中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001
摘要：郑州市107辅道快速化工程PPP项目下穿隧道工程基坑开挖，属于一级基坑。其中有3节段跨越七里河、1节段上跨郑州市地铁一号线，开挖深度较大、地质情况较为复杂，不确定因素较多。基坑降水困难。本文通过对107下穿隧道工程基坑开挖施工研究，总结针对复杂情况下深基坑开挖施工经验。
关键词：深基坑；支护开挖；降水；监测
1工程概况及现状
郑州市107辅道快速化工程，位于郑州市中心城区东部，全长1351.32m，双向八车道规模。隧道基坑采用明挖法施工,基坑宽约39米,基坑深7～17.25m。放坡开挖支护段长度305m，桩身支护段长1045m，开挖深度10-19m，支护形式为第一层为混凝土支撑，支撑间距为7m，第二第三层为钢支撑，支撑间距3m，支撑体系竖向间距为3-4米。
现施工场地原为耕地，局部堆放弃土，高度约7-12m，地形起伏较大，地面高程85.41m-98.54m（黄海高程），最大高差13.13m，现施工场地所处地貌单元为黄河冲积泛滥平原。
根据勘探揭露，场地内浅层地下水可分为孔隙潜水和承压水两种类型。结合区域水文地质资料，综合考虑场地的承压水头高度为12.0m，其对应高程为82.50m。孔隙潜水含水层的综合渗透系数为0.5m/d。
2 本工程主要存在施工难点
（1）该下穿隧道地下水位高于基础面5-6米，且在底板高程及以上4米范围内有一层弱透水层，且该土层容易液化，开挖设备不能直接在该土体行走；通过复合降水降低地下水位和疏干弱透水层中的含水，确保大面积机械化作业；
（2）开挖出土难度大，运输通道不能形成，不便于组织施工，且施工费用高；
（3）本工程施工部分施工阶段由于受3米污水管改迁、下穿七里河、上跨地铁、高压线改迁等影响，不能形成连续开挖面，出土通道受限制；研究合理的开挖支护方法和规划出土顺序尤为重要。
3 基坑开挖要求
在开挖过程中按“分层、分步、对称、平衡、限时”五要点进行施工。基坑开挖遵循“分段分层、由上而下、先支后挖”的原则。深基坑开挖：“竖向分层、纵向分段、平面分块”；单个区段开挖：“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”；施工过程中应掌握“先撑后挖”与“边撑边挖”相结合。
（1）基坑开挖前应做好场地的地面排水措施；同时，提前进行基坑内降水，把地下水位降至最终基坑开挖面一下1m处，已疏干和加固土壤，必须严格保证降水效果，知道主体结构施工完毕，并回填覆土后方可停止降水。
（2）基坑开挖前，要编制专项施工方案，经专家评审后方可实施。挖图机械的通道布置、挖图顺序、土方驳运以及材料的堆放须以避免引起对围护结构的不利影响为原则。
（3）为减小基坑和地面变形，确保施工安全，基坑开挖应严格按照施工组织设计要求，分层、分段对称平衡开挖，确保纵向上坡稳定。基坑纵向开挖分段长度要与结构纵向施工缝的距离相一致，切勿全长同步一次开挖。坑内相邻土体高差不得大于2m，坑内破体坡度控制在1:2左右。开挖至距坑底300mm是应由人工开挖、找平并对坑底进行及时封闭，基坑底应考虑-20cm施工误差。
（4）在施工过程中应根据现场施工实际情况与地质勘察资料进行核对，若有变化应立即通知监理、勘察、设计单位现场调整处理，一满足设计要求。
（5）下穿3m污水管节段开挖，在施工过程中管线范围和管线埋深的可能深度范围内，应采用人工开挖基坑，以免损坏管线、确保在施工期间污水管的安全和正常使用。基坑开挖过程中应加强对基坑周边地面监控测量。
（6）下穿七里河基坑开挖，施工过程中首先要确保七里河汛期安全度汛，处理好围护结构的止水和防渗。
