基于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的TBM先隧后站暗挖施工技術(shù)研究

李鵬宇，崔光耀，王慶建

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 530000)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，城市各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施日益完善。在城市地下軌道交通的建設(shè)中，TBM隧道掘進(jìn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，使得TBM過(guò)暗挖車(chē)站修建項(xiàng)目層出不窮。經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外的有關(guān)資料，采用盾構(gòu)擴(kuò)挖法修建暗挖地鐵車(chē)站在國(guó)外已有先例，日本、蘇聯(lián)都成功采用過(guò)在盾構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)挖修建地鐵車(chē)站，主要有：托梁法、半盾構(gòu)法、結(jié)合礦山法、管棚法、固定式或分離式連體盾構(gòu)機(jī)法、擴(kuò)徑盾構(gòu)法、“大拱腳、薄邊墻”先拱后墻法施工結(jié)合 TBM 倒邊施工、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)合 TBM 過(guò)站施工[1-4]。以上國(guó)內(nèi)外實(shí)行的先隧后站施工方法中，在重慶地區(qū)常用的先隧后站過(guò)暗挖車(chē)站的方法有：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法結(jié)合TBM過(guò)站、先拱后墻法結(jié)合TBM過(guò)站。

目前，國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)多集中在對(duì)不同隧道開(kāi)挖過(guò)站技術(shù)的研究[5-6]，且主要結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的地鐵車(chē)站建設(shè)進(jìn)行研究[7-9]。而對(duì)于結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的TBM先隧后站暗挖施工技術(shù)研究較少。故本文依托重慶地鐵5號(hào)線(xiàn)大重段的和睦站，對(duì)使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑結(jié)合TBM過(guò)站的暗挖車(chē)站施工進(jìn)行研究，確定滿(mǎn)足先隧后站施工要求的最佳工序，研究結(jié)果可為相關(guān)工程施工提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 車(chē)站概況

項(xiàng)目中TBM過(guò)和睦路站時(shí)先開(kāi)挖車(chē)站，然后采用TBM步進(jìn)過(guò)站，和睦路站使用的開(kāi)挖方法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，將和睦路站的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步序進(jìn)行一定修改，可以滿(mǎn)足先隧后站的施工要求。根據(jù)和睦路站主體結(jié)構(gòu)段的設(shè)計(jì)資料與地質(zhì)勘查資料，和睦路站起止里程為YDK14+877.550～YDK15+097.150，全長(zhǎng)219.6 m，呈北東、南西走向，走向?yàn)?11.03°。和睦路站為地下兩層島式暗挖車(chē)站，車(chē)站主體斷面為馬蹄形，凈寬20.8 m，凈高17.65 m，埋深17.5～23.5 m，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，屬淺埋～超淺埋隧道。

1.2 地質(zhì)條件

車(chē)站主體隧道走向基本與巖層走向相近。沿線(xiàn)地面高程350.017～357.275 m。上覆土層厚度差異較大，為3.4～14.5 m。下伏基巖為中統(tǒng)沙溪廟組厚層狀砂巖、砂質(zhì)泥巖，巖體較完整～完整，巖、土體現(xiàn)狀整體穩(wěn)定。由于巖層產(chǎn)狀較平緩，隧道拱部局部可能存在較大坍塌。隧道兩側(cè)洞壁穩(wěn)定性主要受巖體自身強(qiáng)度控制。隧道頂拱呈圓弧形，頂板巖層厚3.3～14.5 m，巖性以中等風(fēng)化砂巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖。其中，里程YDK14+945～YDK15+015段原始地貌為凹槽地帶，土層較厚，巖層頂板厚度較薄，圍巖級(jí)別按V級(jí)考慮。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)支護(hù)中，初支采用厚度為50 cm的C25噴射混凝土，設(shè)置φ8鋼筋網(wǎng)@200×200 mm；錨桿為CD25中空注漿錨桿長(zhǎng)度為4.5 m，間距為80×80 cm，梅花形布置；格柵拱架采用Ⅰ22b工字鋼架，間距0.8 m；二襯采用厚度為90 cm的C40防水鋼筋混凝土。

