郭海柱，白 哲

(1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172；2. 河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

0 引 言

日本在20世紀(jì)80年代開發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在90年代開發(fā)應(yīng)用了任意截面盾構(gòu)和多圓盾構(gòu)，并完成了多種異形隧道工程建設(shè)，使異形盾構(gòu)技術(shù)日益成熟[1]。近年來，中國相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了對大斷面隧道、矩形隧道、多圓隧道、偏心多軸盾構(gòu)掘進(jìn)等工程的可行性研究，為異形隧道發(fā)展做了技術(shù)儲備工作。在大城市中心繁華地段已有地鐵運(yùn)營車站再修建換乘車站時，往往受施工場地、地下空間、周邊建筑、管線、道路等的限制，不能進(jìn)行開挖施工，必須采用非開挖技術(shù)修建換乘車站。

日本第一臺“水平三圓盾構(gòu)”在大阪地鐵7號線新大阪副都中心車站暗挖施工的成功譜寫了世界地鐵建設(shè)史的新篇章[2-3]。何川等[4]、管攀峰等[5]進(jìn)行了盾構(gòu)法修建地鐵車站方案的討論和模型試驗。張新金等[6-7]、路美麗[8]、陳峰[9]結(jié)合北京地鐵10號線三元橋站進(jìn)行了盾構(gòu)先行條件下拓展地鐵車站的關(guān)鍵技術(shù)研究。丁德云等[10-12]對大直徑盾構(gòu)隧道CRD擴(kuò)挖地鐵車站方案的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。王芳等[13-14]、南驍聰[15]對PBA法擴(kuò)挖大直徑盾構(gòu)隧道修建地鐵車站進(jìn)行了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力分析。孫長軍等[16]、汪波等[17]、曾鵬[18]結(jié)合實例對大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的施工關(guān)鍵技術(shù)、車站結(jié)構(gòu)安全性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。本文以上海市M8號線和M10號線現(xiàn)有“十”字換乘車站四平路站為基礎(chǔ)，采用大斷面三圓盾構(gòu)新建第3座換乘車站，重點(diǎn)分析三圓盾構(gòu)施工引起的運(yùn)營車站底板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、管片、周邊地層等變形情況。

1 工程概況

在已有“十”字換乘車站旁新建車站，規(guī)劃設(shè)計形式有多種選擇：三車站相互交叉換乘，通過站外通道換乘，采用三圓盾構(gòu)在某一車站下方修建上下疊放的車站，采用三圓盾構(gòu)修建與一車站平行一車站十字相交的車站等。本文假設(shè)采用三圓盾構(gòu)修建與M8號線四平路車站垂直，與M10號線大連路車站平行，從四平路車站下方穿越的換乘車站，如圖1所示。利用數(shù)值模擬方法模擬三圓盾構(gòu)近接施工換乘車站結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析研究施工過程對已有結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響。

圖1 換乘車站位置關(guān)系Fig.1 Position Relationship of Interchange Station

2 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬方法

盾構(gòu)掘進(jìn)、盾尾同步注漿、管片拼裝是一個連續(xù)的、循環(huán)的過程，有限元法難以做到完全模擬盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)過程，必須做一定的簡化。通常將盾構(gòu)推進(jìn)作為一個非連續(xù)的過程來研究，用改變單元材料類型的方法來反映盾構(gòu)的向前，而一次向前的過程中盾構(gòu)周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化，將這種變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)荷載作用于節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行有限元計算，用單元“生”與“死”功能來模擬隧道的掘進(jìn)過程[19]。按照采用泥水平衡盾構(gòu)相關(guān)力學(xué)模型進(jìn)行施工模擬，采用向周邊單元施加簡化節(jié)點(diǎn)力的方式模擬同步注漿壓力。在進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖階段的模擬時，應(yīng)該考慮土層應(yīng)力的釋放。在隧道內(nèi)部邊界上設(shè)置釋放荷載，并將其轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)力模擬。有限元表達(dá)式為

