論地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計難點范文

本站小編為你精心準備了論地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計難點參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:地鐵的出現(xiàn)能大大減輕居民的出行壓力，但也容易在施工過程中影響周邊環(huán)境，帶來不利影響。鑒于此，本文對地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)的設計及其優(yōu)化展開了研究，并提出了具體的優(yōu)化措施，旨在為今后同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞:地鐵;基坑支護;設計優(yōu)化

前言

我國地大物博、人口眾多，人均占有的土地不及全世界人均占有土地的1/10。為了節(jié)約每一寸土地，人們不斷將舊建筑拆除，建設新的建筑。這些新建筑都有共同點，向上和向下發(fā)展，也就是我們經(jīng)?？吹降母邔由踔脸邔咏ㄖ?。交通也不甘落于人后，緊緊跟隨這個建筑大潮流，在地下開辟出了新戰(zhàn)場。由于地鐵車站施工過程中會對周邊環(huán)境造成重大影響，故而在進行基坑支護結(jié)構(gòu)設計的過程中，需要對車站的地質(zhì)條件、水文環(huán)境等方面進行詳細勘察，盡量降低地鐵車站施工和建設過程中對地下環(huán)境、地表環(huán)境等方面的影響。而在具體的施工過程中受限于建設資金、施工工期等因素的限制，需要對結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化，在保證質(zhì)量的情況下縮短施工工期和降低建設成本。

1地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計過程

在地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計過程中，結(jié)構(gòu)設計對象主要包括以下方面［1］。1)擋土結(jié)構(gòu)。擋土結(jié)構(gòu)的作用為抵擋基坑外的土層壓力，采用支護墻的方式達成目的，在具體的設計中，需要根據(jù)地質(zhì)條件、水文環(huán)境等參數(shù)確定具體的支護形式，常用的為放坡開挖、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等方式。2)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。當前應用較多的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用鋼支撐與混凝土支撐模式，為了保證強度，通常上層支護應用鋼混支撐形式，下層為鋼支撐。3)支護結(jié)構(gòu)形式。當前深基坑的支護結(jié)構(gòu)有多種形式，以鉆孔灌注樁和錨桿支護結(jié)構(gòu)的應用為例，由于這兩種支護形式對地質(zhì)要求較高，故而通常用于我國北方的地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)中。在具體的支護結(jié)構(gòu)設計過程中，需要按照相關(guān)公式和參數(shù)確定不同結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，使各類支護結(jié)構(gòu)在保證強度的基礎上，位移量也能夠在設計參數(shù)的變化范圍內(nèi)，最大限度保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化過程

地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化對象為已經(jīng)確定的基坑支護方案，故而在優(yōu)化過程中，需要保證基坑支護方案的合理性與科學性，在方案選擇過程中，要結(jié)合地質(zhì)條件、水文施工工期、投入資金等方式進行方案確定。而在支護結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象包括支護結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。對于支護結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化，分為整體優(yōu)化和細部優(yōu)化，整體優(yōu)化為對優(yōu)化方案進行合理選擇，結(jié)合具體的建設位置、建設周期等方式選取合理支護方案，而細部優(yōu)化內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)入土深度、配筋計算、支撐數(shù)量等因素，在保證質(zhì)量的基礎上降低建設成本以及縮短施工工期。對于參數(shù)優(yōu)化，在優(yōu)化過程中需要根據(jù)地質(zhì)水文環(huán)境等因素建立模型，結(jié)合各類參數(shù)實現(xiàn)對各項參數(shù)的有效優(yōu)化，而在應用各項參數(shù)時，參數(shù)包括固定參數(shù)、土質(zhì)參數(shù)和可優(yōu)化參數(shù)，需要根據(jù)工程具體種類通過已知參數(shù)進行參數(shù)優(yōu)化。

3地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化措施

3.1支撐道數(shù)優(yōu)化

支撐道數(shù)的多少能夠?qū)κ┕みM度和施工品質(zhì)都造成重大影響，當支撐道數(shù)過低時，會引發(fā)基坑失穩(wěn)現(xiàn)象，而當支撐道數(shù)過多時，將在很大程度上延長施工工期，當前支撐道數(shù)多為3～5道，本文通過有限元軟件結(jié)合某地鐵車站的設計過程展示優(yōu)化過程。通過模型的建立和相關(guān)參數(shù)的代入，發(fā)現(xiàn)支撐道數(shù)為3時，地表最大沉降量為30.8mm，墻體最大位移量為25.3mm;支撐道數(shù)為4時，地表最大沉降量為26.5mm，墻體最大位移量為21.4mm;支撐道數(shù)為5時，地表最大沉降量為22.5mm，墻體最大位移量為17.3mm。通過有限元軟件的建模仿真可以發(fā)現(xiàn)，當增加支撐道數(shù)時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會獲得極大提升，而對于地鐵車站的建設來說，車站的穩(wěn)定性需要被優(yōu)先考慮，并且在該過程中還需要降低地鐵車站施工過程中對地下管道、地表等方面的影響。然而為了降低建設成本和縮短施工周期，在方案選擇過程中需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)確定支撐道數(shù)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的功能［2］。

