砂卵石地层暗挖竖井深基坑开挖及支护控制技术探讨

砂卵石地层暗挖竖井深基坑开挖及支护控制技术探讨

苗斐

中国葛洲坝集团生态环境工程有限公司 湖北武汉 430000

摘 要：以西安地铁14号线贺韶村站～终点区间泄压井基坑开挖支护施工为研究对象，通过对地质条件分析、基坑支护形式选择，确定合理、经济、安全的基坑支护结构形式。通过对基坑平面尺寸和开挖地层进行研究，选择经济高效的基坑开挖方法和开挖机械设备，制定合理的开挖施工技术措施，有效地控制了小尺寸超危竖井深基坑在砂卵石地层的施工安全。

关键词：基坑支护；开挖机械；开挖支护方法；监控量测

前言

随着城市轨道交通建设领域的不断发展，人们更多的追求结构最优化，即在满足使用功能的前提下，尽可能地减小结构尺寸，降低投资成本。对于平面尺寸小、开挖深度大，开挖范围内有较厚的松散砂卵石层等不稳定地层的多层深基坑结构施工，是土建施工的安全风险控制重点，采取合理有效的施工工艺和技术措施是确保地铁工程建设安全的基本保障。以西安地铁十四号线终点泄压井基坑支护及开挖施工为例，研究小基坑、深基坑、多层基坑的开挖及支护施工技术研究。

1 工程概况

1.1 泄压井概况

贺韶村站～终点区间由站后配线段明挖法区间+左线浅埋暗挖法区间组成，左线区间在终点附近设置一座明挖法施工泄压井。泄压井基坑长20.78m，宽度9.9m，负一层外挂部分宽度7.4m，总平面面积186m²。其中主体基坑面积129 m²，基坑开挖深度19.45m，局部开挖深度21.5m。

1.2 基坑水文地质概况

1.2.1 岩土分层及其特性

泄压井勘探范围内的地层主要由第四系人工填土，全新统冲积黄土状土、中砂、地层卵石，上更新统冲积粉质黏土、中砂、卵石，中更新统冲积粉质黏土、中砂组成。泄压井基坑开挖依次为2-1-1黄土状土、2-1-2黄土状土、2-5-3中砂、2-9-3卵石、3-4-1粉质黏土，其中一、二级基坑基底为粉质黏土，如图所示。基坑开挖范围分布大厚度砂土（2-5-3中砂、3-7-3中砂）和碎石土（2-9-3卵石、3-11-3卵石），特别是2-5-3中砂和3-7-3中砂局部地段相变为粉砂，地层自稳能力差，易坍塌，对基坑支护结构的开挖及坑壁的稳定性影响较大，支护桩在砂卵石层成孔困难，基坑开挖易失稳坍塌。

1.2.2 水文地质条件

勘察及施工期间场地地下水稳定水位埋深介于22.00～25.50m之间，位于泄压井基坑基底最低点高程362.327之下，基坑开挖阶段无需进行降水。受周边村内自建管道、田地浇灌等影响，砂卵石层中存在一定程度的滞水，对支护结构成孔及基坑开挖影响较大。

1.3周边环境

泄压井位于农田内，周边规划路均未形成，现状道路为农村便道，车流量不大，临近泄压井西侧约15m处有330kV高压架空线，无其他控制性市政地下管线。

2 竖井基坑支护形式

泄压井竖井基坑采用Φ1000@1500（桩长23.13m、26.18m）、Φ600@1200（桩长13.95m、16.85m）支护桩作为基坑主要支撑形式，设置3道Φ609、t=16mm的钢管支撑，钢支撑与支护桩通过冠梁和钢围檩传递荷载，局部设置换撑。支护桩间设置Φ8@150×150钢筋网片、100mm厚C25喷射混凝土支护。

3 竖井基坑支护及开挖方法

3.1 基坑开挖总体施工方法

泄压井基坑采用竖向分层、纵向分段、分台阶组织开挖，钢支撑架设与桩间网喷支护与开挖施工同步，主要施工方法及步骤如下表所示。

表3-1 泄压井基坑开挖支护施工步骤

3.2 竖井基坑支护桩施工

综合考虑水文地质情况及环保、文明施工等要求，支护桩采用旋挖钻机成孔，可自然降解的化学泥浆护壁技术，提高砂卵石地层成孔及成桩质量，减少废弃泥浆对环境的污染。钢筋笼加工采取工厂集中加工的形式供应，以减少现场钢筋加工区域及设备机具的布置，实现全面绿色环保施工。

