地鐵出入口下穿既有構筑物風險分析及方案比選
戴文亭，孫明志，孫思博，閆思檬，羅傳英
（吉林大學交通學院，吉林 長春 130022）
[摘要]依托長春地鐵解放大路站工程，采用數值模擬與現(xiàn)場實測相結合的方法，建立地鐵出入口下穿既有消防水柜數值模型，通過流固耦合方法模擬整個施工過程，對消防水柜蓄水量與施工風險之間的關系進行研究，并采用層次分析法對多種注漿方案進行研究，提出最佳施工方案，來指導實際工程，從最終的施工效果來看，方案切實可行。
[關鍵詞]地下工程；地鐵；隧道；數值模擬；層次分析法
[中圖分類號]U231+．3 [文章編號]1002-8498(2016)09-0093-05
0 引言
在地鐵隧道施工過程中，地基土體產生擾動或松動時砂層可能發(fā)生液化，極易產生較大的地層變位，從而導致既有構筑物發(fā)生沉降。因此在地鐵車站設計時，既要考慮臨近既有構筑物對基坑開挖的影響，又要考慮地鐵車站施工對構筑物的影響。
目前研究隧道施工對周邊建筑物影響的方法可以歸納為3種：試驗研究法、理論分析法和經驗總結法。Mroueh等運用三維有限元程序，研究了軟土隧道和2層框架結構建筑物的相互作用。Jenck等對盾構施工進行簡化，并運用FLAC3D軟件數值模擬了盾構施工對臨近建筑物施工的影響。韋京等運用FLAC3D軟件進行隧道施工對中華世紀壇影響的風險分析，研究左線和右線施工順序、徑向注漿、超前小導管注漿和隧道與建筑物位置關系等影響地層變形的關鍵因素。目前多數研究都集中在隧道施工和地面建筑物相互影響上，對地鐵隧道下穿既有構筑物的研究相對較少。
本文結合長春地鐵解放大路站4號出入口下穿既有消防水柜工程，采用數值模擬的方法，通過對比分析消防水柜水位1，2，4m時出人口施工對消防水柜影響情況，探究消防水柜蓄水水位對下穿施工的影響程度。注漿范圍、砂漿種類、注漿量、水灰比等因素影響注漿方案，運用層次分析法對多方案給出一個數據化的排序，為最終的方案選擇提供參考。
1 工程概況
長春解放大路是地鐵1，2號線的換乘車站。工程場區(qū)范圍內有2條對車站影響較大的廢棄人防結構，分別位于2號線的車站上方（頂部深埋5. 6m，寬1. 2m，高2m）和東側風道結構內（頂部深埋6.1m，寬1. 2m，高1.9m）。施工范圍內的地下管線和基礎設施較多。
車站4號出人口通道下穿聯(lián)通大廈消防水柜，水柜深埋6m，上覆土0.3~0.6m，長33. 0m，寬9. 0m，高5.3m，磚混結構池壁厚0.4m。出人口覆土深度為10~12m，出人口斷面形狀隨位置變化而不同，大致高5~6m，寬10m，消防水柜與出入口位置關系如圖1所示。
工程范圍內地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積黏性土和砂土、白堊系泥巖組成；地層存在3層地下水，第1層為孔隙性潛水，第2層為淺層承壓水，第3層為巖石裂隙水，無穩(wěn)定地下水位。
消防水柜主要為聯(lián)通大廈及交通銀行提供日常用水和消防用水，最低也需要1m的蓄水深度才能滿足正常需求。擬采用超前小導管注漿技術加固水柜與出水口范圍內地層，以保證施工安全。
2 基本理論和計算模型
數值計算分析采用有限差分軟件FLAC3D。本工程由于地質情況較復雜，根據地質勘察報告提供的數據，模型簡化為4個土層，填土厚2m，黏土層厚度取8m，下部為泥巖。假定地表和各土層均勻水平分布且不考慮地下水的影響，土體材料采用莫爾一庫侖本構模型，混凝土材料采用彈性材料。地層巖土與材料的應力、應變均在彈塑性范圍內變化，地應力場由自重應力計算自動生成。采用fluid流體模塊與力學模塊耦合分析整個施工過程，其中流體模塊選擇fl-isotropic均質流體模型進行計算，假定固體顆粒骨架是不可壓縮的。含水層中取黏土滲透系數為3×10-3m／s。依據勘察單位提供的土工試驗數據、原位試驗結果，并結合本地經驗，確定巖土材料參數，根據混凝土結構設計規(guī)范確定混凝土材料參數，具體如表1所示。
