戴文亭， 王琦， 羅傳英， 王振， 王宇放， 孫思博

(吉林大學(xué) 交通學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022 )

近年來(lái)，中國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅猛，但是在城市地鐵建設(shè)過(guò)程中，存在著很多與地下水有關(guān)的工程技術(shù)難題。地鐵在施工過(guò)程中，土層失水會(huì)產(chǎn)生固結(jié)沉降，而基坑開(kāi)挖及卸載也會(huì)使土體產(chǎn)生沉降，并且地鐵的周邊具有較為集中的構(gòu)筑物及城市交通線路，因此在施工過(guò)程中應(yīng)該將施工沉降控制在合理的范圍內(nèi)，否則后果不堪設(shè)想。中國(guó)諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，畢煥軍建立了胡麻嶺的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)此數(shù)學(xué)模型研究了胡麻嶺隧道水敏性砂巖地下水滲流效應(yīng)；易小明等以廈門海底隧道陸域段為實(shí)際工程依托，研究了其在流固耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)情況；孫明志等以某地鐵施工項(xiàng)目為實(shí)際工程依托，將數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析施工階段的地表沉降等因素，提出了合理的導(dǎo)洞施工順序；侯偉等根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，推導(dǎo)出能夠綜合評(píng)價(jià)各類復(fù)雜水位環(huán)境下地表沉降的計(jì)算公式，并且開(kāi)發(fā)出一套適用于大范圍超采地下水情況下地表沉降的計(jì)算程序；戴文亭等以長(zhǎng)春地鐵車站為實(shí)際工程依托，根據(jù)建立的有限元模型，對(duì)比分析了3種不同施工工法下(6導(dǎo)洞PBA工法、8導(dǎo)洞PBA工法及一次扣拱暗挖逆作法)的中軸線上方地表沉降、拱頂沉降及拱頂應(yīng)力；李國(guó)和等通過(guò)對(duì)京滬高速鐵路沿線各個(gè)地區(qū)的沉降中心進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作，建立了地表沉降與地下水位變化的相關(guān)關(guān)系式，分析預(yù)測(cè)了該地區(qū)的地表沉降發(fā)展趨勢(shì)。

該文以長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線解放大路車站為實(shí)際依托工程，建立該地鐵車站的有限元模型。通過(guò)定義3種不同地下水位工況，將不同地下水位下地鐵車站的施工沉降曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線的走向是沿解放大路的東西方向，解放大路具有雙向六車道。地鐵2號(hào)線解放大路車站采用的施工工法為6導(dǎo)洞PBA工法，施工主體全長(zhǎng)206.7 m，車站站臺(tái)寬度6.8 m，底板埋深25.94～27.94 m，車站的覆土厚度7.5～9.5 m，車站結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。施工地層為黏性土層、砂土層、人工填土層及泥巖層，不良地質(zhì)體主要有松軟土體、地下人防結(jié)構(gòu)，車站周邊分布有復(fù)雜的管線，并且大部分管道存在滲漏水的不良現(xiàn)象。地下水位為地表下方1.8 m(開(kāi)挖面的水頭邊界有兩個(gè)水頭，其中水頭1為地表下方16.5 m，水頭2為地表下方30.6 m)。該項(xiàng)目共劃分15個(gè)施工階段：① 初始位移；② 抽水1變形；③ 上邊導(dǎo)洞施工；④ 上中導(dǎo)洞施工；⑤ 抽水2變形；⑥ 下邊導(dǎo)洞施工；⑦ 下中導(dǎo)洞施工；⑧ 挖孔樁施工；⑨ 加固層；⑩ 1、2洞室施工；二襯施工；上部土體開(kāi)挖；中樓板施工；下部土體開(kāi)挖；底板施工。

圖1 地鐵車站結(jié)構(gòu)圖

2 有限元模型

運(yùn)用Midas/GTS建立該地鐵車站的有限元模型。由于地鐵車站周圍的工程地質(zhì)狀況良好，因此對(duì)地表進(jìn)行簡(jiǎn)化并假定各土層呈現(xiàn)出水平且均勻的分布情況，該文有限元模型中的混凝土材料選擇彈性模型模擬分析，而對(duì)巖土體材料的模擬分析則采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。地層結(jié)構(gòu)被劃分為4層，從上往下分別為填土層(1.8 m)、黏土層(13.2 m)、粗砂層(3.5 m)和最下層的泥巖層。通過(guò)相關(guān)檢測(cè)單位開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及室內(nèi)土工試驗(yàn)，分析試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行選取，各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示?？紤]到尺寸效應(yīng)，該有限元模型的總寬度選取80 m，高度選取60 m。地鐵車站的凈寬度為27.4 m，其上方覆土厚度為9.5 m，底板的埋深為29 m。

表1 各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能參數(shù)

3 地鐵車站施工沉降分析

3.1 有限元模型驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證有限元模型的可靠性，將有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的施工沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。各施工階段車站中軸線上方地表沉降的有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 各施工階段車站中軸線上方地表沉降的

