深基坑开挖方法与流程

本发明涉及地下空间建设的技术领域，尤其涉及一种深基坑开挖方法。

背景技术：

随着我国综合国力的增强，在我国大中型城市地下空间得到了大范围的开发与利用，因此在地下空间的建设过程中，涌现出了大量的开挖方法。明挖法因其安全性、造价的经济性和其应用范围的广泛性在地下空间的建设中得到了最为广泛的应用。在民用建筑地下室开挖、轨道交通车站、综合管廊等基础设施的建设过程中，到处可见其身影。明挖法有多种开挖方式，其中对于深基坑开挖方法的研究一直是行业的热点。

根据建设部建办质〔2018〕31号文件《住房城乡建设部办公厅关于实施《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》有关问题的通知》中规定：一般深基坑是指开挖深度超过5米(含5米)或地下室三层以上(含三层)，或深度虽未超过5米，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。

在城市环境中施工基坑工程时，因基坑开挖影响区内分布有大量有水有压管线、轨道交通等地下重要设施，基坑支护结构往往只能采用支挡式支护结构施工。通常采用的支护方式有桩(墙)+锚索结构、桩(墙)+内支撑结构(钢结构支撑或混凝土结构支撑)、悬臂式支护结构、逆作法结构。其各自具体做法如下：

一、桩(墙)+锚索结构

本方式可以适用于任意深度的深基坑，通常在基坑宽度较大不便施作内支撑的情况下采用。施作步序为：场地平整→大型机械(旋挖钻机、成槽机等)打设桩(墙)，施作冠梁→开挖至冠梁下方500mm，在冠梁处打设第一道锚索→开挖至第二道锚索下方500mm，施作腰梁，打设第二道锚索→依次顺序开挖直至坑底→施作垫层及防水，砌砖回填肥槽，结构顺做浇筑→上方覆土回填、恢复路面。本施作方法在城市宽大基坑中广泛使用，如高层建筑深大基坑、地铁深大基坑。其主受力结构为竖向(垂直自然地坪方向)的桩(墙)，水平方向的锚索加腰梁形成竖向桩(墙)的约束结构，从而减少桩(墙)的受力跨度，达到减少桩(墙)厚度节约工程投资的目的。

二、桩(墙)+内支撑结构

本方式可以适用于任意深度的深基坑，通常在基坑变形控制要求较高时采用。其施作方法为：场地平整→大型机械(旋挖钻机、成槽机等)打设桩(墙)，施作冠梁→开挖第一层土，在冠梁上架设第一道支撑→开挖第二层土，施作腰梁，架设第二道支撑→依次顺序开挖直至坑底→施作垫层及防水，浇筑底板→自下而上拆除支撑、施作各层楼板及侧墙→结构封顶，上方覆土回填。本施作方法在城市宽大基坑中广泛使用，如临近管线的高层建筑深大基坑、临近管线的地铁深大基坑。其主受力结构为竖向(垂直自然地坪方向)的桩(墙)，水平方向的内支撑加腰梁(有时无腰梁)形成竖向桩(墙)的约束结构，从而减少桩(墙)的受力跨度，达到减少桩(墙)厚度节约工程投资的目的。

三、悬臂式支护结构

本方式主要适用于深度较小的深基坑，通常在基坑受环境所限不能采用放坡时采用。场地平整→大型机械(旋挖钻机、成槽机等)打设桩(墙)→一次性开挖至坑底→施作垫层，自下而上浇筑结构至封顶→上方覆土回填。本施作方法在城市宽大基坑中有着一定的应用，但其控制变形能力相对较差，当周边存在变形敏感设施时，通常还会选择通过施作锚索或内支撑结构来转换为桩(墙)+内支撑结构或桩(墙)+锚索结构。其主受力结构为竖向(垂直自然地坪方向)的桩(墙)。

四、逆作法结构

当基坑开挖处地质环境较差、基坑深度深、存在轨道交通等变形敏感设施时通常采用逆作法。其施作步序为：场地平整→大型机械(旋挖钻机、成槽机等)打设边桩(墙)、中柱及柱下临时桩基→开挖土体至结构顶板下方500mm，施作顶板，回填覆土及地面道路恢复→在顶板支撑下开挖至地下一层底板下方500mm，施作地下一层底板及侧墙→开挖至地下二层底板下方500mm，施作地下二层底板及侧墙→依次开挖至坑底→施作垫层，浇筑底板及侧墙并与上方结构连接成完整结构。本施作方法在城市宽大基坑中有着一定的应用，其控制变形能力最好，但建造成本较高，通常在较为复杂的基坑工程中使用。其受力形式相比前述结构复杂，通过临时结构+永久结构形成复合式受力体系，其主受力结构为竖向(垂直自然地坪方向)的临时桩(临时墙)+永久结构墙+水平向的永久板结构板。

