大直徑盾構擴挖地鐵車站結構分析

段忠良

摘 要：隨著我國的經(jīng)濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，我國的城市建設在不斷的加快，作為國民交通的一種，地鐵建筑多為地下結構，且建筑與結構之間關系較為緊密。在很多情況下，地鐵建筑建構形式均為具有決定性作用的核心環(huán)節(jié)，決定著建筑的整體形態(tài)、空間組織和外觀造型，也有力地體現(xiàn)著建構技術的時代水平。地鐵建筑的建構形式既要滿足建筑功能的合理性又要滿足結構的安全性，有賴于建筑專業(yè)與結構專業(yè)的通力協(xié)作、無縫對接，從而實現(xiàn)建構藝術的和諧統(tǒng)一。

關鍵詞：地鐵車站;大直徑盾構;建構;解析

某地鐵，工程全長3151.6m。工程總體施工方案是：區(qū)間隧道采用10.22m的大直徑盾構從東風北橋站始發(fā)，連續(xù)掘進，形成單洞雙線隧道，中間的將臺站和高家園站依托大直徑盾構隧道進行擴挖形成單層側式站臺。區(qū)間隧道采用常規(guī)的雙線盾構隧道，車站依托兩條盾構隧道進行擴挖，國外有成功的工程實例，國內(nèi)也有學者開展過相關的前期研究，但本工程的車站基于大直徑盾構隧道擴挖形成，且周邊環(huán)境條件復雜，車站周圍及車站部位地層為含水的砂層和粉質(zhì)粘土層，擴挖過程中結構安全風險極大。

一、工程背景

由于傳統(tǒng)的地鐵施工方法長時間制約著城市交通和人民群眾的出行，并衍生出建設費用增加、管線改移不便等一系列問題，因此修建于城市中心地區(qū)的地鐵標段，創(chuàng)新地鐵施工方法勢在必行。瞄準一線城市的實際特點，探索推進一種具備對現(xiàn)狀地上和地下環(huán)境影響較少，兼具形勢靈活、適應性廣等優(yōu)勢的區(qū)間、車站設計和施工新方法至關重要，因此參考某地鐵14號線開展大直徑盾構擴挖地鐵車站設計和施工試驗資料的基礎上進行分析研究。

二、大直徑盾構擴挖地鐵車站建構形式

（一）大直徑盾構通過車站風道的方式

按照設計方案要求，車站風道必須完成施工后才具備盾構穿越的條件，由于盾構掘進速度快，而車站風道施工受各種條件的制約，很難按時提供盾構穿越條件，根據(jù)工程實際，提出并實施了兩種盾構通過車站風道的新方式：（1）先完成盾構穿越部位的風道結構施工，盾構通過風道后，再完成風道剩余部分的土方開挖及結構澆筑。將臺站2號風道是大直徑盾構穿越的第1個風道，采用PBA法施工。在盾構到達前，只能完成“導洞開挖、導洞內(nèi)鉆孔樁及冠梁施工、中洞開挖及扣拱施工”等工序，而如果要全部完成風道結構施工，則盾構到達2號風道后只能等待，這樣勢必影響總工期目標。為此采取的措施如下：1）盾構到達前對盾構進出風道兩側的土體進行注漿加固，提高土體的自穩(wěn)能力。2）施作盾構進出洞部位的上部環(huán)梁，然后向下開挖盾構通過部位的土方，東西兩側采用格柵噴射混凝土支護型式，南北兩側利用洞內(nèi)鉆孔灌注樁作為支護結構，土方開挖完成后施作此部位的風道底板和環(huán)梁混凝土，架設鋼管支撐，滿足盾構通過風道條件。3）盾構通過風道后，再進行風道剩余部分的土方開挖與結構澆筑。該方案能較好解決區(qū)間隧道和車站風道施工籌劃沖突，不需要降低盾構掘進速度或停機等待，確保盾構掘進不受車站風道施工的制約。整個工程籌劃以區(qū)間隧道為主線，能盡早實現(xiàn)“洞通”的目標。（2）盾構先通過風道，再施工風道結構。風道采用PBA法施工，盾構離開將臺站向高家園站掘進時，該風道尚處于導洞開挖階段。按照原方案做完風道二襯后，盾構再通過，大盾構將等待3個月，為了不影響工期，提出并實施了：“盾構先穿越高家園站1號風道，再進行風道結構施工”的方案。即：盾構穿越風道位置的9根鉆孔樁不施作，而是讓盾構直接穿越。并在導洞內(nèi)對冠梁結構采取加強措施。

