沿江地鐵車站基坑支護結構設計分析

曾軍

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

近年來，隨著市場經濟的飛速發展，城市人口急速增加，對城市軌道交通建設的需求隨之提升[1]。地鐵作為城市軌道交通的重要形式，能夠有效減輕地面交通壓力，為民眾的日常出行提供便利。但隨著地鐵規模的不斷擴大，對工程的設計、施工及管理帶來了新的挑戰。一般而言，沿江地區地質條件普遍較差，而地鐵車站基坑開挖深度大、施工工期長，工程周圍環境復雜且敏感，同時受到汛期的影響，對支護結構的可靠性與安全性方面的要求更為嚴格。本文以福建某沿江地鐵車站工程為實例，對其基坑支護結構及應用情況進行分析，以期為類似沿江地鐵車站工程中基坑支護結構的設計提供參考與指導。

2 基坑支護結構

基坑支護是指在進行基坑工程施工時，為保障地下施工安全及避免周邊環境遭到損害而采取的各種支擋及保護措施。目前，常見的基坑支護結構主要包括鋼板樁支護、地下連續墻支護、深層攪拌支護等。為保證支護效果，多采用兩種及以上支護結構形式，并需要根據基坑開挖深度、工程地質條件及周邊環境等因素進行綜合分析后合理選用。

2.1 放坡開挖支護

放坡開挖支護是指為避免塌方，當開挖至一定深度后于基坑邊沿放出足夠的邊坡，從而保持邊坡的穩定性，具有施工簡單、成本低等優點，適用于開挖深度較小的基坑工程。但由于對工程現場條件要求較高，在設計時還需要考慮相鄰結構的安全性。

2.2 鋼板樁支護

鋼板樁支護是指將帶有鉗口或鎖口的鋼板樁連接起來形成的樁墻，具有經濟效益高、操作簡便等優點，多應用于深度超過5 m 的深基坑工程當中。但由于其本身存在柔性大的特點，若設置不當容易造成嚴重變形。

2.3 地下連續墻支護

地下連續墻支護是指在基坑工程施工前，沿工程線路挖出一條深槽，放置鋼筋籠后灌注混凝土，從而在地下形成一道連續性的墻體，以發揮擋水、承重、防滲等作用。地下連續墻具有較強的適應能力，可應用于各類復雜環境當中，但由于需要用到專業器械設備，造價較高。

2.4 深層攪拌支護

深層攪拌支護是指將混凝土作為固化劑使用，與軟土劑拌和產生一系列物理化學反應，硬化后形成的高強度混凝土樁墻。深層攪拌支護具有整體性與水穩定性，適用于淤泥、粉土、黏土等土層，但對于開挖深度超過6 m 的基坑工程而言，其支護效果欠佳。

2.5 土釘支護

土釘支護是以土釘作為受力構件的巖石工程加固支護技術，在軟土等不良地質條件下，還需要設置超前豎直高壓灌注漿錨管。土釘支護是由密集的土釘群與原位土體等組成。土釘支護具有操作簡單、經濟效益高、可靠性強等優點，在基坑工程中得到了廣泛應用，當發生土體變形時，其能夠被動承受拉力作用，較好地維護土體強度，降低了對基坑工程的影響。土釘支護適用于黏土層以及地下水位以上的土層，基坑工程開挖深度一般在5～10 m，對于含水豐富的土層發揮的支護效果較弱。

2.6 錨桿支護

錨桿支護是指將錨桿打入基坑工程穩定土體中，使其與土體聯結，從而發揮維護基坑穩定性的作用，具有操作簡單、成本低、靈活性高等優點，可與地下連續墻、土釘墻等支護結構聯用。不適宜用于有機質土及密度相對較小的砂土層中。

3 基坑支護結構設計準備及原則

在對基坑工程進行支護結構設計時，需要考慮擋土結構、內支撐結構及支護結構形式3 方面因素：（1）擋土結構的主要作用是抵抗來自土層的壓力，多采用放坡開挖、地下連續墻等支護形式。（2）內支撐結構的主要作用為傳遞和平衡土層作用于基坑外側的壓力，多采用鋼支撐與混凝土支撐等形式。（3）而支護結構形式多樣，為確保支護結構設計的合理性及施工的有效性，在進行基坑支護結構設計前，需要對巖土、水文地質及周邊環境進行詳細的勘察，獲取基坑涉及的各巖土層的物理學參數、巖土體的物理性能參數、地下含水層水位及變化等數據。

進行基坑支護結構設計時，需遵循以下原則：（1）根據施工區域的地質情況以及水文信息選擇合適的支護方式。（2）根據施工材料及工藝進行篩選，保證選用的支護方式具有可行性，避免在實際施工過程中出現因無施工材料或工藝無法實現而出現支護效果不達標的情況。（3）保障工期，即支護方式的選擇應當貼合基坑工程工期，避免因支護項目花費時間過長而對工程工期造成影響。

