交叉处基坑施工方案(通过专家论证).docx

郑东新区综合交通枢纽区
地下道路工程与地铁1#线交叉节点
技术处理方案

郑州市市政工程勘测设计研究院
同济大学
2014年2月

目录
1 工程概况 1
1.1工程简介 1
1.1.1地下道路工程简介 1
1.1.2施工方案 3
1.2与郑州地铁1#线交叉情况 3
1.3工程地质 10
1.4气象与水文地质 13
1.4.1气象 13
1.4.2水文地质 13
1.5工程特点 14
2类似工程案例 16
2.1工程实例 16
2.1工程实例分析 19
2.2小结 22
3地下道路工程与地铁隧道控制标准 23
3.1地铁隧道及线路几何尺寸偏差管理值标准 23
3.2行车安全性评价指标 23
4地下道路隧道结构抗浮安全性分析 25
5基坑降水对地铁隧道及线路变形的影响 27
5.1降水引起的地面沉降计算 27
5.1.1计算方法 27
5.1.2降水引起的地面沉降计算 28
5.2降水引起的地铁隧道结构变形计算 29
5.3小结 31
6基坑开挖边坡支护方式研究 33
6.1钻孔灌注桩 33
6.1.1边坡稳定性分析 33
6.2放坡开挖 35
6.3小结 39
7基坑开挖施工对地铁隧道及线路变形的影响分析 40
7.1地基加固处理方案选择 40
7.1.1地基加固处理方案一 40
7.1.2地基加固处理方案二 41
7.2基坑开挖方案选择 42
7.3基坑开挖对地铁变形的影响分析 43
7.3.1未加固基坑开挖对地铁隧道的影响 43
7.3.2.方案一加固后基坑开挖对地铁隧道的影响 52
7.3.3.方案二加固后基坑开挖对地铁隧道的影响 62
7.3.4计算结果分析 72
7.4基坑开挖对列车运行的安全影响分析 75
8地下道路行车动力作用对地铁隧道结构的影响 78
8.1隧道周围土层动应力分析 78
8.1.1计算荷载 78
8.1.2断面选取 81
8.1.3有限元模型 82
8.2结构内力计算 84
8.2.1 管片内力计算理论 84
8.2.2隧道结构附加动荷载分析 86
8.2.3 管片内力 87
8.3小结 90
9交叉处地下道路建议施工措施 92
9.1基底加固方案 92
9.2基坑支护方案 96
9.3基坑开挖方案 96
9.4应急预案 102
10施工监测方案 103
10.1监测目的及意义 103
10.2监测方案编制依据 103
10.2.1国家相关规范 103
10.2.2参考技术资料 103
10.3监测要求 103
10.3.1监测范围 104
10.3.2监测项目及精度要求 104
10.4监测实施 104
10.4.1建立监测控制网 105
10.4.2监测点的布设 106
10.4.3监测方法与计算方法 108
10.4.4监测频率与监测周期 114
10.4.5监测报警值 115
10.4.6巡视检查 115
11主要结论与建议 117
12附件 119

1 工程概况
1.1工程简介
1.1.1地下道路工程简介
拟建地下道路工程位于郑东新区综合交通枢纽区核心区东广场，定位为周边区域与核心区地下停车设施的快捷联系通道，兼服务于郑州东站枢纽。服务对象以周边商务、办公、购物出行车辆为主，兼供通往商业的轻型货车。项目的建设将减少核心区地面车辆，营造洁净的地面环境，形成绿地、景观有机结合、统筹协调、功能完善、空间灵活的一体化空间。
地下道路工程主要由如下四部分组成：
主隧道：单向组织的环路系统（逆时针），中间2个车道为通行车道，两侧2个车道为进出地下车库的交通组织车道。采用单孔箱涵形式，结构净宽15.5米，局部结合交通及结构受力等因素，设置镂空中隔墙，墙宽0.8米，全长约2915米。
次隧道、街区隧道：连接与主隧道不相邻的车库，多布设于城市支路下方。次隧道共计三条（分别为A区隧道、B区隧道、C区隧道），均为单向组织的环路系统（顺时针），与主隧道相连，结构净宽12.25米，三条次隧道共计约2221米；街区隧道按双向组织交通，结构净宽8.5米。
连接隧道：为了解决车辆在单向主隧道运行时环圈绕行的问题，在主环中间增设的小环；连接隧道共计四条，单向单车道布置，结构净宽7.75米。
出入口匝道：为主隧道与地面道路连接。出入口匝道共计12条，结构净宽7.75米，全长约5629米。
郑东新区综合交通枢纽区地下道路工程平面示意图如图1.1所示。

