【摘要】：地鐵車站工程施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文以天津地鐵洪湖里車站為例對(duì)灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)計(jì)算、土方開(kāi)挖、支撐架設(shè)、體系轉(zhuǎn)換、信息化監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了研究與應(yīng)用介紹。
【關(guān)鍵詞】：深基坑、支護(hù)體系、時(shí)空效應(yīng)、體系轉(zhuǎn)換、信息化監(jiān)測(cè)。
前言
隨著經(jīng)濟(jì)水平和城市建設(shè)的迅速發(fā)展地下工程愈來(lái)愈多，開(kāi)發(fā)和利用地下空間的要求日顯重要。地下鐵道、地下車庫(kù)、地下商場(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)、地下人防工程高層建筑的多層地下室等構(gòu)筑物日益增多。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興建了許多大型地下設(shè)施，如北京、上海的地鐵、地下停車場(chǎng)、地下變電站和污水處理工程等，伴隨著深基坑工程規(guī)模和深度的不斷加大，開(kāi)挖深度在10m以下的基坑已不少見(jiàn)，地鐵車站的開(kāi)挖深度最大已接近20m。大量深基坑工程的出現(xiàn)，促進(jìn)了設(shè)計(jì)計(jì)算理論的提高和施工工藝的發(fā)展，通過(guò)大量的工程實(shí)踐和科學(xué)研究，逐步形成了基坑工程學(xué)這一新興學(xué)科。在土木工程領(lǐng)域中，目前基坑工程學(xué)是發(fā)展最迅速的學(xué)科之一，也是工程實(shí)踐要求最迫切的學(xué)科之一。基坑工程正確、科學(xué)的設(shè)計(jì)和施工，配合切實(shí)有效的信息監(jiān)測(cè)手段，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)加快施工進(jìn)度、保護(hù)環(huán)境發(fā)揮了重要作用，否則將會(huì)招致嚴(yán)重的后果，大量工程實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。
基坑開(kāi)挖的施工工藝一般有兩種：無(wú)支護(hù)開(kāi)挖（放坡開(kāi)挖）和有支護(hù)開(kāi)挖。在城市中心地帶，建筑物稠密地區(qū)，往往不具備放坡開(kāi)挖的條件，只能在支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行垂直開(kāi)挖。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，一方面是創(chuàng)造條件便于基坑土方的開(kāi)挖，但在建（構(gòu)）筑物及地下管線密集地區(qū)更重要的是保護(hù)周圍環(huán)境，因此對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和施工，并輔以必要的監(jiān)測(cè)手段，以確�；�坑安全。
基坑土方開(kāi)挖是基坑工程的一個(gè)重要內(nèi)容。基坑土方如何組織開(kāi)挖，不但影響工期、造價(jià)，而且還影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和變形，并危及周圍環(huán)境。為此對(duì)較大的基坑工程必須編制詳細(xì)的施工方案，運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)理論，確定挖土機(jī)械、挖土工況、挖土順序、支撐架設(shè)方法等。在軟土地區(qū)和地下水豐富的地區(qū)，土方開(kāi)挖還常常輔以基坑降水，以確�；�坑安全和便于施工，保護(hù)環(huán)境。
在施工過(guò)程中跟蹤施工活動(dòng)，對(duì)周圍土體位移和附近建筑物、地下管線等保護(hù)對(duì)象的變形及受力情況進(jìn)行量測(cè)，所取得的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值和計(jì)算值相比較，能可靠地反映工程施工所造成的影響，能較準(zhǔn)確地以量的形式反映這種影響程度。在地下工程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、施工方法和外界其它因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測(cè)工程中可能遇到的所有問(wèn)題，而且理論預(yù)測(cè)值還不能全面、準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以，在理論分析指導(dǎo)下有計(jì)劃地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程信息檢測(cè)十分必要。
