基于大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案及其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力和變形

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站能有效解決區(qū)間盾構(gòu)隧道與地鐵車站施工相互制約的矛盾，有利于盾構(gòu)機(jī)連續(xù)長距離掘進(jìn)，提高盾構(gòu)設(shè)備利用率，降低工程造價(jià)。目前，基于2條或多條平行盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的方法在國外已得到廣泛應(yīng)用[1-3]，國內(nèi)也有學(xué)者已經(jīng)開始研究常規(guī)的隧道外徑6.0 m級(jí)雙線盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站[4-8]。

然而現(xiàn)階段，依托2條平行盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下2個(gè)較難得到妥善處理的問題：①在道路狹窄、周圍建筑物密集且來不及拆遷的地段，有時(shí)無法布置2條平行的盾構(gòu)隧道，或者雖然可以勉強(qiáng)布置，但建設(shè)、運(yùn)營階段的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很大（建設(shè)階段擴(kuò)挖施工會(huì)對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響，運(yùn)營階段列車震動(dòng)、噪聲會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響等）；②區(qū)間隧道需要設(shè)置渡線時(shí)，若仍采用常規(guī)的6.0 m級(jí)區(qū)間盾構(gòu)隧道，渡線隧道的設(shè)置難度會(huì)很大，國內(nèi)還尚無先例。

北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)段（東風(fēng)北橋站（不含）—京順路站，包含3站3區(qū)間）開展工程籌劃時(shí)，上述困難集中體現(xiàn)，無法采用常規(guī)的基于2條平行盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的施工方法。依托該標(biāo)段實(shí)際工程，國內(nèi)首次提出了“基于單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道（隧道外徑10.0 m）擴(kuò)挖地鐵車站”的方案，并在將臺(tái)站和高家園站得到成功實(shí)踐[9-10]。但上述擴(kuò)挖方案仍存在不足，尚有進(jìn)一步改進(jìn)空間，包括：①擴(kuò)挖后的車站結(jié)構(gòu)中只保留了盾構(gòu)隧道頂部K 管片的1 小塊和底部2 塊管片，其余管片全部拆除，管片拆除率高達(dá)74.1%，且切割拆除的管片直接廢棄，造成很大浪費(fèi)；②車站采用廳、臺(tái)分離且集散廳外掛的布置方式，站臺(tái)和集散廳通過較長的橫通道來連接，造成施工量加大、工程造價(jià)增加；不僅如此，廳、臺(tái)分離布置的形式還大范圍占據(jù)地下空間，有悖于近年來地下空間資源集約化利用的發(fā)展策略。

一般來說，車站擴(kuò)挖過程中，盾構(gòu)管片的受力和變形最為復(fù)雜，但目前鮮見針對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)中保留管片的研究，整個(gè)擴(kuò)挖施工過程中車站結(jié)構(gòu)保留管片的受力和變形尚需進(jìn)一步探索。目前國內(nèi)學(xué)者關(guān)于盾構(gòu)管片接頭受力和變形的研究，大多集中于常規(guī)的6.0 m級(jí)盾構(gòu)隧道領(lǐng)域[11-13]，只有王芳等[14-15]做過一些關(guān)于大盾構(gòu)管片接頭受力和變形的研究，但相關(guān)研究中，大直徑盾構(gòu)管片只是作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)存在，并沒有考慮保留管片的情況。

本文以北京地鐵14號(hào)線將臺(tái)站10.0 m級(jí)大直徑盾構(gòu)隧道為工程背景，在前期工作的基礎(chǔ)上，提出1種新的基于大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于非線性接觸理論，建立三維非線性接觸模型，研究并分析施工過程中，保留的塔柱環(huán)管片接頭、開口環(huán)管片接頭、管片與現(xiàn)澆混凝土連接節(jié)點(diǎn)等車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力和變形的變化規(guī)律，以期為今后類似工程提供技術(shù)參考。

