盾構(gòu)隧道拓建地鐵車站施工方法研究

劉 昕

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)城市地下軌道交通的建設(shè)中，車站主要采用明挖法或暗挖法施工，區(qū)間隧道多采用盾構(gòu)法施工。基于這種構(gòu)建方式，其一，地鐵車站的施工進(jìn)度直接影響盾構(gòu)區(qū)間隧道施工工期，容易造成車站與區(qū)間隧道施工工期的矛盾［1］;其二，盾構(gòu)法施工的區(qū)間比較分散，導(dǎo)致盾構(gòu)投入臺(tái)數(shù)過(guò)度而降低了設(shè)備利用率，或盾構(gòu)機(jī)拆裝次數(shù)增多，導(dǎo)致平均掘進(jìn)速度下降而延長(zhǎng)工期［2-4］。為此，在前蘇聯(lián)、日本等國(guó)出現(xiàn)了盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站的工程實(shí)例，即盾構(gòu)先行過(guò)站后進(jìn)行盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站。

針對(duì)廣州市軌道交通6號(hào)線東山口站工程，研究盾構(gòu)先行條件下擴(kuò)挖成地鐵車站的合理施工方法，嚴(yán)格控制地層沉降，對(duì)保證周邊建(構(gòu))筑物有著重要的意義。

1 工程概況

廣州市軌道交通6號(hào)線東山口站位于中山一路和署前路交叉路口，為地鐵1號(hào)線、6號(hào)線換乘站。車站采用明挖和暗挖結(jié)合的方法施工，車站左線暗挖段總長(zhǎng)181.48 m，右線暗挖段長(zhǎng)度為139.76 m，拱頂距地面18.8 m ～19.85 m，拱底距地面 27.05 m ～27.53 m，左右線間距27 m。車站站臺(tái)層采用單層單洞暗挖形式，中部暗挖橫、縱向通道連通左右線站臺(tái)，車站站廳及設(shè)備層布置在明挖4層多跨結(jié)構(gòu)中。

左線暗挖段站臺(tái)隧道下穿20世紀(jì)70年代修建的二輕工業(yè)集團(tuán)A6綜合樓，該樓沿署前路南北向布置，位于隧道的正上方。A6綜合樓長(zhǎng)38.8 m，寬13 m，其樁基為φ300錘擊灌注樁，樁長(zhǎng)6 m～8 m，樁身主要穿過(guò)③2沖積～洪積中粗礫砂層、④1粉質(zhì)粘土層，樁底在④1粉質(zhì)粘土層和⑤1可塑粘性土或稍密～中密狀粉土殘積土層，屬摩擦樁，樁底距隧道頂凈距約為7.1 m～9.5 m。設(shè)計(jì)推薦采用為CRD法施工。

2 擴(kuò)挖施工工序的計(jì)算分析

2.1 擴(kuò)挖施工方案對(duì)比

根據(jù)已建盾構(gòu)隧道與暗挖隧道的關(guān)系，特提出以下兩種方案(見圖1):方案一，兩臺(tái)階四步開挖法，即首先開挖盾構(gòu)隧道頂以上的①部，施作初期支護(hù);開挖暗挖隧道中心上方的②部土體，并及時(shí)施作對(duì)應(yīng)初期支護(hù);分塊拆除盾構(gòu)管片③;開挖④部土體，及時(shí)施作初期支護(hù);開挖最下部土體⑤并及時(shí)施作初期支護(hù)。方案二，兩臺(tái)階兩步開挖法，首先開挖暗挖隧道中心上方的①部土體，及時(shí)施作初期支護(hù);分塊拆除盾構(gòu)管片②;開挖剩余部分土體③，施作初期支護(hù)。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

本次計(jì)算分析的目的主要是掌握不同開挖工序引起周圍地層的變形對(duì)比情況，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，未考慮上部建筑物的影響，且簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變狀態(tài)［5］，建立的有限元模型見圖2。土體采用摩爾—庫(kù)侖彈塑性模型，管片采用線彈性模型，為了消除尺寸效應(yīng)，建立的模型長(zhǎng)60 m，高50 m，暗挖隧道埋深取19 m，暗挖隧道與盾構(gòu)隧道的間距為1 m。

根據(jù)土體的彈塑性矩陣，計(jì)算參數(shù)有彈性模量E、泊松比ν、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和剪脹角ψ。土體彈性模量E并不是常數(shù)，它與固結(jié)壓力以及偏應(yīng)力大小有關(guān)，一般采用現(xiàn)場(chǎng)旁壓儀試驗(yàn)或室內(nèi)加卸載試驗(yàn)確定。在缺少試驗(yàn)條件時(shí)，對(duì)于一般的土工載荷條件可取(2.5～3.5)Es，Es為土體的壓縮模量。除了超固結(jié)土層外，粘性土常常表現(xiàn)出較小的剪脹性，即ψ=0。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)周圍地層變形對(duì)比。

由方案一和方案二開挖引起地表變形。方案一上臺(tái)階開挖完成后地表最大變形為7.4 mm，方案二上臺(tái)階開挖完成后地表最大變形為14.7 mm;方案一開挖完成后地表最大變形為10.5 mm，方案二開挖完成后地表最大變形為17.6 mm。方案二，即兩臺(tái)階二步開挖，引起周圍地層變形較方案一要大得多，另外考慮到右線及G斷面調(diào)高開挖已引起二輕綜合樓產(chǎn)生較大變形，因此建議采用方案一進(jìn)行左線擴(kuò)挖施工。

