边区逆作法中钢板桩堰墙隔离体系土方开挖关键技术研究与应用

1. 引言

当前，中国城市化进程已进入存量提质升级的新阶段，高密度的城市开发对地下空间的利用提出了前所未有的挑战。基坑工程作为地下空间开发的关键环节，其技术的先进性与可靠性将产生决定性影响。在众多基坑支护技术中，逆作法利用永久结构梁板作为水平内支撑，适用于地质复杂或地震多发区，也适合城市空间紧张的情况，虽初始投资可能相校传统施工有所增加，但能减少对环境的影响、缩短工期、降低长期成本[1]。

边区逆作法为逆作法的其中一种特定形式，主要利用地下室永久结构替代临时水平支撑的基坑支护技术。其核心在于：优先施工基坑周边区域的地下结构，形成刚性水平支撑体系，替代传统内支撑或锚索，实现支护与结构一体化建造。研究表明，边区逆作法能有效控制基坑变形，减少对周边环境的影响，其施工效率高、安全性好、经济效益显著[2]。然而，该工艺存在一个固有矛盾：在逆作首层结构施工完成后，将进行下层土方暗挖及结构施工，前期用于土方车辆进出的出土坡道因失去倚靠面而随之挖断，后续位于基坑底部开挖作业面的土方不得不由“机械水平运输”转变为“机械垂直转运”。目前行业内普遍采用两种替代方案：一是使用长臂挖掘机或抓斗机站在已完成的结构板上进行深挖取土；二是在基坑内架设临时钢栈桥以恢复水平运输通道。前者存在机械设备效率低下、作业范围受限等问题；后者则涉及额外的钢结构设计、制作与安装，成本高昂，且占用关键工期。

这一矛盾已成为边区逆作法更广泛应用的制约因素。因此，探索一种既能保留逆作法优势，又能高效、经济地解决深层土方开挖与运输问题的创新施工技术，具有重要的工程价值和现实意义。本文基于成功的工程案例实践，提出了一种基于钢板桩堰墙隔离体系的土方开挖方法，旨在从技术原理、工艺流程、力学机制和综合效益等方面进行系统性的研究与阐述，以期为类似工程提供理论依据和实践参考。

2. 现有技术对比与局限性分析

2.1 常规边区逆作法工艺流程

边区逆作法是逆作法的一种特定形式，其先施工基坑周边的地下连续墙或支护桩，再对基坑四周围护结构进行分层逆作[3]。其中土方开挖是其核心环节，机械设备在已浇筑的楼板结构下进行，分层、分块开挖，并将土方运出，其开挖顺序和方式直接关系到基坑和周边环境的安全及绝对工期，典型的边区逆作法施工通常分为两个阶段：

（1）明挖阶段（首层开挖）：采用放坡或临时支护开挖至首层结构板施工所需标高，在此期间，运土车辆利用坡道直接进入基坑底部开挖面装载土方并外运，实现高效出土。首层结构施工后坡道因失去倚靠面被挖断，后续土方转为垂直运输方式。

（2）暗挖阶段（标准层开挖）：首层边区结构达到强度后，基坑转入半封闭状态下的暗挖作业。此阶段的土方需通过以下方式运出：

①长臂挖掘机或抓斗机探挖方案：在基坑顶部结构板上布置长臂挖掘机或抓斗机，在坑底配置普通挖掘机进行挖掘，将土方转移至机械工作范围内，再由长臂挖掘机或抓斗机将土方提升 面装车。此方案无需额外的大型措施投入，但该类机械斗容量小（如常见的PC200-8 和 PC360-7 长臂挖掘机，配置斗容量分别为 0.4m³和 0.6m³），且受臂长限制，动作循环慢、开挖深度有限，功效极低。

②钢栈桥方案：在基坑内设计并架设一座临时性的钢结构栈桥，连接首层结构板与当前开挖层作业面，恢复车辆的水平运输通道。此方案虽能保证出土效率，但钢栈桥本身需进行专项设计，需利用工程桩或额外施做基础桩，钢材用量巨大，设计、制作、安装及拆除费用高昂，同时栈桥的架设与拆除本身也占用关键线路工期，大幅增加了工程成本[5]。

2.2 现有技术的核心局限性综合分析，传统方法的局限性集中体现在四个方面：

（1）效率瓶颈：长臂挖掘机或抓斗机方案使出土效率呈指数级下降，成为制约工期的决定性因素（2）经济性差：钢栈桥方案虽然可以保证效率，但需要投入高昂的建造成本和间接时间成本。

（3）技术难度：钢栈桥方案需要专项设计，可能涉及原有桩基础参数调整或额外增加基础，技术难度较大。

（4）安全管理与组织难度：长臂挖掘机方案，挖掘深度较深、视线受阻、作业空间受限，同时需要避免与工程桩、钢立柱等发生碰撞，对操作技术要求较高。高处临边操作挖掘机存在安全管理难度和成本。

