地铁结构中基坑支护设计的应用

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地铁结构施工是在地下空间内完成的，自身所处空间位置的特殊性使其面临上部及周围土体的威胁，同时由于地下开挖也给其周围的建筑及附属设施带来安全威胁，基坑支护的重要性不言而喻。本文在介绍了地铁结构基坑支护设计要点后，以上海市某地铁车站的基坑工程为设计实例进行了应用探析。

地铁结构施工中，因其所处的地理位置的特殊型，基坑支护虽然是短暂的临时性辅助工程对于地铁工程的施工却起着举足轻重的作用。对地铁项目中基坑支护进行合理设计，不仅是项目施工的需要，也是保护地铁周围建筑和设施安全的重要举措。

1地铁结构基坑支护设计要点

对基坑支护形式进行科学选择是支护设计首先面临的问题，需要设计人员从地铁结构所处地理位置的地质条件出发，对周边建筑物的保护等级和工程造价的经济性等方面深入考量。基坑支护具有完整的结构性和体系性，必须满足变形可控和稳定性要求，也就是行业规范内常用的极限状态（负荷能力的极限和正常使用的极限）下的防护需求。

负荷极限是支护结构在遭受强大不利外力作用时产生滑动、倾斜甚至是结构损坏等现象进而引发大规模失稳，通常在地铁结构的基坑支护设计中不允许出现该类极限状态；正常使用的极限是支护结构由于土石开挖所引起的土体变形过大而使支护结构也发生变形，其正常使用的功能被破坏，但结构并未失稳。所以，在设计地铁结构中的基坑支护措施时，其负荷能力的极限安全系数要相当高才能避免支护失稳的现象发生。在保障支护结构稳固性优良的前提下，结构位移量的控制是另一项重要设计内容[1]。

通常设计过程中，控制支护位移的条件以水平位移为主，直接原因是便于观测。控制水平位移的标准视地铁结构周边建筑以及其他附属设施的防护等级而定，也就是对基坑所属的安全等级进行精确划分。一级基坑安全支护对位移的要求是其周边临近的建筑物或者附属设施需要保护的力度比较大，基坑变形必须控制在很小范围内；三级基坑安全支护对位移的要求是其周围没有需要保护的建筑物和相关附属设施，对于位移量的限制很宽松，控制标准在基坑整体安全范围内没有额外要求；二级基坑安全支护的控制标准介于一级和二级之间。

在基坑位移量化控制标准中，水平最大位移是一项重要指标，通常而言，一级基坑中不宜超过30mm，若基坑深度比较大，水平最大位移须控制在开挖深度的3‰以内；而一般性基坑水平最大位移均不能超出50mm。从长期的施工经验来看，当基坑水平位移小于30mm时地表不会出现明显裂纹，而当基坑位移扩大到40~50mm时，地表裂纹就非常明显。所以，地铁结构的基坑水平最大位移必须控制在40mm以内，以免地面产生明显裂纹或者产生继发性沉降。通常情况下选择诸如连续墙、挡土桩或者内部支撑体系的支护形式，伴随的位移均比较小，并且具有良好的可控性，可以将水平位移精准地管控在30mm内，而土钉型的支护方式对地质条件要求比较高，如果不借助于锚杆或者超前支护等强化巩固措施，基坑水平位移多数情况下会大于30mm[2]。

2对地铁结构的基坑支护方案设计的实例论述

2.1项目概况

以上海市某条地铁线路中某具体地铁车站的基坑设计为例展开具体探析。该站点地铁车站总长164m，站区东北角有一居民小区距离最近的地铁出口（1#出口）的附属结构约20m，小区楼房结构为砖混结构，楼层6层，车站西南角有另一居民小区距离紧邻的地铁出口（3#出口）的附属结构约23m，距离车站10m范围内有一根钢筋混凝土雨水管（直径80cm）、两根铸铁管（直径分别为15cm和30cm）。车站主体基坑结构的标准段宽为21.5m，深为17.5m，断头井的宽为24.6m，深为19.4m，基坑等级为二级。附属基坑深为11m。

2.2设计主体基坑

（1）计算地下连续墙

从地铁车站主体基坑规格选用厚800mm的连续墙作为围护结构，并以厚400mm的内衬墙为辅助措施，连续墙的初始插入比拟定为0.85。端头井部位的基坑支护以1000mm厚的连续墙作为围护结构，并辅助以600mm厚的内衬墙，连续墙初始插入比拟定为0.82。从叠合墙独有的受力特点出发，连续墙设计时在基坑的开挖阶段和内部回填阶段分别以总量法和应力变化累加法加以计算[3]。而在施工环节的受力情况以有限元理论建立结构的荷载模型进行力学分析和设计。有限元理论的最终分析成果为此处连续墙水平最大位移33.4mm，满足规范中对于二级基坑安全控制的要求。

（2）计算主体结构

该站区所处地理位置的地下水位偏高，降水措施在基坑施工中必须保证执行到位，土质回填后是施工环节最不利的自重工况，此时影响程度比较大荷载是填土重、站台站厅移动荷载以及地面的移动荷载。后续阶段因降水措施的停止地下水位会攀升，对底板的浮力随之增大，浮力工况下影响比较大的有填土重、底板浮力以及结构的自重。对这两种不利工况计算之后选取弯矩的外包络值[4]。进而可对连续墙及其内部结构展开配筋计算和设计。

（3）设计内支撑

地铁车站基坑标准段和端头井的竖向内部支撑设计分别如图2~3示。标准段采用不设围檩的刚性支撑，一共设置五道竖向支撑。第一道为钢筋混凝土支撑（800mm×800mm），剩余四道为钢管支撑（直径60.9cm）。端头井大部分采用斜撑形式，共设置六道，第一道为钢筋混凝土斜撑，剩余五道为钢管斜撑（直径60.9cm）。钢支撑预应力以支撑轴力的0.7倍施加。

2.3设计附属基坑

车站附属基坑全部为地下一层构筑物，个别部位带有电缆夹层，其围护结构全部采用直径800mm、间距950mm的排桩形式，出于偏高的地下水位限制，需要在排桩外围增设直径850mm、间距600mm的三轴水泥式搅拌桩来形成外层帷幕以达到止水防水的效果。附属基坑内共设置三道竖向支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，剩余两道为钢管支撑（直径60.9cm）。

2.4基坑降水

该地铁车站的主基坑开挖深度比较大，加之地下水位偏高，位于地下的连续墙直接插入到了承压含水层，根据已勘察到的地质资料经过相关计算得到，主体基坑的标准段和端头井部位的基坑底板抵抗突涌的稳定性无法满足规范的设计要求，对于标准段的基坑而言，其承压水位应降到地表下11m以下，端头井部位的承压水位应降到地表下13.6m以下，并且在施工环节要对承压水头进行实时监测。附属基坑在施工环节只需要对潜水实施抽降即可。

3结语

地铁结构因其具体施工位置的特殊性和任务的艰巨性，其基坑结构的支护设计需要考虑的因素有很多，支护形式的合理准确选用、位移控制的量化标准等都是设计工作的重点，尤其是主体基坑的标准段和端头井部位应该投入更多的精力和心思，以保障支撑结构的整体性和稳固性。

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