地鐵車站深基坑鋼支撐結構設計及穩(wěn)定性研究

摘要：針對深基坑鋼支撐結構設計及穩(wěn)定性問題，以某地鐵石犀公園站深基坑工程為背景，總結鋼管支撐支護方案的基坑工程研究成果。以深基坑鋼支撐設計手段，對鋼管支撐式車站的開挖及支撐方案進行了分析研究，并對比基坑的各種支護方式的優(yōu)缺點，確定采用“排樁+內支撐”的組合支護體系，可為其他類似工程供參考。

關鍵詞：深基坑；地鐵車站；穩(wěn)定性；支撐結構

0" "引言

隨著城市化進程的不斷加快，城市深基坑工程越來越多，基坑支撐難度越來越大[1-4]。鋼支撐支撐由于剛度大、性能優(yōu)良等特性，常被用于解決深基坑、長支撐的施工難題[5-9]。本文以某地鐵石犀公園站深基坑工程為背景，總結鋼管支撐支護方案的基坑工程研究成果。以深基坑鋼支撐設計手段，對鋼管支撐式車站的開挖及支撐方案進行了分析研究，并對比基坑的各種支護方式的優(yōu)缺點，確定采用“排樁+內支撐”的組合支護體系。

1" "工程概況

某地鐵石犀公園站沿商貿大道北沿線南北向設置，如圖1所示。車站為地下二層單柱雙跨12m島式站臺車站，標準段寬度21.1m，頂板覆土約4.2m，底板埋深17.2～19.6m，地面高程514.7～515.2m。車站設計起訖里程為Y（Z）DK9+758.521和Y（Z）DK10+402.621，有效站臺中心里程為YDK10+299.421，車站長644.1m。車站兩端為盾構區(qū)間，小里程端盾構吊出，大里程端盾構始發(fā)。車站設7個出入口、2組風亭。商貿大道現(xiàn)狀道路寬約30m，為雙向4車道設置，本站所處位置交通量不大。

2nbsp; "深基坑支護方案對比分析

基坑工程是最基礎的部分，其施工質量與整個工程是否安全密切相關。在整個工程當中，如何選擇一種既經濟又安全的支護方式，一直是行業(yè)熱議的話題。

2.1" " 影響基坑支護方案選取的因素

基坑工程是一個比較復雜且系統(tǒng)的工程，其中所涉及的因素較多，所以對于基坑支護方式的選擇也受到較多因素的影響。但是在所有的因素當中，并不是每一個因素都有決定性的作用，其中有幾個主要因素：

一是施工現(xiàn)場的工程地質條件，如土層分布、每層土的物理參數(shù)、現(xiàn)場水文地質條件等。二是施工現(xiàn)場的周邊環(huán)境狀況，比如周邊已有的建筑物、地下管線、周邊其他既有建筑的基坑形式與埋深等。三是基坑的場地形式對支護方式的選擇，比如基坑平面形狀、最初設計的基坑開挖深度。四是工程預算。

2.2" " 基坑支護方式選取原則

2.2.1" "安全性

在一個建筑工程項目當中，基坑支護工程的作用就是保證在進行工程施工時，整個基坑工程是安全的，所以安全性被列為首要影響基坑支護方式選擇的因素之一。然而除了安全性以外，隨著一些地鐵、地下商場等一些在市區(qū)內進行施工的項目，對于基坑工程提出了更高要求，不僅僅要保證基坑在整個施工過程中絕對安全，還要保證土體擾動不會對周邊的建筑物產生影響，以保證周邊建筑的安全。

2.2.2" "經濟性

在建筑施工過程中，基坑工程并不是一個永久保留部分，它只是一個臨時支護工程，所以采用較為復雜且花費較大的支護方式是不經濟的。為此應從實際出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場的一些施工條件，選擇合適的支護方式，讓基坑工程在滿足工程需要的前提下，盡可能減少資金的投入。

2.3" " 深基坑工程支護方案比選

經過多個方案的比較分析，為了嚴格控制場地周邊的沉降與位移，決定采用鋼管內支撐體系進行支護。根據(jù)地質勘查報告的土層數(shù)據(jù)及現(xiàn)場原位試驗所得土的物理參數(shù)，并結合當?shù)仄渌こ痰氖┕そ涷灒诒竟こ讨羞x擇護坡樁+內支撐的支護方式。該工程擬建場地開挖深度為19m，開挖寬度為21.2m。

該工程支護方案分為3個區(qū)段，其中二區(qū)為車站一體化區(qū)域，一、三區(qū)段為考慮盾構井加深段，護坡樁間距及入土深度都要相應改變。內支撐采用鋼管支撐，總共設置3道鋼支撐。石犀公園站標準段結構形式如圖2所示。

3" "鋼支撐結構設計與施工工藝

3.1" " 鋼支撐布置

內支撐采用Ф609鋼管（第一層橫撐及斜撐）與Ф800鋼管（第二、三層橫撐及斜撐）。樁間掛網噴100mm厚C20混凝土，鋼筋網采用Φ6HPB300鋼筋。樁頂水平位移為26mm，水平位移控制值均，2mm/d，樁頂沉降值為10mm，沉降控制值1mm/d，同時應滿足周邊管線變形控制要求。盾構井段鋼支撐有直撐和斜撐兩種，平面布置圖如圖3所示。