3. 技术原理与工艺流程

3.1 核心技术原理

钢板桩堰墙隔离体系土方开挖施工技术的核心在于引入了“空间刚性隔离”的理念，提供一种保留原有出土坡道的同时，满足结构施工的空间条件。其基本原理是：在已完成的首层边区结构边缘，垂直打入一道连续的钢板桩墙并与边区结构边缘牢固连接。这道墙体充当了一道坚固的“内部坝体”作为出土坡道的倚靠面，使出土坡道可以保留，并将整个基坑在竖向上划分为两个功能独立的区域：

（1）结构施工区：位于钢板桩外侧（靠近基坑围护墙一侧）。该区域自首层结构向下逆作，逐层进行梁板结构施工，形成一个无土石方侵入、无大型机械干扰的作业环境。

（2）土方开挖与运输区：位于钢板桩内侧（靠近基坑中心一侧）。该区域利用保留的空间，自首层开始，随着开挖深度增加，不断向内、向下修筑永久性的出土坡道，形成车辆和挖掘机可直达每一层开挖面的循环通道。

钢板桩墙本身不仅是一道隔离体，更是一个重要的受力构件。它承受着开挖区土体的侧向压力，并通过与各层永久结构梁板的刚性连接，将荷载有效地传递至主体结构体系，确保了自身及坡道的整体稳定性。

图 1 钢板桩堰墙隔离体系土方开挖

3.2 工艺流程

施工工艺流程为以下步骤：

（1）首层施工：明挖至地下室逆作区首层板底施工所需标高，施工该层边区垫层、模板支撑架、梁板结构，预留与后续钢板桩的连接条件。

（2）堰墙构筑：沿已完成的首层梁板边缘线，精确施打钢板桩。桩顶设置围檩与梁板通过预埋件刚性连接（如焊接），桩长需深入最终基坑底板以下不少于 2 米，以满足抗出土坡道土体侧压力及稳定性要求。

（3）坡道初建：在钢板桩围护出的空间内，利用现场开挖土方，自首层面向下修筑至 B1 层开挖面的出土坡道。

（4）循环暗挖：通过坡道将机械设备运至作业面，采用小型挖掘机，在已完成的逆作区结构梁板下方进行暗挖作业

至既定标高，进行B1 层梁板结构施工；

（5）循环结构施工：在土方运输区（钢板桩外侧），利用开挖土方继续向下延伸修建坡道至 B2 层开挖面。

（6）逐层递进：重复步骤 4 和步奏 5，逐层向下开挖土方、施工结构、延伸修建坡道，直至基坑底设计标高。（7）最终清底与坡道拆除：当开挖至底板标高后，首先完成主体底板边区结构施工。最后，挖除坡道自身所占用的土体，此部分少量土方可采用小型设备或长臂挖掘机进行最终清理。

（8）堰墙拆除：在土方最终清理完成后，按序拔除钢板桩，并对桩孔进行回填压实处理，减少对周边土体的扰动。

（9）结构封底：拆除钢板桩完成后，对中心区域底板进行最终封底，随后进行正作区自底板逐层向上的结构施工。

4. 关键施工技术及控制要点

4.1 钢板桩堰墙施工技术

钢板堰墙的施工质量是整个体系成功的基础，关键控制要点为以下四个方面：

（1）桩型选择：宜选用止水性好、锁口咬合紧密的拉森式（U 型或Z 型）钢板桩。规格应根据计算确定的土水压力选取，常用宽度为 400-600mm，厚度为 15.5-22.0mm。（2）测量定位：必须使用全站仪等高精度仪器进行放样，用灰线清晰标出打桩轴线。轴线需与结构外边线保持 200-300mm 的安全距离，为打桩偏差和后续结构边模施作留出空间。

（3）打桩精度控制：打设前，需对钢板桩逐根检验，剔除锁口变形、锈蚀严重、桩体弯曲的次品。在锁口内涂抹黄油等润滑剂，以减少打拔阻力和磨损。打设时，宜采用屏风式打法（先轻打间隔打入若干桩，形成导向架，再中间补打）。必须用两台经纬仪在互相垂直的两个方向实时监控垂直度，控制在 0.5%以内。第一、二根桩的定位和方向至关重要，必须确保精度，其为“基准桩”。

（4）连接与加固体系：这是确保钢板桩与主体结构协同工作的关键。（1）顶部连接：在钢板桩顶设置通长的双拼H 型钢或槽钢围檩，该围檩必须通过预 和 、钢 行高强度焊接，形成刚性固接。（2）中部支撑：随着开挖深度增加，在各层结构标高位置， 型钢围檩，并将围檩与该层已施工完成的结构梁板进行可靠连接。此举相当于为钢板桩增加了多道水平支撑点，极大减小了其计算跨度，控制了侧向变形。

