濟(jì)南地鐵豎井施工設(shè)計(jì)變更模擬分析

李 強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 ，河北 涿州 072750)

地鐵建設(shè)隨著城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展而不斷加快，其修建過程中遇到的難題也越來越多，其中豎井工程作為地鐵隧道的關(guān)鍵部分，施工難度更大。以濟(jì)南某地鐵車站豎井工程為例，由于當(dāng)?shù)赝翆訝顩r和施工條件限制，需對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更改，從而導(dǎo)致豎井施工的風(fēng)險(xiǎn)加劇。針對(duì)工程設(shè)計(jì)變更，多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，對(duì)比變更前后的位移、應(yīng)力等參量變化，可更直觀地反映工程竣工后各部位的應(yīng)力狀況。因此，本文采用邁達(dá)斯推出的一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的專業(yè)有限元分析軟件MIDASGTS-NX（可支持靜力、動(dòng)力、滲流、應(yīng)力-滲流耦合、固結(jié)、施工階段等分析），研究了地鐵豎井施工方案變更后影響，分析了豎井周圍土層的沉降規(guī)律及第一層鋼支撐的軸力變化規(guī)律，得出變更后施工方案可滿足安全要求。

1 工程設(shè)計(jì)方案

某地鐵站地鐵豎井基坑凈長25 m、凈寬8.1m、深約22.85m，頂板覆土厚度約4.85m，豎井周邊無重要控制性建筑及管線。

1.1 原設(shè)計(jì)方案

豎井工程施工采用明挖法，安全等級(jí)為一級(jí)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1200 mm@950 硬咬合樁+內(nèi)支撐方案，圍護(hù)柱樁底深入風(fēng)化白云巖層(無溶洞)中不應(yīng)小于2.5m，且樁底以下的厚度不應(yīng)小于3.6m。內(nèi)支撐采用一道砼支撐加兩道鋼支撐，基底及墻底位于中風(fēng)化白云巖層。砼支撐和兩道鋼支撐之間的距離均為7.5m。具體示意見圖1（a）。

1.2 變更后設(shè)計(jì)方案

由于施工場地狹小，經(jīng)多次與交警部門協(xié)商，只能利用道路之間狹長地帶作為施工場地，不利于大型設(shè)備的施工。因此，將豎井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由原設(shè)計(jì)“咬合樁+內(nèi)支撐”方案變更為“明挖+格柵支護(hù)體系”方案，具體示意見圖1（b）。內(nèi)支撐采用一道砼支撐+十七道型鋼支撐，鎖口梁為1500mm×1200 mm，基坑豎向采用十八道支撐，第一道支撐采用400mm×600mm 砼支撐，支撐平均水平間距為5m，第二～十八道支撐采用25b 型鋼支撐，鋼牌號(hào)為Q345b，平均水平間距5m，鋼支撐與型鋼格柵相連，格柵布置見圖2（a），第二～九道鋼支撐豎向間距為0.5m，第九～十一道鋼支撐豎向間距為1m，第十一～十八道鋼支撐豎向間距為2m。豎井初支采用砂漿錨桿+型鋼格柵，噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度為30cm，本豎井未設(shè)計(jì)鋼筋網(wǎng)片，錨桿布置如圖2（b）所示。

圖1 豎井支撐結(jié)構(gòu)剖面

圖2 格柵布置大樣

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型及模型參數(shù)

以豎井為依托，取模型長100m、寬35m、深50m。采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，根據(jù)等效剛度原則，將排樁換成厚為0.2m 的地下連續(xù)墻。采用自由劃分的方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，將施工區(qū)土層分為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)殘破積層以及二疊系下統(tǒng)陽新組下統(tǒng)三個(gè)地層單元。相應(yīng)土層分別為索填土、粉質(zhì)黏土和白云巖。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)兩種方案的施工工藝，設(shè)置模型的分析步驟，變更前設(shè)置支護(hù)樁分三層開挖，隨挖隨支護(hù)。施工工藝變更后，分17 層開挖，移除土體后馬上添加鋼支撐。選取模型中1255 號(hào)節(jié)點(diǎn)與實(shí)測監(jiān)測點(diǎn)( DBC2-2)對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果（見圖3）。

