浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2022, 56(7): 1363-1374 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.012

土木工程、水利工程、交通工程

城市地下空间网络化拓建扰动评价方法及应用

刘志春,, 雷升祥, 李国良, 张振波,, 胡指南

1. 石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043

2. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043

3. 中国铁建股份有限公司，北京 100855

4. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043

Evaluation method and application of urban underground space networked expansion disturbance

LIU Zhi-chun,, LEI Sheng-xiang, LI Guo-liang, ZHANG Zhen-bo,, HU Zhi-nan

1. State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

2. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

3. China Railway Construction Limited Corporation, Beijing 100855, China

4. China Railway First Survey and Design Institute Group Limited Corporation, Xi’an 710043, China

通讯作者: 张振波，男，讲师. orcid.org/0000-0002-6580-1410. E-mail： zhangzb@stdu.edu.cn

收稿日期: 2021-06-23  

基金资助: 国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808703）；河北省高等学校科学技术研究资助项目（QN2021130）；河北省教育厅青年拔尖人才资助项目（BJ2019009）

Received: 2021-06-23  

Fund supported: 国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808703）；河北省高等学校科学技术研究资助项目（QN2021130）；河北省教育厅青年拔尖人才资助项目（BJ2019009）

作者简介 About authors

刘志春（1973—），男，教授，从事城市地下空间与隧道的研究.orcid.org/0000-0002-3037-4770.E-mail：liuzhch01@163.com , E-mail：liuzhch01@163.com

摘要

为了评价城市地下空间网络化拓建施工扰动效应，基于地下空间拓建工程案例调研，提出5种网络化拓建模式和18种结构类型以及拓建体系构成的“四要素”. 在拓建扰动传导路径及构成要素内在工作机制分析的基础上，确定拓建结构、既有结构、地层和周边环境4个子目标构成的拓建扰动度总评价目标及应力、位移6个评价指标. 采用层次分析法(AHP)构造判断矩阵，通过专家打分法确定评价指标权重，根据评价指标控制值分级法确定评价指标的隶属度，构建按5级划分的城市地下空间网络化拓建扰动分级评价标准. 通过评价方法应用，得到不同拓建模式的拓建扰动度排序为以小扩大＞竖向增层＞近接增建＞连通接驳，不同地层的拓建扰动度排序为软土地层＞黄土地层＞冲洪积地层＞岩石地层；近距增建时，拓建扰动度随着近接距离的增大而显著减小.

关键词： 网络化地下空间 ; 地下空间拓建 ; 拓建模式 ; 拓建扰动度 ; 评价指标 ; 分级评价标准

Abstract

Five expansion pattern types and eighteen structure types were proposed, as well as the "four elements" of the expansion system based on the investigated cases of underground space expansion projects in order to evaluate the disturbance effect of urban underground space network extension construction. The total evaluation objective composed of four sub-objectives, including extensional structure, existing structure, stratum and surrounding environment, and six stress and displacement evaluation indexes were determined based on the analysis of the expansion disturbance conduction path and the internal working mechanism of its elements. The analytic hierarchy process (AHP) was used to construct the judgment matrix. The evaluation index weight was determined by expert scoring. Then the control value grading method was applied to determine the membership degree of the evaluation index, thereby constructing a five-level urban underground space network expansion disturbance classification evaluation standard. The application of the above evaluation method was conducted. The order of expansion disturbance degree of different expansion methods is expansion by small>vertical expansion>horizontal expansion >connected connection, and the order of expansion disturbance degree of different stratum is soft soil >loess >alluvial-diluvial strata>rock. The expansion disturbance degree will decrease significantly with the increase of the proximity distance for horizontal expansion.

Keywords： networked underground space ; underground space expansion ; expansion pattern ; expansion disturbance degree ; evaluation index ; grading evaluation standard

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本文引用格式

刘志春, 雷升祥, 李国良, 张振波, 胡指南. 城市地下空间网络化拓建扰动评价方法及应用. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(7): 1363-1374 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.012

LIU Zhi-chun, LEI Sheng-xiang, LI Guo-liang, ZHANG Zhen-bo, HU Zhi-nan. Evaluation method and application of urban underground space networked expansion disturbance. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(7): 1363-1374 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.012

城市地下空间的开发利用是解决土地资源紧张、人口稠密、交通堵塞及潮汐交通、人居环境及公共服务恶化、热岛效应、城市内涝严重等诸多“大城市病”的最佳途径[1]. 随着我国城市化进程的推进，城市地下空间的开发利用进入快速增长阶段. “十二五”期间，建成约60%地下空间，年均增速达到20%以上；“十三五”期间，全国地下空间开发直接投资总规模约为8万亿元[2]. “十四五”规划提出“宜居城市、绿色城市、韧性城市、智慧城市、人文城市”城市更新行动的总体目标. 作为城市更新的重要组成部分，建设多维度、网络化、一体化的城市地下空间成为必然发展的趋势[3].