3.2支撐間距優(yōu)化

對于地鐵車站基坑支護系統(tǒng)，當支撐間距變大時，能夠在很大程度上降低建設成本和縮短建設周期，故而需要對支撐間距進行優(yōu)化，在保證施工質(zhì)量的基礎上提升建設效率。本文以某地鐵車站的基坑支護系統(tǒng)設計和優(yōu)化為例，在該工程中，基坑支護系統(tǒng)的支撐道數(shù)為4，支撐間距為3、4、5m，通過有限元軟件對不同間距參數(shù)狀態(tài)下的地表沉降量和擋板水平位移量進行仿真，最終得到的結(jié)果為:當支撐間距為3m時，最大地表沉降量為25.8mm，墻體位移量為22.6mm;當支撐間距為4m時，最大地表沉降量為30.4mm，墻體位移量為28.5mm;當支撐間距為5m時，最大地表沉降量為53.3mm，墻體位移量為44.8mm。通過對以上數(shù)據(jù)的研究可發(fā)現(xiàn)，支撐間距越大則結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的幾率越高，就舉例的工程而言，當支撐間距為5m時，系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足穩(wěn)定性要求，另外兩種支撐間距可以實現(xiàn)對基坑的有效支撐，結(jié)合建設成本和施工工期方面的考慮，最終確定支撐距離為4m。

3.3支撐剛度優(yōu)

對于支撐剛度的優(yōu)化，通常意義上為合理選擇滿足強度要求的鋼結(jié)構(gòu)，由于鋼結(jié)構(gòu)的型號、橫截面直徑對剛度的影響最大，故而在支撐剛度優(yōu)化過程中，在支撐道數(shù)和支撐間距最優(yōu)方案的情況下進行支撐剛度優(yōu)化，對支撐剛度的描述參數(shù)為地表沉降量和圍護結(jié)構(gòu)位移量。仍然以上文中提到的工程為例，本文在此選取了建模仿真了三種鋼材，即Φ=609，t=14型號鋼、Φ=800，t=14型號鋼和Φ=800，t=16型號鋼，最終結(jié)果表明，第一種鋼材在最大地表沉降量和墻體最大位移量方面都處于最大狀態(tài)，第三種鋼材這兩項參數(shù)都最小。在實際優(yōu)化過程中，由于要保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定建設和運行，故而需要舍棄不能滿足工程穩(wěn)定性要求的方案，而在其余方案的選擇中，需要結(jié)合鋼材的價格進行合理選擇，以充分降低工程的施工成本。

3.4樁體直徑優(yōu)化

對于地鐵車站基坑支護系統(tǒng)來說，在當前的施工過程中會建設各類樁體對工程提供有效支撐，而不同樁體的直徑除了會對支撐效果造成很大影響，同時也能夠在建設成本和建設周期方面形成很大影響，為了能提升工程的建設效率，需對樁體直徑進行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，需按照工程的設計方案合理確定樁體直徑范圍，并通過有限元軟件對不同樁體直徑下最大地表沉降量和墻體位移量進行建模仿真，在保證工程建設質(zhì)量的基礎上確定樁體直徑。但是需要注意的是，對于樁體建設，通常需要留有一定余量，以充分降低地質(zhì)環(huán)境和水文條件對樁體直徑參數(shù)上的影響，另外在樁體優(yōu)化過程中，也可以應用有限元分析軟件對不同種類樁體的支護能力進行探究，從而確定最合理的樁體種類和直徑參數(shù)。

