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摘要：近年来我国城市地铁建设快速发展，给人们的生活带来了极大的便利。但就地铁建设而言仍存在一些问题，其中最突出的问题就是深基坑的设计和施工。与一般建筑物基坑相比，地铁车站基坑具有规模大、开挖深、结构复杂和基坑抗变形能力要求高等特点。本文就地铁车站施工中遇到的粉砂层深基坑顺利开挖问题，分别从深基坑施工特点和地铁车站深基坑施工的有效措施两方面进行了分析讨论，提出了解决对策，为现实地铁车站深基坑工程提供了理论指导。
关键词：地铁车站；深基坑；粉砂层；措施
1深基坑施工特点及粉砂层深基坑
基坑的稳定是基坑施工过程的难点和关键，直接关系到基坑的安全开挖和工程的顺利进行。要想从根源上解决基坑的稳定性问题，就必须搞清楚具体工程所在地的地质、水文和周边环境等情况，并基于实际情况采取合适的支护结构，做好围护工作。施工中深基坑工程是一个复杂的具有较高风险的部分，不仅涉及土力学典型强度及变形问题还和土地与支护结构的相互作用密切相关，包括土方开挖、降水排水和基坑支护等具体工作内容，且施工过程受地质、水文、周边环境和气候等因素影响较大。深基坑工程的特点：（1）建筑高层化趋势下基坑向大、深方向发展，支撑系统越来越复杂且更为关键；（2）地基土软弱，深基坑开挖位移和沉降明显，对周围环境影响大；（3）深基坑工期长，稳定性有待提高。
相关研究表明，粉砂土具有压缩性高和渗透系数大等特点，易发生流砂和管涌现象。因此，相较于一般地质条件的深基坑粉砂土质的深基坑具有如下特点：（1）粉砂层深基坑因粉砂土的松散致使其围护结构位移将受到来自坑底暴露时间和分段掘土深度的双重作用；（2）粉砂层深基坑开挖引起的坑壁周围地层变形，存在明显的空间和时间效应，深基坑周围的建筑物易受到影响；（3）对于地下水位埋深较浅且开挖较深的基坑，维护结构将不仅受到其背侧土压力作用还承受孔隙水压力，而且坑底容易发生流砂及管涌。该种基坑安全隐患较大，易发生失稳和坍塌，需要特别关注。
2地铁车站粉砂层深基坑施工的有效措施
2.1影响粉砂土质深基坑稳定性的因素
地铁车站往往位于城市繁华地段，高楼林立、地下管网及构筑物复杂，考虑到这些因素，对地铁车站深基坑的稳定性需要更加严格控制。为了保证支护方案措施的有效性，需要对影响其稳定性的因素进行分析，做到对症下药。
（1）工程地质与水文条件
工程地质和水文条件是基坑工程实施的基础，对施工的重要性不言而喻。实际获取地质条件的最直接方法是岩土工程勘察报告，其中地层压缩模量、内摩擦角和粘聚力、泊松比等参数是进行控制深基坑变形的重要参数，同时也是底层加固和降水设计的重要参数。对粉砂层深基坑工程，进行围护设计时除了考虑勘察报告中给出的重要参数，还应重点考虑地下水渗透系数及其它影响，进行具体土压力计算时，应水土分算。
（2）基坑规模
基坑变形具有显著的时间效应和空间效应，实践证明，基坑开挖规模越大、平面形状越不规则其围护结构变形相对来说越复杂，稳定性的控制难度也越大。因此，首选形状简单的基坑进行合理布置。
（3）设计因素
围护结构设计、基坑降水和必要的地层加固设计等都会影响基坑的稳定性。以围护结构为例，围护结构与支撑刚度、支撑层数、围护结构嵌固深度、支撑预应力和被动区土体加固等都会对基坑的稳定性产生影响。例如，在基坑开挖土体卸载回弹的影响下，围护结构和支撑构件均会出现变形，一般来说应选择具有适当刚度的材料来抵抗变形；就嵌固深度而言，围护结构嵌入地层的部分能够抵抗很大一部分水平作用力，发挥悬臂梁的作用，当深度较浅时，抵抗能力有限，易发生基坑失稳，但嵌固深度不是越深越好，应根据底层参数、支护结构形式等因素计算得出。
（4）施工因素
统计表明，大多数基坑事故都与施工关系密切，主要体现在施工方法不当、事故防范措施不到位和管理混乱等方面。施工方案需重点关注土方开挖及支护结构，坚持先支后挖的原则，另外对规模较大的深基坑应采取分层分段开挖方式。
（5）基坑渗流
对于粉砂层深基坑而言，尤其需要注意地下水渗流，往往需要采取降水措施。由于粉砂自身的强渗透性，渗流作用可能引发管涌造成支护结构变形和周围建筑物的不均匀沉降，因此，施工时为保持基坑的稳定必须考虑渗流及地层固结作用。
2.2常见基坑支护类型
