共用地下連續墻深基坑影響下地鐵車站與隧道節點變形分析

冉岸綠， 李明廣， 陳錦劍，2，*， 王建華，2

(1. 上海交通大學土木工程系， 上海 200240； 2. 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

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共用地下連續墻深基坑影響下地鐵車站與隧道節點變形分析

冉岸綠1， 李明廣1， 陳錦劍1，2，*， 王建華1，2

(1. 上海交通大學土木工程系， 上海 200240； 2. 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

為了分析深基坑與地鐵車站共用地下連續墻影響下車站和隧道連接節點的變形特性，保護地鐵線路運營的整體安全，通過現場測試和數值模擬展開研究。根據上海地區深基坑與地鐵車站共用地下連續墻工程實例的現場測試數據，分析了開挖施工過程中車站與地鐵盾構隧道的豎向位移分布特征，并采用三維數值模型研究了共用地下連續墻深基坑開挖深度、相對位置對車站與隧道節點變形的影響，探討了車站與隧道節點的曲率半徑、相對彎曲的發展變化規律，并判斷其安全狀態。測試結果與數值分析均表明，車站與隧道節點變形比隧道最大沉降處更加不利；節點的曲率半徑隨基坑開挖深度的增加而減小，相對彎曲隨基坑開挖深度的增加而增加；基坑與車站完全共用地下連續墻或遠離隧道時，節點處的曲率半徑相對較大。

共用地下連續墻； 深基坑； 地鐵車站； 盾構隧道； 節點； 曲率半徑； 安全性態

0 引言

隨著城市地鐵網絡越來越密集、地下工程建設越來越多，兩者的相互影響和沖突也日益突出。作為城市生命線工程的地鐵結構對鄰近地下工程施工提出了嚴苛的保護要求，深基坑對既有地鐵車站與區間隧道的影響及控制，已成為隧道與地下工程領域的重要課題[1-3]。國內外很多學者通過現場實測[4-5]和數值分析[6]等手段研究了基坑開挖對地鐵的影響規律，并提出了一系列保護控制對策和施工工藝[7-8]。但現有研究主要關注地鐵區間隧道在緊鄰基坑施工影響下的響應規律與控制保護，鮮有對地鐵車站與隧道連接節點受力變形性狀的研究。

在與地鐵車站一體化綜合開發的地下工程[9]和既有地鐵車站擴展為換乘樞紐[10]等工程中，新建基坑圍護結構通常部分結合既有地鐵車站外墻，兩者地下結構完全連接成一個整體，此時，車站在共用地下連續墻作用下很可能出現隆起變形[11]，而地鐵隧道會隨周圍土體的沉降而下沉[12-13]。車站與隧道的差異變形將導致其連接部位形成一個敏感的薄弱節點，容易發生損壞[14-15]，對地鐵的安全運行產生重大的安全隱患。因此，為保障類似工程的地鐵運營安全，有必要對車站與隧道節點在共用地下連續墻深基坑施工影響下的變形性能展開研究，并提出相應的保護控制措施。

本文結合工程實測數據分析了共用地下連續墻深基坑對地鐵車站與隧道連接節點的變形性狀和安全狀態的影響，進而采用三維數值分析探討了車站與隧道節點的一般響應規律，分析了共用地下連續墻基坑的開挖深度及相對位置等因素對節點的影響。

1 現場測試分析

1.1 工程概況

上海某深基坑工程的平面布置及與既有地鐵的關系如圖1所示[8]。基坑平面為三角形，開挖面積約3萬m2，地鐵6號線明挖暗埋區間的地下結構從基坑中部長距離穿越，基坑一側緊鄰地鐵換乘車站和4號線區間盾構隧道。為保護地鐵運營安全，采用地下連續墻將基坑分為2個大基坑和15個小基坑，大基坑(B1和A1)開挖深度為23 m，小基坑開挖深度約20 m。基坑圍護采用40 m深的地下連續墻，大基坑設置5道鋼筋混凝土支撐，小基坑設置4道鋼筋混凝土支撐。基坑開挖先后順序為B1—B2—A1—B7—A7—B3—B5—B8—A3—B6—A5—A8—B4—A4—A6—A2—B9。

