地铁深基坑土方开挖及钢支撑架设技术.doc

深基坑土方开挖及钢支撑架设技术 一、 工程概况及地质描述 （一）工程概述xx站位于xx大道与xx交叉路口南侧，沿xx大道南北布置，与5号线通过联络线换乘。车站总长为226m，标准段宽度为21.1m，顶板覆土33.5m，标准底板埋深1617m，端头井底板埋深17.818.3m；南北端头均为盾构接收井，车站共设4个出入口和2个风道和一个消防疏散通道，其中西侧2个出入口预留。车站采用明挖顺作法（局部盖挖）施工，主体围护结构采用1200950（盖挖路面西侧部分，其平面尺寸为51.9*12m）1000750套管咬合桩水平内支撑体系。基坑标准段设置4道支撑、端头井设置5道支撑（17轴设置换撑），其中首道支撑均为钢筋砼支撑，其余支撑均为60916钢支撑。钢筋混凝土支撑间距一般为89m，盖挖节点采用400mm厚砼盖板，第一道砼支撑局部加密（间距6m左右）兼做路面梁体；钢支撑间距约为3.00m3.5m左右，由于基坑较宽，砼支撑下方增设格构柱，采用型钢梁支承钢支撑，以减小钢支撑的长细比，增加稳定性，支撑横梁采用2I45b型钢焊在钢格构柱上，钢支撑共260根。第一道混凝土支撑与冠梁同时施工，第二五道钢支撑均支撑在钢围檩上，换撑两端支于结构侧墙上，钢围檩与围护桩之间间隙采用C30细石砼填充。（二）工程地质及水文地质 1、工程地质拟建场地地貌单元属岗间坳洼区地势比较平坦，地面高程在8.619.66之间，基坑范围内土层从上到下依次为：为-1杂填土，-1b2-3粉质粘土、-2b4淤泥质粉质粘土、-3b3-4软流塑粉质粘土、-2b2-3粉质粘土、-2c-d2-3粉土夹粉砂、-4e含砾石混合土、K1g-2强风化泥质粉砂岩等；车站底板位于淤泥质粉质粘土和软-流塑粉质粘土高压缩性土层中。主体围护结构插入强风化岩深度约24米。见xx站工程地质层剖面图。 2、水文条件本区间场地地下水主要为孔隙潜水，局部分布有弱承压水，其中孔隙潜水主要赋存于杂填土。主要受大气降水及地表水补给影响，以大气蒸发和侧向径流为主；弱承压水主要分布在粉土夹粉砂、粉质粘土夹砾石中，弱承压水含水层厚度相对较小，且分布不均、富水性一般、水量一般，水位变化主要受地下水侧向径流补给影响，其余土层属于微透水不透水层，为相对隔水层；地下水静止水位为1.001.60m，承压水位为5.5m，埋深约为2230m，相当于基底以下511m。（三）周边环境与地下管线情况 1、周边环境情况xx站位于xx大道与xx交叉路口南侧，沿xx大道南北布置，车站西北角有一层5层商业住宅综合楼，与车站主体距离为10.7m；车站主体距离东侧二冲沟最近处约14m，联络线外凸段距离二冲沟最近4.8m。 2、地下管线情况xx站场地周围主要的地下障碍物为沿线分布的地下管线，勘察时采用人工探槽法进行管线探查与保护，结合现场管线保护标志分析，xx站西侧平行于车站有2根1000mm供水管，一根铸铁管，埋深3.55m；一根为钢管，埋深1214.5m，两根管均位于车站西侧。xx站地下管线处理一览表序号管线名称位置采取措施11000供水管/铸铁位于车站西侧，埋深约4m，平行于车站基坑，距离车站主体最近约8米。临时保护21000供水管/钢管位于车站西侧，改移后埋深约45m，平行于车站基坑，距离车站主体最近约8米。临时保护3DN600雨水管/砼横穿车站，埋深1.9m已改迁4DN700雨水管/砼横穿车站，埋深1.6m已改迁5DN800雨水管/砼横穿车站，埋深3.0m已改迁6DN300雨水管/铸铁横穿车站，埋深1.4m已改迁二、土方开挖施工方法（一）基坑分段施工缝布置的原则： 1、沿xx站主体纵向施工缝设置长度为20m左右，不易大于25m；2、施工缝设在纵向柱跨中的14处（即结构受力较小处）；3、施工缝避开主体结构与附属结构的连接处；4、施工缝避开集水坑、降水井、电梯井等结构；5、施工缝与后浇带相结合，本车站设置两道后浇带；6、每段工程量不易过大，以确保每段各个环节施工达到流水作业的原则；结合以上原则本基坑共分11段（A段K段）进行土方开挖施工，分段长度为 主体结构分段图2023m。