摘要:基于三維有限元對快速路與地鐵合建車站基坑結構進行建模分析，通過設置不同距離的后挖基坑范圍，分析不同后挖范圍對已完工地鐵盾構區間隧道的影響。對比結果分析可以發現，施工后挖范圍的縮小會減小已完工盾構隧道的上浮變形，同時減小對延線路方向的隧道變形范圍，當后挖范圍縮小到一定數值后，變形量會逐漸穩定在一個較小的范圍內，為后續基坑方案設計及制定提供參考。

　　關鍵詞:三維;有限元;合建車站;盾構隧道;施工影響

　　1概述

　　隨著城市建設的發展，地鐵及地下快速路在城市范圍內也逐漸增加。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為路面、路下的立體交通方式。這就導致地鐵及地下快速路在相同的區域出現重疊，尤其是在交通相對重要的干線道路下方。在本就不寬敞的現狀道路設置下穿隧道以及地鐵車站，往往要考慮兩者之間的合建。國內學者基于實際工程案例對于該類變形影響進行了大量的研究。

　　如魏綱[1]對基坑開挖影響下方既有盾構隧道的機制進行了理論分析并與實際工程案例對比。何小龍等[2]分析了地鐵區間隧道與基坑等各項參數的關系。曹前[3]研究了開挖工況下隧道結構的變形以及管片結構的內力，并提出了相應的施工控制措施。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]針對淺覆土盾構區間上方進行開挖卸荷，通過三維有限元計算同實際基坑開挖過程中的監測數據進行了對比分析。

　　綜上可見，基坑開挖對地鐵盾構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間盾構隧道影響分析的案例研究較少。受限于原有路網規劃，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置露天敞開的U型槽段。

　　考慮到地鐵區間盾構隧道工籌等因素限制，合建車站兩端的U型槽段在盾構吊裝及后續基坑施工過程中的受力分析，以及考慮 盾構吊裝作業空間預留土體卸載造成的盾構隧道變形影響，對設計方案的制定就顯得十分重要。對此本文結合實際工程案例，對快速路與地鐵合建車站端頭基坑不同開挖施工方案進行了三維數值分析，為確定實際設計及施工方案提供指導。

　　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。考慮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置的要求，車站結構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31m，整個基坑深度24m。本區域研究范圍內主要土層為碎石混黏性土。為簡化分析模型，車站影響范圍內土體的計算參數統一采用該土層數據。

　　3工程背景

　　地鐵區間盾構隧道由于采用柔性結構，在一般情況下盾構施工需在地面結構完工之后進行。但本工程車站端頭盾構工作井正上方負一層設置了一部分U型槽段，若首先完成車站端墻外側U型槽結構的基坑，盾構機吊裝作業只能選在車站一側實施，整體吊裝作業空間變得十分局促，且影響吊裝作業安全。故本工程考慮在車站端頭外預留一定長度的后挖基坑作為盾構吊裝作業空間，當盾構吊裝施工完畢后再進行該區域U型槽段的基坑開挖施工。考慮到地鐵盾構設備吊裝豎向作業空間要求，車站基坑的圍護結構為懸臂地墻結構。本文主要研究內容便是車站外側U型槽段后挖基坑土體卸載及施工作業荷載作用下對基坑及盾構隧道的影響。

　　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境的影響，場地整體建模范圍不能過小。這容易造成計算單元數量多，計算效率下降，計算時間過長，結果不易收斂等后果。在不影響結論的前提下，本研究過程對基坑結構及土層條件進行了簡化處理，各個計算模型的參數及模型簡化均一致，對各方案對比不產生影響。

　　車站的圍護結構及盾構管片采用理想的彈性模型，土體結構采用摩爾-庫侖塑性模型，通過控制后挖土體單元生死模擬開挖對結構的影響。經典的摩爾-庫侖模型[6]的優點是能反映巖土類材料的抗壓和抗拉強度的不對稱性，簡單實用，模型參數少，并且其中的主要參數黏聚力c、內摩擦角φ可以通過常規試驗測定[7]。黃勇等[8]對比分析了摩爾-庫侖模型和劍橋模型兩本構關系對結構變形及應力的影響，表明劍橋模型與摩爾-庫侖模型分析結果規律上相對一致，但摩爾-庫侖模型計算結果偏保守。本文基于簡化原則，土體采用摩爾-庫侖模型進行規律研究，計算結果值僅作為規律統計總結。