随着我国城市地下空间的飞速发展，规划落后于建设实践的矛盾日益突显. 既有地下空间的碎片化开发及不合理规划，造成建设品质不高、环境舒适性差、前瞻性缺失、空间资源浪费、连通性及系统性不足、客流拥堵等诸多问题. 为了解决城市地下空间的网络化发展需求与现状地下空间连通性、系统性不足的矛盾，在既有的地下空间基础上进行网络化拓建成为必然的选择.预计在今后相当长的一段时间内，新开发地下空间网络化规划设计建造和既有地下空间网络化拓建升级改造2种建造模式将同时存在.

在城市地下空间拓建技术的研究方面，以往国内外学者多针对某一种拓建模式或某一具体工程开展力学机理及施工技术研究，如在近接基坑[4-11]、下穿既有隧道[12-24]、公路隧道扩建[25-27]、盾构隧道扩挖车站[28-32]等方面取得了诸多卓有成效的研究成果. 在评价体系研究方面，由于地下结构与地层相互作用的复杂性和不确定性，在对某一目标进行评价时，多针对不同类型地下工程的施工安全、突涌水、作用机理[33-35]等，采用层次分析法建立多个评价指标构成的评价体系，开展相应评价目标的应用评价.

与规划新建相比，地下空间拓建技术的种类繁杂、工法各异，力学效应、周边环境、结构型式更复杂，对作业空间、施工装备、变形控制的要求更高，不同拓建模式的对比分析是技术难点. 本文将地下空间拓建作为区别于规划新建的另一种建造模式，基于拓建工程案例的统计分析，提出地下空间拓建的概念及拓建模式分类. 基于拓建扰动传导路径及内在工作机制的分析，提出拓建扰动度的定义，构建地下空间拓建扰动分级评价体系. 通过评价方法的应用，建立不同拓建模式的关联，分析地层条件及结构相对位置对拓建扰动的影响规律，为城市地下空间的安全拓建提供技术支撑.

1. 基本概念及拓建模式类型

1.1. 基本概念

网络化地下空间是指融合使用功能，汇通空间节点，疏导人、车、物流系统，协调衔接地面空间，是平面相连、上下互通的网络化地下空间形态. 从使用功能上，包括地下交通、地下商业、地下仓储、地下人防、公共服务等. 从空间形态上，网络化地下空间连通各空间节点，形成具有规则化网络特征的地上地下连通体.

地下空间网络化拓建是指为了满足地下空间网络化的要求，在既有的地下空间基础上，连通、扩建、改建、增建、结建地下空间，建立地下空间之间及地下空间与地面之间的有机联系，形成平面相连、上下互通的网络化地下空间（见图1）.

图 1

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图 1   地下空间网络化拓建的示意图

Fig.1   Schematic diagram of networked underground space


1.2. 拓建模式类型

地下空间拓建模式是指根据拓建结构与既有结构的空间相对位置关系对地下空间拓建方式进行的分类. 根据调研工程案例的结构特点，地下空间拓建模式包括近接增建、连通接驳、竖向增层、以小扩大和多维拓展5种类型，进一步划分为18种结构类型. 5种拓建模式的定义及结构类型如下.

1）近接增建是指与既有地下结构密贴、共用结构或在既有地下结构影响范围内新建结构的拓建模式. 近接增建包括近距增建、密贴增建2种结构类型.

2）连通接驳是指通过开口、增设通道或下沉广场等形式，形成地下空间之间或地下空间与地面之间互通的拓建模式. 连通接驳包括通道连通、水平开口连通、垂直开口连通、下沉广场连通、混合式连通5种结构类型.

3）竖向增层是指在既有地下结构上方或下方新建地下结构，整体或局部连通的拓建模式. 竖向增层包括原位增建、近距上跨、密贴上跨、近距下穿、密贴下穿5种结构类型.

4）以小扩大是指通过改（扩）建既有地下结构，形成新的地下大空间的拓建模式. 以小扩大包括单侧原位扩建、双侧原位扩建、单洞扩建三连拱车站、双洞扩建三连拱车站、双洞连通增建车站5种结构类型.

5）多维拓展是指采用一种或多种拓建模式，在不同空间方位对既有地下空间改（扩）建，形成新的地下空间的拓建模式.

对国内外239个拓建工程案例进行统计分析[7, 15, 19, 21-23, 29-30, 36-42]可知，以上5种拓建模式可以囊括所有的调研工程样本. 如图2所示，拓建模式占比由多到少的顺序依次为：竖向增层（广义概念含下穿既有地下结构）＞多维拓展＞连通接驳＞近接增建＞以小扩大（多为市政公路隧道扩建及盾构隧道扩挖车站工程）.

图 2

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图 2   地下空间拓建的案例统计

Fig.2   Case statistics of underground space expansion


2. 拓建扰动传导路径及内在工作机制

2.1. 拓建体系构成要素

地下空间拓建区别于规划新建，前提是在既有的地下空间基础上，即必须存在既有结构（特指既有地下结构，下文同）. 如图3所示，在拓建施工前，既有结构、地层和周边环境处于初始平衡状态. 拓建施工产生扰动，打破了初始的平衡状态，在位移传导和应力转换的过程中，通过采取地层加固、结构加固和保护等控制措施，使得结构保持稳定，拓建体系达到新的平衡状态. 城市地下空间网络化拓建体系由拓建结构（M1）、既有结构（M2）、地层（M3）和周边环境（M4）“四要素”构成. 周边环境包括地下管线、道路、地表建筑物等.

