摘要:基于三維有限元對(duì)快速路與地鐵合建車站基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，通過(guò)設(shè)置不同距離的后挖基坑范圍，分析不同后挖范圍對(duì)已完工地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的影響。對(duì)比結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，施工后挖范圍的縮小會(huì)減小已完工盾構(gòu)隧道的上浮變形，同時(shí)減小對(duì)延線路方向的隧道變形范圍，當(dāng)后挖范圍縮小到一定數(shù)值后，變形量會(huì)逐漸穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，為后續(xù)基坑方案設(shè)計(jì)及制定提供參考。

　　關(guān)鍵詞:三維;有限元;合建車站;盾構(gòu)隧道;施工影響

　　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(duì)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(zhǎng)，城市交通也從路面變?yōu)槁访妗⒙废碌牧Ⅲw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(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)者基于實(shí)際工程案例對(duì)于該類變形影響進(jìn)行了大量的研究。

　　如魏綱[1]對(duì)基坑開(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)挖對(duì)下方隧道的影響。沈霄云[5]針對(duì)淺覆土盾構(gòu)區(qū)間上方進(jìn)行開(kāi)挖卸荷，通過(guò)三維有限元計(jì)算同實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

　　綜上可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖對(duì)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(kāi)挖以及針對(duì)特定工程的影響分析。但合建地鐵車站施工對(duì)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(wú)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(kāi)的U型槽段。

　　考慮到地鐵區(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(guò)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(duì)設(shè)計(jì)方案的制定就顯得十分重要。對(duì)此本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)快速路與地鐵合建車站端頭基坑不同開(kāi)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(hào)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(shè)置的要求，車站結(jié)構(gòu)形式為兩端開(kāi)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(tái)層。端頭井部分寬度31m，整個(gè)基坑深度24m。本區(qū)域研究范圍內(nèi)主要土層為碎石混黏性土。為簡(jiǎn)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)。

　　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(zhǎng)度的后挖基坑作為盾構(gòu)吊裝作業(yè)空間，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(kāi)挖施工。考慮到地鐵盾構(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?jī)?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(duì)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(shí)需考慮對(duì)周邊環(huán)境的影響，場(chǎng)地整體建模范圍不能過(guò)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)程對(duì)基坑結(jié)構(gòu)及土層條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，各個(gè)計(jì)算模型的參數(shù)及模型簡(jiǎn)化均一致，對(duì)各方案對(duì)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(kù)侖塑性模型，通過(guò)控制后挖土體單元生死模擬開(kāi)挖對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)典的摩爾-庫(kù)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(duì)稱性，簡(jiǎn)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(guò)常規(guī)試驗(yàn)測(cè)定[7]。黃勇等[8]對(duì)比分析了摩爾-庫(kù)侖模型和劍橋模型兩本構(gòu)關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的影響，表明劍橋模型與摩爾-庫(kù)侖模型分析結(jié)果規(guī)律上相對(duì)一致，但摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算結(jié)果偏保守。本文基于簡(jiǎn)化原則，土體采用摩爾-庫(kù)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(guò)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，分別按照15m，18m，20m，22m，25m，30m進(jìn)行三維分析模型創(chuàng)建，分析不同后開(kāi)挖土體范圍對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。考慮到地鐵及快速路基坑均為對(duì)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40kPa，內(nèi)摩擦角20°，彈性模量20MPa，地基承載力350kPa，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30000MPa，C50混凝土彈性模量34500MPa。盾構(gòu)吊裝周邊地面施工超載取30kPa。

　　6計(jì)算分析結(jié)果

　　為后挖基坑范圍取20m時(shí)，模型整體應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果。通過(guò)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(dòng)下方的盾構(gòu)隧道上移變形。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(kāi)挖范圍的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)后挖范圍長(zhǎng)度小于15m時(shí)，盾構(gòu)隧道整體變形量均很小，后挖范圍大于20m時(shí)，盾構(gòu)隧道變形量逐漸增加，土體卸載對(duì)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(shí)，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20m以下時(shí)，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(wú)明顯上浮區(qū)域。當(dāng)后挖范圍開(kāi)始擴(kuò)大，盾構(gòu)隧道兩端對(duì)盾構(gòu)隧道的約束作用變?nèi)酰�盾�?gòu)隧道沿線路方向的變形范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)后開(kāi)挖范圍增加到30m時(shí)，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。為通過(guò)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20m以下時(shí)，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(guò)20m后，隧道的整體變形量會(huì)顯著增加。對(duì)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(kāi)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(kāi)挖范圍的加大逐漸減小。

　　7結(jié)語(yǔ)

　　傳統(tǒng)的基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法往往采用平面簡(jiǎn)化模型計(jì)算，缺少空間上對(duì)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(duì)工程的影響規(guī)律，本文基于三維有限元對(duì)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(duì)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15m后，整體影響均不大。2)施工后挖范圍的增加，會(huì)導(dǎo)致地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道兩端約束效果變?nèi)酰�盾�?gòu)隧道沿線路方向的上浮范圍增大。后挖范圍不超過(guò)15m對(duì)盾構(gòu)隧道的影響最小，超過(guò)25m后會(huì)導(dǎo)致隧道整體變形顯著增加，當(dāng)后挖范圍達(dá)到30m時(shí)，從變形數(shù)據(jù)的對(duì)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(guò)有限元分析結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求建議后挖范圍不大于20m。后續(xù)類似案例在確定方案時(shí)，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(duì)盾構(gòu)隧道的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]魏綱.基坑開(kāi)挖對(duì)下方既有盾構(gòu)隧道影響的實(shí)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué)，2013，34(5):1421-1428.

　　[2]何小龍，董浩偉，陳燕青，等.上跨地鐵基坑開(kāi)挖對(duì)區(qū)間隧道變形影響的監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019，17(4):39-44.

　　[3]曹前.既有地鐵隧道上方基坑開(kāi)挖特性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2018，62(5):109-115.

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

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

　　[6]張學(xué)言，閆澍旺.巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2004.

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