共用地下连续墙深基坑影响下地铁车站与隧道节点变形分析

冉岸绿， 李明广， 陈锦剑，2，*， 王建华，2

(1. 上海交通大学土木工程系， 上海 200240； 2. 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)



共用地下连续墙深基坑影响下地铁车站与隧道节点变形分析

冉岸绿1， 李明广1， 陈锦剑1，2，*， 王建华1，2

(1. 上海交通大学土木工程系， 上海 200240； 2. 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

为了分析深基坑与地铁车站共用地下连续墙影响下车站和隧道连接节点的变形特性，保护地铁线路运营的整体安全，通过现场测试和数值模拟展开研究。根据上海地区深基坑与地铁车站共用地下连续墙工程实例的现场测试数据，分析了开挖施工过程中车站与地铁盾构隧道的竖向位移分布特征，并采用三维数值模型研究了共用地下连续墙深基坑开挖深度、相对位置对车站与隧道节点变形的影响，探讨了车站与隧道节点的曲率半径、相对弯曲的发展变化规律，并判断其安全状态。测试结果与数值分析均表明，车站与隧道节点变形比隧道最大沉降处更加不利；节点的曲率半径随基坑开挖深度的增加而减小，相对弯曲随基坑开挖深度的增加而增加；基坑与车站完全共用地下连续墙或远离隧道时，节点处的曲率半径相对较大。

共用地下连续墙； 深基坑； 地铁车站； 盾构隧道； 节点； 曲率半径； 安全性态

0 引言

随着城市地铁网络越来越密集、地下工程建设越来越多，两者的相互影响和冲突也日益突出。作为城市生命线工程的地铁结构对邻近地下工程施工提出了严苛的保护要求，深基坑对既有地铁车站与区间隧道的影响及控制，已成为隧道与地下工程领域的重要课题[1-3]。国内外很多学者通过现场实测[4-5]和数值分析[6]等手段研究了基坑开挖对地铁的影响规律，并提出了一系列保护控制对策和施工工艺[7-8]。但现有研究主要关注地铁区间隧道在紧邻基坑施工影响下的响应规律与控制保护，鲜有对地铁车站与隧道连接节点受力变形性状的研究。

在与地铁车站一体化综合开发的地下工程[9]和既有地铁车站扩展为换乘枢纽[10]等工程中，新建基坑围护结构通常部分结合既有地铁车站外墙，两者地下结构完全连接成一个整体，此时，车站在共用地下连续墙作用下很可能出现隆起变形[11]，而地铁隧道会随周围土体的沉降而下沉[12-13]。车站与隧道的差异变形将导致其连接部位形成一个敏感的薄弱节点，容易发生损坏[14-15]，对地铁的安全运行产生重大的安全隐患。因此，为保障类似工程的地铁运营安全，有必要对车站与隧道节点在共用地下连续墙深基坑施工影响下的变形性能展开研究，并提出相应的保护控制措施。

本文结合工程实测数据分析了共用地下连续墙深基坑对地铁车站与隧道连接节点的变形性状和安全状态的影响，进而采用三维数值分析探讨了车站与隧道节点的一般响应规律，分析了共用地下连续墙基坑的开挖深度及相对位置等因素对节点的影响。

1 现场测试分析

1.1 工程概况

上海某深基坑工程的平面布置及与既有地铁的关系如图1所示[8]。基坑平面为三角形，开挖面积约3万m2，地铁6号线明挖暗埋区间的地下结构从基坑中部长距离穿越，基坑一侧紧邻地铁换乘车站和4号线区间盾构隧道。为保护地铁运营安全，采用地下连续墙将基坑分为2个大基坑和15个小基坑，大基坑(B1和A1)开挖深度为23 m，小基坑开挖深度约20 m。基坑围护采用40 m深的地下连续墙，大基坑设置5道钢筋混凝土支撑，小基坑设置4道钢筋混凝土支撑。基坑开挖先后顺序为B1—B2—A1—B7—A7—B3—B5—B8—A3—B6—A5—A8—B4—A4—A6—A2—B9。

图1 基坑与地铁相对位置关系(单位：m)

1.2 共用地下连续墙基坑与地铁关系分析

图1表明基坑与4号线车站、6号线明挖暗埋隧道共用地下连续墙，使得邻近盾构隧道与车站等地下结构的连接节点出现以下2种情况：4号线的节点1为基坑开挖同时影响地铁车站和盾构隧道的情况；位于基坑中部的6号线明挖暗埋地下结构，其整体刚度和性状类似于地铁车站，因此与盾构隧道连接的节点2为基坑开挖仅影响地下结构而不影响盾构隧道的情况。

