盾構法與淺埋暗挖法結合修建地鐵車站施工過程動態數值分析——以北京地鐵4號線為例

陳 峰（中鐵建國際集團阿爾及利亞公司，北京 100855）

盾構法與淺埋暗挖法結合修建地鐵車站施工過程動態數值分析——以北京地鐵4號線為例

陳 峰
（中鐵建國際集團阿爾及利亞公司，北京 100855）

摘要：為避免車站和區間盾構隧道施工在“時空”方面的矛盾，充分發揮盾構的使用效率，同時減少車站施工中管線遷改、拆遷、征占地、交通倒改等工作，可采用盾構法與淺埋暗挖法結合修建地鐵車站。以北京地鐵4號線暗挖車站建設為背景，采用FLAC 3D軟件對采用盾構法與淺埋暗挖法結合修建地鐵車站的施工過程進行動態模擬分析。分析結果表明：施工過程中管片結構及周圍環境均處于安全狀態，工程風險可控。

關鍵詞：盾構法；淺埋暗挖法；地鐵車站；數值模擬

0　引言

隨著城市地鐵建設的高速發展，盾構法施工以其高效、快速、安全的優點，已成為一種必不可少的地下施工通用技術。目前，盾構技術已成功應用于鐵路區間隧道、引水隧道、排污隧道及公路越江隧道等不同地下結構物的施工［1－4］。但在軌道交通建設中，盾構施工往往受控于車站線位、接線條件及總體工籌等邊界條件，產生盾構過站效率問題，嚴重影響和制約了這種高效技術設備的發揮和應用。

通常，盾構過站采用2種方案。1）盾構從始發井推進至目標車站后，由接收井吊出并轉場至下一區間繼續掘進；2）對有過站條件的車站可拖拉盾構過站或平行過站，繼續下一個區間掘進。其中，盾構拖拉過站，曹洋［5］在北京地鐵俸伯站—順義站—石門站建設中，將盾構主機與后配套分離分別過站，即主機采用小車油缸推頂、后配套采用導軌平推過的順義車站（標準雙柱雙跨）；盾構平行過站時，可充分發揮盾構使用效率，減少附屬結構、交通疏解等工程量。結合淺埋暗挖構筑車站，可充分發揮淺埋暗挖施工擾動小、拆遷量小及環境控制好的優勢，保證區間、車站平行施工。張新金等［6］通過數值計算手段提出采用盾構法與淺埋暗挖法結合建造地鐵車站站廳時暗挖隧道二次襯砌施作時機。

總體而言，2種過站方法都需要將主機與車架斷

開后過站，造成區間與車站施工在速度和組織上的矛盾。即盾構利用率低、頻繁拆裝、調頭，以及在區間隧道內窩工嚴重等現象，使盾構法施工速度快的優勢得不到發揮，同時可能帶來較大的工期風險，大大制約了該技術在地鐵工程中的應用［7］。

因此，盾構先行過站結合淺埋暗挖法擴挖構筑地鐵車站，可較大程度保證施工工期、減小對周邊環境的影響、充分發揮盾構勞動強度低、自動化程度高的優勢，大大提高盾構長距離應用和規模效益，減小車站（線間距）規模。

淺埋擴挖涉及應力轉換且工序繁多，施工工藝復雜，施工難度大、風險高，可供借鑒的工程實例少。本文采用FLAC程序對車站施工全過程進行動態數值模擬，分析車站及管片結構的應力場、位移場及地表環境的動態響應規模，據以制定和優化施工步序及提出合理施工控制措施。