图 3

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图 3   拓建体系构成要素的相互作用原理

Fig.3   Interaction principle of extension system factors


2.2. 拓建扰动传导路径

在拓建体系“四要素”中，拓建结构（M1）为拓建体系的扰动源/控体，地层（M3）为传导媒介，既有结构（M2）和周边环境（M4）为扰动控体，拓建扰动传导路径分为以下3种类型（见图3）.

1）传导路径1：拓建结构开挖卸载，地层应力释放，既有结构发生位移，地层产生损失，通过地层的位移传导，使得既有结构和周边环境发生位移和应力转换. 传导路径如下：拓建结构→地层→既有结构和周边环境. 传导路径1适用于拓建结构与既有结构间存在地层媒介的近距增建、通道连通、近距上跨、近跨下穿、双洞连通增建车站等拓建模式和结构类型.

2）传导路径2：拓建结构拆除或既有结构开口，地下结构重构，既有结构应力转换，拓建结构与既有结构共同协调变形，再通过地层的位移传导，使得周边环境发生位移和应力转换. 传导路径如下：（拓建结构→既有结构）→地层→周边环境. 传导路径2适用于拓建结构与既有结构间无地层媒介的密贴增建、侧墙开口连通、垂直开口连通、下沉广场连通、密贴上跨、密贴下穿、原位增建、单/双侧原位扩建、单/双洞扩建三连拱车站等拓建模式和结构类型.

3）传导路径3：在拓建结构与周边环境直接相连的条件下，拓建结构位移直接传导到周边环境，使得周边环境发生位移和应力转换；既有结构与周边环境直接相连，既有结构位移直接传导到周边环境. 传导路径如下：拓建结构→周边环境，同时拓建结构→地层→既有结构；拓建结构→地层→既有结构→周边环境. 传导路径3适用于周边环境与拓建结构或既有结构直接相连的明挖法或原位增建等拓建模式和结构类型.

2.3. 构成要素的内在工作机制

1）拓建结构（M1）为拓建体系的扰动源/控体，拓建结构形成过程中的开挖卸载或重构新结构，使得拓建结构产生位移和应力. 如图4 (a)所示，拓建结构施工与土体开挖存在时间差t0，拓建结构在t0时刻施工后，结构应力逐渐增大并趋于稳定. 在最大结构应力不超过材料容许应力的情况下，拓建结构处于正常工作的状态. 采用最大结构应力σmax与容许应力[σ]的比值K1a，评价拓建结构的应力状态. 如图4 (b)所示，受空间纵向效应的影响，基坑（或洞室）在开挖前已经发生位移，开挖施工时的位移快速增大，施作支护后的位移缓慢增大并趋于稳定. 当最大位移不超过位移控制基准值时，拓建结构处于正常工作状态，采用最大位移umax与位移控制基准[u]的比值K1b，评价拓建结构的位移状态.

图 4

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图 4   拓建结构的内在工作机制

Fig.4   Internal working mechanism of expansion structure


2）既有结构（M2）为拓建体系的扰动控体，拓建扰动通过地层或直接传导至既有结构，使得既有结构产生位移和应力变化. 如图5 (a)所示，既有结构在拓建前处于初始平衡状态，初始应力为σ0，既有结构应力随拓建而波动变化并最终趋于稳定，最大应力σmax可能发生在拓建过程中或建成后. 在最大结构应力不超过材料容许应力的情况下，既有结构处于正常工作状态. 采用应力增量σmax−σ0与容许应力储备量[σ] − σ0的比值K2a，评价既有结构的应力状态. 从图5(b)可知，既有结构在拓建施工前的初始位移为u0，既有结构位移随拓建而波动变化并最终趋于稳定，umax可能发生在拓建过程中或建成后. 当既有结构位移及差异位移不超过控制基准[u]及[Δu/L]时，既有结构处于正常工作状态. 采用更敏感的差异位移（沉降或水平位移）K2b，评价既有结构的位移状态.

图 5

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图 5   既有结构的内在工作机制

Fig.5   Internal working mechanism of existing structure


3）地层（M3）为拓建体系的传导媒介，拓建扰动通过地层传导给既有结构和周边环境，拓建施工使得地层应力释放，产生地层损失. 如图6所示，拓建结构发生位移，诱发地层产生损失. 理论上，在不考虑地层自身压缩的情况下，地表沉降槽体积等于洞室收敛变形体积，用Vu/V0表示地层损失率. 地层损失率是受地层条件、结构型式尺寸及施工方法等多种因素影响的综合指标.

图 6

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图 6   地层的内在工作机制

Fig.6   Internal working mechanism of stratum


4）周边环境（M4）为拓建体系的扰动控体，拓建扰动通过地层或既有结构或直接传导到周边环境，使得周边环境产生位移和应力变化. 如图7所示，周边环境在拓建前处于初始平衡状态，周边环境的应力位移随拓建波动变化而最终趋于稳定. 当周边环境应力及位移变化在允许范围内时，周边环境处于正常工作状态. 不同拓建工程的周边环境差异性较大，在周边环境性质、位置、埋深等不确定的情况下，采用较敏感的地表差异沉降K4评价周边环境的工作状态. 当K4超过控制基准值时，可能出现地表建筑物及地下管线倾斜、开裂等现象.