（二）基坑开挖条件 土方开挖是深基坑施工的一个重要环节，基坑具备土方开挖的条件有：1、钻孔咬合桩全部封闭且桩基检测合格;2、冠梁及首道支撑完成且强度达到80%以上;3、钢支撑到位并通过验收;4、降水措施按降水方案实施;5、监测点需按方案埋设并收集原始数据;6、施工便道畅通，排水设施能正常使用;7、现场按照环保局要求布设洗车槽并验收合格;8、机械、人员到位并进行安全技术交底;9、基坑周边防护上下通道布设并按要求进行封闭; 10、按照建设分公司质安部组织的“基坑开挖节点验收”进行验收并合格。（三）土方挖运方法根据xx站场地条件，xx站拟投入2台普通挖机+2台超长臂挖机+2台小型挖机进行土方开挖施工，以挖机挖土为主，人工修挖为辅。 （四）土方开挖顺序根据本工程总体筹划及2012年工期节点计划，结合现场实际，先开挖南端80m范围小基坑，待围护结构全部封闭后，再依次由北端向中间推进开挖。（五）土方开挖原则土方开挖在围护结构及桩顶冠梁达到设计强度要求，才能进行土方的正式开挖。土方开挖原则如下：1、根据基坑变形理论分析计算，提出考虑基坑时空效应规律的开挖施工程序及主要施工参数，包括开挖段数、分步开挖的空间尺寸、开挖坡度、每步开挖和支撑所需时间及支撑预应力值等施工参数。2、基坑开挖时随时根据监测结果不断进行施工参数的调整和优化，及时架设支撑和施作结构，以减少围护结构变形，确保周边环境稳定。3、土方开挖遵循“时空效应”理论，基坑开挖应严格遵循“先撑后挖、竖向分层、纵向分段、平面分块、严禁超挖”的原则。分层：根据支撑设置情况分为4层开挖，每层开挖至支撑中心标高以下1m；为防止基坑局部失稳，将每层开挖段分为两个亚层，保证每层高控制在2m左右。分段：沿xx站纵向根据支撑平面位置分段，每段完成3根支撑范围内的土方开挖工作量，每个作业平台及纵向放坡均为3根支撑长度约为89m。分块：每层每小段土方开挖采用分块作业，根据本工程围护结构和基坑支护系统的特点以及现场实际情况依次进行分块的开挖。纵向放坡：沿基坑开挖方向纵向进行放坡，纵向放坡总长度为5060m，纵向放坡系数为1:3。4、加强对地下水的处理，基坑内采取明排水、降水井抽排的方法疏干地下水。5、尽量缩短围护结构暴露时间，土方开挖结束时立即跟上基础垫层的施工，以抵抗基底隆起变形，并形成底层支撑，降低基坑围护结构变形速率。6、土方开挖时严禁在基坑边堆放弃土。7、加强对开挖标高的控制，应避免对基底原状土的扰动，对设计坑底标高以上30cm的土方，采用人工开挖至设计标高。8、施工过程中，避免土方开挖机械对围护结构、降水井及支撑系统等的碰撞破坏，上述部位附近的土方开挖由人工进行。9、施工过程中，加强对立柱桩的保护，在其周围挖土时，应薄层、缓坡、对称开挖，并远离桩位作业。10、采用机械挖土、机械运输，以确保施工效率和实现节点工期。11、每层土方开挖1.5m时按设计图纸在桩间立即采用C20细石砼抹平。（六）基坑土方开挖施工流程为保证基坑安全、施工进度，根据本工程基坑特点，对基坑土方开挖拟采用以下施工流程：1、开挖至第一道支撑底标高，施做围护桩的冠梁、浇筑首道混凝土支撑。2、待首道混凝土支撑强度达到80，以小于1：2的坡度分层开挖至基底标高，每层厚度不宜大于2m。3、开挖至第二道钢支撑下1m，架设第二道钢支撑。4、开挖至第三道钢支撑下1m，架设第三道钢支撑。5、开挖至第四道钢支撑下1m，架设第四道钢支撑。分层开挖土体，直至开挖至基底上方30cm。6、人工开挖至基底标高，施做底板C20素混凝土垫层。（七）土方开挖施工方法首道钢筋砼支撑土方约11865m3，直接采用2台普通挖机进行开挖；剩余土方量约80682m3，首道砼支撑至第一道钢支撑垂直距离约5m，根据以往施工经验，采用4台普通挖机进行放坡开挖，其中2台挖机装土， 2台挖机喂土；第二钢支撑以下土方采用2台超长臂挖机+2台小挖机配合挖土，配套10辆14m3运输汽车。1、端头土方开挖 端头井部分先开挖转角并架设斜支撑，后开挖标准段并架设直撑的顺序施工。