4基坑工程開挖與支護

4.1基坑開挖過程中所要考慮的因素

1)工程地質(zhì)條件。基坑開挖過程中，接觸到最多的就是土壤，因此，在工程建設前一定要考察地質(zhì)條件。因城市現(xiàn)代化建設大多是在原有城市基礎上的改建，無法完全脫離原有基礎，所以便不能像風電站、水電站以及核電站等大型工程設施那樣，可以在非常廣闊的地域中選擇優(yōu)越適合的建筑場地上建設。為了滿足城市規(guī)劃的需要，建設改造時經(jīng)常是隨遇而安，便導致了經(jīng)常遇到極差的工程地質(zhì)及水文條件。而這類現(xiàn)象在沿海城市現(xiàn)代化建設時尤為明顯，像某些城市存在濕陷性黃土、軟土及淤泥質(zhì)土等，工程地質(zhì)條件十分復雜。2)水文條件?；娱_挖過程中，也要考慮到水層分布。建設過程中遇到的地下水主要有兩部分:淺部土層中的潛水、深部粉性土層中的承壓水。眾多的水質(zhì)分析表明，地下水對混凝土無腐蝕性，但對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。3)基坑周圍環(huán)境。基坑建設過程中，除以上兩點因素，還要考慮到工程周圍原有的環(huán)境。臨近的建筑、地下鋪設的管線等都是開挖新基坑時要考慮到的，因此，在施工前一定要搜集完整的資料，以及對地面沉降很敏感的建筑資料和要求，與實際施工條件相結(jié)合，進行安全、有效、有序地施工。

4.2設計依據(jù)和設計標準

1)工程設計依據(jù)。經(jīng)過建設工程師們多年的研究，制定出了一系列的工程建設標準，為工程建設提供了大量數(shù)據(jù)支持［3］。①《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012);②《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012);③《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB50017—2017);④《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)。2)基坑工程等級選擇標準。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)中規(guī)定，基坑的側(cè)壁安全等級分為三級?？傊?，基坑支護結(jié)構(gòu)的選擇一定要考慮到工程周圍建筑物、地質(zhì)條件和水質(zhì)條件等，避免不必要的危害產(chǎn)生。

5基坑支撐與支護設計

5.1基坑支護方案

基坑開挖過程中，基坑壁的支護、固定至關(guān)重要。建筑工程師們研究出多種維護結(jié)構(gòu)，主要分類有鋼板樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、SMW工法和高壓旋噴樁等。這些基坑圍護結(jié)構(gòu)作為臨時性擋墻結(jié)構(gòu)，其作用便是直接承受來自基坑開挖卸荷時產(chǎn)生的土壓力和水壓力，再將這些壓力傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上，以此減緩對支撐結(jié)構(gòu)的直接沖壓力。

5.2基坑支撐體系

支撐結(jié)構(gòu)體系包括圍檁、支撐、立柱及其他附屬物件。

6施工監(jiān)測與基坑監(jiān)測的主要內(nèi)容

為了保證基坑開挖過程中的安全，也為了確保基坑工程施工中周邊環(huán)境的安全，對基坑工程施工中基坑側(cè)壁巖土體、支護結(jié)構(gòu)以及基坑周邊環(huán)境的環(huán)境效應進行有效地監(jiān)控顯得十分重要。在地鐵車站施工中，在進行基坑開挖、基坑降水和圍護樁成孔施工三個環(huán)節(jié)時，一定要嚴格控制地面沉降和圍護側(cè)移?；娱_挖必須進行全過程監(jiān)控，施工全過程采取信息化動態(tài)施工，利用監(jiān)測反饋到的信息隨機改變施工的各道工序，使施工信息化、科學化?；庸こ痰氖┕けO(jiān)測應綜合考慮基坑設計的形式特點、基坑施工條件、工程所處的巖土條件、鄰近建筑物性狀、周邊環(huán)境條件和工期等諸多因素，因地制宜、科學合理地精心編制與實施監(jiān)測方案。

7結(jié)束語

綜上所述，基坑支護工程是土木建設工程中十分重要的一部分，它的成敗對整個建筑的影響是非常巨大的。尤其是在經(jīng)濟高速發(fā)展的21世紀，高層或超高層建筑將占據(jù)城市建筑群主流，對于建筑技術(shù)中深基坑支護的研究與創(chuàng)新將變得更為重要。在地鐵車站建設中，需要按照地質(zhì)條件、水文環(huán)境等因素確定樁體的設計方案。而既要縮短工期和降低建設成本，同時又要保證工程質(zhì)量，需要對已經(jīng)選擇的結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化，優(yōu)化過程中將應用有限元分析軟件建模仿真，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的最大地表沉降量和墻體位移量進行計算，結(jié)合各類施工因素確定最佳設計方案。

參考文獻:

［1］邢繼光．地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計與變形模擬研究［D］．吉林:東北電力大學，2017．

［2］曾艷品．土釘墻基坑支護優(yōu)化設計的一些問題研究［D］．西安:長安大學，2014．

［3］朱誠，李睿，劉夏臨．地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化［J］．武漢科技大學學報，2014，37(2):156－160．

作者：李俊 單位：廣州地鐵設計研究院股份有限公司