3.3 竖井基坑开挖施工

3.3.1基坑降水

根据地勘资料显示，泄压井地下水位在泄压井底板以下，施工中无需降水。考虑到地下水位变化幅度，施工前先施作水位监测井，测定地下水位高程，确认无需降水后进行基坑开挖。

3.3.2 基坑开挖机械设备选型

（1）基坑特点

1）泄压井基坑平面尺寸较小，开挖深度较大，分两级，受基坑尺寸的制约，基坑开挖机械设备必须选择具备垂直出土和开挖的设备。

2）基坑内存在厚度约4～6m的砂卵石层，较为松散，受振动或机械扰动后易坍塌，自稳能力较差。受部分地层滞水、渗漏水的影响，砂卵石层桩间坍塌较为严重。

3）基坑平面尺寸较小，开挖深度大，必须设置可靠的上下井安全和应急通道。

（2）基坑开挖机械设备选型

综合考虑基坑开挖及机械设备性能，结合基坑特点，垂直出土设备选择抓斗式起重机，可实现垂直抓土、出土；基坑第一、二层局部开挖采用PC220挖机进行开挖，充分利用支护桩结构的自身刚度，提高开挖效率；第二、三、四层土方开挖采用回转半径为2.34m的ZX110挖机，对基坑土体进行开挖，抓斗式起重机垂直出土。

3.3.3 基坑开挖组织方案

第一层土方开挖层高3.7m由两台挖机配合中间拉槽开挖，挖机接力转土，开挖坡度控制在1:1。第二层土方开挖层高6m由两台挖机配合中间拉槽分两个台阶开挖，挖机不能接力转土时，采用一台小挖机开挖，抓斗式起重机垂直吊土开挖，挖机开挖坡度控制在1:1。第三层土方开挖层高3.75m采用一台小挖机由中间向两边拉槽开挖，抓斗式起重机垂直吊土开挖，挖机开挖坡度控制在1:1。第四层开挖层高5.95m（废水池位置8m）分两个台阶开挖，每个台阶高度约3m，废水池部位距基底2m。台阶放坡比控制在1:1，台阶宽度不小于3m。基底以上30cm土方采用人工开挖清理，避免对原状地基土扰动，抓斗式起重机垂直出土。

3.3.4 基坑开挖技术控制

（1）开挖顺序

1）泄压井施工前先组织有资质的文物勘探单位对开挖施工范围进行文物勘探，确认无古墓、古遗迹等后，再组织开挖施工。

2）泄压井基坑地面表层主要为素填土及黄土状土，用挖掘机挖除。

3）逐层分段、分台阶组织小挖机开挖，人工配合处理，抓斗式起重机垂直出土。

4）对一层基坑基底上30cm采用人工清理，废水池按1:0.75放坡开挖完成后开挖完成后组织勘察设计等单位进行基底验收，合格后立即采用C20素混凝土封底，坡面挂网喷射混凝土支护，第三层土方开挖完成后进行底部冠梁施工。

5）第四层土方开挖完成至基底以上30cm后停止机械开挖，采用人工清理完成基底及废水池基底开挖清理，废水池按照设计要求施工，基底验收合格后浇筑C20垫层混凝土，完成基底封闭。

（2）开挖方法

1）泄压井基坑纵向按照一层基坑、二层基坑的分界线分两段开挖，竖向分四层。由于第二层、第四层开挖深度为6m，因此按照3m分两段台阶开挖。

2）第一层土方开挖采用PC220挖机直接挖土，第二层采用PC220挖机配合ZX110挖机开挖，收尾阶段采用抓斗式起重机垂直出土。

3）第三、四层土方开挖采用ZX110小挖机开挖，人工配合，抓斗式起重机垂直出土。

4）各层开挖过程中，地面设置好防排水措施，开挖面设置排水沟和临时集水坑，将砂层、土层滞水等全部汇集后集中抽排，确保基坑开挖无水作业。

（3）基坑排水

在地面距基坑边2m外设置排水沟，冠梁顶挡土墙与排水沟之间的地面硬化按照2%的横坡设置。分层开挖的基底设置临时集水坑和排水沟，及时进行基坑抽排水。

3.4 砂卵石地层基坑开挖及桩间支护技术

3.4.1 砂卵石层基坑开挖技术

（1）由于基坑采用分段开挖，开挖区和未开挖区域间存在临时边坡，在开挖过程中若出现临时边坡开裂或有位移趋势，立即采用长臂挖机在后点（机械停放坑边）挖土卸载，砂卵石地层开挖坡度控制在1：1.5。

