基础施工中深基坑支护施工技术应用研究

2025-02-02孙元凯

中国新技术新产品 2025年2期

摘要：某地铁项目1号线和2号线的换乘站工程需要开挖深基坑，主体结构的支护体系采用地下连续墙+水平内支撑，在冠梁设置钢筋砼支撑，其他水平支撑均为钢支撑。为了提高基坑支护结构的设计和施工效果，研究对地下连续墙和钢支撑的施工技术要点进行了分析，归纳了各个关键工序的作业方法，包括导墙施作、泥浆制备、机械成槽、清槽、钢筋笼吊装、钢支撑安装等。根据研究内容得出以下结论：地下连续墙是重要的竖向支护结构，对地铁深基坑具有较高的适应性，可有效控制开挖范围；水平钢支撑的施工重点是管道的两个端头和轴力部分。

关键词：深基坑支护；连续墙；钢支撑

中图分类号：TU 753" " " 文献标志码：A

地铁基础施工以深基坑作业为主，其特点为开挖范围广、深度大、塌方风险高。根据国内外的研究现状，在这类项目中，可综合运用多样化的支护体系，结合实际情况合理设计支护方案。在此次研究中，基于真实的地铁深基坑工程，探讨了地下连续墙和水平内支撑的施工技术要点，可为后续工程提供借鉴。

1 工程概况

某地铁工程的换乘站点为地下四层三跨岛式结构，车站主体结构长度达到145.9m，有效站台的长度和宽度分别为118m、14m。基坑开挖范围包括车站主体结构、联络线。该站点为城市1号线和2号线的换乘站，1号线主体结构标准宽度为2.27m，2号线主体结构标准宽度为2.31m。该项目属于大型深基坑工程，1、2号线的轨道面开挖深度分别达到14.9、26.0m，站台中心底板埋深分别为15.65、27.62m。联络线基坑的深度为24m～30.5m，宽度设计为7.0m。为了保障作业安全，在基础施工阶段，必须针对深基坑设置有效的支护结构，并且保证支护结构的施工质量。

2 深基坑支护力学分析及方案设计

2.1 深基坑支护力学分析

计算土地应力分布能够帮助工程师评估基坑支护结构所施加的荷载对周围土体的影响。通过计算不同深度下的土体应力分布，工程师可以了解不同深度下土体的承载能力是否足够支持基坑支护结构以及其施工荷载。此外，通过计算土体应力分布，还可以确定土体的安全工作范围和荷载承载能力，避免土体超载或破坏。根据土地应力分布，制定合理的施工工艺以及施工顺序，以最小化土体变形并保证支护结构的及时建设。同时，将土体应力分布数据与实际监测数据结合，验证计算模型的准确性，并进行调整和改进。在本项目中，工作人员采用公式（1）计算项目所在地的土体应力分布情况。

（1）

式中：σz为深度为z处的土体垂直应力；q为基坑支护结构施加在土体上的垂直均布荷载；γ为土体的单位质量；v为泊松比；r为从基坑支护结构到点z的水平距离；r0为基坑支护结构的半径。在本次研究中，工作人员先确定荷载q、土体的单位质量γ、泊松比v以及基坑支护结构的半径r0。根据基坑支护结构的几何形状以及荷载条件，计算所需深度z处的土体垂直应力σz。通过调整参数值，分析不同条件下的应力分布变化（见表1），优化施工方案。

2.2 深基坑支护方案设计

深基坑支护具有多样化的技术方案，需要根据开挖深度、基坑周边环境、安全性等因素，做出综合决策。地铁属于市政交通项目，其站点通常位于城市的重要交通节点，开挖范围不宜过大。在这种条件下，深基坑应该优先采用垂直围护结构，例如地下连续墙、排桩等。根据基坑开挖深度，将该项目的主要支护结构设计为地下连续墙，同时设置多道水平支撑。具体设计方案见表2。

3 深基坑支护结构施工技术应用要点

3.1 地下连续墙围护结构施工技术应用要点

该项目地下连续墙采用机械成槽，在槽顶设置钢筋混凝土导墙，为防止槽壁坍塌，采用泥浆护壁技术，并通过泥浆循环清除槽底沉渣，整体的施工工艺如图1所示，各个工序的技术要点如下。

3.1.1 施作导墙

用地下连续墙的导墙提高孔口的稳定性，防止孔口坍塌，其顶部标高应高于地面0.2m。结合该项目的实际情况，导墙的施作方法如图2所示。

放坡和喷砼施工：在制作导墙前，先在地下连续墙位置开挖基土，形成1∶1的放坡，对坡面进行整平，然后喷射厚度50mm的细石混凝土，提高坡面和坡底的稳定性。将坡底作为基础，搭设模板，为导墙的浇筑做好准备[1]。

导墙施工：在地下连续墙槽段开挖前，在其轴线两侧分别建造导墙。根据设计方案，导墙的厚度为0.2m，高度为1.5m。两侧导墙的净距离为1.04m，略大于地下连续墙的厚度。在模板安装固定后，设置钢筋层，主筋直径为12mm，间距为200mm。导墙以C20混凝土浇筑而成，将钢筋保护层的厚度控制在20mm。在导墙达到养护强度后，拆除模板，并且在两侧导墙之间设置上、下两道截面为80mm×80mm的木支撑，将其作为临时性的支护结构[2]。木支撑的上下间距设置为1.0m。