图 7

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图 7   周边环境的内在工作机制

Fig.7   Internal working mechanism of surrounding environment


3. 拓建扰动分级评价体系

3.1. 拓建扰动度概念及评价目标

城市地下空间的拓建模式多样，结构型式及尺寸各异，地层条件复杂多变. 为了实现城市地下空间拓建统一的定量评价，构建城市地下空间的拓建扰动分级评价体系. 提出“拓建扰动度”的概念：在城市地下空间的拓建过程中，地层开挖或结构重构使得拓建体系产生应力、位移的变化，拓建施工扰动对拓建体系应力、位移的影响程度为拓建扰动度.

评价总目标为拓建体系的拓建扰动度U，由拓建结构扰动度U1、既有结构扰动度U2、地层扰动度U3、周边环境扰动度U4 4个子目标组成.

3.2. 评价指标

拓建工程本身及周边环境非常复杂，采用地层性质、地下水、拓建模式、结构类型及尺寸、施工方法、振动条件、支护参数等初始条件作为评价指标开展统一评价，将极其困难甚至无法实现. 选用拓建扰动诱发的拓建结构、既有结构、地层及周边环境的应力位移变化结果作为评价指标， “诱因”包括上述诸多初始条件. 利用这些应力位移变化“结果”所建立的评价方法，对初始条件进行工况对比分析，达到对这些初始条件评价和优化的目的.

1）拓建结构评价指标包括K1a和K1b.

$ {K_{1{\rm{a}}}} = \max \left\{ {{K_{11}},{K_{12}}} \right\}. $

$ {K_{1{\rm{b}}}} = \max \left\{ {{K_{13}},{K_{14}}} \right\}. $

$ {K}_{11}(或{K}_{12})=\text{max}\left\{{\sigma }_{i}{}_{\text{max}}/\left[{\sigma }_{i}\right]\right\};\;i=1,2,\cdots ,n . $

$ {K}_{13}(或{K}_{14})=\text{max}\left\{{u}_{i}{}_{\text{max}}/\left[{u}_{i}\right]\right\}; \;i=1,2,\cdots ,n . $

式中：K11、K12分别为拓建结构拉、压应力储备量的最大值；K13、K14分别为拓建结构竖向、水平位移储备量的最大值；σimax为拓建过程中或结束后i点拓建结构拉应力（或压应力）最大值；[σi]为i点拓建结构材料的容许拉应力（或压应力）；uimax为拓建过程中或结束后i点拓建结构竖向（或水平）位移最大值；[ui]为i点拓建结构竖向（或水平）位移控制值.

2）既有结构评价指标包括应力相对增量最大值K2a和位移增量斜率最大值K2b.

$ {K_{2{\rm{a}}}} = \max \left\{ {{K_{21}},{K_{22}}} \right\}, $

$ {K_{2{\rm{b}}}} = \max \left\{ {{K_{23}},{K_{24}}} \right\}, $

$ {K}_{21}(或{K}_{22})=\text{max}\left\{\left({\sigma }_{i}{}_{\text{max}}-{\sigma }_{i}{}_{0}\right)/\left(\left[{\sigma }_{i}\right]\text{ }-{\sigma }_{i}{}_{0}\right)\right\} , $

$ {K}_{23}(或{K}_{24})=\text{max}\;[(\Delta {u}_{i}-\Delta {u}_{j})/{L}_{ij}] . $

式中：K21、K22分别为既有结构拉、压应力相对增量最大值；K23、K24分别为既有结构竖向、水平位移斜率最大值；σi0为拓建前i点既有结构拉应力（或压应力）初始值；[σi] 为i点既有结构材料的容许拉应力（或压应力）；Δui、Δuj分别为i、j点既有结构竖向（或水平）位移增量；Lij为既有结构i、j两点间的水平（或垂直）距离.

3）地层评价指标为地层损失率K3，

$ K_{3}=V_{{\rm{u}}}/V_{0. } $

式中：Vu为施工结束后扰动范围内的地层损失体积，V0为地下空间拓建开挖地层体积.

4）周边环境评价为地表沉降曲线最大斜率K4，

$ {K_4} = \max \;[ ({u_j} - {u_i})/{L_{ij}}] . $

式中：ui、uj分别为地表i点、j点的地表沉降，Lij为地表i、j点间的水平距离.

式(3)、(4)、(7)、(8)、(10)中，σ、u根据数值分析或现场测试结果取值，[σ]、[u]根据相关规范或工程设计文件取值. 式(8)、(10)中，Lij根据结构几何参数取值. 式(9)中，Vu根据数值分析或现场测试所得地表沉降槽或开挖净空变化轮廓计算取值，V0根据开挖空间的几何参数计算取值.

