准底板埋深16～17m，端头井底板埋深17.8～18.3m；南北端头均为盾构接收井，车站共设4个出入口和2个风道和一个消防疏散通道，其中西侧2个出入口预留。车站采用明挖顺作法（局部盖挖）施工，主体围护结构采用φ1200＠950（盖挖路面西侧部分，其平面尺寸为51.9*12m）／φ1000＠750套管咬合桩＋水平内支撑体系。基坑标准段设置4道支撑、端头井设置5道支撑（1～7轴设置换撑），其中首道支撑均为钢筋砼支撑，其余支撑均为Ф609×16钢支撑。钢筋混凝土支撑间距一般为8～9m，盖挖节点采用400mm厚砼盖板，第一道砼支撑局部加密（间距6m左右）兼做路面梁体；钢支撑间距约为3.00m～3.5m左右，由于基坑较宽，砼支撑下方增设格构柱，采用型钢梁支承钢支撑，以减小钢支撑的长细比，增加稳定性，支撑横梁采用2I45b型钢焊在钢格构柱上，钢支撑共260根。第一道混凝土支撑与冠梁同时施工，第二～五道钢支撑均支撑在钢围檩上，换撑两端支于结构侧墙上，钢围檩与围护桩之间间隙采用C30细石砼填充。（二）工程地质及水文地质1、工程地质拟建场地地貌单元属岗间坳洼区地势比较平坦，地面高程在8.61～9.66之间，基坑范围内土层从上到下依次为：为①-1杂填土，②-1b2-3粉质粘土、②-2b4淤泥质粉质粘土、②-3b3-4软流塑粉质粘土、③-2b2-3粉质粘土、③-2c-d2-3粉土夹粉砂、③-4e含砾石混合土、K1g-2强风化泥质粉砂岩等；车站底板位于淤泥质粉质粘土和软-流塑粉质粘土高压缩性土层中。主体围护结构插入强风化岩深度约2～4米。见诚信大道站工程地质层剖面图。2、水文条件本区间场地地下水主要为孔隙潜水，局部分布有弱承压水，其中孔隙潜水主要赋存于杂填土。主要受大气降水及地表水补给影响，以大气蒸发和侧向径流为主；弱承压水主要分布在粉土夹粉砂、粉质粘土夹砾石中，弱承压水含水层厚度相对较小，且分布不均、富水性一般、水量一般，水位变化主要受地下水侧向径流补给影响，其余土层属于微透水～不透水层，为相对隔水层；地下水静止水位为1.00～1.60m，承压水位为5.5m，埋深约为22～30m，相当于基底以下5～11m。（三）周边环境与地下管线情况1、周边环境情况诚信大道站位于双龙大道与诚信大道交叉路口南侧，沿双龙大道南北布置，车站西北角有一层5层商业住宅综合楼，与车站主体距离为10.7m；车站主体距离东侧二冲沟最近处约14m，联络线外凸段距离二冲沟最近4.8m。2、地下管线情况诚信大道站场地周围主要的地下障碍物为沿线分布的地下管线，勘察时采用人工探槽法进行管线探查与保护，结合现场管线保护标志分析，诚信大道站西侧平行于车站有2根Φ1000mm供水管，一根铸铁管，埋深3.5～5m；一根为钢管，埋深12～14.5m，两根管均位于车站西侧。诚信大道站地下管线处理一览表序号管线名称位置采取措施1Ø1000供水管/铸铁位于车站西侧，埋深约4m，平行于车站基坑，距离车站主体最近约8米。临时保护2Ø1000供水管/钢管位于车站西侧，改移后埋深约4～5m，平行于车站基坑，距离车站主体最近约8米。临时保护3DN600雨水管/砼横穿车站，埋深1.9m已改迁4DN700雨水管/砼横穿车站，埋深1.6m已改迁5DN800雨水管/砼横穿车站，埋深3.0m已改迁6DN300雨水管/铸铁横穿车站，埋深1.4m已改迁二、土方开挖施工方法（一）基坑分段施工缝布置的原则：1、沿诚信大道站主体纵向施工缝设置长度为20m左右，不易大于25m；2、施工缝设在纵向柱跨中的1∕4～１∕３处（即结构受力较小处）；3、施工缝避开主体结构与附属结构的连接处；4、施工缝避开集水坑、降水井、电梯井等结构；5、施工缝与后浇带相结合，本车站设置两道后浇带；6、每段工程量不易过大，以确保每段各个环节施工达到流水作业的原则；结合以上原则本基坑共分11段（A段～K段）进行土方开挖施工，分段长度为20～23m。