1　車站概況及設計方案

1.1工程地質概況

北京地鐵4號線角門北路站（現馬家堡站）兩端接站角門西站和北京南站，為地下二層島式暗挖車站，有效站臺長120 m，線間距23 m，共分布3個出入口。車站斷面為橢形大斷面，高10.364 m，跨度14.164 m，平均覆土4.3 m左右。根據總體工籌安排，站端兩側區間共計長約3 km，均采用盾構法掘進。為充分發揮盾構掘進效率、減少盾構進出井工序，兼顧車站建筑功能布置要求，將盾構區間隧道作為永久車站的一部分，即采用兩管盾構直接掘進過站，繼而擴挖暗挖隧道，構筑島式車站。

車站所在的地層無承壓水，僅見涼水河局部潛水，從上到下依次是①雜填土層、②－1粉質黏土、②－2粉質黏土與砂質粉土互層、②－3粉細砂和③卵石圓礫層。土層物理力學參數見表1。

表1　土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

1.2車站結構形式

車站結構形式為島式，車站平面布置見圖1，橫斷面見圖2。盾構管片外徑為6 m，內徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，寬度為1.2 m。

圖1　車站平面布置（單位：mm）Fig.1 Plan layout of the Metro station（mm）

圖2　車站橫斷面（單位：mm）Fig.2 Crosssection of the Metro station（mm）

2　施工過程仿真

2.1計算范圍及單元類型

采用有限差分程序FLAC 3D進行仿真，考慮到尺寸效應帶來的計算誤差，模型計算范圍確定為：左右邊界為2.5倍車站寬度，下邊界為1.5倍車站高度，上邊界到地面，車站縱向取3條橫通道，含25環管片。最后確定整個模型寬150 m、高34 m、長30 m。模型整體示意見圖3。

盾構隧道襯砌由3個標準塊，2個鄰接塊，1個封頂塊，6塊管片拼。管片環縫、縱縫及注漿縫采用Interface單元來模擬，并用梁單元來模擬管片之間的螺栓連接。接觸面Interface單元應用見圖4。

圖3　模型整體示意Fig.3 FEM model

圖4　接觸面Interface單元應用Fig.4 Interface elements

圍巖、初期支護、二次襯砌、盾構管片采用6面體實體單元模擬，超前支護注漿層根據現場注漿試驗結果，可采用提高地層參數來模擬，內支撐（臨時鋼支撐等）用梁單元模擬，支撐與管片或暗挖隧道襯砌之間的連接方式按鉸接處理，模型本構方程采用理想彈塑性本構關系，即Mohr－Coulomb準則。

整個模型共52 575個單元，56 342個節點。

2.2計算參數

施工過程中將地下水降至底板以下，故數值模擬按降水后的施工階段考慮。忽略地下水影響，各結構計算參數見表2，接觸面Interface單元的物理力學參數見表3。

表2　支護結構物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of support structure

表3　接觸面物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of interface elements

2.3施工過程仿真

島式地鐵車站按表4的施工工序進行施工。

表4　島式車站施工方案Table 4 Construction program of island type station

2.4結構動態響應分析

整個車站模型縱向長30 m，包括3個橫通道和4個塔柱，共計25環盾構管片，計算結果取2個典型斷面來分析。斷面1：2＃橫通道中間部位；斷面2：3＃塔柱中間部位（見圖5）。其中斷面1處為第13環管片，斷面2處為第17環管片。

圖5　典型斷面位置示意Fig.5 Locations of typical crosssections

2.4.1地表沉降

2個典型斷面在各施工階段地表最大沉降累計值和增量值見表5，地表沉降曲線見圖6（斷面2沉降規律相同，不再列出）。

表5　斷面1，2地表最大沉降統計表Table 5 Maximum ground surface settlement at No.1 and No.2 crosssections

由表5可知，最大沉降值都產生在中間大斷面隧道中心正上方地表。以斷面1為例，首先，地表沉降最大值－22.3 mm，其中絕大部分沉降是在中間大斷面隧道開挖并支護的時候產生，占總沉降量的70.9%；大斷面隧道施作二次襯砌時僅產生小部分沉降量；其次，橫通道的毛洞開挖、拆除管片、施作橫通道二次襯砌，共計產生－3.5 mm。因為中間大斷面隧道二次襯砌已施作，給地層提供了足夠的支護抗力，故橫通道施工引起的地表正中沉降不大。最后，拆除隧道的臨時支撐時，僅產生－2.0 mm沉降。

