郭海柱，白 哲

(1. 深圳信息职业技术学院 交通与环境学院，广东 深圳 518172；2. 河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

0 引 言

日本在20世纪80年代开发应用了矩形隧道，在90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构，并完成了多种异形隧道工程建设，使异形盾构技术日益成熟[1]。近年来，中国相关机构开展了对大断面隧道、矩形隧道、多圆隧道、偏心多轴盾构掘进等工程的可行性研究，为异形隧道发展做了技术储备工作。在大城市中心繁华地段已有地铁运营车站再修建换乘车站时，往往受施工场地、地下空间、周边建筑、管线、道路等的限制，不能进行开挖施工，必须采用非开挖技术修建换乘车站。

日本第一台“水平三圆盾构”在大阪地铁7号线新大阪副都中心车站暗挖施工的成功谱写了世界地铁建设史的新篇章[2-3]。何川等[4]、管攀峰等[5]进行了盾构法修建地铁车站方案的讨论和模型试验。张新金等[6-7]、路美丽[8]、陈峰[9]结合北京地铁10号线三元桥站进行了盾构先行条件下拓展地铁车站的关键技术研究。丁德云等[10-12]对大直径盾构隧道CRD扩挖地铁车站方案的力学性能进行了研究。王芳等[13-14]、南骁聪[15]对PBA法扩挖大直径盾构隧道修建地铁车站进行了关键节点受力分析。孙长军等[16]、汪波等[17]、曾鹏[18]结合实例对大直径盾构隧道扩挖地铁车站的施工关键技术、车站结构安全性和力学性能进行了研究。本文以上海市M8号线和M10号线现有“十”字换乘车站四平路站为基础，采用大断面三圆盾构新建第3座换乘车站，重点分析三圆盾构施工引起的运营车站底板、围护结构、管片、周边地层等变形情况。

1 工程概况

在已有“十”字换乘车站旁新建车站，规划设计形式有多种选择：三车站相互交叉换乘，通过站外通道换乘，采用三圆盾构在某一车站下方修建上下叠放的车站，采用三圆盾构修建与一车站平行一车站十字相交的车站等。本文假设采用三圆盾构修建与M8号线四平路车站垂直，与M10号线大连路车站平行，从四平路车站下方穿越的换乘车站，如图1所示。利用数值模拟方法模拟三圆盾构近接施工换乘车站结构，重点分析研究施工过程对已有结构和周边环境的影响。

图1 换乘车站位置关系Fig.1 Position Relationship of Interchange Station

2 盾构施工数值模拟方法

盾构掘进、盾尾同步注浆、管片拼装是一个连续的、循环的过程，有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，必须做一定的简化。通常将盾构推进作为一个非连续的过程来研究，用改变单元材料类型的方法来反映盾构的向前，而一次向前的过程中盾构周围土体受力状态也发生变化，将这种变化转化为相应的节点荷载作用于节点，进行有限元计算，用单元“生”与“死”功能来模拟隧道的掘进过程[19]。按照采用泥水平衡盾构相关力学模型进行施工模拟，采用向周边单元施加简化节点力的方式模拟同步注浆压力。在进行盾构隧道开挖阶段的模拟时，应该考虑土层应力的释放。在隧道内部边界上设置释放荷载，并将其转化为等效节点力模拟。有限元表达式为

(K-ΔK)δ=P

(1)

式中：K为开挖前整体刚度矩阵；ΔK为开挖部分的刚度矩阵；δ为开挖部分的等效节点位移；P为开挖释放荷载的等效节点力。

根据有限元原理，在计算第i次开挖作用时，移去第i次开挖的单元，计算这些单元在第i+1次开挖面上的节点力Fi+1，然后反向施加在对应的节点上。开挖卸荷引起的节点力为

(2)

