大直徑盾構隧道側壁管片拆除對鄰近管片影響

許學昭，李兆平，王 凱，汪 挺，鄭 昊

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院, 北京 100044；2.北京市政建設集團有限責任公司, 北京 100045)

北京地鐵14號線高家園站是在單洞雙線大直徑盾構隧道的基礎上擴挖修建而成的，大直徑盾構隧道外徑10.22 m。這種基于大直徑盾構隧道擴挖修建地鐵車站的工程實踐在國內尚屬首次[1]。

高家園站設計施工順序為：大盾構通過車站區段前，先在車站兩端施工兼做暗挖通道的風井、風道(1號和2號風道)，在盾構通過站位后，車站主體結構利用兩端風道采用PBA法進行暗挖拓展形成[2]。但由于高家園站2號風井鄰近的房屋無法按期拆除，導致其無法施工，只通過1號風道進行擴挖施工會使得作業面太少，無法滿足工期要求[3]。因此，提出“拆除盾構隧道兩側壁部分管片、橫向開挖施工通道并對施工通道進行擴挖，形成類似于車站端部擴挖作業面”的設想[4]。

關于拆除管片擴挖橫通道的研究，目前的報道多集中于常規的雙洞雙線盾構隧道方面[5-13]。梁興樸[5]、李志國等[6]分別從盾構隧道聯絡通道施工技術的角度展開研究，闡明了聯絡通道施工的關鍵技術。郭正偉[7]、陳雪瑩等[8]分別研究了凍結加固技術在盾構隧道聯絡通道施工中的應用，驗證了凍結加固技術的可行性和優越性。張志強等[9]、王士民等[10]、劉軍等[11]分別對盾構隧道聯絡通道和管片的施工力學行為展開了相關研究，揭示了聯絡通道和管片在施工過程中的受力變化規律。何悅等[12]、耿萍等[13]通過幾何相似比為1∶40的振動臺試驗，研究了盾構隧道與聯絡通道采用不同連接方式的動力特性，得出柔性連接比剛性連接的動力特性更優的結論。溫克兵等[14]對西安地鐵盾構隧道聯絡通道的施工風險進行了詳細分析并給出相應的對策。但相比于常規盾構隧道聯絡通道的施工，本工程擴挖作業面需拆除的管片范圍大(需拆除大盾構隧道的雙側壁部分管片)，擴挖作業工序復雜，而施工過程中鄰近管片的力學行為尚屬于未知。

本文對北京地鐵14號線高家園站采用破除大直徑盾構隧道側壁管片增加擴挖通道的施工方法進行詳細闡述。通過數值計算和現場實測的方法，對“拆除大直徑盾構隧道側壁管片、暗挖橫通道、反掏橫通道上部土體形成擴挖車站施工通道”施工過程中的橫通道鄰近管片力學行為進行研究。

1 大直徑盾構隧道側壁管片破除形成擴挖車站通道施工技術

1.1 新增施工橫通道布置

為提高擴挖施工效率，高家園站通過破除盾構隧道側壁管片暗挖橫通道的方法又增設了3個施工橫通道(SMD1、SMD2、SMD3)，共增加5個擴挖施工工作面(橫通道SMD3位于車站端部，只能增加一個施工工作面)。新增的施工橫通道平面布置見圖1。

圖1 高家園站新增施工橫通道平面布置圖(單位：m)

1.2 施工方案比選

為最大限度地降低盾構隧道側壁管片拆除及開挖橫通道等工序對地表沉降及保留管片受力的影響，分別就管片拆除及橫通道施工的對稱施工方案與兩側分別施工方案進行了多次研討，最終確定管片拆除及橫通道施工采用兩側分別施工方案，即分別拆除兩側壁管片，并分別施工兩側的橫通道。同時明確提出以下技術要求：

(1)管片拆除前，在管片拆除部位架設型鋼支撐。

(2)待拆除管片先用水鉆鉆孔進行應力釋放。

(3)開挖橫通道前，先對橫通道拱部土體實施注漿加固。

(4)一側的橫通道施工完成后，再進行另一側的橫通道施工。

1.3 施工步驟

破除盾構隧道側壁管片暗挖施工橫通道的施工步驟見圖2，具體步驟如下：

Step1大直徑盾構過站后，施工盾構隧道內的頂縱梁、底縱梁、中隔墻；注漿加固側導洞周邊土體，施工側導洞、導洞內圍護樁和樁頂冠梁，施工側導洞內的主拱初期支護并完成導洞背后的素混凝土回填。