2 計(jì)算概況

2.1 計(jì)算模型

模型段采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，為避免邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算模型左右水平計(jì)算范圍均取隧道跨度的3倍，垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍。上部為填土層，下部為砂質(zhì)泥巖層，在車(chē)站外側(cè)設(shè)置了錨桿注漿的加固圈，其強(qiáng)度參數(shù)較原土體增強(qiáng)20%，圍巖與加強(qiáng)圈的本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)倫模型；初支、管片根據(jù)規(guī)范選取參數(shù)，臨時(shí)鋼支撐使用等效彈性模量與等效泊松比，以上支護(hù)都使用彈性模型。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立FLAC3D模型，如圖1所示。建立縱向(y方向)長(zhǎng)1 m的平面模型，水平向(x方向)長(zhǎng)167.3 m，豎向(z方向)高111.53 m，共劃分為4 616個(gè)8節(jié)點(diǎn)單元，共有9 466個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬中使用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

2.3 開(kāi)挖工況

工況1：開(kāi)挖TBM并立即支護(hù)，開(kāi)挖左上導(dǎo)洞，支護(hù)左上導(dǎo)洞，開(kāi)挖右上導(dǎo)洞，支護(hù)右上導(dǎo)洞，開(kāi)挖左中導(dǎo)洞，支護(hù)左中導(dǎo)洞，開(kāi)挖右中導(dǎo)洞，支護(hù)右中導(dǎo)洞，開(kāi)挖左下導(dǎo)洞，支護(hù)左下導(dǎo)洞并開(kāi)挖右下導(dǎo)洞，支護(hù)右下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況2：同時(shí)開(kāi)挖TBM并立即支護(hù)，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)上導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)上導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)中導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)中導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)下導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況3：左側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，右側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)上導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)上導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)中導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)中導(dǎo)洞，開(kāi)挖兩側(cè)下導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況4：左側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，右側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，開(kāi)挖左上導(dǎo)洞，支護(hù)左上導(dǎo)洞并開(kāi)挖右上導(dǎo)洞，支護(hù)右上導(dǎo)洞并開(kāi)挖左中導(dǎo)洞，支護(hù)左中導(dǎo)洞并開(kāi)挖右中導(dǎo)洞，支護(hù)右中導(dǎo)洞并開(kāi)挖左下導(dǎo)洞，支護(hù)左下導(dǎo)洞并開(kāi)挖右下導(dǎo)洞，支護(hù)右下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況5：左側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，右側(cè)TBM開(kāi)挖并支護(hù)，開(kāi)挖右上導(dǎo)洞，支護(hù)右上導(dǎo)洞并開(kāi)挖左上導(dǎo)洞，支護(hù)左上導(dǎo)洞并開(kāi)挖右中導(dǎo)洞，支護(hù)右中導(dǎo)洞并開(kāi)挖左中導(dǎo)洞，支護(hù)左中導(dǎo)洞并開(kāi)挖右下導(dǎo)洞，支護(hù)右下導(dǎo)洞并開(kāi)挖左下導(dǎo)洞，支護(hù)左下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況6：同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)上導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)上導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖TBM并立即支護(hù)，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)中導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)中導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)下導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況7：同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)上導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)上導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖TBM并立即支護(hù)，開(kāi)挖左中導(dǎo)洞，支護(hù)左中導(dǎo)洞并開(kāi)挖右中導(dǎo)洞，支護(hù)右中導(dǎo)洞并開(kāi)挖左下導(dǎo)洞，支護(hù)左下導(dǎo)洞并開(kāi)挖右下導(dǎo)洞，支護(hù)右下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工況8：同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)上導(dǎo)洞，支護(hù)兩側(cè)上導(dǎo)洞，同時(shí)開(kāi)挖TBM并立即支護(hù)，開(kāi)挖左中導(dǎo)洞，支護(hù)左中導(dǎo)洞并開(kāi)挖左下導(dǎo)洞，支護(hù)左下導(dǎo)洞并開(kāi)挖右中導(dǎo)洞，支護(hù)右中導(dǎo)洞并開(kāi)挖右下導(dǎo)洞，支護(hù)右下導(dǎo)洞，開(kāi)挖中上核心土并做拱頂初支，開(kāi)挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

其中，工況1～工況5為暗挖分步施工，工況6～工況8為暗挖同步施工。各工況開(kāi)挖順序示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)挖步驟示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降

提取數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，各工況下TBM過(guò)站的地表最大沉降值如圖3所示。

圖3 地表最大沉降折線(xiàn)圖

由圖3可知：結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法先隧后站同步開(kāi)挖(工況6～工況8)的地表沉降均小于分步開(kāi)挖(工況1～工況5)，但各工況對(duì)地表沉降最大值影響不大。其中，工況3的地表沉降值最大，為4.72 mm，工況6(兩側(cè)同步施工)的地表沉降量最小，為4.65 mm，均遠(yuǎn)小于40 mm，符合規(guī)范要求。