式中：m为第i次开挖的与第i+1次开挖面有公共节点的单元数；Fi+1为开挖单元的卸荷节点力；B为应变矩阵；σi为第i次开挖完成时单元应力矩阵。

3 三圆盾构近接修建车站模拟分析

3.1 有限元模型

有限元模型计算假定：①地层表面和各土层均呈水平层状分布，采用横观各向同性模型；②计算中不考虑管片接头影响以及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的折减作用；③盾构每个推进步长按1环、2环和4环3种情况分别进行计算；④不考虑土体固结引起的隧道长期沉降；⑤三圆盾构车站管片厚350 mm，每环宽1.2 m， 车站内部圆形立柱直径600mm，纵向间距8 m，车站整体宽17 m， 高7.5 m，与M10号线大连路车站水平相距8 m，与M8号线四平路车站竖向相距1 m。

采用ABAQUS有限元软件进行建模，计算模型长500 m，宽500 m，高100 m，共计92 750个节点，单元总数为100 977个，其中四节点壳单元12 883个，主要模拟地连墙、车站结构板、隧道管片等；两节点梁单元1 462个，主要模拟车站结构柱、梁、隧道立柱等；八节点实体单元86 632个，主要模拟周围土体。车站结构和隧道管片、立柱等按照弹性考虑。土体采用横观各向同性弹塑性D-P模型，计算参数如表1所示，其中E1，E2为土体横向弹性模量，E3为土体竖向弹性模量，μ12为土体横向泊松比，μ13，μ23为土体竖向泊松比，G12为土体横向剪切模量，G13，G23为土体竖向剪切模量，c为土体的黏聚力，φ为土体的内摩擦角。3座车站位置关系及计算模型网格剖分如图2所示。

图2 三圆盾构近接施工有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Triple Circle Shield Approaching Construction

表1 横观各向同性土层计算参数Table 1 Calculation Parameters of Transversely Isotropic Soil Layers

3.2 近接施工过程模拟计算步骤及工况

三圆盾构模拟施工换乘车站计算过程如下：①初始地应力平衡；②生成围护结构等；③生成车站结构板、柱等，同时挖去内部土体(采用简化方式模拟车站结构的施工，车站内列车荷载、人流荷载、设备等简化为荷载施加在结构上)；④第1次进行隧道开挖施工模拟，开挖至M10号线车站南端头井附近；⑤第2次进行隧道开挖施工模拟；⑥第3次进行隧道开挖施工模拟，开挖面到达M8号线车站围护墙位置；⑦第N次进行隧道开挖施工模拟，按照每次开挖1环、2环、4环进尺3种不同工况分别进行模拟；⑧倒数第2次进行隧道开挖施工模拟；⑨最后1次进行隧道开挖施工模拟，将模型尺寸范围内隧道全部挖通。整个模拟三圆盾构推进过程如图3所示。

图3 三圆盾构模拟推进过程Fig.3 Process of Triple Circle Shield Simulated Boring

3.3 计算结果分析

按照三圆盾构在M8号线车站下方每次推进1环的工况进行模拟计算，重点分析此工况下周围车站结构变形、管片变形及对周边地层的影响。

3.3.1 对已建车站底板影响分析

三圆盾构机达到M8号线四平路车站底板中间时，底板向下变形较小，通过后底板发生向下的显著变形，如图4底板中心线竖向变形曲线所示。在隧道宽度范围内，只在盾构过站后才发生显著的向下变形，向下最大变形约为3 mm。

图4 三圆盾构推进四平路车站底板竖向变形曲线Fig.4 Vertical Deformation Curves of Siping Road Station Floor with Triple Circle Shield Boring

3.3.2 对已建车站围护结构影响分析

M10号线大连路车站靠近盾构隧道一侧围护墙的水平变形如图5所示。可以看出，在盾构推进过程中，围护墙有整体向新建车站方向变形的趋势，盾构隧道顶部以上范围墙体基本不变化，隧道顶部以下范围墙体向新建车站方向发生水平位移。

图5 盾构过四平路车站引起的大连路车站围护墙水平变形Fig.5 Enclosure Wall Horizontal Deformation of Dalian Road Station with Triple Circle Shield Boring Through Siping Road Station