根据《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》可分为支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土墙、排桩围护等几种基坑支护结构。
（1）放坡开挖
放坡开挖是最简单的基坑开挖形式，包括分级放坡和不分级放放坡，无需支护。具有安全性高、技术可行性高、施工技术简单和工程造价低等优点，但这种开挖方式对场地要求较高，一般需要周边比较空旷、无高大的建筑，能够满足放坡的条件。对于侧壁安全等级为三级的基坑，支护结构设计时优选放坡开挖，同时可结合其它支护结构形式。
（2）重力式水泥土挡墙
在众多支护结构中，重力式水泥土挡墙使用较为普遍，其通过水泥土搅拌桩将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土地，包括格栅式结构和实体结构两种形式。采用格栅形式时，要满足一定的面积转换率，如对于普通黏土、砂土转换率应大于0.6。为提高挡墙的抗拉性能，一般可在水泥土桩内插入钢管、钢筋或者毛竹等杆筋，插入深度需大于基坑深度，并应锚入厚度大于150mm的面板内，同时要求混凝土强度等级高于C15。由于采用重力式结构及侧移控制能力相对较弱，此种支护结构适用于开挖深度不超过8m的二级和三级基坑，不适用于安全等级为一级的基坑。
（3）土钉墙支护结构
土钉墙由土壁、土钉、钢筋网和喷射混凝土组合而成，由天然土体经钻孔、打入土钉、土体表面铺设钢筋网和喷射混凝土等处理而形成的一个统一的整体。土钉墙可分为单一土钉墙，预应力锚杆复合土钉墙、水泥土桩复合土钉墙和微型桩垂直复合土钉墙等几种类型，不同类型的土钉墙适用范围不同。但总的来说，土钉墙支护结构宜用在地下水位以上或经降水的非软土基坑，在高水位的砂土、粉土层和碎石土中慎用。此种支护结构可用于侧壁安全等级为二级和三级的基坑工程。
（4）排桩围护支护
排桩支护是在基坑开挖前沿基坑边布置的深度超过坑深的成排灌注桩，有钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等形式，适用于坑深为7~15m的基坑。排桩挡墙平面布置形式包括连续式排列、间隔式排列和交错式排列等，对于非连续性排列形式用于地下水位较高的基坑时，需采取止水帷幕、设置深层搅拌桩、旋喷桩等挡水措施。
（5）地下连续墙支护
地下连续墙是指利用挖槽机械挖出窄而深的沟槽，并向沟槽中浇筑混凝土或其它材料，而形成的地下一道或几道连续的墙体。此种支护结构具有防渗、挡土和支护临近建筑物的功能，可作建筑物基础和水利工程的防渗墙使用，主要特点为墙体结构刚度大，承受土压力和防渗能力强，适应各种地质条件，施工时噪音低、震动小等。由于受到挖槽机械的限制，地下连续墙不能随意调整施工参数，其施工技术难度相对较大，造价偏高，因而一般只在一些特殊条件和基坑深度较深时采用。适用范围包括：开挖深度在10m以上的基坑工程；围护结构作为主体结构的组成部分且对防渗有严格要求的基坑工程；逆作法施工；有重要的临近建筑物，对防水和变形要求高；有较多地下管线，其它支护结构无法满足施工要求等。
（6）排桩＋内支撑支护
排桩内支撑支护体系由挡土结构排桩和支撑结构组成，二者通过围檩组成一个整体。支撑结构根据所用材料不同可分为钢支撑和钢筋混凝土支撑，一般由横档（围檩）、水平支撑体系、八字撑和立柱等组成，对于跨度（长度）较长的水平支撑可在中间加设立柱。内支撑的平面布置形式有角撑式、对撑式、框架式和边框架式等，具体依据基坑的尺寸、深度、平面形状和开挖顺序与方法而定。此种支护结构具有安全稳定性好和围护结构变形易受控制等特点，适用于不宜设置锚杆的松软土层。
（7）排桩+锚杆支护
锚杆支护是指在岩土体中钻孔，将金属材料支撑的具有一定强度的杆柱打入土中（锚杆通过锚头卡在排桩上），并向土体孔中注入水泥砂浆和钢筋，利用砂浆液与岩土体的粘结作用及施加在钢筋上的预应力作用，将锚杆、排桩和岩土体各组分形成一个支护整体，从而发挥支护作用的支护结构。
2.3地铁车站有效开挖措施
由于粉砂土的土体含水量大、渗透性强和可压缩性高，加之地铁车站深基坑规模大，容易发生基坑失稳，引发事故。因此，采取有效的支护和开挖设计及措施十分必要。
2.3.1深基坑支护措施确定原则
