复杂条件下地铁车站深基坑施工的关键技术

摘要：本文对某地铁车站的深基坑施工进行研究，重点分析了复杂地质条件下的支护设计与施工技术。基坑支护采用了地下连续墙、钢管桩、锚索和内支撑等组合方式，确保了基坑的稳定性和施工安全。研究详细阐述了各项支护措施的设计原理、施工工艺及力学分析，特别是在基坑开挖过程中，如何应对周围环境和土体的动态变化。施工过程中，支护结构有效抵抗了土体压力和水位 波动，保证了基坑的顺利开挖与施工进度，为类似项目提供了宝贵经验。

关键词：深基坑施工；支护设计；地铁工程；施工技术

引言

城市地铁建造期间，深基坑施工常遭遇诸多挑战，地质条件复杂，周边建筑物紧密分布，而且还要保证施工安全。在繁华地段，基坑开挖深度大，范围广，因此施工的困难和风险更高。如何保证基坑施工安全并减小对周围环境的影响，成了工程中的关键问题。本文主要某地铁车站的深基坑施工情况，剖析了基坑支护的设计方案及施工工艺，探究了应对复杂条件下施工问题的有效技术手段。

一、工程概况

某个地铁车站处于城市繁华地带，其施工环境很复杂，地下施工的深度较大。该车站的基坑长达158米，宽25.8米，深度达37米。采取明挖法进行施工。车站的结构为地下四层，设计标高深度为37米。车站的上部经由壁厚1米的地下连续墙与内部支撑配合起来作为支护手段，下部用钢管桩结合锚索体系实施加固。这里的地质状况较为复杂，基坑主要涉及的土层包含粘土和砂层，地下水位偏高，因此在施工期间须着重考虑基坑的稳定及防水问题。设计会将基坑支护系统、车站周边建筑密度及其对周围环境的影响纳入考量范围，在土层较为疏松之处，地下连续墙起到稳固支撑作用，钢管桩则在岩土结合部发挥关键作用。钢管桩直径达600毫米，长度为22.94米，各桩间距为1.5米，锚索体系属于预应力锚索，经过二次加固，预应力为500kN，从而保证了基坑的稳定以及结构的抗侧向压力能力。

二、基坑支护设计方案

（一）支护结构设计

地铁深基坑施工时，要按照基坑的地质特点及周边环境来制定支护结构设计方案，此方案包含上部地下连续墙和下部钢管桩加锚索的合成体系，上部支护选用了800毫米厚的地下连续墙，在基坑开挖的时候，该墙体起着关键的侧向支撑功能，可防止施工期间基坑出现失稳性位移。地下连续墙的设计厚度经由计算，并结合现场地质与土层结构状况予以确定，确保墙体的稳定。在地下连续墙施工过程中，运用高压喷射混凝土工艺，提升墙体的抗渗透性能和承载能力，使得基坑内水位波动不会给支护结构带来不良影响。下部支护采取钢管桩结合锚索的方式来加固，钢管桩直径达600毫米，桩身预设深度为22.94米，桩间距为1.5米。桩体能有效分担土体竖向及水平方向的压力，规避基坑在施工期间出现沉降或者侧向位移状况，钢管桩在设计时就考虑到施工可能会碰到的各类土层以及地下水位情况，选用了抗拔力较强的钢管材料，从而保证了支护结构具备足够的强度和稳定性，钢管桩的钢材等级为Q345，这种钢材具有较高的抗拉强度和延展性，能达到施工所要求的安全标准。

表1 钢管桩参数

（二）支护材料和构造

在基坑支护体系当中，钢管桩被设计成22.94米的长度，每根桩之间间隔1.5米，给予侧向支撑力，辅以锚索体系的辅助，加强基坑抵御变形的能力。锚索采取预应力系统实施设计，每个出入口设两道锚索，预应力张拉应力达500kN，可以有效对抗外界土体和水压力施加给基坑的侧向作用力，防止基坑出现偏移现象，在锚索施工过程中运用了二次注浆工艺，从而保证了锚索同周边土层紧密相连，改进了锚索的抗拔性能及其耐久性，按照设计，锚索设定的间距也是1.5米，其与钢管桩相互配合默契，一同担负起维持基坑整体稳定的任务。锚索与钢管桩相配合，就能有效地分散土压力和水压力，减少基坑侧壁应力的集中情况，从而保障施工得以顺利推进，经由现场检测得知，锚索预应力的锁定值达到了500kN，符合设计所需，而且保证了基坑支护系统的长久稳定性。支护系统在设计时，全面考量到了基坑开挖期间的动态载荷以及各种环境因素，选用了高强度且抗腐蚀的材料，进而确保了基坑支护系统在整个施工阶段的有效性，如图1。