3.3. 评价方法

为了实现对总目标U及4个子目标U1 、U2 、U3 、U4的评价，采用层次分析法，建立层次分析模型. 对K1a、K1b、K2a、K2b、K3、K4 6个评价指标，采用“1-9”标度方法构造判断矩阵M，确定6个评价指标的权重Pi(ΣPi=100%). 按照各评价指标的取值范围划分为6个等级，根据取值范围确定各等级隶属度Qij(0 ≤ Qij ≤ 1.0)，可得评价目标

$ \begin{split} U =& \; {U_1}+{U_2}+{U_3}+{U_4} = \sum {{P_i}{Q_{ij}}} = \\ & \sum\limits_{j = 1}^6 {\left( {{P_1}{Q_1}_j+{P_2}{Q_2}_j} \right)} +\sum\limits_{j = 1}^6 {\left( {{P_3}{Q_3}_j+{P_4}{Q_4}_j} \right)} + \\ & \sum\limits_{j = 1}^6 {{P_5}{Q_5}_j} +\sum\limits_{j = 1}^6 {{P_6}{Q_6}_j} . \end{split}$

式中：Pi为各评价指标的权重，其中P1为K1a权重，P2为K1b权重，P3为K2a权重，P4为K2b权重，P5为K3权重，P6为K4权重；Qij为各评价指标的隶属度，下标i表示K1a、K1b、K2a、K2b、K3、K4 6个评价指标，下标j表示每个评价指标取值范围的6个等级.

3.4. 评价指标权重

评价指标的权重分配决定各因素对拓建体系的影响程度，直接影响评价结果. 采用层次分析法确定各评价指标权重，步骤如下.

1）构造判断矩阵：采用专家打分法，邀请来自设计、施工、科研3种类型单位的行业内专家20名(其中正高职称10名、副高职称6名，中级职称4名)，根据“1-9”标度法独立对评价指标的重要程度进行打分. 专家打分值的统计如表1所示.

表 1   专家打分取值表

Tab.1  Expert scoring value

统计项目 评价指标
K1a K1b K2a K2b K3 K4
最大值 3 3 6 6 2 3
最小值 1 1 4 3 1 1
平均值 2.20 2.25 4.85 4.90 1.05 2.15

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按打分平均值进行两两相除并取整，确定判断矩阵各分量的取值，对影响到评价目标U的6个评价指标K1a、K1b、K2a、K2b、K3、K4构造6×6判断矩阵M = [xij]6×6 (i、j=1，2，···，6).

2）计算判断矩阵的最大特征值及特征向量. 采用几何平均法求解矩阵M的最大特征值λmax= 6.008 3，对应的特征向量为[0.291，0.291，0.604，0.604，0.135，0.291]T.

3）判断矩阵一致性检验及归一化处理：经检验可知，CR = CI/RI=0.001 7/1.24=0.001 3< 0.10，M满足一致性要求，所求的特征向量是有效的. 对特征向量进行归一化处理，得到6个评价指标K1a、K1b、K2a、K2b、K3、K4对应的权重P1 = 0.131，P2 = 0.131，P3 = 0.273，P4 = 0.273，P5 = 0.061，P6 = 0.131.

3.5. 评价指标的隶属度

根据评价指标的定义，计算各评价指标的理论最大值Kimax. 考虑到实际工程中可能会出现评价指标大于理论最大值的情况，将各评价指标取值范围以0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍的Kimax为分界值划分为6个等级.

根据式(1)、(2)、(5)的定义可知，K1a、K1b、K2a分别为结构应力或位移与容许应力或控制位移的比值，理论最大值均为1.0. 根据式(6)的定义可知，K2b为位移增量斜率的最大值，按现行规范[43]，既有隧道结构差异沉降控制值取0.04%Ls(Ls为沿隧道轴向两监测点间距)，K2b的理论最大值取4.0×10−4. 根据式(9)的定义可知，K3为地层损失率，按现行规范[44]，取V级围岩隧道预留变形量约为隧道开挖宽度的1%，计算圆形隧道地层损失率为[πR2−π(0.99R)2]/(πR2)=0.02，K3理论最大值取2.0×10−2. 根据式(10)的定义可知，K4为周边环境地表沉降曲线的最大斜率，按现行规范[43]，一般情况下建(构)筑物差异沉降控制值为0.001l~0.002l(l为相邻基础的中心距离)，K4理论最大值取2.0×10−3.

各评价指标取值范围的等级划分如表2所示.

表 2   各评价指标取值范围等级划分

Tab.2  Value range classification of each evaluation index

等级 K1a K1b K2a K2b/10−4 K3/10−2 K4/10−3
1 0~0.2 0~0.2 0~0.2 0~0.8 0~0.4 0~0.4
2 0.2~0.4 0.2~0.4 0.2~0.4 0.8~1.6 0.4~0.8 0.4~0.8
3 0.4~0.6 0.4~0.6 0.4~0.6 1.6~2.4 0.8~1.2 0.8~1.2
4 0.6~0.8 0.6~0.8 0.6~0.8 2.4~3.2 1.2~1.6 1.2~1.6
5 0.8~1.0 0.8~1.0 0.8~1.0 3.2~4.0 1.6~2.0 1.6~2.0
6 ≥1.0 ≥1.0 ≥1.0 ≥4.0 ≥2.0 ≥2.0

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根据表2的取值范围，确定各评价指标值的隶属度Qij(0 ≤ Qij ≤ 1.0). 为了取得连续的隶属度取值，根据表2的取值范围，确定各评价指标隶属度为

Q1j =K1a，Q2j =K1b，Q3j =K2a，Q4j = 0.25×104K2b，Q5j = 0.5×102K3，Q6j = 0.5×103K4.

