地铁基坑的支护结构设计探究
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作者: 张治亮
【摘要】随着城市交通的日渐繁荣拥堵，城市轨道交通的正常运营起到了至关重要的作用，我国轨道交通行业发展不断深入，基坑工程设计作为地铁前期施工的重要环节，需要进行完善合理的设计，使基坑工程的设计达到更加令人满意的程度。
【关键词】 地铁；深基坑；支护结构设计；施工技术
一、常用基坑支护类型
1、放坡开挖
特点：施工方便，造价低，场地条件要求较高，防护强度不高，受气候影响较大。适用范围：在基坑开挖深度较浅时，若施工现场不需考虑相邻构筑物安全和正常使用时，可以优先考虑采用该种方法。该方法适用于周围场地开阔，地下水位较低，周围无重要的构筑物，基坑位移控制要求不严格，只要求稳定的工程。但当地下水位较高时，就必须结合井点或隔水帷幕等措施共同使用。
2、地下连续墙
特点：支护刚度大，止水效果好，但造价较高，需专业的设备。适用范围：适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周围环境要求较高的基坑。条件允许的情况下配合上部结构进行整体设计，既起到了基坑支护的作用，当基坑施工结束后还可以作为上部结构的一部分，既安全又节约。
3、深层搅拌水泥土围护墙
作为一种原位土体加固方法，深层搅拌水泥土围护墙应用广泛。深层搅拌水泥土是利用深层搅拌机械在软弱地基内，边钻进边往软土中喷射浆液或者雾状粉体，同时借助搅拌轴旋转搅拌，使喷入软土中的浆液或雾状粉体与软土能充分拌和在一起，形成强度比天然土体高得多，并具有整体性和稳定性的桩体，由若干这种桩体和桩周围土构成水泥挡土墙。
二、基坑工程勘察和支护设计准备
1、基坑工程勘察
为了能够正确的对支护结构进行设计，同时能够合理的对基坑工程施工进行组织。事先必须要对基坑及其周边的各种环境进行勘察。应该提供的数据和相关情况有：地下层视见水位和静止水位；地下施工风险过程中各层水位补给情况分析，同时把其与附近水体连通状况进行分析：对基坑底以下承压水含水层和水头高度界面进行分析：对分析过程中出现的水位变化情况进行研究。同时需要对支护结构和周边的环境进行控制，采取相应的处理措施。
2、岩土勘察
在建筑工程项目详细勘察阶段，需要根据时间安排对基坑工程施工的具体内容进行有效的勘察。勘察的范围主要是由场地的岩土工程条件和开挖深度决定的。需要在边界的开挖深度1-2倍范围内进行勘察点布置，如果是软土勘察其勘察点布置的范围要更大一些。勘察点的间距一般情况下为15-30m，如果地层变化比较大的时候，应该根据勘察点的情况查明相关的分布规律，基坑周围勘察点的深度一般不小于1倍的开挖深度，如果处于软土地区应该穿越软土层。
3、水文地质勘察
应该根据相关的情况和数据进行分析，其主要包括地下水层的静止水位和视见水位，还要根据其补给情况和动态变化状况；地下水位的动态变化状况，因此其与周围水体的联通情况进行分析：基坑底下承压水的水位变化和支护结构也会对周围环境产生一定的影响；分析水位变化情况，同时还要对支护结构进行设计，采取相关的措施解决问题。
4、基坑周边环境勘察
其主要包括以下内容：查明影响范围内的建筑物层数、类型、埋深和基础类型。同时需要对上部结构和基础负荷大小进行分析。查明基坑周围的各种地下基础设施，主要包括排水、给水、煤气、电缆、雨水、污水、热力等分布状况和管线状况。同时还要查明基坑周围道路状况和车辆载重情况，查明四周或者临近的地区汇水流状况和排泄状况。同时还要考虑地下水泄露状况对基坑开挖产生的影响。
5、支护设计装备
进行支护结构设计之前，需要对地下结构设计资料和设计方案进行有效的处理。针对主体工程地下室建筑杆线和平面布置相对位置进行分析，这样对支撑布置和选择支付结构类型有着一定的关系。主体工程的桩位布置图设计，此问题与支撑体系中立柱位置有着很大的关系。尽量采取工程柱做为立柱从而降低工程成本。主体结构各层楼板、地下层、底板的布置与标高和地面都有一定的关系，这样可以很好的确定开挖深度，能够很好的选择围护墙和换掌等。
