盾構(gòu)隧道拓建地鐵車站施工方法研究

劉 昕

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引言

目前國內(nèi)城市地下軌道交通的建設(shè)中，車站主要采用明挖法或暗挖法施工，區(qū)間隧道多采用盾構(gòu)法施工。基于這種構(gòu)建方式，其一，地鐵車站的施工進(jìn)度直接影響盾構(gòu)區(qū)間隧道施工工期，容易造成車站與區(qū)間隧道施工工期的矛盾［1］;其二，盾構(gòu)法施工的區(qū)間比較分散，導(dǎo)致盾構(gòu)投入臺數(shù)過度而降低了設(shè)備利用率，或盾構(gòu)機(jī)拆裝次數(shù)增多，導(dǎo)致平均掘進(jìn)速度下降而延長工期［2-4］。為此，在前蘇聯(lián)、日本等國出現(xiàn)了盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站的工程實例，即盾構(gòu)先行過站后進(jìn)行盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站。

針對廣州市軌道交通6號線東山口站工程，研究盾構(gòu)先行條件下擴(kuò)挖成地鐵車站的合理施工方法，嚴(yán)格控制地層沉降，對保證周邊建(構(gòu))筑物有著重要的意義。

1 工程概況

廣州市軌道交通6號線東山口站位于中山一路和署前路交叉路口，為地鐵1號線、6號線換乘站。車站采用明挖和暗挖結(jié)合的方法施工，車站左線暗挖段總長181.48 m，右線暗挖段長度為139.76 m，拱頂距地面18.8 m ～19.85 m，拱底距地面 27.05 m ～27.53 m，左右線間距27 m。車站站臺層采用單層單洞暗挖形式，中部暗挖橫、縱向通道連通左右線站臺，車站站廳及設(shè)備層布置在明挖4層多跨結(jié)構(gòu)中。

左線暗挖段站臺隧道下穿20世紀(jì)70年代修建的二輕工業(yè)集團(tuán)A6綜合樓，該樓沿署前路南北向布置，位于隧道的正上方。A6綜合樓長38.8 m，寬13 m，其樁基為φ300錘擊灌注樁，樁長6 m～8 m，樁身主要穿過③2沖積～洪積中粗礫砂層、④1粉質(zhì)粘土層，樁底在④1粉質(zhì)粘土層和⑤1可塑粘性土或稍密～中密狀粉土殘積土層，屬摩擦樁，樁底距隧道頂凈距約為7.1 m～9.5 m。設(shè)計推薦采用為CRD法施工。

2 擴(kuò)挖施工工序的計算分析

2.1 擴(kuò)挖施工方案對比

根據(jù)已建盾構(gòu)隧道與暗挖隧道的關(guān)系，特提出以下兩種方案(見圖1):方案一，兩臺階四步開挖法，即首先開挖盾構(gòu)隧道頂以上的①部，施作初期支護(hù);開挖暗挖隧道中心上方的②部土體，并及時施作對應(yīng)初期支護(hù);分塊拆除盾構(gòu)管片③;開挖④部土體，及時施作初期支護(hù);開挖最下部土體⑤并及時施作初期支護(hù)。方案二，兩臺階兩步開挖法，首先開挖暗挖隧道中心上方的①部土體，及時施作初期支護(hù);分塊拆除盾構(gòu)管片②;開挖剩余部分土體③，施作初期支護(hù)。

2.2 計算模型及參數(shù)

本次計算分析的目的主要是掌握不同開挖工序引起周圍地層的變形對比情況，為了簡化計算，未考慮上部建筑物的影響，且簡化為平面應(yīng)變狀態(tài)［5］，建立的有限元模型見圖2。土體采用摩爾—庫侖彈塑性模型，管片采用線彈性模型，為了消除尺寸效應(yīng)，建立的模型長60 m，高50 m，暗挖隧道埋深取19 m，暗挖隧道與盾構(gòu)隧道的間距為1 m。

根據(jù)土體的彈塑性矩陣，計算參數(shù)有彈性模量E、泊松比ν、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和剪脹角ψ。土體彈性模量E并不是常數(shù)，它與固結(jié)壓力以及偏應(yīng)力大小有關(guān)，一般采用現(xiàn)場旁壓儀試驗或室內(nèi)加卸載試驗確定。在缺少試驗條件時，對于一般的土工載荷條件可取(2.5～3.5)Es，Es為土體的壓縮模量。除了超固結(jié)土層外，粘性土常常表現(xiàn)出較小的剪脹性，即ψ=0。

2.3 計算結(jié)果分析

1)周圍地層變形對比。

由方案一和方案二開挖引起地表變形。方案一上臺階開挖完成后地表最大變形為7.4 mm，方案二上臺階開挖完成后地表最大變形為14.7 mm;方案一開挖完成后地表最大變形為10.5 mm，方案二開挖完成后地表最大變形為17.6 mm。方案二，即兩臺階二步開挖，引起周圍地層變形較方案一要大得多，另外考慮到右線及G斷面調(diào)高開挖已引起二輕綜合樓產(chǎn)生較大變形，因此建議采用方案一進(jìn)行左線擴(kuò)挖施工。

另外，上臺階開挖較下臺階開挖引起地表變形要大得多，方案一上下臺階開挖引起的變形分別為7.4 mm和3.1 mm，方案二則為14.7 mm和2.9 mm，因此上臺階開挖是本工程控制的重點，應(yīng)及時完成初期支護(hù)，及早封閉。