3.2" " 基坑開挖與鋼支撐施工

3.2.1" "基坑開挖順序

基坑開挖順序如圖4所示。第一層全斷面開挖表層土體，深度3.1m，開挖至第一層支撐以下0.5m。第二層土采用中間拉槽法開挖，拉槽深度4.5m，拉槽邊坡1：1。第三層土采用全斷面開挖，然后安裝第二層鋼支撐的腰梁。第四層土采用中間拉槽法開挖，拉槽深度5.5m，到第三段鋼支撐以下0.5m，拉槽邊坡1：1；隨挖隨做樁間網噴混凝土。之后安裝第三道鋼支撐腰梁。第五層土采用中間拉槽法開挖，拉槽深度3.4m，到設計基坑深度以上0.2m，拉槽邊坡1：1；鋼支撐安裝完成后分層開挖兩側樁邊土，隨挖隨做樁間網噴混凝土。第六層土采用人工挖土，開挖深度0.2m，采用人工清槽底、機械配合。

3.2.2" "留土護壁措施

本工程基坑采用樁撐支護，土方采用中間拉槽法開挖，兩側留樁邊土護壁。拉槽后先架設鋼支撐，鋼支撐架設完成并打壓后，拉槽縱坡長度需大于40m。留置護壁部分樁邊土體必須分層開挖，每層厚度不大于3m。保證圍護結構施工安全，并與噴錨護壁作業(yè)的密切配合。

3.3" " 基坑穩(wěn)定性分析

在基坑工程施工期間，基坑頂水平位移變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑頂水平位移監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值21mm。基坑頂豎向位移變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑頂豎向位移監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值21mm。基坑周邊地面沉降變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑周邊地面沉降監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值21mm。基坑周邊地面沉降變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑周邊地面沉降監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值7mm。

基坑圍護樁內力變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑圍護樁內力監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值。基坑支撐軸力變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑支撐軸力監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值。

在基坑工程施工期間，基坑樁體監(jiān)測點J28（26.81mm）深度10.5m處、J29（27.07mm）深度10.5m處、J30（27.41mm）深度10.5m處、J31（25.29mm）深度8.5m處、J32（24.68mm）深度8.0m處，累計變化已超橙色預警值24mm。基坑回填后，連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示變形緩慢，變形速率較小，已逐漸趨于穩(wěn)定。其余監(jiān)測點在基坑工程施工期間較穩(wěn)定，變形量較小，均未超設計預警值21mm。

在基坑工程施工期間，基坑周邊地下水位變化較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑樁體測斜監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值0.9m。基坑基底隆沉變形較穩(wěn)定，變形量較小，各基坑基底隆沉監(jiān)測點最終累加值均未超設計預警值31mm。

4" "地下車站施工

4.1" " 鋼支撐施工

主體基坑采用工雙拼45b工字鋼以鋼板焊接成鋼圍檁，采用φ609、壁厚16mm鋼管支撐作為基坑內支撐體系。主體基坑兩端擴大端設置斜撐，標準段采用直撐體系。第一道鋼管支撐位于冠梁中部，第二道與第一道鋼支撐中心距離為6.35m，第三道與第二道鋼支撐中心距離為4.9m。第一道鋼支撐水平間距為6m，第二、三道鋼支撐水平間距為3m。鋼支撐架設工藝流程如下：測量定位→安裝托架及鋼圍檁→鋼支撐安裝→施加軸力→架設楔形墊塊墊緊→拆除千斤頂。

測量定位方法如下：第一道鋼支撐兩端撐在冠梁側面，測量提前放出每道鋼支撐的位置，并提前安裝Z型掛板，掛板上部開孔掛于植入的鋼筋上。第二、三道鋼支撐安裝前，安裝鋼圍檁及其托架，測量放好托架頂部標高，并彈線保證托架拖面與車站縱向軸線平行，同時保證基坑兩側對稱的托架在同一標高。

4.2" " 錨索施工

遵循“分段分層、由上而下、先錨固、后開挖”的原則，進行錨索施工及基坑開挖。預應力錨索施工工藝流程如圖5所示。錨索施工在完成網噴混凝土施工后進行。

根據(jù)控制點和設計施工立面圖用全站儀精確測放錨孔孔位，并對各工點鉆孔位編號，作醒目標志（Dx—y，Xx—y；D—東側，X—西側，x—層數(shù)1～5，y—編號1～21）。經自檢合格后，報監(jiān)理認可方再進行下一道工序。用龍門起重機將鉆機吊運至作業(yè)面，調整鉆機將鉆頭對準孔位，通過角度計調節(jié)鉆桿角度為15°。施工前，鉆機下方土體必須整平壓實，以防機器傾覆。