（7）上跨郑州市地铁一号线基坑开挖。在施工过程中必须对地铁盾构采取保护措施，
避免直接在盾构上方近距离开挖引起的盾构上浮及地下结构“欠补偿”对下方盾构抗浮的影响。
（8）当施工工期较长时，特别是在冬季和雨季施工停歇时间较长时，开挖边坡面宜及时采取钢筋网喷射混凝土或采用毡布覆盖，坡顶设置挡水堤、平台面设置截水沟等措施护坡。
4 基坑开挖总体规划和布置
根据设计图纸, 对K11+186～K11+621.5段需进行施工降水后方可进行开挖施工。该区间底板标高69.642～73.344，均处于含水层中，其中里程K11+325.029废水泵房底板标高为68.121。需降水基坑区域长约320m，宽37～38m，土方开挖时，不可能全断面开挖，降水设计需考虑土方的分段开挖。
基坑开挖严格按照“时空效应”理论，遵循“开槽支撑、随撑随挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，采用“纵向分段，竖向分层，中间拉槽”的施工方法。施工过程中加强测量监控，确保基坑土方开挖的安全。
基坑开挖顺序为：根据节点工期要求结合现场情况，计划分两期施工，一期施工C1～C8、C12、C20～29、C31、C32段施工，二期施工C9～C11、C13～19、C30段。C1～C8段为放坡、土钉墙、喷锚支护；主要施工流程为：先开挖至桩基施工高程，施工围护结构，再开挖至第一道混凝土支撑底高程，施工第一道混凝土支撑，顺序向下开挖至第二道钢支撑底部，安装钢支撑，开挖至第三道钢支撑底部，安装钢支撑，结构底部预留30cm人工开挖。按纵向分段、竖向分层的原则分别开挖。纵向根据场地条件分段施工，人工配合吊车安装钢支撑。在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点，遵循“竖向分层、纵向分区分段、先支后挖”的施工原则。
5 施工工艺流程
施工准备及降水施工→冠梁及第一道支撑混凝土施工→第一层土方开挖，桩间喷混→第一道围檩、钢支撑安装→第二层土方开挖，桩间喷混→第二道围檩、钢支撑安装→土方开挖，桩间喷混→垫层施工，进入主体结构工序施工.
6施工降水
本工程地下水位高于开挖基础面5～6m，且在高程74.00～77.80（基础面高程73.90左右）左右有一层弱透水层淤泥质土，根据前期开挖勘探和开挖试验，本工程采用复合降水形式，及采用管井加真空降水方案。即在在开挖之前先进行管井降水，待开挖到弱透水层以上0.5m左右开始进行真空降水井施工，采用真空降水方法对该层土质进行疏干，达到在干地条件开挖和运土。
（1）管井降水施工
经过计算，降水井设计深度为27m（井口标高为87m）降水井具体结构如下：
降水井结构：孔径550mm，井管采用直径273mm、壁厚3mm的钢管，0～7m为钢管实管，7～27m为钢管滤管，底部留1m厚沉淀管，滤料为中粗砂，回填至初始地下水位以上，滤料上部回填钻渣或原地层土固井。
（2）真空降水施工
弱透水层以下的基坑开挖前，在基坑内的土层中增加真空井点降水，将土体中的滞水通过真空抽水机组吸至地面而排除，使土体产生固结以方便土方开挖。
根据计算及现场弱水层位置 ，井深4.5米，井点管距基坑边距离为1.5m，井点纵向间距为1m，考虑每组井点机组的控制面积，纵向按约15个井点划分为一个基坑井点降水施工段，根据试验纵向采用八排井点。
7 土方分层开挖及分层出土方法
（1）开挖顺序
1）深基坑开挖纵向分段
基坑纵向开挖分段按照支撑平面布置及隧道节段划分，分段原则：施工缝与变形缝相结合。每段开挖以保证主体结构施工环节达到流水作业的原则，每施工50～60m施工到基底后，应在基坑内靠近围护结构处设置安全通道（供人员上下基坑使用），计划分32个区段.