2)襯砌內(nèi)力對比圖。

方案一和方案二開挖完成后襯砌內(nèi)力分布圖見圖3，圖4。由圖3，圖4可知，方案一開挖完成后襯砌的最大軸力為395.7 kN，彎矩為54.5 kN·m;方案二開挖完成后襯砌的最大軸力為503.5 kN，彎矩為46.35 kN·m，因此采用方案一進(jìn)行隧道開挖對襯砌受力也是有利的。

3)開挖引起的塑性區(qū)。

計算結(jié)果表明:隧道開挖引起地層的塑性區(qū)主要分布在襯砌附近，且在初期支護(hù)封閉成環(huán)后周圍地層的塑性區(qū)會有一定的減少，及早封閉成環(huán)對于控制周圍地層變形具有積極的作用。其次方案一較方案二塑性區(qū)由隧道拱角向拱腰偏移，且范圍縮小。

3 合理施工方法

考慮到先期右線站臺隧道施工已引起周邊建筑出現(xiàn)較大沉降，結(jié)合有限元計算對比分析，確定左線站臺隧道擴(kuò)挖方案采用管棚+袖閥管注漿法與兩臺階四步擴(kuò)挖法相結(jié)合的方法。

3.1 隧道擴(kuò)挖施工工序

首先利用現(xiàn)有豎井及南側(cè)聯(lián)絡(luò)通道G斷面調(diào)高開挖空間，采用水平袖閥管預(yù)注漿加固+φ108 mm大管棚支護(hù)相結(jié)合超前預(yù)支護(hù)處理，管棚采用對打方法，在中部搭接5 m;袖閥管采用一次鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)長度70 m。

加固完成后，在超前袖閥管預(yù)注漿加固和超前管棚護(hù)頂下利用施工豎井、聯(lián)絡(luò)通道挑高段作為隧道擴(kuò)挖和盾構(gòu)管片拆除的起始工作面，隧道擴(kuò)挖采用兩臺階四步法開挖，開挖至北側(cè)聯(lián)絡(luò)通道H斷面后，自左線打通H通道，然后利用H通道作為左線擴(kuò)挖的運(yùn)輸通道，對豎井進(jìn)行封堵、回填，施工附屬工程。左線站臺隧道擴(kuò)挖平面示意圖、剖面示意圖如圖5，圖6所示。

3.2 兩臺階四步擴(kuò)挖施工方法

上臺階采用人工配合機(jī)械開挖的方式，機(jī)械難以開挖時采用小藥量局部爆破，上臺階1步每0.5 m～1.0 m為一循環(huán)，開挖后及時架立格柵、噴射混凝土封閉，為了改善初支的受力特征，格柵架立后及時進(jìn)行初支背后的填充注漿并加強(qiáng)鎖腳錨管的注漿效果。1步開挖2 m～3 m后，開挖2步并在上臺階拱腳處設(shè)鎖腳錨管，將上臺階初期支護(hù)懸吊于微風(fēng)化巖上。

下臺階擴(kuò)挖滯后上臺階開挖5 m～7 m，待管片拆除后分上下兩步進(jìn)行，由于盾構(gòu)隧道的分隔，下臺階1步的擴(kuò)挖支護(hù)左右交錯進(jìn)行;下臺階2步的擴(kuò)挖可適當(dāng)滯后1步擴(kuò)挖3 m左右，擴(kuò)挖成型并進(jìn)行初期支護(hù)后再進(jìn)行初支背后填充注漿。

4 結(jié)語

1)由數(shù)值計算分析可知，在暗挖隧道擴(kuò)挖施工過程中，采用兩臺階四步開挖法較兩臺階兩步開挖法在控制周圍地層變形、襯砌受力等方面有利，建議采用兩臺階四步開挖法。另外，計算中還發(fā)現(xiàn)上臺階開挖是周圍地層變形控制的重點，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測和初期支護(hù)的及時施加。2)結(jié)合數(shù)值分析，并考慮到上部二輕綜合樓已發(fā)生較大變形，最后采用兩臺階四步開挖法來施工左線擴(kuò)挖隧道。3)為了控制上臺階開挖引起周圍地層的變形，采取的應(yīng)對措施為:待上臺階開挖完成后，在拱腳位置設(shè)置鎖腳錨管，與加強(qiáng)鋼筋和格柵鋼架焊接，與初支噴射混凝土一起施工，連為一個受力整體。

［1］路美麗.盾構(gòu)先行條件下拓展地鐵車站的方案研究及風(fēng)險分析［D］.成都:西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

［2］高愛林，金 淮.北京地鐵區(qū)間大盾構(gòu)先行淺埋暗挖法擴(kuò)挖車站致險因素與對策［J］.隧道建設(shè)，2010，30(5):513-517.

［3］鐘育剛.盾構(gòu)先行過站對地鐵車站施工的影響及處理措施［J］.山西建筑，2013，39(3):179-181.

［4］劉維寧，路美麗，張新金，等.盾構(gòu)法和淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站的模型試驗［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(8):1630-1639.

［5］張新金，劉維寧，路美麗，等.盾構(gòu)法和淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站模型試驗的方案設(shè)計［J］.中國鐵道科學(xué)，2010，31(1):66-71.