主体结构分段图北后浇带施工缝变形缝预留联络线接口，远期施做后浇带A段B段C段D段E段F段G段H段I段J段K段施工缝施工缝施工缝施工缝施工缝施工缝施工缝（二）基坑开挖条件土方开挖是深基坑施工的一个重要环节，基坑具备土方开挖的条件有：1、钻孔咬合桩全部封闭且桩基检测合格;2、冠梁及首道支撑完成且强度达到80%以上;3、钢支撑到位并通过验收;4、降水措施按降水方案实施;5、监测点需按方案埋设并收集原始数据;6、施工便道畅通，排水设施能正常使用;7、现场按照环保局要求布设洗车槽并验收合格;8、机械、人员到位并进行安全技术交底;9、基坑周边防护上下通道布设并按要求进行封闭;10、按照建设分公司质安部组织的“基坑开挖节点验收”进行验收并合格。（三）土方挖运方法根据诚信大道站场地条件，诚信大道站拟投入2台普通挖机+2台超长臂挖机+2台小型挖机进行土方开挖施工，以挖机挖土为主，人工修挖为辅。（四）土方开挖顺序根据本工程总体筹划及2012年工期节点计划，结合现场实际，先开挖南端80m范围小基坑，待围护结构全部封闭后，再依次由北端向中间推进开挖。（五）土方开挖原则土方开挖在围护结构及桩顶冠梁达到设计强度要求，才能进行土方的正式开挖。土方开挖原则如下：1、根据基坑变形理论分析计算，提出考虑基坑时空效应规律的开挖施工程序及主要施工参数，包括开挖段数、分步开挖的空间尺寸、开挖坡度、每步开挖和支撑所需时间及支撑预应力值等施工参数。2、基坑开挖时随时根据监测结果不断进行施工参数的调整和优化，及时架设支撑和施作结构，以减少围护结构变形，确保周边环境稳定。3、土方开挖遵循“时空效应”理论，基坑开挖应严格遵循“先撑后挖、竖向分层、纵向分段、平面分块、严禁超挖”的原则。分层：根据支撑设置情况分为4层开挖，每层开挖至支撑中心标高以下1m；为防止基坑局部失稳，将每层开挖段分为两个亚层，保证每层高控制在2m左右。分段：沿诚信大道站纵向根据支撑平面位置分段，每段完成3根支撑范围内的土方开挖工作量，每个作业平台及纵向放坡均为3根支撑长度约为8～9m。分块：每层每小段土方开挖采用分块作业，根据本工程围护结构和基坑支护系统的特点以及现场实际情况依次进行分块的开挖。纵向放坡：沿基坑开挖方向纵向进行放坡，纵向放坡总长度为50～60m，纵向放坡系数为1:3。4、加强对地下水的处理，基坑内采取明排水、降水井抽排的方法疏干地下水。5、尽量缩短围护结构暴露时间，土方开挖结束时立即跟上基础垫层的施工，以抵抗基底隆起变形，并形成底层支撑，降低基坑围护结构变形速率。6、土方开挖时严禁在基坑边堆放弃土。7、加强对开挖标高的控制，应避免对基底原状土的扰动，对设计坑底标高以上30cm的土方，采用人工开挖至设计标高。8、施工过程中，避免土方开挖机械对围护结构、降水井及支撑系统等的碰撞破坏，上述部位附近的土方开挖由人工进行。9、施工过程中，加强对立柱桩的保护，在其周围挖土时，应薄层、缓坡、对称开挖，并远离桩位作业。10、采用机械挖土、机械运输，以确保施工效率和实现节点工期。11、每层土方开挖1.5m时按设计图纸在桩间立即采用C20细石砼抹平。（六）基坑土方开挖施工流程为保证基坑安全、施工进度，根据本工程基坑特点，对基坑土方开挖拟采用以下施工流程：1、开挖至第一道支撑底标高，施做围护桩的冠梁、浇筑首道混凝土支撑。