地铁施工中深基坑支护结构的优化设计与应用

引言

伴随着城市轨道交通建设的日益加速，地铁工程一般都面临着深基坑施工的高危挑战。深基坑支护结构既要适应复杂的地质，水文及城市环境又要保证结构的稳定性和施工的安全性。传统的支护设计模式已经很难适应现代城市地铁建设精细化，智能化要求。因此系统地探究深基坑支护结构优化设计路径以及其在各种施工场景下的运用价值对于促进地铁建设质量与运行安全有着十分重要的作用。

1.地铁施工中深基坑支护结构概述

地铁施工大多集中在城市核心区内，地质结构复杂，周围建筑物密集，因此深基坑支护结构就成了确保工程安全和城市稳定运营的关键环节。它的主要任务是抵抗坑壁侧向土压，水压力以及施工扰动等不稳定因素的影响，预防边坡塌方，地表沉降以及相邻构筑物的破坏。支护结构种类较多，常用的有放坡支护、排桩支护、地下连续墙以及钢筋混凝土内支撑体系等，不同的方案需要综合考虑地层特性，地下水位以及开挖深度等因素进行精细选择。随着施工深度的增加和对环境敏感性的提高，常规静态设计方法受到了挑战，需要引入多源数据支持下的动态优化设计理念来保证支护结构有较好的承载能力、变形控制力和环境适应性促使深基坑工程朝着高精度和高可靠性的方向发展。

2.地铁施工中深基坑支护结构的优化设计

2.1 基于数值模拟的支护方案比选与参数优化

深基坑支护设计广泛采用数值模拟技术进行支护方案优选和关键参数的分析。利用FLAC3D或者PLAXIS有限元软件建立地下结构-土体耦合模型可以实现仿真过程中开挖阶段，支护构件响应以及地层位移的动态分析。技术路径包括：先构建包含不同支护类型（例如地下连续墙和SMW工法桩等）的对比模型，然后调入不同支护深度、桩间距与支撑刚度参数，在模拟中迭代优化。在某一多层地下结构支护比选中，数值模拟显示地下连续墙结构在粘性土层中的最大水平位移为 9.3mm ,远低于其他方案的 13.7mm，同时内力分布较平衡，具有较优的结构刚度和变形控制能力。

2.2 针对复杂地质的支护结构构造改进方法

软硬互层、含水砂层、高变形性黏土等复杂地质条件给传统支护结构稳定性和防渗性能带来了挑战。针对以上问题，支护构造的设计需要从结构选型，复合构造的设置和止水措施上着手有针对性地进行优化。在一项复合地层基坑中，工程采用“双排桩加咬合止水帷幕加预应力锚索等”复合支护构造，将外排桩作为主承力体系，内排桩加强了抗拔性能并将咬合段的厚度限制为 80cm ,增强了止水能力，锚索的布设深度达到了基坑底的1.5倍，保证了侧向力的完整传递。工程监测数据表明：基坑最大变形被限制在 11mm 范围内，地下水位无明显起伏，说明该支护体系对地层扰动具有较好的协同抗变形能力。

2.3 多工况联动下的全过程优化设计机制

深基坑工程的全过程设计需要涵盖不同开挖阶段，水位变化，荷载叠加和工期扰动条件下支护结构的响应行为。为了实现多工况联动优化可以引入参数化建模加阶段性校核加施工反馈调整等机制。基于BIM+有限元协同设计的技术平台构建集成化的地-结构模型并对各个阶段的荷载和水文工况进行叠加，输出应力和位移的实时响应。在一个近轨施工基坑项目中，设计阶段就确定了9 种典型的工况，并进行了敏感性分析。在施工过程中，根据智能测斜仪的监测数据，每三天更新模型的边界条件，重新计算结构内力，调整支撑间距和断面刚度，最终将结构响应控制在设计限值的 80% 以下。