圖1 基坑與地鐵相對位置關系(單位：m)

1.2 共用地下連續墻基坑與地鐵關系分析

圖1表明基坑與4號線車站、6號線明挖暗埋隧道共用地下連續墻，使得鄰近盾構隧道與車站等地下結構的連接節點出現以下2種情況：4號線的節點1為基坑開挖同時影響地鐵車站和盾構隧道的情況；位于基坑中部的6號線明挖暗埋地下結構，其整體剛度和性狀類似于地鐵車站，因此與盾構隧道連接的節點2為基坑開挖僅影響地下結構而不影響盾構隧道的情況。

1.3 地鐵實測沉降結果分析

基坑開挖過程中地鐵4號線豎向位移分布曲線的變化見圖2。由圖2可知，由于基坑與地鐵車站共用地下連續墻，當B1開挖結束時，車站發生明顯隆起，而隧道發生更明顯的沉降，導致車站和隧道在連接節點處差異變形較大。當A1開挖結束時，由于A1正對車站左部，車站左部隆起增加，而車站右部隆起略微減小，同時隧道沉降明顯減小。因此，當基坑開挖規模較大時，利用時空效應處理方式，對地鐵有一定的保護效果。當鄰近地鐵結構的小基坑B7、A7、B8和B6開挖結束時，由于距離地鐵結構很近，使車站的隆起和隧道的沉降進一步增大，導致車站與隧道連接節點處的差異變形進一步增大。

圖2 4號線各工況下地鐵隆沉曲線圖

1.4 節點安全性態分析

由圖2可知，當基坑與地鐵車站共用地下連續墻時，車站發生隆起而隧道發生沉降，車站與隧道連接節點處出現了豎向位移差。這種因差異沉降引起的節點轉角，將可能導致節點出現較大的裂縫而威脅地鐵的運營安全。為合理評估節點的安全性態，應采用曲率半徑和相對彎曲等指標分析節點的受力變形狀態[16]。

在已知隧道結構沉降分布曲線的情況下，其曲率半徑可通過式(1)求解

(1)

式中：R為所求曲率半徑； y為沉降隨距離的分布函數； y′為沉降曲線y對距離的一階導數； y″為沉降曲線y對距離的二階導數。

實際沉降數據為離散點，可通過三次B樣條函數擬合數據，再代入式(1)求解各點的曲率半徑。節點的相對彎曲可通過式(2)求解

(2)

式中：yi表示節點i處的沉降；xi表示節點i處的坐標；Δ表示相鄰2節點沉降差；L表示2節點間距。

將各工況下地鐵4號線的車站最大隆起值、隧道最大沉降值以及節點1安全性態評價指標匯總于表1。由表1可知，節點1的變形比隧道最大沉降處更不利，當基坑與地鐵車站共用地下連續墻時，車站與隧道連接節點的安全性狀分析對于地鐵的安全運行非常重要。

表1 4號線節點1各工況開挖引起的節點變形

4號線節點1和6號線節點2的曲率半徑隨開挖工況的變化曲線見圖3。結果表明，隨著基坑的開挖，車站與隧道節點的受力變形會出現不滿足保護要求的情況。雖然實際工程中采取了化整為零、由遠及近的開挖方式等保護措施，但仍可能出現曲率半徑小于15 000 m(安全判別指標[16])的工況，且有曲率半徑隨著開挖深度增加而逐漸減小的趨勢。在B1坑開挖過程中，6號線節點2的曲率半徑大于4號線節點1，說明基坑與節點的相對位置關系對車站與隧道連接節點的受力變形有影響，節點位于基坑開挖范圍以外比位于開挖范圍以內受力更有利。在最后的小基坑開挖時，開挖規模雖小，但距離車站最近，所以4號線節點的曲率半徑進一步減小，且逐漸減小到15 000 m以下。

圖3 連接處曲率半徑分布圖

2 數值模擬分析

上述實測結果分析表明：當基坑與地鐵車站共用地下連續墻時，車站與隧道的連接節點出現敏感變形，且比隧道最大沉降處更為不利，同時變形性狀受開挖工況與位置等因素的影響。為研究共用地下連續墻基坑對節點影響的一般規律，采用三維數值方法對此模擬分析。