选取图5中换乘段中间(HCD)和大连路车站南侧(S)2个典型位置，分析围护墙在各关键施工工序下的水平变形，如图6所示。可以看出，S位置处隧道顶部以下围护墙变形约为0.3 mm，HCD位置处隧道顶部以下围护墙变形约为0.4 mm。由此可见，由于已建车站结构侧向整体刚度较大，围护墙受三圆盾构施工影响较小。

图6 盾构推进引起的大连路车站围护墙水平变形曲线Fig.6 Enclosure Wall Horizontal Deformation Curve of Dalian Road Station with Triple Circle Shield Boring

3.3.3 三圆盾构车站管片变形分析

图7为盾构推进过程中三圆盾构车站管片在各关键施工步下的竖向变形云图。图7(a)中受M8号线四平路车站施工的影响，上方管片在未施工时(“杀死”状态)就有向上变形，最大值为9.22 mm，该变形实际上是土体变形，是由M8号线四平路车站简化施工过程卸载所致。随着盾构推进，新建车站上方管片向下变形，下方管片向上变形，受中间立柱的影响，在立柱附近的管片变形较小，两立柱之间管片沉降和上浮量较大，如图7(c)，(d)所示。

图7 三圆盾构推进车站管片竖向变形云图Fig.7 Vertical Deformation Nephograms of Segments with Triple Circle Shield Boring

盾构推进新建车站上部中心竖向变形曲线如图8所示。可以看出，盾构过站前，已开挖部分管片上部中心线向上变形，最大变形约为4.8 mm。盾构到达M8车站中间时，已开挖部分管片向下变形，最大变形约为4.5 mm。受开挖面推力、摩阻力的影响，开挖面附近管片向上变形增大约为2.2 mm。盾构过站后，车站底板下方管片向下变形，受隧道内部立柱支撑作用，立柱中间管片向下最大变形约为13.6 mm，此变形值是相对于上一个施工步的变形差值。受M8车站南北侧墙竖向约束作用，此位置管片基本不变形。在施工步、开挖进尺、管片刚度、内部立柱结构等共同作用下，隧道内部土体开挖卸载，管片上部在M8车站范围外表现为上浮，在车站范围内表现为下沉。

图8 盾构推进新建车站上部中心线竖向变形曲线Fig.8 Vertical Deformation Curves of Upper Center of Newly Built Station by Shield Boring

图9为盾构推进新建车站下部中心线竖向变形曲线。可以看出，盾构过站前，受卸载影响，已开挖部分管片下部中心线向上变形，最大变形约为8.8 mm。盾构到达车站中间时，车站下方已开挖部分管片上浮，最大变形为11.2 mm。盾构过站后，管片下部向上变形，受隧道内部立柱支撑作用，立柱中间管片向上最大变形约为28 mm，立柱位置向上最大变形约为12.8 mm。

图9 盾构推进新建车站下部中心线竖向变形曲线Fig.9 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station by Shield Boring

3.3.4 地面沉降分析

图10为盾构通过M8号线四平路车站地层竖向变形云图。可以看出：盾构机达到底板中间之前，整个地层向下变形较小；通过后地面向下变形较大，车站下部地层向上变形最大值约为7.1 mm。

图10 盾构通过四平路车站地层竖向变形云图Fig.10 Vertical Deformation Nephogram of Shield Boring Through Siping Road Station

4 不同开挖进尺对结构影响分析

三圆盾构通过M8号线四平路车站整个模拟过程按照每次开挖1环、2环、4环3种不同工况分别进行开挖。本节重点分析比较不同开挖进尺下四平路车站底板变形和三圆盾构车站管片上下部变形。

图11为盾构过站后四平路车站底板沉降曲线。可以看出，三圆盾构推进过站后，不同开挖进尺下M8号线四平路车站底板沉降变形规律基本一致。每次开挖1环底板沉降最大，2环次之，4环沉降最小。在三圆盾构车站宽度范围内，底板沉降2环进尺比1环小约2 mm，4环进尺比1环小约7.9 mm。

