地铁车站施工中大跨度端头井的深基坑开挖技术

地铁车站施工中大跨度端头井的深基坑开挖技术

1 工程概况

上海轨道交通2号线西延伸工程虹桥临空园区站位于上海市天山西路的淞虹路口与协和路口之间。车站全长455m，标准段净宽18.6m，开挖深度16m，其中端头井的最大开挖深度17.5m。车站的围护结构采用800mm厚的地下连续墙，标准段部分采用单衬墙结构，即地下连续墙既作为围护结构，同时又作为车站的永久性主体结构。

本工程的工程地质条件为第四纪松散沉积物，车站主要穿越的地层以灰色淤泥质粉质粘土为主，局部为粘质粉土。场地自地表至75m深度范围内按成因类型、土层结构及其性状特征，可分为8层，14个亚层。土层自上而下如下表：

2 东端头井的形状和支撑体系

2.1 东端头井的形状和尺寸

本车站东端头井的南侧结构和一个风井相连，所以端头井的设计尺寸较大，其中东侧南北向和南侧东西向的跨度均达37m，是目前施工的上海市地铁车站中最大的一个端头井。其中54轴～56轴之间基坑开挖的深度为16.58m，51轴～54轴之间基坑开挖的深度为14.84m。参见图1。

2.2 东端头井的支撑体系

本车站东端头井跨度大，相应的钢支撑也较长。本车站采用φ609mm的钢支撑，在东端头井的东北角、东南角各设有两个立柱桩，西南角设一个立柱桩。根据以往的施工经验，当立柱桩过多时，不但施工成本增加，而且不利于基坑开挖作业，故在原设计的基础上做了改进，将东北角、东南角原有的各两个立柱桩各改为一个立柱，即一个立柱同时支托两根钢支撑，将西南角的立柱取消。

东端头井的钢支撑架设难度最大的部位在西南角，上下有八道支撑，纵横交错，且南北向的较长的钢支撑中间还有立柱桩，如何合理地确定土方开挖、斜撑架设、立柱桩间的

连杆焊接以及长支撑的分段连接是控制本基坑变形的关键环节。参见图1。

图1 东端头井的形状和支撑体系

3 深基坑开挖的理论依据

在上海软土地基深基坑的开挖施工中，指导工程实践的理论依据是“时空效应”的规律。根据这一规律，基坑开挖支撑施工过程中的每个分步开挖的空间几何尺寸和挡墙开挖部分的无支撑暴露时间，对基坑围护墙体和坑周地层位移有明显的相关性。无支撑暴露的时间越长，则基坑的变形将越大。

根据“时空效应”理论制定的施工方案的主要特点是：根据基坑规模、几何尺寸、围护墙体系的布置、基坑地基加固和施工条件，选择基坑分层、分步、对称、平衡开挖和支撑的顺序，并确定各工序的时限，在实际的施工方案中需要定出如下施工参数：

i N —开挖分层的层数； i n —每层分部的数量；

ci T —分部开挖的时间限制； si T —分部开挖后完成支撑的时间限制； j N —支撑预加轴力（采用钢支撑）； B, h —贴靠挡土墙的支承土堤每步开挖的宽

度和高度；

r T —每步开挖所暴露的部分墙体，在开挖卸载后无支撑暴露时间。

规定的施工顺序及施工速度以及以r T 为主的施工参数，主要是为了达到如下要求： ⑴ 减少开挖过程中的土体扰动范围，最大限度减少坑周土体位移量和差异位移量； ⑵ 在每一步开挖及支撑的工况下，基坑中已施加的部分支撑体系及围护墙体内侧被动区支承土堤，可使基坑受力平衡而得以稳定，并控制坑周土体位移量和差异位移量。

4 东端头井深基坑开挖的方案编制和实施

根据“时空效应”理论，深基坑开挖与支撑必须遵循快挖、快撑、快封底的原则，进行上下分层，左右分段、分块开挖。结合本车站东端头井的实际情况，编制开挖顺序图，按分层分段划分开挖支撑单元，严格按开挖单元顺序施工，每个开挖单元（一个分层长6m ），支撑为2根。开挖时间6～8h ，支撑架设2h 。严禁超深、超宽、超时。开挖纵向总坡度不大于1：3，台阶小坡不大于1：1。 4.1 台阶小坡的稳定性验算

为了简化计算过程，假定开挖的土层为均质土层，采用稳定数分析方法进行验算。根据稳定数计算方法，影响边坡破坏的参数有5个，即土的粘聚力c 、内摩擦角ϕ、土的重度γ、台阶高度H 和边坡角β。根据实测的内摩擦角c 和计算的c '，可以计算出边坡的稳定安全系数F s 。

F s =实测c /计算c '

Taylor 用图表示了安全系数的计算结果，稳定数表达式为c H

N s '

=

γ。

边坡极限平衡条件下，N s 、ϕ和β之间具有图2所给出的关系，利用图2就可以很方便地对边坡作出稳定性评价。已知开挖的每个分层最深为4m ，土的重度γ=18KN/m 3，粘聚力c =11.5 KN/m 2，内摩擦角大约为ϕ=100。台阶小坡坡角β=450。

图2 边坡的稳定数

根据已知条件β=450，ϕ=100，则从图2中查得边坡处于极限状态时的稳定数

c H

N s '

=

γ=9.7，并计算边坡稳定所要求的粘聚力c '=

Ns H γ=7

.94

18⨯=7.42KN/m 2 边坡的稳定安全系数F s =11.5/7.42=1.55>1

根据计算得出的稳定安全系数，每个小坡是安全的，不会失稳。 4.2 东端头井开挖方案实施步骤

由于受交通条件的影响，基坑开挖采用单边开挖的方式进行开挖，东端头井分层、分块（小段）划分及开挖顺序如下：

1、第一分层开挖及支撑架设如下表：

图3 东端头井第一分层分小块划分及开挖顺序平面示意图

2、第二分层开挖及支撑架设

①首先开挖中间三角区①，开挖分段高度3.5m，开挖土方480 m3，不需架设支撑；

②开挖东南角三角区②，后开挖东北角三角区③，开挖土方量均为600 m3，个架设6根钢支撑；

③开挖第4块，第4块宽度8.5m，宽约34m，开挖高度4m，土方量1150 m3。由于该块土方量大，采取先挖中间向南北推进，最后挖两边，以减小开挖过程中围护结构的形变，开挖限制在17小时内完成。先架设两立柱间的连杆再架设3道长支撑，支撑加设时间不得超过7小时；

④开挖第5块，由于受到场地条件限制，挖机只能在北侧顺钢支撑开挖，南侧土方需多次往北倒土，再由地面长臂挖机挖至地面，加之西南角部5根斜撑，4根直撑上下交错，