（二）車站擴挖關鍵施工階段

以將臺站作為依托工程，針對車站擴挖的實施方案，采用“地層-結構”有限元法進行擴挖車站施工過程的模擬，由于采用洞樁法擴挖的結構受力狀態(tài)調(diào)整主要集中在兩側中洞的開挖支護（扣拱）及封頂塊管片兩側的小管片破除階段，因此本文主要模擬“從導洞開挖直至封頂塊兩側的小管片被拆除”這個最重要的施工階段。

（三）建筑與結構的互動性

首先建筑需要提出功能需要同時反饋結構需要，其次結構根據(jù)建筑的需要進行嘗試性的計算和驗算，經(jīng)過建筑設計者和結構設計者的反復互動式的建構，建筑和結構的互動性才得以呈現(xiàn)。當建構完車站站臺和集散廳后，如何將這兩部分聯(lián)系起來，又成了一大難題。經(jīng)過建筑與結構的互動，確定了隧道側面開洞的位置和大小以及構件的平衡。最終通過合理的建構實現(xiàn)了雙方的構想。

（四）結構對建筑的影響

在大直徑盾構通過形成隧道后，該試驗段將建成單洞雙線擴挖地鐵車站，為單洞雙線側式地鐵車站形式。從結構的穩(wěn)定性和安全性考慮，采用該種形式使建構形式斷面最小，降低了建造風險。同時由于擴挖斷面內(nèi)空間較小，只作為車站站臺使用，只能考慮在一側建構車站的集散廳和設備用房，從而建構出完整的地鐵車站，以保證建筑設計的整體統(tǒng)一。

（五）利用大盾構隧道作為施工通道進行車站擴挖的方案研究與實施

（1）由于作業(yè)空間狹小，拱部二襯的鋼筋綁扎、模板支立及碗扣式支架設置操作難度大。（2）管片和側洞初期支護的破除對拱部二襯結構擾動大。（3）在封頂管片兩側的小塊被破除后，隧道內(nèi)的支撐主要承擔剩余管片自重及兩側的土壓力。而設計的隧道內(nèi)支撐體系過于復雜，不利于管片破除作業(yè)。（4）位于封頂管片兩側的管片拆除風險最大，B管片重約7t，第二道支撐作為施工平臺，一旦發(fā)生管片突然掉落，極易發(fā)生安全事故。經(jīng)過計算分析并與設計溝通，對隧道內(nèi)的支撐設置、側洞初支及管片拆除方案進行了如下優(yōu)化：（1）側導洞初期支護結構和上部管片拆除后再進行二襯施工。（2）取消盾構隧道內(nèi)的第二道、第三道支撐，將第一道支撐向下移動到管片下方。優(yōu)化以后的關鍵步序：（1）中洞完成拱部初期支護施工后，開挖中洞剩余土體。（2）拆除圖中圓圈處側洞初支格柵。（3）支撐下方設置碗扣式支架。（4）將加工好的支架放在管片底，用22工字鋼將支架與中墻頂住，同時，將管片上部用捯鏈栓牢，捯鏈另外一側固定在側洞初襯的預埋件上。

三、結語

通過對結合大盾構擴挖形成車站型式及方案的研究分析，認為：（1）從車站功能和經(jīng)濟合理性來說，采用單洞雙線擴挖形成側式站臺車站較為合理。（2）對有特殊需要的車站可采用單洞雙線擴挖島式車站，但土建工程量大。（3）為了能使單洞雙線擴挖側式車站能夠廣泛使用，針對客流較大的車站，站臺中部可采取加寬處理，側站臺由3.5m增加至需要寬度，但擴挖斷面增大，施工風險相應增大。 （4）由于國內(nèi)還沒有大盾構擴挖形成車站的先例，此種新型車站型式布置方案作為試驗段，仍有很多問題，特別是與傳統(tǒng)車站的經(jīng)濟比較，需要在后續(xù)的實施中繼續(xù)探討和比較。綜上所述，此種車站結合大直徑盾構隧道形成的車站布置型式，不僅與地址環(huán)境特點相適應，也是建筑與結構技術的有機統(tǒng)一，同時也體現(xiàn)了地鐵布置型式多樣性的特點，對車站型式的探索和方案設計有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]北京城建設計研究總院有限責任公司，等.北京地鐵十四號線工程11標段總體設計方案及初步設計方案[R].北京：北京城建設計研究總院有限責任公司，2009.

[2]北京城建設計研究總院有限責任公司，等.北京地鐵十四號線工程11標段總體設計方案及初步設計、大盾構擴挖試驗段方案[R].北京：北京城建設計研究總院有限責任公司，2009.