穿江地鐵中間風井對防洪堤的結構影響分析

黃梅瓊

（福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001）

1 引言

近年來，隨著地鐵工程在我國的快速發展，很多城市都已經形成了發達的城市軌道交通網絡系統，由于很多城市有河流穿城而過，因此，出現了很多穿江地鐵。當地鐵跨江區間長度較大的時候，就要在江岸設置中間風井，以滿足地鐵通風和疏散出入口的要求。這些風井基坑往往尺寸大，距離防洪堤近，風井基坑降水和開挖會使浸潤線和原地層受力平衡發生變化，影響附近防洪堤結構安全，因此，在風井基坑施工過程中，除了要考慮基坑自身的穩定外，還要確保周邊防洪堤的安全。

2 工程實例

福州地鐵2 號線沿城市東西向發展副軸布置，其中厚庭站～橘園洲站區間全長約2600 m，采用盾構法施工，區間風井位于烏龍江防洪堤與快速三環中間，平面成長方形，風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，圍護結構采用1200 mm 厚地下連續墻，采用明挖法施工，風井主要施工步驟為圍護墻施工、基坑開挖、地下水處理。風井工程區域的防洪堤堤型為砂堤，已建成運行十幾年，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。風井地下連續墻外側與該段防洪堤堤腳的距離僅為2.80 m～9.76 m，風井施工期有可能影響防洪堤的安全，因此，需進行福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區間風井工程對防洪堤的結構影響研究。

防洪堤與穿江地鐵中間風井的平面布置和剖面見圖1 和圖2。

圖1 防洪堤與風井的平面布置圖

圖2 防洪堤與風井的典型剖面示意圖

2.1 計算模型

為研究穿江地鐵中間風井對防洪堤的結構影響，利用ANSYS 有限元軟件對防洪堤、風井、河道及周邊土體進行整體三維建模，模型以下游河道側邊界點的羅零高程0.00 m 為原點，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，坐標系滿足右手螺旋[1]。厚庭站～橘園洲站區間風井有限元模型見圖3。模型采用三維8 節點六面體和10 節點四面體結構單元進行離散，模型離散網格共297933 個節點，218423 個單元，模型有限元網格劃分見圖4。

圖3 區間風井有限元結構模型

圖4 模型有限元網格劃分

2.2 計算參數

福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區間風井對防洪堤的結構影響研究區域內的巖土物理力學參數見表1。

2.3 計算方法

研究通過計算模型自重、疊加初始應力場、模擬風井基坑連續墻施工、基坑降水以及基坑開挖，分析在外江設計洪水位作用下，基坑施工對堤防的結構穩定影響。

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

表1 研究區域巖土物理力學參數

（2）初始應力場：初始應力場指的是風井即將施工時的應力場，是工程設計需要考慮的重要因素。具體為先在彈性范圍內單獨對模型施加重力荷載，計算得到初始應力場并將各節點的應力寫成一個初始應力文件；然后重新開始分析，將之前得到的初始應力文件讀入，作為荷載施加到模型上，最后進行后續計算。

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

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

2.4 計算結果

通過有限元計算可知，風井基坑地下連續墻建成和基坑降水后，工程研究區域一定范圍內整體浸潤線會發生變化，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構穩定[2]。風井基坑施工后，防洪堤垂直向變形見圖5，壓應力分布見圖6。

圖5 防洪堤垂直向變形云圖

圖6 防洪堤壓應力分布云圖

統計外江設計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

統計設計洪水位下風井施工前后防洪堤以及地下連續墻的最大主拉應力和最大主壓應力見表3。

表3 工程前后防洪堤及連續墻的應力特征值

經過有限元結構計算，風井施工后，在15 m 范圍內靠近井壁區域的地表發生了較大幅度的變形，下沉最大變形增量為47.82 mm。距離風井工程僅2.80 m～9.76 m 的防洪堤也產生了一定變形，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。而相應防洪堤堤頂的變形明顯要小許多，堤頂下沉最大變形增量僅為0.82 mm[3]。風井工程后，原有的應力平衡狀態進行了重分布，尤其體現在風井工程附近，地下連續墻的最大主拉應力為6.0071 MPa，位于河道左岸上游右側風井連續墻-18.9 m 高程拐角內側；最大主壓應力為-12.9520 MPa，位于河道左岸下游左側風井連續墻-18.9 m 高程拐角內側，四周連續墻的四個拐角拉應力、局部的壓應力出現了應力集中，是風井結構的穩定薄弱區，實際施工中若嚴格按照設計要求施工頂冠梁和腰梁的加固，可基本消除應力集中的問題。風井工程后防洪堤后坡堤腳僅拉應力增加了0.0222 MPa。可見，風井工程對該區防洪堤運行形態會產生影響，但因影響范圍和變化量值較小，防洪堤不會發生結構失穩，防洪堤安全狀態滿足規范要求[4]。但風井施工期存在連續墻拐角結構失穩的風險應引以高度重視，使其施工工藝和施工質量達到設計要求，否則地下連續墻在應力集中部位容易開裂，形成滲漏通道，甚至影響風井工程的結構安全。嚴格按照設計要求做好風井開挖和支護，避免風井施工作業影響防洪堤的體形和運行條件。

3 結論

本文以福州地鐵2 號線厚庭站～橘園洲站區間穿江風井為例，應用ANSYS 有限元法研究建模方法、建模流程和相關要點，對穿江地鐵風井施工引起附近防洪堤的變形和應力影響進行研究，并分析風井自身結構穩定的薄弱區，為穿江中間風井的設計優化以及施工提供依據，進一步保障堤防運行安全。