濟南地鐵豎井施工設計變更模擬分析

李 強

(中鐵十八局集團第三工程有限公司 ，河北 涿州 072750)

地鐵建設隨著城市化進程的飛速發展而不斷加快，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鍵部分，施工難度更大。以濟南某地鐵車站豎井工程為例，由于當地土層狀況和施工條件限制，需對原設計方案進行更改，從而導致豎井施工的風險加劇。針對工程設計變更，多采用數值模擬的方法進行分析，對比變更前后的位移、應力等參量變化，可更直觀地反映工程竣工后各部位的應力狀況。因此，本文采用邁達斯推出的一款針對巖土領域研發的專業有限元分析軟件MIDASGTS-NX（可支持靜力、動力、滲流、應力-滲流耦合、固結、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律及第一層鋼支撐的軸力變化規律，得出變更后施工方案可滿足安全要求。

1 工程設計方案

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 原設計方案

豎井工程施工采用明挖法，安全等級為一級。圍護結構采用1200 mm@950 硬咬合樁+內支撐方案，圍護柱樁底深入風化白云巖層(無溶洞)中不應小于2.5m，且樁底以下的厚度不應小于3.6m。內支撐采用一道砼支撐加兩道鋼支撐，基底及墻底位于中風化白云巖層。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 變更后設計方案

由于施工場地狹小，經多次與交警部門協商，只能利用道路之間狹長地帶作為施工場地，不利于大型設備的施工。因此，將豎井基坑圍護結構由原設計“咬合樁+內支撐”方案變更為“明挖+格柵支護體系”方案，具體示意見圖1（b）。內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，噴射混凝土設計厚度為30cm，本豎井未設計鋼筋網片，錨桿布置如圖2（b）所示。

圖1 豎井支撐結構剖面

圖2 格柵布置大樣

2 數值模擬

2.1 數值模型及模型參數

以豎井為依托，取模型長100m、寬35m、深50m。采用摩爾庫倫破壞準則，根據等效剛度原則，將排樁換成厚為0.2m 的地下連續墻。采用自由劃分的方式對網格進行劃分。

根據現場勘察，將施工區土層分為第四系人工填土層、第四系全新統殘破積層以及二疊系下統陽新組下統三個地層單元。相應土層分別為索填土、粉質黏土和白云巖。

2.2 模型驗證

根據兩種方案的施工工藝，設置模型的分析步驟，變更前設置支護樁分三層開挖，隨挖隨支護。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 號節點與實測監測點( DBC2-2)對比模擬結果和實測結果（見圖3）。

由圖3 可知，模型開挖數據和實測數據基本吻合。基坑開挖在前7 層深度（對應變更前開挖3 m 深度時監測點沉降）時，三種工況的幅值接近，幾乎呈線性增加；當開挖第7-14 層時沉降曲線出現波動。從曲線圖可知設計變更后的累計沉降值最大，為2.57cm，比實測值增大0.02cm。誤差在接受范圍，因此可使用本模型模擬實際工況開挖。

圖3 監測點對比

2.3 三維數值模擬結果

通過用MIDAS 數值軟件分別模擬原設計方案和現設計方案，并提取兩種設計方案下連續墻的側向位移云圖（見圖4、5）可知，墻體的側向位移基本一致，設計變更后的側向位移略大0.6mm。可見變更后連續墻仍能很好地滿足工程安全的要求。

對變更后豎井的第一層鋼支撐進行軸力分析，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 層時鋼支撐軸力曲線隨之波動，但整體呈緩慢下降趨勢，其幅值變化也相對較小；當開挖第2-3 層時軸力發生較大波動，波動幅值為130kN；當開挖第3-7 層時，軸力幅值呈單調遞減趨勢；當開挖后幾層時，軸力幅值波動下降，軸力平均幅值為650kN 左右；當開挖最后兩層時，軸力穩定在610kN。

圖4 變更后連續墻位移云圖

圖5 變更前連續墻位移云圖

圖6 第一層鋼支撐軸力

圖7 第一層鋼支撐軸力曲線

3 現場監測

為保證地鐵豎井安全開挖，需對豎井及周邊地表進行監測，防止豎井施工引起的附加沉降過大。開挖時旁邊道路正常通行，因此應加強整井一側道路的地表監測。

3.1 監測點布置

本文主要選取豎井一側道路的地表沉降用來驗證數值模型的合理性。測點布置按近豎井間距小的規律進行布設（見圖8）。

圖8 地表監測點布置

3.2 實測結果分析

采用全站儀對道路進行監測，監測周期隨開挖地進行越加頻繁（見圖9）。可知隨著地鐵豎井的開挖，一側的道路地表累計沉降逐漸變大，且靠近豎井側的監測點幅值相對其他監測點值較大，從側面驗證了測量結果的合理性。從開挖開始到結束，地表沉降值始終在警戒值±2.5cm 之間，最大幅值達2.2cm。

圖9 地表沉降曲線

3.3 對比分析

分別選取兩個模型與現場實測點相對應的節點進行對比分析（如圖10 所示），可知變更前地表累計沉降略小于變更后，且都和實測值相接近。模擬結果表明：變更后的豎井施工符合工程安全要求，且變更前后各項指標相差不大。

4 結語

圖10 三工況下各監測點累計沉降

采用現場實測和數值模擬相結合方法對濟南地鐵豎井設計變更進行模擬分析，得出如下結論：

（1）隨著地鐵豎井的開挖，豎井一側的地表監測點沉降遠離豎井累計沉降幅值小，靠近豎井累計沉降幅值較大。（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2.57 cm，但未超安全范圍。（3）開挖第1-17 層時，其鋼支撐軸力曲線隨之波動，但整體呈緩慢下降趨勢，幅值變化相對較小。