天津地铁下瓦房车站深基坑施工技术
【摘 要】 在天津软弱的地层和林立的建筑群间进行深基坑施工，为确保深基坑的施工安全，必须要有科学、合理及完善的施工技术，文章介绍了天津地铁1号线基坑开挖最深的下瓦房地铁车站的深基坑施工技术，为今后天津地铁及更多的地下工程深基坑施工提供参考。
【关键词】 深基坑围护 基底加固 降水 支撑 开挖 环境监测
一、工程概况
天津地铁1号线下瓦房车站位于宁波道以南、琼州道以北的大沽南路下，是1＃线与5＃线之间的换乘车站，1＃线与5＃线在大沽南路与奉化道交口成“十”字相交(交角为83°，1＃线在上，5＃线在下)。
车站为双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，地下三层为换乘段节点部分。
车站主体结构基坑长204.3m，宽19.3～21.55m，开挖深度为16.5～23.553m，并设4个出入口、2条风道，见图1。
图1 下瓦房车站平面布置图
大沽南路是天津的主要交通干道，基坑周围建筑多，如鸿起顺饭店与主体结构围护间距仅7.5m，10层楼的下瓦房距南端头井10m，受车站基坑施工影响的还有琼州道和奉化道交口的6层居民楼、北段基坑西侧的3幢7层居民楼以及在建的恒华大厦高层建筑等。为此，设计要求主体基坑施工安全保护等级为一级。
二、工程地质和地貌
基坑开挖深度为16.5～23.553m，围护结构深度为27.5～39.0m。天津地区是冲积平原，地形平坦开阔，表覆第四系全新人工填土层(杂填土)，主要土层有粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂等；土质松软，结构松散，见表1。
表1 主要软土物理力学指标
本场地地下水类型为第四系孔隙潜水， 赋存于第四系粘性土、 粉土及砂类土中， 地下水较丰富。 地下水位深1.0～2.4m(高程+0.8～+2.0m)，水位变幅在1.0～2.0m，地下水主要补给来源为大气降水，在第Ⅲ陆相层中粉土及砂类土层中的地下水具微层压性。
三、主要施工工艺
天津地铁1号线下瓦房车站为长大型深基坑，基坑施工包括基坑围护、基底加固、坑内降水、基坑开挖、支撑和基坑监测等。
1. 基坑围护
当基坑开挖深度超过10m、基坑平面超过1000m2时，钢板桩、混凝土板桩、搅拌桩作为围护结构，一般难以抵抗侧向土水压力，而采用地下连续墙作为围护结构是最适宜的，因为它具有施工振动小、噪音低、对周边环境无扰动、墙体刚度大、阻水性能好、能适应多种地基条件、施工安全等众多优点。
本主体结构基坑采用国家级工法“地下连续墙液压抓斗工法”施工的地下连续墙作为基坑围护结构，其规格及数量见表2。
表2 连续墙围护结构简明表
2. 基底加固
为改善基底土体，提高基坑开挖阶段被动区土体的侧压力和基底的上涌，对深基坑的基底土体进行加固处理，目前可采用的土体加固主要手段有分层压密注浆加固或水泥搅拌桩加固，由于采用水泥搅拌桩加固施工周期较长，对基坑内的土体扰动大，易产生基坑失稳、纵坡不稳等现象，而采用分层压密注浆进行加固，则施工中成孔孔径小(钻孔孔径为73mm)，对基坑内土体扰动小，施工周期短；当采用双液浆加固时，浆体进入土体后，早期固结快，浆液不易流失(经测试，3天即可达到70%的加固强度)，为基坑开挖创造条件。因此，下瓦房车站采用了双液注浆加固方法。在主体结构基坑内基底位置(南、北2个端头井和换乘段肋部及地下连续墙底部)进行地基加固处理，注浆孔间距为1.0～1.2m。加固后效果明显，经检测，土体强度超过设计的加固技术要求指标Ps=1.2MPa。
3. 基坑降水
天津地区地下水丰富，土体颗粒大，透水性强，在深基坑施工时，降水可提高基坑开挖施工过程中的边坡稳定和防止基底涌土、涌水现象的产生。
根据在基坑开挖区钻探的7只钻孔(ZXWF-1、3、7、10、19、21、25)的资料综合分析，施工场区地形平坦，各孔孔口标高相差不大，故以ZXWF-7钻孔资料作为布置深井降水的主要依据。
基坑开挖要穿越上部粉土层，座落在粉质粘土层中，由于粉土、粉质粘土同属含水地层，地下水较丰富，根据每口井的有效抽水面积(约130m2)，需在开挖面积约4210m2的主体结构基坑中布置32口降水深井，深井埋设深度比挖土基底深4.5m。同时基坑内设置3口水位观测井(标准段内设置2口，深17.0m；换乘段设置1口，深24.0m)；在基坑围护外布置4口水位观测井，深10.0m，用于观测基坑内降水对基坑外地下水位的影响，根据坑内外水位变化，确定降水的速率和抽水量。