图1.1 郑东新区综合交通枢纽区地下道路工程平面图
1.1.2施工方案
本工程全线拟采用放坡开挖，施工单位在开挖基坑前，应明确基坑周边的各类建（构）筑物及各类地下设施（包括排水箱涵、给排水管道、电力、电信及燃气等）的分布和现状。对于在基坑开挖范围的内各种管道，应按要求拆除、还建；在施工期间对不能拆的各类管道应进行保护，避免在施工过程中损坏。
1.2与郑州地铁1#线交叉情况
郑东新区综合交通枢纽区地下道路工程与地铁1号线共有4处交叉，平面交叉示意图见图1.2。
1号交叉点：主隧道主线在ZX0+000与地铁1#线正交，交叉平面详图见图1.3，交叉纵断面见图1.4，交叉横断面见图1.5。
2号交叉点：连接通道A、B在LA0+168处与地铁1#线正交，交叉平面详图见图1.6，交叉纵断面见图1.7，交叉横断面见图1.8。
3号交叉点：连接通道C、D在LC0+170附近与地铁1#线斜交，夹角约74°，交叉平面详图见图1.9，交叉纵断面见图1.10，交叉横断面见图1.11。
4号交叉点：主隧道主线在ZX1+650附近与地铁1#线斜交，夹角约33°，交叉平面详图见图1.12，交叉纵断面见图1.13，交叉横断面见图1.14。
交叉处主隧道为单孔箱涵结构，顶底板厚均为1.3m，交叉处主隧道结构详图见图1.15。
交叉处连接通道为双孔箱涵结构，顶底板厚0.8m，中墙0.5m，底板厚1.1m，交叉处连接通道详图见图1.16。

图1.2 交叉位置示意图

图1.3 1号交叉点平面详图

图1.4 1号交叉点纵断面图（1-1）

图1.5 1号交叉点横断面图（2-2）

图1.6 2号交叉点平面详图

图1.7 2号交叉点纵断面图（3-3）

图1.8 2号交叉点横断面图（4-4）

图1.9 3号交叉点平面详图

图1.10 3号交叉点纵断面图（5-5）

图1.11 3号交叉点横断面图（6-6）

图1.12 4号交叉点平面详图

图1.13 4号交叉点纵断面图（7-7）

图1.14 4号交叉点横断面图（8-8）

图1.15 ZX0+000、ZX1+650处隧道断面（适用于1、4号交叉点）

图1.16 连接通道标准横断面（适用于2、3号交叉点）
1.3工程地质
根据野外钻探揭露、静力触探原位试验结果，并结合室内土工试验成果，对场地土按岩性及力学特征分层后，分层描述如下：
第1层：粉土（Q4-3al），褐黄色，稍湿，稍密，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。表层有厚约30cm～80cm的耕植土（主要分布在拟建场地内耕地和林地地段）或素填土（主要分布在现动力北路、动力南路道路施工地段，为道路施工的素土或灰土碾压层），局部地段见极少量杂填土。土中含云母、铁质氧化物等。该层在场地内普遍分布。
第2层：粉土（Q4-3al），褐黄色，湿，稍密～中密，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。土中含云母片、锈色铁质浸染，偶见小姜石。该层粗颗粒较多，局部夹粉砂薄层。该层在场地内局部缺失。
第3层：粉质粘土（Q4-2l），褐灰～灰色，湿，可塑～软塑，无摇振反应，有光泽，干强度中等，韧性中等。土中含锈色铁质浸染、云母片，偶见小姜石，底部含蜗牛壳碎片。局部夹淤泥质土或粉土薄层。该层在场地内局部缺失。
第4层：粉土（Q4-2l），浅灰～灰色，稍湿～湿，中密～密实，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。土中含云母片、蜗牛壳碎片及小姜石。砂含量高，局部相变为粉砂。局部夹夹粉质粘土薄层。该层在场地内普遍分布。
第5层：粉质粘土（Q4-2l），灰色，饱和，可塑，无摇振反应，稍有光泽，干强度高，韧性高。土中含云母、蜗牛壳碎片及小姜石。局部见植物根系腐殖质。该层在场地内普遍分布。
第6层：粉土（Q4-2l），灰色，湿，密实，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。土中含云母片，偶见小姜石及蜗牛壳碎片。局部砂含量高。该层在场地内普遍分布。
第7层：有机质粉质粘土（Q4-2l），灰～灰黑色，层底局部渐变为黄褐色，饱和，软塑～可塑，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。土中含云母、蜗牛壳碎片、有机质及少量姜石，局部夹铁质氧化物及钙质斑点。该层在场地内普遍分布。
第7夹层：粉土（Q4-2l），灰色，湿，密实，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。土中含铁质氧化物、云母片和钙质结核。该层在场地内局部分布。
第8层粉砂（Q4-1al+pl），灰色，饱和，中密～密实，颗粒级配一般，分选中等，成份主要为长石、石英、云母等。层顶局部夹粉土。该层在场地内局部缺失。
第9层细砂（Q4-1al+pl），灰～灰黄色，饱和，密实，颗粒级配一般，分选中等，成份主要为长石、石英、云母等，局部夹有中砂。该层厚度大，分布稳定，性质稳定，在场地内普遍分布。
第10层粉质粘土（Q4-1al+ pl），褐黄色，饱和，硬塑～坚硬，稍有光泽，干强度高，韧性中等，无摇振反应，土中含有姜石、铁锰质结核，局部夹粉土薄层。该层在场地内局部缺失。
第11层细砂（Q4al+ pl），褐黄色，饱和，密实，颗粒级配一般，分选中等，主要成分为长石、石英、云母等，局部夹有中砂。该层厚度大，分布稳定，性质稳定，在场地内普遍分布。
第12层粉质粘土（Q3al），褐黄色～棕黄色，饱和，硬塑～坚硬，有光泽，干强度高，无摇振反应，韧性高，土中含铁锰质结核，土层粘性较大，上部含较多的姜石，局部地段姜石富集。在40米勘探深度范围内未揭穿该层，最大揭露厚度4.7米。
各土层物理力学参数见表1.1

