合建車站開挖方案對盾構(gòu)隧道的影響分析

王立巖，丁 欣，王志虹

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2.浙勤機(jī)關(guān)后勤和培訓(xùn)服務(wù)中心，浙江 杭州 310012)

1 概述

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵及地下快速路在城市范圍內(nèi)也逐漸增加。為了減少對周邊地塊的影響，地鐵車站的布置范圍及線路走向大部分位于現(xiàn)狀道路以下。伴隨著城市汽車保有量的增長，城市交通也從路面變?yōu)槁访?、路下的立體交通方式。這就導(dǎo)致地鐵及地下快速路在相同的區(qū)域出現(xiàn)重疊，尤其是在交通相對重要的干線道路下方。在本就不寬敞的現(xiàn)狀道路設(shè)置下穿隧道以及地鐵車站，往往要考慮兩者之間的合建。

國內(nèi)學(xué)者基于實(shí)際工程案例對于該類變形影響進(jìn)行了大量的研究。如魏綱[1]對基坑開挖影響下方既有盾構(gòu)隧道的機(jī)制進(jìn)行了理論分析并與實(shí)際工程案例對比。何小龍等[2]分析了地鐵區(qū)間隧道與基坑等各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系。曹前[3]研究了開挖工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形以及管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并提出了相應(yīng)的施工控制措施。段忠輝[4]分析了深大基坑開挖對下方隧道的影響。沈霄云[5]針對淺覆土盾構(gòu)區(qū)間上方進(jìn)行開挖卸荷，通過三維有限元計(jì)算同實(shí)際基坑開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

綜上可見，基坑開挖對地鐵盾構(gòu)隧道變形影響的研究成果主要集中在隧道上方基坑開挖以及針對特定工程的影響分析。但合建地鐵車站施工對地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道影響分析的案例研究較少。受限于原有路網(wǎng)規(guī)劃，以及快速路隧道坡度限值，快速路隧道與地鐵合建車站可能存在無法全部下壓至地面以下的情況，這就造成合建車站兩端不得不設(shè)置露天敞開的U型槽段?？紤]到地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道工籌等因素限制，合建車站兩端的U型槽段在盾構(gòu)吊裝及后續(xù)基坑施工過程中的受力分析，以及考慮盾構(gòu)吊裝作業(yè)空間預(yù)留土體卸載造成的盾構(gòu)隧道變形影響，對設(shè)計(jì)方案的制定就顯得十分重要。對此本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對快速路與地鐵合建車站端頭基坑不同開挖施工方案進(jìn)行了三維數(shù)值分析，為確定實(shí)際設(shè)計(jì)及施工方案提供指導(dǎo)。

2 工程概況

本工程為杭州地鐵3號線花塢路站，是地鐵與天目山快速路合建車站?？紤]到快速路前后路口距離車站較短，并且受限于快速路坡度設(shè)置的要求，車站結(jié)構(gòu)形式為兩端開口的地下三層雙柱三跨車站。其中地下一層為兩端設(shè)置U型槽的隧道快速路，地下二層為車站站廳層，地下三層為車站的站臺層。端頭井部分寬度31 m，整個基坑深度24 m。本區(qū)域研究范圍內(nèi)主要土層為碎石混黏性土。為簡化分析模型，車站影響范圍內(nèi)土體的計(jì)算參數(shù)統(tǒng)一采用該土層數(shù)據(jù)。端頭井橫剖面及縱剖面圖見圖1，圖2。

3 工程背景

地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道由于采用柔性結(jié)構(gòu)，在一般情況下盾構(gòu)施工需在地面結(jié)構(gòu)完工之后進(jìn)行。但本工程車站端頭盾構(gòu)工作井正上方負(fù)一層設(shè)置了一部分U型槽段，若首先完成車站端墻外側(cè)U型槽結(jié)構(gòu)的基坑，盾構(gòu)機(jī)吊裝作業(yè)只能選在車站一側(cè)實(shí)施，整體吊裝作業(yè)空間變得十分局促，且影響吊裝作業(yè)安全。故本工程考慮在車站端頭外預(yù)留一定長度的后挖基坑作為盾構(gòu)吊裝作業(yè)空間，如圖3所示，當(dāng)盾構(gòu)吊裝施工完畢后再進(jìn)行該區(qū)域U型槽段的基坑開挖施工?？紤]到地鐵盾構(gòu)設(shè)備吊裝豎向作業(yè)空間要求，車站基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為懸臂地墻結(jié)構(gòu)。本文主要研究內(nèi)容便是車站外側(cè)U型槽段后挖基坑土體卸載及施工作業(yè)荷載作用下對基坑及盾構(gòu)隧道的影響。

4 理論模型

由于采用三維有限元分析，基坑混凝土構(gòu)件與周邊土體往往需要大量接觸分析，同時需考慮對周邊環(huán)境的影響，場地整體建模范圍不能過小。這容易造成計(jì)算單元數(shù)量多，計(jì)算效率下降，計(jì)算時間過長，結(jié)果不易收斂等后果。在不影響結(jié)論的前提下，本研究過程對基坑結(jié)構(gòu)及土層條件進(jìn)行了簡化處理(見圖4)，各個計(jì)算模型的參數(shù)及模型簡化均一致，對各方案對比不產(chǎn)生影響。車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)管片采用理想的彈性模型，土體結(jié)構(gòu)采用摩爾-庫侖塑性模型，通過控制后挖土體單元生死模擬開挖對結(jié)構(gòu)的影響。