　　5建模參數

　　通過調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，分別按照15m，18m，20m，22m，25m，30m進行三維分析模型創建，分析不同后開挖土體范圍對盾構隧道的影響。考慮到地鐵及快速路基坑均為對稱結構，為減少計算量，取一半結構進行建模計算分析。土體計算參數取值如下:黏聚力為40kPa，內摩擦角20°，彈性模量20MPa，地基承載力350kPa，泊松比0.3。混凝土結構參數取值:泊松比為0.2，C30混凝土彈性模量為30000MPa，C50混凝土彈性模量34500MPa。盾構吊裝周邊地面施工超載取30kPa。

　　6計算分析結果

　　為后挖基坑范圍取20m時，模型整體應力及變形計算結果。通過變形云圖可以發現當隧道上方土體卸載后U型槽坑底土體有明顯的上移，進而帶動下方的盾構隧道上移變形。在本工程設置的邊界條件下，可以得到以下兩點結論：

　　1)隧道的整體變形隨后開挖范圍的增加呈增長趨勢。當后挖范圍長度小于15m時，盾構隧道整體變形量均很小，后挖范圍大于20m時，盾構隧道變形量逐漸增加，土體卸載對盾構隧道上浮的影響逐漸變得明顯。主要原因是盾構隧道兩端的約束作用，當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)盾構隧道沿線路方向的變形范圍隨著后挖范圍的增加而擴大。后挖范圍控制在20m以下時，研究范圍內盾構隧道兩端能夠對隧道有較好的約束，隧道上浮變形較為均勻，無明顯上浮區域。當后挖范圍開始擴大，盾構隧道兩端對盾構隧道的約束作用變弱，盾構隧道沿線路方向的變形范圍逐漸擴大，當后開挖范圍增加到30m時，盾構隧道兩端的約束作用已不明顯，盾構隧道在研究范圍內發生整體上浮變形。為通過有限元軟件模擬盾構隧道整體變形的數據統計，當后挖范圍控制在20m以下時，隧道的整體變形隨著后挖范圍增加變化不大，當后挖范圍超過20m后，隧道的整體變形量會顯著增加。對比不同后挖范圍內盾構變形量占土體變形量的百分比可以發現，該比值隨開挖范圍的增加逐步變大，這表明盾構隧道兩端的約束作用隨開挖范圍的加大逐漸減小。

　　7結語

　　傳統的基坑結構計算方法往往采用平面簡化模型計算，缺少空間上對結構的影響分析，三維空間分析能夠直觀了解參數變化對工程的影響規律，本文基于三維有限元對復雜施工條件下的基坑結構進行分析，結合前人的研究成果，得到以下結論：

　　1)后挖范圍大小對地鐵區間盾構隧道結構的變形具有一定影響，隨著后挖范圍變小，影響逐漸變小，當后挖范圍小于15m后，整體影響均不大。2)施工后挖范圍的增加，會導致地鐵區間盾構隧道兩端約束效果變弱，盾構隧道沿線路方向的上浮范圍增大。后挖范圍不超過15m對盾構隧道的影響最小，超過25m后會導致隧道整體變形顯著增加，當后挖范圍達到30m時，從變形數據的對比可看出兩端的約束作用效果已經非常微弱。因此在本項目的邊界條件下，通過有限元分析結合施工現場實際需求建議后挖范圍不大于20m。后續類似案例在確定方案時，在滿足施工作業最小范圍要求的前提下，應盡可能縮小后挖范圍以減小對盾構隧道的影響。

　　參考文獻：

　　[1]魏綱.基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的實測與分析[J].巖土力學，2013，34(5):1421-1428.

　　[2]何小龍，董浩偉，陳燕青，等.上跨地鐵基坑開挖對區間隧道變形影響的監測與數值分析[J].水利與建筑工程學報，2019，17(4):39-44.

　　[3]曹前.既有地鐵隧道上方基坑開挖特性研究[J].鐵道標準設計，2018，62(5):109-115.

　　[4]段忠輝.既有地鐵區間隧道上方深大基坑開挖安全影響分析[J].建筑結構，2020，50(增刊2):747-752.

　　[5]沈霄云.淺覆土地鐵盾構上方基坑開挖影響數值分析[J].安徽建筑，2020，27(11):79-80，91.

　　[6]張學言，閆澍旺.巖土塑性力學基礎[M].天津:天津大學出版社，2004.

　　作者簡介:王立巖(1990-)，男，碩士，工程師王立巖1，丁欣2，王志虹1

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