表1.1 土层主要物理力学参数
层号
岩土名称
物 理 性 质 指 标
地基土承载力特征值
压缩 模量
渗透系数

天然含水量
天然重度
土
粒
比
重
孔
隙
比
饱
和
度
液限
塑限
塑性指数
液性指数
颗粒含量百分比
固快(峰值)
>
2
2
~
0.5
0.5
~
0.25
0.25
~
0.075
<
0.075
凝聚力
内摩擦角
W0
γ
Gs
e
Sr
WL
WP
IP
IL
mm
fak
Es0.1~0.2
Kv
c
φ
%
kN/m3
─
─
%
%
%
─
─
%
%
%
%
%
kPa
MPa
cm/s
kPa
°
1
粉土
20.1
17.3
2.70
0.819
77.0
26.1
17.8
8.3
0.35

1.2
12.1
86.7
120
7.1
(5.0E-04)
13
23
2
粉土
22.7
17.7
2.70
0.844
84.0
25.5
17.4
8.0
0.58

0.9
14.3
84.8
145
9.6
(7.5E-04)
13
25
3
粉质粘土
26.6
17.4
2.72
0.883
90.0
32.4
18.7
13.7
0.70

100
3.9
(8.0E-05)
17
12
4
粉土
22.6
18.2
2.70
0.840
84.0
26
17.6
8.1
0.60

0.8
8.7
90.4
150
10.2
(6.0E-04)
16.0
26.0
5
粉质粘土
26.1
18.0
2.72
0.845
92.0
33.3
19.3
14.0
0.49

110
4.2
(9.0E-06)
17.0
14.0
6
粉土
23.4
18.6
2.70
0.799
91.0
25.5
17.5
8.0
0.82

0.8
11.1
88.1
150
10.2
(1.0E-03)
16.0
27.0
7
有机质粉质粘土
28.0
18.2
2.72
0.840
96.0
34.8
20.1
14.7
0.61

