1引言
近年来我国地铁建设高速发展，至今已有33个城市开通了近150余条城市轨道交通线，运营里程达到数千公里。地铁车站深基坑施工属于过程中的重大危险源之一，近年来上海、杭州、深圳等城市均发生过较大影响的基坑坍塌事件，基坑施工造成周边房屋开裂、路面开裂、管线下沉超标的事件更是层出不穷，造成了不良的社会影响。本文深基坑支护方案依据国内多个城市地铁工程进行研究，现研究如下。
2地铁深基坑支护技术
2.1土方开挖技术
2.1.1明挖法
经调查得知，在国内的地铁工程中，明挖法被广泛应用于施工中，若要有效应用该方法，其基本前提在于所在施工区域较为平坦且开阔。总体上，明挖法对于地质环境提出较为苛刻的要求，若要顺利推动各环节施工作业，支撑工作必不可少，通过合理的支撑方式给挖掘施工创设稳定的环境。而在明挖法施工作业时，还可有效控制施工成本，在一定程度上提升了企业的经济效益。但值得注意的是，基于明挖法展开施工作业时，伴随相关环节的持续推进，自然地质环境构造将受到严重影响，从而出现地下水位上升等不良问题。基于此，施工技术人员需要立足于工程实际情况，制定科学的规章制度，提升挖掘施工各环节的规范性，在最大程度上给地铁施工作业创设稳定的环境，以便提升工程质量。
2.1.2盖挖法
盖挖法被应用于地铁工程中，其优点在于大幅降低对周边环境的影响，给原有建筑以及道路的正常使用提供了稳定环境，同时可有效控制施工噪音，能够从多个角度减少负面影响，提升了整个施工作业的安全性。相较于明挖法而言，若基于盖挖法施工作业，则在一定程度上加大了施工难度，为顺利完成地铁深基坑的施工，需得到更多成本的支持，因此，效率与经济效益上相对欠佳。
2.2基坑支护技术
2.2.1土钉墙（锚杆、锚索）支护技术
土钉墙是由天然土体通过土钉墙就地加固并与喷射砼面板相结合，形成一个类似重力挡墙以此来抵抗墙后的土压力；从而保持开挖面的稳定，这个土挡墙称为土钉墙。土钉墙是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，一般称砂浆锚杆，也可以直接打入角钢、粗钢筋形成土钉，或采用锚杆、锚索。土钉墙的做法与矿山加固坑道用的喷锚网加固岩体的做法类似。
土钉墙的作用机理是因土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性，在基坑开挖时，可存在使边坡保持直立的临界高度，但在超过这个深度或有地面超载时将会发生突发性的整体破坏。一般护坡措施均基于支挡护坡的被动制约机制，以挡土结构承受其后的土体侧压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙技术则是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与土共同作用，弥补土体自身强度的不足。因此通过以增强边坡土体自身稳定性的主动制约机制为基础的复合土体。不仅有效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。通过相互作用、土体自身结构强度潜力得到充分发挥，改变了边坡变形和破坏的性能，显著提高了整体稳定性，更重要的是土钉墙受荷载过程中不会发生素土边坡那样的突发性塌滑，土钉墙不仅延迟塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，不会发生整体性塌滑。
2.2.2灌注桩支护技术
灌注桩是指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，依照成孔方法不同，灌注桩又可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几类。而钻孔灌注桩的施工，因其所选护壁形成的不同，有泥浆护壁方式法和全套管施工法两种。
2.2.3地下连续墙支护技术
在一些软土或者是地下水位比较高的砂土施工环境中,施工人员可以高效运用地下连续墙支护技术。需要借助钢筋混凝土连续墙施工技术辅助,只有这样才能够强化深基坑支护技术的实际应用效果。这种技术需要模拟建筑主体结构侧墙,借助逆作法达成对地铁工程的支护保障,主要施工流程如下:其一，是施工人员需要把墙体嵌入到深层软土中,让墙体充当建筑物的支撑屏障;其二，是在地下建筑结构中插入连续墙体,以此保障建筑物防渗性,强化施工效果。
2.2.4钢支撑或混凝土支撑技术