建模范圍考慮到尺寸效應，兩側至少2倍開挖空間寬度，所以整個模型取長100m、寬46m、高50m。模型上表面為自由表面，允許其自由變形，前后左右4個面對稱布置固定水平方向變形速率，底面固定豎向變形速率。水柜與出入口空間位置如圖2所示。
3 消防水柜蓄水量對施工的影響研究
為分析消防水柜蓄水量對出入口施工的影響，在地表及消防水柜地面設置若干監(jiān)測點，對蓄水量進行實時監(jiān)控。
消防水柜的蓄水位要在1m以上，才能滿足聯(lián)通大廈及交通銀行的日常用水及消防用水。因此，本文通過分析對比水位在1，2，4m 3種不同條件下對施工的影響，進而探究消防水柜蓄水深度對下穿施工的影響程度。
根據公式P =pgh計算加在水柜側壁和底板上的水壓力，分析在不注漿或大范圍注漿條件下，水位對工程的影響，并得到結果如表2所示。
在不注漿和大范圍注漿條件下，3種水位深度施工地表最大沉降、出人口拱頂最大沉降、水柜最大沉降模擬結果對比如圖3所示。
不注漿時，各項最大沉降值隨著水位的增加而增大，但是變化量極小。與最低蓄水量相比，滿水狀態(tài)下的地表最大沉降、出入口拱頂最大沉降和消防水柜最大沉降分別增長了1. 8%，5.0%和9.2%。大范圍注漿工況與不注漿工況類似，地表沉降、出入口拱頂最大沉降、消防水柜最大沉降的增長百分比分別為0. 7%，3.3%和4.3%。
綜合上述數據可知，在注漿加固地層后，蓄水量變化引起的各部位沉降遠小于不注漿引起的沉降量。消防水柜蓄水量的變化對水柜及出入口拱頂沉降的影響比較明顯，對地表沉降基本無作用。
因此，施工過程中，消防水柜蓄水量在保證正常供水的前提下，越低越有利于施工安全。
4層次分析方案比選
由于各注漿方案施工側重不同，注漿范圍、砂漿種類、注漿量、水灰比等因素也不相同。不同評價指標均有相應的方案優(yōu)劣順序，各評價指標的重要程度是影響最終方案選擇的主要因素之一。對于出入口下穿消防水柜此單項工程，施工關鍵在于確保消防水柜和出入口本身的安全，避免水柜開裂漏水，然后盡量保證工期節(jié)約成本。本節(jié)運用層次分析法對多方案給出一個數據化的排序，為決策者進行最終的方案選擇提供參考。
4.1 多種方案確定
本文綜合考慮注漿范圍和程度提出7種方案，模擬消防水柜保持最低需水量(1m)狀態(tài)下的施工情況。注漿范圍分為不注漿、小范圍注漿和大范圍注漿；調節(jié)水灰比和砂漿用量使注漿程度達到不同強度，通過改變材料參數實現(xiàn)具體模擬。
漿液種類、注漿壓力、漿液用量及水灰比等因素決定注漿強度，本文在模擬時，通過調節(jié)材料參數來改變注漿強度。根據現(xiàn)場注漿試驗，泥巖彈性模量可以提高1.5~2.5倍，黏聚力可以提高2～4倍，黏土彈性模量可以提高5～10倍，黏聚力可以提高3～6倍，根據各種情況進行組合形成7種方案，各方案具體情況如表3所示。
4.2方案篩選
根據《砌體結構設計規(guī)范》GB50003-2012，確定消防水柜池壁軸心抗拉強度設計值為0. 13MPa，軸心抗壓強度設計值為1. 5MPa。出人口為淺埋隧道，根據《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》GB50911-2013綜合判定工程監(jiān)測等級為二級，池壁應力控制值按照砌體結構拉壓應力設計值的80%計算，給出各監(jiān)測項目控制值如表4所示。
本項目工程主要保證出入口施工安全下，消防水柜不開裂漏水。并針對消防水柜池壁拉壓應力、消防水柜沉降、出入口拱頂沉降、地表沉降，對7種注漿加固方案進行模擬分析，得到的具體結果如表5所示。
模擬結果與控制指標對比后，方案7出入口拱頂沉降與池壁壓應力均超過限值，不滿足要求，其他方案均可行。