1 基于大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案

北京地鐵14號(hào)線將臺(tái)車站的擴(kuò)挖施工段采用前述“基于單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖地鐵車站”方案，為單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道，隧道外徑10.0 m，內(nèi)徑9.0 m，建筑限界8.8 m。盾構(gòu)管片寬1.5 m，厚0.5 m，1環(huán)內(nèi)9 塊管片等分，對(duì)稱布置，K管片位于頂部中央。管片分塊與縱向接頭編號(hào)如圖1所示。

圖1 管片分塊與縱向接頭編號(hào)（單位：mm）

車站高13.93 m，寬32.20 m，為地下2層側(cè)站臺(tái)塔柱式結(jié)構(gòu)，上層為站廳兼做設(shè)備層，下層為站臺(tái)層。盾構(gòu)通過車站區(qū)段后，采用洞樁（Pile-Beam-Arch，PBA）法施工2邊的車站結(jié)構(gòu)，再分別從2邊的車站開挖橫通道與盾構(gòu)隧道相連，形成側(cè)式站臺(tái)的地鐵車站。

1.1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面布置

車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。車站結(jié)構(gòu)2側(cè)的主體結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置在大直徑盾構(gòu)隧道2側(cè)，并通過橫通道與盾構(gòu)隧道相連接。主體結(jié)構(gòu)的初支厚0.30 m，二次襯砌厚0.80 m，中板厚0.45 m。站廳層凈高（中板上表面至拱頂）5.95 m，凈寬6.90 m。站臺(tái)層凈高5.33 m，凈寬6.90 m。

圖2 擴(kuò)挖地鐵車站結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：mm）

1.2 結(jié)構(gòu)平面布置

該結(jié)構(gòu)方案平面布置的關(guān)鍵是橫通道部位的結(jié)構(gòu)平面布置。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，B型地鐵列車的1節(jié)車廂長度為19.00 m，每側(cè)各有4個(gè)車門，2個(gè)相鄰車門的中心間距4.58 m，車門寬約1.40 m。要使每節(jié)車廂的每個(gè)車門均能用于乘客流通，則每個(gè)車門都必須在橫通道的范圍內(nèi)。由于B型地鐵列車每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)車廂規(guī)格相同，因此以1節(jié)地鐵列車標(biāo)準(zhǔn)車廂長度范圍的橫通道為例展開分析。

基于盾構(gòu)隧道管片寬1.50 m，并考慮到車站使用功能和橫通道施工的經(jīng)濟(jì)合理性，將橫通道做如下布置：每節(jié)車廂每側(cè)開4個(gè)橫通道，每個(gè)橫通道凈寬3.00 m（含2環(huán)管片寬度），凈高4.73 m（含2 塊管片高度）；橫通道2側(cè)直墻的初期支護(hù)厚0.25 m，二次襯砌厚0.50 m；頂、底板初支厚0.30 m，二次襯砌厚0.80 m。2個(gè)相鄰橫通道之間均保留1環(huán)完整的管片作為塔柱結(jié)構(gòu)，橫通道直墻與塔柱環(huán)管片相連接。每個(gè)橫通道拆除4塊完整管片，1節(jié)車廂范圍內(nèi)管片拆除率為27.3%。橫通道的平面布置如圖3所示。

圖3 1節(jié)列車車廂長度的橫通道平面布置圖（單位：mm）

1.3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)

本文提出的擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)方案，很好地解決了原方案存在的不足：①方案僅需拆除橫通道部位的少量管片，管片拆除率為27.3%，有利于減少管片拆除造成的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)上更為合理；②方案將集散廳和站臺(tái)集中布置，有利于車站結(jié)構(gòu)建筑空間的有效使用，以及地下空間資源的集約化開發(fā)利用。

2 擴(kuò)挖車站的施工步驟及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

2.1 擴(kuò)挖車站的施工步驟

在該結(jié)構(gòu)方案中，采用PBA 法擴(kuò)挖地鐵車站的施工步驟如圖4所示，具體的施工步驟如下。

第1步：盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過車站區(qū)段后，從2端的盾構(gòu)井進(jìn)入隧道內(nèi)施工下方的鋼筋混凝土墊層，架設(shè)隧道內(nèi)的臨時(shí)鋼支撐，并注漿加固隧道周圍土體。