4.3" " 土方開挖

4.3.1" "明挖段土方開挖

本車站基坑大部分采用明挖法施工，使用大型挖掘機進行土方開挖，采用運渣車出土。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及工期要求，石犀公園站以花都大道為界分南北2個區(qū)3個作業(yè)面施工，從上到下分4大層8小層進行土方開挖。開挖順序如圖6所示。

根據(jù)開挖階段情況，將開挖過程進一步細化。開挖前期進行開挖前的準備工作，包括圍護樁施工、冠梁施工及擋土墻施工。開挖階段完成三道鋼支撐安裝、側壁錨噴支護、軌排井錨索施工設置。基底開挖完成人工清底、排水溝及集水井設置。本站基坑每個階段土方具體開挖情況如下：

第一階段：先開挖車站第一層土，開挖深度為原地面至第一道鋼支撐底面標高下0.8m，開挖厚度為2～3.7m，開挖出15°土坡道。挖掘機在原狀地面從北區(qū)兩端向中間開挖，南區(qū)從南端向北開挖，從花都大道鋼便橋處向南開挖。待開挖至第一層鋼支撐底面標高以下0.8m時，架設第一道鋼支撐。在中間拉槽時，保證拉槽兩側坡度為1：0.75，以免兩側土體垮塌。

第二階段：開挖第二至四層土體，分層開挖至每道鋼支撐底面標高以下0.8m時架設鋼支撐，每層開挖深度為2～3m，隨挖隨噴。同時進行馬道施工，待整個基坑內馬道成型后，北區(qū)從兩端向中間、南區(qū)從兩端向中間按照階梯型出土，馬道坡度不得大于15°。整個基坑出土過程中，嚴格遵循分層分段開挖、隨挖隨噴、先撐后挖的原則施工。

第三階段：隨著基坑開挖，馬道坡度已經不能滿足運土車對馬道坡度的要求，大型挖掘機退場，采用小型挖掘機配合長臂挖掘機開挖剩余土體。隨挖隨噴，先撐后挖，待最后一段土方施工完成后，車站主體基坑所有土方施工完成。

當放坡開挖的出土通道無法承受重型車碾壓時，使用焊有防滑鋼筋20mm厚鋼板對局部路面進行鋪設。土方開挖過程中，凹槽兩側土體放坡坡度為1：0.75。于坡底設置排水溝及集水坑，及時抽排基坑內積水，防止積水浸泡基坑。

4.3.2" "大天路蓋挖段土方開挖

本車站大天路中間部位頂板蓋板段采用蓋挖法施工，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及工期要求，頂板蓋板段土方開挖分兩個工作面進行，從蓋挖頂板兩側往中間開挖。大天路蓋板段土方開挖立面如圖7所示。

根據(jù)開挖階段情況，將開挖過程進一步細化。開挖前期進行開挖前的準備工作，包括圍護樁施工、冠梁施工及擋土墻施工、及頂板蓋板施工；開挖階段完成三道鋼支撐的安裝、側壁的錨噴支護；基底開挖時完成人工清底、排水溝及集水井設置。蓋挖法土方開挖步序見表1。本站基坑每個階段的土方開挖情況如下。

第一階段：先施工大天路蓋板段圍護樁及立柱樁，然后完成頂板蓋板段的冠梁。待冠梁強度達到設計強度后，開始開挖頂板蓋板段第一層土方，即頂板底面（該層土方厚度約為2.2m左右）。按照圖紙施工完成大天路中間部位的頂板結構；

第二階段：大天路蓋板施工完成后，按照開挖順序兩個開挖面同時向下開挖第一層土方，開挖深度約為2.75m左右。由大里程端工作面向北往頂板蓋板處開挖，待開挖至第一道鋼支撐底面標高下0.8m時及時架設鋼支撐。從頂板蓋板北側工作面向北往花都大道鋼便橋處開挖時，在距離蓋板北側約8m處開始往下放坡，坡度為1：1。待開挖至第一道鋼支撐底面標高下0.8m時，及時架設鋼支撐。

第三階段：開挖第二至四層土體，分層開挖至每道鋼支撐底面標高以下0.8m時，架設鋼支撐，每層開挖深度為2～3m，同時進行馬道施工。待整個基坑內馬道成型后，北側工作面從南向北、南側工作面從南向北按照階梯型出土，馬道坡度不得大于15°。整個基坑出土過程中，嚴格遵循“分層分段開挖、隨挖隨噴、先撐后挖”的原則施工。

當南側工作面土方開挖至頂板蓋板下時，采用小型挖掘機在蓋板下逐層往下挖土，中型挖掘機配合將土甩出蓋板南側基坑內，然后由長臂挖機配合將土方挖出基坑至地面，最后由地面挖掘機裝車。

5" "結語

針對深基坑鋼支撐結構設計及穩(wěn)定性問題，本文以某地鐵石犀公園站深基坑工程為背景，總結鋼管支撐支護方案的基坑工程研究成果。以深基坑鋼支撐設計手段，對鋼管支撐式車站的開挖及支撐方案進行了分析研究，并對比基坑的各種支護方式的優(yōu)缺點，確定采用“排樁+內支撐”的組合支護體系，最后對支護結構的具體設置進行了分析和研究，可為其他類似工程供參考。

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