120
4.6
(3.0E-06)
16.0
14.0
7夹
粉土
22.9
18.5
2.70
0.743
92.0
26.5
18.1
8.4
0.54

1.9
4.1
94.0
160
11.5
(1.2E-03)
18.0
25.0
8
粉砂

18.5

5.8
18.0

220
18.5
(5.5E-03)
4.0
29.0
9
细砂

18.8

1.3
8.2
37.2

260
23.0
(1.5E-02)
2.0
30.0
10
粉质粘土
17.7
18.5
2.72
0.685
84.0
33.8
19.3
14.6
<0

250
10.2

11
细砂

19.0

12.4
31.2

300
30.0

12
粉质粘土
22.9
19.0
2.73
0.676
92.0
36.1
21.0
15.1
0.03

280
11.3

1.4气象与水文地质
1.4.1气象
郑州市地处北温带，属大陆性季风气候，四季分明，干湿明显，春季干旱多风沙，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季干冷多风，雨雪稀少。郑州市的干燥度指数k值小于1.5，属湿润区。
（1）气温：年平均气温14.3℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-17.9℃，年最高气温多出现在7月和8月。
（2）降雨：年平均降雨量640mm，24小时降雨量多年平均值90mm，百年一遇24小时降雨量245mm，每年7、8、9三个月的降雨量是全年降雨量的55%。
（3）风向：冬季盛行西偏北，夏季盛行南偏东，春、秋季则交替出现；多年最大风速18m/s，年平均风速3.2m/s。
（4）季节性冻土：根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）附录F中国季节性冻土标准冻深线图，河南省范围季节性冻土标准冻深小于60厘米，郑州市季节性冻土最大冻深约27厘米，年平均地面结冰时间约为60天。
根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）附录G地基土的冻胀性分类，拟建场地地表土层为粉土（主要为耕植土，局部为杂填土），平均含水量20.1%，地下水位距离冻结面距离大于1.5米，平均冻胀率1.0＜η（%）≤3.5，冻胀等级为II类，冻胀类别为“弱冻胀”。
1.4.2水文地质
（1）地表水
郑州市市内的地表水属淮河流域、沙颖河水系，流经该市的天然河流主要有贾鲁河、贾鲁河支流、金水河、熊耳河、七里河。其中七里河从场地北侧约0.3km左右流过，其它河流离场地都较远，因此仅对七里河的水文情况进行叙述。
七里河：七里河源于新郑市龙湖镇。流经市区东南侧，穿航海路、郑汴路、东风东路、流经拟建场地北部、在拟建场地东北约1km处汇入东风渠，流域面积70.0km2，全长25km。该河主要负责市区东南部地区的泄洪、排洪任务及接纳沿河两岸的生活和工业废水。七里河市区段常年有水，水位在地面下3.0m左右，主要水源是上游补给。
根据野外踏勘结果，勘察期间七里河（场地附近段）的水位在地表下3.0米左右（绝对标高85.0米左右），河底与河渠两侧修筑有防渗堤坝，堤坝外目前潜水地下水位在地表下12.0米左右，由于七里河在场地周边范围内河底进行了防渗处理，所以一般情况下与两侧的地下水没有水力联系，仅在防渗失效的地段才会补给地下水。
（2）地下水
根据含水层的埋藏条件和水理特征，对本工程有影响的含水层主要有两层，即上部潜水层和下部承压水层：
潜水埋藏在10m以上Q4-3～Q4-2的粉土、粉质粘土层，主要赋存于粉土层中，为弱透水层；承压水埋藏在地面下14～38m之间，赋存于全新统下段Q4-1的粉细砂层中，该土层富水性好，水量丰富，属强透水层。潜水层与承压水层被第7层Q4-2灰～灰黑色有机质粉质粘土层隔开。
（3）地下水动态
1）潜水
场地内上部潜水水位主要受季节性降雨和周围基坑降水的影响，从7月中旬至10月上旬是每年地下水位丰水期，每年12月至来年2月为枯水期。由于受相邻场地基坑降水的影响，水位下降较深，勘察外业施工期间（2013年5月1日～14日），初见水位埋深约在现地面下5.2～9.6米左右，实测潜水稳定水位埋深约在现地面下6.9～10.6米左右（绝对高程77.05～74.66米），呈西低东高走势。
2）承压水
场地内承压水与上部潜水既保持各自的水理特征，又有一定的联系。承压水的补给来源主要有上部潜水越流补给和侧向径流补给，排泄主要是人工取水（包括基坑降水）。
勘察外业施工期间（2013年5月1日～14日），实测下部承压水稳定水位埋深约在现地面下11.9～13.1米（绝对高程71.78～73.38米）。而作为隔水层的第7层有机质粉质粘土的层底绝对高程在67.60～73.73米之间，所以，该部分承压水略具承压性。
1.5工程特点
（1）基坑开挖深度大
地下道路工程与地铁1#线1-4号四个交叉点处的基坑开挖深度分别为9.46m、10.39m、10.66m、11.87m，基坑开挖深度大；地下道路主隧道与连接通道宽度分别为18.1m、17.4m，隧道断面宽；基坑位于地铁1#线正上方，基坑地基加固及开挖支护对地铁1#线的干扰大；基坑开挖施工将对地铁1#线产生影响，可能导致地铁线路结构产生严重变形。
（2）地下道路与地铁隧道垂直距离较近
地下道路与地铁1#线1-4号四个交叉点处隧道垂直间距分别为2.54m、2.55m、2.79m、2.46m。坑底距离地铁隧道较近且基坑开挖卸荷比大，开挖施工易导致地铁隧道产生隆起变形，从而影响地铁1#线的行车安全。由于坑底距离地铁隧道顶部的距离近，地下道路建成通车后，存在与地铁隧道列车的动力相互影响。
2类似工程案例
随着城市建设项目数量的增多和规模的扩大，常常会出现基坑工程上跨已运营地铁隧道这一问题。深基坑开挖施工会导致下方地铁线路产生变形（包括管片结构的变形和轨道不平顺），当变形较大时，将会对隧道结构、列车行车安全产生很大的影响。
2.1工程实例
对于上跨已运行地铁区间隧道的基坑工程，由于基坑开挖会引起坑内土体的回弹，从而引起地铁区间隧道的上抬变形，如何准确预测和治理地铁隧道上抬变形便成为急需解决的问题。
目前，国内已有类似的工程案例，但是在粉土地区尤其是郑州地区尚属首例。我们对类似工程进行了大量的调研工作，工程实例见表2.1。