1.3 地铁实测沉降结果分析

基坑开挖过程中地铁4号线竖向位移分布曲线的变化见图2。由图2可知，由于基坑与地铁车站共用地下连续墙，当B1开挖结束时，车站发生明显隆起，而隧道发生更明显的沉降，导致车站和隧道在连接节点处差异变形较大。当A1开挖结束时，由于A1正对车站左部，车站左部隆起增加，而车站右部隆起略微减小，同时隧道沉降明显减小。因此，当基坑开挖规模较大时，利用时空效应处理方式，对地铁有一定的保护效果。当邻近地铁结构的小基坑B7、A7、B8和B6开挖结束时，由于距离地铁结构很近，使车站的隆起和隧道的沉降进一步增大，导致车站与隧道连接节点处的差异变形进一步增大。

图2 4号线各工况下地铁隆沉曲线图

1.4 节点安全性态分析

由图2可知，当基坑与地铁车站共用地下连续墙时，车站发生隆起而隧道发生沉降，车站与隧道连接节点处出现了竖向位移差。这种因差异沉降引起的节点转角，将可能导致节点出现较大的裂缝而威胁地铁的运营安全。为合理评估节点的安全性态，应采用曲率半径和相对弯曲等指标分析节点的受力变形状态[16]。

在已知隧道结构沉降分布曲线的情况下，其曲率半径可通过式(1)求解

(1)

式中：R为所求曲率半径； y为沉降随距离的分布函数； y′为沉降曲线y对距离的一阶导数； y″为沉降曲线y对距离的二阶导数。

实际沉降数据为离散点，可通过三次B样条函数拟合数据，再代入式(1)求解各点的曲率半径。节点的相对弯曲可通过式(2)求解

(2)

式中：yi表示节点i处的沉降；xi表示节点i处的坐标；Δ表示相邻2节点沉降差；L表示2节点间距。

将各工况下地铁4号线的车站最大隆起值、隧道最大沉降值以及节点1安全性态评价指标汇总于表1。由表1可知，节点1的变形比隧道最大沉降处更不利，当基坑与地铁车站共用地下连续墙时，车站与隧道连接节点的安全性状分析对于地铁的安全运行非常重要。

表1 4号线节点1各工况开挖引起的节点变形

4号线节点1和6号线节点2的曲率半径随开挖工况的变化曲线见图3。结果表明，随着基坑的开挖，车站与隧道节点的受力变形会出现不满足保护要求的情况。虽然实际工程中采取了化整为零、由远及近的开挖方式等保护措施，但仍可能出现曲率半径小于15 000 m(安全判别指标[16])的工况，且有曲率半径随着开挖深度增加而逐渐减小的趋势。在B1坑开挖过程中，6号线节点2的曲率半径大于4号线节点1，说明基坑与节点的相对位置关系对车站与隧道连接节点的受力变形有影响，节点位于基坑开挖范围以外比位于开挖范围以内受力更有利。在最后的小基坑开挖时，开挖规模虽小，但距离车站最近，所以4号线节点的曲率半径进一步减小，且逐渐减小到15 000 m以下。

图3 连接处曲率半径分布图

2 数值模拟分析

上述实测结果分析表明：当基坑与地铁车站共用地下连续墙时，车站与隧道的连接节点出现敏感变形，且比隧道最大沉降处更为不利，同时变形性状受开挖工况与位置等因素的影响。为研究共用地下连续墙基坑对节点影响的一般规律，采用三维数值方法对此模拟分析。

2.1 分析模型与方法

前述工程开挖面积约3万m2，规模很大且结构复杂，一方面，如果建立与实际工程完全相同的模型，计算效率会很低；另一方面，当基坑开挖规模较大时，基坑的形状与面积对基坑开挖变形规律的影响较小。为反映一般规律，将基坑与地铁的关系简化如图4所示，其中a表示基坑在车站一侧的长度，b表示基坑在隧道一侧的长度，通过调整a、b的数值改变基坑和车站的相对位置。

图4 深基坑与地铁车站共用地下连续墙的平面关系简化模型

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

根据图4中基坑与车站及隧道的相对位置关系，采用FLAC 3D有限元软件建立如图5所示的有限元模型，其中1、2、3、4号剖面用以分析结构和土体变形。基坑长和宽均为100 m，a和b均为50 m，基坑为地下3层，最大开挖深度为18 m，地下连续墙深度为38 m。基坑分5层开挖，开挖深度分别为2 m、6 m、10 m、14 m和18 m，为了简化分析，支撑设置在各层开挖面。采用间隔6 m的正交钢筋混凝土支撑，支撑截面为 1 m×1 m，同时在支撑正交点布置立柱桩，桩端深度为48 m。车站为地下3层，长150 m，宽24 m，地下结构楼板的梁板体系等效为0.5 m厚的板，底板厚度为1 m，立柱截面为1 m×1 m。车站原地下连续墙深度为34 m，厚度为1 m。隧道直径为6 m，隧道管片的厚度为0.35 m，隧道中心位置埋深为12 m，隧道中轴线与基坑平行。