近些年来在我国地下工程建设中出现了以下新的问题：

1、在北京等一线城市，地下空间建设带来的断路施工、交通及管线导改等问题越来越不被现代化大型城市所接受，明挖法的适应性逐渐降低。以北京为例四环内的地下空间建设早已由“能明则明”进入了“能暗则暗”的时代。暗挖工程需要借助小的明挖基坑进行暗挖施工，通常是在不影响交通及管线等地下设施的位置布设明挖基坑，将明挖基坑作为暗挖开挖的出土进料通道而使用。在此种基坑的设计及使用中，为了便于暗挖进洞、提升暗挖段的安全度及节约工程投资，通常将基坑设计成为环向(平行自然地坪方向)受力的“倒挂井壁结构”。其施工步序一般为：场地平整→施作锁口圈梁及挡墙→向下开挖0.5m(一般为人工)，环向布设格栅并利用竖向拉结筋与冠梁拉结，喷射混凝土→-继续向下开挖0.5m，环向布设格栅并利用竖向拉结筋与冠梁拉结→重复上述操作向下开挖并逐层支护直至封底→开马头门进洞暗挖。因其是环向受力结构，其便于超前小导管、大管棚、管幕等超前支护措施的施作，可大大提高暗挖段施工的安全。尤其是在施作大型超前支护(大管棚、管幕)的情况下，其具有前四种支护结构形式不可替代的优势(其他四种结构主受力构件为竖向，水平向超前支护的施作会导致竖向主受力体系的截断，从而影响基坑工程的整体安全)。

经多年工程建设实践证明，因倒挂井壁结构环向受力的特点，其在基坑支护状态下进洞安全度远高于前四种支护结构形式。尤其是在进大洞的情下，前述四种支护结构难以完成。而基坑支护状态下进洞可节约工程建设工期(基坑支护状态下进洞，减少了二衬施作的工序和占用总工期的时间)，便于二衬结构的施作及质量，在工程建设工期紧张的情况下，具有极大的优势及不可替代性。而且，其可更好的保护地下敏感设施。传统支护桩及地下连续墙均通过大型机械施作，其通过大功率机械在地面进行非开挖施工，因施工难以避免施工误差且大型机械“切削”力大，因此需距离管线等地下敏感设施一定的安全距离方可确保地下管线等敏感设施的安全。随着我国城镇化的建设，城市地下空间环境日趋复杂，在北京等大型城市小净距及超小净距施工的案例日渐增多，为保证施工中邻近地下管线等敏感设施的安全，大量基坑采用了倒挂井壁法施工。其优势在于在临近敏感设施处可采用人工开挖，对土体及敏感设施扰动小、可清晰辨别邻近地下管线等敏感设施的位置并进行有效的保护、可避免勘察不清带来的误碰问题。

然而随着倒挂井壁法的大量应用，其缺点也日渐凸显。当在倒挂井壁基坑内施作永久二衬受力结构时，受倒挂井壁结构水平环向受力且每环自成受力体系的特点，二衬与初支的结构(受力)转化难以完成。倒挂井壁结构竖向通常选用0.5m～0.75m的间距，水平向跨度通常不超过4.0m～4.5m,如要安全保证回筑阶段的安全，在现实应用中存在如下三种方式：

(1)永久受力的二次衬砌结构，每次沿竖向施作0.5m～0.75m，此种方式会造成二衬结构的多道施工缝耐久性难以保证，且工程建设周期成倍增加。

(2)先完成每个小分隔内的结构(水平向4.0m～4.5m)，之后拆除支护结构，完成永久结构的连接。此种方式亦会造成二衬结构的多道施工缝耐久性难以保证，同时水平完成的二衬结构通常不具备自立性，需通过设置大量的临时支撑结构方可保证结构安全。

(3)为减少大量的施工缝确保耐久性，同时提高施工速度。施工单位自行拆除一定区域的支撑结构，在此前提下施作二衬结构。此种方式二衬施工的耐久性及便捷性大幅提高，但基坑支护结构在支撑结构拆除状态下，会处于不安全状态，存在极大的安全隐患。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种深基坑开挖方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种深基坑开挖方法，能针对支挡式支护结构难以实现基坑支护状态暗挖进洞、不利于超前支护施作、不利于暗挖段风险的控制以及难以邻近地下敏感设施施工的缺点而进行的改进，也针对倒挂井壁方法的永久受力的二次衬砌结构回筑阶段中施工缝众多耐久性难以保证或基坑支护状态不安全的缺点而进行更好的创新。