开挖时遵循阶梯状开挖施工顺序，“从上到下，分层、分块，预留护坡，阶梯流水开挖，垫层及时浇筑”的总原则。基坑开挖从两头向中间施工，纵向开挖采用临时放坡开挖，放坡坡度参照相关规范规定：对于顶部粘土、杂填土层，坡率采用1:1.5；对于中风化、微风化岩层采用1:1，纵向边坡在合适高度设置台阶。
每一层开挖至坡脚设置横向截水沟及集水坑，深基坑开挖过程中基坑排水采用明沟截流排水。
2）深基坑开挖竖向分层
基坑土方竖向分层开挖，先破除沥青路面结构层后采用反铲挖掘机开挖至冠梁底标高，施工冠梁及第一道钢筋混凝土支撑；当冠梁、混凝土支撑强度达到设计要求时采用反铲挖掘机配合长臂挖掘机下挖至第二道钢支撑下0.5m，同时进行开挖部位桩间喷射混凝土施工，待第二层开挖部位桩间喷射混凝土施工完毕及钢支撑安装后，继续采用同上方法挖至第三道钢支撑下0.5m，安装第三道钢支撑，最后开挖至基底，立即约请设计、地质勘察、监理、业主代表进行地基验收工作，核对地质资料，检查基底土质与工程地质勘查报告、设计图纸是否相符，有无破坏原状土质结构或发生较大扰动现象。对土质不符合要求的部位，应请设计提出处理方案，超挖部位采用碎石换填处理。
3）平衡、对称、限时
平衡、对称：深基坑土方开挖由中间向两侧对称拉槽开挖，两侧开挖高度保持一致，以中心向两侧每台阶放坡坡率为在粘土层及填土层采用1:1.5、中风化和微风化采用1:1，保证基坑两侧围护结构均匀受力。
限时：根据施工段划分每层段开挖土方量约为880m3，按机械设备配备每小时最大开挖量60m3，每层段开挖时间不超过14小时，16小时候后可以保证每层开挖槽段钢支撑架设完成。
4）基坑开挖与支护施工步序
基坑开挖遵循“分段分层、由上而下、先支后挖”的原则。
（2）出土方式
在开挖过程中按“分层、分步、对称、平衡、限时”五要点进行施工
1）顶圈梁及以上土方开挖
顶圈梁及以上土方开挖采用挖掘机直接开挖装车运输的方式，边坡按照1:1进行喷锚支护，开完完成后进行顶圈梁施工，顶圈梁两侧的排水沟形成，确保外来水不流入基坑。
2）顶圈梁以下土方开挖
顶圈梁以下土方开挖原则尽量避免土方二次倒运，且要满足支护的要求，确保基坑安全。根据二期节点和影响因素，先进行施工段落的总体规划和布局，确定好后进行分层分段开挖施工。
以单个段落为例叙述如下：先进行该段落运土通道的掏槽作业，即在该施工段落隧道正中间由外向里进行掏槽，掏槽深度为第一层钢支撑以下0.5米，运土通道底宽8.0米（保证两车道宽度），两侧坡比为1:1（根据边坡稳定性可适当调整）。为了运土保证重型运土车辆行走，在运土通道铺设加工的钢走道箱，钢走道箱采用钢板和工字钢加工而成，钢板上焊接钢筋防滑条。
开挖运土通道形成后，再从里向外依次分层开挖两侧的土体，两侧土体开挖至第一道钢支撑以下0.5米，同时中间运土通道下降至第二层钢支撑下0.5米，完成后架设第一道钢支撑并施加轴力，钢支撑采用汽车吊安装。第三层土方开挖方法同上，直到开挖到基坑底部。
3）最底层土方开挖：
底层土方开挖仍采用挖机与人工开挖结合的方法，减少对基础面的扰动，清理完成后验收进行混凝土垫层浇筑。
8 基坑监测
本工程属于深基坑开挖支护，是一项风险较大的地下工程，在施工过程中，必须密切监测围护结构、土体的变形，根据这些变形的发展情况及时调整施工工艺，实行信息化施工。必须同时做好现场周边居民建筑物原状拍照和录像资料，作为后期施工的依据，据本工程的周围环境、基坑本身的安全等级及施工特点，及有关文件中对监测工作的具体要求，在基坑周边附近布置测点以监控基坑变形及稳定性。