(a)

(b)

土体采用三维八节点实体单元，支撑采用梁单元，立柱桩采用桩单元，地下连续墙、结构墙体和隧道采用壳单元，模型共计158 760个单元。模型左右两侧面设置x方向的位移约束，前后两侧面设置y方向约束，底面设x、y和z方向的位移约束。

隧道与土体之间设置摩擦接触[9]，摩擦角为20°，隧道未设置管片接缝而进行了强度折算处理[16-17]。基坑与车站的地下连续墙厚度为1 m，弹性模量为30 GPa，墙土之间设置摩擦接触，摩擦角为20°。其他混凝土构件的弹性模量取为30 GPa，支撑与地下连续墙、桩之间采用刚接。采用摩尔-库仑本构模型模拟土体的应力应变关系，弹性模量取土体小应变条件下土体弹性模量的一半[18]。土层分布及其参数取值参考上海地区代表性指标[19]，如表2所示。在基坑开挖过程中，认为砂土为排水条件，φ取有效内摩擦角，c取0；黏土为不排水条件，φ取0，c取不排水抗剪强度。

表2 土层分布与计算参数[19]

2.2 基本模型计算结果

不同开挖深度时基坑地下连续墙的侧移曲线如图6所示，当开挖深度为2 m时，由于未设支撑，地下连续墙变形趋势与悬臂梁相同；当开挖深度逐渐增加且设置支撑后，地下连续墙的侧移不断增加且最大侧移出现在开挖面附近，其变形规律与经典的变形理论以及实际工程中地下连续墙的变形规律相同，所以认为有限元计算结果可靠。开挖结束时地铁结构和基坑地下连续墙变形如图7所示，开挖结束时图5中4个剖面处地下连续墙和坑外土体的变形情况如表3所示，其中水平位移均指向坑内，竖向位移中正值表示隆起，负值表示沉降。由表3可知，由于车站整体刚度大，约束了地下连续墙向坑内的运动，所以车站一侧的土体未发生明显变形。在隧道一侧车站约束作用较小，围护墙侧移较大，故土体沉降较车站部分大，但小于其他3边地下连续墙侧移和地表沉降。

图6 地下连续墙侧移图

(a) 地铁结构沉降图

(b) 地下连续墙结构沉降图

表3 位移统计表

由于基坑与车站共用地下连续墙，地下连续墙受坑底土体回弹影响有隆起趋势，因此，最终车站和该边地下连续墙总体呈隆起趋势。而其他3边由于坑外土体沉降很大，使得地下连续墙受其影响有较大的向下运动趋势，最终地下连续墙呈现轻微下沉的趋势。为深入研究地铁线路变形规律，取出距基坑最近的一条隧道底部的隆沉结果和车站的隆沉结果，如图8所示。其中横坐标0点表示节点位置，左侧为车站一侧，右侧为隧道一侧，50到-50区间内为基坑正对区域。结果显示除基坑正对区域以外，隧道的变形分布类似于土体沉降，但由于车站影响，隧道沉降在靠近地铁车站处明显小于土体沉降。与深基坑共用地下连续墙的车站结构因基坑卸荷作用而出现上抬位移，车站与隧道节点处的变形曲线出现了明显拐点。

2.3 节点安全性分析

图9为车站与隧道节点附近的地铁竖向位移和曲率半径分布图。由图9可知，节点的曲率半径远小于隧道最大沉降处的曲率半径，且小于15 000 m；此外，节点的相对弯曲为1/1 700，大于1/2 500，其他部位的相对弯曲均小于1/2 500。因此，当共用地下连续墙基坑开挖时，节点的受力变形状况比地铁线路的其他部位更加不利，并可能达到隧道保护控制要求，与前述实例分析得到的结论一致。