經(jīng)典的摩爾-庫侖模型[6]的優(yōu)點(diǎn)是能反映巖土類材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度的不對稱性，簡單實(shí)用，模型參數(shù)少，并且其中的主要參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ可以通過常規(guī)試驗(yàn)測定[7]。黃勇等[8]對比分析了摩爾-庫侖模型和劍橋模型兩本構(gòu)關(guān)系對結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的影響，表明劍橋模型與摩爾-庫侖模型分析結(jié)果規(guī)律上相對一致，但摩爾-庫侖模型計(jì)算結(jié)果偏保守。本文基于簡化原則，土體采用摩爾-庫侖模型進(jìn)行規(guī)律研究，計(jì)算結(jié)果值僅作為規(guī)律統(tǒng)計(jì)總結(jié)。

5 建模參數(shù)

通過調(diào)整地鐵基坑端墻與已完工快速路U型槽基坑端墻之間的距離(即圖3中的后開挖基坑范圍)，分別按照15 m，18 m，20 m，22 m，25 m，30 m進(jìn)行三維分析模型創(chuàng)建，分析不同后開挖土體范圍對盾構(gòu)隧道的影響?？紤]到地鐵及快速路基坑均為對稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算分析。土體計(jì)算參數(shù)取值如下：黏聚力為40 kPa，內(nèi)摩擦角20°，彈性模量20 MPa，地基承載力350 kPa，泊松比0.3。混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)取值：泊松比為0.2，C30混凝土彈性模量為30 000 MPa，C50混凝土彈性模量34 500 MPa。盾構(gòu)吊裝周邊地面施工超載取30 kPa。

6 計(jì)算分析結(jié)果

圖5，圖6為后挖基坑范圍取20 m時，模型整體應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果。通過變形云圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道上方土體卸載后U型槽坑底土體有明顯的上移，進(jìn)而帶動下方的盾構(gòu)隧道上移變形。圖7為后挖基坑不同長度范圍下盾構(gòu)隧道底部變形對比統(tǒng)計(jì)圖，在本工程設(shè)置的邊界條件下，可以得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1)隧道的整體變形隨后開挖范圍的增加呈增長趨勢。當(dāng)后挖范圍長度小于15 m時，盾構(gòu)隧道整體變形量均很小，后挖范圍大于20 m時，盾構(gòu)隧道變形量逐漸增加，土體卸載對盾構(gòu)隧道上浮的影響逐漸變得明顯。主要原因是盾構(gòu)隧道兩端的約束作用，當(dāng)土體卸載范圍較小時，隧道兩端的約束能夠抵抗一部分隧道上方土體荷載卸載造成的隧道上浮變形。2)盾構(gòu)隧道沿線路方向的變形范圍隨著后挖范圍的增加而擴(kuò)大。后挖范圍控制在20 m以下時，研究范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道兩端能夠?qū)λ淼烙休^好的約束，隧道上浮變形較為均勻，無明顯上浮區(qū)域。當(dāng)后挖范圍開始擴(kuò)大，盾構(gòu)隧道兩端對盾構(gòu)隧道的約束作用變?nèi)酰軜?gòu)隧道沿線路方向的變形范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)后開挖范圍增加到30 m時，盾構(gòu)隧道兩端的約束作用已不明顯，盾構(gòu)隧道在研究范圍內(nèi)發(fā)生整體上浮變形。表1為通過有限元軟件模擬盾構(gòu)隧道整體變形的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)后挖范圍控制在20 m以下時，隧道的整體變形隨著后挖范圍增加變化不大，當(dāng)后挖范圍超過20 m后，隧道的整體變形量會顯著增加。對比不同后挖范圍內(nèi)盾構(gòu)變形量占土體變形量的百分比可以發(fā)現(xiàn)，該比值隨開挖范圍的增加逐步變大，這表明盾構(gòu)隧道兩端的約束作用隨開挖范圍的加大逐漸減小。

表1 不同施工方案模擬結(jié)果對比

7 結(jié)語

傳統(tǒng)的基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法往往采用平面簡化模型計(jì)算，缺少空間上對結(jié)構(gòu)的影響分析，三維空間分析能夠直觀了解參數(shù)變化對工程的影響規(guī)律，本文基于三維有限元對復(fù)雜施工條件下的基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合前人的研究成果，得到以下結(jié)論：1)后挖范圍大小對地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形具有一定影響，隨著后挖范圍變小，影響逐漸變小，當(dāng)后挖范圍小于15 m后，整體影響均不大。2)施工后挖范圍的增加，會導(dǎo)致地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道兩端約束效果變?nèi)?，盾?gòu)隧道沿線路方向的上浮范圍增大。后挖范圍不超過15 m對盾構(gòu)隧道的影響最小，超過25 m后會導(dǎo)致隧道整體變形顯著增加，當(dāng)后挖范圍達(dá)到30 m時，從變形數(shù)據(jù)的對比可看出兩端的約束作用效果已經(jīng)非常微弱。因此在本項(xiàng)目的邊界條件下，通過有限元分析結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際需求建議后挖范圍不大于20 m。后續(xù)類似案例在確定方案時，在滿足施工作業(yè)最小范圍要求的前提下，應(yīng)盡可能縮小后挖范圍以減小對盾構(gòu)隧道的影響。