穿江地鐵中間風(fēng)井對防洪堤的結(jié)構(gòu)影響分析

黃梅瓊

（福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001）

1 引言

近年來，隨著地鐵工程在我國的快速發(fā)展，很多城市都已經(jīng)形成了發(fā)達(dá)的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于很多城市有河流穿城而過，因此，出現(xiàn)了很多穿江地鐵。當(dāng)?shù)罔F跨江區(qū)間長度較大的時(shí)候，就要在江岸設(shè)置中間風(fēng)井，以滿足地鐵通風(fēng)和疏散出入口的要求。這些風(fēng)井基坑往往尺寸大，距離防洪堤近，風(fēng)井基坑降水和開挖會(huì)使浸潤線和原地層受力平衡發(fā)生變化，影響附近防洪堤結(jié)構(gòu)安全，因此，在風(fēng)井基坑施工過程中，除了要考慮基坑自身的穩(wěn)定外，還要確保周邊防洪堤的安全。

2 工程實(shí)例

福州地鐵2 號線沿城市東西向發(fā)展副軸布置，其中厚庭站～橘園洲站區(qū)間全長約2600 m，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間風(fēng)井位于烏龍江防洪堤與快速三環(huán)中間，平面成長方形，風(fēng)井基坑沿線路方向凈長為16.3 m，凈寬為24.2 m，基坑開挖總深度為41.6 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1200 mm 厚地下連續(xù)墻，采用明挖法施工，風(fēng)井主要施工步驟為圍護(hù)墻施工、基坑開挖、地下水處理。風(fēng)井工程區(qū)域的防洪堤堤型為砂堤，已建成運(yùn)行十幾年，防洪堤堤頂寬度為6.0 m，迎水面坡度為1∶3.5，背水面邊坡為1∶3.0，最大堤高8.0 m，防洪堤建筑物級別為二級。風(fēng)井地下連續(xù)墻外側(cè)與該段防洪堤堤腳的距離僅為2.80 m～9.76 m，風(fēng)井施工期有可能影響防洪堤的安全，因此，需進(jìn)行福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區(qū)間風(fēng)井工程對防洪堤的結(jié)構(gòu)影響研究。

防洪堤與穿江地鐵中間風(fēng)井的平面布置和剖面見圖1 和圖2。

圖1 防洪堤與風(fēng)井的平面布置圖

圖2 防洪堤與風(fēng)井的典型剖面示意圖

2.1 計(jì)算模型

為研究穿江地鐵中間風(fēng)井對防洪堤的結(jié)構(gòu)影響，利用ANSYS 有限元軟件對防洪堤、風(fēng)井、河道及周邊土體進(jìn)行整體三維建模，模型以下游河道側(cè)邊界點(diǎn)的羅零高程0.00 m 為原點(diǎn)，X 向以指向河道左岸為正，Y 向以指向上游為正，Z 向以垂直向上為正，坐標(biāo)系滿足右手螺旋[1]。厚庭站～橘園洲站區(qū)間風(fēng)井有限元模型見圖3。模型采用三維8 節(jié)點(diǎn)六面體和10 節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行離散，模型離散網(wǎng)格共297933 個(gè)節(jié)點(diǎn)，218423 個(gè)單元，模型有限元網(wǎng)格劃分見圖4。

圖3 區(qū)間風(fēng)井有限元結(jié)構(gòu)模型

圖4 模型有限元網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算參數(shù)

福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區(qū)間風(fēng)井對防洪堤的結(jié)構(gòu)影響研究區(qū)域內(nèi)的巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.3 計(jì)算方法

研究通過計(jì)算模型自重、疊加初始應(yīng)力場、模擬風(fēng)井基坑連續(xù)墻施工、基坑降水以及基坑開挖，分析在外江設(shè)計(jì)洪水位作用下，基坑施工對堤防的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響。

（1）土體本構(gòu)模型：風(fēng)井對防洪堤的結(jié)構(gòu)分析研究采用ANSYS 提供的Drucker-Prager 巖土類材料的彈塑性本構(gòu)模型，此材料模型適用于混凝土、巖石和土壤等顆粒狀材料。

表1 研究區(qū)域巖土物理力學(xué)參數(shù)

（2）初始應(yīng)力場：初始應(yīng)力場指的是風(fēng)井即將施工時(shí)的應(yīng)力場，是工程設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。具體為先在彈性范圍內(nèi)單獨(dú)對模型施加重力荷載，計(jì)算得到初始應(yīng)力場并將各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力寫成一個(gè)初始應(yīng)力文件；然后重新開始分析，將之前得到的初始應(yīng)力文件讀入，作為荷載施加到模型上，最后進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