圖4 PBA法擴(kuò)挖地鐵車站施工步驟

第2步：注漿加固2邊小導(dǎo)洞周圍的土體，對(duì)稱開挖2邊的小導(dǎo)洞并做導(dǎo)洞初期支護(hù)；施工導(dǎo)洞內(nèi)的鉆孔灌注樁、頂縱梁；施工導(dǎo)洞內(nèi)的拱部初期支護(hù)并回填支護(hù)后方的混凝土。

第3步：注漿加固車站2邊的拱頂?shù)貙樱瑢?duì)稱開挖2邊的拱頂土體至指定標(biāo)高，施工拱部初期支護(hù)。

第4步：繼續(xù)對(duì)稱開挖拱部土體到與小導(dǎo)洞底部初期支護(hù)持平，拆除小導(dǎo)洞的直墻和部分拱部初支，施工拱部二襯。

第5步：對(duì)稱開挖車站2邊的土體至中板標(biāo)高，施工2側(cè)的直墻和中板。

第6步：對(duì)稱開挖車站2邊的土體至底板標(biāo)高，施工側(cè)墻、底板和與橫通道相鄰側(cè)的墻柱。墻柱寬0.8 m，長1.5 m，2根相鄰墻柱之間預(yù)留出橫通道的寬度。

第7步：開挖車站2邊的橫通道，施工橫通道初期支護(hù)，破除橫通道范圍內(nèi)的盾構(gòu)管片，施工橫通道2側(cè)直墻和頂部、底部的二次襯砌，使之與開口環(huán)管片連接，構(gòu)成封閉的結(jié)構(gòu)受力體系。

2.2 車站2側(cè)橫通道的施工步驟

盾構(gòu)管片的拆除主要對(duì)臨近的5環(huán)管片有顯著影響[12]。因此，為了減少橫通道施工對(duì)保留管片的影響，同時(shí)加快施工進(jìn)度，車站2側(cè)的橫通道采用不對(duì)稱的施工方式。以1節(jié)車廂長度范圍內(nèi)的橫通道為例，施工步驟如下（橫通道的編號(hào)如圖3所示）。

第1步：施工左側(cè)的橫通道1 和右側(cè)的橫通道3；再施工左側(cè)的橫通道3和右側(cè)的橫通道1。

第2步：施工左側(cè)的橫通道2 和右側(cè)的橫通道4。

第3步：施工左側(cè)的橫通道4 和右側(cè)的橫通道2。

施工完成后，1節(jié)地鐵車廂長度范圍內(nèi)的橫通道三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 橫通道三維結(jié)構(gòu)示意圖（部分）

2.3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

該結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可分為2種類型：①盾構(gòu)管片接頭，包含盾構(gòu)管片的縱向節(jié)點(diǎn)和環(huán)向節(jié)點(diǎn)；②保留的開口環(huán)管片與現(xiàn)澆混凝土間的連接節(jié)點(diǎn)。

1）盾構(gòu)管片接頭

盾構(gòu)管片接頭結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。車站范圍內(nèi)管片采用通縫拼裝的方式，每條縱向節(jié)點(diǎn)由2根M36的斜直螺栓連接，每環(huán)環(huán)向節(jié)點(diǎn)由36根M36的斜直螺栓連接，螺栓通過管片接頭的中間位置，與接縫夾角為60°。

圖6 盾構(gòu)管片接頭結(jié)構(gòu)形式（單位：mm）

2）保留的開口環(huán)管片與現(xiàn)澆混凝土間的連接節(jié)點(diǎn)

盾構(gòu)管片拆除后，橫通道部位的管片就由穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變成開口的非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且開口環(huán)管片與橫通道頂、底板連接重新構(gòu)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)受力體系。盾構(gòu)隧道管片是由接頭螺栓連接起來的非連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)于2側(cè)的暗挖車站來說小得多。因此，整個(gè)車站的結(jié)構(gòu)剛度剛?cè)岵⒋?，?duì)比常規(guī)的全剛性車站結(jié)構(gòu)，兩者間的力學(xué)特性差異很大。