为实现上述目的，本发明公开了一种深基坑开挖方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、施作基坑锁口圈梁结构体系，在地面施作锁口圈梁及挡墙，以作为基坑未封闭前的地基基础，同时在锁口圈梁内预留第一方钢结构，架设锁口圈梁处的首道型钢内支撑结构，保证基坑水平向稳定性；

步骤二：确定基坑开挖进尺并开挖至开挖完成面，根据地层情况及基坑周边地下需保护的敏感设施的情况确定基坑的开挖进尺，基坑的平面中心土体先开挖，临近基坑的侧壁土体后开挖，所述平面中心土采用机械开挖或人工开挖，所述侧壁土体需采用人工开挖，从而形成开挖工作面；

步骤三：施作第一道水平环向支护结构，在开挖至单层进尺开挖完成面后，架设锁口圈梁下方的第一道水平环向支护结构并封闭，所述第一道水平环向支护结构由第一道临土支护结构及型钢内支撑结构组成，在第一方钢结构的水平环向连接第一道临土支护结构，架设第一道型钢内支撑结构形成第一道水平环向支护结构；

步骤四：施作后续水平支护结构，其中，在步骤三的第一道水平向支护结构封闭后，依据步骤二的方式继续开挖土体，土体开挖至单次开挖进尺完成面后，架设第二道水平环向支护结构，利用第二方钢结构与步骤三中的第一方钢结构进行纵向拼接，在第二方钢结构的水平向施作第二道水平环向支护结构的第二道临土支护结构，根据步骤三的方式进行第二道水平环向支护结构的施作，从而形成与第一道水平环向支护结构类似的第二道水平环向支护结构，继续施作，依次完成第3、4、5、6至第n水平环向支护结构，直至坑底并完成坑底封闭结构；

步骤五：在锁口圈梁上预留的第一方钢结构内下放小型的钢筋笼，并在由第一方钢结构及第二方钢结构分节形成的竖向空间内，浇筑混凝土，形成竖向支撑结构；

步骤六：利用上下相邻两环向水平支护结构间的非受力竖向空隙打设超前支护结构，在暗挖隧道支护结构的保护下更好的保证进洞暗挖的安全，实现支护条件下进洞；

步骤七：基于钢筋笼与方钢混凝土结构组成的竖向支撑体系，完成永久二衬结构的回筑。

其中：步骤一中所述第一方钢结构为多个且间隔设置于周缘的锁口圈梁内，所述首道型钢支撑结构包含中部设置的多个直撑和位于角部的斜撑。

其中：所述直撑的端部焊接至第一方钢结构，所述斜撑的端部焊接至第一方钢结构或临土支护结构，从而形成整体的稳固支撑。

其中：所述第一方钢结构的侧面通过多个栓钉进行固定，所述首道型钢内支撑的端部通过焊接钢板焊接固定至第一方钢结构，所述锁口圈梁的下端设有垫层。

其中：第一方钢结构及第二方钢结构在垂直地面方向的长度取为开挖步距长度+双向搭接长度，第一方钢结构及第二方钢结构采用不同的型号尺寸以起到纵向拼接定位的作用。

其中：第一方钢结构及第二方钢结构上对应设有螺栓孔以通过紧固螺栓进行第一方钢结构及第二方钢结构的上下紧固连接，且第一方钢结构及第二方钢结构内设有内置横隔板。

其中：第一道临土支护结构采用钢结构或钢筋格栅结构，采用钢结构时喷射混凝土或裸露的钢结构，采用钢筋格栅结构时喷射混凝土。

其中：第二道临土支护结构采用钢结构或钢筋格栅结构，采用钢结构时喷射混凝土或裸露的钢结构，采用钢筋格栅结构时喷射混凝土。

其中：在第二道临土支护结构完成后架设型钢内支撑结构。

其中：步骤七中拆除与二衬结构干扰的内支撑并浇筑二衬混凝土，拆除与地下一层结构干扰的型钢内支撑结构，浇筑二衬混凝土至封顶，拆除顶板上方剩余支撑、凿除冠梁等，回填覆土，恢复地面。

通过上述内容可知，本发明的深基坑开挖方法相比传统明挖深基坑具有如下效果：

1、本发明提供的深基坑开挖方法临侧壁土体采用人工开挖，在此基础上临土的水平环向支护结构采用人工施作，同传统支挡式支护结构采用大型机械化施作相比，本方法施工精度高、对周边环境影响小，从而可实现对管线等地下敏感设施的小净距施工，可有效利用地下空间资源，避免既有管线等敏感设施的迁改。