在端头井坑外布置1台超长臂挖掘机取土，坑内布置2台0.5m3小型挖掘机喂土，分层放坡挖土并将土方直接装车外弃。每块土体开挖时间不超过10小时，每块的钢支撑在土方挖完后6小时内安装完毕。 最下层土方在开挖时由于没有支撑架设，但需要清底浇筑垫层。土方分两块开挖清底，开挖完一块并清底至设计坑底标高后及时浇筑混凝土垫层。2、标准段土方开挖标准段土方开挖按程序分层、分段、分块开挖，纵向放坡。标准段土方开挖采用在坑内布置2台小挖掘机喂土，基坑上方采用2台超长臂挖机将土方直接装车外弃。 对紧靠端头井的标准段而言，其实就是端头井同步放坡开挖部分，也就是在端头井第二层土方开挖前，紧挨端头井的标准段直撑部分第一段（二根支撑）已开挖并支撑好了。然后按上述原则分层分段分块放坡开挖。常规要求，开挖每段墙边土方时间控制在10小时内，支撑时间控制在79小时（直撑）完成。也就是说假如一层支撑高度3.0m、段长9.0m、基坑宽20m，其土方量为540m3，4台挖机同时作业必须在17小时内完成土方和支撑施工。自一小段土方开挖开始到支撑施加轴力完成的时间分解如下：总时间=土方开挖8小时+钢支撑安装8小时+支撑施加轴力1小时=17小时。每小段土方开挖的高度和长度详见下图。 标准段基坑土方开挖及装运流程图基坑纵向分层开挖与支撑示意图如下： 标准段基坑土方开挖流程图 称开挖，先抽条开挖中间部分，再开挖两侧靠近围护结构的土方，两侧开挖完成后立即进行钢支撑安装，尽量减少围护结构无支撑暴露的时间。挖土顺序为1-2-3。见下图标准分段土方开挖顺序图所示。标准分段土方开挖顺序图3、盖挖部分土方开挖盖挖部分分3段（16m）开挖，采用2台小型挖机+1台超长臂挖机配合挖土，2台小型挖机将盖挖部分土方倒运至明挖部分，再由长臂挖机从明挖部分装车运走，开挖一段架设一段钢支撑，严格控制基坑无支撑暴漏时间。（八）土方开挖的注意要点1、挖土要有专人指挥，严禁抓斗碰撞支撑和井点管。以单元组成的小段土方，根据常规挖运能力，一般各层土的小段土方在68h内可完（包括修坡），随即在47h内安装好该小段内的支撑（包括加力），在610h内设好斜撑。当该小段处在重点保护对象影响范围内，时限应更短。2、要严格按结构施工段，紧紧的抓住“三快”，尤其是坑底层上一层的土（即最下道撑的层土）和坑底层（即筑垫层）的土，要一鼓足气快速连续的挖和撑。30cm层人工挖土和素混凝土垫层要在24h内完，随即抓紧浇筑底板，标准段底板混凝土在垫层完后的5d内完成。当正在挖这30cm土时遇下雨，更要抢，要挖一小段，浇一小段垫层，不能停止施工。如造成垫层标高等质量不合要求，则待雨停后，再凿去重浇垫层，以保坑底土不被软化，避免因此而引起的不良后果。3、要严格按设计结构段，逐段开挖，不宜出现连续四段在挖土支撑，也即分层分小段呈踏步式台阶，要控制在三个结构段内，以减少有撑基坑搁置时间过长。4、开挖过程中要经常检查降水的效果，能在开挖前降至设计深度最好，如不能，则降水深度应超前，保证土体在开挖前应35m已排水固结。当坑外观测水位比原地下水位下降0.5m时要分析原因，立即采取措施。5、随挖土清除围护结构上的附土和凿毛桩面的同时，应对围护结构桩身或接缝的渗漏水进行及时封堵，不要让渗入的水软化坑内土体,具体见缺陷桩处理方案。6、坑底不允许积水，为及时排除下雨的水，随挖土在坡底层应设置约0.8m 0.8m的集水井，层平台修成13排水坡或挖树枝状水沟。坡顶和坑内禁设横截沟，沿围护结构边禁设纵向沟。坡顶处应设高30cm的挡水土堤。7、在基坑开挖过程中，要紧跟支撑的进展，对围护结构变形和地层移动进行监测，根据监测资料及维护结构变形警标，及时采取措施改进，控制变形。8、待基坑将要挖到基底时，提前与接地网单位做好协调。9、在开挖过程中派专人指挥挖机，对立柱桩、降水井周围的土采用人工与机械配合挖运，防止立柱桩和降水井遭破坏。10、严格按照1：3的坡度进行分层开挖，确保临时坡体的稳定。