摘要：随着现代社会经济的进步，促使我国对于现代的交通基础设施向现代化城市建设方面进行发展建设。近几年又特别是各区域中对于地铁的建设，对于完善我国交通和发展城市现代化建设具有十分重要的作用。基坑围护工程是地铁施工中重要组成部分，不同地质结构决定需要采用具体的基坑围护支撑型式，同时决定地铁工程建设安全进行。以地铁施工中基坑围护结构的支撑体系为研究对象，分析介绍支撑体系结构类型、结构选择及两种主要基坑围护支撑体系。
关键词：地铁；基坑；支撑体系
引言
随着我国改革开放程度的不断加深，社会经济的迅速发展，越来越多的人口涌入城市，在加剧了城市化进程的同时，也给城市交通带来了巨大的压力，导致交通拥堵状况越来越严重。为了缓解城市的交通压力，我国许多城市都开始兴建地铁工程。地铁工程作为我国城市现代化建设中的基础工程，对施工质量管理以及施工技术的要求比较高，同时由于地铁项目投资比较大，施工周期也比较长，在施工管理以及施工技术方面存在的问题也比较多，严重影响了地铁施工质量。城市中的地铁车站、地下停车场等地下结构工程大量兴建，建设过程中也产生了大量的基坑工程。在地铁基坑施工中，为给基坑开挖和基础施工创造安全的施工条件，须对基坑进行围护。围护结构不仅需承担较大的土压力和水压力，且需达到防渗的目的，防止地表水和地下水渗入基坑。同时，对基坑围护结构的支撑体系而言，其结构形式及用料方面也具有十分重要的作用。
1支撑体系的结构类型
现今的地铁车站、地下停车场建设多采用明挖法施工，其基坑的围护结构多采用横撑或锚杆加以支撑。除壁式地下连续墙的支撑是直接支顶在墙上，其他围护结构的支撑均支顶在紧贴围护结构设置的连续腰梁。腰梁一般采用钢结构或钢筋混凝土结构，支撑体系的构造如图1所示。
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基坑支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。支撑体系是由支撑、围檩、立柱3部分组成。基坑支撑体系按布置方式可分内支撑和外支撑两类。内支撑有型钢撑、钢管撑、钢筋混凝土撑及围檩、立柱等，外支撑有拉锚、土锚等。
2支撑体系施工位置确定
柱列式地下连续墙和支护桩顶部，通常采用现浇冠梁将其连接为一整体，而工字钢桩、钢板桩，常随基坑土方开挖，在其2~3m处设置第1道横撑。为防止锚杆拉应力对土层及地下管线产生不良影响，第1道锚杆常设置在距地面以下4m处。其他各层横撑及锚杆位置应根据受力经计算确定，并在基坑上方开挖过程中，随挖随设置。因为主体结构，特别是车站结构，埋置深，结构高，基坑围护结构需设置多道横撑或锚杆，但由于结构完成后，还需拆除腰梁、横撑和锚头等，所以基坑围护结构的横撑、锚杆和腰梁的设计须与主体结构施工步骤紧密结合。除主体结构顶面以上的横撑底面至结构顶板距离不小于100cm，以利于结构顶板施工外，其他各层横撑均应考虑在结构施作至第1部位后如何拆除的问题，以利于横撑和腰梁的使用并保证施工安全和工程质量。
3基坑围护支撑结构选择
地铁施工中，支撑体系是基坑围护结构中的一种特殊形式。在不同的水文地质条件下，需选择不同的支撑结构形式，因此，施工的过程需要把握具体问题具体分析的原则，从经济实用的角度选择最合理的围护结构与支撑体系。图2为地铁深基坑围护图。
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图2：地铁深基坑围护图
3.1基坑侧壁安全等级及位移控制