2、本发明提供的深基坑开挖方法临土侧土体采用人工开挖，在此基础上临土支护结构采用人工施作，同传统支挡式支护结构的大型机械化施作相比，其在开挖过程中可对地下环境进行精准的探测，避免在管线等敏感设施勘察不清的情况下地面进行大型机械竖向作业时对管线等敏感设施造成的破坏。

3、本发明基于主受力结构环向设置、环向承载的特点，同传统支挡式支护结构的主受力结构竖向设置、竖向承载的特点相比，其利用上下相邻两水平环向支护结构间的非受力竖向空隙，更利于暗挖超前支护措施的施作，尤其是大型暗挖超前支护措施的施作。相比传统支挡式支护结构施作的明挖基坑，其可大幅提高暗挖部分的安全度。

4、通过本发明施作的基坑，基于钢筋笼与方钢混凝土结构组成的竖向支撑体系，实现了从基坑开挖阶段水平环向支护承载模式到二衬浇筑阶段竖向支护承载模式的转变，相比倒挂井壁法有效避免了传统二衬施工中拆除水平向环向支撑后临土支护结构无支撑状态的出现，大大提高了二衬浇筑时基坑的安全性；同时二衬结构可一次性整层浇筑，施工缝数量大幅减少，提升了工程的耐久性及安全性。

综上本发明基坑施作方法对传统支挡式支护结构及倒挂井壁结构的优点给与了吸收。相比传统支挡式支护结构其更节约地下空间资源，有利于地下管线等敏感设施的安全保护，同时可避免地下管线等敏感设施的迁改，此外可极大提升暗挖工程的安全。相比倒挂井壁结构，其可显著提升基坑的安全度，有效减少施工缝，极大的提升工程的安全性及耐久性。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的基坑支护的剖面图。

图2显示了本发明的基坑支护的平面图。

图3a显示了基坑支护中第一方钢结构和锁口圈梁的平面图。

图3b显示了图3a中1-1向的剖视图。

图4显示了本发明开挖工作面的示意图。

图5显示了本发明施作第一道水平临土支护结构的示意图。

图6显示了图5的连接示意图。

图7显示了施作第二道水平环向支护结构的示意图。

图8显示了施作后续水平支护结构的示意图。

图9显示了开挖到底的示意图。

图10显示了设置钢筋笼的示意图。

图11显示了支护时进洞暗挖的示意图。

图12显示了图11中a点的放大示意图。

图13显示了拆除与二衬结构干扰的内支撑并浇筑二衬混凝土的示意图。

图14显示了拆除与地下一层结构干扰的型钢内支撑结构，浇筑二衬混凝土至封顶的示意图。

图15显示了拆除顶板上方剩余支撑、凿除冠梁等，回填覆土，恢复地面的示意图。

附图标记：

10、地面；11、锁口圈梁；111、垫层；12、挡墙；13、第一方钢结构；131、栓钉；14、首道型钢内支撑结构；141、焊接钢板；15、单次开挖进尺；16、平面中心土体；17、侧壁土体；18、开挖完成面；19、第一道临土支护结构；20、第二方钢结构；21、第二道临土支护结构；22、螺栓孔；23、紧固螺栓；24、内置横隔板；25、第二道型钢内支撑结构；26、支护锚杆；27、纵向连接结构；28、坑底封闭结构；29、小型钢筋笼；30、混凝土；31、超前支护结构；32、暗挖隧道支护结构；33、进洞暗挖；34、非受力竖向空隙。

具体实施方式

参见附图，显示了本发明的深基坑开挖方法。

所述深基坑开挖方法包括如下步骤：

步骤一、施作基坑锁口圈梁结构体系，具体为：在地面10施作锁口圈梁11及挡墙12，以作为基坑未封闭前的地基基础，保证基坑竖向的稳定性，同时在锁口圈梁11内预留第一方钢结构13(或类似的型钢结构)，架设锁口圈梁处的首道型钢内支撑结构14，保证基坑水平向稳定性，其中，参见图1和图2，所述第一方钢结构13为多个且间隔设置于锁口圈梁内，所述首道型钢支撑结构14包含中部设置的多个直撑和位于角部的斜撑，所述直撑的端部焊接至第一方钢结构13，所述斜撑的端部焊接至第一方钢结构或临土支护结构(钢筋格栅)，从而形成整体的稳固支撑。

其中参见图3a和图3b，所述第一方钢结构13的侧面通过多个栓钉131进行固定，所述首道型钢内支撑结构14的端部可通过焊接钢板141焊接固定至第一方钢结构13，所述锁口圈梁11的下端设有垫层111。