首先需明确施工场地的工程地质和水文条件，地下管线分布状况和周围建筑物及施工条件等；其次，参照《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》，明确拟建场地深基坑侧壁的安全等级，不同等级采取的重要性系数不同；最后进行支护结构的设计，综合考虑前面提到的因素，制定出便捷、低廉和安全性高的支护方案。基坑开挖往往与基坑支护同时交叉进行，但必须遵循“先支后挖”的原则，考虑到地铁车站的规模，应采取分层、分段开挖方式。
2.3.2地铁车站粉砂层深基坑开挖有效措施
（1）打降水井
为保证粉砂层深基坑的稳定性，必须进行降水或止水，深基坑降水分为降潜水和降承压水，地铁深基坑施工一般采用大口径深井降水、降压。坑内潜水水位的降低有利于固结基坑内土体，提升被动区土压力，抵制基坑变形，随着土体含水量降低，基坑土方开挖等作业具备更好的施工条件。而坑内承压水水头的降低，可避免基坑突涌风险。对于粉砂层土质而言，采用疏干井更为合适，即利用井管内外水头差自然引渗汇水，再由水泵抽排。
一方面降坑内潜水，为使坑内水位降至设计水位以下，便于开挖施工，分为四步骤进行，首先进行降水实验确定井间距和单井数量，即选取3口井开抽，通过不同距离水位的观测井观测，连续3天以上记录出水量、出水速度和水位，并结合土体参数计算得出；其次按计划执行抽水作业，控制潜水泵的工作间隔时间由短至长，须注意的是，每次水抽干后要立即停泵，对于出水量大的井应增加抽水次数；再次注重对降水运行期间的监管，做好各项记录，并及时分析统计，合理指导降水工作；最后进行封井，即将井管回填密实。另一方面，降坑内承压水，孔隙承压水一般储存和运动于粉砂层，其对地铁深基坑带来的最大风险是基坑突涌。通过布置深入承压水层的深井，利用水泵抽水减压。管井设计和施工流程参考图见图1和图2。
图2降水施工流程图
（2）布设钢板桩
经降水措施即当地下水位下降到坑底标高下1m时，进行测量放线，挖设打桩导槽，导槽宽设定为1.5m。采用12m长I36C型工字钢，在导槽内施打钢板桩，布置形式按一顺一丁相互咬合方式进行，并预留1m工作面。钢板桩打桩方法采用液压振动单桩打入，以一块钢板桩为插入单元，从一角开始逐块插打，直至工程结束。此种方法具有施工简便、可连续插打和桩机行走路线短、速度快等优势。但单块打入存在易向一边倾斜，积累误差难以纠正，墙面平直度不易控制等问题，因此为保证钢板桩的垂直度，在打桩过程中，起初打设的2块左右钢板桩的位置和方向应确保精度，以便起到标样导向作用，且每打入1m就需要测量一次，必要时同时运用2台经纬仪在两个方向加以控制。钢板桩设置完毕后，即可进行一次基坑开挖，注意控制开挖深度和放坡系数，钢板桩同时对外围土体具有卸荷的作用。
（3）采用混凝土支撑
由上文可知，对于松软土层的基坑支护宜采用排桩（灌注桩）+内支撑的形式，根据使用材料不同，内支撑可分为钢支撑和混凝土支撑，二者各有优缺点，详见表1。
表1常用内支撑材料使用情况对比
图3内撑式支护结构详图
3结语
近年来，深基坑工程的相关理论和技术研究取得了长足的进步，实践表明，充分利用理论指导实际，扎实做好深基坑围护结构的设计和施工是确保地铁车站安全顺利施工的重要手段。深基坑施工的一般原则为先降水，后支护，再开挖。地铁车站粉砂层深基坑的开挖步骤同样如此，经施工前的降水处理、支护结构的设计和实施以及最后按照“时空效应”确定基坑的开挖参数和施工顺序等环节，完成粉砂层深基坑的开挖工作。安全第一，效率至上，严格设计和实施地铁车站深基坑施工的有效措施，不仅关乎工程的顺利、高效进行，而且对保障人民的人身安全具有重要意义。
参考文献
[1]王嘉伟.粉砂土质地铁车站深基坑支护设计及稳定性分析[D].东华理工大学，2018.
[2]刘兴华.深基坑支护方案优选研究及应用[D].吉林大学，2016.
[3]冯庆高.地铁深基坑支护方案优选决策研究[D].中国地质大学，2010.
[4]刘波，黄佩格，黄冕，王凯强，江永华.粉砂地层深基坑支护结构变形安全监测与分析[J].施工技术，2014，43（11）：106-111.
[5]卞伟.宁波轨道交通2号线基坑开挖施工技术[J].现代城市轨道交通，2013（03）：76-78.
[6]张明海.深基坑粉土地层降水工程特点及技术分析[J].陕西水利，2019（01）：151-152+155.
[7]王诗语.粉砂土质深基坑支护结构的对比分析[J].江西建材，2016（20）：114.