超大异形深基坑支撑体系施工技术研究

刘锐，徐奎，吴双双 （中铁四局集团城市轨道交通工程分公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

异形基坑的支撑体系通常较为复杂，周冠南[1]对宁波轨道交通1号线某异形基坑进行数值模拟，验证了混凝土支撑+鱼腹梁可以有效控制基坑变形，并重复利用，提高施工效率。刘关华等[2]论述了围护桩+锚索可以避免钢支撑这类支撑的拆除问题，应用于异形基坑可以减少工序。张文明[3]通过有限元计算了南京青奥轴线非对称基坑中上部悬臂、下部内支撑结构的变形，验证了结构安全性。张建忠等[4]分析了异形深基坑阳角的受力与变形，因此在异形基坑施工中需要注意阳角处的加固措施。马国强[5]使用层次分析法进行了异形基坑支护体系的比选，结果表明栈桥岛式开挖方式与地连墙+内支撑适用于深大异形基坑。

梅若非[6]通过PLAXIS模拟钢支撑代替混凝土支撑的方案，计算结果表明提高钢支撑刚度可以减小围护结构的变形但是同样会增大其弯矩值。戢贞建[7]通过数值计算表明基坑支护桩存在有效桩径，支撑存在有效截面积，因此工程中应合理选择桩径与支撑截面。于肖昆[8]通过数值模拟分析了环梁支撑体系拆撑过程，提出拆撑原则：对角对称拆撑，更需要考虑综合因素选择最佳拆撑工艺。梁军[9]依托工程实例从技术管理、进度管理和安全管理角度进行技术研究并总结得到：软土地区深大基坑采用圆环形支撑是合理的。冯超元[10]对比分析了在狭长地铁车站基坑中，全混凝土、全钢支撑和混合支撑三种支撑体系，得到混凝土支撑与钢支撑组成的混合支撑体系对狭长基坑变形控制效果更佳。

综上所述，围护桩、内支撑和锚索锚杆等支护结构能适用于深大基坑，对于异形深大基坑还需要根据自身特点进行支护结构设计，本文总结了条形+圆形+条形组成超大异形深基坑支护体系施工技术，在保证基坑施工的安全性的前提下，缩短工程工期，降低造价。

1 工程概况

船政文化城站位于马尾区区内港口路与君竹路交叉口，沿港口路东西向布置。小里程端基坑为双线盾构始发，大里程基坑为双线盾构接收，中间圆形基坑为车站主体，地下三层岛式车站，车站负一层为市政地道，两端接市政地道；负二、三层为地铁车站，负三层两端接盾构区间，如图1～图2所示。车站基坑主要采用明挖法施工车站基坑长202.2m，标准段宽22.3m，基坑扩大段宽24.2m，弧形基坑半径40.8m，三层车站部分开挖深度为24.8m，弧形站厅部分开挖深度为18.5m。

图1 船政中心站基坑平面示意图

图2 船政中心站基坑剖面示意图

2 施工技术特点

①该施工方法可以实现超大异形深基坑，特别是条形与圆形组合形式的这类基坑的安全开挖；

②该施工方法的成功运用基于排桩+锚索锚杆+地连墙+内撑等混合支护结构组成的异形基坑支撑体系；

③该施工方法中使用的地连墙、冠梁（腰梁）、内支撑、立柱等组成的支撑体系可以形成开阔的挖土空间，方便机械施工，缩短工期；

④该施工方法中的圆环形支撑体系整体性较好，且更能发挥混凝土抗压性能，有利于控制基坑变形；

⑤该施工方法采用分区开挖分区支撑方式，并保留核心土，可以充分利用时空效应进行土体暴露后的及时支护；

⑥该施工方法采用分层对称开挖方式，两侧平衡，进一步降低开挖风险。

3 围护结构工程

本工程基坑形状复杂，将围护结构分为四种，分别为无支撑垂直段、吊脚桩段、地连墙段标准段、地连墙环形段。主要围护结构如图3所示，车站选用围护结构选用吊脚桩、锚索支护、地下连续墙、混凝土支撑及钢支撑等形式，车站小里程端头井基岩较浅竖向设置1道混凝土撑+2道钢支撑+锚索结构，大里程端竖向设置3道混凝土支撑+2道钢支撑+1道换撑。圆形站厅处采用深浅坑支护，为桁架对撑结构，坑深18.2m，为三道混凝土支撑，负三层部分设置两道钢支撑+1道钢换撑。船政文化城站主体结构车站三层部分采用1200厚地连墙围护结构、两层圆形站厅部分采用800厚地连墙围护结构，地下连续墙标准幅宽6m，最宽墙体为7.5m，C35水下混凝土浇筑。深度为26.50m、27.50m、28.50m、31.00m、32.00m、34.00m、37.50m、41.00m、43.00m、43.50m、47.50m、48.50、52.00m、52.50m、53.50m、54.00m等。

