重慶地鐵暗挖車站盾構(gòu)過站方式研究及實踐

楊志豪，丁鵬飛，*，鄒光炯

(1. 上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200235；2. 重慶市軌道交通設(shè)計研究院有限責任公司，重慶 401122)

0 引言

為了提高區(qū)間隧道施工的效率和機械化程度，通過前期論證，重慶軌道交通環(huán)線工程首次在重慶地區(qū)大規(guī)模地采用盾構(gòu)工法施工區(qū)間隧道[1-2]。軌道交通環(huán)線工程中，在暗挖車站較多且車站端頭無法設(shè)置盾構(gòu)工作井的情況下，盾構(gòu)安全、快速、便捷地通過暗挖車站顯得尤為重要，有助于提高區(qū)間隧道的施工效率，減少盾構(gòu)轉(zhuǎn)場的費用和時間。

文獻[3-4]介紹了盾構(gòu)整體過明挖車站的相關(guān)方法與技術(shù)、經(jīng)濟性、適應(yīng)性分析，暗挖車站空間狹小，盾構(gòu)過站的重難點與明挖車站有較大的區(qū)別；文獻[5-6]介紹了盾構(gòu)在空推過預留礦山法暗挖隧道與通過分離島暗挖車站(隧道斷面內(nèi)凈空尺寸高8 843 mm、寬7 750 mm)的案例，隧道斷面較小，且均為已完成暗挖隧道結(jié)構(gòu)后再進行盾構(gòu)步進，與盾構(gòu)通過同步建設(shè)的暗挖大斷面車站有較大的差異；文獻[7-9]介紹了敞開式TBM過站的相關(guān)案例，因敞開式TBM采用撐靴提供反力，噴錨支護，不拼裝管片，機器開挖掘進的功效更高，掘進機工作狀態(tài)與復合式盾構(gòu)有較大的差異，進而造成盾構(gòu)工法與礦山法暗挖車站的匹配等重、難點有較大的區(qū)別，工程建設(shè)過程中需要關(guān)注的重點各不相同。

本文以軌道交通環(huán)線工程為依托，進一步深入探討復合式盾構(gòu)過站方式，按照盾構(gòu)過站時車站的施工時序分為3種過站方式，并對實現(xiàn)盾構(gòu)靈活過站及同步實施車站二次襯砌澆筑與盾構(gòu)過站等有助于加快工期的方式進行嘗試，解決暗挖車站與盾構(gòu)工法相組合在工程實施中的難題。

1 盾構(gòu)過站的原則及方案研究

1.1 過站原則

復合式盾構(gòu)過站應(yīng)遵循“安全、快速、投資少”的原則，綜合考慮暗挖車站及盾構(gòu)施工進度、工程籌劃，減少盾構(gòu)過站對車站工期的影響。施工過程中，應(yīng)跟蹤現(xiàn)場施工進展，根據(jù)實際工程進展情況進行必要的調(diào)整，最終獲得整體工程進度的最優(yōu)化。

1.2 暗挖車站的施工工序簡介

重慶地區(qū)軌道交通礦山法暗挖車站，根據(jù)建筑的使用及行車限界的要求，標準12 m島式暗挖車站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空尺寸為21.0 m×18.490 m(跨度×高度)。考慮到重慶地區(qū)基巖埋深小、巖石整體性較好的地質(zhì)條件，依據(jù)類似工程經(jīng)驗類比及環(huán)線工程實際情況，環(huán)線工程暗挖車站主要采用雙側(cè)壁導坑法施工，共分9步開挖[10-11]。暗挖車站雙側(cè)壁導坑法施工步序如圖1所示。

第1階段： 完成施工通道向車站主體施工轉(zhuǎn)換后，開挖車站側(cè)壁上導坑，并完成相應(yīng)支護。

第2階段： 開挖側(cè)壁中導坑，并完成支護。

第3階段： 開挖側(cè)壁下導坑，并完成支護。

第4階段： 開挖車站上臺階核心土，并完成拱圈初期支護封閉。

第5階段： 完成核心土開挖，并完成仰拱二次襯砌的澆筑。

第6階段： 分步澆筑車站主體二次襯砌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 暗挖車站雙側(cè)壁導坑法施工步序圖

1.3 盾構(gòu)過站方式及適用性分析

1.3.1 盾構(gòu)過站難點

盾構(gòu)過站方式的選擇應(yīng)與其過站時暗挖車站所處的工況階段相匹配。經(jīng)過分析，復合式盾構(gòu)通過暗挖車站難點如下。

1)礦山法暗挖車站自身工程體量大，施工難度大、風險高、受力體系轉(zhuǎn)換多、步序復雜，暗挖車站主體工程的工期通常是控制性節(jié)點工期。

2)復合盾構(gòu)在暗挖車站接收后通過車站洞身，開始掘進下一段區(qū)間隧道，已完成的隧道及車站洞身需作為盾構(gòu)出碴、管片運輸、電力、通風、供水的通道且不能中斷，直到盾構(gòu)掘進完成全部區(qū)間隧道。