本工程的具体监测项目为：地下管线沉降监测、周边建筑竖向位移监测、地下水位监测、地表沉降监测、、围护结构监测、桩体水平位移监测、桩顶（坡顶）水平位移监测、桩顶（坡顶）竖向位移监测、支撑轴力（钢支撑、混凝土支撑）监测；检测频率应满足一下要求。
9 质量控制
（1）基坑开挖须在围护结构、地基加固、降水均达到设计要求后方可进行，基坑周边顶面超载≤20kpa。
（2）基坑开挖时，应充分利用“时空效应”的作用，必须分段、分区、分层、对称进行，做到随挖随撑，不得超挖。每步开挖所暴露的部分围护墙体宽度宜控制在3～6m，每层开挖深度不大于2m，严禁在一个工况条件下一次开挖到底。
（3）基坑开挖时，应根据各层土体物理力学指标选取适宜纵坡坡度，每个纵向分段内分小段、分层均匀开挖，确保纵坡稳定。纵坡总体坡度≤1:3，坡顶严禁堆土。
（4）纵向放坡开挖时，应在坡顶外设置截水沟或挡土堤，防止地表水冲刷坡面和基坑外排水再回流渗入坑内，当施工期较长时，开挖边坡时宜及时采用钢丝网水泥喷浆等措施，做好边坡保护。
（5）基坑开挖应及时设置内排水沟和集水井，防止坑底积水。
（6）土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致，并遵循“先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则。
（7）每一工况挖土及钢支撑的安装及施加预应力时间一级基坑段不得超过8h，二级基坑段不得超过16h，最下层混凝土垫层作为一道支撑，从最后一道支撑以下开挖到浇筑垫层在24h内完成。
（8）采用机械开挖土方式时，挖土机械和车辆不得直接在支撑上行走操作，严禁挖土机械碰撞支撑、立柱、井点管、围护墙和工程桩；机械挖土时，坑底应保留不少于500mm厚土层用人工挖除整平，防止基坑土扰动。
（9）土方开挖时，如若在基坑周边弃土，弃土堆放应远离基坑顶边线30m以外。
10安全措施
本工程属于深基坑开挖支护，是一项风险较大的地下工程，在施工过程中，必须密切监测围护结构、土体的变形，根据这些变形的发展情况及时调整施工工艺，实行信息化施工。必须同时做好现场周边居民建筑物原状拍照和录像资料，作为后期施工的依据，据本工程的周围环境、基坑本身的安全等级及施工特点，及有关文件中对监测工作的具体要求，在基坑周边附近布置测点以监控基坑变形及稳定性。
本工程的具体监测项目为：地下管线沉降监测、周边建筑竖向位移监测、地下水位监测、地表沉降监测、、围护结构监测、桩体水平位移监测、桩顶（坡顶）水平位移监测、桩顶（坡顶）竖向位移监测、支撑轴力（钢支撑、混凝土支撑）监测；检测频率应满足一下要求。
结束语
本隧道C20～C26节地下水位高于开挖基础面5-6m，且在高程74.00-77.80左右有一层弱透水层淤泥质土，开挖难度很大。在基坑土方施工过中，采用一系列先进的技术和工艺进行施工，其中采用管井加真空降水相结合的降水方案设计新颖，技术先进，与单种降水方法相比较，能彻底将基坑水疏干，达到在干地条件下基坑开挖和运土。先行开挖出土通道后，铺设钢走道箱便于渣土运输车行进。目前该方法已运用在开挖施工中，进度和质量均满足合同要求，得到了各方的好评。