戴文亭，孙明志，孙思博，闫思檬，罗传英
（吉林大学交通学院，吉林 长春 130022）
[摘要]依托长春地铁解放大路站工程，采用数值模拟与现场实测相结合的方法，建立地铁出入口下穿既有消防水柜数值模型，通过流固耦合方法模拟整个施工过程，对消防水柜蓄水量与施工风险之间的关系进行研究，并采用层次分析法对多种注浆方案进行研究，提出最佳施工方案，来指导实际工程，从最终的施工效果来看，方案切实可行。
[关键词]地下工程；地铁；隧道；数值模拟；层次分析法
[中图分类号]U231+．3 [文章编号]1002-8498(2016)09-0093-05
0 引言
在地铁隧道施工过程中，地基土体产生扰动或松动时砂层可能发生液化，极易产生较大的地层变位，从而导致既有构筑物发生沉降。因此在地铁车站设计时，既要考虑临近既有构筑物对基坑开挖的影响，又要考虑地铁车站施工对构筑物的影响。
目前研究隧道施工对周边建筑物影响的方法可以归纳为3种：试验研究法、理论分析法和经验总结法。Mroueh等运用三维有限元程序，研究了软土隧道和2层框架结构建筑物的相互作用。Jenck等对盾构施工进行简化，并运用FLAC3D软件数值模拟了盾构施工对临近建筑物施工的影响。韦京等运用FLAC3D软件进行隧道施工对中华世纪坛影响的风险分析，研究左线和右线施工顺序、径向注浆、超前小导管注浆和隧道与建筑物位置关系等影响地层变形的关键因素。目前多数研究都集中在隧道施工和地面建筑物相互影响上，对地铁隧道下穿既有构筑物的研究相对较少。
本文结合长春地铁解放大路站4号出入口下穿既有消防水柜工程，采用数值模拟的方法，通过对比分析消防水柜水位1，2，4m时出人口施工对消防水柜影响情况，探究消防水柜蓄水水位对下穿施工的影响程度。注浆范围、砂浆种类、注浆量、水灰比等因素影响注浆方案，运用层次分析法对多方案给出一个数据化的排序，为最终的方案选择提供参考。
1 工程概况
长春解放大路是地铁1，2号线的换乘车站。工程场区范围内有2条对车站影响较大的废弃人防结构，分别位于2号线的车站上方（顶部深埋5. 6m，宽1. 2m，高2m）和东侧风道结构内（顶部深埋6.1m，宽1. 2m，高1.9m）。施工范围内的地下管线和基础设施较多。
车站4号出人口通道下穿联通大厦消防水柜，水柜深埋6m，上覆土0.3~0.6m，长33. 0m，宽9. 0m，高5.3m，砖混结构池壁厚0.4m。出人口覆土深度为10~12m，出人口断面形状随位置变化而不同，大致高5~6m，宽10m，消防水柜与出入口位置关系如图1所示。
工程范围内地层由第四系全新统人工填土层、第四系中更新统冲洪积黏性土和砂土、白垩系泥岩组成；地层存在3层地下水，第1层为孔隙性潜水，第2层为浅层承压水，第3层为岩石裂隙水，无稳定地下水位。
消防水柜主要为联通大厦及交通银行提供日常用水和消防用水，最低也需要1m的蓄水深度才能满足正常需求。拟采用超前小导管注浆技术加固水柜与出水口范围内地层，以保证施工安全。
2 基本理论和计算模型
数值计算分析采用有限差分软件FLAC3D。本工程由于地质情况较复杂，根据地质勘察报告提供的数据，模型简化为4个土层，填土厚2m，黏土层厚度取8m，下部为泥岩。假定地表和各土层均匀水平分布且不考虑地下水的影响，土体材料采用莫尔一库仑本构模型，混凝土材料采用弹性材料。地层岩土与材料的应力、应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由自重应力计算自动生成。采用fluid流体模块与力学模块耦合分析整个施工过程，其中流体模块选择fl-isotropic均质流体模型进行计算，假定固体颗粒骨架是不可压缩的。含水层中取黏土渗透系数为3×10-3m／s。依据勘察单位提供的土工试验数据、原位试验结果，并结合本地经验，确定岩土材料参数，根据混凝土结构设计规范确定混凝土材料参数，具体如表1所示。