表2.1国内类似工程实例调研结果汇总表
工程名称
基坑尺寸
隧道与基坑位置关系
控制措施
地层特点
效果
长度（m）
宽度（m）
开挖深度（m）
基底距隧顶（m）
卸荷范围内隧道长度（m）
相对位置
上海东方路下立交工程
51
18.1
6.3
2.6
2.6
斜穿基群，与宽度方向近似成45°斜交
基坑围护结构采用SMW工法桩；旋喷桩和SMW工法坑内满堂加固；分层、分小段、分条幅开挖、及时堆载。
底板标高和盾构隧道都位于灰色淤泥质粉质粘土层
下行线最终隆起12.25mm，上行线最终隆起11.79mm。
上海雅居乐国际广场
110
42/52
4.9
3.55
110
横穿整个基坑，近似平行于浅坑长边
基坑围护结构采用SMW工法桩；SMW工法桩满堂加固，形成“门”字型加固体；分层、分小段对称开挖
底板，盾构都位于3层灰色淤泥质粘土
隧道变形一直控制在规定的日变形量不超过0.5mm、累计变形量不超过10mm范围内。
上海广场基坑工程
120
80
6.9
7.7
150
对角斜穿整个基坑
围护结构采用地下连续墙；坑内采用深层搅拌桩格栅式加固；分区分块开挖
底板标高和盾构隧道都位于灰色淤泥质粉质粘土层
隧道上方基坑开挖过程中上、下行线分别发生了约20mm及15mm左右的上抬变形
上海新金桥广场基坑工程
130
38
5
4
40
与长度方向约成70角
SMW工法作为围护；坑内采用三轴水泥土搅拌桩进行全面加固
底板标高和盾构隧道都位于灰色淤泥质粉质粘土层中
整个开挖过程隧道隆起约2.2mm
南京市龙蟠路隧道工程
260
12.8
7.8
2.15
15
沿南北向成70°斜穿整个基坑
围护结构为钻孔咬合桩结合钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕；坑内高压旋喷桩满堂加固；分层、抽条对称开挖
底板标高和盾构部位都位于3层灰色淤泥质粉质粘土
底板完成后左线隆起位移值稳定在为3.2mm，右线为5.5mm
杭州金沙湖绿轴下沉广场工程
22.5
50
5.3
3.28

横穿整个基坑
采用三轴搅拌桩进行基坑内地基满堂加固，对地铁隧道形成门式加固保护；1:1.0放坡开挖，坑内分块、分层开挖
底板和盾构隧道都位于砂质粉土层中
左线隧道和右线隧道上核心区域监测点最大竖向位移分别为4.8mm和7.9mm，均满足累计变形标准

