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武汉地区地铁车站基坑支护技术研究
文/汪维清
摘要：地铁因便捷程度较高被广泛的应用在城市交通系统中，在缓解交通压力的同时为当地群众的出行提供了方便。在城市交通压力持续增加的形势下，地铁建设格局进行了相应调整，其中最显著的便是车站基坑规格向更深、更宽、更长的方向发展。选择地铁车站深基坑支护结构需要考虑的因素有工程地质条件、水文条件、测量基坑规格、降水情况、地下水环境、周边建筑环境，并以上述条件综合信息为依据控制深基坑侧壁的变形程度，结合施工现场条件进行实际选取。文章以武汉地区光谷车站III号出入口及3号风亭围护结构为例，分析了地铁车站深基坑支护结构类型、计算方式、选择理论，并以实际案例论述了详细的地铁车站深基坑支护结构选择。
关键词：地铁车站；基坑支护结构；结构选择
一、绪论
（一）国内研究现状
20世纪60等最先从事基坑工程的研究，
年代在奥斯陆等地的基坑开挖中开始实许多国施施工检测，从20世纪70年代起，家陆续制定了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法外，国外深基坑支护技术新进展有：1.全过程机械化施工，采用计算机技术进行监控，从而保证了施工安全、快速施工和优良的作业环境；2.盾构法得到较大发展；3.微型4.预砌块盾构和非开挖技术已广泛应用；施工技术广泛应用；5.预切槽法施工技术广泛应用；6.微气压暗挖法；7.数字化掘进应用等发展迅速。
（三）基坑工程相关概念
放坡，此时就只能采用在支护结构保护下进行垂直开挖的施工方法。对支护结构的要求，一方面是创造条件便于基坑土方的开挖，但在建（构）筑物稠密地区更重要的是保护周围的环境。
二、地铁车站深基坑支护结构类型
（一）挡土结构类型
科学技术的迅猛发展加速了我国城市现代化建设的步伐。为了解决城市发展中的交通堵塞问题，缓解城市建设与地面空间紧张的矛盾，以促进城市的可持续发展和加强环境保护，合理开发利用地下空间，减少地面交通压力同时也作为城市现代化的标志，众多城市修建了大量地铁。地铁车站基坑围护是地铁建设中的基础环节，在施工时，为确保施工安全，防止塌方事故发生，必须对开挖的建筑基坑采取支护措施。建筑基坑支护设计与施工应综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求，基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到合理设计、精心施工、经济安全。
武汉地区地质地貌单元上部为人工填土,其下为第四系冲、洪积成因的上更新统老粘性土层及粘性土混碎石层；下部基泥岩。由于岩主要为志留系坟头组砂岩、
基坑开挖深度的不同，周边环境保护要求不同，在满足基坑工程安全的前提下，基坑维护结构研究对基坑工程的施工速度，缩短工期，降低工程造价等具有重要意义。
（二）国外研究现状
1.边坡开挖
边坡开挖在早期地铁车站深基坑支护结构中应用较多，施工团队需要结合施工现场的条件，事先设计好边坡边度，随后采取相应的支护措施对深基坑支护结构进行边坡开挖处理。此支护方式具有施工流程简单容易操作的特点，并且不需要搭建挡土结构，但是施工占地面积较大，因此，大多应用在偏远地区、地质条件满足自然坡度、施工坡面处理简单的深基坑支护结构中[1]。
2.钻孔灌注桩
钻孔灌注桩指的是在施工现场土层中钻设钻孔，随后对其进行泥浆护壁处理，将钢筋笼放置在已经形成的钻孔中，并将配置好的混凝土材料灌注到钻孔中，进而形成桩体结构，适合应用在土质较软的深基坑结构中。钻孔灌注桩的应用优势如下：相对于其他深基坑支护结构处理形式而言其刚度较强，并且应用的施工设备种类单一，节省了一部分建设费用；其应用劣势如下：
