地铁车站岩质深基坑型钢挡墙结构研究

地铁车站岩质深基坑型钢挡墙结构研究

李诗尧

中铁第一勘察设计院集团有限公司        陕西西安        710000

摘要：为了判断型钢挡墙结构在地铁车站支护中应用是否科学，本文以西安市某地铁车站工程为例对该结构进行研究，分析了型钢挡墙结构与凝土肋板挡墙支护、桩＋锚索支护相比较后的经济性与可应用性，最后经过测试得出结果发现所研究结构与工程支护各要求相符，得出了型钢挡墙结构在地铁车站岩质深基坑中应用具有可行性的结论。

关键词：型钢挡墙；地铁车站；支护

引言：地铁车站深基坑支护会影响到地铁工程施工安全推进，其支护技术工艺的选用也成为关键研究课题，当前型钢挡墙结构是一种极具创新且应用广泛的支护结构，本次主要研究了该类结构在地铁车站工作中的实际应用情况。

1.工程概况

西安市某地铁车站布置为南北朝向，车站地下设计为二层岛式，主体结构部分长度约为178.1米，其标准段宽度约为20.9米，底板埋深参数为17.5米，设置出入口共有四个，风亭组共两个。车站工程施工时主要采用明挖法，相关范围内的基坑均决定采用型钢挡墙支护结构。该车站项目的地质组成主要包括两部分，其一是侏罗系中统沙溪庙组，含有砂岩与砂质泥岩，其二是第四系全新统松散土层，以黏性土和填土为主，岩体层面的结合性比较差，其岩内裂隙呈现发育状态，岩块状结构颇多，其地下水分布主要包括裂隙与孔隙间的水。

2.地铁车站岩质深基坑型钢挡墙结构的计算和分析

2.1型钢挡土结构的应用

目前地铁车站工程中，针对复杂岩质深基坑采用的挡墙结构已经有了很大的技术进步，其不再局限于使用传统钢结构或是钢筋混凝土结构，而较广泛地应用型钢混凝土挡墙结构，在结构钢材料的加工上也更为便捷，运输快速达到，为施工提供帮助。本次研究的西安地铁车站工程岩质基坑支护形式结构基本采用型钢挡墙支护，其中使用的支护肋柱构件设计为双拼槽钢结构，规格为450mm*450mm，构件的间距约为2.5米，肋柱在岩层中的嵌入深度约为0.6米，支护结构中的锚杆是规格为HRB400级φ25mm钢筋，数量为三束，锚杆入射的角度设置为15°，肋间采用了厚度为200mm的挡板设施，同时运用规格为HRB400级φ12mm@150mm的钢筋作为配筋，在挡板和肋柱等部分喷射C30级混凝土材料。

2.2结构基本原理

采用的型钢挡墙结构，设置原理上是由锚杆、双拼槽钢柱以及挡土板三部分组成，同时其挡土板还会承受挡墙后的土压力与侧向岩力，挡土板再间接将这种力传递给双拼槽钢柱，随后达到锚杆部分，作用力会使锚杆和对应岩体部分产生锚固力，使得锚杆达到抗拔力平衡状态，整个基坑工程也得到良好支护，趋于稳定[1]。

2.3该项施工的可行性分析

分析型钢挡土结构施工的可行性，还需先详细了解其施工工序，一般施工的步骤是：先进行第一层工作面开挖作业，随后在该工作面上施作上方型钢立柱，再实施该工作面以上的肋间挡板安装和锚杆安装作业，然后进行第一层工作面浇筑施工，保证混凝土结构稳定合理后科学养护，完成后进行第二层工作面开挖作业，在对应工作面施作上方型钢立柱，同时进行肋间挡板与锚杆的安装施工，同样进行混凝土浇筑并养护，重复上述工序一直到达基坑底部施工完成。通过其工序特点可知，在进行肋板挡墙的施工作业时，采取的是随开挖随进行结构支护的形式，这种形式优点就在于尽量缩短围护桩施工建设的时间。而其基坑的临空面在初步形成后，就可快速开展双拼槽钢的安装工作，无需再将钢筋混凝土的肋柱钢筋材料现场绑扎后安装，节省了一部分时间，肋间挡板钢筋和槽钢肋柱之间的连接、钢槽拼接以及槽钢肋柱和锚杆间的连接都能够在现场进行，采用基本焊接手段，这也体现出型钢挡墙结构施工的加工简易、安装方便特征，使得现场施工进度推进较快。通过分析可知，该地铁车站中宽度标准不超过20米的基坑，理想状态下，其采用混凝土肋板挡墙做支护结构或是桩加上锚索的支护结构，都要比型钢挡墙结构施工工期更短，分别缩短的工期比例为20%和33%，对此施工进行考虑。