导墙施工质量检查：在导墙施工结束后，按照表3的指标检测施工质量。另外，地下连续墙与导墙内侧墙面纵轴线应保持平行，将允许偏差控制在±5mm。

3.1.2 泥浆制备

泥浆配比设计：机械成槽过程需要同步实施泥浆护壁，因此在成槽前，应该制备泥浆。护壁泥浆以膨润土、烧碱、羧甲基纤维素和清水配置而成，水、膨润土、羧甲基纤维素、烧碱的质量配比设计为1.0∶0.1∶（0.0003～0.0005）∶（0.004～0.005）。当制备泥浆时，预先挖设泥浆池，将膨润土放入泥浆池，加入清水、烧碱和羧甲基纤维素，充分搅拌360s～480s。搅拌完成的泥浆应静置24h，使其彻底水化[3]。

泥浆质量检测：在交付使用前，必须检测泥浆性能，包括密度、黏度、pH、失水率等，新制备泥浆的性能指标应满足表4中的规定。

3.1.3 成槽和清槽施工

槽段开挖：地下连续墙的槽段为一字型，将一个标准槽段的长度设计为6m。成槽时采用跳幅施工技术，即间隔一个或多个槽段进行开挖。该项目地质条件较为复杂，部分作业区域的地质层硬度较小，由上覆层、砂层、卵石和强风化板岩组成，此时可通过液压抓斗抓取成槽。若岩层为硬度较大的中风化岩层，则应改为桩机冲孔，通过液压抓斗抓取碎屑[4]。成槽后，应检查其深度、垂直度、表面平整度、宽度等指标是否满足设计要求。

清槽施工：泥浆循环会导致品质下降，因此为保证成槽质量，施工单位应该检测不同阶段的泥浆性能指标，具体要求见表5。在清槽结束后，应检测槽底沉渣的厚度，根据规范，应将沉渣厚度控制在100mm内。

3.1.4 钢筋笼制作与吊装

钢筋笼制作：钢筋笼主筋直径为12mm，用焊接方式进行连接。在钢筋笼外侧设置垫块，用来控制保护层的厚度。在制作完成后，应检查长度、宽度、厚度、主筋间距、箍筋间距的安装精度。以主筋间距和箍筋间距为例，其偏差分别不超过±10mm、±20mm。

钢筋笼吊装：地下连续墙的钢筋笼较大，因此设置100t主钩和80t副钩，主钩吊点为2个，副钩吊点为4个。在水平吊运阶段，主、副钩同时起吊，待其达到足够高度，并且位于槽段上方时，提升主钩，同时缓慢放松副钩，将其调整为垂直姿态[5]，用人工辅助的方式下降钢筋笼下放至槽段内，达到设计标高后，将钢筋笼固定在导墙上。地下连续墙钢筋笼吊装方案如图3所示。

3.2 水平支撑结构施工技术应用要点

3.2.1 水平钢支撑设计和安装要点

钢支撑结构设计：将钢支撑水平安装在两侧地下连续墙的墙体上，其中一端属于固定端，另一端为活动端，通过调节活动端施加足够的支撑轴力。地下连续墙之间的距离存在一定的偏差，因此为了保证钢支撑安装的灵活性，将其结构设计为3个部分，分别为三角撑托架、钢管以及各种附属组件[6]。地下连续墙的墙体上预埋有钢板，在水平钢支撑的固定端，将钢管放置在预埋件上。在钢支撑的活动端，通过钢楔嵌固预埋件和活络头，以此实现连接。

钢支撑安装要点：以设计图纸为依据，按照钢支撑的水平间距设置预埋钢板，并且在钢板上安装牛腿，通过三角形支撑托架对牛腿进行加固。完成这个工序后，即可吊装钢管支撑。将钢管的固定端放置在牛腿上，活动端顶在预埋件上，利用千斤顶向钢管施加预压力。当预压力达到设计要求后，将锁紧片设置在伸缩头间，取下千斤顶。在水平钢支撑安装结束后，应检查其水平度是否满足要求。

3.2.2 混合支撑体系轴力监测

该项目支撑体系由钢筋砼支撑和钢支撑组成，属于混合支撑体系。在基坑开挖过程中，应该监测支撑体系的轴力，保证其始终处于合理范围。以2号线混合支撑体系为例，可通过应变计监测钢筋砼支撑的轴力，再利用监测值换算混凝土支撑轴力，计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：P1为钢筋砼支撑的轴力；Ec为混凝土的弹性模量；Es为钢筋的弹性模量；Ac为混凝土的有效截面积；As为钢筋的有效截面积；k为频率调节系数；F0为应变计的初始频率；Fi为应变计第i次测量的实际频率。可利用公式（3）计算钢支撑的轴力。

P2=K×（fi2-f02）（3）

式中：P2为水平钢支撑的轴力；K为轴力计的灵敏度系数；f0为轴力计的初始频率；fi为轴力计第i次测量的实际频率。

采用公式（1）、公式（2），对2号线三道水平支撑在不同开挖阶段的轴力进行计算，结果见表6。从结果可知，在深基坑开挖的4个阶段，钢筋砼支撑和钢支撑的最大轴力均未超过允许轴力，满足安全性要求。

4 结论

本项目是地铁深基坑工程，支护体系采用地下连续墙+水平内支撑，研究过程重点分析了支撑结构的施工技术要点，得出以下基本结论。

由于地铁站点位于城市核心区，为了尽可能减少对周边交通和环境的影响，因此支护结构采用竖向的地下连续墙。设置水平支撑可进一步提高地下连续墙的抗弯矩性能，提高支护体系的稳定性。

地下连续墙的关键施工工序包括导墙、成槽、清槽、钢筋笼安装、混凝土浇筑。在作业过程中可利用泥浆循环技术保护槽壁，同时完成清渣。水平内支撑分为两种结构体系，分别为钢筋砼支撑和钢支撑。此次研究重点分析了钢支撑的施工技术要点，包括结构组成和安装方法，施工时应严格控制器轴力。

参考文献