周 亮，陈华雷，周谷城

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

在城镇建设过程中，基坑工程不断涌现，传统理论和计算方法很难准确计算基坑与周边环境之间的相互影响关系，因此，数值模拟方法广泛用于基坑环境影响分析中[1- 3]。对于基坑开挖施工对邻近环境的影响目前已有不少相关研究，但是主要集中在静荷载下的变形研究，张新东[4]研究了邻近铁路深基坑施工对周边环境的影响规律；詹涛等[5]通过有限元模拟，分析了基坑开挖对临近运营铁路的变形影响及铁路加固方案的可靠性；李明广等[6]通过三维数值模拟，分析了铁路荷载对基坑围护结构变形的影响及基坑开挖对铁路路基沉降的影响。沉井施工工艺与一般基坑不同[7]，目前国内外对沉井的研究主要集中在结构稳定性、应力控制及施工措施等问题[8- 10]，王广森[8]研究了圆形沉井结构的井壁强度、刃脚强度及底板强度计算方法；朱晓文等[9]利用有限单元法对北锚地基基础的受力进行三维仿真分析；孙冬海[10]分析了沉井施工技术及施工要点；麻杰[11]对沉井的施工工艺、下沉控制措施以及纠偏方法等内容进行了详细研究。目前针对沉井施工对周边环境影响的研究相对较少[12]，本文以上海临港产业区重大项目配套给水管线工程中日新河顶管接收井沉井为研究对象，通过建立三维有限元分析模型，分析了在考虑铁路列车移动荷载情况下沉井施工对邻近铁路岸坡的变形影响及相应的边坡稳定性，并分析了列车荷载对沉井的变形影响，为今后类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

上海临港产业区重大项目配套给水管线工程位于上海临港产业区，以满足特斯拉、新晟半导体、积塔半导体和大白鱼项目的用水需求为基础，结合临港未来发展，统筹考虑供水系统布局，配套敷设DN1000、DN800的给水管线与扩容1#水库增压泵站供水规模。

工程管线在穿越日新河(铁路段)河道时采用顶管工艺，顶管定向钻进时需在起点与终点各设一处工作槽坑。其中终点处接收井采用沉井，沉井均采用C35钢筋砼结构，外壁厚800m，封底厚600mm，深度7.8m。沉井外边线与岸坡坡顶水平净距约20.0m，岸坡坡顶宽约6.2m，其上为芦潮港铁路Z2线、芦潮港铁路Z4线，沉井断面如图1所示，平面如图2所示。

2 沉井施工数值模拟

2.1 三维有限元模型建立

采用PLAXIS 3D进行沉井基坑三维数值模拟分析，根据以往类似工程经验及计算精度的要求，基坑开挖影响宽度可取开挖深度的3～5倍，故有限元模型尺寸定为80m×60m×25m。在土层模拟时，创建了18个钻孔以模拟现状场地。模型底部边界条件采用完全固定，顶部边界条件自由，各立面边界条件采用法向固定，即限制其水平方向的位移。对沉井外壁与封底采用板单元模拟，并添加界面单元以模拟板与土的相互作用。在岸坡坡顶采用面荷载模拟铁轨均布荷载，移动线荷载模拟列车移动荷载。计算模型中共生成1.81万个单元，2.99万个节点，计算模型如图3所示。

图1 沉井断面图

图2 沉井平面图

图3 三维数值模拟计算模型

2.2 模型参数

土体本构模型采用等向硬化弹塑性模型(HS模型)，各土层计算参数根据勘察报告及王卫东等[13]的研究成果，取值见表1。沉井外壁与封底混凝土强度等级均为C35，按经验考虑刚度折减后，取混凝土弹性模量为26GPa,泊松比取0.20，重度取25KN/m3。参考TB 10002.1—2017《铁路桥涵设计基本规范》[14]中设计荷载的相关规定，本次模拟中铁路轨道采用面荷载模拟，取值为5KN/m2；列车荷载采用移动线荷载模拟，一辆列车总移动荷载为80KN/m，采用2×40KN/m的移动线荷载模拟，荷载移动速度为60m/s，加速度0m/s2。模拟时，铁路Z2线移动方向为Y正方向，铁路Z4线移动方向为Y反方向，即两辆列车相向而行。列车移动方向模型尺寸为60m，列车速度60m/s，故模拟时间为1s，两辆列车在0.5s时相遇。

