地铁车站偏载深基坑围护结构设计研究

交通事业的发展，对地铁车站提出了更高的要求，无论是在数量和规模上都发生了巨大的变化。承载量虽然增大但是也增加了安全隐患。尤其是经常出现车站基坑事故，如基坑内部临时坡体滑塌冲垮支撑、基坑围护结构渗漏水等问题，容易造成经济损失并且浪费人力物力，因此优化地铁车站偏载深基坑围护结构的设计势在必行。

1 工程简介

（1）工程概述。本次研究的对象是南京地铁3号线明发广场站的车站，总长度为180米，东西方向。

（2）工程水文地质状况：①岩土层分布。为了深入研究工程情况，需要派遣专业技术人员严格勘察岩土工程现状，经过勘察可以发现车站处于岗间坳谷区，坳谷地段的土质比较特殊，主要是新沉淀的软流塑状黏土。此外，还包含了填土层以及河漫滩冲淤结软土，并且处于基坑的下方。除了这两层土之外，还包含了粉质黏土、粉土夹粉砂、以及粉质黏土等土质；②水文条件。在车站地下，存有大量的孔隙潜水，也包含了一部分的弱承压水。孔隙潜水的分布范围主要在填土层，弱承压水分布在粉质黏土夹砾石层内。弱承压水的特点是水量少且分布不均［1］。

（3）基坑的特点。本地铁车站的基坑包含层土的工程力学性质比较差，具有高触变性以及流变性的特点，且支护结构的变位大。在施工的过程中，要求注意车站基坑变形按照二级基坑控制，二级基坑标准段普遍开挖深度为16.7米左右，可以保障基坑地面沉降量≤50mm，支护结构的最大水平位移≤50mm。基坑顶部车辆的动荷载大所以容易加剧基坑的维护结构两侧的偏载现象。

2 围护结构的计算方式

为了更科学的计算围护结构，需要采用常规的设计方法，不仅要充分了解基坑偏载的问题，还要使用在有限元软件对基坑的围护结构整体进行数值分析模拟，再将两个计算的结果进行对比分析。

（1）单元计算方式。首先用理正深基坑支护设计软件完成车站基坑南北两侧围护结构的单元计算，坑外迎土面土压力使用主动土压力，开挖面之下土压力假定为矩形分布模式，在坑内开挖面之下的土压力使用被动土压力。支撑支锚刚度取值需要遵守相应的规范。为了保证围护结构的稳定性，并且要确定抗渗流等指标达到要求，需要制作基坑南北两侧围护结构的内力包络图。基坑两侧采用了不同设计方式，挖深以及坑顶的荷载有一定区别，基坑南侧桩身最大计算位移时25.86mm，基坑北侧桩身最大位移时17.25mm。南侧的围护桩内力以及变形都比北侧的围护桩大［2］。

（2）二维有限元数值模拟。理正单元计算可以对基坑南北两侧的围护结构进行分别计算，不过在这一过程中也会受到偏载现象的影响导致设置横向支撑以后基坑南北两侧的围护桩之间相互影响。车站基坑的坑顶荷载区别会导致严重的偏载问题。而且据分析可知，围护结构单元计算不能真正的反应基坑围护结构体系实际内力分布和变形情况。设计采用的是岩土和隧道通用的有限元分析软件MidasGTSVER.4.2.0对车站基坑土方开挖以及架设支撑各工况进行整体的有限元分析：①计算模型。选择二维平面模型进行模拟，围护桩外侧的岩土计算区域选择基坑开挖深度两倍的影响范围。结合计算来看，两倍的基坑挖深区域之外，造成的影响很小。模型高度选择两倍的挖深，模型计算区域的总宽为85m、高35m。基坑开挖范围内的土体主要是粘性土以及粉质黏土，有限元模型中土体本构模型使用摩尔-库伦模型。岩土体使用二维平面应变四节点单元模拟。模型中钻孔咬合桩使用等刚度法折算成相当宽度的矩形截面连续墙。此外，需要注意模型中没有考虑地下水的影响；②计算结果分析。结合计算的结果进行分析，基坑南侧围护桩和基坑侧壁的土体都是向北偏移的情况，其中基坑南侧的坑顶土体有沉降的趋势。基坑北侧支护桩外侧是河道，而基坑侧壁上部土体向左偏移，基坑侧壁下部的土体向基坑内位移。两侧的坑底土体都存在隆起的现象。钢支撑也会因为基坑南北侧的围护桩变位区别造成向上挠曲的问题［3］。为了减小基坑偏载对围护结构的影响，可以调整南北两侧围护桩桩径的计算方式，计算之后发现，如果加大北侧的围护桩直径不会对整个围护结构变形造成太大的影响，可以加大南侧的围护桩直径，这样可以合理控制基坑南侧围护桩的位移和整个支护结构偏位的问题（如表1）。此外，在加大了南侧围护桩的直径后，也同样加大了第一层和第二层支撑的轴力，并且减小了第三、四层的支撑轴力（表2）。据分析可知，由于基坑南侧围护桩直径加大改变了桩身变形曲线的形态，因此造成了这一现象。

表1 围护桩最大水平位移对比表

注：桩径1000mm，中心间距为1500mm，桩径为1200mm，中心间距为1900mm.