三、工程概况与特点
1、工程概况
某火车站综合改造基坑工程是目前某地区建设规模最大、技术含量最高、施工难度最大的工程，需要进行专项支护的工程有：地下空间基坑工程、隧道交通基坑工程、轨道交通基坑工程，项目整体形成了一个平面叠置、立面分层、同步进行的大型基坑群。
1.1地下空间基坑工程
位于某火车站南侧，为全埋式2层地下室，局部3层。平面尺寸为111.0m×597.0m，呈“一”形，基坑开挖深度为地面下11.0m-16.0m，开挖面积约72000m2。
1.2隧道交通基坑工程
地下1层隧道位于预留轨道交通上方，紧邻地下空间南侧布置。基坑开挖深度为地面下9.0m-11.0m，局部为18.15m，基坑开挖长度为1340m，宽度随深度变化，开挖面积约9522.7m2。
1.3轨道交通基坑工程
整体全明挖，地下1层为一条市政隧道，地下2层，3层分别为地铁站厅、站台层，车站总长228m，轨面埋深约21.3m，基坑开挖深度为地面下16.0m-26.0m，局部27.0m。
2、地质条件
2.1工程地质条件
基坑开挖深度内自上而下主要为杂填土、卵石、细砂、强风化层、中风化层、微风化层。其中杂填土层下部以粉土为主，内含石膏颗粒，干强度低，韧性低；强风化层节理裂隙发育，遇水极易软化，长时间暴露在空气中易崩解。
2.2水文地质条件
场地含水层主要为卵石层，稳定水位埋深为2.8m-4.5m，属于第四系松散岩类孔隙潜水。地下水由西南流向东北，季节性变化明显，年水位变幅0.5m-1.0m左右，水量比较丰富。 3、基坑支护方案优化
该基坑工程量较大，不同的支护方案在工期、造价及施工便利性等方面差异很大，如何在满足基坑安全的前提下降低工程造价、提高经济性以及施工的方便性成为基坑支护方案选型的重要问题。
原基坑支护方案为：开挖较浅且环境条件允许的部位，采用二级放坡土钉墙，坡率1∶1.5，面板厚150；开挖较深的坑中坑部位，采用三、四级放坡+格构式锚索（杆）支护体系。排桩直径为1m，桩心距为1.8m，桩顶冠梁为1.2m×0.5m。格构式预应力锚索支护结构的格构梁间距为2.5m×2.5m；设置锚杆2排-3排压力型锚索，杆芯选用4×Φ15.2mm型钢绞线。钢筋网双层双向Φ16.0@200×200，混凝土强度为C30。从安全稳定方面看，此支护方案有一定的优越性，但从施工工艺、经济效益等方面看，却过于保守。
根据该地区支护设计经验和土压力原位试验，将原基坑支护结构总体设计方案优化为：开挖较浅且环境条件允许的部位，采用不同坡率的二级放坡土钉墙，坡率为1：1和1：0.5，面板厚80；对开挖较深的坑中坑部位，采用排桩加锚杆支护体系，排桩上部能放坡的尽量放坡，对于无放坡空间、环境条件较为紧张的部位，垂直开挖，并对桩锚支护结构进行合理优化。第一道锚杆设于桩顶（冠梁），与桩形成整体，使其传力路径更为明确，可有效控制基坑开挖过程中产生的变形。
4.基坑监测结果
为确保施工安全，在基坑开挖过程中进行了位移、沉降和内力等项目监测，作为信息化施工的必要手段，客观反映了被观测实体所处的状态，为预测险情、优化方案提供依据。根据位移监测结果分析可知，基坑整个施工过程一般位移为10mm-20mm，仅P016点最大位移为29.12mm，未达到警戒值3cm；目前，基坑主体结构已基本完工，未出现异常。说明优化后的支护方案满足了安全、经济性要求。
四、结束语
随着城市轨道交通的大量兴建和建设事故的不断发生，地铁深基坑支护已逐渐成为岩土工程领域重要的研究课题。近年来随着城市发展，地下轨道交通越来越多被采用，受城市空间制约，地铁“宽、深、大”基坑出现频繁，基坑施工设计显得尤为重要。本文以某火车站基坑工程为例，对基坑支护设计与优化做一简要说明，仅供参考。
参考文献：
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