钢支撑常采用φ609mm（t=16mm）组合钢围檩形成支撑体系，确保土方开挖过程的围护桩体系的稳定。适用于形状规则的基坑，安拆简便，可周转使用，可主动调整预加轴力来调整围护结构的变形。
在地铁深基坑支撑工作中，合理运用混凝土，可以确保深基坑支撑工作有序完成。混凝土支撑具有刚度大，变形小，整体性好，可以灵活调整位置来满足不规则形状的基坑。缺点就是施工周期长、养护时间长，不能周转。
3常见的几种地质结构的特点
3.1淤泥质土类深基坑
根据土中有机质含量的多少，可将土划分为无机土、有机土、泥炭、泥炭质土。淤泥质土是有机土的一种，属于软弱土。其有机质含量为：5%<Wu≤10%；泥炭质土有机质含量为：10%Wu≦60%。软弱土是抗剪强度较低、压缩性较高、渗透性较小、天然含水较大的饱和粘性土，其中淤泥和淤泥质土就是软弱土的主要类型。淤泥质土指天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0~1.5之间的粘性土。
这种土主要分布在我国东南沿海地区和内陆的大江、大河、大湖沿岸及周边。由于压缩性较高、强度低，因此地基沉降大，且多为不均匀沉降，极易造成建筑物墙体开裂、建筑物倾覆。在工程建筑中，必须引起足够的重视。
3.2碎石土（砂土）类深基坑
碎石土指的是土中粒径d＞2mm的颗粒质量超过总质量50%的土。根据规定，碎石土可再划分为砾质土、卵（碎）石土和漂（块）石土，它们的粒径分别＞2mm、20mm或200mm的质量，超过总质量50%。一般冲积成因的碎石土分选性和滚圆度较好，位于河床和河流阶地二元结构的下部，而其他成因的则较差。各段情况是：甘肃段砾卵石占45%～70%，粒径一般 20～80mm，呈次圆—次棱角状，一般分布于冲洪和平原表层之下。陕西段分布于渭河及其各支流以及山前洪积扇。河流冲积成因者在河漫滩和河床地段，在渭河干流厚度可达20～40m，结构较均一；而洪积扇区则为大小混杂的砂卵石为主。山西段主要分布于汾河、龙凤河和潇河等山间河谷地段，以砂卵砾石为主，磨圆较好，级配良好。河南段主要分布在伊洛河、沙颍河等诸河流河谷区，以砂砾卵石为主。湖北—湖南段碎石土多分布于低山丘陵斜坡地带，多为残坡积成因，碎石成分随母岩而变化。一般碎石土较疏松，孔隙比大，渗透性强，地基承载力高。
3.3黄土类深基坑
黄土类土是第四纪时期特殊的大陆松散沉积物，它在世界各地分布广而性质特殊。这类土在我国主要分布于西北、华北和东北地区，面积达60万km2以上，以北纬34°～45°之间最为发育，这些地区位于我国西北沙漠区的外围东部地区，具有大陆性干旱少雨气候的特点。黄土类土从早更新世（Q1）开始堆积，经历了整个第四纪，直至现今还未结束。按地层时代及其基本特征，黄土类土可分为3类：老黄土、新黄土和新近堆积黄土。老黄土是Q1、Q2时期堆积的，分别称“午城黄土”和“离石黄土”，一般无湿陷性；新黄土一般是Q3时期堆积的，称“马兰黄土”，也有Q4早期的，具湿陷性，分布面积最广（约占60%）；新近堆积黄土一般是Q4晚期堆积的，湿陷性不一。各地黄土类土总厚度不一，陕甘黄土高原地区最厚，可达100～200m，河谷地区一般只有数米至30m左右，且主要是新黄土。
4地层性质与支护形式的选择关系
4.1黄土类深基坑支护形式选择实例
黄土类地层多分布在陕西、山西、甘肃等地，黄土类深基坑支护形式可根据水位高度及场地大小来确定，水位较高的常采用钻孔灌注桩，水位较低、场地开阔的深基坑可采用放坡开挖的形式，必要时也可配合少量的降水。我单位施工的成都地铁、西安地铁明挖区间及大连地铁某车站均采取的放坡开挖+土钉墙锚杆的支护方式。以成都地铁7号线川师车辆段为例，出入段线全长540.3m，标准段宽16.4m，结构最宽处宽22.5m，基坑最深处深18m，最浅处深14.5m。出入段线在里程YDK16+943.158～YDK16+973.326、YDK16+818.410～YDK16+851.135段采用放坡开挖+土钉墙支护结构。
根据实践经验，确定基坑土钉设计参数后，按规范对基坑边坡进行了稳定性验算，主要验算项目有内部整体稳定性分析和外部整体稳定性分析。外部整体稳定性分析又包含了抗滑稳定性，抗倾覆稳定性等。内部稳定性分析采用圆弧滑动面按条分法进行计算，外部稳定性验算采用楔形滑移面法按重力式挡土墙原理进行验算。验算公式采用了工程地质学手册中提供的公式进行，验算的安全系数均能满足规范要求。
