大直徑盾構隧道淺埋暗挖擴挖技術研究

□文/李愛民 顏 莓 魯衛東

隨著城市建設的快速發展，建設用地日趨緊張、地鐵線網加密后可選擇的線路路由狹窄、地上地下環境苛刻，環境保護標準增高，使得常規明蓋挖施工方法造價超限或風險難以控制；采用常規淺埋暗挖法雖可避免地面環境影響，但受到地質、水文等環境條件限制，連續長距離施工區間，會大大增加工程實施風險，大量抽取地下水或水泥化學漿液止水，會破壞水文地質環境。盾構法作為目前最安全、高效、經濟的施工方法，廣泛應用于地鐵區間建設，但目前基本局限于區間工程，均以單洞單線形式在站點之間推進，未充分發揮其安全性高、長距離掘進、對周邊環境影響小等優勢。國外已有基于兩條單線盾構隧道之間擴挖形成車站的工程實例，但由于區間及車站占用地下空間較寬，受設備和建筑限界等控制需加大兩條盾構隧道直徑，在狹長環境條件下難以實施。目前國內針對盾構結合暗挖法建造地鐵車站技術的研究，亦主要為雙線盾構與淺埋暗挖法結合[1～2]，實際工程仍缺少案例。

因此，需要研究一種以連續推進的單洞雙線大直徑盾構隧道為基礎，站點全地下擴挖形成車站的地鐵建造技術。這樣不但可以解決狹窄環境中線路路由的選擇問題，而且可發揮盾構法安全高效的優勢，減少地鐵建設對地上、地下環境的影響。本文以北京地鐵14號線試驗段工程為背景，對單洞大直徑盾構隧道結合淺埋暗挖法擴挖車站結構方案進行探討。

1 工程概況

北京地鐵14 號線東風北橋站—高家園站區段全長約3.2 km，共包括東風北橋站、將臺站、高家園站3個車站和2個站間區間，區段地質以粉質黏土、粉細砂為主，地下水位較高。將臺站、高家園站地面道路交通繁忙，部分現狀道路寬度僅16 m，道路兩側住宅、商業建筑密集，地下管線眾多，存在大直徑雨污水、高壓燃氣、電信、電力等管線，拆改困難，不具備明挖條件。區間線路需多次下穿河流、居民樓、高壓電塔、天橋等建筑物，采用淺埋暗挖法施工風險極大，采用盾構法施工是該段區間的首選，但由于部分道路狹窄，一般單洞雙線的區間線路布置較困難；同時連續兩座車站暗挖法施工，風險大、地下水處理困難，制約了區間盾構法的工期，增加車站過站、調頭轉場等相關工程費用和實施難度。

區間采用單洞大直徑盾構法施工，實現單洞雙線一次穿越；車站范圍采用盾構法與淺埋暗挖法結合修建車站的方法，在滿足建筑、設備使用功能的前提下，確定區間采用單洞雙線外徑10 m盾構隧道，車站位置在盾構隧道兩側局部暗挖形成側式站臺結構的實施方案。

2.擴挖技術方案比選

2.1 車站整體布置形式

采用廳臺分離形式，交通繁忙、管線密布的道路范圍設置站臺層，大直徑盾構結合淺埋暗挖法擴挖施工；路側不受拆遷等現狀條件限制的部位，可結合現狀或規劃條件設置地面或地下集散廳，集散廳可化整為零，合廳、分廳形式均可滿足功能要求。在集散廳與擴挖車站間，利用暗挖風道、橫通道等實現廳、臺連接。

將站臺層與站廳層分離布置，實現了主線隧道、集散廳等功能布局獨立建設實施，減小了含水地層中淺埋暗挖法施工的規模和風險，同時由于大直徑盾構隧道過站連續推進，為站位靈活布置提供了技術前提，車站與區間施工不再相互制約。