2.1 分析模型與方法

前述工程開挖面積約3萬m2，規模很大且結構復雜，一方面，如果建立與實際工程完全相同的模型，計算效率會很低；另一方面，當基坑開挖規模較大時，基坑的形狀與面積對基坑開挖變形規律的影響較小。為反映一般規律，將基坑與地鐵的關系簡化如圖4所示，其中a表示基坑在車站一側的長度，b表示基坑在隧道一側的長度，通過調整a、b的數值改變基坑和車站的相對位置。

圖4 深基坑與地鐵車站共用地下連續墻的平面關系簡化模型

Fig. 4 Simplified model of deep foundation pit sharing a same underground diaphragm wall with Metro station

根據圖4中基坑與車站及隧道的相對位置關系，采用FLAC 3D有限元軟件建立如圖5所示的有限元模型，其中1、2、3、4號剖面用以分析結構和土體變形。基坑長和寬均為100 m，a和b均為50 m，基坑為地下3層，最大開挖深度為18 m，地下連續墻深度為38 m。基坑分5層開挖，開挖深度分別為2 m、6 m、10 m、14 m和18 m，為了簡化分析，支撐設置在各層開挖面。采用間隔6 m的正交鋼筋混凝土支撐，支撐截面為 1 m×1 m，同時在支撐正交點布置立柱樁，樁端深度為48 m。車站為地下3層，長150 m，寬24 m，地下結構樓板的梁板體系等效為0.5 m厚的板，底板厚度為1 m，立柱截面為1 m×1 m。車站原地下連續墻深度為34 m，厚度為1 m。隧道直徑為6 m，隧道管片的厚度為0.35 m，隧道中心位置埋深為12 m，隧道中軸線與基坑平行。

(a)

(b)

土體采用三維八節點實體單元，支撐采用梁單元，立柱樁采用樁單元，地下連續墻、結構墻體和隧道采用殼單元，模型共計158 760個單元。模型左右兩側面設置x方向的位移約束，前后兩側面設置y方向約束，底面設x、y和z方向的位移約束。

隧道與土體之間設置摩擦接觸[9]，摩擦角為20°，隧道未設置管片接縫而進行了強度折算處理[16-17]。基坑與車站的地下連續墻厚度為1 m，彈性模量為30 GPa，墻土之間設置摩擦接觸，摩擦角為20°。其他混凝土構件的彈性模量取為30 GPa，支撐與地下連續墻、樁之間采用剛接。采用摩爾-庫侖本構模型模擬土體的應力應變關系，彈性模量取土體小應變條件下土體彈性模量的一半[18]。土層分布及其參數取值參考上海地區代表性指標[19]，如表2所示。在基坑開挖過程中，認為砂土為排水條件，φ取有效內摩擦角，c取0；黏土為不排水條件，φ取0，c取不排水抗剪強度。

表2 土層分布與計算參數[19]

2.2 基本模型計算結果

不同開挖深度時基坑地下連續墻的側移曲線如圖6所示，當開挖深度為2 m時，由于未設支撐，地下連續墻變形趨勢與懸臂梁相同；當開挖深度逐漸增加且設置支撐后，地下連續墻的側移不斷增加且最大側移出現在開挖面附近，其變形規律與經典的變形理論以及實際工程中地下連續墻的變形規律相同，所以認為有限元計算結果可靠。開挖結束時地鐵結構和基坑地下連續墻變形如圖7所示，開挖結束時圖5中4個剖面處地下連續墻和坑外土體的變形情況如表3所示，其中水平位移均指向坑內，豎向位移中正值表示隆起，負值表示沉降。由表3可知，由于車站整體剛度大，約束了地下連續墻向坑內的運動，所以車站一側的土體未發生明顯變形。在隧道一側車站約束作用較小，圍護墻側移較大，故土體沉降較車站部分大，但小于其他3邊地下連續墻側移和地表沉降。