作為連接柔性的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)與剛性的主體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，即保留的盾構(gòu)管片與橫通道現(xiàn)澆混凝土的連接節(jié)點(diǎn)，就成為車站結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，有待通過數(shù)值模擬、足尺試驗(yàn)等手段，進(jìn)一步研究其受力和變形特征。節(jié)點(diǎn)的連接形式和細(xì)部構(gòu)造如圖7所示。

圖7 上部保留管片與現(xiàn)澆混凝土間的連接節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

3 數(shù)值模擬

3.1 模型及相關(guān)參數(shù)

基于該結(jié)構(gòu)方案，以將臺(tái)車站的工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用FLAC3D三維有限差分軟件，建立三維非連續(xù)接觸模型，如圖8所示。盾構(gòu)隧道埋深16.3 m，車站結(jié)構(gòu)寬32.2 m?？紤]到模型邊界效應(yīng)的影響和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，根據(jù)圣維南原理，模型的x方向取193.2 m；y方向取1節(jié)車廂的長度，為19.5 m，包含13環(huán)管片；z方向取地面以下60 m（采用x軸平行于橫通道的右手坐標(biāo)系）。實(shí)體單元均采用六面體網(wǎng)格，模型中部2.5倍車站結(jié)構(gòu)寬度范圍內(nèi)的網(wǎng)格控制尺寸小于1.0 m，剩余2邊土體的網(wǎng)格尺寸采用線性梯度的方法由密到疏（1.0～5.0 m）控制。

圖8 數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

1）模型邊界條件

假設(shè)初始地應(yīng)力場僅由土體自重產(chǎn)生，地層為各向同性連續(xù)介質(zhì)，不考慮地下水在施工過程的影響。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。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)的掘進(jìn)按照實(shí)際工序進(jìn)行，通過在掌子面施加梯度荷載，模擬盾構(gòu)推進(jìn)力。數(shù)值計(jì)算過程中，根據(jù)式（1），通過查找掌子面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，施加梯度荷載。

式中：P為在掌子面施加的梯度荷載；n為土層數(shù)量；ri為第i層土的重度；hi為第i層土的厚度；K0為側(cè)壓力系數(shù)；α為盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，按文獻(xiàn)[15]，取2.35。

采用同步注漿方式，漿液的凝固分為初凝和終凝2個(gè)階段，初凝的強(qiáng)度為終凝強(qiáng)度的1/10。在漿液初凝階段，管片和周圍地層均存在隨深度線性變化的注漿壓力，注漿壓力大小為：下部0.3 MPa，上部0.2 MPa。在漿液終凝階段刪除注漿壓力，初凝和終凝間隔2環(huán)管片的施工步。

3）材料本構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)

土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，用三維實(shí)體單元模擬。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)物理力學(xué)性能相近的土層做簡要的處理后，得到土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。在小導(dǎo)洞和拱的上部以及盾構(gòu)隧道周圍1.0 m的范圍內(nèi)注漿加固土體。注漿加固的土體采用提高相應(yīng)地層參數(shù)的方式模擬。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

模型中盾構(gòu)管片、初期支護(hù)、結(jié)構(gòu)二次襯砌等均采用彈性三維實(shí)體單元模擬。盾構(gòu)隧道內(nèi)的臨時(shí)鋼支撐采用梁單元模擬，每環(huán)管片設(shè)2 道，間距1.0 m。管片接頭螺栓采用梁單元模擬，考慮100 MPa的螺栓預(yù)緊力，施加在梁單元節(jié)點(diǎn)上。車站結(jié)構(gòu)單元的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

3.2 非連續(xù)接觸面

為了更真實(shí)地模擬整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力和變形，在管片與管片、管片與圍巖、管片與橫通道現(xiàn)澆混凝土之間均建立非連續(xù)接觸面單元，如圖9所示。

圖9 接觸面單元

FLAC3D中的接觸面為無厚度的接觸面單元，采用庫倫剪切模型。接觸面單元允許其2側(cè)的實(shí)體單元存在相互侵入和相對(duì)滑移2種狀態(tài)。為阻止接觸面2側(cè)的實(shí)體單元相互侵入，設(shè)置接觸面單元的最大侵入深度值（ctol value）為零[17]。