(K-ΔK)δ=P

(1)

式中：K為開挖前整體剛度矩陣；ΔK為開挖部分的剛度矩陣；δ為開挖部分的等效節(jié)點(diǎn)位移；P為開挖釋放荷載的等效節(jié)點(diǎn)力。

根據(jù)有限元原理，在計算第i次開挖作用時，移去第i次開挖的單元，計算這些單元在第i+1次開挖面上的節(jié)點(diǎn)力Fi+1，然后反向施加在對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。開挖卸荷引起的節(jié)點(diǎn)力為

(2)

式中：m為第i次開挖的與第i+1次開挖面有公共節(jié)點(diǎn)的單元數(shù)；Fi+1為開挖單元的卸荷節(jié)點(diǎn)力；B為應(yīng)變矩陣；σi為第i次開挖完成時單元應(yīng)力矩陣。

3 三圓盾構(gòu)近接修建車站模擬分析

3.1 有限元模型

有限元模型計算假定：①地層表面和各土層均呈水平層狀分布，采用橫觀各向同性模型；②計算中不考慮管片接頭影響以及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的折減作用；③盾構(gòu)每個推進(jìn)步長按1環(huán)、2環(huán)和4環(huán)3種情況分別進(jìn)行計算；④不考慮土體固結(jié)引起的隧道長期沉降；⑤三圓盾構(gòu)車站管片厚350 mm，每環(huán)寬1.2 m， 車站內(nèi)部圓形立柱直徑600mm，縱向間距8 m，車站整體寬17 m， 高7.5 m，與M10號線大連路車站水平相距8 m，與M8號線四平路車站豎向相距1 m。

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，計算模型長500 m，寬500 m，高100 m，共計92 750個節(jié)點(diǎn)，單元總數(shù)為100 977個，其中四節(jié)點(diǎn)殼單元12 883個，主要模擬地連墻、車站結(jié)構(gòu)板、隧道管片等；兩節(jié)點(diǎn)梁單元1 462個，主要模擬車站結(jié)構(gòu)柱、梁、隧道立柱等；八節(jié)點(diǎn)實體單元86 632個，主要模擬周圍土體。車站結(jié)構(gòu)和隧道管片、立柱等按照彈性考慮。土體采用橫觀各向同性彈塑性D-P模型，計算參數(shù)如表1所示，其中E1，E2為土體橫向彈性模量，E3為土體豎向彈性模量，μ12為土體橫向泊松比，μ13，μ23為土體豎向泊松比，G12為土體橫向剪切模量，G13，G23為土體豎向剪切模量，c為土體的黏聚力，φ為土體的內(nèi)摩擦角。3座車站位置關(guān)系及計算模型網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖2 三圓盾構(gòu)近接施工有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Triple Circle Shield Approaching Construction

表1 橫觀各向同性土層計算參數(shù)Table 1 Calculation Parameters of Transversely Isotropic Soil Layers

3.2 近接施工過程模擬計算步驟及工況

三圓盾構(gòu)模擬施工換乘車站計算過程如下：①初始地應(yīng)力平衡；②生成圍護(hù)結(jié)構(gòu)等；③生成車站結(jié)構(gòu)板、柱等，同時挖去內(nèi)部土體(采用簡化方式模擬車站結(jié)構(gòu)的施工，車站內(nèi)列車荷載、人流荷載、設(shè)備等簡化為荷載施加在結(jié)構(gòu)上)；④第1次進(jìn)行隧道開挖施工模擬，開挖至M10號線車站南端頭井附近；⑤第2次進(jìn)行隧道開挖施工模擬；⑥第3次進(jìn)行隧道開挖施工模擬，開挖面到達(dá)M8號線車站圍護(hù)墻位置；⑦第N次進(jìn)行隧道開挖施工模擬，按照每次開挖1環(huán)、2環(huán)、4環(huán)進(jìn)尺3種不同工況分別進(jìn)行模擬；⑧倒數(shù)第2次進(jìn)行隧道開挖施工模擬；⑨最后1次進(jìn)行隧道開挖施工模擬，將模型尺寸范圍內(nèi)隧道全部挖通。整個模擬三圓盾構(gòu)推進(jìn)過程如圖3所示。