当Qij ≥ 1.0时，取Qij = 1.0.

3.6. 评价体系

汇总各评价指标权重及隶属度，如表3所示. 由式(11)可以计算得到U的取值，根据U的取值范围，将城市地下空间拓建影响程度划分为极严重(Ⅰ)、严重(Ⅱ)、中等(Ⅲ)、轻微(Ⅳ)、极轻微(Ⅴ)5个等级，如表4所示.

表 3   评价指标的权重及隶属度

Tab.3  Weight and affiliation degree of evaluation index

构成
要素 		评价
指标 		P Q
1级 2级 3级 4级 5级 6级
既有结构 K1a 0.273 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0
既有结构 K1b 0.273 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0
拓建结构 K2a 0.131 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0
拓建结构 K2b 0.131 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0
地层 K3 0.061 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0
周边环境 K4 0.131 0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~1.0 1.0

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表 4   城市地下空间拓建扰动的评价等级标准

Tab.4  Evaluation standard of urban underground space network disturbance

拓建影响等级 拓建影响程度 U/% 工作状态
既有结构 新建结构 地层条件 周边环境
Ⅰ 极严重 80~100 拆除重构或结构开裂，影响正常使用 结构劣化，耐久性降低 地层损失率大，地层参数显著降低 影响
显著
Ⅱ 严重 60~80 结构劣化，
耐久性降低 		发生较显著位移和应力 地层损失率较大，地层参数降低 影响大
Ⅲ 中等 35~60 发生较显著位移和应力变化 正常使用 地层
损失率小 		影响
较大
Ⅳ 轻微 10~35 正常使用 状态良好 正常状态 影响小
Ⅴ 极轻微 0~10 状态良好 状态良好 正常状态 影响极小

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4. 评价体系应用研究

4.1. 拓建模式的拓建扰动评价

为了对比评价不同拓建模式的拓建扰动，对国内外239个拓建工程案例的拓建模式和结构类型进行归纳统计，选取有代表性的15种，建立三维有限元计算模型. 不同拓建模式计算模型的结构尺寸、相对位置、覆土埋深等均采用统计所得的最常见情况，地层参数（代表性冲洪积地层：弹性模量为60 MPa、泊松比为0.27、重度为20 kN/m3、黏聚力为27 kPa、内摩擦角为15°）、本构模型（摩尔-库仑）、结构材料（支护C25、衬砌C35、管片C50）统一，开挖方法尽量统一. 不同拓建模式的计算模型情况如表5所示.

表 5   不同拓建模式的计算模型情况

Tab.5  Finite element models of different expansion methods

基本类型 亚级类型 计算模型图 基本情况
近接增建 近距增建 既有车站侧向新建基坑：既有车站为双层三跨结构，22.9 m×14.6 m（宽×高），覆土埋深为
5.0 m；车站与基坑净距为8.0 m，地下连续墙深为25 m，基坑深16 m，宽20 m；分层开挖，设4道钢管横撑
近接增建 密贴增建 既有车站侧向新建基坑：车站与基坑净距为0 m；其余条件同近距增建模型
连通接驳 水平开口连通 既有车站侧墙开口：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m；侧墙开口尺寸为6 m×4.35 m（宽×高）；先两边后中间分部开挖，暗柱和顶梁支护. 车站宽为21.5 m，高为12.7 m，车站覆土厚度为7.0 m
连通接驳 垂直开口连通 既有车站顶板开口：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m；顶板开口尺寸为6 m×4.35 m（宽×高）；先两边后中间分部开挖，圈梁支护. 车站尺寸宽为21.5 m，高为12.7 m，车站覆土厚度为7.0 m
连通接驳 通道连通 既有车站和换乘厅连通：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m，车站覆土厚度为7.0 m；既有换乘厅尺寸为14.9 m×8.9 m（宽×高）；新建通道尺寸为7 m×3.7 m（宽×高），长度为9 m；采用CRD法
开挖
竖向增层 原位增建 负一层地下室增建负二层地下室：地面90 kPa楼房荷载作用在墙、柱上，既有结构柱直径为
0.8 m，间距为6 m×6 m；在既有柱两侧布置2根直径为0.4 m的钢管混凝土托换桩，增建负二层地下室尺寸为26.5 m× 20.5 m×4.5 m（长×宽×高）；先上后下、先中间后周边分层、分块开挖
竖向增层 近距上跨 既有车站上方新建2条并行隧道：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m，既有车站与新建隧道的净距为5.0 m；新建两并行隧道为标准区间断面，单洞宽10.3 m，高10.2 m，覆土埋深为5.0 m；采用台阶法开挖
竖向增层 密贴上跨 既有车站上方新建基坑：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m，埋深为18.8 m，既有车站与新建基坑的净距为0；新建基坑尺寸为20 m×18.8 m（宽×深），地下连续墙厚为1.0 m；分层开挖，设4道钢管横撑
竖向增层 近距下穿 既有车站下方新建两并行隧道：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m，埋深为4.0 m，既有车站与新建隧道的净距为5.0 m；新建两并行隧道为标准区间断面单洞宽10.3 m，高10.2 m；采用台阶法开挖
竖向增层 密贴下穿 既有车站下方新建两并行隧道：既有车站宽为21.5 m，高为12.7 m，埋深为4.0 m，既有车站与新建隧道的净距为0 m；新建两并行隧道为矩形结构10 m×10 m；采用台阶法开挖
以小扩大 单侧原位扩建 既有两车道市政隧道扩建三车道：既有隧道尺寸为11.1 m×8.6 m（宽×高），覆土埋深为10.0 m；扩建隧道尺寸为18.6 m×12.3 m（宽×高）；采用单侧CRD法扩挖
以小扩大 双侧原位扩建 既有两车道市政隧道扩建三车道：既有隧道条件同上；扩建隧道尺寸为18.6 m×12.3 m（宽×
高）；采用双侧CRD法扩挖
以小扩大 单洞扩建三连拱车站 既有大盾构隧道扩建岛式车站：既有盾构隧道直径为10.0 m，覆土埋深为15.0 m；两侧新建圆形隧道直径为5.6 m，增加立柱尺寸为0.6 m×1.2 m，间距为2.4 m；采用台阶法开挖
以小扩大 双洞扩建三连拱车站 既有两并行标准盾构隧道扩建岛式车站：既有盾构隧道直径为6.0 m；新建隧道尺寸为8.5 m×
9.0 m（宽×高），覆土埋深为15.0 m，增加立柱尺寸为0.6 m× 1.2 m，间距为2.4 m；采用台阶法
开挖
以小扩大 双洞连通增建车站 既有两并行标准盾构隧道扩建分离式岛式车站：两侧盾构隧道直径为6.0 m；新建隧道尺寸为10.5 m×9.0 m（宽×高），覆土埋深为15.0 m，新建通道尺寸为3 m×3 m×2.68 m（宽×高×长）；采用台阶法开挖