3.2 車(chē)站變形

提取不同工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，TBM過(guò)站施工后地鐵車(chē)站最終變形值見(jiàn)表2。

表2 車(chē)站最終變形表

由表2可知：各工況下施工對(duì)車(chē)站的最終拱頂沉降、仰拱上浮、凈空收斂均相差不大，且結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先隧后站的同步開(kāi)挖(工況6～工況8)的車(chē)站變形值普遍小于分步開(kāi)挖(工況1～工況5)，8種工況均滿(mǎn)足車(chē)站拱頂沉降20 mm、仰拱隆起20 mm、凈空收斂10 mm的規(guī)范要求。其中，工況8(倒邊施工)使得車(chē)站的拱頂、仰拱、凈空收斂變形值均為各工況中最小，最小值分別為-6.39 mm、10.65 mm、1.87 mm，且同步施工中倒邊施工步序使車(chē)站結(jié)構(gòu)凈空收斂較其他方法減小59%以上。

3.3 管片變形

提取不同工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，TBM過(guò)站的最大管片變形值見(jiàn)表3。

表3 管片最大變形表

由表3可知：結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先隧后站的同步開(kāi)挖(工況6～工況8)的管片最大變形均明顯小于分步開(kāi)挖(工況1～工況5)，且各工況管片變形值均遠(yuǎn)小于豎向位移限值10 mm，凈空收斂限值12 mm的規(guī)范規(guī)定。其中，工況6(兩側(cè)同步施工)與工況7(左右交錯(cuò)施工)產(chǎn)生的管片最大變形量差別不大，工況8(倒邊施工)對(duì)左側(cè)管片產(chǎn)生最大變形量最小，對(duì)右側(cè)管片產(chǎn)生了凈空擴(kuò)張。工況8的管片最大拱頂、仰拱、凈空收斂變形值分別為0.42 mm、0.50 mm、0.42 mm，且同步施工中倒邊施工步序使管片拱頂上浮較其他方法減少50%以上。

3.4 管片應(yīng)力

提取不同工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，TBM過(guò)站的最大管片應(yīng)力值見(jiàn)表4。

表4 管片最大應(yīng)力表

由表4可知：結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先隧后站的同步開(kāi)挖(工況6～工況8)的管片最大應(yīng)力均小于分步開(kāi)挖(工況1～工況5)，且同步施工中倒邊施工步序(工況8)使管片最大拉應(yīng)力較其他方法減少40%以上。

分步開(kāi)挖中，在TBM同時(shí)到達(dá)車(chē)站的情況下(工況1、工況2)，兩側(cè)同步開(kāi)挖(工況2)大體上對(duì)管片的應(yīng)力影響較??；在TBM分別達(dá)到車(chē)站的情況下(工況3～工況5)，兩側(cè)同步開(kāi)挖(工況3)大體上對(duì)管片的應(yīng)力影響較小，異側(cè)開(kāi)挖(工況5)產(chǎn)生了最大拉應(yīng)力，導(dǎo)致管片拉裂，故工況5(TBM分別到達(dá)的情況下，先行過(guò)站的TBM異側(cè)上導(dǎo)洞首先開(kāi)挖的步序)不可取。

在同步開(kāi)挖中，各工況中的管片最大拉、壓應(yīng)力均遠(yuǎn)小于管片材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。工況8(倒邊施工)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力是8種施工步序中最小的，且壓應(yīng)力也在各工況中較小，其最大拉、壓應(yīng)力分別為0.654 MPa、1.239 MPa。因此，在先隧后站過(guò)暗挖車(chē)站的同步施工中建議使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法倒邊施工。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的先隧后站同步施工(工況6～工況8)對(duì)地表沉降、車(chē)站最終變形、管片變形、應(yīng)力產(chǎn)生的影響均普遍小于分步施工(工況1～工況5)。

(2)地表沉降最小值為工況6的4.65 mm，車(chē)站變形最小值為工況8的凈空收斂1.87 mm，管片變形最小值為工況8的左側(cè)仰拱上浮0.16 mm，管片應(yīng)力最小值為工況8的0.595 MPa。

(3)同步施工中倒邊施工步序(工況8)使車(chē)站結(jié)構(gòu)凈空收斂較其他方法減小59%以上，管片拱頂上浮減小50%以上，管片最大拉應(yīng)力減小40%以上。

(4)同步施工中倒邊法(工況8)在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法先隧后站中優(yōu)于其他工法，且不推薦分步施工中先行過(guò)站的TBM異側(cè)上導(dǎo)洞首先開(kāi)挖的步序(工況5)。