合建车站开挖方案对盾构隧道的影响分析

王立岩，丁 欣，王志虹

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2.浙勤机关后勤和培训服务中心，浙江 杭州 310012)

1 概述

随着城市建设的发展，地铁及地下快速路在城市范围内也逐渐增加。为了减少对周边地块的影响，地铁车站的布置范围及线路走向大部分位于现状道路以下。伴随着城市汽车保有量的增长，城市交通也从路面变为路面、路下的立体交通方式。这就导致地铁及地下快速路在相同的区域出现重叠，尤其是在交通相对重要的干线道路下方。在本就不宽敞的现状道路设置下穿隧道以及地铁车站，往往要考虑两者之间的合建。

国内学者基于实际工程案例对于该类变形影响进行了大量的研究。如魏纲[1]对基坑开挖影响下方既有盾构隧道的机制进行了理论分析并与实际工程案例对比。何小龙等[2]分析了地铁区间隧道与基坑等各项参数的关系。曹前[3]研究了开挖工况下隧道结构的变形以及管片结构的内力，并提出了相应的施工控制措施。段忠辉[4]分析了深大基坑开挖对下方隧道的影响。沈霄云[5]针对浅覆土盾构区间上方进行开挖卸荷，通过三维有限元计算同实际基坑开挖过程中的监测数据进行了对比分析。

综上可见，基坑开挖对地铁盾构隧道变形影响的研究成果主要集中在隧道上方基坑开挖以及针对特定工程的影响分析。但合建地铁车站施工对地铁区间盾构隧道影响分析的案例研究较少。受限于原有路网规划，以及快速路隧道坡度限值，快速路隧道与地铁合建车站可能存在无法全部下压至地面以下的情况，这就造成合建车站两端不得不设置露天敞开的U型槽段。考虑到地铁区间盾构隧道工筹等因素限制，合建车站两端的U型槽段在盾构吊装及后续基坑施工过程中的受力分析，以及考虑盾构吊装作业空间预留土体卸载造成的盾构隧道变形影响，对设计方案的制定就显得十分重要。对此本文结合实际工程案例，对快速路与地铁合建车站端头基坑不同开挖施工方案进行了三维数值分析，为确定实际设计及施工方案提供指导。

2 工程概况

本工程为杭州地铁3号线花坞路站，是地铁与天目山快速路合建车站。考虑到快速路前后路口距离车站较短，并且受限于快速路坡度设置的要求，车站结构形式为两端开口的地下三层双柱三跨车站。其中地下一层为两端设置U型槽的隧道快速路，地下二层为车站站厅层，地下三层为车站的站台层。端头井部分宽度31 m，整个基坑深度24 m。本区域研究范围内主要土层为碎石混黏性土。为简化分析模型，车站影响范围内土体的计算参数统一采用该土层数据。端头井横剖面及纵剖面图见图1，图2。

3 工程背景

地铁区间盾构隧道由于采用柔性结构，在一般情况下盾构施工需在地面结构完工之后进行。但本工程车站端头盾构工作井正上方负一层设置了一部分U型槽段，若首先完成车站端墙外侧U型槽结构的基坑，盾构机吊装作业只能选在车站一侧实施，整体吊装作业空间变得十分局促，且影响吊装作业安全。故本工程考虑在车站端头外预留一定长度的后挖基坑作为盾构吊装作业空间，如图3所示，当盾构吊装施工完毕后再进行该区域U型槽段的基坑开挖施工。考虑到地铁盾构设备吊装竖向作业空间要求，车站基坑的围护结构为悬臂地墙结构。本文主要研究内容便是车站外侧U型槽段后挖基坑土体卸载及施工作业荷载作用下对基坑及盾构隧道的影响。

4 理论模型

由于采用三维有限元分析，基坑混凝土构件与周边土体往往需要大量接触分析，同时需考虑对周边环境的影响，场地整体建模范围不能过小。这容易造成计算单元数量多，计算效率下降，计算时间过长，结果不易收敛等后果。在不影响结论的前提下，本研究过程对基坑结构及土层条件进行了简化处理(见图4)，各个计算模型的参数及模型简化均一致，对各方案对比不产生影响。车站的围护结构及盾构管片采用理想的弹性模型，土体结构采用摩尔-库仑塑性模型，通过控制后挖土体单元生死模拟开挖对结构的影响。