2.2 擴挖結構形式及施工工序

隧道區間采用單洞雙線行車，襯砌環采用8+1 形式，分塊為6A+2B+1K，環寬1.8 m，錯縫拼裝。擴挖車站范圍盾構管片與區間隧道形式相同，采用通縫拼裝，為便于拆除，封頂塊設置于正上方[3]。目前國內地鐵建設中，第四紀軟弱地層淺埋暗挖施工方法主要有正臺階法、雙側壁導坑、中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁（CRD 法）、洞樁法（PBA 法）等[4]；用于較大開挖斷面的主要為CRD法和PBA法。

整體工序：盾構隧道通過車站站位后，先期施工隧道內中柱和頂、底縱梁作為單柱雙連拱隧道的主要受力構件，同時也作為拆除管片過程的主要豎向受力構件；然后利用淺埋暗挖法自車站兩端或中部開挖剩余部分隧道斷面，同時拆除已受力管片。在開挖和拆除過程中，淺埋暗挖初襯結構與盾構隧道管片、中柱等共同組成臨時支護結構，保證拆除施工和現澆二襯結構的安全性和穩定性。為增強大直徑盾構擴挖工法環境適應性，增加盾構與淺埋暗挖法結合的靈活性，考慮CRD 法和PBA 法分別與盾構隧道結合實施車站的設計方案，大直徑盾構隧道擴挖形成一柱兩跨雙連拱永久結構。見圖1和圖2。

圖1 PBA工法方案

圖2 CRD工法方案

2.2.1 PBA法施工工序

1）盾構施工，形成車站范圍盾構隧道，在隧道內施工中柱、臨時水平撐，自站端橫通道開挖側導洞，見圖3。

圖3 PBA法工序1

2）導洞內施工灌注樁，打設中導洞管棚及洞門小導管注漿，開挖中導洞至側導洞底板位置，設置臨時封底，見圖4。

圖4 PBA法工序2

3）分段拆除盾構隧道局部K 管片和上部盾構管片，見圖5。

圖5 PBA法工序3

4）分段拆除側導洞隔壁，澆筑混凝土，完成二襯扣拱，見圖6。

圖6 PBA法工序4

5）拱頂混凝土達到強度后，破除臨時封底繼續向下開挖，見圖7。

圖7 PBA法工序5

6）對稱拆除中部管片及相應臨時支撐，見圖8。

圖8 PBA法工序6

7）繼續開挖至坑底，拆除下部管片及相應臨時支撐，見圖9。

圖9 PBA法工序7

8）施工二襯結構，見圖10。

圖10 PBA法工序8

2.2.2 CRD法施工工序

1）盾構隧道施工，在隧道內施工中柱、水平撐，開挖上排側導洞，見圖11。

圖11 CRD法工序1

2）自站端橫通道開挖上排中導洞，與盾構管片形成連接，見圖12。

圖12 CRD法工序2

3）開挖中排導洞，與盾構管片形成連接，見圖13。

圖13 CRD法工序3

4）繼續開挖下排導洞，與管片連接，封閉整體初襯，見圖14。

圖14 CRD法工序4

5）縱向分段拆除管片，隨拆除架設水平橫撐，見圖15。

圖15 CRD法工序5

6）分段施工底部防水層、二襯底板及部分側墻，見圖16。

圖16 CRD法工序6

7）設置倒撐后，沿隧道縱向分段拆除上部橫撐，見圖17。

圖17 CRD法工序7

8）施工剩余防水層，封閉二襯，見圖18。

圖18 CRD法工序8

2.3 方案對比分析

通過工序可以發現，兩種開挖方法在結構受力方面的共同點主要為：

1）盾構隧道內須先施工中柱、中梁，為受力轉換提供條件，方可實施暗挖初襯與盾構管片的連接；

2）盾構隧道內設置水平支撐保證管片結構在暗挖施工及拆除管片階段的穩定，同時傳遞水平荷載，減少偏載產生的不利影響；

3）頂部暗挖初襯與管片連接并傳遞荷載至中柱，初襯、管片、中柱（頂梁）組合受力節點為施工階段結構受力關鍵點；

4）二襯均為整體現澆，結構受力、防水效果好。

但在與盾構隧道結合擴挖施工過程中，兩種工法施工階段臨時支護體系和工期等方面存在著較明顯的區別，見表1。

表1 PBA法與CRD法擴挖比較

續表1

由表1 可知：在保證一次拆除整環管片穩定性的前提下，CRD工法是可行的；同時也可以看到，PBA 工法結合盾構隧道施工，形成單柱雙跨拱形結構在各方面均存在一定優勢。