1.3.2 盾構(gòu)過站適用性分析

根據(jù)盾構(gòu)通過時暗挖車站所處的不同施工階段，過站方法如下。

1)盾構(gòu)掘進過站(先隧后站)。盾構(gòu)到達車站范圍時，車站主體結(jié)構(gòu)尚未施工，盾構(gòu)可選擇正常掘進并拼裝管片通過車站，后期暗挖車站施作時再破除管片。盾構(gòu)掘進過站示意如圖2所示。

2)盾構(gòu)初期支護步進過站。盾構(gòu)到達車站范圍時，車站尚處于導坑開挖階段(即上述暗挖車站施工步序第3階段)，盾構(gòu)空推步進(不拼裝管片)通過已完成的暗挖車站初期支護導洞，待盾構(gòu)過站完成后，再進行車站的后續(xù)階段施工。盾構(gòu)初期支護步進過站示意如圖3所示。

3)盾構(gòu)二次襯砌步進過站。盾構(gòu)到達車站范圍時，車站主體隧道的二次襯砌已經(jīng)澆筑完成，盾構(gòu)空推步進通過車站(不拼裝管片)。盾構(gòu)二次襯砌步進過站示意如圖4所示。

1.3.3 盾構(gòu)3種過站方式的優(yōu)缺點

經(jīng)初步分析，3種過站方式的優(yōu)缺點如表1所示。

圖2 盾構(gòu)掘進過站示意圖

圖3 盾構(gòu)初期支護步進過站示意圖

圖4 盾構(gòu)二次襯砌步進過站示意圖

2 環(huán)線沙坪壩區(qū)段盾構(gòu)過站施工實踐

2.1 工程概況

重慶市軌道交通環(huán)線工程是重慶主城區(qū)軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分，也是線網(wǎng)規(guī)劃中“九線一環(huán)”的主骨架，全線共設(shè)33座車站，其中高架站3座，半地下車站2座，明挖車站11座，礦山法暗挖車站17座，礦山法暗挖車站占比超過50%。

本文以環(huán)線工程經(jīng)主城沙坪壩區(qū)的7站7區(qū)間為例，結(jié)合施工組織籌劃，統(tǒng)籌研究盾構(gòu)過站方案。本段線路全長約9 925.561 m，均采用地下敷設(shè)方式，共設(shè)地下站7座(其中明挖車站2座，礦山法暗挖車站5座)，平均站間距為1 411 m。車站情況見表2。

本段區(qū)間均為地下線，且位于重慶中心城區(qū)，根據(jù)前期的專題論證成果，除了停車場接軌區(qū)間(鳳天路站—天星橋站區(qū)間)采用礦山法施工外，其余6段區(qū)間均采用復合式盾構(gòu)進行施工。

2.2 盾構(gòu)過站方式籌劃

本段區(qū)間以鳳天路站—天星橋站礦山法區(qū)間為界分為南、北2段進行盾構(gòu)施工籌劃。南段為重慶西站(不含)—上橋站—鳳鳴山站—鳳天路站(不含)段；北段為天星橋站(不含)—沙坪壩站—沙正街站—嘉陵江隧道洞口段，均為2站3區(qū)間。

2.2.1 重慶西站—鳳天路站區(qū)段工程籌劃

南段重慶西站—鳳天路站區(qū)段工程籌劃，利用明挖鳳鳴山站作為盾構(gòu)始發(fā)場地，分別向鳳天路站和重慶西站方向掘進，上橋站需采用盾構(gòu)過站方式。初期工程籌劃的考量點如下。

表1 復合式盾構(gòu)過站方式優(yōu)缺點比較表

1)盾構(gòu)要于暗挖鳳天路站接收并經(jīng)暗挖風道吊出，需考慮盾構(gòu)在風道中平移的難度且場地提供較晚。

2)上橋站—鳳鳴山站區(qū)間長度為853 m，盾構(gòu)始發(fā)之后，掘進約3個月即可到達上橋站，要通過正在施工暗挖主體的上橋站。

充分考慮上述影響因素后，工程籌劃采用盾構(gòu)自明挖鳳鳴山站小里程端頭井始發(fā)，經(jīng)上橋站過站后于重慶西站端頭井接收，預判盾構(gòu)到達上橋站時，車站尚處于暗挖主體隧道開挖階段，按照初期支護步進過站方式預排定(若現(xiàn)場上橋車站工期進展順利，則采用二次襯砌步進過站)；盾構(gòu)至重慶西站盾構(gòu)井接收后轉(zhuǎn)場至鳳鳴山站大里程端頭井二次始發(fā)，于鳳天路站接收，并經(jīng)暗挖風道吊出(見圖5)。本段工程籌劃，盾構(gòu)共計掘進3 384雙線延米，初期支護步進通過1座暗挖車站約214 m。

