论地铁车站基坑支护结构设计难点范文

摘要:地铁的出现能大大减轻居民的出行压力，但也容易在施工过程中影响周边环境，带来不利影响。鉴于此，本文对地铁车站基坑支护结构的设计及其优化展开了研究，并提出了具体的优化措施，旨在为今后同类工程提供参考。

关键词:地铁;基坑支护;设计优化

前言

我国地大物博、人口众多，人均占有的土地不及全世界人均占有土地的1/10。为了节约每一寸土地，人们不断将旧建筑拆除，建设新的建筑。这些新建筑都有共同点，向上和向下发展，也就是我们经常看到的高层甚至超高层建筑。交通也不甘落于人后，紧紧跟随这个建筑大潮流，在地下开辟出了新战场。由于地铁车站施工过程中会对周边环境造成重大影响，故而在进行基坑支护结构设计的过程中，需要对车站的地质条件、水文环境等方面进行详细勘察，尽量降低地铁车站施工和建设过程中对地下环境、地表环境等方面的影响。而在具体的施工过程中受限于建设资金、施工工期等因素的限制，需要对结构设计进行优化，在保证质量的情况下缩短施工工期和降低建设成本。

1地铁车站基坑支护结构设计过程

在地铁车站基坑支护结构设计过程中，结构设计对象主要包括以下方面［1］。1)挡土结构。挡土结构的作用为抵挡基坑外的土层压力，采用支护墙的方式达成目的，在具体的设计中，需要根据地质条件、水文环境等参数确定具体的支护形式，常用的为放坡开挖、钻孔灌注桩、地下连续墙等方式。2)内支撑结构。当前应用较多的内支撑结构采用钢支撑与混凝土支撑模式，为了保证强度，通常上层支护应用钢混支撑形式，下层为钢支撑。3)支护结构形式。当前深基坑的支护结构有多种形式，以钻孔灌注桩和锚杆支护结构的应用为例，由于这两种支护形式对地质要求较高，故而通常用于我国北方的地铁车站基坑支护结构中。在具体的支护结构设计过程中，需要按照相关公式和参数确定不同结构的具体参数，使各类支护结构在保证强度的基础上，位移量也能够在设计参数的变化范围内，最大限度保证系统的稳定性和安全性。

2地铁车站基坑支护结构设计优化过程

地铁车站基坑支护结构的设计优化对象为已经确定的基坑支护方案，故而在优化过程中，需要保证基坑支护方案的合理性与科学性，在方案选择过程中，要结合地质条件、水文施工工期、投入资金等方式进行方案确定。而在支护结构设计优化过程中，结构优化对象包括支护结构选型优化、支护结构参数优化。对于支护结构选型优化，分为整体优化和细部优化，整体优化为对优化方案进行合理选择，结合具体的建设位置、建设周期等方式选取合理支护方案，而细部优化内容包括结构入土深度、配筋计算、支撑数量等因素，在保证质量的基础上降低建设成本以及缩短施工工期。对于参数优化，在优化过程中需要根据地质水文环境等因素建立模型，结合各类参数实现对各项参数的有效优化，而在应用各项参数时，参数包括固定参数、土质参数和可优化参数，需要根据工程具体种类通过已知参数进行参数优化。

3地铁车站基坑支护结构设计优化措施

3.1支撑道数优化

支撑道数的多少能够对施工进度和施工品质都造成重大影响，当支撑道数过低时，会引发基坑失稳现象，而当支撑道数过多时，将在很大程度上延长施工工期，当前支撑道数多为3～5道，本文通过有限元软件结合某地铁车站的设计过程展示优化过程。通过模型的建立和相关参数的代入，发现支撑道数为3时，地表最大沉降量为30.8mm，墙体最大位移量为25.3mm;支撑道数为4时，地表最大沉降量为26.5mm，墙体最大位移量为21.4mm;支撑道数为5时，地表最大沉降量为22.5mm，墙体最大位移量为17.3mm。通过有限元软件的建模仿真可以发现，当增加支撑道数时，系统的稳定性会获得极大提升，而对于地铁车站的建设来说，车站的稳定性需要被优先考虑，并且在该过程中还需要降低地铁车站施工过程中对地下管道、地表等方面的影响。然而为了降低建设成本和缩短施工周期，在方案选择过程中需要根据相关参数确定支撑道数，充分发挥结构设计优化的功能［2］。