图1 基坑支护横断面设计图

三、施工工艺和技术要点

（一）地连墙施工

地铁车站地连墙施工包含许多步骤，导墙施工，槽段开挖，钢筋笼下放，混凝土灌注等都是其步骤，导墙施工属于地连墙的起始环节，在确定好基坑边界与墙体位置之后展开，小型挖掘机用于导墙开挖，这样能保证基坑定位准确并做到初期支护，导墙完工以后，依照设计图纸确定槽段分界线，然后细致划分槽段，施工时要严格把控设备的精度和施工工艺，从而保证槽壁垂直，泥浆液面达到一定高度，特别在土层松软之处，采用高强度泥浆防止坑壁坍塌，而且依循土质变化情况调整泥浆粘度来守住泥浆液面高度。槽段开挖用三抓成槽法，抓斗开挖槽段期间，紧密观察周边土体变形状况，保障槽壁稳定，免除出现较大侧向位移。各槽段完工以后，工人们下放钢筋笼，钢筋笼的安装精度对于墙体整体稳定十分关键，在下放钢筋笼时，利用履带吊开展吊装作业，使钢筋笼可以顺利抵达预定位置。钢筋笼下放完成之后，就步入到混凝土灌注阶段，采用水下灌注技术来灌注混凝土，在水下灌注期间，运用双导管技术，使得混凝土灌注的时候不会受到外界水流影响，保障混凝土的匀质性与整体性，混凝土灌注高度完全依照设计标高加以控制。灌注完毕之后，用振动棒进一步排出混凝土内部的气泡，加强墙体的密实度，从而保证墙体具备防水能力，在整个流程当中，混凝土强度预先设定为C30，观察24小时的凝固期，以保证墙体强度符合后续施工需求。

（二）钢管桩施工

在基坑施工时，钢管桩施工包含钻孔、清孔、桩体安放及注浆等环节，按照基坑设计要求，精准测量桩体安放位置，以保证各桩定位精确。钢管桩直径规划为600毫米，桩长22.94米，桩间距1.5米。钻孔机按设计深度实施钻进操作，各桩钻孔直径为300毫米，钻进期间，要严格把控钻孔的垂直度与深度，避免偏差情况发生。钻孔结束后，执行高压清孔作业，保证桩孔内没有杂物和泥土留存，具备较好的承载条件。清孔时，利用高压水枪冲洗，并用吸泥设备吸取，从而保证孔内清洁。清孔结束后，开始执行钢管桩的安装作业。。钢管桩采取分段焊接的工艺，保证各段钢管焊接稳固，接缝处使用加强焊接技术，确保不会出现漏浆现象。钢管桩由Q345钢制成，这种钢材强度较高，抗腐蚀性能较好，可以承担较大的竖向和水平压力。桩体安装完毕后，开始进行注浆作业。采用先下管后注浆的方法，以确保桩体与周围土层紧密连接。在注浆的时候，按照设计要求对每根钢管桩执行多次注浆操作，目的是让浆液完全填满桩体四周的缝隙，从而具备较为理想的承载能力。注浆压力和流量会遵照现场土质状况作出灵活调整，防止浆液发生泄漏情况。注浆期间压力维持在0.6-1.0MPa范围内，如此一来浆液便能均匀地充实桩孔周边的空隙，提升桩体的抗拔力。在整个施工阶段，展开了多次检测，使得桩体的承载力和稳定性满足设计需求。

（三）锚索施工

东站锚索施工包含钻孔、锚索安装、注浆、张拉这几个关键步骤，先对各锚索安装位置执行精确测量定位，以保证其与周边支护结构相适应。每道锚索预先设定的预应力为500kN，这样就能有效地对抗外部土体压力和水压力。锚索施工使用潜孔冲击式钻机来钻孔，钻孔深度应控制在15到20米之间，钻孔直径为150毫米。钻孔的时候，要严格把控钻孔的垂直度和深度，以保证钻孔质量符合设计要求。钻孔结束后，施工人员将预应力锚索放入孔内，锚索端部用锁脚装置固定，确保稳固，随后即可进行注浆作业。注浆采取底部压力注浆法，浆液经由注浆管注入锚孔，空气则由排气管排出。注浆期间，采用高强度水泥浆作为注浆材料，从而使其与周边土层产生较好的粘结力，进一步改良锚索的抗拔性能。注浆压力控制在2.0-3.0MPa这个区间内，要保证浆液均匀地填充孔隙。注浆结束后，开始执行锚索的预应力张拉。张拉分为两个阶段：第一阶段张拉按照设计轴向拉力的25%、50%、75%、100%逐步施加；第二阶段张拉按照设计轴向拉力的110%执行。每次张拉后，实施稳定性观测，以确保张拉进程平稳且无异常状况。预应力张拉结束后，锚索进行锁定，锁定值为设计要求的80%。之后进行稳定性观测，确认不存在明显的应力松弛现象。锚索施工质量经过多次检测，确保其能长期维持稳定，发挥应有的作用，在基坑开挖时有效阻止基坑位移，提升整个支护系统抵抗变形的能力。