表2 沙坪壩區(qū)段車站概況一覽表

2.2.2 天星橋站—嘉陵江隧道洞口區(qū)段工程籌劃

北段天星橋站—嘉陵江隧道洞口段，盾構(gòu)自天星橋站大里程端頭井始發(fā)，經(jīng)沙坪壩站、沙正街站過站后于嘉陵江隧道洞口接收(見圖6)。本段工程籌劃難點為盾構(gòu)要通過正在施工中的暗挖沙坪壩站、沙正街站，2座車站均為暗挖車站，暗挖車站的施工狀態(tài)決定了盾構(gòu)過站方式的選擇。

初步的工程籌劃，沙坪壩站為3線換乘車站，車站斷面大且車站施工通道場地選取困難，初步判斷盾構(gòu)推進至車站時主體尚未開挖，擬定本站采用盾構(gòu)掘進過站，待區(qū)間隧道貫通后，暗挖車站開挖時破除車站范圍內(nèi)區(qū)間管片。沙正街車站為暗挖配線車站，工程量較大，考慮到車站距離盾構(gòu)始發(fā)端較遠且施工通道場地條件較好，預判盾構(gòu)到達時，車站主體開挖已完成，故采用盾構(gòu)初期支護過站的方式。本段工程籌劃，盾構(gòu)共計掘進3 338雙線延米，通過2座暗挖車站，其中掘進過站1座長約178 m，初期支護步進過站1座長約283 m。

2.3 工程實踐及相應(yīng)調(diào)整

在工程實施過程中，因外部條件的改變，盾構(gòu)到達暗挖車站主體時，車站主體施工階段與前期設(shè)計階段預判有所不同，需對施工籌劃進行調(diào)整。

南段重慶西站—鳳天路站區(qū)段，工程進度滿足籌劃要求，采用盾構(gòu)在車站隧道初期支護狀況下步進過站(見圖7)。待上橋站—重慶西站區(qū)間貫通后，再進行車站隧道核心巖柱解除及后續(xù)車站主體結(jié)構(gòu)施工。工程的風險主要在于中隔巖柱高約20 m[12]，需待區(qū)間隧道貫通后方可解除巖柱，施作隧道襯砌結(jié)構(gòu)，該風險工況持續(xù)約6個月。

北段天星橋站—嘉陵江隧道洞口段，因為盾構(gòu)始發(fā)場地較晚提供，無法按照計劃始發(fā)盾構(gòu)，而沙坪壩站、沙正街站施工較計劃有所提前。考慮到沙坪壩站主體隧道結(jié)構(gòu)最大開挖跨度為26.1 m，初期支護過站風險不可控。經(jīng)過多方論證，適當延后盾構(gòu)始發(fā)時間，加速完成沙坪壩站、沙正街站的主體二次襯砌，最終盾構(gòu)均采用二次襯砌步進過站的方式，通過沙坪壩站和沙正街站；并采用了高凈空模板臺車的方式，預留了盾構(gòu)通過模板臺車的空間。

圖6 天星橋站—嘉陵江隧道洞口區(qū)段盾構(gòu)施工籌劃圖(單位： m)

(a) 盾構(gòu)在暗挖車站端頭接收

(b) 盾構(gòu)臨時軌道過暗挖車站

3 盾構(gòu)過站方式的優(yōu)化與重點技術(shù)探討

3.1 盾構(gòu)靈活過站方式的實現(xiàn)

盾構(gòu)過站方式雖然在工程初步籌劃時會有一個預判方案，但在工程實施中，因諸多邊界條件的變化，預判方案與現(xiàn)場進度會有較大的差異，需預留接口工程滿足3種過站方式，以便根據(jù)現(xiàn)場實際進度，合理調(diào)整過站方式，實現(xiàn)靈活過站。接口工程不僅要考慮工序轉(zhuǎn)換的方便，而且應(yīng)盡量與永久工程相結(jié)合，盡量避免廢棄工程量的產(chǎn)生。

