深基坑支護技術在地鐵隧道中的應用

蔡永元，董建忠，謝銘祥

（浙江省建投交通基礎建設集團有限公司，浙江 杭州 310012）

引言

在交通上，加強對地下空間的利用成為了城市發展的主要方向之一，一方面，其可以有效地解決交通堵塞問題，另一方面，其也可以在一定程度上緩解土地資源緊張帶來的開發問題。在此背景下，以地鐵為核心的大型地下建筑不斷涌現，相關深基坑工程施工規模不斷增加[1-3]。但是值得注意的是，深基坑施工安全是實際施工中極為重要的環節，雖然在深基坑工程的實踐積累中，相關工程理論與技術都實現了新的突破，相關科研人員和工程技術人員對深基坑工程的研究也呈現出精細化，多元化的特點[4]。但是受實際施工環境的影響，深基坑仍需要可靠的支護技術作為支撐[5]。一般情況下，基坑區域的軟土構成、地下水以及地表水是影響深基坑穩定性的客觀因素，而支護技術的合理性和可靠性是影響深基坑穩定性的主觀因素[6]。因此，對深基坑支護技術進行深化研究是十分必要的[7]。為此，本研究提出深基坑支護技術在地鐵隧道中的應用研究，并通過在實際工程中進行應用測試分析驗證了其作用效果。借助本文的研究，希望可以為降低深基坑工程安全事故發生的概率提供幫助，在不增加施工造價的基礎上，保障施工按照工期順利竣工。

1 地鐵隧道深基坑支護技術

1.1 地鐵隧道深基坑穩定性分析

在進行支護施工前，首先需要對施工情況的地質構成以及周圍的環境因素進行勘察，或直接根據已有的地勘報告對土質的特征進行分析，將其作為支護方案設計的基礎，對應的支護結構中各構件的參數也是根據其進行設置的。一般情況下，深基坑各個工況都是按照自上而下分層開挖進行施工的，對應的穩定性也存在差異，這就意味著其所需的支護力度也不同[8-10]。針對該問題，本文在進行支護施工前，結合深基坑的土質條件與施工水平，計算了地鐵隧道深基坑的穩定性，其可以表示為

式中，B 表示地鐵隧道深基坑的穩定性系數，P1表示深基坑地面均布荷載強度，P2表示深基坑自體的重量帶來的荷載強度，d1表示基坑底面到隆起計算平面之間土層厚度，d2表示地表到隆起計算平面之間土層厚度，a1表示基坑底面到隆起計算平面之間土層重度系數，a2表示地表到隆起計算平面之間土層重度系數，h 表示開挖深度。

按照式（1）所示的方式，計算得到地鐵隧道深基坑的穩定性系數，結合該值，本研究按照安全系數不小于1.6 的標準對支護結構的荷載能力進行設計。

1.2 支護結構參數確定

在確定支護結構的荷載能力設計需求的基礎上，本文分別從支護結構的材料強度、主要應力結構的直徑和長度、主要應力結構之間的間距幾個方面對地鐵隧道深基坑支護結構的參數進行設置。考慮到降低施工階段的材料消耗以及施工作業的方便性，本文對主要應力結構之間的水平與豎向間距、以及長度及其直徑的設置標準為

式中，r 表示主要應力結構的半徑，l 表示主要應力結構在深基坑表面的埋深，dx表示主要應力結構之間的水平間距，dy表示主要應力結構之間的豎向間距。需要注意的是，由于地表降水或地下水的作用，深基坑的具體參數信息可能會出現一定程度的變化，因此，在計算階段需要施工區域的實際水環境參數為準，確保設計結果的可靠性。通過這樣的方式，完成對支護結構參數的設置。

1.3 深基坑支護結構施工

在施工階段，本文首先依靠錨固體與土體之間的摩擦力，將預應力錨桿斜向固定在地鐵隧道深基坑土層中，此時的成孔大小為主要應力結構直徑的1.2 倍。需要注意的是，基坑在預應力錨桿的影響下，受力狀態會發生改變，為此，本研究將拉桿與錨固體的握裹力作為減小了基坑坑壁位移的核心作用力，對應錨桿強度的可以通過支護結構上的荷載實現對其的分解。通過這樣的方式維護結構物整體的穩定性。其次就是混凝土灌注樁結構的使用，本文采用鉆孔灌注樁的方式實現該部分的施工，預應力錨桿與之形成組合基坑支護結構。在受力過程中，預應力錨桿作為傳導組織，將拉力傳遞給基坑深部穩定的土體結構。通過這樣的方式，錨桿與錨固深層土體之間形成相互作用關系，對錨桿施加的預應力都將通過滑動面轉化為對地鐵隧道深基坑不穩定區土體的加固作用。