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图4.1-1围护结构支护一区，主体结构第八段断面
面层厚度:150mm，混凝土强度等级:C20，配筋:Φ8@150*150。土层以下中风化石灰岩采用1:0.1放坡进行，采用锚喷支护，锚杆采用Φ48钢管，t=3.5mm，壁管设间距150mm，直径8mm的出浆孔，水平间距为2m，竖向间距为2m，梅花状布设，长度为5~9m，，注浆材料采用水泥：膨胀剂：水=1:0.1:0.45，强度不低于30MPa。
4.2碎石土（砂土）类深基坑支护形式选择实例
由于碎石土及砂土的力学性质，该种地层常常采用钻孔灌注桩+网喷混凝土+内支撑的支护形式。在我国东北地区，冲击平原等地区该种地层比较常见。我单位施工过的沈阳、山东、成都等均存在该地层，另外，地层自稳性较好的膨胀土泥岩地层、砂卵石地层、粉质粘土地层、岩石地层等也可以采用该种支护形式。以大连地铁5号线某车站为例，车站外包总长180.475m，标准段宽19.70m，车站为地下2层岛式车站（局部三层），站台宽度11m，主体结构基坑深为19.2~24.7m，基坑宽度为19.9~28.4m。车站范围内自上而下岩层分布为：素填土、碎石土、强风化石英岩（强风化板岩），车站顶板覆土为2.4m~4.5m，车站主体结构采用单柱双跨框架结构（局部为双柱三跨），采用明挖工法施工，车站除轨排井段外支护形式为钻孔灌注桩+内支撑，围护桩直径1.0，间距1.2m，挂网6.5@150x150喷射C20混凝土临时支护，灌注桩嵌入坑底不小于2.5m且进入中风化岩不小于2.5m，旋喷桩进入中风化石英岩不小于0.5m，进入强风化岩层1.0m。
设置的围护桩直径1000mm，长32.22m，在此基础上，设置第一道混凝土支撑，形成规格为800mm×1000mm的截面，在基础上增设二、三、四钢管支撑的同时并辅以倒撑结构，具体规格为壁厚16mm、直径609mm，围护结构剖面图见4.2-1。立足于工程实际状况，引入FRWS7.2展开对支护方案的分析，编制内力位置包络图与沉降图，地表沉降图见4.2-2所示。从下图得知，在保证支护结构整体状况良好，可满足工程各项规范要求。地面最大沉降值13.60mm，主要集中在与坑边相距12.2m的区域。
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图4.2-1围护结构剖面图
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图4.2-2地表沉降图
深基坑计算方法直接影响到支护结构的应用效果，当前基于深基坑支护衍生出的计算方法诸多，较为典型的有三种:①经典理论法，如静力平衡法等，是基于力的平衡理论而延展出的方法;②解析法，如弹性法等，最为突出的特点在于对压力做出假定;③有限元分析法，如三维实体有限元法等，针对基坑支护结构创建三维实体模型并展开直观分析。纵观行业发展状况，在信息技术大范围普及之下，为深基坑支护计算工作提供了更为可行的方法，充分借助计算机的高效运行能力，创建有限单元体并获得与之相关的位移－荷载函数关系，经系统分析后进一步获得应力、应变实际情况，从而可以对深基坑支护结构的认知更加深入。
4.3淤泥质土类深基坑支护形式选择实例
淤泥质土类深基坑，由于其土质特点，一般采用地下连续墙+钢筋混凝土内支撑+钢支撑的支护形式，该种土质深基坑一般水位较高，在地下连续墙四周外侧常常施做止水帷幕，基坑内进行水泥搅拌站土体加固等。在我国，东南沿海地区、距离大江大河较近的地区，该种地层比较比较常见，以福建省厦门市某地铁地下车站为例，车站主体采用明挖顺筑法施工，基坑采用地下连续墙+内支撑体系，地下连续墙厚600mm，一共采用二道内支撑（盾构端头设三道），标准段第一道支撑为900*1000mm混凝土支撑，间距9m，第二道采用Ф609mm，t=16mm钢支撑，间距3m，盾构端头段第一道支撑为900*1000mm混凝土支撑，间距9m，第二、三道采用Ф609mm，t=16mm钢支撑，间距3m，见图4.3-1所示。
本工程基坑安全等级为一级。本站地下结构的围护结构地连墙及冠梁按照永久构件设计，设计使用年限100年；其它围护结构构件按照临时构件设计，临时构件设计使用期限为2年。
支护结构的安全等级为一级，按荷载效应基本组合进行承载能力计算时支护结构重要性系数取r。=1.1。