建模范围考虑到尺寸效应，两侧至少2倍开挖空间宽度，所以整个模型取长100m、宽46m、高50m。模型上表面为自由表面，允许其自由变形，前后左右4个面对称布置固定水平方向变形速率，底面固定竖向变形速率。水柜与出入口空间位置如图2所示。
3 消防水柜蓄水量对施工的影响研究
为分析消防水柜蓄水量对出入口施工的影响，在地表及消防水柜地面设置若干监测点，对蓄水量进行实时监控。
消防水柜的蓄水位要在1m以上，才能满足联通大厦及交通银行的日常用水及消防用水。因此，本文通过分析对比水位在1，2，4m 3种不同条件下对施工的影响，进而探究消防水柜蓄水深度对下穿施工的影响程度。
根据公式P =pgh计算加在水柜侧壁和底板上的水压力，分析在不注浆或大范围注浆条件下，水位对工程的影响，并得到结果如表2所示。
在不注浆和大范围注浆条件下，3种水位深度施工地表最大沉降、出人口拱顶最大沉降、水柜最大沉降模拟结果对比如图3所示。
不注浆时，各项最大沉降值随着水位的增加而增大，但是变化量极小。与最低蓄水量相比，满水状态下的地表最大沉降、出入口拱顶最大沉降和消防水柜最大沉降分别增长了1. 8%，5.0%和9.2%。大范围注浆工况与不注浆工况类似，地表沉降、出入口拱顶最大沉降、消防水柜最大沉降的增长百分比分别为0. 7%，3.3%和4.3%。
综合上述数据可知，在注浆加固地层后，蓄水量变化引起的各部位沉降远小于不注浆引起的沉降量。消防水柜蓄水量的变化对水柜及出入口拱顶沉降的影响比较明显，对地表沉降基本无作用。
因此，施工过程中，消防水柜蓄水量在保证正常供水的前提下，越低越有利于施工安全。
4层次分析方案比选
由于各注浆方案施工侧重不同，注浆范围、砂浆种类、注浆量、水灰比等因素也不相同。不同评价指标均有相应的方案优劣顺序，各评价指标的重要程度是影响最终方案选择的主要因素之一。对于出入口下穿消防水柜此单项工程，施工关键在于确保消防水柜和出入口本身的安全，避免水柜开裂漏水，然后尽量保证工期节约成本。本节运用层次分析法对多方案给出一个数据化的排序，为决策者进行最终的方案选择提供参考。
4.1 多种方案确定
本文综合考虑注浆范围和程度提出7种方案，模拟消防水柜保持最低需水量(1m)状态下的施工情况。注浆范围分为不注浆、小范围注浆和大范围注浆；调节水灰比和砂浆用量使注浆程度达到不同强度，通过改变材料参数实现具体模拟。
浆液种类、注浆压力、浆液用量及水灰比等因素决定注浆强度，本文在模拟时，通过调节材料参数来改变注浆强度。根据现场注浆试验，泥岩弹性模量可以提高1.5~2.5倍，黏聚力可以提高2～4倍，黏土弹性模量可以提高5～10倍，黏聚力可以提高3～6倍，根据各种情况进行组合形成7种方案，各方案具体情况如表3所示。
4.2方案筛选
根据《砌体结构设计规范》GB50003-2012，确定消防水柜池壁轴心抗拉强度设计值为0. 13MPa，轴心抗压强度设计值为1. 5MPa。出人口为浅埋隧道，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013综合判定工程监测等级为二级，池壁应力控制值按照砌体结构拉压应力设计值的80%计算，给出各监测项目控制值如表4所示。
本项目工程主要保证出入口施工安全下，消防水柜不开裂漏水。并针对消防水柜池壁拉压应力、消防水柜沉降、出入口拱顶沉降、地表沉降，对7种注浆加固方案进行模拟分析，得到的具体结果如表5所示。
模拟结果与控制指标对比后，方案7出入口拱顶沉降与池壁压应力均超过限值，不满足要求，其他方案均可行。