3.2支撑间距优化

对于地铁车站基坑支护系统，当支撑间距变大时，能够在很大程度上降低建设成本和缩短建设周期，故而需要对支撑间距进行优化，在保证施工质量的基础上提升建设效率。本文以某地铁车站的基坑支护系统设计和优化为例，在该工程中，基坑支护系统的支撑道数为4，支撑间距为3、4、5m，通过有限元软件对不同间距参数状态下的地表沉降量和挡板水平位移量进行仿真，最终得到的结果为:当支撑间距为3m时，最大地表沉降量为25.8mm，墙体位移量为22.6mm;当支撑间距为4m时，最大地表沉降量为30.4mm，墙体位移量为28.5mm;当支撑间距为5m时，最大地表沉降量为53.3mm，墙体位移量为44.8mm。通过对以上数据的研究可发现，支撑间距越大则结构发生失稳的几率越高，就举例的工程而言，当支撑间距为5m时，系统已经不能满足稳定性要求，另外两种支撑间距可以实现对基坑的有效支撑，结合建设成本和施工工期方面的考虑，最终确定支撑距离为4m。

3.3支撑刚度优

对于支撑刚度的优化，通常意义上为合理选择满足强度要求的钢结构，由于钢结构的型号、横截面直径对刚度的影响最大，故而在支撑刚度优化过程中，在支撑道数和支撑间距最优方案的情况下进行支撑刚度优化，对支撑刚度的描述参数为地表沉降量和围护结构位移量。仍然以上文中提到的工程为例，本文在此选取了建模仿真了三种钢材，即Φ=609，t=14型号钢、Φ=800，t=14型号钢和Φ=800，t=16型号钢，最终结果表明，第一种钢材在最大地表沉降量和墙体最大位移量方面都处于最大状态，第三种钢材这两项参数都最小。在实际优化过程中，由于要保证系统能够稳定建设和运行，故而需要舍弃不能满足工程稳定性要求的方案，而在其余方案的选择中，需要结合钢材的价格进行合理选择，以充分降低工程的施工成本。

3.4桩体直径优化

对于地铁车站基坑支护系统来说，在当前的施工过程中会建设各类桩体对工程提供有效支撑，而不同桩体的直径除了会对支撑效果造成很大影响，同时也能够在建设成本和建设周期方面形成很大影响，为了能提升工程的建设效率，需对桩体直径进行优化。在优化过程中，需按照工程的设计方案合理确定桩体直径范围，并通过有限元软件对不同桩体直径下最大地表沉降量和墙体位移量进行建模仿真，在保证工程建设质量的基础上确定桩体直径。但是需要注意的是，对于桩体建设，通常需要留有一定余量，以充分降低地质环境和水文条件对桩体直径参数上的影响，另外在桩体优化过程中，也可以应用有限元分析软件对不同种类桩体的支护能力进行探究，从而确定最合理的桩体种类和直径参数。