4.2 土方开挖与坡道稳定性控制

（1）开挖原则：必须遵循“分层、分块、对称、平衡、限时”的深基坑开挖总原则。严禁在单侧一次性开挖过深、过快。（2）坡道设计与稳定：坡道放坡比例应根据土质情况经稳定性计算后确定，一般不宜陡于 1:2（垂直：水平）。对于深厚土层，可采用多级放坡结合小平台的形式，以降低单级坡高，增强稳定性。坡道坡面可采用喷射混凝土面层、铺设钢筋网片等方式进行简易护坡，防止雨水冲刷和土体剥落。必须严格控制坡顶和坡道上的动、静荷载。运输车辆轮压、挖掘机停放位置都需经过计算核定，严禁超载。

（3）运输组织：应规划清晰的循环行车路线，设置明显的指示标志和专人调度。车辆在坡道上应低速缓行，会车点需预先规划。坑内小型挖掘机负责驳运土方至集中装车点。

4.3 信息化施工与监测

建立全面的监测系统，用数据指导施工：（1）监测内容，包括但不限于钢板桩顶部的水平和竖向位移、桩体深层水平位移（测斜）、坡顶位移、周边建筑物及管线的沉降、结构梁板的应力变化、地下水位等。（2）预警机制，设定各级报警值（如设计值的 60%、80%、100%）。一旦监测数据接近或超过预警值，应立即启动应急预案，如暂停开挖、增加临时支撑等。

5. 技术性分析与讨论

5.1 力学机理与稳定性分

该体系的力学行为远比传统方法复杂，它是一个“钢板桩-支撑体系-主体结构”共同作用的协同体系。

（1）荷载传递路径：开挖区出土坡道的水土压力作用于钢板桩的临坑侧。钢板桩作为竖向受弯构件，将荷载传递给各级型钢围檩，围檩再将荷载通过焊接节点传递给永久性的钢筋混凝土梁板结构，最终由整个逆作边区主体结构体系共同承担。这种将临时荷载导入永久结构的理念，实现了力的高效传递和材料的充分利用。

（2）整体稳定性：体系的稳定性主要体现在三个方面：①钢板桩自身的抗弯与抗剪强度，需通过计算验证在最不利工况下，桩身的最大弯矩和剪力是否在材料允许范围内。②围檩与连接节点的强度，此节点是力传递的关键，必须进行详细的节点设计，确保焊接强度和刚度。③坡道土体的局部稳定性，需进行圆弧滑动稳定分析，验算在不同开挖阶段、考虑车辆动载情况下，坡道的安全系数是否满足要求。

5.2 与传统方法的综合对比分析

从上表可清晰看出，钢板桩堰墙方案在效率、工期、安全性和综合成本上取得了最佳平衡，表现出显著的综合优势

6. 应用效果与推广价值

在某地下 4 层大型城市综合体项目中，应用本技术后取得了以下成效：

工期效益：相比常规方案，总工期节省工期超过 20% 。

经济效益：虽投入了钢板桩措施费，但节省了长臂挖掘机或抓斗等大量机械设备台班费，并因工期大幅提前减少了管理成本和工期成本，经核算，总计节约土石方工程成本约 12%_∘

安全与社会效益：实现了开挖与结构施工的物理隔离，由于工期缩短，对周边交通、环境的影响周期也相应减少，取得了良好的社会效益。

本技术的成功实践，为解决逆作法出土难题提供了一个全新的、普适性的思路。它不仅适用于新建项目，在既有建筑改造、地铁站域开发等复杂环境下更具应用潜力。其“空间换时间、隔离保安全”的核心思想，对推动基坑工程技术的发展具有重要启示。

参考文献

[1]刘庆.地下工程中逆作法施工技术的应用研究[J].建筑机械化,2024,45(12):56-59.

[2]李海燕.复杂环境下边区逆作法深基坑支护关键技术研究[J].交通节能与环保,2025,21(03):203-206.

[3]赵柏强.高层建筑地下室边区逆作法设计分析与施工技术研究[D].广州大学,2022.DOI:10.27040/d.cnki.ggzdu.2022.00049

[4]詹晓波;纪元刚;王家鹏;姚王晶;.建筑密集地区深基坑逆作法设计与施工技术研究[J].建筑结构,2022,v.52(S1).

[5]张敏.复杂环境下地铁车站超深基坑的部分逆作法施工[J].建筑施工,2022,v.44;No.373(05).

[6]钟轶.建筑地下空间边区逆作法设计及施工方案探究[J].中国建筑金属结构,2024,23(11):114-116.