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施组四章开挖

第四章基坑开挖工程

第一节工程地质情况及工程特点

1.1工程地质及水文地质情况

1.1.1场区概况

规划建设的奥林匹克公园在地貌上处于永定河冲洪积扇的中部，且位于清河古河道和金钩河古河道之间的台地区。

整个台地区地势西北高东南低，地形相对平缓，平均坡度为1%，地面标高约在47m～43m之间。

拟建国家体育场的规划建设场区的地形较平坦，地面标高在44.86m～46.32m之间。

根据规划建设场地周边揭示基岩的深层地质资料，本场区一带的第四纪地层厚度（相当于第三纪基岩埋深）约在200m左右，自然地面以下至基岩顶板之间第四系地层岩性以粘土性、粉土与砂卵石土交互层为主。

规划场区内地下人工设施可能有电力、通信电缆，上、下水管道等，地下设施的具体位置及埋深有待进一步深入调查测绘。

1.1.2土质及岩性基本特性

根据勘察资料、地质年代，将勘探深度范围的地层划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，按土层的物理力学性质及工程特性进一步可划分为12个大层，各土层基本岩性特征及物理力学性质指标参见“地层岩性特征一览表”。

附表4-1地层岩性特征一览表

成因

类别

地层序号

岩性

各大层

层顶标高（m）

颜色

湿度

稠度

压缩性

人工堆积层

粉质粘土、粘质粉土填土

44.86

～46.32

黄褐

湿

可塑

/

1

房渣土

杂

湿

/

/

第

四

纪

沉

积

层

粉质粘土、粘质粉土

42.86

～

44.15

褐黄

湿～

饱和

可塑～硬塑

中

1

粉质粘土、砂质粉土

褐黄

饱和～湿

硬塑～可塑

中低

2

砂质粉土、粘质粉土

褐黄

饱和～湿

硬塑

底

粉质粘土、重粉质粘土

37.15

～

39.16

灰

湿～

饱和

可塑

中

1

粉砂

灰

饱和

/

低

2

砂质粉土、粘质粉土

灰

饱和

硬塑

低

细砂

33.12～34.46

灰

饱和

/

低

粉质粘土、粘质粉土

28.62

～

31.45

褐黄

湿～

饱和

可塑～硬塑

中低

1

粘土、重粉质粘土

褐黄

湿～

饱和

硬塑～可塑

中低

2

砂质粉土、粘质粉土

褐黄

湿～

饱和

硬塑

低

细砂

20.62～22.45

褐黄

饱和

/

低

粉质粘土、重粉质粘土

20.12

～

20.55

褐黄

湿～

饱和

可塑～硬塑

中低

1

细砂

褐黄

湿～

饱和

/

低

2

粉质粘土、砂质粉土

褐黄

饱和～湿

硬塑～可塑

低

粉质粘土、重粉质粘土

10.76～12.92

灰

湿～饱和

可塑～硬塑

中低

粉质粘土、重粉质粘土

6.56～11.25

褐黄

湿～饱和

可塑～硬塑

中低

卵石

3.06～9.65

杂

饱和

/

低

1

细砂

褐黄

饱和

/

低

粉质粘土

-0.38

褐黄

湿～饱和

可塑～硬塑

低

1

细砂

褐黄

饱和

/

低

卵石

-5.48

杂

饱和

/

低

1

细砂

褐黄

饱和

/

低

1.1.3水文地质条件

1.1.3.1工程场区水文地质特征：

北京市浅层地下水位按照浅层地下水的赋存分布特征及对地下工程的影响，北京市区划分为三个工程水文地质大区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），再细分为七个亚区（ⅠaⅠbⅠcⅡaⅡbⅢaⅢb。