基坑工程是指为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填等称为基坑工程。基坑开挖的施工工艺一般有两种：放坡开挖（无支护开挖）和在支护体系保护下开挖（有支护开挖）。前者既简单又经济，在空旷地区或周围环境允许时能保证边坡稳定的条件下应优先选用。但是在城市中心地带、建筑物稠密地区，往往不具备放坡开挖的条件。因为放坡开挖需要基坑平面以外有足够的空间供放坡之用，如在此空间内存在邻近建（构）筑物基础、地下管线、运输道路等，都不允许
国外20世纪30年代，太沙基和皮克12
灌注桩的直径和长度需要经过精确的计算和测量，防水性能较弱，并且在施工过程中会给周边环境造成污染。
3.地下连续墙
地下连续墙指的是在地铁车站深基坑支护结构周围修建封闭式防护墙体，并将其作为地下基坑开挖和修建支护主体的屏障，连续墙起到的不单是对深基坑的临时保护作用，还能被持续应用在地铁车站支护结构中。现总结地下连续墙的修建流程如图1所示。
地下连续墙可以被应用在不同底层的深基坑支护结构中，即使是地下水含量较为丰富或含有砂砾层的深基坑条件下，对支护环境进行相应处理后同样能够应用连续墙形式。构成地下连续墙的建筑材料是混凝土，因此，连续墙的刚度较强，在配合内部支撑结构的基础上，其侧向承压力将大幅度提高，为深基坑规模的进一步扩展打下了基础[2]。
测量定位施工导墙成槽机就位
泥浆进行制作
成槽
设计混凝土配合比清理孔槽生产混凝土验收效果运输混凝土安装钢筋笼和接头对导管进行相关试验安装导管对质量进行检查浇筑水下混凝土图1地下连续墙施工流程
（二）支撑结构类型
1.按照作用原理分类
以深基坑支护结构的作用原理可以将其分为内支撑和外支撑两种模式。内支撑的受力部件位于支护结构的内部，并且不会侵占深基坑的外部空间，主要包括钢管支撑结构、
混凝土支撑结构、钢筋混凝土支撑结构三种。外支撑的受力点在支护结构的外侧，其中的构件大部分处于受拉状态，外部土体和支撑结构将共同作用于承压力，这样能够在保持支护结构平衡的同时
确保其支撑力度，主要包括出锚杆、总锚索、复合土钉三种形式。
2.按照支撑材料分类
以支撑材料为依据可以将支护结构分为以下类型：钢管支护结构、型钢支护结构、钢筋混凝土支护结构、混合支护结构几种[3]。
钢管支护结构具有施工便捷、建设周期短、
施工材料可循环应用、原材料损耗较小的特点，施工团队可以通过实际考察和计算的方式得出支护结构的预应力，并以此为参数依据设计基坑支护结构，有效控制基坑变形程度，但是其刚度相对于其他支护结构而言较小。型钢支护结构可以将型钢截面设计成深基坑工程需要的形状，并充分选择需要的原材料，型钢支护结构之间的连接比较简单。钢筋混凝土支护结构能够结合深基坑规格进行调节，并且刚度较大，但是结构搭建的时间较长，需要施工人员的日常养护，拆除任务也比较繁重。混合支护结构能够将上述几种支护结构共同应用在地铁车站的深基坑支护建设中，将各自的优势发挥到了极致。
三、地铁车站深基坑支护结构计算方式
（一）弹性抗力方式
弹性抗力主要应用在深基坑支护结构变形程度和内力计算中，并解决了强内侧被动土压力计算方式的部分问题，即在计算结构变形程度时不能一直选取极限值。另外，在计算墙体位移参数时，考虑到限定值和位移的大致范围，弹性抗力方式将原本的支护结构模拟成了竖向弹性地基梁，此时深基坑内部的土压力仍然处于弹性状态，施工团队可以先计算等效土体的抗力系数，然后在实际考量的基础上进行选取[4]。
弹性抗力计算有较为完善的理论系统，弹性地基梁方式可以分别计算出基础和地基内力，在国内最新出台的深基坑支护结构计算准则中，规定弹性抗力计算方式要应用以下微分方程，基坑面上部计算方程：
（0≤z≤H），基坑面下部计算
方程：
（z≥H）。
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（二）有限元方式
