地铁深基坑施工技术与风险管理

1、地铁深基坑施工技术与风险管理 摘  要:地铁深基坑在地铁施工中越来越常见,以北京地铁某车站换乘厅深基坑为例,对深基坑的围护桩和冠梁及钢支撑施工、土方开挖作了详细介绍,同时对地铁深基坑的施工管理作了一定的归纳总结,对于类似深基坑工程具有重要借鉴意义。关键词:地铁深基坑 施工技术 土方开挖 施工管理       随着经济社会的发展,地铁已经成为我国许多城市不可缺少的交通设施。而地铁深基坑工程具有开挖难度大、费用高、降水困难及周围环境影响大等特点,它已经成为地铁建设中的一大难题。深基坑工程质量的好坏,直接影响到基坑工程的

2、造价和安全。深基坑施工对保护周边建筑的安全具有重大的经济效益和社会效益。笔者以北京某车站换乘厅深基坑为例,系统的阐述了深基坑的施工技术和风险管理。 1 工程概况      北京地铁某车站换乘厅采用明挖法施工,换乘厅设计结构型式为单跨三层矩形结构,换乘厅结构长71.4m,宽13.4m,结构覆土厚度平均约3.5m,结构最大埋深为28.848m,基坑南侧为城市主路 ,车流量大 ,行车荷载容易对基坑土体造成扰动;结构开挖范围内土体较为松散、自稳性较差;开挖范围内地下水位较高,降水作业存在一定困难;施工场区面积狭小,施工风险及难度大。

3、本场区地质条件自上而下人工堆积层为杂填土、粉土填土,第四纪沉积层为粉土、细砂、粉砂、卵石、圆砾,第三纪岩层为砾岩。地下水类型为潜水,水位标高为41.2m左右(埋深约 8.2 8.5m),含水层为卵石、圆砾层。换乘厅明挖结构基坑周围有多条重要的市政管线,基坑北侧DN400上水管线距换乘厅北侧结构外墙2.5m,900雨水管线距基坑北侧结构外墙约3.0m,根据风险分级规定为二级环境风险工程。 2 基坑围护支撑体系2 .1 围护桩      地铁深基坑支护方式包括地下连续墙+支撑、围护桩+支撑、土钉+喷射混凝土等支护形式,

4、受场地限制一般采用围护桩+内支撑的支护体系,根据土体侧压力、地下水位情况确定围护桩类型、桩径及间距。围护桩施工一般采用冲击钻、旋挖钻、全套管回转钻、人工挖孔等工艺。冲击钻、旋挖钻对地质条件比较苛刻,在砂卵石、软土地层中成孔难度较大,且噪音大、污染环境、工艺落后,很难在市区施工中推广;全套管回转钻成孔速度快,精度高、污染轻,适用于所有地层,是目前围护桩施工中值得大力推广的先进工艺。本工程基坑围护结构采用10001500钻孔灌注素混凝土咬合桩。本基坑围护结构采用10001500钻孔灌注桩+10001500素混凝土桩,在保证基坑围护的同时进行隔断地下水,实现基坑无水作业。2 . 2 冠梁施

5、工       钻孔灌注桩施工完成后,进行冠梁处土方开挖施工,土方开挖采用挖掘机或装载机直接将土方装车运走,开挖至设计冠梁底标高后进行冠梁及砖挡墙施工,冠梁以上土方开挖采用自然放坡形式。待挡墙施工完毕后对挡墙背后采用粘土回填并夯实至地面。冠梁施工前需将钻孔桩桩头凿除,清洗、调直桩顶钢筋,冠梁主筋应与桩顶锚固筋焊接,以保证结构的整体性。2 .3 钢支撑      深基坑钢管内支撑体系是保证深基坑稳定关键因素,根据土体侧压力值确定钢管直径、管壁厚度等参数。角部支撑由于受力复杂是内

6、支撑体系控制的关键环节,为防止角部支撑滑动应安装防滑装置。在基坑开挖过程中充分利用“时空效应”,钢支撑的安装和预应力的施加应控制在12h以内。施工中应作到随挖随撑,防止开挖深度与钢支撑架设不匹配造成基坑监测值变化异常,影响基坑稳定。本工程基坑竖向内支撑设5道钢支撑,1道底撑换撑,钢支撑采用609mm钢管,管壁厚度12mm,第一道支撑于桩顶冠梁上,水平间距6m,其他钢支撑水平间距3m。钢支撑施工配合土方施工展开。钢管支撑在基坑旁提前拼装,开挖到钢管支撑标高时,安装三角托架,架设钢围檩。钢围檩与钻孔灌注桩之间预留60mm的水平通长空隙,其间用C30细石混凝土添嵌,及时用龙门吊装安设钢围檩与钢管横撑

7、,通过液压千斤顶对钢管支撑活动端端部施加预应力。 3 土方开挖3 . 1 基坑开挖原则      基坑开挖按照“分层分段开挖,随挖随撑,开挖与支撑结合”的原则,采取竖向分层、纵向分段的措施开挖,及时支撑,减少围岩土体暴露区域和时间。基坑开挖中设置集水槽,集水槽随开挖随加深,将基坑中积水及时抽出,保证土方开挖无水作业。3 . 2 基坑开挖部署      土方开挖采用竖向分层、纵向分段拉槽、横向扩边的原则,每1层每1段土方施工中,在横断面跨中开中槽,由车站东端