步骤二：确定基坑开挖进尺并开挖形成开挖工作面，参见图4，可根据地层情况，及基坑周边地下需保护的敏感设施的情况确定基坑的开挖进尺15，优选的开挖进尺可取0.5m～0.75m，周边土层较软弱时开挖前可打设支护锚杆。

其中，基坑的平面中心土体16先开挖，临近基坑的侧壁土体17后开挖，所述平面中心土体16采用机械开挖，所述侧壁土体17需采用人工开挖，从而形成开挖完成面18。

步骤三：施作第一道水平向支护结构，在开挖至基坑的开挖完成面18后，利用时空效应，马上架设锁口圈梁下方的第一道水平环向支护结构并封闭，其中，所述第一道水平环向支护结构由第一道临土支护结构19及型钢内支撑结构25组成，其完成封闭后形成支护作用。

参见图5和图6，在第一方钢结构13的水平环向两侧连接第一道临土支护结构19，并架设型钢内支撑结构形成第一道水平环向支护结构。

步骤四：施作后续水平支护结构，其中，在步骤三的第一道水平向支护结构封闭并达到设计强度后，依据步骤二的方式继续开挖土体，土体开挖至单次开挖进尺完成面后，架设第二道水平环向支护结构，即利用第二方钢结构与步骤三中的第一方钢结构进行纵向拼接(通过紧固螺栓进行连接)，其中，在第一方钢结构13下方可连接至第二方钢结构20(或类似的型钢结构)，在第二方钢结构20的水平向施作第二道水平环向支护结构的第二道临土支护结构21，第一方钢结构13及第二方钢结构20在垂直地面方向的长度取为开挖步距长度+双向搭接长度(0.5m左右)，第一方钢结构13及第二方钢结构20采用不同的型号尺寸，以起到纵向拼接定位的作用。尺寸应控制在便于拼装又不至于形成太大空隙的程度，第一方钢结构13及第二方钢结构20上对应设有螺栓孔22，以通过紧固螺栓23进行第一方钢结构13及第二方钢结构20的上下紧固连接，且第一方钢结构13及第二方钢结构20内设有内置横隔板24，根据步骤三的方式进行第二道临土支护结构21、型钢内支撑25的施作，从而形成与第一道水平环向支护结构类似的第二道水平环向支护结构，继续施作，依次完成如图8所示的第3、4、5、6至第n水平环向支护结构，参见图9，直至坑底并完成坑底封闭结构28。

其中，第一道和第二道临土支护结构需满足如下要求：水平向的第一道和第二道临土支护结构采用钢结构或钢筋格栅结构。当采用钢结构时可喷射混凝土，亦可直接采用裸露的钢结构(此时，应在主受力结构外设置必要的挡土结构，挡土结构可采用薄钢板或钢筋网)。当采用钢筋格栅结构时必须喷射混凝土。

其中，参见图7，在第二道临土支护结构21完成后，要及时架设型钢内支撑结构25，所述第二道临土支护结构21根据地层情况还可设有支护锚杆26。

步骤五：参见图10，在锁口圈梁11上预留的第一方钢结构13内下放小型钢筋笼29，并在由第一方钢结构及第二方钢结构分节形成的竖向空间内，浇筑混凝土30，形成竖向支撑结构27。竖向支撑应充分考虑对临近管线的影响，当支撑存在与管线局部冲突的情况，可采用局部收缩的方式，在第一方钢结构及第二方钢结构的基础上，设置其他方钢结构。

步骤六：参见图11和图12，利用上下相邻两环支护结构间的非受力竖向空隙34，打设超前支护结构31，在暗挖隧道支护结构32的保护下更好的保证进洞暗挖33的安全，实现支护条件下进洞，而无需等待坑内二衬浇筑，从而能更有效节约工期。

步骤七：基于钢筋笼与方钢混凝土结构组成的竖向支撑体系，一次性拆除与二衬回筑有干扰的型钢内支撑结构，在由水平向支护结构、竖向支撑体系形成的稳定支护结构内，完成永久二衬结构的回筑，即拆除与二衬结构干扰的内支撑并浇筑二衬混凝土(参见图13)，拆除与地下一层结构干扰的型钢内支撑结构，浇筑二衬混凝土至封顶(参见图14)，拆除顶板上方剩余支撑、凿除冠梁等，回填覆土，恢复地面(参见图15)。

由此，本发明能有效避免了传统倒挂井壁法二衬施工中拆除水平向环向支撑后临土支护结构的无支撑状态的出现，大大提高了二衬浇筑时基坑的安全性；同时二衬结构可一次性整层浇筑，施工缝数量大幅减少。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。