圖6　斷面1地表沉降曲線Fig.6 Ground surface settlement at No.1 crosssection

2.4.2洞周變形

在斷面1，2關鍵部位設置監測點進行垂直和水平位移分析，測點分布見圖7，各施工階段引起的洞周位移見表6。

圖7　洞周位移測點布置（單位：mm）Fig.7 Layout of convergence monitoring points（mm）

表6　斷面1，2洞周位移統計表Table 6 Convergence at No.1 and No.2 crosssections　 mm

2.4.2.1垂直位移

1）整體縱向比較。斷面1因為有橫通道開挖的影響，其垂直位移整體上比斷面2稍大。2）整體橫向比較。第1，2步施工對1＃，2＃關鍵點的垂直位移影響比較大，第3，4步施工對3＃，4＃關鍵點的垂直位移影響比較大。3）在3＃關鍵點（隧道頂部），斷面1最大達到－8.5 mm，比斷面2大3 mm，因為斷面1存在橫通道且在其開挖過程中使右側盾構管片臨空，右側土壓力減為零，導致在拱頂垂直土壓力的作用下，拱頂的垂直位移突然增大。

2.4.2.2水平位移

從整體演化規律看，2個典型斷面各關鍵的水平位移在第2和第5施工步時位移減小，即向大斷面隧道外側移動，第1，3，4步反之，即水平位移變化產生波動。細部規律上，斷面1橫通道施工時，洞周5＃測點水平位移達到10.9 mm，而斷面2相同位置的位移僅為7.7 mm。

諸如上述，因為大斷面隧道開挖（第1工步）使洞室各點向內收斂，即水平位移增大；而施作大斷面隧道二次襯砌時（第2工步），因拆除初次襯砌中隔壁，頂部豎向松散土體驟然擠壓使得洞周向外“擴散”，即水平位移減小；相反，橫通道的施工（第3，4工步），使得左線盾構隧道右部因開挖卸荷產生不均衡土壓，繼而洞室又向內移動，即水平位移增大；臨時支撐的拆除（第5工步）再次造成豎向土壓驟增，洞室再次向外“擴散”，水平位移減小。

2.4.3盾構管片變形分析

在盾構隧道斷面1，2處選擇關鍵點用以監測施工過程中盾構管片的位移和變形。盾構管片內部位移監測點布置如圖8所示。水平及垂直位移曲線如圖9和圖10所示。

圖8　盾構管片內部位移監測點布置Fig.8 Layout of segment displacement monitoring points

2.4.3.1水平位移

斷面1中2＃測點最終位移最大，達到13.8mm；斷面2中4＃測點最終位移最小，為5.7 mm。位移隨工步的演化規律表現為：大斷面隧道開挖時（第1工步）盾構隧道整體向大斷面隧道中心移動，為4～5 mm；大斷面隧道施作二次襯砌時（第2工步），盾構隧道整體遠離大隧道中心方向，約1 mm；橫通道施工時（第3工步），盾構隧道整體又向大斷面隧道中心有較大的移動，尤其是橫通道部位管片。因為右側管片臨空并拆除，兩側管片上的壓力不平衡，在左側土壓力的作用下，管片水平方向位移突然變大，盾構水平直徑左側部位3＃測點水平位移達到10.2 mm，同樣位置塔柱部位的4＃測點管片水平位移要小一些，為8.6 mm；拆除臨時支撐時（第4工步），中間大隧道豎向壓力增大，側向壓力減小，大隧道的側墻在豎向土壓作用下向外“擠”，迫使兩側的盾構隧道也向遠離大隧道中心線的方向移動，各關鍵點的水平位移減小。