围护结构荷载取值及其分项系数按地下车站的使用要求和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）确定，地面超载：按20kPa考虑，盾构井按70kN/㎡考虑，其余均按有关规范规定进行取用。
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图4.3-1横断面图
5特殊环境、地质的支护方案及要点
5.1围护桩+预应力锚索支护方案
近年地铁施工中，如遇到轨排井深基坑工程，地铁地下停车场、车辆段等大型深基坑工程或基坑周边临近建筑物，不能用钢支撑、混凝土支撑等工程。我们采用预应力锚索围护桩支护方案。
例如成都地铁茶店子路站大里程端明挖主体轨排井段基坑采用桩+预应力锚索的支护体系。左线侧锚索段长32m，右线侧锚索段长32m，每侧设置四道锚索，锚索上下间距为3.3m左右，水平间距为2m。锚索的设计参数见表5.1-1、2。锚索平面布置见附图5.1-3。
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图5.1-3 锚索支护立面布置图
在成都地铁7号线出入段线中，由于工程一边临近建筑物，我们设计了基坑左侧为钻孔灌注桩+预应力锚索，右侧为放坡土钉墙的支护方案。
5.2膨胀土地质支护要点
成都地铁狮子山车站深基坑施工中，周围地质为膨胀土(岩)，会因含水量的变化产生胀缩变形、基坑岩土体中的临空面因膨胀应力的释放而变形、导致边坡失稳、周边地面沉降、变形、塌陷。置于中等风化泥岩中的围护桩、因泥岩具有膨胀性，可能出现岩体回弹引起桩基拉裂的问题。我们的支护方案采用了如下措施：
5.2.1必须保持连续施工，基坑及时封底的原则来保证膨胀性地层的性状不受改变，以减小膨胀力的影响。
5.2.2针对坑壁渗漏水情况，有针对性的设置泄水管并采用盲管引流至基坑底部进行坑壁泄水。如下图所示：
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5.2.3施工过程中避免基坑暴晒或泡水是关键。
5.2.4施工过程中应加强钢支撑轴力值的监测。
5.3中小型局部溶洞的支护方案
大连地铁1号线华北路车站工程，基坑支护为土钉墙喷锚索工艺的技术方案，施工过程中遇到局部小型溶洞。揭穿侧壁溶洞在降雨后出现滑塌，滑塌物为溶洞内填充的粘型土。我们利用有限元软件ansys建模对滑塌处进行分析得出，边坡滑塌由于降雨，溶腔土体自重增加，抗剪强度不足引起的，后部的中风化岩是稳定的。因此在此区域，采用加长加密锚杆的土钉墙支护方案，工程得以顺利实施。
6实时监测
城市轨道交通工程的监测应重视对周边环境的影响，基坑施工对周围岩土体的扰动范围、扰动程度是不同的，一般来说，离结构愈近，影响程度愈大。工程影响分区的目的是区分工程施工对周边地层、环境的影响程度，以便把握工程关键部位，针对受工程影响较大的周边环境对象进行重点监测，做到经济、合理地开展工程周边环境监测工作。根据影响分区的结果进行房屋、管线、周边建构筑物的调查，以便明确监测对象。
《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）首次将影响分区的概念引入到了国标中。例如厦轨道【2017】104号《厦门市轨道交通监控监测技术管理规范》中规定：“工程影响分区应根据基坑、隧道工程施工对周围岩土体扰动和周边环境影响的程度及范围划分，可分为主要、次要和可能等三个影响分区。监测范围应覆盖工程周边受施工影响的主要影响区和次要影响区两个区域。”
出于全面提升深基坑稳定性的目的，针对支护结构实行全方位监测势在必行。监测内容需覆盖至五个方面，即周边沉降、外侧土体位移、桩顶沉降、围护桩位移以及支撑轴力。
7结语
地铁深基坑是综合性较强的一项工程，而支护方案的优劣可以直接决定整个工程是否成功，同时还会对工程的质量、所消耗的成本、施工速度产生重大影响，在整个施工过程中具有重要意义。虽然随着我国综合实力的增强，深基坑工程也得到了高速的发展，但在实际的方案选择中还存在一定的局限性和主观意识。因此，在选择设计方案时，努力贴合环境保护、经济适用、操作便捷、安全程度高等施工原则，找出一套具有科学性、实践性、合理性的优选方案，对于整个建筑具有重大意义，并会促进我国铁路事业稳步发展。
参考文献：
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