圖3 三圓盾構(gòu)模擬推進(jìn)過程Fig.3 Process of Triple Circle Shield Simulated Boring

3.3 計算結(jié)果分析

按照三圓盾構(gòu)在M8號線車站下方每次推進(jìn)1環(huán)的工況進(jìn)行模擬計算，重點(diǎn)分析此工況下周圍車站結(jié)構(gòu)變形、管片變形及對周邊地層的影響。

3.3.1 對已建車站底板影響分析

三圓盾構(gòu)機(jī)達(dá)到M8號線四平路車站底板中間時，底板向下變形較小，通過后底板發(fā)生向下的顯著變形，如圖4底板中心線豎向變形曲線所示。在隧道寬度范圍內(nèi)，只在盾構(gòu)過站后才發(fā)生顯著的向下變形，向下最大變形約為3 mm。

圖4 三圓盾構(gòu)推進(jìn)四平路車站底板豎向變形曲線Fig.4 Vertical Deformation Curves of Siping Road Station Floor with Triple Circle Shield Boring

3.3.2 對已建車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

M10號線大連路車站靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)圍護(hù)墻的水平變形如圖5所示?？梢钥闯?，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，圍護(hù)墻有整體向新建車站方向變形的趨勢，盾構(gòu)隧道頂部以上范圍墻體基本不變化，隧道頂部以下范圍墻體向新建車站方向發(fā)生水平位移。

圖5 盾構(gòu)過四平路車站引起的大連路車站圍護(hù)墻水平變形Fig.5 Enclosure Wall Horizontal Deformation of Dalian Road Station with Triple Circle Shield Boring Through Siping Road Station

選取圖5中換乘段中間(HCD)和大連路車站南側(cè)(S)2個典型位置，分析圍護(hù)墻在各關(guān)鍵施工工序下的水平變形，如圖6所示?？梢钥闯?，S位置處隧道頂部以下圍護(hù)墻變形約為0.3 mm，HCD位置處隧道頂部以下圍護(hù)墻變形約為0.4 mm。由此可見，由于已建車站結(jié)構(gòu)側(cè)向整體剛度較大，圍護(hù)墻受三圓盾構(gòu)施工影響較小。

圖6 盾構(gòu)推進(jìn)引起的大連路車站圍護(hù)墻水平變形曲線Fig.6 Enclosure Wall Horizontal Deformation Curve of Dalian Road Station with Triple Circle Shield Boring

3.3.3 三圓盾構(gòu)車站管片變形分析

圖7為盾構(gòu)推進(jìn)過程中三圓盾構(gòu)車站管片在各關(guān)鍵施工步下的豎向變形云圖。圖7(a)中受M8號線四平路車站施工的影響，上方管片在未施工時(“殺死”狀態(tài))就有向上變形，最大值為9.22 mm，該變形實際上是土體變形，是由M8號線四平路車站簡化施工過程卸載所致。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，新建車站上方管片向下變形，下方管片向上變形，受中間立柱的影響，在立柱附近的管片變形較小，兩立柱之間管片沉降和上浮量較大，如圖7(c)，(d)所示。

圖7 三圓盾構(gòu)推進(jìn)車站管片豎向變形云圖Fig.7 Vertical Deformation Nephograms of Segments with Triple Circle Shield Boring