圖9　斷面1，2測點水平位移曲線Fig.9 Curves of horizontal displacement at monitoring points of No.1 and No.2 crosssections

圖10　斷面1，2測點垂直位移曲線Fig.10 Curves of vertical displacement measured at monitoring points No.1 and No.2 crosssections

2.4.3.2垂直位移

首先進行整體縱向比較，斷面1因為有橫通道開挖的影響，其垂直位移整體上比斷面2大。前者在盾構隧道頂部最大垂直位移達到－8.4mm，而后者僅有－5.3 mm。同時，兩斷面均隨著施工推進，整個盾構隧道垂直方向相對收斂，水平方向相對發散，盾構隧道成“扁平狀”的橢圓。

2.4.3.3斷面拉伸率

斷面1處的9＃—10＃測點間盾構隧道垂直方向收

斂最大為8.4 mm，壓縮率為0.14%，斷面2處11＃—12＃測點間盾構隧道垂直方向收斂最大值為3.9 mm，壓縮率為0.065%，斷面2處盾構隧道水平方向相對發散最大值為3.3 mm，伸長率為0.055%。

2.4.4盾構管片內力分析

橫通道施工時要局部拆除盾構管片，這部分管片是受力最不利的，提取斷面1處要局部拆除的第13環管片的內力可知。

橫通道開挖前，盾構隧道管片上兩側的壓應力大于頂部和底部管片上的壓應力，側部壓應力約2.2 MPa，底部為1.6 MPa，頂部最小為1.4 MPa；管片上的拉應力較小，但是在靠近大隧道一側的管片接縫處有集中拉應力，約0.12 MPa。

橫通道開挖時，盾構隧道靠近大斷面隧道一側臨空，管片上的壓應力驟減為0.4 MPa，盾構隧道頂部和底部的壓應力也相應地略有減小，而遠離大斷面隧道一側的管片壓應力增大值為2.3 MPa；管片拆除和施作橫通道二次襯砌時，管片上的壓應力變化不大，管片拆除部位出現集中拉應力約0.4 MPa。

臨時支撐的拆除對管片的應力影響比較大，遠離大斷面隧道一側管片上壓應力增大至2.53 MPa，頂部和底部的壓應力變化不大，為1.5 MPa，管片和橫通道上下連接處有較大的集中拉應力，約0.9 MPa。

2.4.5管片螺栓位移及應力分析

管片間縱縫、環縫在橫通道開挖及自身拆除時，會產生局部位移和變形。同時，連接螺栓不宜受力過大，若發生屈服，會引起接縫變形增大及滲漏水。

如圖11所示，典型斷面1處第13環管片，管片部分拆除后，提取4個接縫處兩側管片內、外側節點的相對位移及螺栓軸力進行接縫變形和內力分析。為分析橫通道開挖對螺栓內力的影響，同時提取管片未拆除典型斷面2處第17環管片上相同位置處的環向螺栓內力開展中對比分析。

圖11　螺栓和接縫位置示意圖Fig.11 Locations of bolts and joints

表7為拆除臨時支撐后接縫兩側管片相對位移。由表7可知，管片封頂塊（1＃—2＃測點處）兩側管片接觸良好，基本無張開，但相對錯動比較明顯，達到1.1 mm；3＃接縫兩側管片在隧道內側緊密接觸，在隧道外側張開，達到0.7 mm；4＃接縫兩側管片在隧道內側有較大張開，達到1.2 mm，在外側接觸良好，同時有0.6 mm的錯動。依據管片接縫允許張開值公式δ允許≤BD／（ρmm－0.5D）＋δ0＋δs＝29.1 mm，滿足功能需求［8－10］。

表7 拆除臨時支撐后接縫兩側管片相對位移Table 7 Relative displacement of segments on both sides of joints after temporary support dismantling　mm