管片縱縫接觸面、環(huán)縫接觸面和管片與現(xiàn)澆混凝土接觸面的法向剛度計(jì)算式[17]為

式中：Kn為接觸面法向剛度；K為管片體積模量；G為管片剪切模量；Δzmin為周邊單元體法向最小寬度，取0.167 m。

管片縱縫接觸面、環(huán)縫接觸面和管片與現(xiàn)澆混凝土接觸面的切向剛度計(jì)算式[18]為

式中：Ks為接觸面切向剛度；E，I分別為管片彈性模量、截面慣性矩；L為對(duì)應(yīng)管片長度；Gl為螺栓或鋼筋的剪切模量；A為接縫螺栓或鋼筋的總截面積；l為螺栓長度或節(jié)點(diǎn)鋼筋的有效影響長度；β為接縫截面形狀系數(shù)。

由于數(shù)值模型中已存在節(jié)點(diǎn)螺栓，計(jì)算管片縱縫和環(huán)縫接觸面的剪切剛度時(shí)可不考慮上式右側(cè)的第2 項(xiàng)，因此計(jì)算管片與現(xiàn)澆混凝土接觸面的剪切剛度時(shí)，β的值取1.0，l的值取0.5 m。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]中接觸面單元計(jì)算參數(shù)的確定原則：當(dāng)接觸面2側(cè)的材料剛度差異較大，按式（4）計(jì)算接觸面的法向剛度和剪切剛度時(shí)，式中的Kw和Gw應(yīng)取較“軟”材料的體積模量和剪切模量。因此，管片和圍巖的接觸面的法向剛度和切向剛度的計(jì)算式為

式中：Knw為管片與圍巖接觸面法向剛度；Ksw為管片與圍巖接觸面剪切剛度；Kw為終凝漿液體積模量；Gw為終凝漿液剪切模量；Δzmin為周邊單元體法向最小寬度，取0.5 m。

由此，整理接觸面單元的計(jì)算參數(shù)得到表3。

表3 接觸面單元計(jì)算參數(shù)

4 車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力和變形

將擴(kuò)挖施工過程分為3個(gè)階段：①大直徑盾構(gòu)隧道施工完成；②2側(cè)的車站主體結(jié)構(gòu)施工完成；③橫通道施工結(jié)束，拆除盾構(gòu)隧道內(nèi)的臨時(shí)鋼支撐，整個(gè)擴(kuò)挖車站施工完成。為避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，取模型中間部位的第7環(huán)、第8環(huán)、第9環(huán)、第10環(huán)管片（包含橫通道3的2個(gè)開口環(huán)管片及其2側(cè)的塔柱環(huán)管片）進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析。

4.1 盾構(gòu)管片接頭受力和變形

4.1.1 盾構(gòu)隧道及其管片接頭的變形

繪制各施工階段盾構(gòu)管片的位移云圖如圖10所示，整理其對(duì)應(yīng)的管片變形量見表4，據(jù)此展開進(jìn)一步分析。

（1）從總體變形情況來看，第1階段施工完成后，盾構(gòu)隧道拱頂向下變形13.41 mm，拱底向上變形20.01 mm，拱腰分別向2側(cè)變形16.63 mm；第2階段施工完成后，盾構(gòu)隧道拱頂向下變形22.84 mm，拱底向上變形22.85 mm，拱腰分別向2側(cè)變形24.37 mm；第3階段施工完成后，盾構(gòu)隧道拱頂向下變形24.44 mm，拱底向上變形23.96 mm，拱腰分別向2側(cè)變形24.64 mm。由此可知：在盾構(gòu)隧道施工完成后，2側(cè)的車站主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道的變形影響很大，橫通道施工對(duì)隧道變形影響較小。