盾構(gòu)推進(jìn)新建車站上部中心豎向變形曲線如圖8所示?？梢钥闯觯軜?gòu)過站前，已開挖部分管片上部中心線向上變形，最大變形約為4.8 mm。盾構(gòu)到達(dá)M8車站中間時，已開挖部分管片向下變形，最大變形約為4.5 mm。受開挖面推力、摩阻力的影響，開挖面附近管片向上變形增大約為2.2 mm。盾構(gòu)過站后，車站底板下方管片向下變形，受隧道內(nèi)部立柱支撐作用，立柱中間管片向下最大變形約為13.6 mm，此變形值是相對于上一個施工步的變形差值。受M8車站南北側(cè)墻豎向約束作用，此位置管片基本不變形。在施工步、開挖進(jìn)尺、管片剛度、內(nèi)部立柱結(jié)構(gòu)等共同作用下，隧道內(nèi)部土體開挖卸載，管片上部在M8車站范圍外表現(xiàn)為上浮，在車站范圍內(nèi)表現(xiàn)為下沉。

圖8 盾構(gòu)推進(jìn)新建車站上部中心線豎向變形曲線Fig.8 Vertical Deformation Curves of Upper Center of Newly Built Station by Shield Boring

圖9為盾構(gòu)推進(jìn)新建車站下部中心線豎向變形曲線。可以看出，盾構(gòu)過站前，受卸載影響，已開挖部分管片下部中心線向上變形，最大變形約為8.8 mm。盾構(gòu)到達(dá)車站中間時，車站下方已開挖部分管片上浮，最大變形為11.2 mm。盾構(gòu)過站后，管片下部向上變形，受隧道內(nèi)部立柱支撐作用，立柱中間管片向上最大變形約為28 mm，立柱位置向上最大變形約為12.8 mm。

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)新建車站下部中心線豎向變形曲線Fig.9 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station by Shield Boring

3.3.4 地面沉降分析

圖10為盾構(gòu)通過M8號線四平路車站地層豎向變形云圖?？梢钥闯觯憾軜?gòu)機(jī)達(dá)到底板中間之前，整個地層向下變形較?。煌ㄟ^后地面向下變形較大，車站下部地層向上變形最大值約為7.1 mm。

圖10 盾構(gòu)通過四平路車站地層豎向變形云圖Fig.10 Vertical Deformation Nephogram of Shield Boring Through Siping Road Station

4 不同開挖進(jìn)尺對結(jié)構(gòu)影響分析

三圓盾構(gòu)通過M8號線四平路車站整個模擬過程按照每次開挖1環(huán)、2環(huán)、4環(huán)3種不同工況分別進(jìn)行開挖。本節(jié)重點(diǎn)分析比較不同開挖進(jìn)尺下四平路車站底板變形和三圓盾構(gòu)車站管片上下部變形。

圖11為盾構(gòu)過站后四平路車站底板沉降曲線?？梢钥闯?，三圓盾構(gòu)推進(jìn)過站后，不同開挖進(jìn)尺下M8號線四平路車站底板沉降變形規(guī)律基本一致。每次開挖1環(huán)底板沉降最大，2環(huán)次之，4環(huán)沉降最小。在三圓盾構(gòu)車站寬度范圍內(nèi)，底板沉降2環(huán)進(jìn)尺比1環(huán)小約2 mm，4環(huán)進(jìn)尺比1環(huán)小約7.9 mm。

圖11 盾構(gòu)過站后四平路車站底板沉降曲線Fig.11 Settlement Curves of Siping Road Station Floor After Shield Passing

圖12為盾構(gòu)過站后新建車站上部中心線沉降曲線?？梢钥闯?，三圓盾構(gòu)過站后，以四平路車站為界，先施工管片上部整體呈現(xiàn)隆起趨勢，M8號線四平路車站下方管片整體呈現(xiàn)下沉趨勢，不同開挖進(jìn)尺下新建車站上部沉降變形規(guī)律基本一致。三圓車站上部中心線4環(huán)進(jìn)尺比1環(huán)和2環(huán)進(jìn)尺上浮變形大5.48 mm，受立柱支撐作用，立柱之間管片下沉最明顯，1環(huán)進(jìn)尺下沉最大，2環(huán)次之，4環(huán)最小?？梢婇_挖進(jìn)尺較大時，一次卸載量較大，管片的上浮量較大造成上部中心管片的下沉量就較小。