1 工程概況
天津地鐵洪湖里車站是天津市地鐵一號(hào)線工程組成部分之一，是既有地鐵線路天津西站站點(diǎn)向北延伸新建的車站，車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)175.3m，單層段長(zhǎng)66.0m，寬19.9m，雙層段長(zhǎng)109.3m，最寬處30.3m,車站設(shè)南北兩個(gè)通風(fēng)道，4個(gè)出入口。
車站所通過(guò)地區(qū)為濱海平原，地形平坦，房屋密集，建筑物多為平房，周圍地下管線較多。本段地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（Qh）、上部陸相層（Q3h）、第一海相層（Q2h）、中上部陸相層（Q1h）及更新統(tǒng)海陸交互相堆積層（Qp）。本工程地下水類型為第四系孔隙潛水，主要賦存于粘性土及砂類土中。地下水埋深0.9—2.6m（高程1.1—2.8m），水位變幅1.0—2.0m。
車站基坑長(zhǎng)177.3m，深12.5m，斷面復(fù)雜，最寬處達(dá)30.7m，屬大跨度、變截面、長(zhǎng)條型深基坑（如圖1所示）。

圖1  基坑平面圖
2 基坑支護(hù)體系
2.1支護(hù)方案
洪湖里站采用明挖順作法施工，鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁復(fù)合型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁為主要受力結(jié)構(gòu)，灌注樁直徑0.8m，間距1.0m，采用C20鋼筋砼。φ500@ 350水泥土攪拌樁主要用于止水、抗?jié)B。支撐體系：橫撐采用Φ624×12鋼管，水平間距3.0m，豎向按基坑深度設(shè)3道；壓頂梁為寬0.9m，高1.2m的C20鋼筋砼梁；腰梁為三拼 I 36組合截面工字鋼。支撐立柱為Φ400×8鋼管，立柱基礎(chǔ)為Φ800灌注樁；連系梁為I 36工字鋼。
原方案支護(hù)型式如圖2所示，其支撐按國(guó)內(nèi)類似基坑工程的通常做法將層距控制在4.5m左右，即第二層支撐處于雙層段中層板（單層段頂板）之下，在施工側(cè)墻期間，需將第二層支撐下落，這就在側(cè)墻上增加了一道水平施工縫，增加了一步倒撐工序；跨度超過(guò)30m的支撐，為了提高其承載力，通常設(shè)置雙排支撐立柱，跨度在20m左右的支撐，設(shè)置單排支撐立柱，將支撐自由長(zhǎng)度控制在10m左右，但這造成了槽內(nèi)立柱林立，嚴(yán)重制約了土方開(kāi)挖及支撐架設(shè)速度，與深基坑工程“快開(kāi)挖、快支護(hù)”的原則相矛盾。
工程實(shí)施中，我們采取可行的技術(shù)措施，采用支撐布置型式如圖3所示。通過(guò)合理調(diào)整三層支撐標(biāo)高，尤其將第二層支撐調(diào)至中層板（頂板）之上，避免了支撐倒換，實(shí)現(xiàn)了側(cè)墻、中層板（頂板）同時(shí)澆注，無(wú)障礙施工，減少了一道水平施工縫，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和自防水能力。施工過(guò)程中進(jìn)行支撐體系轉(zhuǎn)換，撤除支撐立柱，實(shí)現(xiàn)底板防水層和底板砼連續(xù)施工，減少滲漏隱患，提高了工程質(zhì)量。工程中在確保安全的前提下將雙排支撐立柱改為單排，擴(kuò)大了基坑工作空間，減少了障礙，便于土方取運(yùn)，也利于改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的連續(xù)性與整體性。
基坑采用內(nèi)井點(diǎn)降水。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算
據(jù)《洪湖里站工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，地質(zhì)資料如下表：
地層名稱 
承載力標(biāo)準(zhǔn)值KPa 滲透系數(shù)m/d 標(biāo)貫N
Q3h 7.5 18.8 28.5 100 0.21 5.7
Q2h 13.3 19 23 90 0.22 7.7
Q1h 7.11 19.9 25.5 140 0.32 11.4
Qp 13.3 20.1 37.5 200 0.32 14
地質(zhì)資料斷面簡(jiǎn)圖如圖4示：
圖4  地質(zhì)斷面圖
2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算
根據(jù)力學(xué)分析及土壓力的形成過(guò)程，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑土方挖至－5.9m，第三層支撐尚未架設(shè)和挖土至－8.6m，封底砼尚未澆筑形成強(qiáng)度兩個(gè)工況內(nèi)處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。
