郑州市奥体中心地铁站深基坑开挖方案研究

马 奥

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454150)

1 工程概况

郑州地铁奥体中心站属于换乘车站呈T形换乘，14号线车站为两层三跨箱型框架式结构，6号线车站为三层三跨箱型框架式结构。奥体中心站西北象限为由其他单位承建工法桩基础的奥体中心体育场馆基坑，两基坑相邻部位为基坑冲突部位；奥体中心站东侧为文博大道地下管廊基坑，与奥体中心站基坑无冲突。

由于是交叉换乘车站，车站各基础数据如下：14号线和6号线；车站总长分别为219.9 m和207.6 m。标准段外包总宽均为23.7 m，基坑深18.4 m,25.8 m，车站顶板覆土14 m～15 m。奥体中心地铁站地下稳定水位埋深26.5～27.13，稳定水位标高105.20 m～106.76 m。车站示意图如图1所示。

2 深基坑开挖方式优化选择

2.1 深基坑开挖方式比较

地下车站结构型式和施工方法的选择受多种条件的影响，比如地铁站沿线的工程地质及水文地质条件的影响，还有施工地铁车站位置处所处的自然环境以及周边构筑物(包含地上和地下)，最终施工方案的选择必须是在合理的利用现有资源的条件下，节约成本，加快施工进度，对周边环境影响小。同样的，不同的施工方法，它的结构形式也是不同的。结合奥体中心地铁站所处地质条件和周边环境的特殊性及复杂性，就其适合的明挖法、盖挖顺作法、盖挖逆作法，如表1所示对以下三种施工方法进行比较。

表1 开挖方法优缺点比较

开挖方案的选择应综合考虑施工现场的施工难度、工期、造价等因素，确定车站技术安全可靠、经济合理的结构型式与施工方法。由于奥体中心地铁站周边现状多为空地，周围无建(构)筑物，无市政管线，为了降低造价、缩短工期，故明挖法施工最为适宜。

2.2 优化开挖方案

在基坑开挖前要进行冠梁和挡土墙的施工，使灌注桩连接成整体，保证基坑稳定性。在接下来的开挖过程中掌握好“分层、分段、对称、平衡、限时”的五要点。在进行深基坑开挖时的总体施工原则：“竖向分层、纵向分段、平面分块”。进行单个区段开挖时，应注意的原则是：“要对土层逐层进行开挖，开挖到指定位置时要注意及时支护，严禁超挖”。

为提高开挖过程中的工作效率，保证开挖过程中的施工安全，将奥体中心地铁站主体工程分为两期进行开挖；第一期作业：将开挖平面分为三个平行作业面，每一个作业区又可以划分成多个施工段；奥体中心14号线车站基坑，南边基坑作为第一施工作业区，北边基坑为第二施工作业区，整个6号线车站区域作为第三个作业区。三个作业区分好区域之后，开始同时平行开工作业。第二期作业：对整个6号 线基坑南北两侧以及整个14号线各30 m范围内进行开挖施工作业。

在开挖过程中要注意，需要等到在围护结构地基加固、冠梁及降水井施工完成之后，然后地下水也进行完降水，才可以对基坑土方进行开挖。在开挖过程中要注意一定要进行支撑的架设，先撑后挖，同时要对基坑及周围环境进行检测，以数字信息指导安全施工，保证施工过程中结构稳定安全。

在保证结构安全的条件下计算支撑轴力，对支撑施加预加轴力，同时要考虑各支撑在形成过程中轴力损失的情况，要注意及时施加预加应力，最大限度的减少基坑围护结构侧向位移，降低基坑路面的沉降。当开挖深度至基底还有300 mm时，改为人工清底，人工开挖至设计标高防止超挖。对于底板以下的沟槽，也都应人工开挖。为保证基坑的稳定性，在人工挖至基底位置处时立即对基底进行封闭，降低围护结构变形速率。

2.3 优化确定开挖支护方案

最常用的基坑开挖方式有放坡开挖、不放坡开挖两种。放坡开挖：主要是靠土体的自稳能力再加上对土体表面加以护坡而形成的稳定边坡，这种施工方施工作业面大，当然开挖起来施工速度比较快以及施工费用也较低。不放坡开挖法：需要在围护结构对土体有一个很好的稳定性能。