圖6 地下連續墻側移圖

(a) 地鐵結構沉降圖

(b) 地下連續墻結構沉降圖

表3 位移統計表

由于基坑與車站共用地下連續墻，地下連續墻受坑底土體回彈影響有隆起趨勢，因此，最終車站和該邊地下連續墻總體呈隆起趨勢。而其他3邊由于坑外土體沉降很大，使得地下連續墻受其影響有較大的向下運動趨勢，最終地下連續墻呈現輕微下沉的趨勢。為深入研究地鐵線路變形規律，取出距基坑最近的一條隧道底部的隆沉結果和車站的隆沉結果，如圖8所示。其中橫坐標0點表示節點位置，左側為車站一側，右側為隧道一側，50到-50區間內為基坑正對區域。結果顯示除基坑正對區域以外，隧道的變形分布類似于土體沉降，但由于車站影響，隧道沉降在靠近地鐵車站處明顯小于土體沉降。與深基坑共用地下連續墻的車站結構因基坑卸荷作用而出現上抬位移，車站與隧道節點處的變形曲線出現了明顯拐點。

2.3 節點安全性分析

圖9為車站與隧道節點附近的地鐵豎向位移和曲率半徑分布圖。由圖9可知，節點的曲率半徑遠小于隧道最大沉降處的曲率半徑，且小于15 000 m；此外，節點的相對彎曲為1/1 700，大于1/2 500，其他部位的相對彎曲均小于1/2 500。因此，當共用地下連續墻基坑開挖時，節點的受力變形狀況比地鐵線路的其他部位更加不利，并可能達到隧道保護控制要求，與前述實例分析得到的結論一致。

圖8 地鐵線路與對應土體沉降曲線圖

圖9 基礎模型的沉降曲線和曲率半徑分布圖

Fig. 9 Deformation curve and curvature radius of Metro station and shield tunnel

2.4 主要因素參數分析

2.4.1 基坑開挖深度的影響

采用上述分析模型和參數，不同開挖深度時的地鐵變形分布如圖10所示。由圖10可知，除開挖深度2 m時以外，節點處均出現明顯的拐點。當開挖深度達到10 m以后，車站的隆起增加緩慢，隧道的沉降迅速增加。車站與隧道節點和隧道最大沉降處曲率半徑隨開挖深度的發展變化曲線如圖11所示。結果表明，當開挖深度達到6 m時，雖然隧道沉降較小，但因車站隆起明顯，導致節點曲率半徑迅速減小到10 000 m左右。當挖深繼續增加時，車站的隆起繼續增加，隧道的沉降也不斷增大，使節點車站與隧道的變形差異越來越大，節點的曲率半徑進一步減小。所以，當基坑與車站共用地下連續墻時，由于車站隆起而隧道沉降，兩者的差異變形較大，導致節點的曲率半徑很小，需要在類似工程中采取相應的保護措施控制車站隆起和隧道沉降，以確保地鐵安全運行，得到的結論與前述實例分析所得結論一致。

圖10 開挖深度對地鐵沉降的影響

圖11 連接處曲率半徑分布圖

2.4.2 基坑位置的影響

改變圖4中a和b2個參數的取值，從而分析基坑相對位置的不同影響。基坑開挖深度保持為18 m。將所有情況的節點曲率半徑和相對彎曲匯總于表4中。結果表明，當完全共用地下連續墻時的節點曲率半徑比基坑均勻分布時要小，與工程實例分析得到的結論一致。同時，將a+b=150 m和a+b=125 m分別對應的2種位置情況對比分析發現，當基坑開挖長度一定時，基坑偏于隧道一側比偏于車站一側對車站與隧道連接節點受力變形更有利，與相對彎曲的計算結果分析得到結論一致。

表4 不同基坑位置的節點指標統計表

Table 4 Curvature radius and relative bending of joint between shield tunnel and Metro station under different positions of foundation pit

長度/m曲率半徑/m相對彎曲備注a=50,b=10024001/1550與隧道同側坑長100ma=100,b=5021001/1300與車站同側坑長100ma=50,b=7525001/1600與隧道同側坑長75ma=75,b=5023001/1450與車站同側坑長75ma=50,b=5027001/1700基坑均勻分布a=100,b=036001/2200 基坑與車站完全共用地下連續墻