2.1工程实例分析
与本工程实际情况相比较，表2.1中各案例的工程地质条件更为不利，多以淤泥质粉质粘土为主。其中上海东方路下立交工程、南京市龙蟠路隧道工程中基底与盾构隧道的间距与本工程最为接近，在采取合理的基底加固和边坡防护形式且进行分条开挖后，盾构隧道的变形量都能够控制在合理的范围内。
而杭州金沙湖绿轴下沉广场工程基坑开挖范围内的土层相对较好，与郑州的地质条件较为接近，也采用放坡形式进行，且在基坑开挖后盾构隧道变形量控制在合理范围内，现对杭州金沙湖绿轴下沉广场工程的设计与施工情况进行详细分析。
（1）工程概况
金沙湖绿轴下沉广场工程位于杭州经济技术开发区规划金沙湖北侧的九沙大道下及其两侧。九沙大道为快速路，本工程为沟通九沙大道两侧地块的下穿九沙大道的人行交通工程。绿轴下沉广场面积为12053m2，基坑开挖深度约为5.25m，基底(素砼垫层底)距离杭州地铁1#线左线隧道顶3.17m，距离右线隧道顶4.33～5.98m，开挖阶段隧道最小覆土约为0.5 倍洞径。基坑影响深度范围内的土层为填土、粘质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土等。本工程基坑开挖面基本处于粉砂中，该层土透水性强，在高水位条件下易引起流砂、管涌，从而导致边坡失稳。
（2）变形控制措施
为了减少绿轴下沉广场施工期间对现有地铁区间隧道的影响，采取如下控制措施：
1）围护方案采用1：1.0比例放坡开挖；
2）基坑开挖前用水泥土搅拌桩加固隧道顶部的土体，减少基坑卸土后的回弹量，再把地下潜水降至结构底板下-1m，详见图2.1；
3）对隧道内部进行米字型钢构加固，加强隧道整体性，详见下图2.2；
4）采用分段槽挖施工，槽挖宽度不宜大于7.5m，开挖到位后及时浇筑垫层，并紧随施做底板，浇筑一段底板砼后再施做下道工序，详见图2.3；
5）施工期间对隧道内部及土体进行24 小时连续监测，动态分析隧道的安全性。

图2.1 土体加固典型断面图

图2.2 隧道内部加固典型断面图

图2.3 施工工序图
（2）控制效果
在基底加固、降水施工、基坑分条开挖、上部结构施工的整个过程中，左线隧道和右线隧道上核心区域监测点最大竖向位移分别为4.8mm和7.9mm，均能够满足累计变形控制标准（竖向和水平向位移不超过10mm）
2.2小结
以上成功的基坑工程案例的显著特点如下：
（1）深大基坑空间效应小，基底变形控制难度大，覆土需要一定保证，才能确保盾构隧道安全。
（2）类似工程均有开挖面积大、覆土浅的特点，务必分层、分段、分块、限时开挖，最大限度减小对盾构隧道的影响范围。
（3）在采用的加固措施中门式加固方案的加固效果较好。
在已建地铁隧道上方进行基坑开挖，土方开挖最大的难点在于控制基坑底部的隧道回弹，开挖过程中运用时空效应原理即在软土地基基坑开挖过程中，合理安排开挖土方的尺寸，尽量减小每步开挖无支护的暴露时间，严格按照“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”开挖基坑，从而控制隧道回弹隆起。
郑东新区综合交通枢纽区地下道路工程与地铁1#线交叉处工程实际情况与杭州金沙湖绿轴下沉广场工程相类似，总结杭州金沙湖绿轴下沉广场工程的成功经验结合本工程的实际特点，建议对基坑底部一定范围内的土体采用三轴水泥搅拌桩进行满堂加固，采用放坡形式进行抽条开挖。

3地下道路工程与地铁隧道控制标准
3.1地铁隧道及线路几何尺寸偏差管理值标准
根据郑州市轨道交通有限公司提交的《关于郑东新区综合交通枢纽地下道路与地铁1号线交叉施工的函》复函，地铁隧道及线路几何尺寸偏差管理值标准说明如下：
建议监测标准：
隧道变形监测水平位移和沉降控制标准为10mm，隆起控制标准为5mm，收敛控制标准为10mm。
道床及结构沉降量不大于10mm；相邻两根钢轨高程相差不大于4mm；相邻两根轨道轨距变化范围+6mm至-2mm；10米弦长轨面高差不大于4mm。
3.2行车安全性评价指标
列车运行安全性在机车车辆动力学上是通过脱轨系数、轮重减载率等几个参数来评定的。
(1)脱轨系数
评定防止车轮脱轨稳定性的指标为“脱轨系数”。脱轨系数定义为轮对一侧车轮的侧向压力Q1(或Q2)与动轮重P1(或P2)之比，记作Q/P。