）国家体育场规划场区位于北京市区工程水文地质分区Ⅰa亚区。

文中“浅层地下水”的涵义，是对建筑工程设计与施工有影响地下水层位而言，一般指赋存地表下不深于30m～50m的各层地下水。

在针对一般建设工程的勘探、测试、评价，没有必要涉及埋藏更深的地下水。

Ⅰa亚区的区域水文地质特征及“北京市浅层地下水长期观测网”的资料表明：

国家体育场规划建设场区地表以下50m深度范围内的一般分布有3层地下水：

第一层地下水类型为台地潜水；第二层地下水类型为层间水；第三层地下水类型为承压水。

1.1.3.2本次勘察期间，于钻孔实测到上述3层地下水位，观测结果参见下表：

附表4-2地下水位量测结果表

序号

地下水类型

地下水静止水位

测量时间

埋深（m）

标高（m）

1

台地潜水

2.10～6.80

39.52～42.76

2002年12月30日

～2003年1月3日

2

层间水（具承压性）

8.50～9.50

36.35～36.82

3

承压水（测压水头）

28.60～28.70

16.26～16.85

1.1.3.3浅层地下水成因及动态变化一般规律

规划建设场区赋存的台地潜水的天然动态类型为渗入～蒸发、径流型；其水位年动态变化规律一般为：

6月份～9月份水位较高，其它月份相对较低，年自然变化幅度一般小于2m。

规划建设场区赋存的层间水的天然动态类型为渗入～径流型；其水位年变化幅度一般为1m左右。

规划场区赋存的承压水天然动态类型属渗入～径流型；其水位动态变化规律一般为：

11月～来年3月份水位较高，其它月份相对较低，年自然变化幅度约为4m～5m。

1.1.3.4历史高水位记录：

根据地下水长期观测资料，该规划建设场区在历史最高地下水位标高为44.00m左右（发生在1959年，当年的降水量1406m）；近3～5年的最高地下水位标高为44.5m左右。

1.1.3.5地下水腐蚀评价：

第1层（台地潜水）、第2层（层间水）及第3层（承压水）地下水水质对混凝土结构均无腐蚀性，但在干湿交替情况下对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。

1.2工程特点及难点

1.2.1国家体育场建筑面积大，分部工程多，工序复杂，交叉施工，施工组织难度大。

应合理设置工程进度里程碑控制点。

1.2.2土方工程量大，施工土方包括土方的外运及回填。

外运土方约83万立方米（包括球场及跑道区需置换土方），回填量约22万立方米。

基坑深度暂定7.8米。

支护面积约15000平方米。

1.2.3工期紧张，本工程为奥运会主会场，工程必须按时交付使用，工期绝不能拖延。

考虑到钢结构施工的难度及场馆试运行至万无一失需要充足的时间，因此，基础土方工程施工工期应尽量压缩，为后续工序创造充分条件。

1.2.4施工场区外围市政道路条件不理想：

场区南侧与北四环路无入口，土方运输车辆不能进入四环路；东侧为北辰东路，社会车辆特别多，交通流量大，不能保证施工车辆通行顺利；西侧为地铁施工场区，与国家体育场同时施工，交通肯定带来不便。