2、待首道混凝土支撑强度达到80％，以小于1：2的坡度分层开挖至基底标高，每层厚度不宜大于2m。3、开挖至第二道钢支撑下1m，架设第二道钢支撑。4、开挖至第三道钢支撑下1m，架设第三道钢支撑。5、开挖至第四道钢支撑下1m，架设第四道钢支撑。分层开挖土体，直至开挖至基底上方30cm。6、人工开挖至基底标高，施做底板C20素混凝土垫层。（七）土方开挖施工方法首道钢筋砼支撑土方约11865m3，直接采用2台普通挖机进行开挖；剩余土方量约80682m3，首道砼支撑至第一道钢支撑垂直距离约5m，根据以往施工经验，采用4台普通挖机进行放坡开挖，其中2台挖机装土，2台挖机喂土；第二钢支撑以下土方采用2台超长臂挖机+2台小挖机配合挖土，配套10辆14m3运输汽车。1、端头土方开挖端头井部分先开挖转角并架设斜支撑，后开挖标准段并架设直撑的顺序施工。在端头井坑外布置1台超长臂挖掘机取土，坑内布置2台0.5m3小型挖掘机喂土，分层放坡挖土并将土方直接装车外弃。每块土体开挖时间不超过10小时，每块的钢支撑在土方挖完后6小时内安装完毕。最下层土方在开挖时由于没有支撑架设，但需要清底浇筑垫层。土方分两块开挖清底，开挖完一块并清底至设计坑底标高后及时浇筑混凝土垫层。2、标准段土方开挖标准段土方开挖按程序分层、分段、分块开挖，纵向放坡。标准段土方开挖采用在坑内布置2台小挖掘机喂土，基坑上方采用2台超长臂挖机将土方直接装车外弃。对紧靠端头井的标准段而言，其实就是端头井同步放坡开挖部分，也就是在端头井第二层土方开挖前，紧挨端头井的标准段直撑部分第一段（二根支撑）已开挖并支撑好了。然后按上述原则分层分段分块放坡开挖。常规要求，开挖每段墙边土方时间控制在10小时内，支撑时间控制在7～9小时（直撑）完成。也就是说假如一层支撑高度3.0m、段长9.0m、基坑宽20m，其土方量为540m3，4台挖机同时作业必须在17小时内完成土方和支撑施工。自一小段土方开挖开始到支撑施加轴力完成的时间分解如下：总时间=土方开挖8小时+钢支撑安装8小时+支撑施加轴力1小时=17小时。每小段土方开挖的高度和长度详见下图。标准段基坑土方开挖及装运流程图基坑纵向分层开挖与支撑示意图如下：称开挖，先抽条开挖中间部分，再开挖两侧靠近围护结构的土方，两侧开挖完成后立即进行钢支撑安装，尽量减少围护结构无支撑暴露的时间。挖土顺序为1-2-3。见下图标准分段土方开挖顺序图所示。3、盖挖部分土方开挖盖挖部分分3段（16m）开挖，采用2台小型挖机+1台超长臂挖机配合挖土，2台小型挖机将盖挖部分土方倒运至明挖部分，再由长臂挖机从明挖部分装车运走，开挖一段架设一段钢支撑，严格控制基坑无支撑暴漏时间。（八）土方开挖的注意要点1、挖土要有专人指挥，严禁抓斗碰撞支撑和井点管。以单元组成的小段土方，根据常规挖运能力，一般各层土的小段土方在6～8h内可完（包括修坡），随即在4～7h内安装好该小段内的支撑（包括加力），在6～10h内设好斜撑。当该小段处在重点保护对象影响范围内，时限应更短。2、要严格按结构施工段，紧紧的抓住“三快”，尤其是坑底层上一层的土（即最下道撑的层土）和坑底层（即筑垫层）的土，要一鼓足气快速连续的挖和撑。30cm层人工挖土和素混凝土垫层要在24h内完，随即抓紧浇筑底板，标准段底板混凝土在垫层完后的5d内完成。当正在挖这30cm土时遇下雨，更要抢，要挖一小段，浇一小段垫层，不能停止施工。如造成垫层标高等质量不合要求，则待雨停后，再凿去重浇垫层，以保坑底土不被软化，避免因此而引起的不良后果。3、要严格按设计结构段，逐段开挖，不宜出现连续四段在挖土支撑，也即分层分小段呈踏步式台阶，要控制在