有限元计算需要以计算机为依托进行，是现阶段深基坑支护结构计算中技术含量和计算精确程度最高的方式，通过计算机，施工团队可以实现对整体支护工程的模拟，并且可以避免一般计算方式的缺陷。人机交互的模式能够建立精确的计算模型，将各种复杂的分析因素综合在一起，进而更加精确地分析出各种位移之间的关系和参数，并通过平衡条件和边界条件对支护结构进行拆分和组合，以此来得到有限元计算方程，利用方程计算支护结构的相关参数[5]。
（三）静力平衡方式
静力平衡是应用范围最广阔的一种深基坑支护结构计算方式，其计算建立在假设挡土结构不发生变形和土压力已经达到极限的基础上。目前，关于静力平衡计算方式已经形成了专业简化模型，设计人员可以将简化模型转化为静定模型，进而计算支护结构相关参数。静力平衡方式可以细分为1/2分割法、等值梁法、刚性连续梁法几种。由于不考虑此计算方式不考虑的结构因素较多，尽管存在计算简单的优势，但其劣势也十分明显，即无法计算支护结构墙体的位移参数。
四、地铁车站深基坑支护结构选择理论
（一）选择原则
第一，支护结构的设计结果需要满足地铁车站深基坑工程的安全要求，并且能够有效地投入到正常的应用中。第二，支护结构的选择和计算需要结合支护定位、施工场地周边环境、地质条件等因素。第三，支护结构设计需要满足国家和省份在地铁车站深基坑设计的最新规定。第四，投入到实际应用中的支护结构需要为后续的施工工程提供参考意见。
（二）考虑因素
选择地铁车站深基坑支护结构时，需要考虑的因素如下：深基坑工程设计要求、施工场地的水文特征和地质条件、深基坑深度和长度、基坑地下结构形式及规模、施工现场周边环境、施工的方便程度、施工周期、工程造价[6]。
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（三）支护方案优选方式1.多目标模糊分析理论
在地铁车站深基坑工程中，可选择的支护结构的类型较多，并且每种支护方案都有各自的优势和缺陷，如何优化支护方案是施工团队面临的关键性问题，施工团队需要在综合多种类型支护结构设计方案的基础上，选择既能确保深基坑结构稳定程度及工程质量，又能缩短施工周期和减少建设成本的支护方案。为此，施工团队可以应用多目标模糊分析理论，即先选择N个支护方案，并对比其中的设计因素和目标，基于数学模型的角度来分析并确定最为适宜的支护方案。
2.目标权重理论
确定目标权重指的是将设计目标排列在一起，并按照重要性对其进行综合比较，通过判断矩阵可以将若干个目标的对比结果展示出来。目标权重的确定建立在专家分析的基础上，对比的方式是1-9比率标度，并用f(x,y）函数的方式来显示x、y参数之间的权重程度。现绘制比率标度准则如图2所示。
图2比率标度准则
五、地铁车站深基坑支护结构选择案例分析
（一）工程实例概况
武汉地铁光谷广场站为线间距13米的标准地下二层车站，在站前设有渡线。结合地面交通状况，车站设有四个出入口与一个预留出入口。其中III号出入口及3号风亭设置于光谷广场站东南角，位于光谷广场绿化带内。本次设计范围为III号出入口及3号风亭基坑围护结构设计，基坑尺寸为：风道、通道段：宽22.25m，深10.67m，局部（集水井）深14.27m；通道段（楼扶梯段）宽7.2m，深2.42m～12.22m（按倾角30°渐变）。14
1.区域工程地质条件
武汉地质地貌单元上部为人工填土,其下为第四系冲、洪积成因的上更新统老粘性土层及粘性土混碎石层；下部基岩主要为志留系坟头组砂岩、泥岩，分布于螃蟹甲站—小龟山站及中南路站一带。在小龟山站和中南路站一带偶见三叠系大冶组灰岩及泥盆系五通组辉绿色石英砂岩。Ⅴ剥蚀丘陵地貌:该地貌单元区域表层为人工填土,其下即为志留系坟头组砂岩、泥岩；在杨家湾站附近,灰岩较厚,岩溶比较发育，主要分布于小龟山、洪山基岩出露地段,石牌岭站—光谷广场站一带。现以光谷区域勘测地质资料作为典型进行分析。