1.2.5场区面积大，市政管网、房基等地下设施肯定大量存在，施工前应充分了解规划场区地下障碍物情况，施工时应予以保护或拆除。

第二节降水施工方案

2.1降水方案的选择

2.1.1地下水位情况

考虑到基坑开挖受到台地潜水及层间水的影响，故需对基坑进行降水处理，以保证基础施工在无水条件下进行。

附表4-3场区对施工有影响的地下水位

序号

地下水类型

地下水静止水位

埋深（m）

标高（m）

1

台地潜水

2.10～6.80

39.52～42.76

2

层间水（具承压性）

8.50～9.50

36.35～36.82

目前大面积基坑开挖所受到影响的地下水是台地潜水，若有局部加深，则受到层间水的影响。

2.1.2降水方案的确定：

根据水文情况及工程特点选择降水方案。

适宜本工程特点的降水方案有以下两种：

“轻型井点”及“多维渗降”。

本工程的降水方案将对上述工法进行比较、选择。

2.1.2.1轻型井点法：

成熟工法。

采用机械成孔，下放滤管，通电抽水，形成“降水漏斗”的降水方法，适宜降水深度为7.0m以内。

2.1.2.2多维渗降法：

新型工法。

在场区降深处打水平渗流管，利用自然势能降水，水不外排，无需电力，无能耗损失。

根据该工程的实际情况，经可行性与经济性研究比较，采用“多维渗降法”施工更为适宜。

2.2多维渗降法施工

2.2.1工艺流程

该工艺无施工泥浆造成的环境污染，同时避免了大量抽取地下水造成的水资源浪费，降水靠自然势能渗降降水，维持期间无需电力、人员维护等能源损耗。

属环保节能型降水工法。

原理是建造地下渗滤排水装置，改变场地地下水位、流向、流量等动态，让其在基坑外、基坑底形成新的动态均衡，达到有利于建筑施工的人造水文地质环境的目的。

首先在建筑物外围做竖向渗降集水井，利用集水井在需降水层面打水平渗滤排水管，使地下水自渗流入管内，引至渗降集水井，渗入下层透水层中。

基坑降水完成后，可继续保持降水状态，避免水位大幅度上升，对建筑物基础部分有好处。

或可改装成地下集水装置，经净化后，作为绿化环保用水、空调水等。

2.2.2设计

2.2.2.1渗降集水井

渗降水井类型有两种：

第一种是预制钢筋混凝土管井，外径1200mm，内径1000mm，壁厚100mm，井管长13.0～14.0m，井管底部进入砂层1.0m。

井管混凝土强度等级C25。

井管下部设渗排水孔，孔径100mm。

第二种为现浇混凝土井管，外径1200～1400mm，内径1000～1200mm，壁厚100mm，每节管长1.0m，井管长13～14m，井管底部进入砂层1.0m。

混凝土强度等级C20。

井管下部设渗排水孔，孔径100mm。

2.2.2.2渗滤排水管：

渗排水孔孔径85～90mm，长3.0～6.0m，位置根据含水层深度确定。

渗滤排水管采用PVC材料，管径80mm，单节管长800mm，总长3.0～6.0m。

管上设渗水孔，孔径10mm，孔位从端头开始，孔距70mm，每排设4个孔。

管外包贴60目尼龙滤网，管间用插接头连接。

详见降水剖面图。

2.2.3施工

2.2.3.1井位布置：

渗降集水井布置两圈，外圈在基坑外侧5.0m，共布井90口。

内圈在中心区，距基坑边3.0m，共布井20口。

详见降水、支护平面布置图。

2.2.3.2渗降集水井施工：

预制渗降水井管用1200～2000kN步履式静压机压井管，压至预定深度，人工将井管内土方清除干净。

现浇井管采用人工挖孔，按设计规格成孔后，支撑钢模板浇注混凝土井壁，初凝后继续下挖成井至设计深度。

2.2.3.3渗滤排水管施工：

按设计确定的孔位采用微型钻孔器钻孔至设计长度，清除孔中虚土。

将事先做好的渗滤水管分段安装。

2.2.4特殊情况处理：

待详细地勘报告出来后，根据地下水位、水量情况，对降水井的深度、井距进行调整，同时在场地中心适当布置渗水井。

第三节土方工程施工方案

3.1土方施工特点

本工程±0.00=45.50m，在本方案中，基坑底标高暂定为-7.80m，预计总土方量约为83万m3。

地处北辰东路与北辰西路之间，属拟建奥林匹克公园，与几个拟建工程同时施工，场地非常拥挤；从施工场地往外运土目前只有北辰东路，属交通拥堵区，因此土方施工受交通条件限制，土方施工时间尽量与其它工程错开。

为保证工程工期顺利完工，土方施工高峰期日出土量应保证在1.3万立方米，才能为以后工序创造有利条件。

同时，体育场基座堆砌需大量土方，因现场场地条件限制，不可能将挖出的土方大量存放于施工现场，供基座回填，需与有关部门协商，将部分回填土方存放在现场附近临时存土场（奥林匹克森林公园），所以要综合考虑土方外运方案。

由于土方施工工程量大，为保证工程按期、有序地完成，施工现场应合理设置多个出入口及临时施工道路。

做到既保证工程施工顺利进行，又将施工对周围环境影响减少到最低程度。

3.2机械设备的投入及运输能力的分析

3.2.1配合工程三通一平工作，进行第一次土方开挖（自然地坪～-1.50m）：

土方量大约16万m3，平均一天出土量约为8000m3，按一台挖土机平均每天挖土1600m3。

卸土地点平均距工地现场15公里，一辆运土车往返一趟平均按1小时考虑，一辆车一天来回跑11次，平均每辆车的运输能力为10m3/次，一辆车的每天的运输能力为110m3，所需20天工期。