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采用上述评价体系，根据表5计算模型获取的应力位移计算结果，计算评价指标K的取值，确定评价指标对应的P和Q. 计算U，根据U的取值进行分级评价. K的计算值见表6，P直接按表3取值，Q及U的计算值如表7所示. 根据表7的计算结果，可得不同拓建模式的拓建扰动度排序，如图8所示.

表 6   不同拓建模式评价指标K的计算值

Tab.6  Calculation value of evaluation index K for different extension models

拓建模式 结构类型 评价指标
K1a K1b K2a K2b K3 K4
近接增建 密贴增建 0.11 1.98 0.28 0.54 0.42 0.84
近接增建 近距增建 0.07 0.30 0.32 0.35 0.26 0.81
连通接驳 侧墙开口连通 0.26 0.50 0.13 0.72 0.00 0.00
连通接驳 垂直开口连通 0.10 0.50 0.23 0.58 0.00 0.00
连通接驳 通道连通 0.14 0.45 0.32 0.99 0.30 0.90
竖向增层 原位增建 0.65 3.85 0.78 0.96 0.41 0.80
竖向增层 近距上跨 0.68 1.86 0.78 0.77 0.16 0.58
竖向增层 密贴上跨 0.61 2.03 0.99 1.77 0.37 0.58
竖向增层 近距下穿 0.90 1.50 1.07 0.54 0.69 0.28
竖向增层 密贴下穿 0.87 2.15 1.30 0.69 0.45 3.32
以小扩大 单侧原位扩建 1.27 10.40 1.17 0.60 2.80 1.40
以小扩大 双侧原位扩建 1.14 3.56 0.15 0.63 4.49 1.50
以小扩大 单洞扩建三连拱车站 1.12 2.85 0.61 0.55 4.73 0.56
以小扩大 双洞扩建三连拱车站 1.34 3.21 0.72 0.96 5.94 1.92
以小扩大 双洞连通增建车站 0.67 7.00 0.25 0.58 3.76 0.66

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表 7   不同拓建模式的隶属度Q及拓建扰动度U计算值

Tab.7  Calculation value of affiliation degree Q and expansion mechanical effect U for different extension models

拓建模式 结构类型 隶属度 U/%
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
近接增建 密贴增建 0.11 0.50 0.28 0.54 0.21 0.42 34.1
近接增建 近距增建 0.07 0.08 0.32 0.35 0.13 0.41 18.8
连通接驳 侧墙开口连通 0.26 0.13 0.13 0.72 0.00 0.00 21.6
连通接驳 垂直开口连通 0.10 0.13 0.23 0.58 0.00 0.00 16.6
连通接驳 通道连通 0.14 0.11 0.32 0.99 0.15 0.45 30.9
竖向增层 原位增建 0.65 0.96 0.78 0.96 0.20 0.40 73.3
竖向增层 近距上跨 0.68 0.47 0.78 0.77 0.08 0.29 55.7
竖向增层 密贴上跨 0.61 0.51 0.99 1.00 0.19 0.29 61.5
竖向增层 近距下穿 0.90 0.38 1.00 0.54 0.34 0.14 58.9
竖向增层 密贴下穿 0.87 0.54 1.00 0.69 0.22 1.00 75.2
以小扩大 单侧原位扩建 1.00 1.00 1.00 0.60 1.00 0.70 90.8
以小扩大 双侧原位扩建 1.00 0.89 0.15 0.63 1.00 0.75 77.7
以小扩大 单洞扩建三连拱车站 1.00 0.71 0.61 0.55 1.00 0.28 71.7
以小扩大 双洞扩建三连拱车站 1.00 0.80 0.72 0.96 1.00 0.96 89.9
以小扩大 双洞连通增建车站 0.67 1.00 0.25 0.58 1.00 0.33 66.8