2.地质构造
通过地质调查、区域区地层对比和本次钻探成果，结合区域地质资料，测区发育一条走向NNE向平移断层f3，该断层错距较小，断层带主要为钙质胶结的角砾岩，胶结较好。
区域地表大部分被第四系土层所覆盖，区域内无崩塌、滑坡、泥石流。不良地质作用主要为岩溶、岩体风化、膨胀土。
3.区域气象、水文与水文地质特征武汉市属亚热带性季风气候，具有四季分明、气候温和、雨量充沛的气候特征。冬夏温差大，历年7月份气温最高，平均气温为28.8℃～31.4℃，极端最高气
温41.3℃(1934.8.10)，历年最低气温为1月，平均为2.6℃～4.6℃，极端最低气温-18.1℃（1977年11月30日）。每年7、8、9月为高温期，12月至翌年2月为低温期，并有霜冻和降雪发生。多年平均降雨量1204.5mm，最大年降雨量2107.1mm，最大月降雨量为820.1mm（1987.6），最大日降雨量317.4mm（1959.6.9），最小年降雨量575.9mm，降雨一般集中在6～8月，约占全年降雨量的40%。年平均蒸发量为1447.9mm。最大风速27.9m/s（1956.3.6和1960.5.17）。多年平均雾日数32.9天。年平均绝对湿度为16.4毫巴，年平均相对湿度为75.7%。
（二）初步选择支护方案
当地地铁施工团队在综合了车站设
计规模、基坑深度、施工周期、地质条件、水文条件等因素，判定此支护结构的侧壁保护安全程度为一级。在分析上述几种支护结构的基础上，初步确定了如下支护方案：方案一，混凝土灌注桩支护结构；方案二，地下连续墙支护结构；方案三，灌注桩与锚杆结合的支护结构；方案四，上部放坡与灌注桩锚杆结合的支护结构。
（三）选择支护结构
1.确定权重集
按照上文论述的多目标模糊分析理论和确定目标权重，可以分析出上述几种初选支护结构的权重因数，并将总排序计算结果及其一致性检验结果绘制成图3。
图3总排序计算结果及其一致性检验结果
2.综合评选支护方案
结合多目标模糊分析理论可以判定方案一属于R1矩阵，并选取有关专家的意见，对方案的可行性、稳固性、经济性、实用性、环保性进行了细致分析。结合上述权重计算结果可以得知W=
（0.3820.3820.1290.107），此时，B1=W*R1=(000.2470.60.229),E1=B1*CT=0.75[7]。
方案二属于R2矩阵，结合上述权重计算结果可以得知W=（0.3820.3820.1290.107），此时，B2=W*R2=(00.3740.2180.1290.107),E2=B2*CT=0.336。
方案三属于R3矩阵，结合上述权重计算结果可以得知W=（0.3820.3820.1290.107），此时，B3=W*R3=(000.1710.6510.179),E3=B3*CT=0.702。
方案四属于R4矩阵，结合上述权重计算结果可以得知W4=（0.3820.3820.1290.107），此时，B4=W*R4=(00.0210.2850.6550.038),E4=B4*CT=0.2。
综上所述，可以得到E1>E3>E4>E2的结论，即方案一的综合权重最高，因此，施工团队选择了方案一作为此次地铁车站深基坑支护结构的施工方案，并在施工过程中严格执行方案一的相关流程和工艺规定。
（四）支护结构计算
按照混凝土灌注桩支护结构施工方案工艺要求，现将此地铁车站基坑视为一级基坑，经过实地考察和现场测量，选择直径为1m且间距为1.3m的钻孔式灌注桩，并在基坑支护结构的竖向位置布置三层直径为0.63m的钢管，并参照设计图纸安排三层钢管结构的间距，第一层钢管的间距为6m，第二层钢管和第三层钢管的间距为3m。施工人员需要每层钢管连接的位置处进行喷射混凝土，将混凝土喷射的厚度控制在1m左右，并在支护结构的周围设置直径为1.2m的旋喷桩，以此来确保支护结构的牢固程度[8]。