图3 主要围护结构示意图

车站主体连续墙共66幅，其中“一”型24幅，“L-Ⅰ”型5幅，“L-Ⅱ”型5幅，“L-Ⅲ”型30幅，“T”型2幅。地连墙主筋采用HRB400直径为32mm、28mm、25mm螺纹钢，桁架筋采用HRB400直径为28mm螺纹钢，分布筋采用HRB400直径18mm和HRB400直径20mm（支撑上下各1m范围内采用@100）螺纹钢。地下连续墙槽段间采用工680×350×10（适合于800mm厚地连墙）和工1080×500×14（适合于1200mm厚地连墙）的工字钢板接头连接，为保证连续墙钢筋笼的整体稳定性，在连续墙外侧面两侧需设置X形剪力筋。连续墙施工前，采用φ650@450深层三轴搅拌桩对槽壁内外进行加固，确保其成槽效果。在深基坑开挖前，应对地连墙施工过程中存在塌孔、混凝土超方等有可能存在质量隐患的部位，提前在基坑外预埋注浆管，做注浆预处理。

3.1 无支撑垂直段施工

无支撑垂直段在本工程中占比较少，其主要步骤为：①分层边开挖边打设锚杆至基坑底；②主体结构施工；③覆土回填、二次结构施工。详见图4～图6所示。

图4 无支撑垂直段施工步骤一

图5 无支撑垂直段施工步骤二

图6 无支撑垂直段施工步骤三

3.2 吊脚桩段施工

吊脚桩段主要施作于小里程基坑，其主要步骤：①依次开挖架设各道支撑至坑底，施作垫层、防水、底板，及部分立柱侧墙，同步回填主体与围护结构间空隙；②待底板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第五道支撑，施作负二层板及部分立柱侧墙，同步回填主体与围护结构间空隙；③待负二层板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第四道支撑，施作负一层板及部分立柱侧墙，同步回填主体与围护结构间空隙；④待负二层板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第三道支撑，施作部分立柱侧墙，同步回填主体与围护结构间空隙；⑤待负一层侧墙达到设计强度的80%后，拆除第二道支撑，施作剩余部分立柱侧墙及顶板，同步回填主体与围护结构间空隙；⑥拆除第一道支撑，铺设顶板防水层，回搬管线并覆土至原地面，恢复路面，封闭降水井，施工二次结构。

详见图7～图12所示。

图7 吊脚桩段施工步骤一

图8 吊脚桩段施工步骤二

图9 吊脚桩段施工步骤三

图10 吊脚桩段施工步骤四

图11 吊脚桩段施工步骤五

图12 吊脚桩段施工步骤六

3.3 地连墙标准段施工顺序

地连墙标准段主要施作于小里程基坑靠近圆形基坑一侧和大里程基坑，其主要步骤为：①依次开挖架设各道支撑至坑底，施作垫层、防水、底板，及部分立柱侧墙；②待底板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第五道支撑，继续施作负三层侧墙及立柱，架设换撑；③拆除第四道支撑，施作负二层板及部分立柱侧墙；④待负二层板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第三道支撑，施作负一层板及部分立柱侧墙；⑤待负一层板及侧墙达到设计强度的80%后，拆除第二道支撑，施作负一层部分立柱侧墙及顶板；⑥待顶板混凝土强度达到设计强度的80%后，拆除第一道支撑、换撑、格构柱，铺设顶板防水层，浇筑压顶梁，回搬管线并覆土至原地面，恢复路面，封闭降水井，施工二次结构。详见图13～图18所示。