图3.1 轮对脱轨时的作用力示意图
由图3.1所示的轮轨之间的作用力，由此可导出车轮脱轨的临界状态为：

脱轨系数的极限值与车轮的轮缘角和轮缘与钢轨之间的摩擦系数有关。我国国家标准《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范（GB5599—85）》规定的车辆脱轨系数安全指标为：
Q／P＝1.2 危险限度
Q／P＝1.0 容许限度
脱轨系数不超过“危险限度”是安全的，不超过“容许限度”是希望达到的。这两个限度指标一般适用于低速脱轨的情况。
我国铁道部标准《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》(TB／T—2360—93)规定的机车脱轨系数安全指标为：
Q／P＝0.6 优
Q／P＝0.8 良
Q／P＝0.9 合格
我国客运专线及提速线路动力分析中，列车的脱轨安全性评判标准采用
Q／P≤0.8
(2)轮重减载率
轮重减载率定义为轮对的垂向压力差与动轮重之比，记作。我国国家标准GB5599—85规定的车辆轮重减载率安全指标为：
=0.65 危险限度
=0.60 容许限度
车辆在高速运行过程中，当车轮在振动过程向上运动时，轮重减小，这时即使横向力很小（甚至没有），也有可能与车轮发生横向相对位移而发生脱轨。

4地下道路隧道结构抗浮安全性分析
地下道路工程隧道部分埋藏于地下潜水位以下，在进行结构设计时要考虑结构的抗浮稳定性。
《建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）》对地下结构物的抗浮稳定性提出了要求，并给出了地下结构物的抗浮稳定性计算方法。
对于如图4.1所示的地下结构，令地下结构单位长度的自重为W，宽度为B，高度为H，底板埋深为h，地下水位与地表的距离为d。
令γp为结构的平均重度，即
（4.1）
地下结构底板处土层所受到的总应力为
（4.2）
地下结构底板处的孔隙水压力为
（4.3）
底板处土层的有效应力为
（4.4）
因为土层不能承受拉应力，且抗浮稳定性需满足一定的安全要求，故有
（4.5）
为扬压力系数（饱和粉土及砂性土中一般取1）。

图4.1 地下结构抗浮稳定性分析
根据郑东新区综合交通枢纽地下道路工程一期（主隧道、连接隧道工程）岩土工程勘察报告中提供的水文地质资料显示，近3～5年的地下水最高水位在现自然地表下约2.0米（绝对标高约83.5米），设计基准期内抗浮设计水位可按现自然地表下0.5米（绝对标高约85.0米）考虑。
地下道路隧道运营阶段汽车荷载对结构的抗浮稳定性有利，因此抗浮计算过程中未考虑汽车车辆荷载，采用上述方法对四个交叉点的抗浮稳定性进行验算，计算结果如表4.1所示。
表4.1 运营阶段地下道路工程抗浮稳定性分析