4.3 确定施工方案总排序
以确定出入口下穿消防水柜最优方案为目标，根据施工中各评判指标的重要性顺序，选择水箱最大拉应力、水箱壁最大沉降、出入口拱顶最大沉降、工程造价、工期、水箱最大压应力、地表最大沉降，为评价指标，建立目标分层结构，比选7种方案。
比较不同方案下的各评判指标结果，建立两两比较的评判矩阵，然后通过计算得到目标判断矩阵如表6所示。
经一致性检验，各因素的检验结果均满足要求，最后得到各施工方案的总排序如表7所示。
如表7所示，方案1是对安全控制最高的方案，方案6是最经济工期最短的方案。按照所选取评价指标及权重分配情况下，方案1为出入口下穿消防水柜最优解决方案，其次为方案2、方案6。
5 最优方案模拟结果分析
根据所选择的评价指标及对各评价指标分配的权重系数得到最优施工方案为方案1。根据数值计算结果对最优方案进行分析总结，得到竖向沉降云图、垂直应力分布云图、水平应力分布云图。
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处为10. 2mm，消防水柜底面最大沉降发生在出入口近端，为11. 8mm，消防水柜顶面最大沉降发生在出入口近端，为10.5 mm，出人口拱顶最大沉降为12.8 mm，由于受到消防水柜的抵抗作用，出入口拱顶沉降距离消防水柜近端要比消防水柜远端小。
消防水柜垂直方向应力在顶边中间位置，最大压应力达到0. 41MPa，侧边位置存在小范围的受拉区，最大达到36kPa。
消防水柜x方向应力在顶边中间位置，最大压应力达到1. 1MPa，侧壁两边下方位置存在一定的受拉区域，最大达81kPa。
将最优方案与不注浆情况模拟结果的各项指标进行对比，如图4所示。
通过在出入口与消防水柜之间大范围注浆，地表沉降从16mm减少到10. 2mm，出人口拱顶最大沉降从30. 2mm减少到12.8 mm，消防水柜最大沉降从18. 4mm减少到11. 8mm，由此可知最优方案可大大提高施工过程中消防水柜及出人口本身的安全性。
6 具体施工措施及效果
伴随出入口施工，采用洞内深孔注浆，具体工艺如下。
1)浆液选用水泥浆，注浆范围和注浆参数按照数值分析最优方案取值。按15m 一个循环，开挖至10m时进行下一阶段循环注浆施工，注浆孔按1m×1m梅花形布置，注浆管长度及注浆角度根据掌子面前方不良地质体位置确定，注浆有效直径1.2~1. 5m。
2)注浆布点前应挂网喷射混凝土250mm，封闭掌子面，确保施工安全。
3)注浆过程中，随时对注浆地段的周围情况进行检查和监测，尤其是对附近建（构）筑物，避免施工对周边造成影响。
4)必须保证加固后土体抗压强度≥0. 8MPa。
施工中对地表沉降进行监测，每5m 一个断面，选取水柜纵向中点处断面，比较完工后实际沉降监测值与数值计算结果如图5所示。
由图5可知，出入口结构开挖支护完成地表沉降曲线数值模拟值与实际监测数据基本吻合，由此验证了数值分析所提供施工方案的正确性。
7结语
本文分析了在大范围注浆及不注浆情况下，消防水柜蓄水量对下穿施工的影响。研究结果表明蓄水量的多少对地表沉降的影响不大，但对消防水柜自身的变形作用突出，所以施工时要尽量保持最低蓄水量。
通过层次分析法对7种不同的下穿施工方案进行比较分析，根据选定的7个评价指标排出优劣顺序。施工方案的总排序结果为项目的决策者提供了清晰明了的优劣顺序，根据工程的差异会给出不同的评价指标及考虑不同的权重分配，从而得到不同的排序结果。
从最终的施工效果来看，所选方案切实可行，水柜未发生开裂漏水，隧道施工安全顺畅。
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