图11 盾构过站后四平路车站底板沉降曲线Fig.11 Settlement Curves of Siping Road Station Floor After Shield Passing

图12为盾构过站后新建车站上部中心线沉降曲线。可以看出，三圆盾构过站后，以四平路车站为界，先施工管片上部整体呈现隆起趋势，M8号线四平路车站下方管片整体呈现下沉趋势，不同开挖进尺下新建车站上部沉降变形规律基本一致。三圆车站上部中心线4环进尺比1环和2环进尺上浮变形大5.48 mm，受立柱支撑作用，立柱之间管片下沉最明显，1环进尺下沉最大，2环次之，4环最小。可见开挖进尺较大时，一次卸载量较大，管片的上浮量较大造成上部中心管片的下沉量就较小。

图12 盾构过站后新建车站上部中心线沉降曲线Fig.12 Settlement Curves of Upper Center of Newly Built Station After Shield Passing

图13为盾构过站后新建车站下部中心线竖向变形曲线。可以看出，盾构过站后三圆车站管片下部整体呈现上浮趋势，不同开挖进尺管片结构变形规律基本一致。三圆车站下部管片中心线4环进尺比1环、2环进尺上浮变形大4.8 mm。车站下部结构受立柱支撑作用，立柱之间管片上浮最明显，4环进尺上浮量最大为33.6 mm。

图13 盾构过站后新建车站下部中心线竖向变形曲线Fig.13 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station After Shield Passing

图14为弹性条件下新建车站下部中心线竖向变形曲线。可以看出，弹性条件下盾构过站前和过站后3种不同进尺新建车站管片下部中心上浮曲线基本重合，但在M8车站范围不重合。三圆车站底板中心线4环进尺上浮量最大为31.8 mm，1环进尺上浮量最大为33.6 mm。按照弹性原理，3种进尺下M8号线四平路车站下方管片变形曲线应该完全重合，而计算得到的曲线没有重合，这是由于模拟施工过程不同造成的，即所谓的施工过程体系演变问题。由此可知，在不同开挖进尺下，按照弹塑性计算得到的各变形曲线不重合是由材料非线性和施工过程模拟体系的演变造成的[20]。

图14 弹性条件下新建车站下部中心线竖向变形曲线Fig.14 Vertical Deformation Curves of Lower Center of Newly Built Station Under Elastic Condition

5 结 语

(1)三圆盾构达到已运营车站底板之前，运营车站底板向下变形较小，盾构过站后底板发生向下变形。在三圆车站横向宽度范围内，运营车站底板向下最大沉降约为3 mm，发生在三圆车站中线位置上。在盾构推进过程中，已建车站围护墙有整体向新建车站方向变形的趋势，三圆车站顶部以上范围围护墙基本不变形，三圆车站顶部以下范围围护墙向新建车站方向发生水平变形，由于已建车站结构整体侧向刚度较大，导致围护墙变形较小。

(2)随着三圆盾构推进，三圆车站上方管片向下变形，下方管片向上变形。受三圆盾构车站中间立柱的影响，两立柱之间管片上部沉降和下部上浮量均比立柱位置大，所以在设计时为确保新建三圆盾构车站结构安全，需采取增加临时支撑、增强管片刚度、增强立柱与上下海鸥块连接等措施。

(3)通过对3种开挖进尺下已运营车站底板变形和三圆车站管片纵向中心变形的对比分析可知：一次开挖尺寸越大，卸载量越大，三圆车站管片下部中心上浮量越大，运营车站底板、三圆车站管片上部中心沉降量就越小。因此，通过三圆盾构施工换乘车站时需根据周边结构变形监测数据不断调整施工参数，快推慢推均有可能造成结构变形过大，进而影响车站结构安全。开挖进尺不同引起结构变形的差异既有材料非线性的影响，也有施工过程体系演变的影响。