需配备的挖土机：

8000÷1600=5（台）

需配运土车：

8000÷110=73（辆）

现场平均出来一次车所需时间：

（18×60）÷（73×11）=1.3min

3.2.2第二次土方开挖（-1.5～-7.5m）：

第二次开挖土方量约为67万m3，其中20万m3的粉质粘土需存放在基坑北侧的森林公园内，故需外运的土方为47万m3。

卸土地点平均距工地现场15公里，一辆运土车往返一趟平均需1小时考虑，一辆车一天来回跑11次，平均每辆车的运输能力为10m3/次，一辆车的每天的运输能力为110m3。

考虑平均一天出土量12000m3，约需40天完成。

需配备的挖土机：

12000÷1600×1.2（综合系数）=9（台）

需配运土车：

12000÷110=110（辆）

在施工过程中，可根据现场实际情况适当调整开挖进度和机械配备数量。

3.3土方施工总体安排

3.3.1第一阶段为地下旧建筑物基础及地表层渣土的清运阶段。

此部分施工还包括进行临设的搭建、施工水电的接通以及测量放线等前期准备工作，有条件时，在清运渣土的同时外运一部分基坑土方，此部分拟开挖土方约1.5m深。

3.3.2第二阶段为整体基坑开挖阶段，该阶段土方、土钉墙施工全面展开，工程量大，工序多，机械设备多，要求日产量高，是按期完成任务的决战阶段，要解决好工作面与日产量，工序间工作面相互制约的矛盾，因此，要采用工序间立体交叉，流水作业，每个工作面都要采用定机械设备、定日产量、定工期等三定措施，确保工程顺利进行。

3.3.3土方工程是影响工期的主线，各分项工程都要围绕这一主线组织施工。

要抓好土钉墙连续作业，同时采用分区、分层、分步交叉流水作业。

基坑周边10m为土钉墙作业区，基本上是5层土钉，每层土钉量约为400根。

这样，挖土、土钉相互穿插流水作业直至坑底。

基坑中部为大面积土方开挖区。

在开挖深度内，分层、分步布置挖土机械，多台挖土机上下、左右齐头并进，为保持多机作业工作面，充分利用空间和时间，采用白天、夜间都施工的方法，以保持持续高产。

3.3.4将场区分为四个土方施工区，即东区、西区、南区、北区，以体育场结构建筑伸缩缝为分区线，详见土方分区图。

将出土量任务分解，每个施工区必须保证日出土量，以满足总工程量的要求。

3.3.5为保证土方施工交通顺畅，在施工现场东南、东北、西南、西北四角各设置一个出入口，东侧和西侧出入口分别形成上下行车道。

3.3.6基坑开挖采用内外结合坡道，根据现场道路和出入口的位置，设在基坑的西南侧（详见现场平面布置图），坡道宽8.0m，坡度1：

6；还可根据需要开设1～2个临时坡道，坡道宽5.0m，坡度1：

6。

3.3.7如场区现状交通状况不理想，需投资铺设临时施工通道，与市政道路相通，保证土方施工道路畅通。

3.3.8卸土场的选择：

3.3.8.1在奥林匹克公园内部做土方平衡，将需外运土方运至体育场北侧奥林匹克森林公园内，作为公园园林建设时堆砌假山等用。

既可缩短运距，减少工期，又可降低工程造价。

3.3.8.2如森林公园不能做卸土场，可做土方临时堆放场地，将施工区域内可作为回填土的部分土方暂时存放于此，土方量约20万立方米。

存放至结构施工完毕，进行体育场外围土方及地下结构回填。

需与有关部门协商可行性。

3.3.8.3外部卸土场：

北太平庄砖厂，运距14公里；北七家砖厂，运距16公里；七里渠砖厂，运距18公里；新生砖厂（来广营北路）共计四个卸土场，总存土量约210万立方米。

3.4土方施工管理机构

3.4.1大面积土方开挖时，运土车数量多达110辆，如此大的车流量，必须经过周密部署，保证车流量有序流动，才能确保土方顺利运出，这是本工程的关键。

3.4.2为了保证各个车队按计划路线行走，在每条线上的车标上不同颜色，规定专条线路。

并给每个司机配备一张行走路线交通图，使每个司机一目了然，避免走错路线。

为了随时掌握开挖进度，并加强对运输车辆的管理，拟采用MIS项目管理信息系统，每个司机持有条码卡，在进出大门口时进行刷卡，自动记录，把各车辆的进出场时间、在场内的停留时间以及在路上运行的时间等各种信息及时汇集到计算机中。