图13 地连墙标准段施工步骤一

图14 地连墙标准段施工步骤二

图15 地连墙标准段施工步骤三

图16 地连墙标准段施工步骤四

图17 地连墙标准段施工步骤五

图18 地连墙标准段施工步骤六

3.4 地连墙环形段施工顺序

圆形基坑处采用环形地连墙，其主要步骤：①依次开挖架设各道支撑至圆形站厅坑底，施作垫层、防水、圆形站厅底板、逆作车站部分负二层板及部分立柱侧墙；②待已浇筑混凝土达到设计强度80%后，继续开挖架设第四道支撑至车站三层坑底，施作垫层、防水、车站底板及部分立柱侧墙；③拆除第四道撑，继续施作车站负三层剩余侧墙及立柱；④拆除第三道撑，继续向上施作车站侧墙、立柱及负一层板，架设斜剖换撑；⑤拆除第二道撑，继续向上施作车站侧墙、立柱及顶板；⑥待顶板混凝土强度达到设计强度的80%后，拆除第一道支撑、换撑、格构柱，铺设顶板防水层，浇筑压顶梁，回搬管线并覆土至原地面，恢复路面，封闭降水井，施工二次结构。详见图19～图24所示。

图19 地连墙环形段施工步骤一

图20 地连墙环形段施工步骤二

图21 地连墙环形段施工步骤三

图22 地连墙环形段施工步骤四

图23 地连墙环形段施工步骤五

图24 地连墙环形段施工步骤六

4 支撑体系施工技术

4.1 冠梁及锁口圈梁施工技术

地连墙及钻孔桩顶设置冠梁，冠梁截面为1.2m×1m混凝土采用C35混凝土浇筑，冠梁施工时凿除挖地连墙超灌部分，至设计标高；船政小里程端头部位采用锚杆锚索法，施工部位上方采取锁扣圈梁施工，锁口圈梁尺寸为2.2×1m/2.2×1.5m。冠梁钢筋在钢筋棚内制作成半成品，运至现场绑扎。冠梁及锁口圈梁采用塑钢模板拼装现场浇筑。外龙骨两道、斜撑选用Ф48钢管。测量人员现场放样，模板安装平、直、顺，尺寸准确，拼缝严密不漏浆。冠梁施工工艺图如图25所示。

图25 冠梁施工工艺图

4.2 混凝土支撑、挡墙、腰梁及盖板施工技术

第一道和第二道内撑为混凝土支撑，冠梁上部按照设计要求施工挡墙。

①混凝土支撑施工工艺流程开挖土方至混凝土支撑底标高下5cm处→人工清理找平混凝土支撑→施工混凝土支撑垫层→测量放样支撑中线及标高→安装地板革（每侧超宽支撑边线10cm）→绑扎钢筋及安装预埋件→预埋防撞墙钢筋→支立加固模板→浇筑支撑混凝土→待混凝土达到规定强度时，拆除模板→混凝土浇筑完成后12h洒水养护。

②盖板施工工艺流程

绑扎盖板钢筋及安装预埋件→支立加固模板→浇筑盖板混凝土→待混凝土达到规定强度时，拆除模板→混凝土浇筑完成后12h洒水养护。

③挡土墙施工工艺

测量放样中线及边线→绑扎钢筋及安装预埋件→支立加固模板→浇筑支撑混凝土→待混凝土达到规定强度时，拆除模板→混凝土浇筑完成后12h洒水养护。

4.3 盖板及混凝土支撑拆除技术

4.3.1 混凝土支撑破除

①顶板土方回填一部分，将顶板覆盖住，防止破除过程中的混凝土块掉落而损坏结构外观；②将混凝土支撑按照设计好的切点进行分段；③采用风镐将钢筋混凝土支撑破除，分段线处钢筋外面的一圈混凝土剥除；④用气焊将主筋割断；⑤吊运每段长度不大于3m；⑥对顶板回填土散落的混凝土废渣进行清理，并外运。

4.3.2 盖板段混凝土破除

①顶板土方回填一部分，将顶板覆盖住，防止破除过程中的混凝土块掉落而损坏结构外观；②将混凝土盖板按照设计好的切点进行分片；③采用风镐将钢筋盖板破除，分段线处钢筋外面的一圈混凝土剥除；④用气焊将主筋割断；⑤将混凝土盖板分片吊运，吊运每片长度不大于2×2m。⑥对顶板回填土散落的混凝土废渣进行清理，并外运。

4.4 钢支撑拼装和安装技术

小里程第二道采用Φ800，壁厚t＝16钢管支撑，总共10道，钢支撑长19.86+21.4m；大小里程第四道、第五道及换撑支撑采用Φ800，壁厚t＝20钢管支撑，总共59道，钢支撑长19.7m；圆厅层采用Φ800，壁厚t＝20钢管支撑，总共61道，钢支撑长9.9m。标准单根最重钢支撑为10.15t。端头井设置换撑。支撑水平间距不等，均按照设计图纸安装，局部间距略有调整。支撑分活动端、固定端及中间节组成。支撑与围护桩间通过预埋件连接，在基坑开挖至钢支撑底时，及时完成钢支撑安装。钢支撑施工工艺流程如图26所示。