3.1.1 盾構(gòu)與暗挖車站結(jié)構(gòu)關(guān)系

環(huán)線工程中，復合式盾構(gòu)刀盤直徑為6 860 mm，根據(jù)限界要求，車站結(jié)構(gòu)線路中心線距離車站二次襯砌內(nèi)表面為2 250 mm，小于1/2的盾構(gòu)直徑(3 430 mm)。車站初期支護內(nèi)表面距離線路中心線約3 820 mm，故在不偏移隧道中心線的情況下，盾構(gòu)外殼距離車站初期支護約380 mm，盾構(gòu)與隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)沖突約860 mm(見圖8)。因此，若暗挖車站二次襯砌完成后，則盾構(gòu)無法沿線路中心線通過已完成的車站，而盾構(gòu)掘進過站或初期支護過站時，因二次襯砌尚未施工，故盾構(gòu)可沿設(shè)計線路通過車站隧道。

圖8 盾構(gòu)與暗挖車站標準斷面結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(單位: mm)

3.1.2 過站導洞的設(shè)置

在采用盾構(gòu)二次襯砌步進過站方式時，不能簡單地通過加大車站暗挖隧道的跨度來滿足盾構(gòu)步進過站的尺寸要求，主體隧道的安全性、經(jīng)濟性均無法得到保證。通過多方案的比選研究，在環(huán)線工程中，在暗挖車站端頭增設(shè)分離式的過站導洞(見圖9)，在接收(始發(fā))洞中可以實現(xiàn)盾構(gòu)的接收、平移和步進，以適應(yīng)暗挖車站主體隧道的尺寸[13]。盾構(gòu)過站工序平面見圖10。同時，所增設(shè)的接收(始發(fā))洞可兼作車站人防段或站端廢水泵房，實現(xiàn)預留工程“零廢棄”的目標。

圖9 過站導洞(后期兼作人防段)

工況1—盾構(gòu)接近接收洞端頭，做好接收準備； 工況2—盾構(gòu)進入站端接收洞； 工況3—在接收洞中平移盾構(gòu)，以便其進入已完成二次襯砌的暗挖車站； 工況4—進入車站斷面后的盾構(gòu)，繼續(xù)調(diào)整其位置，通過鋪設(shè)好的臨時軌道，通過車站。

3.2 同步實施車站二次襯砌澆筑與盾構(gòu)過站

暗挖車站二次襯砌的澆筑是一個系統(tǒng)的過程，常規(guī)流程是拆除臨時鋼撐—鋪設(shè)防水卷材—鋼筋綁扎—混凝土澆筑。由于車站隧道斷面較大，為了提高施工效率，一般需定制鋼筋綁扎臺車和二次襯砌模板臺車[14-15]。在天星橋站—嘉陵江隧道洞口區(qū)段實施時，盾構(gòu)通過的沙正街站正好是車站二次襯砌澆筑的時段，為了不打亂車站二次襯砌施工的節(jié)奏，在模板臺車設(shè)計加工階段，考慮臺車下預留盾構(gòu)通過的凈空(見圖11)，采用新型高凈空桁架式模板臺車，做到車站二次襯砌和盾構(gòu)過站同步進行(見圖12)。

圖11 車站高凈空模板臺車示意圖

圖12 盾構(gòu)下穿模板臺車現(xiàn)場照片

4 結(jié)論與討論

1)重慶市軌道交通環(huán)線工程是重慶地區(qū)在主城范圍內(nèi)首次大規(guī)模應(yīng)用復合式盾構(gòu)工法的項目，通過研究盾構(gòu)通過暗挖車站的工法，解決了暗挖車站與盾構(gòu)工法相組合在工程實施中的難題，以期為類似工程提供有益的經(jīng)驗。

2)盾構(gòu)通過暗挖車站有掘進過站、初期支護步進過站、二次襯砌步進過站3種方式，通過比選和工程實踐，在整體工期可控的前提下，首推盾構(gòu)二次襯砌步進過站方法。掘進過站方式因工程廢棄量較大，應(yīng)盡量避免。

3)在暗挖車站端頭增設(shè)接收(始發(fā))導洞、高凈空桁架式模板臺車等新工藝的應(yīng)用，可增加盾構(gòu)過站方法的靈活性，提高工程籌劃的精準度。

4)過站工況有較大的不確定性，前期應(yīng)重點加強對過站方式預留工程的靈活性與永臨結(jié)合進行多工況考慮，避免廢棄工程的產(chǎn)生。實施過程中應(yīng)加強工期跟蹤，對各工序的實施步驟及時了解，可以盡早從總體籌劃角度來決策、優(yōu)化。

5)初期支護步進過站工法靈活性比較高，但其所帶來的中隔巖柱及過站后對巖柱的破除給車站常規(guī)正常施工帶來了干擾，應(yīng)選用合適的支護參數(shù)。

6)不論采取哪種過站方式，盾構(gòu)過站均會對暗挖車站產(chǎn)生較大的干擾。若結(jié)合快慢車組合運營模式下的“越行線”的配線設(shè)置模式，研究過站快線與進站慢線施工工法匹配，減少車站、區(qū)間施工的相互干擾。