需要注意的是，錨固體和土體之間的摩擦力會對錨桿產生一定的張拉預應力，影響其穩定性。針對該問題，本文設置了包含錨頭、自由段以及錨固段的預應力錨桿結構，其中，錨桿的拉力可以通過錨頭鎖定，借助自由段，將該部分作用力傳遞到錨固區域，最終由錨固段將拉力傳遞到更穩定深層土層中，由此實現對支護結構穩定性的維護。

1.4 深基坑穩定性監測

除了施工階段的控制外，需要注意的是，監測階段的監測周期也是影響最終支護結構作用效果的重要因素之一，為此，本文對監測周期的設置進行研究。

考慮到深基坑邊坡施工本身是一個相對動態的過程，并且存在深基坑邊坡穩定性隨著施工進程的推進，風險不斷增加的特點。因此本文設計在實施監測技術時，結合邊坡的施工流程，進行科學化檢測。首先要獲取施工區域的原始地質數據信息，在未開工前，針對1.1 部分設置的穩定性計算指標，進行兩次監測。將該數據作為評價深基坑邊坡穩定性的標準。之后按照施工進程，定期進行監測，對應的標準如表1 所示。

按照表1 所示的方式實施對應深基坑施工邊坡穩定性指標參數的監測。當出現異常參數后，及時實施合理的加固措施，以此確保支護結構的穩定性。

表1 深基坑邊坡穩定性監測周期/天/次

2 應用測試分析

將本研究提出的深基坑支護技術應用在某地鐵隧道的施工過程中，測試其支護效果。

2.1 工程概況

施工段的開挖深度為8.50 m，其中，明挖部位為出站口和站場護坡連接區域。對應深基坑開挖邊線與出站口之間的距離為3.5 m，與運行軌道之間的距離為30.0 m。在此基礎上，結合施工的規模，設置基坑的開挖面積為3 450.0 m2，施工區域的周長總計為322.0 m。采用本文設計的支護技術對施工深基坑進行處理，其中，主要應力結構的直徑為20.00 cm，長度為1.20 m，相鄰主要應力結構的間距為50.00 cm。施工階段使用的混凝土型號為LC8.0，砂土混合比為5∶3。在此基礎上，共設置了5 個監測點，對應編號分別為 JC001，JC002， … ，JC0010，按照設計的方式對深基坑的穩定性進行監測。

2.2 測試結果

本研究以支護樁頂部的水平位移和沉降情況作為分析基礎，對設計支護技術的應用效果展開討論。在為期30 d 的監測過程中，各監測點的具體監測數據信息分別如表2 和表3 所示。

從表2 中可以看出，初始階段（0～5 d）支護結構的水平位移變化在20.00 mm 左右，在支護結構搭建后的20 d，支護樁頂部水平位移變化情況區域平穩，20～30 d 期間，水平位移變化總量均低于1.50 mm。對監測階段支護樁頂部水平位移總量進行分析，其均運行在50.00 mm以內。監測結果表明本文設計的深基坑支護技術可以有效確保支護結構在水平位置上的穩定性，為地鐵隧道施工提供安全環境條件。

表2 支護樁頂部水平位移監測結果/mm

從表3 中可以看出，本文提出深基坑支護技術在10 d 內實現了在豎直方向上的穩定，其中，單個監測周期（5 d）內的最大沉降位移僅為5.39 mm，15 d 后單個監測周期的沉降位移始終低于0.1 mm，對30 d的支護樁頂部的沉降位移總量進行分析，10 個監測點的結果均低于9.00 mm，表明此時的支護結構達到穩態，具有較高的安全性。測試結構也進一步驗證了設計深基坑支護技術在實際過程中的應用價值。

表3 支護樁頂部沉降位移監測結果/mm

3 結論

深基坑施工在建筑中的應用越來越廣泛，確保其穩定性是保障施工安全以及施工質量的重要因素。本研究提出深基坑支護技術在地鐵隧道中的應用研究，在明確了深基坑支護需求的基礎上，對具體的支護施工參數以及施工方法進行詳細研究，大大降低了工程在水平和豎直方向上的位移，為施工安全提供了可靠保障。

本研究主要是針對深基坑支護技術中的設計階段進行的，通過綜合施工區域的實際情況，確保支護結構的應力強度能夠滿足支護需求。在之后的研究中，可以進一步深化對施工階段的研究，以確保設計階段的預期能夠在實際中得到充分體現，提高深基坑施工的安全性。