基坑围护的支撑结构对位移的控制以水平位移为主，原因是水平位移易观察，监测工作较为便捷。一般而言，基坑施工周围环境与围护结构的水平位移控制有直接关系，此时需按照基坑安全等级划分；若基坑周围存在重要的保护建筑物时，基坑的支撑体系需控制小变形量；若基坑周围没有需要保护的建筑物，位置空旷，则位移量可以稍大。在一级基坑围护结构中，控制的最大水平位移以不超过30mm为宜。如果基坑处于较深位置，则控制的最大水平位移需要小于0.3﹪H（H为基坑开挖深度〕。基坑控制的最大水平位移通常不超过50mm。在位移量处于30mm内时，地面不会产生明显裂缝，而当控制水平位移量超过40~50mm时，地面会出现明显裂缝。对于刚性较强的基坑围护结构的支撑体系，如挡土桩、连续墙加内支撑体系，其水平位移的可控制范围小于30mm。土钉墙围护支撑体系在地质条件较好的情况下采取必要加固措施，其控制位移一般也会超过30mm。
3.2支撑体系的结构选型
基坑围护支撑结构可由其使用条件进行选型，确定基坑围护支撑结构的优选方案（表1）。支撑结构在基坑较浅时可不设支撑而直接设计为悬臂式结构；当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑或锚定系统，或能形成空间力系的空间析架式支撑。
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地铁施工中，对于基坑围护支撑体系的选择需从多方面因素综合考虑，并对施工周边的环境与地质条件进行详细勘察。在较深的基坑围护作业时，桩的布置应以选用两排围护桩为基本准则，此布置形式可较好地满足力学性能。两排围护桩及桩顶圈梁共同构成钢架结构可有效改善围护桩上的受力状态。若基坑的围护桩需有防渗能力时，则基坑的深度应不大于7m；若地表杂填土含较多砖瓦碎片时，需选用水泥注浆进行施工。我国北方粘土地区，地铁施工中基坑较深时，可选用钢筋混凝土桩墙加锚杆的围护支撑形式，但南方地区一般不适用。南方地区可选用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩顶加钢筋混凝土圈梁，转角处加斜支撑。当地基土为淤泥，且基坑较深时，不宜选用钢板桩，应选用地下连续墙，但工程造价较高，可选用大直径钢筋混凝土灌注桩加水泥搅拌桩的围护支撑形式。水泥搅拌桩互相重叠150mm以上，以便形成防渗幕墙，与灌注桩协同工作，具有良好的力学性能。当条件允许时，采用井点降水作为辅助手段。
4两种常见基坑围护结构支撑形式
4.1土层锚杆支撑结构
地铁车站、地下停车场施工中，当基坑面积较大且采用横撑较困难时，采用锚杆支撑更能显示出其优越性，但在地层软弱而松散时，锚杆设置较为复杂和困难。土层锚杆设计时应进行承载力、截面积和稳定性等方面的计算。土层锚杆由锚头、锚杆和锚固体3部分组成（图3）。目前我国地下铁道明挖基坑围护结构的锚杆杆体多采用钢筋或钢铰线。
4.1.1锚杆布置
最上层锚杆的覆土厚度一般不少于4m。锚杆间距通过计算确定，一般上下层间距为4~5m，水平间距为1.5~3m锚杆倾角为13°~35°。锚固体位于滑动土体1m以外，锚杆长度目前常用15~30m。
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4.1.2土层锚杆施工
钻孔施工应根据地质情况选用不同钻机，钻孔前根据设计先确定孔位并做好标志。钻孔时，严格控制位置、方向和深度。
（1）锚杆制作与安装。制作锚杆时，应根据设计断面采用1~3根钢筋或钢绞线制成束型，每隔2~3m绑扎一处。为保证锚杆束位于钻孔中心，并方便插入，每隔2~3m放置一个定位器。同时，为使非锚固段拉杆自由伸长，应在锚固段和非锚固段之间放置堵浆器，或在非锚固段包裹塑料布加以保护。锚杆安装前要认真检查，符合要求方可进行安装，当钻机钻杆退出后应及时插入锚杆和注浆管。