由圖3 可知，模型開挖數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合?；娱_挖在前7 層深度（對(duì)應(yīng)變更前開挖3 m 深度時(shí)監(jiān)測點(diǎn)沉降）時(shí)，三種工況的幅值接近，幾乎呈線性增加；當(dāng)開挖第7-14 層時(shí)沉降曲線出現(xiàn)波動(dòng)。從曲線圖可知設(shè)計(jì)變更后的累計(jì)沉降值最大，為2.57cm，比實(shí)測值增大0.02cm。誤差在接受范圍，因此可使用本模型模擬實(shí)際工況開挖。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)對(duì)比

2.3 三維數(shù)值模擬結(jié)果

通過用MIDAS 數(shù)值軟件分別模擬原設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，并提取兩種設(shè)計(jì)方案下連續(xù)墻的側(cè)向位移云圖（見圖4、5）可知，墻體的側(cè)向位移基本一致，設(shè)計(jì)變更后的側(cè)向位移略大0.6mm?？梢娮兏筮B續(xù)墻仍能很好地滿足工程安全的要求。

對(duì)變更后豎井的第一層鋼支撐進(jìn)行軸力分析，得出如圖6 所示的第一層鋼支撐軸力云圖，可知第一層鋼支撐待豎井開挖完成后的最大軸力為610kN。提取第一層鋼支撐在各層開挖后的最大軸力如圖7 所示，可知從開挖第1-17 層時(shí)鋼支撐軸力曲線隨之波動(dòng)，但整體呈緩慢下降趨勢(shì)，其幅值變化也相對(duì)較??；當(dāng)開挖第2-3 層時(shí)軸力發(fā)生較大波動(dòng)，波動(dòng)幅值為130kN；當(dāng)開挖第3-7 層時(shí)，軸力幅值呈單調(diào)遞減趨勢(shì)；當(dāng)開挖后幾層時(shí)，軸力幅值波動(dòng)下降，軸力平均幅值為650kN 左右；當(dāng)開挖最后兩層時(shí)，軸力穩(wěn)定在610kN。

圖4 變更后連續(xù)墻位移云圖

圖5 變更前連續(xù)墻位移云圖

圖6 第一層鋼支撐軸力

圖7 第一層鋼支撐軸力曲線

3 現(xiàn)場監(jiān)測

為保證地鐵豎井安全開挖，需對(duì)豎井及周邊地表進(jìn)行監(jiān)測，防止豎井施工引起的附加沉降過大。開挖時(shí)旁邊道路正常通行，因此應(yīng)加強(qiáng)整井一側(cè)道路的地表監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

本文主要選取豎井一側(cè)道路的地表沉降用來驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性。測點(diǎn)布置按近豎井間距小的規(guī)律進(jìn)行布設(shè)（見圖8）。

圖8 地表監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2 實(shí)測結(jié)果分析

采用全站儀對(duì)道路進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期隨開挖地進(jìn)行越加頻繁（見圖9）?？芍S著地鐵豎井的開挖，一側(cè)的道路地表累計(jì)沉降逐漸變大，且靠近豎井側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)幅值相對(duì)其他監(jiān)測點(diǎn)值較大，從側(cè)面驗(yàn)證了測量結(jié)果的合理性。從開挖開始到結(jié)束，地表沉降值始終在警戒值±2.5cm 之間，最大幅值達(dá)2.2cm。

圖9 地表沉降曲線

3.3 對(duì)比分析

分別選取兩個(gè)模型與現(xiàn)場實(shí)測點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析（如圖10 所示），可知變更前地表累計(jì)沉降略小于變更后，且都和實(shí)測值相接近。模擬結(jié)果表明：變更后的豎井施工符合工程安全要求，且變更前后各項(xiàng)指標(biāo)相差不大。

4 結(jié)語

圖10 三工況下各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降

采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合方法對(duì)濟(jì)南地鐵豎井設(shè)計(jì)變更進(jìn)行模擬分析，得出如下結(jié)論：

（1）隨著地鐵豎井的開挖，豎井一側(cè)的地表監(jiān)測點(diǎn)沉降遠(yuǎn)離豎井累計(jì)沉降幅值小，靠近豎井累計(jì)沉降幅值較大。（2）施工方案變更后，各開挖層的沉降幅值相比其他兩種工況的幅值較大，達(dá)2.57 cm，但未超安全范圍。（3）開挖第1-17 層時(shí)，其鋼支撐軸力曲線隨之波動(dòng)，但整體呈緩慢下降趨勢(shì)，幅值變化相對(duì)較小。