(1)深井施工
采用钻机成孔，井径为705mm，井深为基底以下4.5m，成孔为6.0m，井管材料为φ500/400mm水泥砾石滤水管，井口下部3m的滤水管外包一层40目尼龙网。回填滤料高度是从孔底填到地面以下1.5m范围内，回填粒径3～7mm滤料，孔顶处1.5m深度用粘土封堵。在每口深井内放入1台深井潜水泵作重力排水。
(2)降水控制
降水使基坑内的土体排水固结，并具有一定强度，从而提高坑内土体的水平抗力，减少基坑的变形量。根据下瓦房站的土体渗透性和基坑的周围环境，严格控制基坑内的降水速度和降水量非常重要，若基坑内过早或过量降水，则会使基坑外地下水位太低，而产生过大沉降，影响周围环境的安全。因此，基坑降水必须和开挖密切配合，施工中采取分段、快速、集中降水的方法，并且依据土体渗水速率、基坑内土体疏干情况和基坑开挖的速度进行降水，主体结构深基坑是采用分层降水法，在基坑开挖前5～7天开始进行降水，由深井内的水泵位置来控制降水深度，由调节抽水时间来控制基坑内的出水量。通过基坑内的观测井，掌握水位变化情况，其控制高度应通过计算确定，既不要抽水过深引起地面沉降，也不要抽水过浅危及坑底安全。基本将地下水降至基坑开挖面下1.0m左右，即满足开挖该层土体的要求。结构段施工完毕，随即停止抽水。
4. 基坑开挖
下瓦房站主体结构是一个长大型基坑，两端设盾构工作井，中间有与5＃地铁线相连的换乘段(比标准段结构多一层)，在基坑周围有数十栋的建筑物，距基坑最近的鸿起顺饭店仅7.5m，而且交通车辆仅靠基坑一侧的道路通行，给基坑施工带来较大困难。
(1)合理划分开挖段
车站主体结构基坑长204.3m、宽19.3～23.8m，根据地铁车站施工特点和结构施工要求，将基坑划分为10个开挖段，即1个换乘段、2个盾构工作井、7个标准段，每段长度约20m，见图2。
(2)挖土
在基坑开挖施工时，贯彻集中、快速施工的原则，严格控制基坑暴露面积和深度。在基坑开挖时，分层、分步进行。每层土体的开挖深度以设计的支撑位置为准，确保在基坑开挖后能及时进行支撑安装，减少围护墙的位移。根据实际情况，确定每单元土体的开挖顺序，基本原则为：先中间，后两侧，确保两侧预留土堤护壁，减少围护墙的悬臂长度和悬壁时间，见图3。
图3 基坑开挖分步示意图
深基坑开挖是从上到下分段、分层、分单元进行，分层开挖施工时，根据施工区域的地质情况，临时边坡控制在1∶2以上，每层设3.0m宽平台，保证开挖机械设备的运作。基坑开挖到坑底标高时，总体基坑纵向坡度控制为1∶3，确保边坡的稳定。由于主体结构施工是根据总体施工计划进行的，在北侧3段施工后，进行南侧的基坑施工，北侧边坡需要暴露一段时间，为了减少坡面受雨水的冲刷，在北侧边坡上采用钢丝网和50mm厚的细石混凝土进行保护，在坡底设置300mm×300mm的排水沟，保证雨水、地表水能够及时排除。
(3)挖土设备
基坑需开挖约80 000m3的土方量，开挖时又受到支撑的影响；基坑开挖有5～7层不等，开挖深度为16.5～23.553m，故配备了1m3挖掘机2台、12m臂长的挖掘机1台、20m臂长的挖掘机1台、0.2m3挖掘机2台，保证基坑开挖施工的需要。
根据每层开挖土体位置，在开挖第一层时采用1m3挖掘机，快速进行挖土；在开挖下层土体时，采用长臂挖掘机在地面上取土，可以减少对支撑的碰撞；小型挖掘机可以穿越在基坑下面，挖掘支撑下部和角落的土体，形成立体开挖作业，缩短挖土时间。同时采用小型液压挖掘机水平挖土、伸缩长臂液压挖掘机垂直输送的方法，使水平挖掘和垂直运输分离，并做到纵向放坡，随挖随刷坡，防止发生纵坡滑坡。
5. 支撑
主体结构基坑采用的支撑体系为φ609mm(壁厚16mm)的组合钢管支撑和部分现浇钢筋混凝土撑。组合钢管支撑基本为排撑，基坑端部为斜撑，设置在围护拐角处的角撑为现浇钢筋混凝土撑。基坑标准段为4道支撑，南、北端头井布置5道斜支撑，换乘段为6道支撑，上下道支撑间距在2～4m不等。
(1)施工要求