图8 地铁线路与对应土体沉降曲线图

图9 基础模型的沉降曲线和曲率半径分布图

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

2.4 主要因素参数分析

2.4.1 基坑开挖深度的影响

采用上述分析模型和参数，不同开挖深度时的地铁变形分布如图10所示。由图10可知，除开挖深度2 m时以外，节点处均出现明显的拐点。当开挖深度达到10 m以后，车站的隆起增加缓慢，隧道的沉降迅速增加。车站与隧道节点和隧道最大沉降处曲率半径随开挖深度的发展变化曲线如图11所示。结果表明，当开挖深度达到6 m时，虽然隧道沉降较小，但因车站隆起明显，导致节点曲率半径迅速减小到10 000 m左右。当挖深继续增加时，车站的隆起继续增加，隧道的沉降也不断增大，使节点车站与隧道的变形差异越来越大，节点的曲率半径进一步减小。所以，当基坑与车站共用地下连续墙时，由于车站隆起而隧道沉降，两者的差异变形较大，导致节点的曲率半径很小，需要在类似工程中采取相应的保护措施控制车站隆起和隧道沉降，以确保地铁安全运行，得到的结论与前述实例分析所得结论一致。

图10 开挖深度对地铁沉降的影响

图11 连接处曲率半径分布图

2.4.2 基坑位置的影响

改变图4中a和b2个参数的取值，从而分析基坑相对位置的不同影响。基坑开挖深度保持为18 m。将所有情况的节点曲率半径和相对弯曲汇总于表4中。结果表明，当完全共用地下连续墙时的节点曲率半径比基坑均匀分布时要小，与工程实例分析得到的结论一致。同时，将a+b=150 m和a+b=125 m分别对应的2种位置情况对比分析发现，当基坑开挖长度一定时，基坑偏于隧道一侧比偏于车站一侧对车站与隧道连接节点受力变形更有利，与相对弯曲的计算结果分析得到结论一致。

表4 不同基坑位置的节点指标统计表

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

长度/m曲率半径/m相对弯曲备注a=50,b=10024001/1550与隧道同侧坑长100ma=100,b=5021001/1300与车站同侧坑长100ma=50,b=7525001/1600与隧道同侧坑长75ma=75,b=5023001/1450与车站同侧坑长75ma=50,b=5027001/1700基坑均匀分布a=100,b=036001/2200 基坑与车站完全共用地下连续墙

3 结论与讨论

本文结合现场测试和数值分析研究了新建深基坑与地铁车站共用地下连续墙情况下的开挖施工对车站和隧道节点变形的影响，并探讨了不同因素的影响规律，可为今后类似工程中地铁的保护提供参考。

1)工程测试与数值分析均表明，共用地下连续墙深基坑开挖引起车站结构上浮和坑外盾构隧道下沉，从而导致车站与隧道节点的差异变形显著，其曲率半径甚至小于隧道最大沉降处，即最不利位置出现在车站与隧道的连接节点位置。

2)基坑开挖深度和基坑与车站相对位置关系会影响节点处受力和变形。节点的曲率半径随着开挖深度的增加而减小，相对弯曲随着开挖深度的增加而增大。当基坑与车站完全共用地下连续墙时，主要影响车站隆起，而对隧道沉降影响较小，节点曲率半径大于基坑均匀分布在节点两侧时。

3)本文重点讨论了以往研究中较少关注的地铁车站与隧道连接节点在基坑影响下的变形与控制问题，侧重节点受力变形的整体性状，对节点具体构造形式和基坑施工措施进行了适当简化，今后的研究可以开展进一步的细化和深入探讨。

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打造国内最长城市隧道群——杭州紫之隧道全线贯通

2016年6月27日，国内最长的城市隧道群——杭州市紫之隧道工程全线贯通。紫之隧道北起紫金港路，南至之浦路，全长14.4 km，是目前国内最长的城市隧道，是杭州市“二环、三纵、五横”快速路网重要组成部分。

隧道通车后将完善杭州市路网，缓解西湖和西溪湿地景区的地面交通压力，为往来市中心提供快速通道。

紫之隧道Ⅰ标东线隧道段长730 m，需穿越全断面淤泥质粉质黏土Ⅵ级围岩和强风化泥质粉砂岩、中风化玄武玢岩组成的Ⅴ级围岩。工程中先后进行了多种加固辅助手段，以确保施工环境安全，其中对淤泥质粉质黏土进行大直径水平高压旋喷加固在国内尚属首次。针对全风化玄武玢岩，加强地质超前预报，修正调整开挖节奏和步距，实现开挖支护单月最高进尺45 m，最终顺利贯通。

(摘自 隧道网微信公众平台)

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

国家自然科学基金重点项目(41330633)； 上海市科学技术委员会科研项目(13231200402)

冉岸绿(1992—)，男，贵州铜仁人，2016年毕业于上海交通大学，土木工程专业，硕士，从事岩土工程相关研究工作。E-mail：rananlv@163.com。 *通讯作者：陈锦剑，E-mail: chenjj29@sjtu.edu.cn。

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

U 45

A

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