2.4对结构进行安全计算

开展地铁车站岩质深基坑的型钢挡墙结构计算，具体是运用有限元模型方法实施计算研究，研究时也充分考虑到型钢肋柱在布置时产生一定间距，计算结果中的剪力值约为258kN，而弯矩值则为143kN·m。在此次工程的相关设计方案中，由于没有可参考的成熟工程经验，因此还要针对二维有限元模型计算结果进一步复核，主要是基于相关技术规范标准，采用规范公式计算获得的型钢肋柱每延米的荷载值约为174.8kN/m，再参考相关弹性连续梁的计算分析，其剪力值约为317kN，而弯矩值则为138kN·m。将两项计算结果对比实施复核，判断其结果差值不大，且内力布置形式也保持一致，最后结合相关设计规范文件的要求，计算型钢柱的抗剪性和抗弯性参数，前者结果为90.1N/mm2，后者为193.9N/mm2，这些结果与对应要求都相符合，因此型钢挡墙结构施工的安全性达标

[2]。

2.5结构节点的大样处理分析

型钢挡墙结构中肋柱大样双拼槽钢部分采用28a规格，其槽钢的分肢净间距控制在150mm，槽钢和槽钢之间的背土一侧和迎土一侧榫头节点部分以及标准段都会利用钢板材料连接，其钢板的规格处理为长300mm、宽200mm、厚10mm。背土一侧的锚杆也是运用钢板作锚固节点连接，其钢板的规格处理为长350mm、宽300mm、厚10mm，钢板之间控制出750mm的间距。另外，肋柱采用2.5米作为分段处理长度，且在每一段的槽钢拼接位置都应预留连接缝榫头，规格约为250mm。

2.6施工的经济性分析

在柱或是桩的间距一致的条件之下，设置肋柱结构会比设置围护桩的工程量较少，节省一定时间成本和经济成本，这是因为肋板挡墙的肋柱尺寸相较于围护桩更小。与此同时，槽钢尺寸本身也会影响到型钢挡墙的肋柱大小，一般会导致其尺寸设计更小，因而施工时使用的混凝土量会减少，进而减少支出，不过往外使用槽钢材料，该结构施工相比于混凝土肋柱结构的钢材用量会有所增加，但总体上来说其综合经济指标仍旧是较低的。通过对比分析发现，若车站深基坑的情况相同，那么每延米型钢肋板挡墙的经济指标与围护桩加锚索结构或是混凝土肋板挡墙结构比较，都会节省一定经济成本，分别减小投资比例约为3%与45%，因而地铁车站岩质深基坑采用型钢挡墙结构十分合理。

3.地铁车站岩质深基坑型钢挡墙结构的现场测试分析

在具体进行型钢挡墙结构施工过程中，适时开展了结构位移监测工作，确保不会产生过大位移偏差，监测结果显示基坑位移最大参数约为26毫米，而理论条件下的有限元计算结果中基坑位移最大参数值为20毫米，两者对比可发现，有限元计算分析中没有对实际爆破开挖施工导致岩层出现松动的影响因素充分考虑，故而与实际位移间出现了数据偏差。根据对城市轨道交通相关工程的监测技术规范要求规定可知，地铁车站围护结构施工允许的最大水平位移应当不超过0.20%H，此处H表示的为基坑深度值，在本项目中即位移参数值不能够超过30毫米，而监测结果为26毫米，符合对应要求，故而其采用型钢挡墙结构可行。

结论：综上所述，型钢挡墙结构在地铁车站岩质深基坑中的应用能够起到良好支护效果，为了判断结构应用是否可靠，本次围绕着结构基本原理、施工的可行性分析、对结构进行安全计算、结构节点的大样处理、施工的经济性分析等几个方面进行了研究，最终判断该结构具有较高应用价值。

参考文献：

[1]隗志远.复杂工程环境岩质地层地铁车站改进洞桩法暗挖逆作施工技术[J].建筑技术开发,2022,49(05):75-79.

[2]张维驿.地铁车站岩质深基坑型钢挡墙结构分析[J].城市轨道交通研究,2020,23(03):41-44.