图26 钢支撑拆设流程图

钢支撑均采用φ800mm的钢管。支撑由活络端、固定端和中间标准关节组成，管节之间采用法兰盘高强螺栓连接。

第五六道钢支撑安装在地面进行拼装，然后再通过80t履带吊进行吊装，吊装作业履带吊站立于基坑两侧，吊装半径约为基坑宽度的一半（约12m），最大吊重为 10.15t，故选用 80t履带吊作为吊装设备。

为防止第六道钢支撑吊装过程中碰撞第五道钢支撑，需将第六道钢支撑逐节吊入基坑，在基坑中拼装完成后进行安装。吊车的吊装安全距离为10m。

圆厅层钢支撑在5/8两段各有三根φ800mm需要施工，在基坑开挖至钢支撑底下20cm时，考虑采取地面80t履带吊吊装，地下15t叉车及挖机配合，分为2段（一端置于连系梁，一端叉车抬吊）能完成钢支撑架设，施工顺序需要从最内侧钢支撑施工完毕后才可施工外侧钢支撑。钢支撑安装就位后，用两台100T液压千斤顶在钢管支撑活络端分级预加轴力，并进行锁定。钢支撑活络端两侧错开设置，钢支撑安装完设置下托上挂保护装置。

4.5 钢支撑拆除技术

①钢支撑拆除顺序：主体结构底板达到设计强度后拆除第四道支撑；第三道支撑以下部分侧墙及中板混凝土强度达到规定强度后，拆第三道支撑。钢支撑采用80t履带吊配合拆除。

钢支撑拆除时分级释放轴力，避免瞬间预加应力释放过大而导致结构局部变形、开裂。

为防止结构开裂，对应结构板混凝土需到设计强度以后才能拆除钢支撑。

②钢支撑拆除方法

用80t履带吊将钢支撑吊起，在活动端设100T千斤顶，施加轴力至钢楔块松动取出钢楔块，逐级卸载至取完钢楔，拆下钢支撑。

圆厅层盖板下六根钢支撑待施工完毕后，采用叉车将钢支撑依次从外侧进行拆除。

5 施工关键技术要点

①由于船政文化城站多为淤泥质夹砂及粉砂地层，地下水位丰富且水位较高，因此对基坑内的土体进行三轴搅拌桩抽条加固。主要加固措施为基底加固、槽壁加固和阳角加固。

②地连墙环形段是以“以折代曲”的折线地连墙，每幅地连墙折角为171.63°/170.85°，在地连墙接缝处可能因为夹渣、接缝平整度不够，导致渗漏水的情况出现，而地连墙部位多为粉砂、淤泥质夹砂等地层，因此需要采取多次刷壁、引孔预埋注浆管及开挖期间采用“掏槽检缝”的方法予以克服或减缓渗漏水情况。

③在基坑开挖过程中对随挖随撑好的钢支撑及时（安装好后1小时内）施加轴向预应力，以减小支撑不及时引起围护结构变形。轴力施加时按照设计给出的预加轴力分三次逐级施加。第一次施加到设计预加轴力的30%，观察钢支撑的受力情况及螺栓、焊缝等情况，无变化第二次施加到设计预加轴力的70%，观察钢支撑的受力情况及螺栓、焊缝等情况，无变化第三次施加到设计预加轴力。

④船政文化城站基坑为一个分期施工、土层、岩层均包含的异形基坑，对于条形基坑开挖原则为“分层、对称、留土护壁、限时完成开挖与支撑”，对于环形基坑开挖原则为“预留核心土、先撑后挖、对称施工、及时施作底板”。

6 结语

福州地铁船政文化城站基坑工程为条形+圆形+条形组成的超大异形深基坑，为确保此深大基坑的安全开挖，控制其基坑变形与围护结构变形，根据每段基坑各自形状、地质等因素设计采用桩+锚+墙+撑等多支护结构组成的异形基坑支撑体系。超大异形深基坑支撑体系施工技术成功运用，极大地推动了基坑施工进度，取得了良好的社会、经济效益。实践证明，采用本工法是切实可行的，可为今后类似工程提供宝贵的经验。