3 結論與討論

本文結合現場測試和數值分析研究了新建深基坑與地鐵車站共用地下連續墻情況下的開挖施工對車站和隧道節點變形的影響，并探討了不同因素的影響規律，可為今后類似工程中地鐵的保護提供參考。

1)工程測試與數值分析均表明，共用地下連續墻深基坑開挖引起車站結構上浮和坑外盾構隧道下沉，從而導致車站與隧道節點的差異變形顯著，其曲率半徑甚至小于隧道最大沉降處，即最不利位置出現在車站與隧道的連接節點位置。

2)基坑開挖深度和基坑與車站相對位置關系會影響節點處受力和變形。節點的曲率半徑隨著開挖深度的增加而減小，相對彎曲隨著開挖深度的增加而增大。當基坑與車站完全共用地下連續墻時，主要影響車站隆起，而對隧道沉降影響較小，節點曲率半徑大于基坑均勻分布在節點兩側時。

3)本文重點討論了以往研究中較少關注的地鐵車站與隧道連接節點在基坑影響下的變形與控制問題，側重節點受力變形的整體性狀，對節點具體構造形式和基坑施工措施進行了適當簡化，今后的研究可以開展進一步的細化和深入探討。

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打造國內最長城市隧道群——杭州紫之隧道全線貫通

2016年6月27日，國內最長的城市隧道群——杭州市紫之隧道工程全線貫通。紫之隧道北起紫金港路，南至之浦路，全長14.4 km，是目前國內最長的城市隧道，是杭州市“二環、三縱、五橫”快速路網重要組成部分。

隧道通車后將完善杭州市路網，緩解西湖和西溪濕地景區的地面交通壓力，為往來市中心提供快速通道。

紫之隧道Ⅰ標東線隧道段長730 m，需穿越全斷面淤泥質粉質黏土Ⅵ級圍巖和強風化泥質粉砂巖、中風化玄武玢巖組成的Ⅴ級圍巖。工程中先后進行了多種加固輔助手段，以確保施工環境安全，其中對淤泥質粉質黏土進行大直徑水平高壓旋噴加固在國內尚屬首次。針對全風化玄武玢巖，加強地質超前預報，修正調整開挖節奏和步距，實現開挖支護單月最高進尺45 m，最終順利貫通。

(摘自 隧道網微信公眾平臺)

Deformation Behaviors of Joint between Shield Tunnel and Underground Station Impacted by Connected Deep Foundation Pit

RAN Anlyu1, LI Mingguang1, CHEN Jinjian1, 2, *, WANG Jianhua1, 2

(1.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,Shanghai200240,China)

Study is made on site testing and numerical simulation, so as to guarantee the safety of the running Metro line and to analyze the deformation behaviors of Metro station and joint between shield tunnel and Metro station under the condition of communal underground diaphragm wall between deep foundation pit and Metro station in Shanghai area. The vertical displacements of Metro station and shield tunnel are analyzed. The influence of excavation depth and relative position of foundation pit on Metro station and joint between shield tunnel and Metro station are analyzed by means of 3D numerical model. The behaviors of curvature radius and relative bending of joint between shield tunnel and Metro station are discussed; and the safety of the joint between shield tunnel and Metro station is estimated. The testing results and numerical simulation results show that: 1) The deformation of joint between shield tunnel and Metro station is serious. 2) The curvature radius of joint between shield tunnel and Metro station decreases with the excavation depth of foundation pit increases; and the relative bending increases with the excavation depth of foundation pit increases. 3) The curvature radius of joint between shield tunnel and Metro station at the total connection section between Metro station and foundation pit is large.

communal underground diaphragm wall; deep foundation pit; Metro station; shield tunnel; connection point; curvature radius; safety state

2015-12-15;

2016-03-07

國家自然科學基金重點項目(41330633)； 上海市科學技術委員會科研項目(13231200402)

冉岸綠(1992—)，男，貴州銅仁人，2016年畢業于上海交通大學，土木工程專業，碩士，從事巖土工程相關研究工作。E-mail：rananlv@163.com。 *通訊作者：陳錦劍，E-mail: chenjj29@sjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.012

U 45

A

1672-741X(2016)07-0844-07