曹俊龙
北京城建设计发展集团股份有限公司深圳分公司 518000
摘要：当前随着城市的发展，越来越多的城市已经开始建设地铁系统提升城市的交通运力，而在地铁建设中基坑支护结构设计优化能够在很大程度上缩短施工工期，并提升系统的稳定性。基于对地铁车站基坑支护结构设计过程的探究，本文指出了地铁车站基坑支护结构设计优化的理念，并在此基础上提出了详细的设计优化过程中，充分提升地铁车站的施工效率。
关键词：地铁车站；基坑支护；结构设计；结构优化
引言：
由于地铁车站施工过程中会对周边环境造成重大影响，故而在进行基坑支护结构设计的过程中，需要对车站的地质条件、水文环境等方面进行详细勘察，尽量降低地铁车站施工和建设过程中对地下环境、地表环境等方面的影响。而在具体的施工过程中受限于建设资金、施工工期等因素的限制，需要对设计结构设计进行优化，保证在保证质量的情况下缩短施工工期和降低建设成本。
1 地铁车站基坑支护结构设计过程
在地铁车站基坑支护结构设计过程中，结构设计对象主要包括以下方面：（1）挡土结构。挡土结构作用为抵挡基坑外的土层压力，采用支护墙的方式达成目的，在具体的设计中，需要根据地质条件、水文环境等参数确定具体的支护形式，常用的为放坡开挖、钻孔灌注桩、地下连续墙等方式，需要结合具体工程采用最优方案。（2）内支撑结构。当前应用较多的内支撑结构采用钢支撑与混凝土支撑模式，为了保证强度，通常上层支护应用钢混支撑形式，下层为钢支撑。（3）支护结构形式。当前深基坑的支护结构有多种形式，以钻孔灌注桩和锚杆支护结构的应用为例，由于这种支护形式对地质要求较高，故而通常用于我国北方的地铁车站基坑支护结构中。在各类支撑结构的选择过程中，需要按照当地的地质条件合理选择结构形式。
在具体的支护结构设计过程中，需要按照相关公式和参数确定不同结构的具体参数，使各类支护结构在保证强度的基础上，位移量也能够在设计参数的变化范围内，最大限度保证系统的稳定性和安全性。另外在地铁车站建设过程中，还需要通过支护系统降低地表沉降量[1]。
2 地铁车站基坑支护结构设计优化过程
地铁车站基坑支护结构的设计优化对象为已经确定的基坑支护方案，故而在优化过程中，需要保证基坑支护方案的合理性与科学性，在方案选择过程中，要结合地质条件、水文环境、施工工期、投入资金等方式进行方案确定。而在支护结构设计优化过程中，结构优化对象包括支护结构选型优化、支护结构参数优化，对于支护结构选型优化，分为整体优化和细部优化，整体优化为对优化方案进行合理选择，结合具体的建设位置、建设周期等方式选取合理支护方案，而细部优化内容包括结构入土深度、配筋计算、支撑数量等因素，在保证质量的基础上降低建设成本以及缩短施工工期[2]。对于参数优化，在优化过程中需要根据地质环境、水文环境等因素建立模型，结合各类参数实现对各项参数的有效优化，而在应用各项参数时，参数包括固定参数、土质参数和可优化参数，需要根据工程的具体种类通过已知参数进行参数优化[3]。
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3 地铁车站基坑支护结构设计优化措施
3.1 支撑参数优化
3.1.1 支撑道数优化
支撑道数的多寡能够对施工进度和施工品质都造成重大影响，当支撑道数过低时，会引发基坑失稳现象，而当支撑道数过多时，将在很大程度上延长施工工期，当前支撑道数多为3到5道，本文通过有限元软件结合某地铁车站的设计过程展示优化过程。通过模型的建立和相关参数的代入，发现支撑道数为3时，地表最大沉降量为30.8mm，墙体最大位移量为25.3mm；当支撑道数为4时，地表最大沉降量为26.5mm，墙体最大位移量为21.4mm；支撑道数为5时，地表最大沉降量为22.5mm，墙体最大位移量为17.3mm。通过有限元软件的建模仿真可以发现，当增加支撑道数时，系统的稳定性会获得极大提升，而对于地铁车站的建设来说，车站的稳定性需要被优先考虑，并且在该过程中还需要降低地铁车站施工过程中对地下管道、地表等方面的影响。然而为了降低建设成本和缩短施工周期，在方案选择过程中需要根据相关参数确定支撑道数，充分发挥结构设计优化的功能。
