地铁车站偏载深基坑围护结构设计研究

地铁车站偏载深基坑围护结构设计研究

赵海宁

身份证：130423198908151493

摘要：随着城市化的不断发展，城镇化进程不断加快，城市规模在不断扩大，导致公共交通运能与实际需求矛盾日趋显著。为改善城市公共交通供需矛盾，地下轨道交通因其安全、快捷、绿色环保等诸多优势，在各个城市的交通建设中无疑是第一选择。但是在各个城市大规模建设地铁交通的情况下，现场施工事故在施工中时有发生。事故外在原因有很多种，比如地质水文条件、不可抗力自然因素、施工工艺及工程措施不当，也有围护结构设计假定条件不符合实际情况等因素。而作为设计人员，应当要严谨细致认真的分析设计边界条件，确保计算假定贴合实际情况，保证基坑围护结构的安全性。

关键词：地铁车站；偏载深基坑；围护结构

地铁凭借其运行速度快、安全性能高的特点及优势成为人们短途出行的首要选择，地铁各方面的基础设施建设都引起了人们的高度关注，例如：地铁车站偏载深基坑方面。地铁车站偏载深基坑的围护结构为了更好地保障乘客的人身安全，因此，其设计环节要格外严谨细致，要有效地提升地铁车站偏载深基坑的实际效果。

1地铁车站偏载深基坑围护结构的类型

目前，城市地铁建设的发展非常迅速，人们越来也多地选择搭乘地铁出行。而地铁本身所处的运行环境较为特殊，不仅离密集建筑物群很近，而且其偏载深基坑工程的推进可能会受到地质条件的限制。偏载深基坑工程的安全施工问题也就成为了建筑工程行业的一大难点，给技术人员带来不小的挑战，同时，这也是一个机遇。由于地铁车站偏载深基坑所使用的围护结构形式各异，其具体的施工方法、建设工艺，包括所采用的机器设备也有很大的差别。所以，要严格地测量基坑的深度，勘测施工现场的地质情况和水文地质条件等，同时，要结合当地的城市建设规模，再进行围护结构和施工方法的选定。一般来说，常见的地铁车站偏载深基坑围护结构主要有以下几种类型：

1.1桩板、墙板式桩

该结构是通过在H型钢板的后方加设水平挡板的形式构成围护。其主要的优点是造价成本较低，且施工环节简单，一旦碰到障碍物便时可以随即改变施工距离。而缺点则是止水性能较差，不适合设置在地下水位比较高的地方，坑壁不稳定情况下也不可以使用。

1.2钢板式桩

该结构通常是使用U形或Z形钢板桩，利用桩与桩之间的构造形式来达成相互咬合的状态，其止水性能较好。其优点为使用成品来进行制作，可以反复试验效果，施工环节简单。缺点则是在施工过程中易产生噪声污染，且构件刚度小，易发生变形，往往在建设刚完成时有着较好的止水性能，反复使用后则容易出现漏水的情况，需要额外增设防水装置。

1.3人工挖孔式桩

该结构通常是经过人工来进行开挖成孔项目，再放置钢筋笼，随后灌注混凝土，以形成围护体系。其优点是工程造价成本低，施工过程中使用的机器设备也较为简单，可以进行大批量地统一施工，且施工环节灵活度较高，避免了产生泥浆，也不会造成噪音污染，从而实现文明施工的目的，有着极佳的环保效果。而其缺点则是运用人工建设存在一定的施工风险，一旦遇上流砂层和淤泥层则无法实施。

1.4机械成孔灌注式桩

该结构通常是利用冲击式钻机、螺旋式钻机，或者是正反循环钻机来开挖成孔，再放置钢筋笼，随后灌注混凝土，以形成围护体系。其优点为构件刚度大，还可适用于超深基坑，并且在施工过程中对周边的地质层和环境的影响比较小。而缺点则是不具备止水功能，需配备一定的降水或止水装置。

1.5SMW工法式桩

该结构是通过搅拌设备来切削土体，在其中注入水泥类的混合液，经搅拌后形成质量均匀的挡墙，并在墙中插入钢板，以构成一种复合型的围护结构。其优点为止水性能好，工程构造比较简单，且实际施工速度较快，部分钢板还可以经由回收再重复利用。而其缺点则是一旦基坑的深度较大时，该围护结构的刚度无法承受整个工程，需加设内支撑，从而影响到工程的进度。