4.3 確定施工方案總排序
以確定出入口下穿消防水柜最優(yōu)方案為目標，根據施工中各評判指標的重要性順序，選擇水箱最大拉應力、水箱壁最大沉降、出入口拱頂最大沉降、工程造價、工期、水箱最大壓應力、地表最大沉降，為評價指標，建立目標分層結構，比選7種方案。
比較不同方案下的各評判指標結果，建立兩兩比較的評判矩陣，然后通過計算得到目標判斷矩陣如表6所示。
經一致性檢驗，各因素的檢驗結果均滿足要求，最后得到各施工方案的總排序如表7所示。
如表7所示，方案1是對安全控制最高的方案，方案6是最經濟工期最短的方案。按照所選取評價指標及權重分配情況下，方案1為出入口下穿消防水柜最優(yōu)解決方案，其次為方案2、方案6。
5 最優(yōu)方案模擬結果分析
根據所選擇的評價指標及對各評價指標分配的權重系數得到最優(yōu)施工方案為方案1。根據數值計算結果對最優(yōu)方案進行分析總結，得到豎向沉降云圖、垂直應力分布云圖、水平應力分布云圖。
出入口下穿施工完成后，地表最大沉降在出入口正上方中心處為10. 2mm，消防水柜底面最大沉降發(fā)生在出入口近端，為11. 8mm，消防水柜頂面最大沉降發(fā)生在出入口近端，為10.5 mm，出人口拱頂最大沉降為12.8 mm，由于受到消防水柜的抵抗作用，出入口拱頂沉降距離消防水柜近端要比消防水柜遠端小。
消防水柜垂直方向應力在頂邊中間位置，最大壓應力達到0. 41MPa，側邊位置存在小范圍的受拉區(qū)，最大達到36kPa。
消防水柜x方向應力在頂邊中間位置，最大壓應力達到1. 1MPa，側壁兩邊下方位置存在一定的受拉區(qū)域，最大達81kPa。
將最優(yōu)方案與不注漿情況模擬結果的各項指標進行對比，如圖4所示。
通過在出入口與消防水柜之間大范圍注漿，地表沉降從16mm減少到10. 2mm，出人口拱頂最大沉降從30. 2mm減少到12.8 mm，消防水柜最大沉降從18. 4mm減少到11. 8mm，由此可知最優(yōu)方案可大大提高施工過程中消防水柜及出人口本身的安全性。
6 具體施工措施及效果
伴隨出入口施工，采用洞內深孔注漿，具體工藝如下。
1)漿液選用水泥漿，注漿范圍和注漿參數按照數值分析最優(yōu)方案取值。按15m 一個循環(huán)，開挖至10m時進行下一階段循環(huán)注漿施工，注漿孔按1m×1m梅花形布置，注漿管長度及注漿角度根據掌子面前方不良地質體位置確定，注漿有效直徑1.2~1. 5m。
2)注漿布點前應掛網噴射混凝土250mm，封閉掌子面，確保施工安全。
3)注漿過程中，隨時對注漿地段的周圍情況進行檢查和監(jiān)測，尤其是對附近建（構）筑物，避免施工對周邊造成影響。
4)必須保證加固后土體抗壓強度≥0. 8MPa。
施工中對地表沉降進行監(jiān)測，每5m 一個斷面，選取水柜縱向中點處斷面，比較完工后實際沉降監(jiān)測值與數值計算結果如圖5所示。
由圖5可知，出入口結構開挖支護完成地表沉降曲線數值模擬值與實際監(jiān)測數據基本吻合，由此驗證了數值分析所提供施工方案的正確性。
7結語
本文分析了在大范圍注漿及不注漿情況下，消防水柜蓄水量對下穿施工的影響。研究結果表明蓄水量的多少對地表沉降的影響不大，但對消防水柜自身的變形作用突出，所以施工時要盡量保持最低蓄水量。
通過層次分析法對7種不同的下穿施工方案進行比較分析，根據選定的7個評價指標排出優(yōu)劣順序。施工方案的總排序結果為項目的決策者提供了清晰明了的優(yōu)劣順序，根據工程的差異會給出不同的評價指標及考慮不同的權重分配，從而得到不同的排序結果。
從最終的施工效果來看，所選方案切實可行，水柜未發(fā)生開裂漏水，隧道施工安全順暢。
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