圖10 不同施工階段的盾構(gòu)管片位移云圖（單位：m）

表4 第7環(huán)管片接頭在不同施工階段的變形量 mm

（2）從環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量來看，在施工的前2個(gè)階段，管片的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量分別為0.13 mm 和0.21 mm；在第3階段，塔柱環(huán)管片與開口環(huán)管片之間的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)劇增到2.73 mm，但2個(gè)相鄰開口環(huán)管片的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)不明顯。這是因?yàn)椋簷M通道部位的土體開挖，使該部位管片側(cè)向壓力驟減；再拆除部分管片，使開口環(huán)管片和塔柱環(huán)管片在豎向荷載作用下產(chǎn)生更大的相對(duì)位移，導(dǎo)致環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量劇增。

（3）從縱縫錯(cuò)臺(tái)來看，管片的縱縫錯(cuò)臺(tái)主要發(fā)生在拱頂和拱底，且錯(cuò)臺(tái)量隨著施工的進(jìn)行逐步增加。最大的縱縫錯(cuò)臺(tái)發(fā)生在拱頂接頭1#和9#，為1.66 mm，小于管片縱縫錯(cuò)臺(tái)量的允許值5.00 mm，滿足節(jié)點(diǎn)防水要求。

（4）從縱縫張開來看，管片縱縫張開主要發(fā)生在隧道的拱頂、拱底和拱腰3個(gè)部分，且隨施工的進(jìn)行逐漸增大。在第1階段施工完成后，第2 施工階段對(duì)縱縫張開量的影響比第3 施工階段顯著。最終拱頂接頭1#和9#張開量達(dá)到2.85 mm，拱腰處的接頭3#和7#張開量達(dá)到2.42 mm，拱底處的接頭5#張開量達(dá)到2.81 mm。當(dāng)盾構(gòu)管片接頭張開量小于5.00 mm時(shí)，盾構(gòu)隧道不會(huì)發(fā)生滲漏水[19]，可知滿足結(jié)構(gòu)防水要求。

4.1.2 管片接頭混凝土的受力

繪制各施工階段盾構(gòu)管片的最小主應(yīng)力云圖如圖11所示，整理接頭混凝土的最小主應(yīng)力值見表5，據(jù)此展開進(jìn)一步分析。

圖11 不同施工階段的盾構(gòu)管片最小主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

表5 第7環(huán)管片接頭混凝土在不同施工階段的最小主應(yīng)力 MPa

（1）從總體受力情況來看，管片接頭混凝土的最小主應(yīng)力隨施工的進(jìn)行逐步增大，且第3 施工階段管片接頭混凝土的最小主應(yīng)力增幅最大，最大增幅達(dá)6.12 MPa，發(fā)生在塔柱環(huán)拱腰處接頭3#和7#。這是因?yàn)椋呵?個(gè)施工階段對(duì)隧道周圍的圍巖擾動(dòng)較大，但隧道為全管片受力；而橫通道土體開挖和部分管片拆除，導(dǎo)致開口環(huán)管片整體剛度減小，塔柱環(huán)管片在應(yīng)力重分配中承擔(dān)更多壓力。

（2）拱腰處接頭3#和7#混凝土壓應(yīng)力最大，為19.31 MPa，小于C50混凝土受壓強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)的安全要求。拱頂和拱底的接頭混凝土壓應(yīng)力較小，但均處于全斷面受壓狀態(tài)。

（3）從接頭受力分布情況來看，管片接頭混凝土的應(yīng)力沿管片厚度呈明顯的非均勻性變化，接頭內(nèi)、外2側(cè)應(yīng)力差異很大。具體表現(xiàn)為：接頭張開側(cè)混凝土受壓最小，接頭受壓側(cè)混凝土應(yīng)力最大；接頭混凝土內(nèi)、外2側(cè)壓力差異最大發(fā)生在拱腰處接頭3#和7#，最大相差17.10 MPa。

4.2 管片與現(xiàn)澆混凝土間連接節(jié)點(diǎn)的受力和變形

取橫通道3 中第8、第9開口環(huán)管片與橫通道現(xiàn)澆混凝土頂板搭接形成的節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象。管片與橫通道現(xiàn)澆混凝土連接節(jié)點(diǎn)的最小主應(yīng)力云圖和變形云圖，分別如圖12和圖13所示。