1.6地下连续墙式

该结构是利用专业的挖槽机械设备，沿着基坑的周边来开挖出一条狭长的沟槽，再按照预先规划好的距离，连续地放置钢筋笼、灌注混凝土。其优点为施工过程中不会造成噪声污染，且墙体刚度大，不会对周边的地质层构成太大的影响，在多种地质层中均能投入使用。唯一的缺点则是工程建设的成本高。

2地铁车站偏载深基坑围护结构的具体设计内容

2.1放坡开挖式结构设计

该设计主要适用于周边环境相对空阔的场地，尽量避开需要重点保护的建筑物或建筑群，直接进行施工挖掘工作。因而，技术人员只要遵循稳定性原则，即可投入工程建设。同时，该设计在控制位移方面也没有过多的价位要求，不仅能够有效地降低成本支出，还能够对较大规模场地的土方量进行回填处理。另外，在实际的施工过程中，应注意废弃土的堆放问题，要尽可能地远离基坑，避免对基坑的安全性造成威胁，因为围护结构的周边荷载不能超过20kPa。

2.2深层搅拌水泥土围护墙式结构设计

深层搅拌水泥土围护墙是指，利用深层搅拌机来强行地搅拌土体和以及混合完毕的水泥浆，从而形成以水泥土柱为基础的加固型挡墙，且是通过连续式搭建的施工方法而构成的。这种水泥土围护墙的优点较多。例如：在普通的基坑内使用则不需要加设额外的支撑装置，便能够快速便捷地实施机械化挖土工作。而且，该设计具备挡土和止水的两项重要性能，具有极高的经济适用性。另外，该设计在具体的施工过程中，不会产生噪音，从而造成的污染也比较少。因为只需要轻微地挤土，所以，该设计还可以在闹市区中投入建设。

此外，其依然存有一定的缺点。比如：基坑的位移问题。由于基坑处于一级保护状态，必须要严格控制其位移的变化阈限，通常围护结构水平位移的最大值应≤0.2%H=32mm（且＜30mm），而地面沉降量的最大值则要≤0.15%H=24mm。一旦遇到长度较大的基坑，则可以选择在基坑中间进行加墩或起拱处理，再利用相关的机械措施来限制位移。如果厚度过大，则只能在红线位置，且周边环境条件允许的情况下，再进行施工建设。

2.3地下连续墙式结构

地下连续墙的刚度较强，且止水性能佳，在围护结构中是一种非常好的设计形式。该设计方式的适用性广，不论是较差的地质条件，还是深度大的基坑，均可投入建设。对周边环境条件要求较高的基坑，亦能适用。其缺点则是工程造价成本太高，同时，在施工过程中还需要额外配备专用的机器设备来协助工作。

2.4高压旋喷桩式结构

在该结构中，其施工费用远大于使用深层搅拌水泥土桩，但是，其使用的施工设备的结构比较紧凑，且占地面积小，不仅具备很强的机动性，而且在施工过程中不会产生很大的振动，噪声较小，从而对周边的环境影响较小。该结构是利用高压旋转的机器喷口将水泥浆喷入土层中，然后使其与土体混合，得以构成可连续搭接的加固型水泥墙体。由于基坑为一级保护等级，具备数值为1.1的重要性系数。因此，要严格把控基坑围护桩的嵌入深度，经过计算，其嵌入深度一般设定为7.5m时，方能起到最佳效果。但是，该设计在施工过程中会产生大量的泥浆，从而构成一定的污染，这是不足之处。另外，一旦遇到的地质层含有流速过大的地下水，或是遇上能够腐蚀水泥的土质，则无法投入使用。

2.5钢筋混凝土板桩式结构

钢筋混凝土板桩式结构，其实际的施工环节非常简单，且现场作业的周期比较短，曾被广泛地投入使用。但也要注意到该围护结构的不足之处。施工人员通常需要利用锤击等形式来进行钢筋混凝土板桩的嵌入工作，由此则会带来很大的振动和噪声，构成一定的污染。而且，在沉桩处理时，还会出现严重的挤土现象，因此，无法在城市范围内大量地投入建设。值得一提的是，该结构的各部件均是在工厂里加工完成后，再运送至施工现场，至此，难免会增加成本的支出，从而使工程造价的费用高出其他围护结构。