2.3 模拟步骤

(1)计算工程初始应力场(地下水位取地表下0.5m，河道水位取设计高水位3.70m，施加5KN/m2面荷载)；

(2)对步骤(1)产生位移归0；

(3)激活沉井外壁板单元及相应界面单元，坑内降水并开挖土体；

(4)激活沉井封底板单元及相应界面单元；

(5)激活移动线荷载，动力时间间隔设置为1s。

表1 HS模型参数表

图4 岸坡坡顶水平位移曲线

3 计算结果与分析

3.1 沉井施工后岸坡坡顶变形分析

沉井基坑影响范围内岸坡坡顶共有芦潮港铁路Z2线、芦潮港铁路Z4线，本次计算模拟了仅有Z2线经过时，基坑开挖对岸坡坡顶变形的影响，以及当Z2线、Z4线同时经过时，基坑开挖对岸坡坡顶变形的影响。为分析基坑开挖后列车移动下岸顶的增量变形，需分别计算基坑开挖后、基坑开挖前列车移动下岸顶变形，两者差值为沉井基坑开挖带来的附加影响。本文计算了基坑施工前、基坑施工后单辆列车移动下岸坡坡顶的水平变形、竖直变形，以及基坑施工前、基坑施工后两辆列车相向移动下岸坡坡顶的水平变形(与岸坡走向垂直方向)、竖直变形，计算成果如图4—5所示。

由坡顶水平位移曲线可知，在单辆列车移动下，基坑开挖产生的最大附加水平位移约1.434mm；在两辆列车移动下，基坑开挖产生的最大附加水平位移约1.569mm，方向均指向基坑方向。

由坡顶竖直位移曲线可知，在单辆列车移动下，基坑开挖产生的最大附加竖直位移约1.933mm，方向向下；在两辆列车移动下，基坑开挖产生的最大附加竖直位移约2.283mm，方向向下。

3.2 沉井施工后岸坡边坡稳定分析

PLAXIS进行安全系数求解采用的是有限元强度折减法，该分析方法是对土的内摩擦角和粘聚力不断折减，直至计算模型发生破坏。程序中系数ΣMsf即强度折减系数，表达式如下：

∑Msf=(tanφinput)/(tanφreduced)=cinput/creduced

式中，tanφinput、cinput—表1中输入的内摩擦角正切值、粘聚力；tanφreduced、creduced—经过折减后的内摩擦角正切值、粘聚力。

系数ΣMsf默认值为0.10，然后ΣMsf在计算中不断递增至模型发生破坏，此时对应的ΣMsf即模型的安全系数值。

采用该方法无需对滑动面位置及形状做假定，也无需进行条分，并且可以考虑土体的非线性弹塑性本构关系，以及变形对应力的影响[15- 16]，计算结果具有较高的准确性。

根据有限元模拟结果，基坑施工前，在无列车、单辆列车荷载、两辆列车荷载情况下边坡的位移—安全系数曲线如图6所示；基坑施工后，在无列车、单辆列车荷载、两辆列车荷载情况下边坡的位移—安全系数曲线如图7所示。

图5 岸坡坡顶竖直位移曲线

对各种情况下边坡稳定安全系数进行统计，见表2。

表2 边坡稳定安全系数表

由数值模拟分析成果可知，沉井基坑施工前后边坡稳定安全系数变化不大，基本无影响，安全系数在无列车移动时最大，单辆列车荷载时次之，两辆列车荷载时最小。

3.3 沉井变形分析

以沉井外壁为研究对象，分析列车移动荷载对其变形的影响，在无列车移动、单列车移动、双列车移动情况下其变形分布如图8所示。

对各种情况下外壁水平变形数值进行统计，重点分析邻近岸坡侧沉井外壁及远岸坡侧沉井外壁，见表3。

表3 沉井外壁水平变形统计表 单位：mm

注：表中负值表示位移方向背离岸坡侧

由数值模拟分析成果可知，在考虑列车移动荷载后，沉井外壁水位位移数值显著增大，且方向为背离岸坡侧。

4 结论

本文结合工程实例，通过三维有限元数值模拟分析方法，研究了考虑移动荷载情况下沉井施工对岸坡变形、边坡稳定的影响，得出以下结论：

(1)在考虑移动荷载情况下，沉井施工引起的岸坡最大水平位移、竖直位移分别为1.569、2.283mm，均未达到报警值，无需采取加固措施，施工中注意监测即可。

图7 沉井基坑施工后边坡位移—安全系数曲线

图8 沉井外壁水平变形网格图

(2)沉井施工对边坡稳定安全影响不大，在各运行工况下，无列车时边坡稳定安全系数最大，两辆列车荷载时安全系数最小。列车荷载对边坡安全有一定影响，与无列车工况相比，单辆列车荷载时安全系数平均下降12.59%，两辆列车荷载时安全系数平均下降12.84%。

(3)列车荷载对沉井变形有较大影响，加大了沉井外壁的水平位移，与无列车工况相比，单辆列车荷载时水平变形平均增大约158%，两辆列车荷载时水平变形平均增大约182%。