3.地铁施工中深基坑支护结构的设计应用

3.1 多层地下空间场景下的支护结构集成应用

在城市核心区开展地铁车站建设时，往往需布置地下 2 层站厅层,3 层设备层加上底层轨行区等多层地下的空间，这要求深基坑支护结构拥有垂直空间协调以及荷载传递连续性强的特性，为满足特定项目的需求，开展工程设计之际，我们采用了“地下连续墙加筋混凝土支撑加逆作法结构”所形成的综合体系。借助于在主围护结构外侧同步布设信息预留节点，我们顺利打造出一个连接内支撑与后续主体结构的力学过渡通道，地下连续墙厚度的上限为 1.2m. ,其可埋至的深度为 45m ,在基坑水平支撑的选择上，采用了 Φ1200mm 的钢筋混凝土撑杆，划分成三个段落，各部分彼此之间的间隔为 9 米。支撑的布置与结构层混凝土浇筑同步开展，促成了结构整体性的达成，由监测数据可知：集成体系基坑 24m 深度的最大位移是 14.2mm ，远远低于所设定的 25mm 控制值；达成了有限空间内结构稳定性跟施工效率的高效协调。

3.2 靠近运营线施工的高稳定性支护设计实践

倘若地铁深基坑处于既有轨道运营线路周边，需保证施工扰动对运营设施“零侵扰”，与此同时达成沉降控制的极限指标，针对此类应用场景而言，支护结构务必要有高刚度与低变形的特质，且设置多余约束，预防应力突然发生变化，在某个实际工程项目里，跟现有隧道中心线的距离仅9.6m，鉴于上述情况，采用了“地下连续墙联合钢支撑以及同步加固帷幕”的综合设计安排。把地下连续墙的厚度增至 1.5m ,同时采用了双层结构的钢筋笼，钢支撑截面采用 H700×300 ,其轴力设计时的最大强度要求为 2200kN ,又对其予以主动预应力的施加，使其实现设计载荷的 70% 程度，在接近既有线路的某一侧，设置起宽度为 1.8m 的双排旋喷桩隔离帷幕，进而有力减缓基坑变形的蔓延。运营线侧沉降监测点的资料说明：沉降最大值 1.8mm ，明显低于5 mm这一警戒值；轨道轨距的变化程度微弱，列车的运营未被扰动波及，就本设计的应用而言表明，借助精心构建与主动调控机制，切实达成极端约束条件下高稳定性支护目标。

3.3 智能监测反馈驱动的支护结构适应性调控

在深基坑支护设计向着高精度方向发展的大环境中，智能监测系统已经成为增强设计适应性和安全韧性的重要手段。在支护结构的应用方面，采用集成位移计，应力计，水压传感器和自动测斜仪等设备，对结构和地层响应进行全周期高频率的数据采集并将其和设计模型联动。某深基坑工程应用“信息化施工”概念，支护体系内预设了56 个监测节点并每隔1 小时将数据自动上传到BIM+监测平台。当坑底的隆起速度超过 0.15mm⋅ 或支撑的轴向力超出了 85% 的预定设计值时，系统会激活一个预警系统，指导施工团队调整支撑的布局速度或进行局部的注浆加固处理。施工到第 3 层支撑阶段监测发现东南角的支撑受力明显增大，分析认为是地下水位骤降引起的，立即开始增加斜撑和减速开挖的策略有效地遏制了变形扩散。最后，整个场地的位移都被限制在了设计的 70% 之内。这类应用说明，以智能反馈为核心的调控系统能够突破传统静态设计的局限性，增强支护系统应变能力和动态响应效率，形成深基坑设计-施工一体化新道路。

结束语

地铁施工深基坑支护结构优化设计需要综合考虑结构安全，环境适应性和工程经济性等因素。采用数值模拟技术对复杂地质条件进行构造改进和多工况全过程设计优化可以显著改善支护结构整体性能。在具体的工程实践中，我们应该根据实际的应用场景来灵活选择型号，并利用智能监测系统来实施一个设计、反馈和调整相结合的动态闭环管理策略。深基坑支护技术在今后会朝着高集成和强智能的方向不断发展，从而为城市地铁工程提供更可靠的支撑。

参考文献

[1]赵航辉. 对地铁深基坑支护结构设计及支护施工技术的探讨[J]. 中国科技投资, 2021, (24): 179-180.

[2]韩旭. 地铁深基坑支护结构设计及支护施工技术的探讨[J]. 四川建材, 2021, 47 (06): 91-92.

[3]郭伟. 地铁深基坑支护结构设计及支护施工技术探讨[J]. 工程建设与设计, 2020, (11): 219-220+223 .