3工程简介

3.1工程概述

本次研究的对象是某地铁3号线某车站，总长度为180米，东西方向。

3.2工程水文地质状况

①岩土层分布。为了深入研究工程情况，需要派遣专业技术人员严格勘察岩土工程现状，经过勘察可以发现车站处于岗间坳谷区，坳谷地段的土质比较特殊，主要是新沉淀的软流塑状黏土。此外，还包含了填土层以及河漫滩冲淤结软土，并且处于基坑的下方。除了这两层土之外，还包含了粉质黏土、粉土夹粉砂、以及粉质黏土等土质；②水文条件。在车站地下，存有大量的孔隙潜水，也包含了一部分的弱承压水。孔隙潜水的分布范围主要在填土层，弱承压水分布在粉质黏土夹砾石层内。弱承压水的特点是水量少且分布不均。

3.3基坑的特点

本地铁车站的基坑包含层土的工程力学性质比较差，具有高触变性以及流变性的特点，且支护结构的变位大。在施工的过程中，要求注意车站基坑变形按照二级基坑控制，二级基坑标准段普遍开挖深度为16．7米左右，可以保障基坑地面沉降量一<50mm，支护结构的最大水平位移。<50mm。基坑顶部车辆的动荷载大所以容易加剧基坑的维护结构两侧的偏载现象。

4深基坑围护结构设计分析

4.1围护结构的计算方式

基于提升围护结构设计合理性的目的，一方面需要充分认识到基坑偏载问题，另一方面则需要借助于有限元软件，在此基础上进一步完善围护结构的设计工作。

1)单元计算方式。建立在理正深基坑支护设计软件的基础之上，在其辅助下能够围绕整个围护结构展开单元计算工作，对于坑外的迎土面而言，将其设置为主动土压力的形式，而对于开挖面的下方区域而言，则将其设置为矩形均匀分布的形式，此外，内支撑刚度必须达到工程相关标准。基于全面提升围护结构稳定性的目的，应当明确抗渗流指标的具体值，以基坑南北侧围护结构为基础，由此得到内力包络图。考虑到偏载，同时挖深以及坑顶对应的荷载也有所不同，基坑南、北两侧所对应的设计方式存在差异，就围护桩的变形程度而言，南侧围护桩表现得更为明显。

2)二维有限元数值模拟。借助于二维有限元数值模拟软件，可以围绕南北侧的围护结构展开针对性计算分析，但需要认识到的是，偏载现象会对其造成影响，当后续完成横向支撑的设置工作后，位于南、北两侧的围护桩结构彼此间会产生影响，由于坑顶荷载存在较大的差别，因此，会带来更为明显的偏载问题。经分析后得知，围护结构单元设计虽然具有可行性，但很难精准地反映出围护结构的内力分布情况。在整个设计过程中，采用MidasGTSVEＲ.4.2.0软件在此基础上能够展开有限元分析，重点围绕基坑上方开挖以及支撑结构而展开。以二维模型为基础展开模拟工作，在对维护桩外侧的岩土展开计算时，需要明确可行的操作范围，即以基坑开挖深度为基准，实际范围以该值的2倍为宜。之所以做出这样的选择，是因为基坑周边2倍挖深范围外所造成的影响非常微弱。由此确定模型整体尺寸，对应宽度与高度分别为85、50m。对基坑开挖范围内的土体进行分析得知，其主要以黏性土以及粉质黏土居多，以此为基础为之赋以摩尔－库伦模型相关材料参数。除上述内容外，在围绕模型展开设计工作时，需要充分考虑到区域内地下水所带来的影响，对所得计算结果进行分析得知，无论是位于基坑南侧的围护桩，还是存在于基坑侧壁的相关土体，二者都表现出了明显的向北偏移现象。考虑到工程的实际情况，发现基坑北侧支护桩的周边存在有河道，同时基坑侧壁的上方土体表现出了明显的向左偏移现象。考虑到上述问题，为了进一步控制基坑偏载对于围护结构所带来的不良影响，在围绕南、北两侧围护桩径展开设计工作时，需要对其计算方法优化处理，可以得知的是，如果以合理的方式扩大北侧围护桩的直径，此时几乎不会对围护结构的变形情况造成任何影响，对此可以适当扩大位于南侧围护桩的直径，此举能够有效解决两侧围护桩偏移过大等不良影响。