分析圖2可以得出：有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致。有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在的差異較小，兩者的最大誤差僅為5.6%，最大差值僅為7.48 mm，該誤差值在合理誤差范圍內(nèi)，并且兩者的整體變化趨勢(shì)也基本一致，因此可以驗(yàn)證有限元模型具有一定的可靠性。

3.2 地鐵車站中軸線上方地表沉降分析

通過(guò)對(duì)各施工階段下的有限元模型進(jìn)行計(jì)算求解，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)各施工階段下地鐵車站中軸線上方的沉降量最大，為了更清晰地分析地表沉降變化規(guī)律，繪制出各施工階段下該地鐵車站中軸線上方的地表沉降統(tǒng)計(jì)圖，如圖3所示。

圖3 各施工階段地鐵車站中軸線上方地表沉降統(tǒng)計(jì)圖

由圖3可知：地鐵車站中軸線上方的地表總沉降量為146.62 mm。結(jié)合圖2可知：在整個(gè)施工過(guò)程中，地鐵車站中軸線上方的地表沉降量呈現(xiàn)出階梯式的變化趨勢(shì)。在上邊導(dǎo)洞施工和上中導(dǎo)洞施工的過(guò)程中，地鐵車站中軸線上方的地表沉降量的變化較為平緩，而當(dāng)在抽水2變形的施工階段，中軸線上方的地表沉降量出現(xiàn)突變，相比前一個(gè)施工階段，沉降量增加了20.96 mm。同理，可以發(fā)現(xiàn)另外兩個(gè)沉降突變點(diǎn)，一個(gè)發(fā)生在1、2洞室施工的過(guò)程中，其沉降量增加了23.85 mm，同時(shí)也是相鄰施工階段的最大施工沉降差，另一個(gè)發(fā)生在下部土體開(kāi)挖的過(guò)程中，其沉降量增加了12.58 mm。

3.3 地鐵車站拱頂沉降分析

拱頂沉降量可以充分反映整體結(jié)構(gòu)的安全性，為了更為清晰地表現(xiàn)各施工階段下拱頂沉降量的變化情況，該文提取邊導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞及1、2洞室的拱頂(拱頂?shù)恼戏椒治鳇c(diǎn))沉降數(shù)據(jù)，繪制各施工階段拱頂沉降統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示，各施工階段拱頂沉降變化趨勢(shì)圖如圖5所示。

由圖4可知：邊導(dǎo)洞拱頂總沉降量為63.64 mm，中導(dǎo)洞拱頂總沉降量為69.72 mm，1、2洞室拱頂總沉降量為75.48 mm，1、2洞室的拱頂總沉降量最大。結(jié)合圖5可得，在整個(gè)施工過(guò)程中，邊導(dǎo)洞拱頂相鄰施工階段的沉降量的最大增量為8.53 mm，出現(xiàn)在上部土體開(kāi)挖的施工階段；中導(dǎo)洞拱頂沉降量呈現(xiàn)出較為明顯的階梯式變化，在抽水1變形和上邊導(dǎo)洞施工的過(guò)程中，中導(dǎo)洞拱頂沉降量的變化較為平緩，而在上中導(dǎo)洞施工的過(guò)程中，中導(dǎo)洞拱頂沉降量發(fā)生突變，相比前一個(gè)施工階段，沉降量增加了11.54 mm，同理，可以發(fā)現(xiàn)其余3個(gè)沉降突變點(diǎn)，其沉降量分別增加了6.33、6.29、5 mm，因此，中導(dǎo)洞拱頂相鄰施工階段的沉降量的最大增量為11.54 mm；1、2洞室拱頂沉降量呈現(xiàn)出更為明顯的階梯式變化，共有兩個(gè)沉降突變點(diǎn)，一個(gè)是發(fā)生在抽水2變形的施工階段，其沉降量增加了7 mm，另一個(gè)則發(fā)生在1、2洞室施工的過(guò)程中，其沉降量增加了23.55 mm，因此，1、2洞室拱頂相鄰施工階段的沉降量的最大增量為23.55 mm。

圖4 各施工階段拱頂沉降統(tǒng)計(jì)圖

圖5 各施工階段拱頂沉降變化趨勢(shì)圖

4 不同地下水位下地鐵車站施工沉降對(duì)比分析

為了對(duì)比分析不同地下水位下地鐵車站的施工沉降情況，將上述有限元模型定義為3種不同地下水位工況。水位1為地表下方1.8 m，是地鐵工程中的實(shí)際地下水位；水位2為地表下方18.5 m的位置；水位3為地表下方30 m的位置。

4.1 不同水位下地鐵車站地表施工沉降對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)不同地下水位下地鐵車站的有限元模型進(jìn)行計(jì)算求解，可以得到地表上各個(gè)沉降分析點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，繪制出不同水位下地鐵車站地表施工沉降圖，如圖6所示。