表2 支撑轴力对比表

3 深基坑围护结构设计

3.1 基坑支护形式

本车站主要使用1400mm灌注桩，嵌固深度为13m，支撑体系第一道使用800×800混凝土支撑，第二三道使用的使用钢管支撑，其中增加临时立柱。盾构段围护使用1300mm灌注桩，大里程盾构段嵌固深度约为17m，小里程盾构段嵌固深度约为14m。支撑体系第一道使用800×800mm混凝土支撑，第二三道使用的使用钢管支撑车站，车站典型排桩支护方案见图1。

图1 车站典型排桩支护方案

3.2 计算方式

使用理正深基坑支护计算软件计算模拟过程，按照荷载增量法的原理实施。模拟开挖、支撑意义换撑的实际施工过程，基坑外侧土压力按照朗肯主动土压力计算。将渗透系数作为标准，k≤1m/d时使用水土核算的方式，当k＞1m/d时使用水土分算的方式，在开挖面之下使用一组探巷模拟地层水平抗力［4］。

（1）第一道混凝土支撑验算。截面使用800×800mm，最大支撑轴力设计值为3201.41kN。①已知条件。矩形柱 b=800mm，h=800mm；计算长度 L=11.60m砼强度 C30，fc=14.3N/mm2ft=1.43N/mm2；纵筋级别为 HRB400，fy=360N/mm2，fy′=360N/mm2；箍筋级别为 HPB300，fy=270N/mm2；轴力设计值为N=2666.67kN；弯矩设计值为Mx=268.77kN.m，My=60.36kN.m；剪力设计值为 Vy=117.09kN，Vx=0.00kN。②配置钢筋。a.上部纵筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，配筋满足；b.下部纵筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，因此可知配筋满足；C.左右纵筋：3E20（942mm2ρ=0.15%）全侧配筋As=1924mm2＞As=1280mm2，配筋满足；d.竖向箍筋：d10@150四肢箍（2094mm2/mρsv=0.26%）＞Asv/s=853mm2/m，配筋满足［5］。

（2）梁截面设计。①已知条件。矩形梁 b=800mm，h=800mm。砼 C30，fc=14.30N/mm2，ft=1.43N/mm2，纵筋 HRB400，fy=360N/mm2，fy，=360N/mm2，箍筋 HPB300，fy=270N/mm2。弯矩设计值为M=268.77kN.m，剪力设计值为V=117.09kN，扭矩设计值为T=0.00kN.m。②截面验算。V=117.09kN＜0.250βcfcbh0=2173.60kN，因此截面满足截面配筋。③正截面受弯承载力计算。a.按双筋计算：as下=40mm，as上=40mm，相对受压区高度 ξ=x/h0=0.000＜ξb=0.518；b.上部纵筋：As1=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按构造配筋 As1=1280mm2；C.下部纵筋：As=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按构造配筋As=1280mm2。④配置钢筋。a.上部纵筋：计算As=1280mm2，实配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋满足；b.腰筋：计算构造 As=b*hw*0.2%=1216mm2，实配6E20（1885mm2；ρ=0.29%）；C.下部纵筋：计算 As=1280mm2，实配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋满足；d.箍筋：计算 Av/s=1017mm2/m，实配 d10@150四肢（2094mm2/m；ρsv=0.26%），配筋满足。

4 基坑监测过程

为了保证基坑围护结构和施工周边建筑物的安全，要注意地铁车站基坑施工的监测，采用信息化施工的方式，注意实时调整施工的方案和进度，需要对围护桩位移、支撑轴力以及地表变形等情况进行监测。本文结合2017年4—5月基坑围护桩位移和支撑轴力的监测结果进行了分析［6］。通过信息监测的方式，可以发现基坑围护桩位移的实测结果与有限元分析结果相一致，监测时发现基坑南侧围护桩桩顶计算位移22.56mm，桩身位移32.57mm；实测结果桩顶位移是18mm，桩身位移为29mm。基坑北侧围护桩桩顶的计算位移是19.69mm，桩身位移为10.56mm；实测结果是桩顶位移为8mm，桩身位移为11mm。结合有限元分析的结果进行研究，可以明确基坑围护结构体系的变形情况。混凝土支撑轴力的监测值比计算值要小。钢支撑轴力实测值比较分散，所以可以在每层的支撑中选择一个典型的钢支撑。大部分的支撑轴力监测结果和有限元计算结果一致［7］。

5 结论

本文研究的偏载基坑的问题，从计算到实际的施工都进行了分析，旨在为类似基坑施工提供一些建议。比如基坑围护结构设计需要从整体进行计算分析。增加荷载较大侧围护结构的刚度可以有效减小基坑整体的偏移，增设中立柱和支撑系杆可以增加偏载深基坑支撑体系的整体性，并且可以有效的稳定基坑整体结构。加强偏载基坑支撑体系的整体性有助于提高基坑整体稳定性，采用信息化施工方式，可以有效预防围护结构的变形等。

［1］罗文浩.上海某地铁换乘车站深基坑围护结构设计［J］.科技资讯，2017，15（17）：57-58.

［2］徐松.地铁车站深基坑围护结构设计［J］.广东建材，2017，33（2）：67-70.

［3］桑行，杜明芳，易领兵，等.郑州某地铁车站深基坑围护结构设计分析［J］.河南科技，2015（12）：72-73.

［4］徐烨，冯仁麟，吴跃华.地铁车站偏载深基坑围护结构设计分析［J］.城市轨道交通研究，2012，15（9）：43-48.

［5］徐祝钢.浅谈如何做好企业劳动争议的预防及处理工作［J］.经营管理者，2011（8）：162-163.

［6］黄健，张兴刚.地铁车站超深基坑的围护结构设计［J］.铁道标准设计，2008（8）：101-103.

［7］魏征.深达30m的地铁车站深基坑围护结构设计与施工［J］.建筑施工，2005（12）：1-2.