4 沿江地鐵車站基坑支護結構設計分析——以福建某沿江地鐵車站工程為例

沿江地鐵車站基坑支護結構的設計較為復雜，需綜合考慮地質條件、開挖深度、江河汛期等因素，以福建某沿江地鐵車站工程為例，對工程地質條件、支護與開挖方案等進行分析。

4.1 工程地質條件

該車站地域屬于海陸交互淤積平原地貌，工程地質條件從上至下為：（1）粉質黏土土層，厚4.2 m，重度為18.54 kN/m3，黏聚力為23.5 kPa，摩擦角為14.6°，破壞常數m為0.546，固結參數λ 為0.068，回彈參數k為0.009，初始孔隙比ν0為1.87。（2）淤泥質土層，厚6.4 m，重度為17.06 kN/m3，黏聚力為14.3 kPa，摩擦角為9.4°，破壞常數m為0.368，固結參數λ 為0.173，回彈參數k為0.044，初始孔隙比ν0為2.21。（3）殘積砂質黏性土土層，厚10.3 m，重度為17.88 kN/m3，黏聚力為23.8 kPa，摩擦角為19.7°，破壞常數m為0.767，固結參數λ 為0.067，回彈參數k為0.005，初始孔隙比ν0為1.97。（4）全風化花崗巖土層，厚2.2 m，重度為21.06 kN/m3，黏聚力為24.1 kPa，摩擦角為24.1°。淺層孔隙潛水主要存在于粉質黏土土層，地表水為其主要來源，進行測量后結果顯示，初見水位埋深為1.88～3.12 m。

4.2 支護與開挖方案

該車站施工時采用半蓋挖法，即先施作車站的結構頂板作為覆蓋板，而后在頂板的保護下進行基坑的支護與開挖，開挖到底后再由下往上施作車站的結構。車站基坑端頭井深為25.4 m，標準段深為23.6 m，最大寬度為26.0 m。車站基坑支護結構采用地下連續墻+內支撐結構體系，地下連續墻厚度為1.0 m，內支撐結構共5 道。其中，第1、3 道為混凝土支撐，截面為800 m×1 m；第2、4、5 道為鋼支撐，直徑為609 mm。

4.3 圍護墻水平位移

根據該車站靠山側與靠江側圍護墻在開挖后水平位移相關數據顯示，隨著車站基坑開挖，兩側圍護墻水平位移逐漸增大，當開挖至第3 道混凝土支撐與第4 道鋼支撐時達到峰值，而后至坑底，變形逐漸穩定。其中，靠山側圍護墻最大水平位移為61 mm，靠江側圍護墻最大水平位移為35 mm（見圖1，其中，工況3 為二次襯砌支護完成后圍巖遇水軟化；工況7 為基坑開挖深度為5.4 m；工況11 為端頭井基坑）。車站基坑兩側水平位移存在不對稱性，而靠江側圍護墻水平位移明顯小于靠山側圍護墻水平位移，對車站基坑的施工及運營均產生了巨大的威脅，因此，在進行支護結構設計時，需考慮地形對車站基坑的影響。

圖1 兩側圍護墻位移曲線

4.4 圍護墻背后土壓力

根據圍護墻背后土壓力相關數據顯示，隨著開挖深度的增加，圍護墻背后的土壓力會出現變化：當開挖深度在0～8 m時，車站基坑兩側圍護墻背后壓力基本一致；開挖深度在10～23 m 時，靠山側圍護墻背后土壓力為80～160 kg，而靠江側圍護墻背后土壓力為70～100 kg 時，靠山側圍護墻背后土壓力大于靠江側圍護墻背后土壓力，存在偏壓效應。

4.5 鋼支撐與混凝土支撐對比

鋼支撐與混凝土支撐在支護結構體系中發揮了極為關鍵的作用，而在該車站基坑支護結構體系中，第3 道支撐軸力遠大于第1、2、4、5 道支撐。因此，對其進行模型替換分析結果顯示，當第3 道支撐為混凝土支撐時，最大軸力為7 461 kN；當第3 道支撐為鋼支撐時，最大軸力為4 805 kN。因此，對該車站基坑支護結構進行設計時，第3 道支撐應當選用更高剛度的混凝土支撐，有利于提高基坑支護的安全性，如圖2 所示（工況5、工況9 分別指基坑開挖深度為2.85 m、4.4 m）。

圖2 支撐軸力發展曲線

5 結語

隨著城鎮化進程的不斷推進，城市軌道交通建設需求逐漸增加，地鐵的修建能夠為人們的日常出行提供新選擇，極大地緩解了地面交通壓力。但由于沿江地區地質條件差，工程周圍環境復雜且敏感，容易對基坑支護結構造成影響，不僅危及基坑施工安全，還可能造成巨大的經濟損失，因此，良好的基坑支護結構設計具有重要的現實意義。常見的基坑支護結構主要包括鋼板樁支護、地下連續墻支護、深層攪拌支護等，為保證支護效果，應當采用兩種及以上支護結構形式。進行沿江地鐵車站基坑支護結構設計時，應對巖土、水文地質及周邊環境進行詳細的勘察，獲取各基坑涉及的各巖土層的物理學參數、地下含水層水位及變化等數據，并確保支護方式符合施工地區的地質情況。以福建某沿江地鐵車站工程為例，本文對土層各項物理學參數進行分析，并綜合考慮地形對車站基坑的影響、偏壓效應、內支撐最大軸力等，選用了地下連續墻支護與5 道內支撐結構體系，為基坑的安全性提供了保障。