Step2采用深孔注漿和超前小導管注漿補強的方式加固新增橫通道周圍的土體。注漿加固范圍為橫通道上下各1.8 m，左右各1.8 m(一環管片寬度)。

Step3分塊拆除兩側壁橫通道部位的盾構管片，并及時架設開口環管片的臨時支撐。

Step4沿著垂直于盾構隧道軸向的方向采用臺階法開挖橫通道至側導洞位置，施工橫通道初期支護。上臺階拱腳的初期支護設鎖腳錨桿并注漿加固土體。橫通道貫通后結構的三維效果見圖2(e)。

圖2 破除盾構隧道側壁管片暗挖橫通道施工步驟

Step5采用深孔注漿和超前小導管注漿補強的方式加固橫通道部位中洞拱部周圍土體。

Step6分段拆除側導洞位于橫通道上方的部分初期支護，通過側導洞沿著隧道軸向反掏橫通道上部土體，形成橫通道部位中洞拱部初期支護施工所需的空間，施工橫通道部位中洞拱部初期支護結構。

Step7拆除封頂塊K管片兩側小塊、B管片、橫通道頂部初期支護和側導洞位于橫通道范圍內的初期支護，施工橫通道部位中洞拱部二次襯砌，形成擴挖車站結構所需的橫通道施工作業面。

1.4 施工技術優勢分析

采用破除大直徑盾構隧道側壁管片暗挖施工橫通道的施工技術能解決擴挖車站時由于施工場地占地困難導致擴挖施工作業面不足的難題，可根據實際施工需要增加所需的擴挖施工作業面，與傳統的施工方法相比，具有以下幾點技術優勢：

(1)利用大直徑盾構隧道作為施工作業平臺，作業空間開闊，有足夠的空間供大型施工設備使用，車輛往來和材料運輸便利，有利于組織靈活高效的施工。

(2)當拆遷、管線改移等原因導致擴挖車站施工占地困難，無法按預定計劃施工時，采用上述方法，可以在不占用地面空間的情況下，增加擴挖車站結構的施工橫通道，保證工程能按期完成。

2 鄰近管片力學行為數值計算與分析

2.1 三維數值模型建立

高家園站由大直徑盾構隧道擴建的站臺層高10.14 m，寬17.8 m。考慮邊界效應，三維計算模型在橫向寬度上取車站外側各3倍的車站寬度，約125.0 m；在垂直方向上，上側為拱頂覆土厚度約15.0 m，下側土體厚度取車站高度的2.5倍，約25.4 m，故垂直方向的尺寸為50.5 m；橫通道寬5.4 m(3環管片寬度)，因此，模型的縱向取17環管片，每環寬1.8 m，故模型的縱向長度為30.6 m。模型的最終尺寸確定為125.0 m(X方向)×50.5 m(Z方向)×30.6 m(Y方向)。主要模擬破除管片、暗挖橫通道以及反掏形成中洞橫斷面三個施工步驟。三維計算模型見圖3。

圖3 三維計算模型(單位：m)

2.2 材料本構及物理力學參數

土層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，用三維實體單元模擬。根據《北京地鐵14號線15標段高家園站地質勘查報告》給出的地層物理力學參數，在此基礎上進行相應簡化，本文采用的土層物理參數見表1。兩側導洞及中洞周邊采用超前小導管注漿加固，模型中通過提高導洞周邊土體參數對加固地層進行模擬。

表1 地層物理力學參數

盾構管片厚0.5 m，每環管片寬1.8 m，混凝土等級為C50，采用彈性板單元模擬；初期支護厚0.3 m，混凝土等級為C25，采用彈性板單元模擬；中隔墻混凝土等級為C40，采用彈塑性實體單元模擬；圍護樁混凝土等級為C20，采用彈塑性實體單元模擬；導洞回填采用C20素混凝土，彈塑性實體單元模擬，二次襯砌厚0.8 m，混凝土等級為C40，采用彈性板單元模擬。結構單元的物理力學參數見表2。

