济南地铁竖井施工设计变更模拟分析

李 强

(中铁十八局集团第三工程有限公司 ，河北 涿州 072750)

地铁建设随着城市化进程的飞速发展而不断加快，其修建过程中遇到的难题也越来越多，其中竖井工程作为地铁隧道的关键部分，施工难度更大。以济南某地铁车站竖井工程为例，由于当地土层状况和施工条件限制，需对原设计方案进行更改，从而导致竖井施工的风险加剧。针对工程设计变更，多采用数值模拟的方法进行分析，对比变更前后的位移、应力等参量变化，可更直观地反映工程竣工后各部位的应力状况。因此，本文采用迈达斯推出的一款针对岩土领域研发的专业有限元分析软件MIDASGTS-NX（可支持静力、动力、渗流、应力-渗流耦合、固结、施工阶段等分析），研究了地铁竖井施工方案变更后影响，分析了竖井周围土层的沉降规律及第一层钢支撑的轴力变化规律，得出变更后施工方案可满足安全要求。

1 工程设计方案

某地铁站地铁竖井基坑净长25 m、净宽8.1m、深约22.85m，顶板覆土厚度约4.85m，竖井周边无重要控制性建筑及管线。

1.1 原设计方案

竖井工程施工采用明挖法，安全等级为一级。围护结构采用1200 mm@950 硬咬合桩+内支撑方案，围护柱桩底深入风化白云岩层(无溶洞)中不应小于2.5m，且桩底以下的厚度不应小于3.6m。内支撑采用一道砼支撑加两道钢支撑，基底及墙底位于中风化白云岩层。砼支撑和两道钢支撑之间的距离均为7.5m。具体示意见图1（a）。

1.2 变更后设计方案

由于施工场地狭小，经多次与交警部门协商，只能利用道路之间狭长地带作为施工场地，不利于大型设备的施工。因此，将竖井基坑围护结构由原设计“咬合桩+内支撑”方案变更为“明挖+格栅支护体系”方案，具体示意见图1（b）。内支撑采用一道砼支撑+十七道型钢支撑，锁口梁为1500mm×1200 mm，基坑竖向采用十八道支撑，第一道支撑采用400mm×600mm 砼支撑，支撑平均水平间距为5m，第二～十八道支撑采用25b 型钢支撑，钢牌号为Q345b，平均水平间距5m，钢支撑与型钢格栅相连，格栅布置见图2（a），第二～九道钢支撑竖向间距为0.5m，第九～十一道钢支撑竖向间距为1m，第十一～十八道钢支撑竖向间距为2m。竖井初支采用砂浆锚杆+型钢格栅，喷射混凝土设计厚度为30cm，本竖井未设计钢筋网片，锚杆布置如图2（b）所示。

图1 竖井支撑结构剖面

图2 格栅布置大样

2 数值模拟

2.1 数值模型及模型参数

以竖井为依托，取模型长100m、宽35m、深50m。采用摩尔库伦破坏准则，根据等效刚度原则，将排桩换成厚为0.2m 的地下连续墙。采用自由划分的方式对网格进行划分。

根据现场勘察，将施工区土层分为第四系人工填土层、第四系全新统残破积层以及二叠系下统阳新组下统三个地层单元。相应土层分别为索填土、粉质黏土和白云岩。

2.2 模型验证

根据两种方案的施工工艺，设置模型的分析步骤，变更前设置支护桩分三层开挖，随挖随支护。施工工艺变更后，分17 层开挖，移除土体后马上添加钢支撑。选取模型中1255 号节点与实测监测点( DBC2-2)对比模拟结果和实测结果（见图3）。

由图3 可知，模型开挖数据和实测数据基本吻合。基坑开挖在前7 层深度（对应变更前开挖3 m 深度时监测点沉降）时，三种工况的幅值接近，几乎呈线性增加；当开挖第7-14 层时沉降曲线出现波动。从曲线图可知设计变更后的累计沉降值最大，为2.57cm，比实测值增大0.02cm。误差在接受范围，因此可使用本模型模拟实际工况开挖。

图3 监测点对比

2.3 三维数值模拟结果

通过用MIDAS 数值软件分别模拟原设计方案和现设计方案，并提取两种设计方案下连续墙的侧向位移云图（见图4、5）可知，墙体的侧向位移基本一致，设计变更后的侧向位移略大0.6mm。可见变更后连续墙仍能很好地满足工程安全的要求。

对变更后竖井的第一层钢支撑进行轴力分析，得出如图6 所示的第一层钢支撑轴力云图，可知第一层钢支撑待竖井开挖完成后的最大轴力为610kN。提取第一层钢支撑在各层开挖后的最大轴力如图7 所示，可知从开挖第1-17 层时钢支撑轴力曲线随之波动，但整体呈缓慢下降趋势，其幅值变化也相对较小；当开挖第2-3 层时轴力发生较大波动，波动幅值为130kN；当开挖第3-7 层时，轴力幅值呈单调递减趋势；当开挖后几层时，轴力幅值波动下降，轴力平均幅值为650kN 左右；当开挖最后两层时，轴力稳定在610kN。

图4 变更后连续墙位移云图

图5 变更前连续墙位移云图

图6 第一层钢支撑轴力

图7 第一层钢支撑轴力曲线

3 现场监测

为保证地铁竖井安全开挖，需对竖井及周边地表进行监测，防止竖井施工引起的附加沉降过大。开挖时旁边道路正常通行，因此应加强整井一侧道路的地表监测。

3.1 监测点布置

本文主要选取竖井一侧道路的地表沉降用来验证数值模型的合理性。测点布置按近竖井间距小的规律进行布设（见图8）。

图8 地表监测点布置

3.2 实测结果分析

采用全站仪对道路进行监测，监测周期随开挖地进行越加频繁（见图9）。可知随着地铁竖井的开挖，一侧的道路地表累计沉降逐渐变大，且靠近竖井侧的监测点幅值相对其他监测点值较大，从侧面验证了测量结果的合理性。从开挖开始到结束，地表沉降值始终在警戒值±2.5cm 之间，最大幅值达2.2cm。

图9 地表沉降曲线

3.3 对比分析

分别选取两个模型与现场实测点相对应的节点进行对比分析（如图10 所示），可知变更前地表累计沉降略小于变更后，且都和实测值相接近。模拟结果表明：变更后的竖井施工符合工程安全要求，且变更前后各项指标相差不大。

4 结语

图10 三工况下各监测点累计沉降

采用现场实测和数值模拟相结合方法对济南地铁竖井设计变更进行模拟分析，得出如下结论：

（1）随着地铁竖井的开挖，竖井一侧的地表监测点沉降远离竖井累计沉降幅值小，靠近竖井累计沉降幅值较大。（2）施工方案变更后，各开挖层的沉降幅值相比其他两种工况的幅值较大，达2.57 cm，但未超安全范围。（3）开挖第1-17 层时，其钢支撑轴力曲线随之波动，但整体呈缓慢下降趋势，幅值变化相对较小。