穿江地铁中间风井对防洪堤的结构影响分析

黄梅琼

（福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001）

1 引言

近年来，随着地铁工程在我国的快速发展，很多城市都已经形成了发达的城市轨道交通网络系统，由于很多城市有河流穿城而过，因此，出现了很多穿江地铁。当地铁跨江区间长度较大的时候，就要在江岸设置中间风井，以满足地铁通风和疏散出入口的要求。这些风井基坑往往尺寸大，距离防洪堤近，风井基坑降水和开挖会使浸润线和原地层受力平衡发生变化，影响附近防洪堤结构安全，因此，在风井基坑施工过程中，除了要考虑基坑自身的稳定外，还要确保周边防洪堤的安全。

2 工程实例

福州地铁2 号线沿城市东西向发展副轴布置，其中厚庭站～橘园洲站区间全长约2600 m，采用盾构法施工，区间风井位于乌龙江防洪堤与快速三环中间，平面成长方形，风井基坑沿线路方向净长为16.3 m，净宽为24.2 m，基坑开挖总深度为41.6 m，围护结构采用1200 mm 厚地下连续墙，采用明挖法施工，风井主要施工步骤为围护墙施工、基坑开挖、地下水处理。风井工程区域的防洪堤堤型为砂堤，已建成运行十几年，防洪堤堤顶宽度为6.0 m，迎水面坡度为1∶3.5，背水面边坡为1∶3.0，最大堤高8.0 m，防洪堤建筑物级别为二级。风井地下连续墙外侧与该段防洪堤堤脚的距离仅为2.80 m～9.76 m，风井施工期有可能影响防洪堤的安全，因此，需进行福州地铁2 号线厚庭站～橘园洲站区间风井工程对防洪堤的结构影响研究。

防洪堤与穿江地铁中间风井的平面布置和剖面见图1 和图2。

图1 防洪堤与风井的平面布置图

图2 防洪堤与风井的典型剖面示意图

2.1 计算模型

为研究穿江地铁中间风井对防洪堤的结构影响，利用ANSYS 有限元软件对防洪堤、风井、河道及周边土体进行整体三维建模，模型以下游河道侧边界点的罗零高程0.00 m 为原点，X 向以指向河道左岸为正，Y 向以指向上游为正，Z 向以垂直向上为正，坐标系满足右手螺旋[1]。厚庭站～橘园洲站区间风井有限元模型见图3。模型采用三维8 节点六面体和10 节点四面体结构单元进行离散，模型离散网格共297933 个节点，218423 个单元，模型有限元网格划分见图4。

图3 区间风井有限元结构模型

图4 模型有限元网格划分

2.2 计算参数

福州地铁2 号线厚庭站～橘园洲站区间风井对防洪堤的结构影响研究区域内的岩土物理力学参数见表1。

2.3 计算方法

研究通过计算模型自重、叠加初始应力场、模拟风井基坑连续墙施工、基坑降水以及基坑开挖，分析在外江设计洪水位作用下，基坑施工对堤防的结构稳定影响。

（1）土体本构模型：风井对防洪堤的结构分析研究采用ANSYS 提供的Drucker-Prager 岩土类材料的弹塑性本构模型，此材料模型适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。

表1 研究区域岩土物理力学参数

（2）初始应力场：初始应力场指的是风井即将施工时的应力场，是工程设计需要考虑的重要因素。具体为先在弹性范围内单独对模型施加重力荷载，计算得到初始应力场并将各节点的应力写成一个初始应力文件；然后重新开始分析，将之前得到的初始应力文件读入，作为荷载施加到模型上，最后进行后续计算。

（3）渗透压力：凡有渗透就有渗透力，有限元法计算渗透压力荷载是用温度荷载来模拟渗透压力荷载。

（4）风井开挖：利用单元的生死功能，有效地模拟风井土层开挖过程。风井开挖时，可直接选择将被开挖掉的单元，然后将其杀死，即可实现开挖的模拟，对于四周地下连续墙的施工则可以通过修改材料属性来实现。

2.4 计算结果

通过有限元计算可知，风井基坑地下连续墙建成和基坑降水后，工程研究区域一定范围内整体浸润线会发生变化，地下水位下降，造成地面下沉变形，另外，基坑开挖破坏了原地层的受力平衡，引起水平位移、沉降等，从而影响防洪堤的结构稳定[2]。风井基坑施工后，防洪堤垂直向变形见图5，压应力分布见图6。

图5 防洪堤垂直向变形云图

图6 防洪堤压应力分布云图

统计外江设计洪水位下工程前后防洪堤以及周边地表的变形量特征值见表2。

表2 工程前后防洪堤以及周边地表的变形量特征值

统计设计洪水位下风井施工前后防洪堤以及地下连续墙的最大主拉应力和最大主压应力见表3。

表3 工程前后防洪堤及连续墙的应力特征值

经过有限元结构计算，风井施工后，在15 m 范围内靠近井壁区域的地表发生了较大幅度的变形，下沉最大变形增量为47.82 mm。距离风井工程仅2.80 m～9.76 m 的防洪堤也产生了一定变形，尤其是后坡堤脚变形比较明显，下沉最大变形增量为35.20 mm。而相应防洪堤堤顶的变形明显要小许多，堤顶下沉最大变形增量仅为0.82 mm[3]。风井工程后，原有的应力平衡状态进行了重分布，尤其体现在风井工程附近，地下连续墙的最大主拉应力为6.0071 MPa，位于河道左岸上游右侧风井连续墙-18.9 m 高程拐角内侧；最大主压应力为-12.9520 MPa，位于河道左岸下游左侧风井连续墙-18.9 m 高程拐角内侧，四周连续墙的四个拐角拉应力、局部的压应力出现了应力集中，是风井结构的稳定薄弱区，实际施工中若严格按照设计要求施工顶冠梁和腰梁的加固，可基本消除应力集中的问题。风井工程后防洪堤后坡堤脚仅拉应力增加了0.0222 MPa。可见，风井工程对该区防洪堤运行形态会产生影响，但因影响范围和变化量值较小，防洪堤不会发生结构失稳，防洪堤安全状态满足规范要求[4]。但风井施工期存在连续墙拐角结构失稳的风险应引以高度重视，使其施工工艺和施工质量达到设计要求，否则地下连续墙在应力集中部位容易开裂，形成渗漏通道，甚至影响风井工程的结构安全。严格按照设计要求做好风井开挖和支护，避免风井施工作业影响防洪堤的体形和运行条件。

3 结论

本文以福州地铁2 号线厚庭站～橘园洲站区间穿江风井为例，应用ANSYS 有限元法研究建模方法、建模流程和相关要点，对穿江地铁风井施工引起附近防洪堤的变形和应力影响进行研究，并分析风井自身结构稳定的薄弱区，为穿江中间风井的设计优化以及施工提供依据，进一步保障堤防运行安全。