4基坑工程开挖与支护

4.1基坑开挖过程中所要考虑的因素

1)工程地质条件。基坑开挖过程中，接触到最多的就是土壤，因此，在工程建设前一定要考察地质条件。因城市现代化建设大多是在原有城市基础上的改建，无法完全脱离原有基础，所以便不能像风电站、水电站以及核电站等大型工程设施那样，可以在非常广阔的地域中选择优越适合的建筑场地上建设。为了满足城市规划的需要，建设改造时经常是随遇而安，便导致了经常遇到极差的工程地质及水文条件。而这类现象在沿海城市现代化建设时尤为明显，像某些城市存在湿陷性黄土、软土及淤泥质土等，工程地质条件十分复杂。2)水文条件。基坑开挖过程中，也要考虑到水层分布。建设过程中遇到的地下水主要有两部分:浅部土层中的潜水、深部粉性土层中的承压水。众多的水质分析表明，地下水对混凝土无腐蚀性，但对钢结构有弱腐蚀性。3)基坑周围环境。基坑建设过程中，除以上两点因素，还要考虑到工程周围原有的环境。临近的建筑、地下铺设的管线等都是开挖新基坑时要考虑到的，因此，在施工前一定要搜集完整的资料，以及对地面沉降很敏感的建筑资料和要求，与实际施工条件相结合，进行安全、有效、有序地施工。

4.2设计依据和设计标准

1)工程设计依据。经过建设工程师们多年的研究，制定出了一系列的工程建设标准，为工程建设提供了大量数据支持［3］。①《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012);②《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012);③《钢结构设计标准》(GB50017—2017);④《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307—2012)。2)基坑工程等级选择标准。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)中规定，基坑的侧壁安全等级分为三级。总之，基坑支护结构的选择一定要考虑到工程周围建筑物、地质条件和水质条件等，避免不必要的危害产生。

5基坑支撑与支护设计

5.1基坑支护方案

基坑开挖过程中，基坑壁的支护、固定至关重要。建筑工程师们研究出多种维护结构，主要分类有钢板桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、SMW工法和高压旋喷桩等。这些基坑围护结构作为临时性挡墙结构，其作用便是直接承受来自基坑开挖卸荷时产生的土压力和水压力，再将这些压力传递到支撑结构上，以此减缓对支撑结构的直接冲压力。

5.2基坑支撑体系

支撑结构体系包括围檩、支撑、立柱及其他附属物件。

6施工监测与基坑监测的主要内容

为了保证基坑开挖过程中的安全，也为了确保基坑工程施工中周边环境的安全，对基坑工程施工中基坑侧壁岩土体、支护结构以及基坑周边环境的环境效应进行有效地监控显得十分重要。在地铁车站施工中，在进行基坑开挖、基坑降水和围护桩成孔施工三个环节时，一定要严格控制地面沉降和围护侧移。基坑开挖必须进行全过程监控，施工全过程采取信息化动态施工，利用监测反馈到的信息随机改变施工的各道工序，使施工信息化、科学化。基坑工程的施工监测应综合考虑基坑设计的形式特点、基坑施工条件、工程所处的岩土条件、邻近建筑物性状、周边环境条件和工期等诸多因素，因地制宜、科学合理地精心编制与实施监测方案。

7结束语

综上所述，基坑支护工程是土木建设工程中十分重要的一部分，它的成败对整个建筑的影响是非常巨大的。尤其是在经济高速发展的21世纪，高层或超高层建筑将占据城市建筑群主流，对于建筑技术中深基坑支护的研究与创新将变得更为重要。在地铁车站建设中，需要按照地质条件、水文环境等因素确定桩体的设计方案。而既要缩短工期和降低建设成本，同时又要保证工程质量，需要对已经选择的结构设计方案进行优化，优化过程中将应用有限元分析软件建模仿真，对不同结构参数下的最大地表沉降量和墙体位移量进行计算，结合各类施工因素确定最佳设计方案。

参考文献:

［1］邢继光．地铁车站基坑支护结构设计与变形模拟研究［D］．吉林:东北电力大学，2017．

［2］曾艳品．土钉墙基坑支护优化设计的一些问题研究［D］．西安:长安大学，2014．

［3］朱诚，李睿，刘夏临．地铁车站基坑支护结构设计优化［J］．武汉科技大学学报，2014，37(2):156－160．

作者：李俊 单位：广州地铁设计研究院股份有限公司