三、钢支撑架设方法（一）钢支撑安装根据xx站实际场地条件，钢支撑在地面拼装完成后，然后再采用1台50T吊机先将钢围檩及钢横梁安装就位，再将钢支撑一次性架设完成；盖挖部分钢支撑（分两节）和钢围檩均采用1台50T吊机+2台10T手拉葫芦+1台小型挖机配合吊装到位，钢支撑的安装和拼接以及施工要求，质量检测均应按基坑工程设计规程及钢支撑钢施工的相关规定执行。xx站钢支撑场地设置在基坑南侧和北侧。起吊过程中派专人指挥。针对混凝土支撑与冠梁也制定了专项方案。（二）钢围檩、钢支撑施工顺序本工程钢围檩、钢支撑安装与土方开挖工程交叉进行，形成阶梯式挖土，每小块土方（6m范围）开挖完成后，必须同时支撑两根以上支撑。根据“分层分块，限时开挖和先支撑后挖土”的总原则，挖运土方施工至第一道钢支撑下1m然后安装钢围檩和钢支撑，在施工加好预应力并通过验收后，再挖运土方施工至第二道钢支撑下1m然后安装钢围檩、钢支撑，在施加好预应力并通过验收后，再挖运土方施工下道钢支撑。依照上述步骤，一直开挖到最后一道钢支撑，并安装完成钢围懔和钢支撑。然后继续开挖至基底面以上30cm时，采用人工平土。（三）钢支撑架设1、钢支撑体系加工钢支撑采用直径609mm钢管。钢管支撑分节制作，管节间采用法兰盘高强螺栓连接，支撑端部一端设活络头。钢围檩采用双拼的H型钢加工而成。其形式见钢围檩结构示意图、钢支撑接长示意图。图上尺寸均以mm为单位。 钢围檩结构示意图 钢管支撑接长示意图800 24钢肋板t=20I-I连接螺栓609钢肋板t=20连接螺栓2、钢支撑架设钢支撑架设施工工艺钢支撑安装工序包括：支撑拼组、吊装就位、施加支撑应力等，工艺流程详见钢支撑安装工艺流程图。基坑开挖安装支架吊装钢围懔、钢支撑施加预加力楔块锁定钢支撑拼装施工监测安装纵向系梁 钢支撑安装工艺流程图钢支撑架设时先安装支撑托架，后安装钢支撑，钢支撑采用50T吊机吊装、架设。（1）土方挖槽至分层位置时先设置托架，支撑托架安装牢固，并与预埋钢板或钢筋焊接牢固，以防止支撑因围护结构变形或施工撞击而脱落。（2）开挖时实行掏槽开挖，随挖随架支撑，在支撑位置挖出来之后，迅速安装支撑并及时按设计值施加预应力。（3）钢支撑架设时事先在基坑顶拼装，并按设计需要的钢管长度接长。钢管接长时，在钢管接头处焊上连接法兰盘及钢肋板，对接有法兰盘的钢管使用螺栓拧紧，接长至设计长度。钢支撑吊装采用吊机提升就位。（4）支撑加力之前，迅速设定支撑轴力监测点，取得初始读数后加力，加力后测试实际预加力，以此控制预加力施加准确。对钢支撑加力时，按设计分级加载和现场观测墙体加载反应决定加载速度，按设计要求预加力。（5）钢支撑预加力后，在土方开挖和结构施工时，做好监测工作，根据监测结果，发现异常及时采取补救措施。同时，监管好钢管支撑的安全，坚决杜绝危害支撑安全事件的发生。（6）斜支撑的架设最为关键，除架设要及时外，在斜支撑端头设钢牛腿，钢牛腿与预埋钢板满焊，防止滑移。斜撑预埋件设置考虑垂直及水平分力的作用。 钢支撑固定端、活动端结构示意图3、斜撑安装斜撑与围护结构有一定的夹角，斜撑通过H型钢接头箱与预埋钢板焊接成整体，焊接采用电弧焊，焊条采用E43焊条，焊缝高度不小于8mm。见下斜撑节点示意图所示。 斜撑节点示意图支撑活动端预加轴力示意图4、悬吊措施每道钢支撑及围檩均有悬吊措施，施工时需将围护结构钢筋笼凿除后，用22钢筋每隔50cm将围檩和钢筋笼焊牢固，以防施工脱落。（四）钢支撑预加轴力1、钢支撑施加轴力在基坑开挖过程中对随挖随撑好的钢支撑及时施加的轴向预应力，以减小支撑不及时引起围护结构变形。在钢支撑施工过程中，对所有钢支撑施加的轴向预应力值为设计支撑轴力的60%。由于施加预应力时存在应力损失，因此为了保证钢支撑预加轴力满足设计要求，在实际施工中拟施加预定轴力的90%轴力。2、钢支撑复加轴向预应力（1）在第一次加预应力后12h内观测预应力损失及墙体水平位移，并复加预应力至设计值。（2）当昼夜温差过大，导致支撑预应力损失时，立即在当天低温时段复加预应力至设计值。（3）围护结构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，但复加后的支撑轴力和挡墙弯矩必须满足设计安全度要求。