圖12 盾構(gòu)過站后新建車站上部中心線沉降曲線Fig.12 Settlement Curves of Upper Center of Newly Built Station After Shield Passing

圖13為盾構(gòu)過站后新建車站下部中心線豎向變形曲線?？梢钥闯觯軜?gòu)過站后三圓車站管片下部整體呈現(xiàn)上浮趨勢，不同開挖進(jìn)尺管片結(jié)構(gòu)變形規(guī)律基本一致。三圓車站下部管片中心線4環(huán)進(jìn)尺比1環(huán)、2環(huán)進(jìn)尺上浮變形大4.8 mm。車站下部結(jié)構(gòu)受立柱支撐作用，立柱之間管片上浮最明顯，4環(huán)進(jìn)尺上浮量最大為33.6 mm。

圖13 盾構(gòu)過站后新建車站下部中心線豎向變形曲線Fig.13 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station After Shield Passing

圖14為彈性條件下新建車站下部中心線豎向變形曲線。可以看出，彈性條件下盾構(gòu)過站前和過站后3種不同進(jìn)尺新建車站管片下部中心上浮曲線基本重合，但在M8車站范圍不重合。三圓車站底板中心線4環(huán)進(jìn)尺上浮量最大為31.8 mm，1環(huán)進(jìn)尺上浮量最大為33.6 mm。按照彈性原理，3種進(jìn)尺下M8號線四平路車站下方管片變形曲線應(yīng)該完全重合，而計算得到的曲線沒有重合，這是由于模擬施工過程不同造成的，即所謂的施工過程體系演變問題。由此可知，在不同開挖進(jìn)尺下，按照彈塑性計算得到的各變形曲線不重合是由材料非線性和施工過程模擬體系的演變造成的[20]。

圖14 彈性條件下新建車站下部中心線豎向變形曲線Fig.14 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station Under Elastic Condition

5 結(jié) 語

(1)三圓盾構(gòu)達(dá)到已運(yùn)營車站底板之前，運(yùn)營車站底板向下變形較小，盾構(gòu)過站后底板發(fā)生向下變形。在三圓車站橫向?qū)挾确秶鷥?nèi)，運(yùn)營車站底板向下最大沉降約為3 mm，發(fā)生在三圓車站中線位置上。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，已建車站圍護(hù)墻有整體向新建車站方向變形的趨勢，三圓車站頂部以上范圍圍護(hù)墻基本不變形，三圓車站頂部以下范圍圍護(hù)墻向新建車站方向發(fā)生水平變形，由于已建車站結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度較大，導(dǎo)致圍護(hù)墻變形較小。

(2)隨著三圓盾構(gòu)推進(jìn)，三圓車站上方管片向下變形，下方管片向上變形。受三圓盾構(gòu)車站中間立柱的影響，兩立柱之間管片上部沉降和下部上浮量均比立柱位置大，所以在設(shè)計時為確保新建三圓盾構(gòu)車站結(jié)構(gòu)安全，需采取增加臨時支撐、增強(qiáng)管片剛度、增強(qiáng)立柱與上下海鷗塊連接等措施。

(3)通過對3種開挖進(jìn)尺下已運(yùn)營車站底板變形和三圓車站管片縱向中心變形的對比分析可知：一次開挖尺寸越大，卸載量越大，三圓車站管片下部中心上浮量越大，運(yùn)營車站底板、三圓車站管片上部中心沉降量就越小。因此，通過三圓盾構(gòu)施工換乘車站時需根據(jù)周邊結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整施工參數(shù)，快推慢推均有可能造成結(jié)構(gòu)變形過大，進(jìn)而影響車站結(jié)構(gòu)安全。開挖進(jìn)尺不同引起結(jié)構(gòu)變形的差異既有材料非線性的影響，也有施工過程體系演變的影響。