（2）注浆作业。注浆是土层锚杆施工中的一个关键工序，施工时应予以重视。锚杆注浆一般使用水泥净浆，常用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4~0.45，流动性适宜泵送。为防止沁水、干缩并降低水灰比，可掺加外加剂和微膨胀剂。一般采用一次注浆法，在重要工程上，也可进行第二次注浆，以提高锚杆的承载力。
（3）锚杆试验与张拉。锚杆试验一般分为抗拔试验、抗拉试验和张拉试验。抗拔试验是在使用新型锚杆或在未曾试用过的土层条件下设置锚杆，为得到锚杆的极限承载能力而进行的试验；抗拉试验是与在工地相同条件下进行将荷载张拉至设计荷载，并绘制出锚杆的荷载–变位图的试验，以作为张拉锚杆的检查验收标准。前两种试验的锚杆根数通常取3根。我国地下铁道明挖基坑锚杆的张拉预应力一般仅为设计荷载的70﹪，施加载荷时，一般依次为设计荷载的0，0.25，0.50，0.70倍，每次加荷后进行锁定。
4.2逆作拱墙支护结构
4.2.1结构型式
逆作拱墙可为全封闭拱墙（称逆作拱圈），也可为局部拱墙与其它为拱墙提供支点的支护结构组合而成的非闭合拱墙。拱墙由椭圆、抛物线、圆弧线等构成。逆作系指拱墙由上而下逆向而作，分层挖土，分层制作拱墙，每层拱墙需分段施工。每开挖8~15m宽的土体，即需要支护拱形模板，浇筑混凝土拱墙，而上肋梁需要在整层拱墙完成后再进行整体浇筑。土与拱墙共同作用减小了拱墙的土压力，拱墙本身强度破坏或失稳的可能性极小。
4.2.2构造要点
拱墙轴线矢跨比应不小于1/8，否则应设置支点。拱墙水平肋梁的竖向间距应不大于3m。当组合曲线拱墙支座处的不平衡力指向基坑内或非闭合拱墙支座处，应架设内支撑或土层锚杆。混凝土强度等级应不小于C25，拱墙内水平方向钢筋配筋率应不小于0.7﹪，拱墙的壁厚应不小于500mm[6]。拱墙截面最好为Z字形，拱壁的上、下端最好添加肋梁。当基坑较深时，沿高度方向应设数道肋梁；窄时，可不加肋梁但加厚拱壁。非闭合拱墙与挡土桩组合时，拱支座应嵌入基坑下，嵌入深度不小于基坑深度的50﹪，并设置桩顶圈梁。当采用拱与钢筋混凝土直墙组合结构时，钢筋混凝土直墙应按计算加设内支撑或锚杆。
5结束语
国内城市地铁建设的结构形式存在不同，不同城市地铁建设工程的基坑围护支撑体系也受到各城市工程地质因素的制约，形成了一套成熟的施工方法。如在含水量较大的土层进行基坑围护时，内支撑结构体系显得十分必要。我国北方土层整体含水量小，地下水位较低，在这个条件下进行基坑支护需采用的支撑体系形式仍需继续深入研究，目前常采取内支撑形式结合锚杆进行支撑优化。地铁建设单位在不同地质条件下施工的过程中也积累了一定支撑结构的应用经验。在支撑体系的材料选择上，偏向于施工单位的现有材料，有利于降低工程造价。
参考文献：
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[2]张土乔，张仪萍.基坑单支撑拱形围护结构性状分析[J].岩土工程学报，2001，23（1）：99–103.
[3]和再良，陈刚.云毅大厦深基坑围护支撑轴力的测试与计算[J].岩土力学，1997（a08）：285–289.
论文作者:徐振
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/15
标签：基坑论文; 结构论文; 锚杆论文; 地铁论文; 体系论文; 土层论文; 位移论文; 《防护工程》2018年第27期论文;