3、预加轴力计算根据施工图纸计算，在施工过程中每道钢支撑均需施加预应力，预应力值详见下表及后附支撑编号图。2-2剖面（东、西侧）预加轴力表(KN) 编号部位BD1-1、BX1-1斜撑BD2-2、BX1-2斜撑BD1-3、BX1-3斜撑BD1-4、BX1-4斜撑第二道支撑（钢）2060 199419941661第三道支撑（钢）2323224822481874第四道支撑（钢）2279 220622061838第五道支撑（钢）23232248224818743-3剖面预加轴力表(KN）编号部位1号直撑2号直撑3号直撑4号直撑5号直撑6号直撑7号直撑8号直撑9号直撑10号直撑11号直撑第二道支撑（钢）1250 1500150015001500150015001500150015001500第三道支撑（钢）13251590159015901590159015901590159015901590第四道支撑（钢）132515901590159015901590159015901590159015904-4剖面预加轴力表(KN)编号部位12号直撑13号直撑14号直撑15号直撑16号直撑17号直撑18号直撑19号直撑20号直撑21号直撑22号直撑第二道支撑（钢）15001500150015001500150015001500150015501500第三道支撑（钢）15901590159015901590159015901590159016431590第四道支撑（钢）159015901590159015901590159015901590164315904-4剖面预加轴力表(KN)编号部位23号直撑24号直撑25号直撑26号直撑27号直撑28号直撑第二道支撑（钢）145015751500142516251500第三道支撑（钢）153716701590151117231590第四道支撑（钢）1537167015901511172315905-5剖面预加轴力表(KN)编号部位29号直撑30号直撑31号直撑32号直撑33号直撑34号直撑35号直撑36号直撑37号直撑38号直撑39号直撑第二道支撑（钢）13751625150013751675150014501688157516381775第三道支撑（钢）14581723159014581776159015371789167017361882第四道支撑（钢）145817231590145817761590153717891670173618826-6剖面预加轴力表(KN)编号部位40号直撑41号直撑42号直撑43号直撑44号直撑45号直撑第二道支撑（钢）129011611419141914281352第三道支撑（钢）114010261254125412621195第四道支撑（钢）1380124215181518152714477-7剖面预加轴力表（KN)编号部位46号直撑47号直撑D1-1斜撑D1-2斜撑DB1-1、DN1-1斜撑DB1-2、DN1-2斜撑1号斜撑2号斜撑3号斜撑第二道支撑（钢）1063 11131603 10391960 11881126 11171140第三道支撑（钢）9611007145194017731075101910111032第四道支撑（钢）108811401642 10642006 12161153114411678-8剖面预加轴力表(KN)编号部位4号斜撑5号斜撑6号斜撑7号斜撑8号斜撑9号斜撑10号斜撑11号斜撑第二道支撑（钢）1216 1216 1216 1216 1216 13371216 1094第三道支撑（钢）13681368136813681368150513681231第四道支撑（钢）136813681368136813681505136812318-8剖面预加轴力表(KN)编号部位12号斜撑13号斜撑14号斜撑15号斜撑16号斜撑17号斜撑48号直撑49号直撑第二道支撑（钢）1216