交叉点1
交叉点2
交叉点3
交叉点4
道路底板埋深（m）
11.15
10.39
10.65
12.3
计算水位埋深（m）
0.5
0.5
0.5
0.5
底板处孔隙水压力
（kPa）
106
99
101
118
上覆土厚度（m）
4.38
4.59
4.86
5.78
上覆土产生的有效应力（kPa）
35
37
39
46
结构自重产生的应力（kPa）
86
70
70
86
隧道底板处土层所受应力（kPa）
121
107
109
132
抗浮稳定性系数
1.14
1.08
1.08
1.12
稳定性评价
满足规范中
大于1.05的要求
满足规范中
大于1.05的要求
满足规范中
大于1.05的要求
满足规范中
大于1.05的要求
由计算结果可知，运营期隧道满足抗浮要求，即隧道不产生回弹隆起问题，所以无需对地下道路隧道结构采取抗浮措施（例如在道路隧道下方增加抗拔桩）。
5基坑降水对地铁隧道及线路变形的影响
工程地质勘察期间实测潜水稳定水位埋深约在现地面下6.9～10.6米左右，高于基坑坑底标高，因此在基坑开挖施工前应进行基坑降水。
5.1降水引起的地面沉降计算
5.1.1计算方法
基坑降水引起的地基土固结变形分析，《基坑工程手册》（同济大学侯学渊，刘国彬教授及刘建航院士等编写）中给出了降水引起的地面沉降计算方法。
对于粉土与砂性土层，土层的透水性能良好，短时间内即可固结完成，无需考虑滞后效应，可采用弹性变形公式计算。一维固结计算公式为：
（5.1）
式中：
s——砂层的变形量（m）；
——水的重度（kN/m3）；
——水位变化值（m）；
——砂层的压缩模量（kPa）。
在降水期间，降水面以下的土层通常不可能产生较明显的固结沉降量，而降水面至原始地下水面的土层因排水条件好，将会在所增加的自重应力条件下很快产生沉降。通常降水引起的地面沉降以这一部分沉降量为主，因此可用下列简易方法估算降水所引起的沉降值：
（5.2）
式中：
——降水深度，为降水面和原始地下水面的深度差（m）；
——降水产生的自重附加应力（kPa），，可取计算；
——降水深度范围内土层的压缩模量（kPa），可查阅土工试验资料或地区规范。
5.1.2降水引起的地面沉降计算
岩土工程勘察报告中提供4个交叉点处的实测地下水位埋深、道路隧道底板标高见表5.1，考虑基坑开挖时地下水位需满足低于基坑底板1m的要求，从而可以根据地下水位埋深和道路底板标高确定基坑降水深度。
表5.1地下水位情况及基坑降水深度
交叉点号
1号交叉点
2号交叉点
3号交叉点
4号交叉点
实测地下水位高程（m）
-10.44
-9.7
-7.9
-8.4
道路隧道
底板标高（m）
-9.46
-9.63
-10.66
-11.87
基坑开挖
控制水位（m）
-10.46
-10.63
-11.66
-12.87
降水深度（m）
降水较浅
降水较浅
3.76
4.47
从表5.1可知1、2#交叉点处降水深度较小，可以忽略基坑降水引起的地表沉降；选取3、4号交叉点进行分析，计算降水引起的地面沉降，计算结果分别见表5.2、5.3。
表5.2 3号交叉点降水引起的地面沉降
土层
土层厚度/m
压缩模量/Mpa
分层沉降Si/mm
总沉降S/mm
粉土4
0.5
10.2
0.0613
1.802
粉质粘土5
1.2
4.2
0.938
粉土6
1.5
10.2
0.551
有机质粉
质粘土土7
0.67
4.6
0.251

表5.3 4号交叉点降水引起的地面沉降
土层
土层厚度/m
压缩模量/Mpa
分层沉降Si/mm
总沉降S/mm
粉质粘土5
0.47
4.2
0.263
4.756
粉土6
1.2
10.2
0.353
有机质粉
质粘土土7
2.76
4.6
4.14

由计算结果可知，由于地下水位埋藏较深，基坑降水深度小，降水引起的地面沉降较小，基本保持在0-5mm范围内。
5.2降水引起的地铁隧道结构变形计算
本工程各土层渗透系数值见表5.4。
表5.4各层土渗透系取值(cm/s)
层号
1
2
3
4
5
建议值
5.0×10-4
7.5×10-4
8.0×10-6
6.0×10-4
9.0×10-6
层号
6
7
7夹
8
9
建议值
1.0×10-6
3.0×10-6
1.2×10-3
5.5×10-3
1.5×10-2
采用有限元软件进行模拟分析，建立模型如图5.1所示。模型中土体采用硬化模型，隧道采用板单元结构，各层土的渗透系数取值与表5.4相同，综合4个交叉点处的地下水位与基坑开挖深度，考虑最不利因素，初始潜水位取地表以下7m，地下水位降低5m，即降至地表以下12m，降水范围为隧道上方基坑开挖范围向外扩大10m。

图5.1 计算模型图
基坑降水后地表及各土层变形云图如图5.2、5.3所示，基坑中心处沿深度方向降水引起的沉降量如图5.4所示，地铁隧道沿道路隧道横断面方向的沉降量如图5.5所示，从图中可以看出降水面以上土体由于有效应力的增加，发生了较大压缩变形，地表最大沉降为15.8mm，而降水面以下土层的压缩变形量较小。

图5.2 降水引起的沉降云图

图5.3 基坑中心剖面沉降云图

图5.4 沿深度方向的沉降量

图5.5 沿地下道路隧道横断面方向的沉降量
地铁隧道的沉降变形图如图5.6、5.7所示，基坑降水引起的地铁隧道最大沉降量为4.7mm。

图5.6地铁隧道变形示意图

图5.7地铁隧道变形云图
5.3小结
本节采用基坑工程手册中降水引起地面沉降的经验算法计算了降水引起的地面沉降，由分析结果可知，本工程基坑降水至坑底以下1m引起的地面沉降量课控制在5mm以内，虽然手册中没有给出降水面以