（2）砂卵石层基坑开挖，无水施工是关键。开挖前地面要做好防排水措施，基坑内要做好截水、汇水及抽排。

（3）基坑开挖期间有降雨时，提前对土体面采用彩条布进行遮盖，较长时间不开挖的土坡面用混凝土或砂浆（内插短钢筋）护坡，以防止雨水直接冲刷和渗入土体而加大土体的位移。

（4）一旦滑坡事故发生，立即疏散施工人员和机械设备，设置警戒线，待滑坡稳定后，从上至下修整边坡，挖除松动土体，进行坡面支护及封闭。

3.4.2 基坑砂卵石地层桩间支护技术

在基坑开挖过程中，开挖至砂卵石层时，极易发生桩间砂卵石层坍塌无法施作桩间网喷，应采取有效措施进行控制：

（1）严格控制砂卵石层土方开挖的竖向步距（控制在1.5m～1m），开挖后立即安排作业人员清理桩间，挂网安装拉结筋进行混凝土喷射。

（2）桩间砂卵石层挂网后无法喷射混凝土或者喷射混凝土脱落时，在桩间打设土钉，挂10mm×10mm细目铁丝网进行支护，支护完成后挂钢筋网喷射混凝土，快速封闭桩间土体，施工方法如下：

1）桩间按照砂层步距开挖后，竖向按照1m的间距打设钢筋土钉，当稳定性不好时可适当加密。

2）安装细目铁丝网并与土钉固定，防止砂层外挤及松动脱落，按照要求设置植筋、挂钢筋网分层施作网喷混凝土，分层喷射厚度控制在3～5cm，下层混凝土初步凝固后再喷射第二层。

3）喷射混凝土的原则按照“少量多次”的方式，最后一层喷射混凝土喷完后，在喷射混凝土初凝前组织工人采用木抹子对网喷混凝土面层进行整平。

（3）桩间砂卵石层坍塌严重或者外挤变形严重时，打设钢管倒刺土钉，采用密目铁丝网（10×10mm）和击入式土钉（钢管倒刺，见图3-3）组合加强支护。钢管倒刺土钉内部采用双液注浆（水泥浆：水玻璃浆为1:1，初凝时间控制在30s），土钉布置间距为@1000×1000mm，土钉植入土层深度3m，铁丝网外侧水平向布置C18加强筋，间距@1000mm。

3.4.3 支撑架设

（1）加强测量放线管理，安装支撑前，测出支撑两端与围护结构的接触点，并做好基面整平处理。

（2）当土方开挖至支撑中心设计标高下80cm后，沿基坑纵向按每根支护桩设置三角托架。

（3）三角托架安装完毕后，随即进行围檩安装，围檩安装要按照顺序进行，围檩与支护桩间网喷面的距离保持在50mm，将后期架设的围檩与前期架设的围檩通过焊接连成整体共同受力，在接缝处增设加强肋板（可采用钢板对其进行搭接焊接）。围檩拼接接头位置避开支撑中心，斜撑安装区钢围檩与支护桩之间的抗剪墩必须按照设计要求进行施作。

（4）围檩与支护桩、桩间网喷之间采用C30细石混凝土人工浇筑填充，确保钢围檩与支护桩整体均匀受力。斜支撑部位，钢围檩必须设置抗剪墩，确保斜支撑轴力能有效传递至支护桩。

（5）为防止钢围檩坠落，需在每根支护桩上部用胀管螺栓安装防坠吊点，与钢围檩采用吊索及花篮螺栓连接。

（6）架设钢支撑，分级预加轴力，稳定后对钢支撑进行锁定，并安装防坠落装置，并按要求做好钢支撑轴力监测。如轴力损失超过预警值时，应安排补加轴力。

4 基坑监控量测

基坑监测由工程安全监测和周围环境监测两部分组成，其主要目的是掌握基坑及周围环境在区间施工期间的变形、受力，以便及时反馈设计和施工，确保本工程及周围构筑物的安全。

经过严格的施工控制和精密的施工监测，泄压井基坑桩体水平位移、基坑周边沉降、钢支撑轴力等等各项监测数据变化均在设计及规范要求范围内。

5 结论

对于平面尺寸小、开挖深度大，开挖范围内有较厚的松散砂卵石层等不稳定地层的多层深基坑结构施工，通过采取分析地质条件，选择合理的开挖施工设备和方案，制定严格的开挖及砂卵石层技术措施，施工过程中加强开挖与支护的时间和空间上的衔接管理，通过精密的监控测量，确保了小尺寸、深基坑的施工安全，为类似项目的实践提供参考借鉴。

参考文献：

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[2]孙钧.市区基坑开挖施工的环境土工问题[J].地下空，,1999.

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