鄭州市奧體中心地鐵站深基坑開挖方案研究

馬 奧

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454150)

1 工程概況

鄭州地鐵奧體中心站屬于換乘車站呈T形換乘，14號線車站為兩層三跨箱型框架式結構，6號線車站為三層三跨箱型框架式結構。奧體中心站西北象限為由其他單位承建工法樁基礎的奧體中心體育場館基坑，兩基坑相鄰部位為基坑沖突部位；奧體中心站東側為文博大道地下管廊基坑，與奧體中心站基坑無沖突。

由于是交叉換乘車站，車站各基礎數據如下：14號線和6號線；車站總長分別為219.9 m和207.6 m。標準段外包總寬均為23.7 m，基坑深18.4 m,25.8 m，車站頂板覆土14 m～15 m。奧體中心地鐵站地下穩定水位埋深26.5～27.13，穩定水位標高105.20 m～106.76 m。車站示意圖如圖1所示。

2 深基坑開挖方式優化選擇

2.1 深基坑開挖方式比較

地下車站結構型式和施工方法的選擇受多種條件的影響，比如地鐵站沿線的工程地質及水文地質條件的影響，還有施工地鐵車站位置處所處的自然環境以及周邊構筑物(包含地上和地下)，最終施工方案的選擇必須是在合理的利用現有資源的條件下，節約成本，加快施工進度，對周邊環境影響小。同樣的，不同的施工方法，它的結構形式也是不同的。結合奧體中心地鐵站所處地質條件和周邊環境的特殊性及復雜性，就其適合的明挖法、蓋挖順作法、蓋挖逆作法，如表1所示對以下三種施工方法進行比較。

表1 開挖方法優缺點比較

開挖方案的選擇應綜合考慮施工現場的施工難度、工期、造價等因素，確定車站技術安全可靠、經濟合理的結構型式與施工方法。由于奧體中心地鐵站周邊現狀多為空地，周圍無建(構)筑物，無市政管線，為了降低造價、縮短工期，故明挖法施工最為適宜。

2.2 優化開挖方案

在基坑開挖前要進行冠梁和擋土墻的施工，使灌注樁連接成整體，保證基坑穩定性。在接下來的開挖過程中掌握好“分層、分段、對稱、平衡、限時”的五要點。在進行深基坑開挖時的總體施工原則：“豎向分層、縱向分段、平面分塊”。進行單個區段開挖時，應注意的原則是：“要對土層逐層進行開挖，開挖到指定位置時要注意及時支護，嚴禁超挖”。

為提高開挖過程中的工作效率，保證開挖過程中的施工安全，將奧體中心地鐵站主體工程分為兩期進行開挖；第一期作業：將開挖平面分為三個平行作業面，每一個作業區又可以劃分成多個施工段；奧體中心14號線車站基坑，南邊基坑作為第一施工作業區，北邊基坑為第二施工作業區，整個6號線車站區域作為第三個作業區。三個作業區分好區域之后，開始同時平行開工作業。第二期作業：對整個6號 線基坑南北兩側以及整個14號線各30 m范圍內進行開挖施工作業。

在開挖過程中要注意，需要等到在圍護結構地基加固、冠梁及降水井施工完成之后，然后地下水也進行完降水，才可以對基坑土方進行開挖。在開挖過程中要注意一定要進行支撐的架設，先撐后挖，同時要對基坑及周圍環境進行檢測，以數字信息指導安全施工，保證施工過程中結構穩定安全。

在保證結構安全的條件下計算支撐軸力，對支撐施加預加軸力，同時要考慮各支撐在形成過程中軸力損失的情況，要注意及時施加預加應力，最大限度的減少基坑圍護結構側向位移，降低基坑路面的沉降。當開挖深度至基底還有300 mm時，改為人工清底，人工開挖至設計標高防止超挖。對于底板以下的溝槽，也都應人工開挖。為保證基坑的穩定性，在人工挖至基底位置處時立即對基底進行封閉，降低圍護結構變形速率。

2.3 優化確定開挖支護方案

最常用的基坑開挖方式有放坡開挖、不放坡開挖兩種。放坡開挖：主要是靠土體的自穩能力再加上對土體表面加以護坡而形成的穩定邊坡，這種施工方施工作業面大，當然開挖起來施工速度比較快以及施工費用也較低。不放坡開挖法：需要在圍護結構對土體有一個很好的穩定性能。