故需要對(duì)以上兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。土壓力用郎肯公式計(jì)算，偏安全起見(jiàn)，采用水土分算法。
2.2.1.1 挖土至－5.9m，安裝第三層支撐前，如圖5、圖6所示：
計(jì)算得：RB=265.4（KN/m）
單撐軸力：NB=3RB=796.2（KN）=79.6（t）
Mmax=645.3(KN•m)
最大彎距發(fā)生在－4.3m標(biāo)高處。
第二層支撐達(dá)到最大軸力。
2.2.1.2成槽驗(yàn)算
基坑已挖至設(shè)計(jì)槽底標(biāo)高，但封底砼尚未澆筑形成強(qiáng)度，如圖7、圖8所示：
計(jì)算得：RC=469.0(KN/m)；
單撐軸力：NC=3RC=1407(KN)=140.7(t)
Mmax=296.4(KN•m)
最大彎距發(fā)生在－8.8m標(biāo)高出。
第三層支撐達(dá)到最大軸力。
內(nèi)力統(tǒng)計(jì)：
Mmax(KN•m) NBmax(t) NCmax(t) Qmax(t)
645.3 79.6 140.7 140.7
2.2.2抗傾覆穩(wěn)定性
根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，灌注樁需要入土深度為8.0m，樁實(shí)際入土深度為8.8m ，故滿足要求。
2.2.3基坑底部抗隆起穩(wěn)定性分析
基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析具有保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形的重要意義，以保證不發(fā)生基底隆起破壞或過(guò)大的基底隆起變形，故需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。
在以往許多驗(yàn)算抗隆起安全系數(shù)的公式中，很少同時(shí)考慮C、 ，顯然對(duì)于一般粘性土，在土體抗剪強(qiáng)度中應(yīng)包括C、 的因素，因此參照Ptandtl和Terzaghi的地基承載力公式，并將樁底面的平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，工程中我們采用了同時(shí)考慮C、 的抗隆起計(jì)算法。如圖9所示。
式中 1為坑外地表至支護(hù)墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kN/m3)；
2為坑內(nèi)開(kāi)挖面以下至支護(hù)墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kN/m3)；
    c為支護(hù)墻底處的地基土粘聚力(kN/m2)；
    q為坑外地面荷載；
    H為基坑開(kāi)挖深度(m)；
    D為墻體入土深度(m)；
Nq，Nc為地基承載力系數(shù)；                   
     為支護(hù)墻底處土的內(nèi)摩擦角（度）
    KS為支護(hù)墻底地基承載力安全系數(shù)。取Ks=1.2
計(jì)算得：KS=2.18>1.2   故滿足要求。
2.2.4灌注樁配筋計(jì)算
基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件為Φ800砼灌注樁，砼強(qiáng)度等級(jí)C20，配筋形式如圖10所示：
承載力按下列公式計(jì)算：
得彎矩承載力標(biāo)準(zhǔn)值為M=800(KN•m)>Mmax=645.3(KN•m)，故：滿足要求。
2.3 鋼管支撐計(jì)算
洪湖里車站工程基坑跨度達(dá)30.7m，為了減少支撐長(zhǎng)細(xì)比，提高承載力，在基坑中間設(shè)支撐立柱，為了便于土方取運(yùn)，改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的整體性與連續(xù)性，將兩排支撐立柱改為一排。
計(jì)算時(shí)，取支撐的最不利受力狀態(tài)即雙向偏心壓彎狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，公式如下：
經(jīng)驗(yàn)算，在最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值  即設(shè)計(jì)值Nc=168.8(t)時(shí)，Φ624×12鋼管支撐自由長(zhǎng)度允許值為L(zhǎng)≤25.0(m)。
支撐安裝架設(shè)時(shí)，采取預(yù)起拱、預(yù)設(shè)反向偏心距等措施，以減少支撐自重對(duì)其承載力的影響。
3 時(shí)空效應(yīng)理論在基坑土方開(kāi)挖及支撐架設(shè)中的應(yīng)用