圖12 管片和現(xiàn)澆混凝土連接節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

根據(jù)圖12，分析管片與現(xiàn)澆混凝土間連接節(jié)點(diǎn)處的混凝土受力情況如下。

圖13 管片和現(xiàn)澆混凝土連接節(jié)點(diǎn)變形云圖（單位：m）

（1）壓應(yīng)力沿節(jié)點(diǎn)混凝土的厚度呈明顯的非均勻性變化，節(jié)點(diǎn)外側(cè)混凝土的最大壓應(yīng)力為6.67 MPa，內(nèi)側(cè)混凝土的最大壓應(yīng)力為12.57 MPa，小于現(xiàn)澆混凝土C30的允許值，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

（2）此節(jié)點(diǎn)混凝土的最大壓應(yīng)力明顯比塔柱環(huán)節(jié)點(diǎn)2#和8#的混凝土的最大壓應(yīng)力小。因?yàn)樵跈M通道土體開挖和管片拆除時(shí)對(duì)開口環(huán)管片有明顯的卸荷作用，導(dǎo)致開口環(huán)管片與橫通道現(xiàn)澆混凝土連接的節(jié)點(diǎn)混凝土壓應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小。

由圖13可知：此節(jié)點(diǎn)朝外張開，但張開和錯(cuò)臺(tái)并不明顯，張開量為0.46 mm，錯(cuò)臺(tái)量為0.12 mm，均小于允許值，滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和防水要求。

4.3 接頭螺栓的內(nèi)力

為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)方案中保留管片接頭是否滿足抗拉強(qiáng)度要求，需對(duì)管片接頭螺栓受力進(jìn)行分析。管片的環(huán)縫螺栓受力比縱縫螺栓受力小，因此下面只研究縱縫螺栓受力。管片縱縫的斜直螺栓受力簡圖如圖14所示。按此簡圖進(jìn)行分析，取第7環(huán)盾構(gòu)管片的斜直螺栓為研究對(duì)象，可由式（5）求出縱縫斷面處的軸力N′和剪力T′，從而求得接縫斷面處的剪軸比，具體數(shù)據(jù)見表6。

圖14 螺栓受力簡圖

表6 第7環(huán)管片接頭螺栓內(nèi)力及其剪軸比

式中：N′為縱縫斷面處的軸力；T′為縱縫斷面處的剪力；N和T為數(shù)值計(jì)算得出的斜直螺栓軸力和剪力；α為斜直螺栓與接縫面之間的法向夾角，為30°。

由表6可知，管片接縫面的剪軸比均大于接縫面的摩擦系數(shù)0.500[20]，因此管片之間會(huì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)。根據(jù)施工現(xiàn)場對(duì)接頭斜直螺栓的拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果[14]，M36 斜直螺栓的最大抗拉荷載為678 kN，保證抗拉荷載為490 kN，可知管片接頭的斜直螺栓受力均小于其能承受的最大抗拉荷載，滿足抗拉強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 論

（1）針對(duì)北京地鐵14號(hào)線將臺(tái)車站擴(kuò)挖方案存在的不足，提出了1種基于單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道（隧道外徑10.0 m）擴(kuò)挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案，該方案能夠有效減少擴(kuò)挖車站時(shí)盾構(gòu)管片拆除量，且有利于地下空間的集約化利用。

（2）針對(duì)該結(jié)構(gòu)方案建立三維非連續(xù)接觸模型。模擬結(jié)果表明：對(duì)于保留的盾構(gòu)管片，其接頭最大壓應(yīng)力為19.31 MPa，環(huán)向接頭最大錯(cuò)臺(tái)為2.73 mm，縱向接頭最大張開量和錯(cuò)臺(tái)量分別為2.85 mm和1.66 mm；對(duì)于保留管片與現(xiàn)澆混凝土間連接節(jié)點(diǎn)，其最大壓應(yīng)力為12.57 MPa，最大張開量和錯(cuò)臺(tái)量分別為0.46 mm 和0.12 mm。以上數(shù)據(jù)表明該方案滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求和防水要求。

（3）結(jié)構(gòu)方案中保留的管片，其接頭斜直螺栓的軸力均小于M36 斜直螺栓的最大抗拉荷載678 kN，滿足抗拉強(qiáng)度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了方案的合理性。