圖6 不同地下水位下地鐵車站地表施工沉降圖

由圖6可知：① 在這3種不同地下水位環(huán)境下，只有當(dāng)上邊導(dǎo)洞施工的時(shí)候，地鐵車站的地表沉降曲線產(chǎn)生了兩側(cè)凹陷的變化，其他階段均為中軸線產(chǎn)生凹陷，分析原因是施工過(guò)程中先進(jìn)行上邊導(dǎo)洞的施工，由于上中導(dǎo)洞施工階段產(chǎn)生的沉降較大，因此下邊導(dǎo)洞施工階段的沉降曲線未出現(xiàn)兩側(cè)凹陷的變化；② 3種不同地下水位環(huán)境下，水位1下地鐵車站中軸線處的地表沉降量最大，最終沉降量也最大(146.62 mm)。對(duì)于地鐵車站中軸線上方的地表最終沉降量而言，隨著水位高度的下降，沉降量隨之減少，水位2下的沉降量為水位1下沉降量的92.18%，水位3下的沉降量為水位1下沉降量的76.53%；③ 隨著水位高度的增加，地鐵車站中軸線兩側(cè)的地表沉降量隨之減小，在水位1條件下，距中軸線最遠(yuǎn)處的地表最終沉降量最大(44.17 mm)。對(duì)于距中軸線最遠(yuǎn)處的地表最終沉降量而言，水位2下的沉降量為水位1下沉降量的40.00%，水位3下的沉降量為水位1下沉降量的30.02%。由此可見(jiàn)，當(dāng)?shù)叵滤惶幱谀骋桓叨确秶鷥?nèi)時(shí)，地下水位的下降對(duì)距中軸線最遠(yuǎn)處的地表沉降的影響十分顯著。

4.2 不同水位下地鐵車站拱頂施工沉降對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)不同地下水位下地鐵車站的有限元模型進(jìn)行計(jì)算求解，可以得到拱頂各個(gè)沉降分析點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，繪制出不同水位下地鐵車站拱頂施工沉降圖，如圖7所示。

由圖7可知：3種不同水位環(huán)境下地鐵車站拱頂沉降曲線均產(chǎn)生了反彎現(xiàn)象，沉降曲線從“M”形變化成“W”形，這一變化均出現(xiàn)在1、2洞室施工階段，并且1、2洞室拱頂?shù)某两盗吭谶@個(gè)施工階段中產(chǎn)生了顯著的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度也是整個(gè)施工過(guò)程中最大的，由此可知，在整個(gè)施工過(guò)程中，1、2洞室施工對(duì)拱頂沉降的影響最大。各個(gè)水位下拱頂沉降量的最大增長(zhǎng)幅度分別為23.55(水位1)、23.03(水位2)、18.97 mm(水位3)，對(duì)比分析可知，水位1和水位2下拱頂沉降量的最大增長(zhǎng)幅度僅相差0.52 mm，而水位1與水位3下拱頂沉降量的最大增長(zhǎng)幅度卻相差4.58 mm。對(duì)比分析3種不同水位下地鐵車站拱頂沉降曲線可知，水位1下地鐵車站拱頂?shù)淖罱K沉降量最大(75.48 mm)。對(duì)于地鐵車站拱頂最終沉降量而言，隨著水位高度的下降，沉降量隨之減小，水位2下的沉降量為水位1下的85.88%，水位3下沉降量為水位1下的61.10%。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地鐵車站進(jìn)行施工沉降分析，并將不同地下水位下地鐵車站的施工沉降曲線進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1) 各施工階段車站中軸線上方地表沉降的有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致，兩者的最大誤差僅為5.6%，說(shuō)明該文所建立的有限元模型是可靠的。

圖7 不同水位下地鐵車站拱頂施工沉降圖

(2) 在整個(gè)施工過(guò)程中，地鐵車站中軸線上方的地表沉降量呈現(xiàn)出階梯式的變化趨勢(shì)，沉降量的最大增量為23.85 mm，出現(xiàn)在1、2洞室施工階段；1、2洞室的拱頂總沉降量最大(75.48 mm)，1、2洞室拱頂?shù)某两盗砍尸F(xiàn)出最為明顯的階梯式變化，沉降量的最大增量為23.55 mm，出現(xiàn)在1、2洞室施工階段。

(3) 當(dāng)?shù)叵滤惶幱谀骋桓叨确秶鷥?nèi)時(shí)，地下水位的下降對(duì)距中軸線最遠(yuǎn)處的地表沉降的影響十分顯著；水位1和水位2下拱頂沉降量的最大增長(zhǎng)幅度基本一致，僅相差0.52 mm，而水位1與水位3下拱頂沉降量的最大增長(zhǎng)幅度卻相差4.58 mm，說(shuō)明隨著地下水位的下降，拱頂沉降量的增長(zhǎng)幅度存在突變情況。