從國(guó)內(nèi)有流變性的軟土地區(qū)，特別是近十年來(lái)關(guān)于深基坑的施工和試驗(yàn)研究中，人們認(rèn)識(shí)到基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中的每個(gè)分步開(kāi)挖的空間幾何尺寸和圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間，對(duì)基坑圍護(hù)樁體和周邊地層位移有明顯的相關(guān)性，這反映了基坑開(kāi)挖中的時(shí)空效應(yīng)的規(guī)律性。利用時(shí)空效應(yīng)科學(xué)地制定開(kāi)挖和支護(hù)的施工方案，能可靠合理地利用土體自身在開(kāi)挖過(guò)程中控制位移的潛力而達(dá)到控制槽周地層位移、保護(hù)環(huán)境的目的，從而改變目前基坑中為控制槽周地層位移而采用昂貴的地基加固的做法。這是安全經(jīng)濟(jì)地解決開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定和變形問(wèn)題的一條有發(fā)展前途的新技術(shù)途徑。
洪湖里車站基坑開(kāi)挖以機(jī)械挖土為主，輔以人工清槽，遵循“短開(kāi)挖、快支護(hù)、嚴(yán)治水、勤量測(cè)、分層分段、撐挖結(jié)合”的原則。先取3.6m表層土（至±0.0m標(biāo)高處），修好運(yùn)土車下槽坡道，再挖±0.0m——－5.9m標(biāo)高范圍內(nèi)的土，再由另一臺(tái)反鏟挖掘機(jī)倒挖第三層土，挖土過(guò)程中支撐架設(shè)必須及時(shí)跟上，基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間控制在12h之內(nèi)，搶在土壓力形成之前完成支撐的安裝工作。
基坑開(kāi)挖每25m為一段，成槽后在12h內(nèi)澆筑封底砼，以確�；�坑安全。
窄槽段采用“中心島”式開(kāi)挖方法，在挖除基坑中心島的同時(shí)，組織人力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時(shí)、平行進(jìn)行，取完中心島部位土體后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計(jì)值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖11、圖12所示。
寬槽段采用“兩側(cè)島式”配合“中心盆式”開(kāi)挖，在挖除兩個(gè)“側(cè)島”土體的同時(shí)，組織人力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時(shí)、平行進(jìn)行，取完兩“側(cè)島”土體后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計(jì)值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖13、圖14所示。
實(shí)踐證明，運(yùn)用以上開(kāi)挖方法能夠有效地控制圍護(hù)樁體變形及周邊土體滑移，對(duì)減少基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間，合理組織挖土與支撐架設(shè)兩道工序的穿插與配合，確�；�坑安全，保護(hù)周圍環(huán)境是有顯著效果的。
4 支撐體系轉(zhuǎn)換
基坑支撐體系轉(zhuǎn)換流程如下：
支撐體系轉(zhuǎn)換過(guò)程要嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行，加強(qiáng)基坑監(jiān)測(cè)，保證基坑安全。實(shí)踐證明，上述體系轉(zhuǎn)換方法能夠避免支撐倒換，減少對(duì)基坑的擾動(dòng)，為緊后工序創(chuàng)造了工作面和工作空間，提高了工程質(zhì)量，是一種安全、合理、高效、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)換方法。
5 施工信息化監(jiān)測(cè)
地鐵洪湖里車站地處天津市中心地帶，基坑深達(dá)12.5m，由于主體結(jié)構(gòu)的影響，三層支撐標(biāo)高的調(diào)整幅度比較大，故施工過(guò)程中進(jìn)行信息化監(jiān)測(cè)是確保基坑安全的重要環(huán)節(jié)。
支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要分為應(yīng)力監(jiān)測(cè)與變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)儀器主要采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀等，應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器主要采用應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、壓力傳感器和孔隙水壓力計(jì)等。