（3）滲透壓力：凡有滲透就有滲透力，有限元法計(jì)算滲透壓力荷載是用溫度荷載來模擬滲透壓力荷載。

（4）風(fēng)井開挖：利用單元的生死功能，有效地模擬風(fēng)井土層開挖過程。風(fēng)井開挖時(shí)，可直接選擇將被開挖掉的單元，然后將其殺死，即可實(shí)現(xiàn)開挖的模擬，對于四周地下連續(xù)墻的施工則可以通過修改材料屬性來實(shí)現(xiàn)。

2.4 計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算可知，風(fēng)井基坑地下連續(xù)墻建成和基坑降水后，工程研究區(qū)域一定范圍內(nèi)整體浸潤線會(huì)發(fā)生變化，地下水位下降，造成地面下沉變形，另外，基坑開挖破壞了原地層的受力平衡，引起水平位移、沉降等，從而影響防洪堤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。風(fēng)井基坑施工后，防洪堤垂直向變形見圖5，壓應(yīng)力分布見圖6。

圖5 防洪堤垂直向變形云圖

圖6 防洪堤壓應(yīng)力分布云圖

統(tǒng)計(jì)外江設(shè)計(jì)洪水位下工程前后防洪堤以及周邊地表的變形量特征值見表2。

表2 工程前后防洪堤以及周邊地表的變形量特征值

統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)洪水位下風(fēng)井施工前后防洪堤以及地下連續(xù)墻的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力見表3。

表3 工程前后防洪堤及連續(xù)墻的應(yīng)力特征值

經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，風(fēng)井施工后，在15 m 范圍內(nèi)靠近井壁區(qū)域的地表發(fā)生了較大幅度的變形，下沉最大變形增量為47.82 mm。距離風(fēng)井工程僅2.80 m～9.76 m 的防洪堤也產(chǎn)生了一定變形，尤其是后坡堤腳變形比較明顯，下沉最大變形增量為35.20 mm。而相應(yīng)防洪堤堤頂?shù)淖冃蚊黠@要小許多，堤頂下沉最大變形增量僅為0.82 mm[3]。風(fēng)井工程后，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)進(jìn)行了重分布，尤其體現(xiàn)在風(fēng)井工程附近，地下連續(xù)墻的最大主拉應(yīng)力為6.0071 MPa，位于河道左岸上游右側(cè)風(fēng)井連續(xù)墻-18.9 m 高程拐角內(nèi)側(cè)；最大主壓應(yīng)力為-12.9520 MPa，位于河道左岸下游左側(cè)風(fēng)井連續(xù)墻-18.9 m 高程拐角內(nèi)側(cè)，四周連續(xù)墻的四個(gè)拐角拉應(yīng)力、局部的壓應(yīng)力出現(xiàn)了應(yīng)力集中，是風(fēng)井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定薄弱區(qū)，實(shí)際施工中若嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工頂冠梁和腰梁的加固，可基本消除應(yīng)力集中的問題。風(fēng)井工程后防洪堤后坡堤腳僅拉應(yīng)力增加了0.0222 MPa。可見，風(fēng)井工程對該區(qū)防洪堤運(yùn)行形態(tài)會(huì)產(chǎn)生影響，但因影響范圍和變化量值較小，防洪堤不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，防洪堤安全狀態(tài)滿足規(guī)范要求[4]。但風(fēng)井施工期存在連續(xù)墻拐角結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引以高度重視，使其施工工藝和施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則地下連續(xù)墻在應(yīng)力集中部位容易開裂，形成滲漏通道，甚至影響風(fēng)井工程的結(jié)構(gòu)安全。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求做好風(fēng)井開挖和支護(hù)，避免風(fēng)井施工作業(yè)影響防洪堤的體形和運(yùn)行條件。

3 結(jié)論

本文以福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區(qū)間穿江風(fēng)井為例，應(yīng)用ANSYS 有限元法研究建模方法、建模流程和相關(guān)要點(diǎn)，對穿江地鐵風(fēng)井施工引起附近防洪堤的變形和應(yīng)力影響進(jìn)行研究，并分析風(fēng)井自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的薄弱區(qū)，為穿江中間風(fēng)井的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及施工提供依據(jù)，進(jìn)一步保障堤防運(yùn)行安全。