8、开始沿纵向挖掘;由中槽向两侧开挖面进行开挖作业。中槽的大小首先要满足挖掘机回转弃土的要求,同时要尽可能多地保留两侧土体,以支撑围护结构,减小对周边环境的扰动,并满足钢支撑施作要求。中槽开挖至4m后架设钢支撑,然后横向扩边拓展,挖至钻孔桩附近时人工配合,以免机械开挖破坏围护桩。当放坡开挖至坡脚线附近运输车辆无法进入时,将采取多台挖机接力倒运开挖;局部位置无条件作业的,可用坑内挖机将土方装至提升料斗内,再用行轨龙门将其吊出(图1)。3 . 3 土方开挖施工要点      (1)土方开挖过程必须严格接照技术方案设定的顺序分段分层开挖,严格做

9、到开挖一层、支护一层,上层未支护完,不得开挖下一层,并且做到不得在大雨天开挖施工。     （2)根据钢支撑位置确定基坑竖向分5层开挖,每层开挖至钢支撑下50cm。开挖完成及时安装钢支撑,按设计要求预加轴力后方可继续开挖;第5层开挖至设计坑底标高以上2030cm时进行人工清底,以控制好基底标高和防止土层扰动。      (3)土方开挖前必须先放边坡线 ,土方开挖中必须随开挖进度放出开挖边线,以便及时控制开挖深度及边线,避免超挖或开挖不足。      (4)

10、坑底人工的清土、基坑边角部位和桩边机械开挖不到之处的土方应配备足够的人工及时清运至挖机作业半径范围内,及时通过挖机将土方挖走,避免误工。      (5)基坑开挖尤其是最底一层开挖中必须特别小心,避免挖斗碰撞基桩,在各层开挖中均应避免挖机直接碾压桩头,若挖机无法避开密集的桩头时,需先截掉部分桩头。 4 深基坑风险管理4 . 1 深基坑施工风险分类      建设、规划、勘察、设计、施工、监理、第三方监测等单位组成深基坑施工风险管理体系的基本单元。根据深基坑风险来源分

11、为客观风险和主观风险,主观风险包括各参建单位风险管理不到位,如由于前期拆迁影响造成后期工期压力较大,出现盲目抢工;设计环节对区域地质条件认识不足;监理单位技术力量和同类工程管理经验薄弱;施工单位施工和技术管理不到位等。客观风险包括复杂地质、水文条件,周边管线及建筑物对深基坑施工造成的影响。这种地层比较突出的特点是上部粘性土层为软土层与硬土层互层结构,在软土层中夹有粉细砂层透镜体,下部砂层的厚度较大,为承压含水层。地铁开挖深度一般超过10m,漫滩的软土地层结构在深基坑开挖过程中的环境工程地质问题较为突出。丘陵及山区城市地铁建设中坳沟与阶地交界处、土体与岩体交界处、岩体构造带等均是风险源高发区。本

12、工程由于位于市区交通繁忙地地段无法进行坑外降水,只能借助围护桩的咬合挡水,基坑开挖过程中挡水效果直接影响基坑的稳定。4 . 2 深基坑工程风险控制措施      (1)加强事前控制 ,从设计和施工方案源头降低风险。      设计阶段应保证现场勘察资料的真实性、完整性,设计意图应充分结合现场实际具有可操作性,如有的设计单位为了提高基坑的稳定性,采取加密钢支撑、底撑换撑设计方案,造成施工阶段实施难度较大,现场可操作性差,反而对深基坑的稳定性造成了潜在安全隐患。施工方案的编制和审核是降低深

13、基坑风险的另一个关键因素。方案编制阶段应充分考虑周边管线对深基坑造成的潜在影响并采取相应的措施,如本工程中上水管线和雨水管线发生渗水将直接影响基坑稳定,方案编制中如何保证咬合桩接缝防水质量是防止管线渗水的关键,由于该基坑邻近道路,车辆荷载在设计阶段和方案编制过程中也是必须考虑的因素之一,加强事前控制是降低深基坑风险最有效也是最经济的措施。      (2)建立完善的深基坑风险监控体系 ,实现风险控制程序化。      建立深基坑风险评估、分级、变形指标、风险预警控制体系,严格按程序进行风险控制,

14、实现风险控制科学化、程序化。北京地铁深基坑施工已建立了一套较完整的风险管理体系,在设计阶段根据深基坑周边环境和基坑深度进行风险评估及分级,确定变形临界值,对风险进行量化。在施工阶段根据基坑变形监测情况及时通过监测平台发布预警,根据预警响应程序参建各单位采取措施,对防止事故发生起到了一定的积极作用,这套风险管理体系应在地铁行业大力推广。      (3)加强风险管理研究,正确看待风险。      地铁深基坑工程施工期间总是伴随着风险的产生。因此,从某种意义上讲,地铁深基坑工程管理本身就是风险管理。

15、目前对地铁深基坑工程风险管理的研究还不够,风险分析与管理应该成为地铁深基坑项目管理或项目监理的一个重要组成部分。同时还应正确看待地铁深基坑工程风险问题,那种认为风险越小越好的认识是错误的,因为风险减小的代价是资金投入的增加。风险控制是把风险限定在一个合理的水平之上,然后研究其风险影响因素,进行控制。      (4)施工条件的具备和分项目实施步骤应纳入风险控制。      施工条件的具备是工程顺利实施的前提。重要部位和环节施工前,对技术、环境、人员、设备等相关条件是否满足工程质量和安全生产要求的检查验收,成为有效规避或减少安全质量事故的有效措施,近来采取对重要部位和环节进行分类,并按制定的检查要素,组织施工前条件验收成为风险控制的重要手段。城市地下空间项目是在已有城市基础设施具备的环境中实施,项目的本身往往又是多个分项组成,而分项目实施的顺序,对地下工程来说,决定了项目设施的成败和功效,具有十分的重要的意义,控制分项目实施的步骤也是风险控制的重要因素。 5 结语      地铁深基坑工程难度大,基坑安全