表2 結構單元物理力學參數

2.3 模型邊界條件

三維模型的邊界條件設置如下：模型的地表為自由邊界，作用有20 KPa的地面超載，下表面限制垂直位移，左右和前后表面限制法向位移。假設初始地應力場僅由土體的自重產生，由于采用施工降水，不考慮地下水的影響。

2.4 數值計算施工階段的定義

計算模型考慮了拆除橫通道部位管片，施工暗挖橫通道和反掏橫通道上部土體，形成擴挖車站結構所需的橫通道施工作業面的施工步驟，對模型計算的施工階段進行如下定義：

(1)初始階段：橫通道部位管片拆除前的施工階段，對應1.1節中施工步驟Step1。

(2)破除管片階段：拆除橫通道部位的管片，架設開口環管片的臨時支撐，對應1.1節中施工步驟Step2、Step3。

(3)暗挖橫通道階段：暗挖橫通道至邊導洞位置，并施工初期支護，對應1.1節中施工步驟Step4。

(4)反掏土體階段：反掏橫通道上部土體，形成擴挖車站結構所需的橫通道施工作業面(簡稱為反掏土體階段)，對應1.1節中施工步驟Step5～Step7。

2.5 數值計算結果分析

橫通道部位的管片拆除及橫通道施工必然會對鄰近管片造成擾動，通過對以上施工階段的數值計算，得到隧道腰部和肩部管片應力，見表3，橫通道兩側鄰近管片應力分布見圖4(圖中負值為壓應力)。

圖4 橫通道兩側鄰近管片環向與軸向應力曲線(單位：MPa)

表3 橫通道兩側管片腰部和肩部壓應力值

根據圖4、表3，對橫通道兩側鄰近管片應力變化分析如下：

(1)管片所受的最大壓應力位置比較固定，一般都出現在管片的肩部，而且最大壓應力值在施工過程中波動幅度較小。具體表現為：在破除管片過程中，環向最大壓應力由5.97 MPa增加到7.23 MPa，增幅為1.26 MPa；在開挖橫通道過程中，環向最大壓應力由7.23 MPa增加到了7.54 MPa，增幅為0.31 MPa；在反掏橫通道上部土體形成擴挖車站結構所需通道的過程中又出現了由7.54 MPa到6.59 MPa的回落，減幅為0.95 MPa。沿軸向(隧道中軸線方向)壓應力也重復了一個類似的變化過程。但是鄰近管片的環向和軸向的最大壓應力均沒有超過管片C50混凝土所能承受的最大壓應力值，表明施工對管片結構不會造成破壞。

(2)拆除管片工況對橫通道兩側鄰近管片的應力影響最大，暗挖橫通道及反掏橫通道上部土體形成擴挖車站結構所需通道的施工過程對橫通道兩側鄰近管片的影響較小。

總體來看，拆除管片、暗挖橫通道以及反掏橫通道上部土體形成擴挖車站結構所需通道等工況對橫通道兩側鄰近管片的影響不會危及到管片結構安全。高家園站的工程實踐也證明了該施工方案的可行性。

3 拆除管片及暗挖橫通道工況下鄰近管片應力測試結果與分析

3.1 監測目的

拆除與橫通道交叉部位的管片必然會引起管片應力釋放，造成橫通道兩側鄰近管片應力狀態發生變化，為了確保管片結構安全，在拆除橫通道管片以及開挖橫通道過程中，對橫通道兩側鄰近管片應變和應力狀態進行監測，為加固方案的制定提供依據。

3.2 測點布置

本工程采用表面應變計作為管片應變變化監測元件，通過實測頻率變化即可計算出表面應變值，進而計算出管片應力變化。

管片拆除前在橫通道兩側鄰近管片上鉆孔，然后將表面應變計通過膨脹螺栓固定在管片上，表面應變計將和管片同步感受到該部位所產生的應變，并將應變反應在頻率變化上，通過傳感器輸出。當頻率儀接收到的頻率低于初始頻率時，表明此時管片處于受壓狀態；相反，則表明該處管片處于受拉狀態。

選取橫通道SMD1和SMD2兩側的鄰近管片進行應變監測，各監測點的表面應變計布置見圖5。測點布置說明如下：監測點位于隧道腰部，每個橫通道布置4個測點，每個測點沿管片軸向和環向各布置1個應變計，共布置8個測點，16個表面應變計。

