地铁车站基坑支护结构设计优化

岳新凯

【摘 要】随着经济的发展，我国的地铁工程建设越来越多，为人民的出行以及经济的发展起到了非常重要的作用。在地铁工程施工中，基坑支护的主要作用是保证工程开挖的安全性，避免出现不安全事故。而通过对基坑支护结构设计进行优化，大幅减少了桩基成孔、钢筋制安、混凝土浇筑等工程量，节约了工期，同时为基坑土石方开挖和主体结构施工创造了较为便利的施工条件。基于此，文章对地铁车站基坑支护结构设计优化进行分析，以期能够提供一个借鉴。

【关键词】地铁车站；基坑支护结构；设计优化

1.支护结构体的优化设计作用

（1）对结构体的补强。根据受力分析和大量工程监测资料表明，支护桩桩顶位移、桩身变形以及桩身钢筋应力都是中间桩大，在基坑拐角附近（约l/5基坑边长处），支护结构受力较小，可以适当的减小桩长和配筋数量或采用单排桩与双排桩混合形式；对于钢筋笼易控制的人工挖孔桩，可采用单面配筋以减小配筋数量。

此外，在基坑拐角处设置斜撑，费用不多，但却可以大大增加支护结构的整体刚度及稳定性，设计时应优先考虑。对具体方案的细部进行优化计算时，如锚杆或支撑点的位置和层数、支护桩的桩径和桩距等均可进行优选。

（2）对土体的补强

对于土体的补强，一般情况下是对于被动区土进行加固。而如果加固深度Hr/H（Hr）被动区补强体砌入基坑底的深度，H-基坑开挖深度）为015-016时，效果最好。对于深、厚流塑至软塑粘性土层的深基坑，支护结构体前的主动土压力非常大；另一方面，在基坑开挖过程中和开挖后，由于土体自重应力释放、土体松弛与儒变以及支护结构向坑内的变形挤压等方面原因，导致坑底隆起变形和坑底下一定范围内土体强度的降低。为了控制支护结构的侧向位移，减少坑底隆起，降低工程造价，可在基坑开挖前一定时间（加固土体的硬结时间）内，对支护结构被动区进行加固。加固的形式有格构式暗撑、齿形暗扶壁和暗墙、微型桩、高压注浆等。

2.工程概况

该地铁车站呈西南至东北走向布置，横跨花地大道，与I号线西朗站通过换乘通道相接，车站全长386.3m，标准段宽20.7m，基坑深度15.84m，为地下两层结构。图1为该车站平面示意图。工程地质岩土性状及物理力学指标见表1。

2.1钻孔灌注桩+钢支撑支护型式分析

2.1.1力学计算结果

地层参数按表2选取，采用同济启明星支护软件进行计算，计算模型见图3。钻孔灌注桩内支撑支数值护型式计算成果见表3。

2.1.2经济分析

见表4。

通过表4分析，桩长是影响造价的主要因素其次是桩的直径及间距在满足基坑整体稳定性的条件下，Ф800mm@1400mm的钻孔灌注桩支护型式与Ф1000mm@1800mm的钻孔灌注桩支护型式，造价基本相仿，而Ф1000mm@1600mm，造价相对偏高，考虑到本线部分车站主体穿越粉细砂层，桩间距较小时可防止砂土流失，暂推荐采用Ф800mm@1400～的钻孔灌注桩。

2.2钻孔灌注桩+预应力锚索支护型式分析

2.2.1力学计算结果

计算结果见表5。

2.2.2经济分析

针对表6分析，Ф800@mm1400mm的钻孔灌注桩，竖向设置4道预应力描索，下插角度为20°时较为经济。

2.3优化后的支护结构设计方案

通过相关工程类比及结构计算分析，最终确定优化后的支护结构由疏排钻孔灌注桩+三道支撑体系组成。基坑支护标准段采用Ф1000mm@2000mm的疏排钻孔灌注桩，部分淤泥较深和靠近建筑物的局部地段支护桩采用Ф1000mm@1150mm的疏排钻孔灌注桩，桩间迎水而桩间采用Ф600mm旋喷桩r.水，背水而桩间喷锚支护，如图2所示。同时调整支撑体系，第一道混凝土支撑水平间距由6m调整为10m，第二、三道钢支撑水平间距由3m调整为5m。

2.4钢管支撑与预应力锚索经济分析

本节针对同样深度的基坑在不考虑格构柱的施工干扰及后期处理情况下，对桩加预应力锚索支护型式的单延米造价与桩加内支撑支护型式的单延米造价进行对比（锚索采用一次性锚索，考虑到钢支撑重复利用，租赁时间按9个月计，基坑宽度大于25m时，架设临时立柱），当基坑宽度达到33m时，2种支护型式造价才基本相当，因此，在不考虑其他相关施工因素，当基坑宽度小于33m时，钢支撑的支护型式是较为经济的。

2.5基坑开挖

基坑开挖前，根据工程结构形式、基坑深度、地质条件、气侯条件、周围环境、地面荷载等有关资料，会同设计单位共同确定基坑开挖方案和地下水控制施工方案。基坑开挖遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，以便土方及支护穿插施工。基坑开挖过程中，避免碰撞钢支撑及围护桩。

2.6基坑监测

在基坑开挖的过程中必须进行监测，并通过监测数据指导基坑施工全过程。根据本基坑支护及周围环境的特点，需进行监测的项目包括支护结构监测和周围环境监测。基坑监测应由具有相应资质的专业监测单位进行。监测单位应根据环境图、支护平面图等布置监测点，并经设计单位、监理单位同意后方能实施。各监测项目在基坑支护施工前应测得稳定的初始值。各项监测工作的时间间隔参照有关规范执行。所有监测安排以确保基坑支护及周边环境安全为宗旨。在围护结构施工及基坑开挖期间出现异常情况时，适当加密监测次数，并采取有效措施进行控制。各监测项目的监控报警值取控制值的80%。

2.7支护结构验算

（1）计算原理支护结构计算基于增量法原理，即采用弹性支点法和极限平衡法模拟基坑开挖和回筑施工过程中各种基本因素对支护结构受力的影响，在分步计算中考虑结构体系受力的连续性，跟踪施工全过程逐阶段计算。开挖面以下用一组弹簧模拟地层水平抗力，土的水平抗力系数按K法确定，采用弹性支点法计算。支护结构计算采用“理正深基坑支护结构设计软件”（F-SPW 5.41）。支护结构计算模型见图3。

（2）主要荷载

1）结构自重：钢筋混凝土结构自重按25KN/m3计。

2）水土侧压力：施工阶段按朗金主动土压力进行计算，使用阶段按静止土压力进行计算。

3）地面超载：标准段按20KN/m3计，盾构吊出端按70KN/m3计，A4建筑物位置按60KN/m3计。

（3）岩层、土层设计计算基本参数

岩层、土层力学指标参数见表2。

該车站基坑标准段深度为15.84m，按一级基坑考虑。根据勘察资料和设计规范要求，基坑以下支护桩嵌固深度确定为：中风化层不少于2.5m，微风化层不少于1.5m。

（4）计算结果

设计方案优化后，该车站以24个地质钻孔进行基坑支护结构验算，计算结果均满足规范要求，经过验算，基坑全部桩身的最大水平位移、承载力与稳定性均满足设计规范要求。文章通过实例，对地铁车站基坑支护结构的优化设计进行分析，大幅减少了桩基成孔、钢筋制安、混凝土浇筑等工程数量，节约了工期，经济效益显著。更重要的是，能够在很大程度上提高工程的施工安全性，保证人民的生命财产安全。

参考文献：

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