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图 8

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图 8   不同拓建模式的拓建扰动度对比

Fig.8   Comparison of disturbance degree of different expansion methods


由上述拓建扰动度评价结果，以小扩大拓建的影响最大，影响等级为Ⅰ级（极严重）或Ⅱ级（严重）；其次为竖向增层，影响等级为Ⅱ级（严重）或Ⅲ级（中等），近接增建及连通接驳较小，影响等级均为Ⅳ级（轻微）. 由此可知，拓建模式基本类型的拓建扰动度排序为以小扩大＞竖向增层＞近接增建＞连通接驳.

4.2. 地层条件对拓建扰动度的影响分析

以表5中的近距增建计算模型为例，分析不同地层条件对拓建扰动度的影响规律. 选取具有代表性的岩石、冲洪积、黄土和软土4种典型地层（参数见表8），根据数值分析结果，计算不同地层条件的拓建扰动度，如表9所示. 表8中，E为弹性模量，v为泊松比，γ为重度，c为黏聚力，φ为内摩擦角.

表 8   典型地层参数

Tab.8  Parameters of typical stratum

地层 E/MPa ν γ/(kN·m−3) c/kPa φ/(°)
冲洪积 60 0.27 20 27 15
黄土 30 0.3 18 22 24
软土 20 0.38 17 11 12
岩石 600 0.4 21 100 25

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表 9   典型地层条件的拓建扰动度计算值

Tab.9  Calculation value of extension disturbance degree for typical stratum conditions

地层 U/% 扰动等级 扰动程度
岩石 7.6 Ⅴ 极轻微
冲洪积 18.8 Ⅳ 轻微
黄土 21.6 Ⅳ 轻微
软土 43.1 Ⅲ 中等

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不同地层条件对拓建体系中的既有结构、拓建结构、地层及周边环境均会产生不同的影响程度，即U1~U4均会产生变化，最终评价U值会产生显著的变化. 从表7可知，地层条件对拓建扰动度的影响非常显著，地层条件对拓建扰动度的影响排序为软土地层＞黄土地层＞冲洪积地层＞岩石地层.

4.3. 相对距离对拓建扰动度的影响分析

以表5中的近距增建计算模型为例，分析既有结构与拓建结构不同相对距离对拓建扰动度的影响规律. 地层为冲洪积层地层（地层参数见表8），改变既有结构与拓建结构的相对距离，分析相对近接距离B/H（其中B为近接距离，H为基坑开挖深度）为0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00共9种工况，其他条件不变. 根据数值分析结果，计算不同相对距离的拓建扰动度，得到U与B/H的关系曲线，如图9所示.

图 9

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图 9   拓建扰动度与相对近接距离的关系曲线

Fig.9   Curve of expansion mechanical effect and relatively adjacent distance


从图9可知，U随B/H的增大而减小，当B/H＜0.25时，U变幅最大；当B/H = 0.25 ~0.50时，U变幅较大；当B/H ＞ 0.50时，U基本不变.

5. 结　论

（1）提出网络化地下空间、地下空间拓建、拓建模式的概念，根据拓建结构与既有结构相对位置的关系，划分为近接增建、连通接驳、竖向增层、以小扩大、多维拓展5种拓建模式和18种结构类型. 调研的239个拓建工程案例验证了拓建模式分类的合理性.

（2）地下空间拓建体系由拓建结构、既有结构、地层和周边环境“四要素”构成，拓建结构为拓建体系的扰动源，同时也是扰动控体，地层为扰动传导媒介，既有结构和周边环境为扰动控体. 根据不同拓建模式的特点，拓建扰动传导路径可以分为3种不同的类型.

（3）拓建结构形成过程中的开挖卸载或重构新结构，使得拓建结构产生位移和应力. 以位移传导的方式使地层产生损失，通过地层或直接传导到既有结构和周边环境，使既有结构和周边环境产生位移和应力变化.

（4）提出城市地下空间拓建扰动度的概念，确定由既有结构、拓建结构、地层和周边环境4个子目标构成的拓建体系扰动度总评价目标. 确定K1a、K1b、K2a、K2b、K3、K4 6个评价指标及取值方法.

（5）采用层次分析法构造判断矩阵，采用专家打分法确定评价指标权重，采用评价指标控制值分级法给出连续隶属度的取值，确定拓建扰动度的取值，构建按5级划分的城市地下空间拓建扰动分级评价标准.

（6）通过地下空间拓建扰动分级评价体系应用，得到不同拓建模式的拓建扰动度排序为以小扩大＞竖向增层＞近接增建＞连通接驳，不同地层的拓建扰动度排序为软土地层＞黄土地层＞冲洪积地层＞岩石地层. 近距拓建时，距离越近，拓建扰动度越显著.

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