馬 奧

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)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(jié)構(gòu)，6號線車站為三層三跨箱型框架式結(jié)構(gòu)。奧體中心站西北象限為由其他單位承建工法樁基礎(chǔ)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(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)如下：14號線和6號線；車站總長分別為219.9 m和207.6 m。標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定水位埋深26.5～27.13，穩(wěn)定水位標(biāo)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(yōu)化選擇

2.1 深基坑開挖方式比較

地下車站結(jié)構(gòu)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(zhì)及水文地質(zhì)條件的影響，還有施工地鐵車站位置處所處的自然環(huán)境以及周邊構(gòu)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(xiàn)有資源的條件下，節(jié)約成本，加快施工進(jìn)度，對周邊環(huán)境影響小。同樣的，不同的施工方法，它的結(jié)構(gòu)形式也是不同的。結(jié)合奧體中心地鐵站所處地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的特殊性及復(fù)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(jìn)行比較。

表1 開挖方法優(yōu)缺點比較

開挖方案的選擇應(yīng)綜合考慮施工現(xiàn)場的施工難度、工期、造價等因素，確定車站技術(shù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)型式與施工方法。由于奧體中心地鐵站周邊現(xiàn)狀多為空地，周圍無建(構(gòu))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(yōu)化開挖方案

在基坑開挖前要進(jìn)行冠梁和擋土墻的施工，使灌注樁連接成整體，保證基坑穩(wěn)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(jìn)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(jìn)行單個區(qū)段開挖時，應(yīng)注意的原則是：“要對土層逐層進(jìn)行開挖，開挖到指定位置時要注意及時支護(hù)，嚴(yán)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(jìn)行開挖；第一期作業(yè)：將開挖平面分為三個平行作業(yè)面，每一個作業(yè)區(qū)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(yè)區(qū)，北邊基坑為第二施工作業(yè)區(qū)，整個6號線車站區(qū)域作為第三個作業(yè)區(qū)。三個作業(yè)區(qū)分好區(qū)域之后，開始同時平行開工作業(yè)。第二期作業(yè)：對整個6號 線基坑南北兩側(cè)以及整個14號線各30 m范圍內(nèi)進(jìn)行開挖施工作業(yè)。

在開挖過程中要注意，需要等到在圍護(hù)結(jié)構(gòu)地基加固、冠梁及降水井施工完成之后，然后地下水也進(jìn)行完降水，才可以對基坑土方進(jìn)行開挖。在開挖過程中要注意一定要進(jìn)行支撐的架設(shè)，先撐后挖，同時要對基坑及周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，以數(shù)字信息指導(dǎo)安全施工，保證施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

在保證結(jié)構(gòu)安全的條件下計算支撐軸力，對支撐施加預(yù)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(yù)加應(yīng)力，最大限度的減少基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，降低基坑路面的沉降。當(dāng)開挖深度至基底還有300 mm時，改為人工清底，人工開挖至設(shè)計標(biāo)高防止超挖。對于底板以下的溝槽，也都應(yīng)人工開挖。為保證基坑的穩(wěn)定性，在人工挖至基底位置處時立即對基底進(jìn)行封閉，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率。

2.3 優(yōu)化確定開挖支護(hù)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(wěn)能力再加上對土體表面加以護(hù)坡而形成的穩(wěn)定邊坡，這種施工方施工作業(yè)面大，當(dāng)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(hù)結(jié)構(gòu)對土體有一個很好的穩(wěn)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(hù)結(jié)構(gòu)都有利有弊，在現(xiàn)場施工過程中應(yīng)將各種內(nèi)支撐綜合使用，揚(yáng)長避短，加快施工進(jìn)度，在保證基坑穩(wěn)定的前提下盡可能節(jié)省工程成本，達(dá)到最優(yōu)的效果。三種支撐效果經(jīng)濟(jì)比較如表2所示。

表2 支撐系統(tǒng)優(yōu)缺點比較

為了更好的優(yōu)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(diào)查發(fā)現(xiàn)：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(hù)結(jié)構(gòu)承受側(cè)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(jīng)濟(jì)、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(shè)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(xué)性質(zhì)、地下水埋藏條件等地質(zhì)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(jìn)行基坑水平應(yīng)力和豎向應(yīng)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(yīng)力和基坑豎向應(yīng)力的變化情況進(jìn)行監(jiān)測，因此就需要借助模擬軟件對基底位移的變化情況進(jìn)行模擬，以便更好制定相應(yīng)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(nèi)支撐結(jié)構(gòu)單元模型采用梁結(jié)構(gòu)單元，為了很好的研究在現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的條件下，基坑周圍土體的位移變形規(guī)律，在除了對實際開挖土體模型的建立，還應(yīng)對開挖土體過程中所能影響到范圍內(nèi)所有的土體，根據(jù)以往多個建模的經(jīng)驗，在建模過程中土體建模尺寸為現(xiàn)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(yuǎn)處影響較小，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分原則為基坑附近的網(wǎng)格密一些，離基坑遠(yuǎn)的部分相對稀疏些。此次建模一共80 662個單元、85 050個節(jié)點，開挖建模如圖2～圖4所示。

3.2 基坑水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力模擬結(jié)果分析

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

1)水平應(yīng)力分析見圖5。

2)豎向應(yīng)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(yīng)力不斷增加，一直開挖至基底時，各工況土體主應(yīng)力慢慢趨于穩(wěn)定。工況五的土體主應(yīng)力最大，最大值為2.38 MPa。

4 開挖過程數(shù)據(jù)監(jiān)控

結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件、支護(hù)類型、施工方法對地表沉降，支護(hù)樁頂部豎向位移，支護(hù)樁頂部水平位移，支撐軸力以及水位進(jìn)行全過程監(jiān)測，全方位監(jiān)測。保證在開挖支護(hù)施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，以監(jiān)測數(shù)據(jù)科學(xué)指導(dǎo)施工。在現(xiàn)場監(jiān)測過程中需對：坡頂?shù)乇碡Q向位移、坡頂豎向位移、坡頂水平位移、土釘內(nèi)力、支護(hù)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(hù)樁頂水平位移、地下水位進(jìn)行監(jiān)測，部分監(jiān)測結(jié)果如下：

現(xiàn)場監(jiān)測檢測過程中發(fā)現(xiàn)土體變形量均在可控范圍內(nèi)，再次驗證了以上優(yōu)化方案可行。

5 結(jié)語

在深基坑開挖和支護(hù)過程中要對施工現(xiàn)場土體變化情況，地下水位變化情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，周邊環(huán)境都要進(jìn)行實時監(jiān)控，保證基坑在開挖過程中的安全性和穩(wěn)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(zhì)量水平。