利用GPS定位系统，现场调度指挥中心通过中心控制电台，能随时掌握每辆车的运行地点和状态，可及时将各条线路上的车流情况显示出来，从而判断出各条线路是否畅通，如遇到异常情况可随时采用交通疏通或调度的方式解决，以保证运土顺利进行。

3.4.3现场专门成立土方运输调度指挥中心，运土管理组织机构见下图：

现场调度

现场调度指挥中心

各路口交通岗交警

电脑信息中心

交通疏导

各路段交通巡视车

场外交通调度处

北京市交通管理局

场内指挥调度处

附图4-1运土管理组织机构图

3.4.4土方施工在符合北京市有关施工时间限制和环保规定的前提下，与北京市交通管理局协商，派交警在主要路段实行巡视，在主要路口实行值班，在闹市区设置专用车道，借助交警的力量为运土路线保驾护航，从而保证土方连续施工。

3.5土方实施方案

3.5.1土方四个施工区域分别成立指挥小组组织施工，组织劳动竞赛，由现场调度指挥中心负责总体协调。

3.5.2考虑到施工场区存在市政管网、房基等地下设施。

土方施工先挖除地面下1.5m土方（包括球场及跑道区需外运置换土方），暴露地下障碍物，进行拆除工作（11月份开始，工程开工前施工完）。

此部分土方运至外部卸土场。

3.5.3在每个区域分别布置两台挖土机，一台作为备份。

总的挖土方向从北至南，最后从西南坡道收尾，见挖土机布置图。

3.5.4环形基坑两侧各预留10m边坡支护工作面，在中间宽度范围内（土方施工中心区）并行安排2~3部斗容量1.5～2.0m3反铲挖土机齐头并进进行施工，每部挖土机配备12部15t～20t自卸汽车。

3.5.5支护工作面预留土方随支护工作的进行配合施工，共分5层开挖。

中心区土方根据挖土机性能，一次开挖到基础桩施工工作面，详见土方分步开挖图。

此部分土方大部分可作为回填土方，将土方运至奥林匹克森林公园内临时土方堆放场地，存土量按20万立方米考虑。

其余土方运至外部卸土场。

3.5.6为使基础桩尽早插入，中心区土方施工时，挖土机先从基础桩部位施工，为基础桩施工创造工作面。

3.5.7场区中心球场及跑道的土方置换随各个施工区的土方挖运一起进行。

3.5.8土方收尾坡道设置：

土方收尾坡道设在基坑的西南角，坡道处采用2台挖土机进行接力挖除。

3.6市政管网土方施工

建筑平面面积大，市政管网分布广，合理安排施工顺序，避免形成到处开花、遍地挖沟的现象，以免施工现场环境脏乱，施工条件恶化，对施工质量及进度造成不良影响。

根据各部位管网情况制定相应措施，需要降水提前安排施工。

土方及时安排插入，采取大开挖形式，根据土质情况，调整放坡坡度：

1：

0.5～1：

1。

土方应与管网施工紧密配合，不得影响管网施工进度。

3.7土方施工质量要求

3.7.1机械挖土槽底标高高于设计标高200mm，避免扰动老土，此部分土方人工清除。

3.7.2分层开挖层间标高允许偏差±150mm。

3.7.3边坡允许偏差+200mm，严禁亏坡。

3.7.4挖土机严禁碰撞支护结构。

3.8质量保证措施

3.8.1对挖土的要求：

一是配合降水、土钉墙施工，为其创造工作面；二是要充分发挥机械挖土效率高，速度快的特点，配足机械，周密组织，确保按期完成任务。

3.8.2基坑总的土方量约为830000m3，其中土钉共分5层，每层留工作面为10m，土钉工作区分5层开挖，中心土方量分2步开挖，第一步挖深1.5m，第二步挖深6.0m到槽底。