從深基坑施工安全性考慮：灌注樁、鋼支撐是深基坑施工主要的受力構(gòu)件，其受力的大小是否符合理論計(jì)算是進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要目的之一，根據(jù)前述圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析選擇－8.8m標(biāo)高處、－4.3m標(biāo)高處位置作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于鋼支撐主要承受壓力，我們?cè)阡撝�撐的端部設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
深基坑施工中必將引起基坑周圍及坑底土體的變化，其變形量的大小直接影響到周圍建筑物（構(gòu)筑物）的結(jié)構(gòu)安全，因此施工過(guò)程中在基坑周圍及坑底設(shè)立數(shù)個(gè)變形量監(jiān)控點(diǎn)。
工程中的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及結(jié)構(gòu)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖15所示：
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表
在這里，我們選取DK1+612.00、DK1+659.00、DK1+684.00斷面測(cè)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出如下規(guī)律：
⑴．實(shí)測(cè)值較理論計(jì)算值偏小，原因有：計(jì)算方法尚需進(jìn)一步完善；計(jì)算取值及邊界條件皆偏安全；監(jiān)測(cè)方法及手段尚需改進(jìn)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的游離性；施工時(shí)支撐架設(shè)的及時(shí)性有差異；挖土工況與計(jì)算模型之間存在差異；現(xiàn)場(chǎng)堆載、車輛行駛、地下水、雨季及其它不確定因素的影響。
⑵．在澆筑封底砼后，隨著基坑兩側(cè)土體的重新固結(jié)穩(wěn)定，灌注樁內(nèi)力、支撐內(nèi)力變化趨于平穩(wěn)且略有下降。
⑶．支撐軸力在支撐安裝后72小時(shí)左右達(dá)到最大值，此后開(kāi)始略有下降。
⑷．拆除第三層支撐后，灌注樁內(nèi)力及第二層撐軸力增加幅度不大，約為10%左右。
⑸．地表沉陷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)歷時(shí)較長(zhǎng)，約為半個(gè)月左右，但直到回填土完成后，沉陷依然略有發(fā)展。
⑹．地表沉陷量最大點(diǎn)距基坑邊緣距離近似等于基坑深度。
⑺．在水泥攪拌樁截水帷幕止水效果理想的情況下，地下水位變化、基坑回彈容易控制在允許范圍之內(nèi)。
⑻．在止水帷幕滲漏水量較大處，或只有八字角撐處灌注樁位移量及地面沉陷量可成倍增加。
6 結(jié)論
⑴．城市地鐵車站及類似的大跨度、深基坑中應(yīng)用灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護(hù)體系是切實(shí)可行的支護(hù)方案。
⑵．在確�；�坑及周邊環(huán)境安全的前提下，將支撐標(biāo)高適當(dāng)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)中層板（頂板）及側(cè)墻無(wú)障礙施工，減少“倒撐“次數(shù)，減少對(duì)基坑的擾動(dòng)，方便施工，但必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的理論計(jì)算，制定高效、合理的取土方案，加強(qiáng)信息化監(jiān)測(cè)。
⑶．寬度為30m左右的大跨度基坑，在場(chǎng)地土較好并確保安全的前題下，可將雙排支撐立柱改為單排，以擴(kuò)大基坑凈空，減少障礙，便于土方取運(yùn)，也利于改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的連續(xù)性與整體性。
⑷．施工中可采取切實(shí)可行的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)支撐體系轉(zhuǎn)換，以提高工程質(zhì)量。
⑸．應(yīng)用時(shí)空效應(yīng)理論指導(dǎo)土方挖運(yùn)與支撐安裝，能夠有效地減少基坑變形及周邊地表沉陷。
⑹．信息化監(jiān)測(cè)在深基坑施工中是必不可少的保障措施。