现应用有限元方式计算此次地铁车站深基坑支护结构的相关参数，具体计算结果如下：基坑等级（一级）；基坑侧壁重要性系数1.10
）；基坑深度（15.5m）；嵌固深度3.015m）；桩顶标高（-0.780m）；灌注桩截面形状（圆形）；灌注桩直径（1m）；灌注桩间距1.3m）；放坡级数（0）；支护结构中的水平集中力（0
）。（五）支护结构测试
1.支护结构测试目的
第一，施工团队在支护结构搭建工程完成后需要对其进行结构测试，以此来确保支护结构和车站建筑的安全程度，如果支护结构中存在安全风险在结构测试中可以检测出异常，以此来达到将安全事故防患于未然的目的，并且可以及时处理测试出来的结构故障和安全风险。
第二，施团队可以将支护结构测试的结果可以作为实际施工工程的指导思想，进而提高地铁车站深基坑结构的牢固程度，在确保工程质量的同时还能节省一部分建设成本。
第三，施工团队可以将结构测试结果和设计方案计算结果进行对比分析，在提高支护结构相关参数计算精确程度的同
时，还能通过测试后的结果完善原有的支护结构设计方案和计算模型，为下一项深基坑支护结构设计和施工奠定基础。
2.支护结构测试要点
第一，施工团队需要确保结构测试结果的真实性和精确性，为此，施工团队需要应用先进的测试元件，并安排专业素质较高的施工人员完成结构测试工作，并保留原始测试数据，避免出现恶意修改的现象。
第二，施工团队需要在施工现场处理测试数据，如果发现支护结构中存在问题，要及时分析解决对策，处理好后要在现场进行复测，并将每天的测试结果记录在案并上报给上级部门。
第三，如果用于结构测试的元件因工程需要被埋设在了支护结构中，测试人员需要考虑到元件测试性能和土质条件的匹配程度。在完成整体的支护结构测试后，施工团队需要将记录表格和分析报告一起上交给上级部门，在得到批准后才可以进入到试运行环节。
3.支护结构测试方案
首先，需要进行对桩顶位移程度的测试，地铁车站深基坑支护工程中涉及到了大量的安装和拆除工作，因此，施工团队需要通过水准仪来计算桩顶的位移程度。其次，要进行对桩体位移程度的测试，常用的测试工具有测试管和测试仪。最后，要进行对支撑轴力的测试，通过安装在支护结构顶部的轴力计便可测试。
总之，地铁车站深基坑支护结构的设计选择与参数计算方式较多，选择的准确程度直接影响到了支护结构的稳定性，为此，施工团队需要综合工程要求等因素，选择适当的支护结构及其设计方案，在确保支护结构质量的前提下，缩短建设周期，提高施工部门的经济效益。
六、主要结论
地铁车站深基坑支护工程实例，将研究理论和是实际建设工程结合在一起，对深基坑支护结构的优化选择方式进行了深入研究，并对比了各种支护结构的应用
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效果。
可得出以下结论：通过目标决策模糊理论和权重分析理论可以科学选择并计算深基坑支护工程的相关数据。为此，相关研究人员需要扩展研究方向，选择相对应的研究理论进行重点研究，并结合实际地铁车站深基坑支护结构工程，制定完善的研究体系。相信在以后的基坑工程实践中，随着支护理论的不断发展和支护技术的不断进步，全过程机械化施工、盾构法、信息化施工技术等新技术的不断推广，基坑工程技术水平将会不断提高和发展，深基坑工程必将日益完善。
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作者简介：汪维清，博士研究生，高级人力资源管理师，高级企业培训师，研究方向为项目管理、旅游管理、土地金融等。作者单位：华南农业大学；浙江大学；龙湖物业服务集团有限公司。
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