圖12是斷面1第13環管片上環向螺栓應力曲線，圖13是斷面2第17環管片上環向螺栓應力曲線。

圖12　斷面1第13環管片上環向螺栓應力曲線Fig.12 Curves of stress on circumferential bolts of No.13th segment ring at No.1 crosssection

圖13　斷面2第17環管片上環向螺栓應力曲線Fig.13 Curves of stress on circumferential bolts of No.17th segment ring at No.2 crosssection

由圖12和圖13對比可知，隨施工推進，2個斷面上的環向螺栓應力均不斷增大，尤其是臨時支撐拆除工序對4＃位置的螺栓內力演化影響最大，斷面1處第13環管片（橫通道開挖時管片開口）最為不利，達到1 078 MPa，超過M10.9高強螺栓屈服強度（抗拉強度1 000 MPa，屈服強度900 MPa），可見，原設計M10.9螺栓接近屈服。建議在設置橫通道的管片斷面處，局部采用M12.9高強螺栓。同時，2個斷面相同位置的2＃螺栓呈受壓狀態并由襯墊承受且壓力較小，其余為受拉，均小于自身屈服強度。

3　結論與探討

1）橫通道暗挖施工前，兩管平行隧道整體受壓，隨著橫通道開挖及管片鑿除，在管片開口處出現拉應力，未超過襯砌混凝土設計抗拉強度。

2）隨著橫通道開挖、支護的進行，側部區間隧道腰部水平位移發展到10.9 mm，表現為向大斷面方向移動收斂；隨著大斷面內部臨時支撐的拆除，側部盾構腰部水平位移特征表現為發散，達到7.9 mm。

3）管片開口處，環向螺栓應力較大，且開口環管片變形值較大，應加強對該環管片受力驗算，并對開口環管片環向螺栓采用高強螺栓，并做好對開口環管片的加固工作。

4）中間暗挖大斷面隧道的施工對其及兩側平行盾構區間上方的地層位移影響較大，有必要在橫通道開挖前從兩側平行盾構區間內向橫通道及管片上方一定范圍內注漿加固，以穩固地層。

5）盾構區間最終位移性態使得其斷面呈“扁平”橢圓狀。局部上，橫通道開挖使得橫通道部位管片和塔柱部位管片之間產生差異變形，影響到結構穩定性和防水性能。建議在盾構隧道內加臨時支撐的同時，采取槽型鋼板拉筋條或預應力錨索（類似于盾構進出車站時措施）將管片沿縱向拉緊，以增強結構整體性。

6）盾構平行過站結合淺埋暗挖法工法可推廣應用于工期需求緊張、車站（線間距）規模受限、盾構設備攤銷大、附屬工程設置條件惡劣、環境影響要求苛刻等工程，以充分發揮機電設備及淺埋暗挖的雙重優勢。

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Dynamic Numerical Analysis on a Metro Station on Line 4 of Beijing Metro Constructed by Shield Method and Shallowcovered Mining Method

CHEN Feng
（Algeria Company，China Railway Construction International Economic and Trade Group，Beijing 100855，China）

Abstract：The combination of shield method and shallowcovered mining method can be used to construct Metro stations，so as to improve the availability of shield and to reduce pipeline moving，building removing and traffic rerouting.In the paper，dynamic numerical analysis is made on the construction of a Metro Station on Line 4 of Beijing Metro，which is constructed by means of combination of shield method and shallowcovered mining method，by means of FLAC 3D numerical simulation software.The analysis result shows that the safety of the tunnel and the surrounding environment can be guaranteed，and the construction risks can be brought under effective control.

Key words：shield method；shallowcovered mining method；Metro station；numerical simulation

作者簡介：陳峰（1985—），男，河南南陽人，2005年畢業于北京交通大學，土木工程專業，本科，工程師，現從事公路、鐵路等國際工程項目的管理工作。

收稿日期：2014－12－02；修回日期：2015－02－05

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）04－0335－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.04.009