基坑的支撑形式主要有三种：混凝土支撑、钢支撑、锚杆。不管哪种围护结构都有利有弊，在现场施工过程中应将各种内支撑综合使用，扬长避短，加快施工进度，在保证基坑稳定的前提下尽可能节省工程成本，达到最优的效果。三种支撑效果经济比较如表2所示。

表2 支撑系统优缺点比较

为了更好的优化对支撑方案的选择，通过对郑州地铁1号，2号线的地铁车站基坑调查发现：第一道支撑普遍采用混凝土支撑，安全性较好，造价与钢支撑相比差别不大，拆除也较快。

同时因为围护结构承受侧压力较大，因此第一道支撑采用混凝土撑，其余支撑均采用钢支撑。由于第一道撑受力较小，综合经济、工期、施工等因素考虑，混凝土支撑断面采用800 mm×1 000 mm，支撑端部不设斜撑。

针对奥体中心地铁车站深基坑工程岩土类型及分布、岩土物理力学性质、地下水埋藏条件等地质条件。由于奥体中心地铁站埋深较深，因此选择先放坡后开挖的方式更加适宜。

3 建立FLAC3D模型并进行基坑水平应力和竖向应力分析

3.1 建立FLAC3D模型

由于在基坑开挖过程中很难对深基坑水平应力和基坑竖向应力的变化情况进行监测，因此就需要借助模拟软件对基底位移的变化情况进行模拟，以便更好制定相应的施工方案。

首先先建立初步开挖模拟工况，如表3所示。

表3 开挖工况

模型内支撑结构单元模型采用梁结构单元，为了很好的研究在现有围护结构方案的条件下，基坑周围土体的位移变形规律，在除了对实际开挖土体模型的建立，还应对开挖土体过程中所能影响到范围内所有的土体，根据以往多个建模的经验，在建模过程中土体建模尺寸为现场实际开挖尺寸的3倍～5倍。

按照以上建模理论，实际土体建模尺寸为120 m×80 m×70 m(长×宽×高),因为近处土体影响较大，远处影响较小，因此在进行网格划分原则为基坑附近的网格密一些，离基坑远的部分相对稀疏些。此次建模一共80 662个单元、85 050个节点，开挖建模如图2～图4所示。

3.2 基坑水平应力和竖向应力模拟结果分析

由于在基坑开挖过程中很难对深基坑水平应力和基坑竖向应力的变化情况进行监测，因此就需要借助模拟软件对基底位移的变化情况进行模拟，模拟结果及应力变化曲线如图5～图7所示。

1)水平应力分析见图5。

2)竖向应力分析见图6。

从图7可以看出随着基坑开挖深度的增加，土体最大主应力不断增加，一直开挖至基底时，各工况土体主应力慢慢趋于稳定。工况五的土体主应力最大，最大值为2.38 MPa。

4 开挖过程数据监控

结合现场地形地质条件、支护类型、施工方法对地表沉降，支护桩顶部竖向位移，支护桩顶部水平位移，支撑轴力以及水位进行全过程监测，全方位监测。保证在开挖支护施工过程中结构的稳定性和安全性，以监测数据科学指导施工。在现场监测过程中需对：坡顶地表竖向位移、坡顶竖向位移、坡顶水平位移、土钉内力、支护桩体水平位移、基坑地表竖向位移、基坑桩顶竖向位移、基坑立柱竖向位移、基坑支撑轴力、支护桩顶水平位移、地下水位进行监测，部分监测结果如下：

现场监测检测过程中发现土体变形量均在可控范围内，再次验证了以上优化方案可行。

5 结语

在深基坑开挖和支护过程中要对施工现场土体变化情况，地下水位变化情况，支护结构稳定性，周边环境都要进行实时监控，保证基坑在开挖过程中的安全性和稳定性。希望本文中提到的施工思路和方法，可以为之后的地铁深基坑施工带来一定的参考，提高地铁深基坑施工的质量水平。