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2.3.1 關鍵結構受力工況

對PBA 工法和CRD 工法各施工工序受力進行分析，各階段結構受力特性存在關鍵差異。

1）偏載影響：由于施工中難以做到完全對稱開挖，在偏載作用下，中柱、管片內力與對稱開挖工況相比有較大突變。PBA 工法在二襯扣拱前，主要靠隧道內部支撐平衡兩側偏載，上排中導洞單側非對稱開挖時，管片局部位置彎矩增加1.15～1.5 倍，中柱產生柱中彎矩和柱端剪力，二襯扣拱后，抗側力能力明顯增強且開挖、拆管片階段均在邊樁、二襯扣拱保護下進行；CRD工法在兩側導洞開挖階段，偏載影響的工序多、時間長，存在偏載影響較大情況。

2）盾構隧道內支撐：PBA工法擴挖施工階段，盾構內第一道支撐以受拉為主，第二道支撐在不同工況可能出現受拉、受壓情況，第三道支撐以受壓為主；CRD工法根據導洞隔板，第一道支撐以受拉為主[5]，最大軸力為PBA工法中第一道撐的1.15倍，第二道支撐軸力在受壓、受拉間變化，支撐與管片連接節點應根據受力需要設置，為平衡偏載，支撐要與中柱可靠連接，由于內部支撐較少并缺少邊樁作用，施工階段結構構件變形相對較大，初襯拱頂豎向彈性變形值為PBA工法的1.5倍。

2.3.2 對地層環境變形影響

采用同濟曙光有限元程序地層結構模型模擬施工過程，相同模型、相同參數條件下，兩種工法對地層變形影響見圖19和圖20。

圖20 CRD工法擴挖

由圖19 和圖20 可知，CRD 法施工階段地面變形最大值為-0.056 m，PBA法施工階段地面變形最大值為-0.045 m，CRD 工法沉降值約為PBA 工法的1.25倍。PBA工法在邊樁、暗挖扣拱、中柱的形成過程和聯合受力情況下，變形更小，結構安全度更高。

3 結論

采用大直徑盾構擴挖修建車站，將盾構法和淺埋暗挖法有機結合起來，取長補短，既可以實現狹窄道路條件下的線路布置，又可以實現城市密集建構筑物環境下的快速高效施工，為解決困難地段的地鐵車站修建問題提供思路。擴挖結構利用盾構管片和淺埋暗挖支護結構作為臨時支護結構，能有效保證施工階段隧道整體穩定和管片拆除施工安全；永久結構形式結合建筑布置形成單層一柱兩跨鋼筋混凝土現澆結構，即盾構中洞-邊樁法結構，能夠保證防水的整體性和結構耐久性。

通過擴挖技術分析，PBA法和CRD法作為淺埋暗挖法中常用工法，均可與盾構隧道結合使用，但擴挖結構結合PBA工法相對CRD工法具有以下優勢：

1）施工期間受力轉換簡捷，安全性較高；

2）上部導洞開挖并實施二襯扣拱后，在邊樁、中柱、二襯扣拱組成整體支護體系，結構抗偏載、抗變形能力較強；

3）對周邊環境影響較小；

4）土方開挖等工序進度較快，節省工期。

通過方案比選研究，大直徑盾構隧道結合淺埋暗挖法擴挖技術，采用PBA工法修建地鐵車站方案實施性較強、安全性較好，形成的盾構中洞-邊樁法擴挖結構滿足結構受力和施工等綜合要求。