圖5 橫通道兩側鄰近管片應變監測點布置

3.3 監測結果分析

通過對橫通道兩側鄰近管片上表面應變計的頻率采集，獲得了2014-06-08—2014-07-27的表面應變計頻率值，其中把第一次測得的頻率定為初始頻率，之后各頻率與初始頻率進行比較，若測得頻率小于初始頻率表明該處受壓，相反則受拉。

為了更加明確的表達橫通道管片拆除及后續施工對鄰近管片的影響，將測得的頻率轉換成應變值，即

(1)

式中：ε為表面應變值，為負值時，表明管片產生了壓縮應變，為正值時，表明管片產生了拉伸應變；f1為測試頻率，Hz；f0為初始頻率，Hz；K為表面應變計率定系數。

根據胡克定律，計算得各測點處管片由于施工引起的附加應力，表達式為

Δσ=EΔε

(2)

式中：E為管片混凝土的楊氏模量；Δσ為測點處管片由于施工引起的附加應力；Δε為測點處管片由于施工引起的附加應變。

限于篇幅，這里只給出橫通道SMD1的監測結果，SMD2監測點的應力變化規律與之類似。橫通道SMD1的鄰近管片環向和軸向應力發展規律分別見圖6、圖7。各測點的最大附加應力見表4。

圖6 橫通道兩側管片環向應力曲線

圖7 橫通道兩側管片軸向應力曲線

表4 管片各監測點最大附加壓應力值

根據圖6、圖7和表4，對橫通道兩側鄰近管片應變和應力發展規律分析如下：

(1)橫通道部位的管片拆除后，鄰近管片應力出現突變。具體表現為：管片環向壓應力突變增量為-1.64～-2.01 MPa;管片軸向壓應力突變增量為-0.62～-0.73 MPa。這表明拆除橫通道部位的管片對鄰近管片造成顯著影響。

(2)管片拆除后，隨后進行的暗挖橫通道、反掏橫通道上部土體、形成擴挖車站結構所需通道的施工中，鄰近管片的軸向應力先有小幅度增加，隨后逐漸回彈到初始值附近，并逐漸趨于穩定，表明后續施工對管片軸向應力影響不明顯。而管片的環向應力隨施工的進行有明顯的起伏變化，但最后均逐漸回歸到初始值附近，表明后續施工對鄰近管片的環向應力有一定影響，但隨著橫通道開挖的施工作業面逐漸遠離管片，由施工引起的管片附加應力最終會逐漸消散。

(3)實測得到的鄰近管片應力變化規律與數值計算結果基本吻合。但鄰近管片最大附加壓應力的實測值比數值計算值略大，具體表現為：實測得到管片環向最大附加壓應力值約-2.33 MPa，而數值計算得到管片腰部環向附加壓應力值約為-1.85 MPa;實測得到管片軸向最大附加壓應力值約-0.86 MPa，而數值計算得到管片腰部軸向附加壓應力值約為-0.29 MPa。

4 結論

本文采用數值計算和現場實測的方法，研究了大直徑盾構隧道側壁管片拆除形成擴挖通道對鄰近管片力學行為的影響。主要結論如下：

(1)詳細闡述了“拆除大直徑盾構隧道側壁管片形成擴挖車站通道”的施工方法與關鍵技術，工程實踐表明：該方法能夠有效解決車站擴挖施工作業面不足的難題，對類似工程具有重要的參考價值。

(2)拆除橫通道部位的管片會使鄰近管片的環向壓應力和軸向壓力分別增大-1.64～-2.01 MPa和-0.62～-0.73 MPa；暗挖橫通道階段也會使鄰近管片的環向和軸向附加應力小幅度增加，但反掏橫通道上部土體形成擴挖車站結構所需橫通道的施工階段會使鄰近管片的附加應力逐漸減小，最終鄰近管片的應力狀態會回到施工前的初始值附近。表明在整個施工過程中，拆除橫通道管片對鄰近管片影響最大，暗挖橫通道等后續施工對鄰近管片的影響較小。

(3)拆除管片及暗挖橫通道等施工在鄰近管片上引起的附加壓應力較小(最大附加壓應力約為-2.33 MPa)。這表明：只要加固措施得當，拆除橫通道部位的管片及后續施工對橫通道鄰近管片安全的影響是可控的。