基坑的支撐形式主要有三種：混凝土支撐、鋼支撐、錨桿。不管哪種圍護結構都有利有弊，在現場施工過程中應將各種內支撐綜合使用，揚長避短，加快施工進度，在保證基坑穩定的前提下盡可能節省工程成本，達到最優的效果。三種支撐效果經濟比較如表2所示。

表2 支撐系統優缺點比較

為了更好的優化對支撐方案的選擇，通過對鄭州地鐵1號，2號線的地鐵車站基坑調查發現：第一道支撐普遍采用混凝土支撐，安全性較好，造價與鋼支撐相比差別不大，拆除也較快。

同時因為圍護結構承受側壓力較大，因此第一道支撐采用混凝土撐，其余支撐均采用鋼支撐。由于第一道撐受力較小，綜合經濟、工期、施工等因素考慮，混凝土支撐斷面采用800 mm×1 000 mm，支撐端部不設斜撐。

針對奧體中心地鐵車站深基坑工程巖土類型及分布、巖土物理力學性質、地下水埋藏條件等地質條件。由于奧體中心地鐵站埋深較深，因此選擇先放坡后開挖的方式更加適宜。

3 建立FLAC3D模型并進行基坑水平應力和豎向應力分析

3.1 建立FLAC3D模型

由于在基坑開挖過程中很難對深基坑水平應力和基坑豎向應力的變化情況進行監測，因此就需要借助模擬軟件對基底位移的變化情況進行模擬，以便更好制定相應的施工方案。

首先先建立初步開挖模擬工況，如表3所示。

表3 開挖工況

模型內支撐結構單元模型采用梁結構單元，為了很好的研究在現有圍護結構方案的條件下，基坑周圍土體的位移變形規律，在除了對實際開挖土體模型的建立，還應對開挖土體過程中所能影響到范圍內所有的土體，根據以往多個建模的經驗，在建模過程中土體建模尺寸為現場實際開挖尺寸的3倍～5倍。

按照以上建模理論，實際土體建模尺寸為120 m×80 m×70 m(長×寬×高),因為近處土體影響較大，遠處影響較小，因此在進行網格劃分原則為基坑附近的網格密一些，離基坑遠的部分相對稀疏些。此次建模一共80 662個單元、85 050個節點，開挖建模如圖2～圖4所示。

3.2 基坑水平應力和豎向應力模擬結果分析

由于在基坑開挖過程中很難對深基坑水平應力和基坑豎向應力的變化情況進行監測，因此就需要借助模擬軟件對基底位移的變化情況進行模擬，模擬結果及應力變化曲線如圖5～圖7所示。

1)水平應力分析見圖5。

2)豎向應力分析見圖6。

從圖7可以看出隨著基坑開挖深度的增加，土體最大主應力不斷增加，一直開挖至基底時，各工況土體主應力慢慢趨于穩定。工況五的土體主應力最大，最大值為2.38 MPa。

4 開挖過程數據監控

結合現場地形地質條件、支護類型、施工方法對地表沉降，支護樁頂部豎向位移，支護樁頂部水平位移，支撐軸力以及水位進行全過程監測，全方位監測。保證在開挖支護施工過程中結構的穩定性和安全性，以監測數據科學指導施工。在現場監測過程中需對：坡頂地表豎向位移、坡頂豎向位移、坡頂水平位移、土釘內力、支護樁體水平位移、基坑地表豎向位移、基坑樁頂豎向位移、基坑立柱豎向位移、基坑支撐軸力、支護樁頂水平位移、地下水位進行監測，部分監測結果如下：

現場監測檢測過程中發現土體變形量均在可控范圍內，再次驗證了以上優化方案可行。

5 結語

在深基坑開挖和支護過程中要對施工現場土體變化情況，地下水位變化情況，支護結構穩定性，周邊環境都要進行實時監控，保證基坑在開挖過程中的安全性和穩定性。希望本文中提到的施工思路和方法，可以為之后的地鐵深基坑施工帶來一定的參考，提高地鐵深基坑施工的質量水平。