经典的摩尔-库仑模型[6]的优点是能反映岩土类材料的抗压和抗拉强度的不对称性，简单实用，模型参数少，并且其中的主要参数黏聚力c、内摩擦角φ可以通过常规试验测定[7]。黄勇等[8]对比分析了摩尔-库仑模型和剑桥模型两本构关系对结构变形及应力的影响，表明剑桥模型与摩尔-库仑模型分析结果规律上相对一致，但摩尔-库仑模型计算结果偏保守。本文基于简化原则，土体采用摩尔-库仑模型进行规律研究，计算结果值仅作为规律统计总结。

5 建模参数

通过调整地铁基坑端墙与已完工快速路U型槽基坑端墙之间的距离(即图3中的后开挖基坑范围)，分别按照15 m，18 m，20 m，22 m，25 m，30 m进行三维分析模型创建，分析不同后开挖土体范围对盾构隧道的影响。考虑到地铁及快速路基坑均为对称结构，为减少计算量，取一半结构进行建模计算分析。土体计算参数取值如下：黏聚力为40 kPa，内摩擦角20°，弹性模量20 MPa，地基承载力350 kPa，泊松比0.3。混凝土结构参数取值：泊松比为0.2，C30混凝土弹性模量为30 000 MPa，C50混凝土弹性模量34 500 MPa。盾构吊装周边地面施工超载取30 kPa。

6 计算分析结果

图5，图6为后挖基坑范围取20 m时，模型整体应力及变形计算结果。通过变形云图可以发现当隧道上方土体卸载后U型槽坑底土体有明显的上移，进而带动下方的盾构隧道上移变形。图7为后挖基坑不同长度范围下盾构隧道底部变形对比统计图，在本工程设置的边界条件下，可以得到以下两点结论：

1)隧道的整体变形随后开挖范围的增加呈增长趋势。当后挖范围长度小于15 m时，盾构隧道整体变形量均很小，后挖范围大于20 m时，盾构隧道变形量逐渐增加，土体卸载对盾构隧道上浮的影响逐渐变得明显。主要原因是盾构隧道两端的约束作用，当土体卸载范围较小时，隧道两端的约束能够抵抗一部分隧道上方土体荷载卸载造成的隧道上浮变形。2)盾构隧道沿线路方向的变形范围随着后挖范围的增加而扩大。后挖范围控制在20 m以下时，研究范围内盾构隧道两端能够对隧道有较好的约束，隧道上浮变形较为均匀，无明显上浮区域。当后挖范围开始扩大，盾构隧道两端对盾构隧道的约束作用变弱，盾构隧道沿线路方向的变形范围逐渐扩大，当后开挖范围增加到30 m时，盾构隧道两端的约束作用已不明显，盾构隧道在研究范围内发生整体上浮变形。表1为通过有限元软件模拟盾构隧道整体变形的数据统计，当后挖范围控制在20 m以下时，隧道的整体变形随着后挖范围增加变化不大，当后挖范围超过20 m后，隧道的整体变形量会显著增加。对比不同后挖范围内盾构变形量占土体变形量的百分比可以发现，该比值随开挖范围的增加逐步变大，这表明盾构隧道两端的约束作用随开挖范围的加大逐渐减小。

表1 不同施工方案模拟结果对比

7 结语

传统的基坑结构计算方法往往采用平面简化模型计算，缺少空间上对结构的影响分析，三维空间分析能够直观了解参数变化对工程的影响规律，本文基于三维有限元对复杂施工条件下的基坑结构进行分析，结合前人的研究成果，得到以下结论：1)后挖范围大小对地铁区间盾构隧道结构的变形具有一定影响，随着后挖范围变小，影响逐渐变小，当后挖范围小于15 m后，整体影响均不大。2)施工后挖范围的增加，会导致地铁区间盾构隧道两端约束效果变弱，盾构隧道沿线路方向的上浮范围增大。后挖范围不超过15 m对盾构隧道的影响最小，超过25 m后会导致隧道整体变形显著增加，当后挖范围达到30 m时，从变形数据的对比可看出两端的约束作用效果已经非常微弱。因此在本项目的边界条件下，通过有限元分析结合施工现场实际需求建议后挖范围不大于20 m。后续类似案例在确定方案时，在满足施工作业最小范围要求的前提下，应尽可能缩小后挖范围以减小对盾构隧道的影响。