局部为配合基础桩施工尽早插入，先将做桩区域挖至槽底标高以上1000cm，待桩施工完后，再将剩余土全部挖走。

3.8.3用挖土机挖作业面时，应附以人工配合修整坡面，尽量减少边坡超挖和挠动边坡土体松动，尽可能使边坡平整并符合设计要求的坡角。

3.8.4渣土层、流砂层开挖后如出现塌方现象，应立即减少边坡土方下挖深度，并适当加大修改预留量，加大坡率以防止边坡继续坍塌；并且采取做超前锚杆，待注浆后锚体与边坡土体有一定强度后再做边坡修整、编网等一系列后续工作。

3.8.5开挖下一层边坡土方的时间，应为当前层土钉体喷射混凝土强度达到设计强度的70%以上，且不宜少于3天。

3.8.6土方开挖的施工顺序为先周边土钉施工区，再中间大面积挖土区，分别由东向西，由北向南，再向西南角坡道收拢。

3.8.7及时配备一台反铲挖土机，将土钉区的土挖甩至大面积挖土区，这样即避免土层薄装车效率低，又便利配合土钉墙施工。

3.8.8对定位标准桩、轴线引桩、标准水准点等，挖土时不得碰撞，并应定期复测和检查是否正确。

3.8.9挖土过程中，测量员应随时测量和校核其平面位置、水平标高和边坡坡度是否符合设计要求，以保证基底标高和基坑线在允许偏差之内。

3.8.10土方施工设专人指挥，并进行书面交底，严格执行土方施工方案。

第四节基坑支护方案

4.1支护方案的选择

4.1.1支护方案设计的指导思想

4.1.1.1支护方案要科学合理，切实可行，确保深基坑边坡支护的安全可靠性；

4.1.1.2支护工程必须与土方工程一体化安排，要为土方工程的顺利施工创造快捷和良好的施工条件，工序之间能够合理安排，以缩短工期；

4.1.1.3支护方案要充分考虑到其经济合理性，结合现场情况，选择最优方案。

4.1.2支护方案的比较

目前，北京比较成熟和应用范围广的支护工艺为桩锚支护和土钉墙支护。

由于本工程基坑支护深度较浅，这两种工法对基坑的安全性都能有充分的保证。

结合支护形式的安全性及经济性进行比较。

桩锚支护造价较高，因此，支护形式采用土钉墙。

土钉墙支护，造价较低，土方挖运与护坡工序之间交叉紧密，同时进行，可节约施工工期，但对施工组织要求高。

目前，在北京地区土钉墙支护形式已经超过15米。

土钉墙支护形式对于基坑深度不深，地下水位对支护影响不大的情况下尤其适用，既可保证基坑安全，又可大幅降低工程造价。

4.1.3支护方案的确定：

本工程基坑开挖深度暂定为7.8m，深度较浅，周围无重大建筑物，场地较开阔，所以采用土钉墙支护结构形式，完全可以满足施工要求，同时可节省工程造价。

4.2基坑支护结构计算

4.2.1计算参数：

基坑支护深度：

暂定7.8m；

附加荷载：

20kPa；

土钉墙放坡坡度：

1：

0.1；

土体抗剪强度指标平均C值：

20kPa；平均φ值：

28º。

4.2.2计算结果：

附表4-4基坑支护计算结果

土钉层号

深度（m）

水平间距（m）

直径（mm）

倾角（º）

长度

（m）

钢筋直径（mm）

钢筋根数

1

1.2

1.5

120

8

7

18

1

2

2.7

1.5

120

8

8

18

1

3

4.2

1.5

120

8

7

18

1

4

5.7

1.5

120

8

6

18

1

5

7.2

1.5

120

8

6

18

1

详见基坑支护剖面图及土钉节点图。

4.2.3设计说明

4.2.3.1方案设计时地面荷载按距基坑上口净距2.0m以外20kpa计算，若基础施工期间地面荷载超过此值，支护方案应予调整。

4.2.3.2加强筋直径为Φ18mm,水平加强筋间距为1.5m。

4.2.3.3由于坡道改在基坑的西南角，运土车辆要经过西坡，为了避免对边坡造成不利影响，要求运土车辆要远离边坡至少4.0m，同时该部分竖向加强筋适当加密，边坡上沿外翻边的钢筋应与周边的硬化路面连接。

4.2.3.4局部地方如遇地下水影响，出现流砂、塌孔现象，需根据具体情况采取特殊处理，另出附加方