4.2基坑支护形式

在本文所探讨的地铁车站工程中，灌注桩是关键围护结构，根据前述计算，最终确定其桩径达到1200mm，坑底嵌固深度则达到25m。基坑整体内支撑体系在竖向上需要使用4道支撑，地表以下为第1道混凝土支撑，在此基础上向下设置第2～4道Φ609mm钢管支撑。对两端盾构工作井下沉段的围护结构进行计算分析，最终确定灌注桩桩体嵌固深度达到28m。

4.3基坑监测过程

基于全面提升基坑围护结构安全性的目的，同时也为了不对周边河道、建筑物造成过大的沉降、变形影响，需要加大力度做好对基坑施工的监测工作，制定符合本基坑工程特点的信息化施工方法，在整个施工过程中应以实际情况为基准，根据开挖阶段做好实施方案以及进度的调整工作，整个监测工作需要充分覆盖到围护桩位移、地表变形等多个方面内容。通过监测得知，所得基坑围护桩实际位移与前期所展开的有限元分析结果基本一致。具体来说，对于基坑南侧的围护桩结构而言，其桩顶与桩身对应的计算位移值分别对应为22.56、32.57mm，通过实际监测得知，二者对应的实际值为18、29mm。此外，对北侧围护桩结构进行分析，就位移现象而言，桩顶与桩身对应的计算值为19.69、10.56mm，通过实际监测得知，二者对应的实际值为8、11mm。总体来说，实际发生的位移相对较小，基坑围护结构的整体稳定性良好。除此之外，诸如支撑轴力等都可以控制在合理范围内。

4.4工程设计措施

基于二维有限元分析为指导采取合适的工程控制措施，降低因基坑偏载所产生的不良影响，确保基坑工程安全有效。1)加大位于基坑南侧的围护桩刚度，此举可以通过扩大咬合桩桩径的方式来实现，当其直径达到了Φ1200mm水平时，无论是强度还是变形程度，都可以达到工程所提出的控制标准;在上述基础上，还可以减少围护桩配筋量，此时成本投入并未增加，但所带来的位移控制效果却更为良好，对于整个基坑支护体系而言，偏位现象也得到了有效的控制。2)引入双轴水泥土搅拌桩，用其对北侧河岸土体进行加固处理，所形成的加固深度应达到7m，宽度为4m，在施工过程中需要将间距控制为3m，以此抵抗基坑发生侧向位移，提升围护结构的被动土压力抗力。3)考虑到基坑两侧围护桩变形程度差异明显，极容易造成支撑轴向受力状态的失衡，进一步造成钢支撑滑脱等问题。对此，需要对支撑中部区域补充竖向支点，增加一排钻孔灌注桩中立柱，在此基础上向其中置入钢结构立柱。基于此方式，能够有效地控制支撑的挠曲变形，使整个支撑体系的稳定性进一步提升。4)细化混凝土支撑、钢结构支撑的连接节点设计，确保其整体工作的可靠性。5)确保现场动态信息化施工，开挖期间以所得到的基坑监测数据为指导，及时对施工方案、工艺步骤进行优化、调整，合理调整施工进度。

5总结

地铁车站偏载深基坑围护结构的设计工作需要综合考虑到各方面的因素和限制条件，并结合各项先进的科学技术。因此，该工作的顺利开展得益于技术人员对各个环节的全面掌控，对基坑及其周边环境实际情况的细致勘测，以及及时地排查出某些施工难点或安全隐患。所以，技术人员通过理论联系实际的原则，多方考察，再制定出最佳的设计方案，有利于我国城市地铁建设的稳步发展。

参考文献

[1]王艳斌，张明强.地铁车站超深基坑围护结构的设计方法[J].建筑设计管理，2017，（5）：86-88.

[2]徐松.地铁车站深基坑围护结构设计[J].广东建材，2017，33，（2）：67-70.

[3]罗文浩.上海某地铁换乘车站深基坑围护结构设计[J].科技资讯，2017，15，（17）：57-58.

[4]黄健,张兴刚.地铁车站超深基坑的围护结构设计[J].铁道标准设计,2008,000(008):101-103.

[5]胡凯.地铁车站超深基坑的围护结构设计[J].建筑工程技术与设计,2015(11).