另外，上臺(tái)階開挖較下臺(tái)階開挖引起地表變形要大得多，方案一上下臺(tái)階開挖引起的變形分別為7.4 mm和3.1 mm，方案二則為14.7 mm和2.9 mm，因此上臺(tái)階開挖是本工程控制的重點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)完成初期支護(hù)，及早封閉。

2)襯砌內(nèi)力對(duì)比圖。

方案一和方案二開挖完成后襯砌內(nèi)力分布圖見圖3，圖4。由圖3，圖4可知，方案一開挖完成后襯砌的最大軸力為395.7 kN，彎矩為54.5 kN·m;方案二開挖完成后襯砌的最大軸力為503.5 kN，彎矩為46.35 kN·m，因此采用方案一進(jìn)行隧道開挖對(duì)襯砌受力也是有利的。

3)開挖引起的塑性區(qū)。

計(jì)算結(jié)果表明:隧道開挖引起地層的塑性區(qū)主要分布在襯砌附近，且在初期支護(hù)封閉成環(huán)后周圍地層的塑性區(qū)會(huì)有一定的減少，及早封閉成環(huán)對(duì)于控制周圍地層變形具有積極的作用。其次方案一較方案二塑性區(qū)由隧道拱角向拱腰偏移，且范圍縮小。

3 合理施工方法

考慮到先期右線站臺(tái)隧道施工已引起周邊建筑出現(xiàn)較大沉降，結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)比分析，確定左線站臺(tái)隧道擴(kuò)挖方案采用管棚+袖閥管注漿法與兩臺(tái)階四步擴(kuò)挖法相結(jié)合的方法。

3.1 隧道擴(kuò)挖施工工序

首先利用現(xiàn)有豎井及南側(cè)聯(lián)絡(luò)通道G斷面調(diào)高開挖空間，采用水平袖閥管預(yù)注漿加固+φ108 mm大管棚支護(hù)相結(jié)合超前預(yù)支護(hù)處理，管棚采用對(duì)打方法，在中部搭接5 m;袖閥管采用一次鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)長(zhǎng)度70 m。

加固完成后，在超前袖閥管預(yù)注漿加固和超前管棚護(hù)頂下利用施工豎井、聯(lián)絡(luò)通道挑高段作為隧道擴(kuò)挖和盾構(gòu)管片拆除的起始工作面，隧道擴(kuò)挖采用兩臺(tái)階四步法開挖，開挖至北側(cè)聯(lián)絡(luò)通道H斷面后，自左線打通H通道，然后利用H通道作為左線擴(kuò)挖的運(yùn)輸通道，對(duì)豎井進(jìn)行封堵、回填，施工附屬工程。左線站臺(tái)隧道擴(kuò)挖平面示意圖、剖面示意圖如圖5，圖6所示。

3.2 兩臺(tái)階四步擴(kuò)挖施工方法

上臺(tái)階采用人工配合機(jī)械開挖的方式，機(jī)械難以開挖時(shí)采用小藥量局部爆破，上臺(tái)階1步每0.5 m～1.0 m為一循環(huán)，開挖后及時(shí)架立格柵、噴射混凝土封閉，為了改善初支的受力特征，格柵架立后及時(shí)進(jìn)行初支背后的填充注漿并加強(qiáng)鎖腳錨管的注漿效果。1步開挖2 m～3 m后，開挖2步并在上臺(tái)階拱腳處設(shè)鎖腳錨管，將上臺(tái)階初期支護(hù)懸吊于微風(fēng)化巖上。

下臺(tái)階擴(kuò)挖滯后上臺(tái)階開挖5 m～7 m，待管片拆除后分上下兩步進(jìn)行，由于盾構(gòu)隧道的分隔，下臺(tái)階1步的擴(kuò)挖支護(hù)左右交錯(cuò)進(jìn)行;下臺(tái)階2步的擴(kuò)挖可適當(dāng)滯后1步擴(kuò)挖3 m左右，擴(kuò)挖成型并進(jìn)行初期支護(hù)后再進(jìn)行初支背后填充注漿。

4 結(jié)語(yǔ)

1)由數(shù)值計(jì)算分析可知，在暗挖隧道擴(kuò)挖施工過(guò)程中，采用兩臺(tái)階四步開挖法較兩臺(tái)階兩步開挖法在控制周圍地層變形、襯砌受力等方面有利，建議采用兩臺(tái)階四步開挖法。另外，計(jì)算中還發(fā)現(xiàn)上臺(tái)階開挖是周圍地層變形控制的重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)和初期支護(hù)的及時(shí)施加。2)結(jié)合數(shù)值分析，并考慮到上部二輕綜合樓已發(fā)生較大變形，最后采用兩臺(tái)階四步開挖法來(lái)施工左線擴(kuò)挖隧道。3)為了控制上臺(tái)階開挖引起周圍地層的變形，采取的應(yīng)對(duì)措施為:待上臺(tái)階開挖完成后，在拱腳位置設(shè)置鎖腳錨管，與加強(qiáng)鋼筋和格柵鋼架焊接，與初支噴射混凝土一起施工，連為一個(gè)受力整體。

［1］路美麗.盾構(gòu)先行條件下拓展地鐵車站的方案研究及風(fēng)險(xiǎn)分析［D］.成都:西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

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［4］劉維寧，路美麗，張新金，等.盾構(gòu)法和淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站的模型試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8):1630-1639.

［5］張新金，劉維寧，路美麗，等.盾構(gòu)法和淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站模型試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(1):66-71.