3.1.2 支撑间距优化
对于地铁车站基坑支护系统来说，当支撑间距变大时，能够在很大程度上降低建设成本和缩短建设周期，故而需要对支撑间距进行优化，在保证施工质量的基础上提升建设效率。本文以某地铁车站的基坑支护系统设计和优化为例，在该工程中，基坑支护系统的支撑道数为4，支撑间距为3m，4m和5m，通过有限元软件对不同间距参数状态下的地表沉降量和挡板水平位移量进行仿真，最终得到的结果为：当支撑间距为3m时，最大地表沉降量为25.8mm，墙体位移量为22.6mm；当支撑间距为4m时，最大地表沉降量为30.4mm，墙体位移量为28.5mm；当支撑间距为5m时，最大地表沉降量为53.3mm，墙体位移量为44.8mm。通过以上数据的研究可以发现，支撑间距越大则结构发生失稳的几率越高，就举例的工程而言，当支撑间距为5m时，系统已经不能满足稳定性要求，另外两种支撑间距可以实现对基坑的有效支撑，结合建设成本和施工工期方面的考虑，最终确定支撑距离为4m。
3.1.3 支撑刚度优化
对于支撑刚度的优化，通常意义上为合理选择满足强度要求的钢结构，由于钢结构的型号、横截面直径对刚度的影响最大，故而在支撑刚度优化过程中，在支撑道数和支撑间距最优方案的情况下进行支撑刚度优化，对支撑刚度的描述参数为地表沉降量和围护结构位移量。依旧以上文中提到的工程为例，本文在此选取了建模仿真了三种钢材，即φ=609，t=14型号钢、φ=800，t=14型号钢和φ=800，t=16型号钢，最终结果表明，第一种钢材在最大地表沉降量和墙体最大位移量方面都处于最大状态，第三种钢材这两项参数都最小。在实际优化过程中，由于要保证系统能够稳定建设和运行，故而需要舍弃不能满足工程稳定性要求的方案，而在其余方案的选择中，需要结合钢材的价格进行合理选择，以充分降低工程的施工成本。
3.1.4 桩体直径优化
对于地铁车站基坑支护系统来说，在当前的施工过程中会建设各类桩体对工程提供有效支撑，而不同桩体的直径除了会对支撑效果造成很大影响，同时也能够在建设成本和建设周期方面形成很大影响，为了能够提升工程的建设效率，需要对桩体直径进行优化。在优化过程中，需要按照工程的设计方案合理确定桩体直径范围，并通过有限元原件对不同桩体直径下最大地表沉降量和墙体位移量进行建模仿真，在保证工程建设质量的基础上确定桩体直径。但是需要注意的是，对于桩体建设来说，通常需要留有一定裕量，以充分降低地质环境和水文条件对桩体直径参数上的影响，另外在桩体优化过程中，也可以应用有限元分析技术对不同种类桩体的支护能力进行探究，从而确定最合理的桩体种类和直径参数。
结论：
综上所述，在地铁车站建设中，需要按照地质条件、水文环境等因素确定桩体的设计方案。而要缩短工期和降低建设成本，同时保证工程质量，需要对已经选择的结构设计方案进行优化，优化过程中将应用有限元分析软件建模仿真，对不同结构参数下的最大地表沉降量和墙体位移量进行计算，结合各类施工因素确定最佳设计方案。
参考文献：
[1]朱诚，李睿，刘夏临.地铁车站基坑支护结构设计优化[J].武汉科技大学学报，2014，37（02）：156-160.
[2]刘智毅. 成都地铁车站基坑支护结构变形研究及设计优化[D].西南交通大学，2011.
[3]周华龙.地铁车站基坑支护结构设计探讨[J].建材与装饰，2017（09）：99-101.
论文作者:曹俊龙
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/6
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