当开挖出一道支撑的位置时，即按要求在支护桩两侧断面上测定出该道支撑两端与支护桩的接触位置，以保证支撑位置准确(严格控制支撑端部的中心位置)，且与支护结构面垂直，接触位置应平整，使之受力均匀。基坑开挖至设计标高后，及时安装支撑，并按设计要求施加预应力。
(2)钢支撑安装及施加预应力
由于基坑中部无支撑立柱，支撑跨度达19.5～21.8m，经我公司确定，在设计支撑轴力大于2200kN的部位，应采用上下双榀φ609钢支撑，为保证支撑的稳定，钢支撑将以设计支撑为中心上下布置，间距控制在30cm左右。
钢支撑安装前，根据支撑位置的实际长度进行拼装，施工中使用的组合钢支撑长度规格有0.1～13m不等，并有可伸缩调节的活络支撑，钢支撑一端为固定段，另一端为活络段，中间由不同长度的直支撑组成，两支承点间的中间段一般控制在3节。
当开挖至支撑土面时，立即进行支撑安装，标准段支撑两端不设预埋钢板，施工时在支撑两端将槽壁凿出主筋，然后再焊小三角牛腿(其尺寸为20mm×200mm×350mm)。端头井端头位置的支撑均设计为斜撑，支撑受力点必须预埋钢板(其外形尺寸为200mm×1000mm×1000mm)，以备焊接斜牛腿，斜牛腿用厚20mm钢板按实际角度预制，外形尺寸为700mm×700mm×500mm的三角形。
钢支撑采用50t吊机安装就位，并同时施加预应力，预应力应达设计轴力的40%～80%不等，其偏差值不大于50kN。当在第一次施加预应力后12h内，观测预应力损失及墙体水平位移。当昼夜温差过大，导致支撑预应力损失时，应复加预应力至设计值；当墙体水平位移速率超过警戒值时，可适量增加支撑轴力，以控制变形。
钢支撑拼装要确保直线度，其允许误差≯1.5‰，且≯50mm，活络伸缩头伸出长度≯200mm。支撑端面必须与地下连续墙紧贴，空隙处填C20细石混凝土或塞铁。
(3)混凝土三角撑
由于基坑转角处采用的是斜撑，而斜撑距离短，无法使用伸缩支撑段(一般伸缩支撑段长2.8m)，若采用型钢等，则影响预应力的施加，因而转角处支撑成为薄弱环节，易产生围护墙变形；再则转角处围护地下墙的两个面大小不等，所受土压力也不等，会造成转角幅地下墙的旋转。采用现浇钢筋混凝土角撑，可不受转角处的形状差异、转角处两边长度不等的影响，从而增强了基坑支撑的稳定性。
主体结构基坑的转角处，按照设计支撑高度的要求，设置了厚600mm的钢筋混凝土角撑，角撑大小由围护地下端支撑点的位置决定，采用早强C40混凝土浇注。
6. 施工监测
施工监测的内容包括：基坑内外的情况观察、地表及周边建筑物沉降、连续墙位移、横撑内力、连续墙内力、地下水位观测和基坑回弹。
监测工作根据各个施工阶段进行动态同步监测，施工期间监测频率为1～2次/d；施工后期，每间隔1～3d进行1次后期变化监测。根据每日监测情况，及时对基坑开挖的速度和深度、降水的速度和降水量、支撑安装的及时性和施加预应力情况等进行调整，使深基坑施工在监控信息指导下，正确、合理地进行。
四、小结
下瓦房地铁车站主体结构基坑施工，由于采取了科学合理的技术措施和严格的施工管理，达到一级基坑安全保护等级的要求，周围地表沉降控制在允许范围内，周围建筑物未发生过量下沉及开裂、破损。
1．基坑围护结构地下墙的垂直度均在1/300以上，墙面平整，接缝密贴，无明显漏水，地下墙墙趾注浆量充足，控制了基坑内外渗水通道。
2. 由于在基坑施工时确定了正确的降水方案，控制了降水速度和降水量，基坑内的水位始终保持在开挖面以下。基坑内开挖的是干土，既保证了基坑开挖的安全，又保证了环境的整洁，同时使基坑外的水位稳定(基坑外观测井的水位变化均在500mm以内)。
3. 对基坑底部土体进行有效的加固，既达到设计要求，又未对基坑内的开挖土体产生过大的扰动，确保深基坑开挖施工的安全，同时加快了施工进度。
4. 充分运用深基坑施工的“时空效应”原则，将长大型深基坑分段、分层、分单元进行开挖、支撑，使基坑开挖和支撑两道工序有机地结合，有效地控制了深基坑围护结构的位移量，经监测，围护地下墙的位移量控制在15mm左右。
5. 正确、及时的监测，对深基坑施工进行动态管理，获到了完整的数据，实现了信息化施工，保证了深基坑和周围环境的安全。
下瓦房地铁车站深基坑施工的成功，为在天津地区进行大型深基坑或超深基坑的施工积累了经验，可供今后天津地铁深基坑施工参考。