（四）基坑内支撑安装施工

车站基坑支护施工的时候，基坑内支撑系统结合钢筋混凝土支撑和钢管支撑，保证支撑结构稳定。A、B号出入口的基坑内支撑结构在设计之时考虑到围护桩整体受力的情况，使支撑系统在施工期间可均匀分担基坑土体和外部压力，A号出入口基坑的第一道支撑是钢筋混凝土支撑，使用高强度的钢筋混凝土材料，在第二道支撑的设计当中，A口使用的是直径609毫米，壁厚16毫米的钢管支撑，有效地抵抗基坑土体的侧向压力，给予足够的支撑力。钢管支撑和由2I45C型双拼工字钢合成的钢腰梁联系在一起，工字钢的运用改善了支撑系统的整体强度和稳定性，特别是在承受更大水平荷载的时候，可以确保支撑系统值得信赖。B号出入口的第二道支撑和A号较为相似，它的钢管支撑直径达800mm，管壁厚度为20mm，在设计的时候就考虑到了基坑特有的地质情况以及较大荷载需求，B口用的是2I56C型双拼工字钢做钢腰梁，这种工字钢截面更大，承载能力更强，所以在支撑系统里起着非常关键的作用，特别是在解决基坑开挖期间出现的动态荷载之时，可以有效地防止支撑结构发生变形或者遭到破坏。支撑系统在安装的时候利用吊车起吊技术，保证钢管支撑和工字钢的精确安装，第一步，把钢管支撑经由法兰盘和螺栓相互结合起来，使支撑各个部件之间密切贴合，保障力的传递切实有效。实施吊装操作的时候，借助吊车把支撑组件吊运到指定的地方，在安装进程当中，把支撑组件两端的活络头借助顶压装置拉出来，抵在钢垫箱上，以此来保证支撑结构在水平方向上稳定。钢支撑就位之后，装上两台150吨的千斤顶，用它们给支撑系统施加预应力，施加预应力时，采用千斤顶顶压活络头这种方法，油管接通后就开动泵送液压油，慢慢施加预应力，要保证支撑系统能承担住土体压力及其他外部荷载。在施加预应力期间，需严格把控油泵压力，使各个支撑点均匀受力，当预应力达到设计数值时，系统予以锁定，完成支撑安装。

四、结果分析

青岛市地铁四号线大河东站在开展基坑施工时，针对基坑支护系统的设计与施工措施进行了严谨的分析计算，从而保证了基坑的稳定并促使施工顺利推进。其采纳了地下连续墙、钢管桩、锚索和内支撑等相互结合的支护方案，很好地解决了复杂的地质状况和周边环境带来的压力，尤其在施工期间有效地维持了土体的稳定性。

地下连续墙在上部支护中设计厚度达800毫米，可有效抵抗基坑土层的水平压力并阻止地下水渗透，在基坑开挖时，地连墙没有明显的位移或裂缝，这表明其支护系统在预防土体侧向位移和渗漏方面切实有效。钢管桩与锚索配合用于下部支护，各自起到重要作用。钢管桩具有较强的竖向承载能力，锚索有效提升了基坑的抗侧压力。特别是在深基坑开挖期间，锚索施加500kN预应力，从而保证了土体稳定和基坑壁的稳固。

基坑内部的支撑系统安装到位之后，对于控制基坑变形非常关键。钢管支撑与工字钢这种搭配形式，可以使支撑系统将作用于基坑的荷载较为均衡地分担，防止因局部受力过大而造成支撑出现不稳定现象。而且，在施加预应力之后，支撑系统抵抗变形的能力得以提升，从而确保基坑在开挖时不会产生位移。

五、结束语

综上所述，在地铁基坑施工过程中，针对基坑支护设计，必须根据具体工程特点和地质条件，综合运用地下连续墙、钢管桩、锚索及内支撑等技术手段，以确保基坑在开挖过程中能够稳定承受各类压力，避免发生不安全因素。随着城市地铁建设的推进，基坑施工技术的进一步创新与发展将不断提高施工效率，降低施工风险，同时增强对环境和周边建筑的保护。技术的不断优化将使得基坑支护系统更加安全、经济，并为后续工程建设提供坚实的基础。

参考文献

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