盾构隧道扩挖修建地铁车站站台隧道技术研究

2013-05-14姜久纯

铁道标准设计 2013年3期

姜久纯

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

盾构法以其掘进速度快，安全可靠，施工质量控制好等优点，使其成为地铁隧道建设中采用最多的施工方法。而为了使盾构机能够达到其最大的工作效率，得到更大的经济效益，在工程筹划的设计过程中，往往通过盾构过站的方式，使盾构机能够长距离掘进，发挥其最大效能［1-4，9］。但在实际工程实施过程中，由于拆迁、征地等各种因素的控制，车站土建工程建设进度缓慢，使得盾构机到达车站时，车站尚无法提供盾构机的过站条件。若等待车站提供过站条件之后，再进行盾构掘进，盾构需停机在隧道内，盾构设备长时间的停机将会带来较大的工程风险和设备风险，首先是工程风险，由于长时间停机，盾构机主机范围由于无法进行注浆回填，上方围岩将会松动下沉造成地表沉降和盾构机的抱死，同时由于长期的停滞，宜造成刀盘上方和前方的围岩松动，造成沉降。其次盾构机设备长期停滞处于有压水体的高湿环境下，极易造成盾构机密封的失效，刀体以及盾体等机构的锈蚀，尤其是电器设备以及控制系统的故障，为再次恢复掘进带来困难［5－8］。

在国外，为解决上述问题，在日本和前苏联地铁建设中，曾采用在盾构隧道基础上进行扩挖修筑地铁车站的方法。而在国内，只停留在研究阶段，并未得到实际应用［10］。

以广州地铁6号线东山口站工程为依托，提出采用盾构先行掘进通过车站，后期对盾构隧道采用钻爆法进行扩挖而形成站台隧道的工法，解决了盾构与车站之间的工期、工序冲突。通过数值模拟、实体模型试验与现场监测，对该工法的合理性及该工法对地表及周边环境影响程度进行研究，提出了合理的扩挖步骤与结构支护参数。

1 工程概况

广州市轨道交通6号线东山口站位于中山一路与署前路交叉路口，车站采用明挖与暗挖施工方法施工。车站左线暗挖站台隧道总长91 m。暗挖隧道拱顶距地面18.800～19.845 m。车站周边建筑物较多，其中二轻工业集团6层综合楼位于左线站台隧道上部，隧道与楼桩底净距为7.1～9.5 m。车站左线站台隧道原设计为矿山法隧道。由于受到车站工期限制，左线区间盾构机到达车站端头时，无法空推过站。采取掘进过站的方式，后期对左线盾构隧道采用钻爆法扩挖形成车站站台隧道。

地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，基岩风化裂隙水。地下水涌水量不大，由于基岩裂隙发育不均匀，局部地段裂隙发育。隧道在裂隙较发育地段，可能有股状地下水涌出，在裂隙不发育地段，仅有渗水现象。车站平面见图1。

图1 车站平面示意

2 结构设计及施工工序

2.1 结构设计

由于二轻综合楼位于隧道上方，隧道施工过程中必会对其造成一定影响，所以工法和结构参数的选择应以保证二轻工业集团6层综合楼安全为前提。东山口站左线扩挖站台隧道采用复合式衬砌，为减小由于隧道上方地层水的流失和隧道开挖时土体松弛引起的地层下沉，减小扩挖施工时对地层的二次扰动，扩挖隧道采用大管棚+小导管注浆超前支护措施，同时加强初期支护喷层厚度等支护参数。根据工程类比法和结构计算，设计支护参数如表1所示。

表1 支护参数

2.2 施工措施

由于受车站限制，左线盾构无法空推过站。为保证盾构工期及避免盾构停留在隧道内造成的损失，只能采取盾构先掘进过站。在盾构掘进前，先进行矿山法隧道超前大管棚的施工，盾构掘进通过后，再采用钻爆法进行扩挖。施工步骤依次为:①盾构环上部上台阶开挖支护;②隧道中台阶开挖支护;③拆除上部管片;④拆除下部管片;⑤隧道下台阶开挖支护;⑥隧道仰拱开挖支护。扩挖步骤示意见图2。

图2 扩挖步骤示意

扩挖爆破施工采用控制爆破措施，减小爆破振动对上部建筑的影响，同时应对爆破后管片的情况进行检查，防止管片由于爆破出现较大破坏而引起管片坍塌，影响人员安全。尤其是上台阶和中台阶开挖时，相对风险较高。上台阶和中台阶钢架脚部均设置锁脚锚杆，中台阶脚部采用扩大拱脚，以减小开挖时隧道支护下沉，减小上方地层应力损失。

在管片拆除施工中，最难拆除的就是第一环，由于盾构管片之间的挤压力很大，需要采用机械破拆。为方便施工，在管片中利用渣土堆出施工平台，一是加强管片稳定，二是方便施工人员拆除螺栓。通过现场实践，证明采用回填渣土作为施工平台不但能保证施工安全和进度，而且投入小、无损耗、施工效率高。

3 有限元仿真计算分析

3.1 计算模型

根据施工情况说明和地质资料，采用FLAC3D建立三维模型。在模拟计算中，初期支护采用shell单元模拟，锚杆单元采用FLAC3D中Cable单元。对二轻综合楼的荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)估算，地表建筑作用在基础上的作用力简化为均布荷载1460 kPa，通过基础传递给地基。采用增大地层物理参数的方式模拟大管棚和小导管的支护作用。计算模型见图3。

图3 FLAC3D模型

本次模拟只针对左线施工，开挖步骤如图2所示。在盾构掘进过程中每一步掘进1.4 m，在扩挖施工过程中，每步扩挖0.7 m。

3.2 计算结果与分析

通过数值模拟计算，对地表沉降的三维图像进行输出，如图4、图5所示。

造模过程中小鼠死亡5只。21周后观察光镜胸主动脉。正常组无斑块形成，主动脉管壁分层清楚，内膜平整光滑，内皮细胞排列整齐，平滑肌细胞走形良好。模型组动脉内膜明显增厚，大量斑块形成，血管腔明显减小，表明造模成功。各药物干预组亦内膜均有不同程度增厚，伴有粥样斑块形成，但斑块病变减轻，斑块面积变小，泡沫细胞减少，见图1。

由图中可以看出，盾构掘进后，地表最大下沉4.1 mm;扩挖完成后，地表最大下沉9.1 mm。隧道施工过程中，隧道中心上方地表下沉量最大，隧道地表沉降由隧道中心向两边逐渐减小，两侧距离隧道中心约20 m处，地表沉降小于1 mm。

图4 盾构掘进后地表沉降结果三维图

图5 扩挖后地表沉降结果三维图

根据工程类比及规范规定要求，为保证地表建(构)筑物安全，地铁隧道施工过程中，地表及建筑物沉降一般情况下控制在下沉量30 mm及隆起量10 mm以内。从数值模拟结果来看，本文提出的工法是可行的，可以保证在盾构掘进及盾构扩挖施工期间，地表及二轻综合楼的沉降值控制在规范要求以内。

4 实体模型试验

为更好的研究该工法实施过程中对周边环境的影响程度，验证数值模拟计算的准确性。根据现场实际情况，建立了实体模型进行施工阶段的模拟。

4.1 实体模型

本次模型试验采用大几何比例尺模型进行试验，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现在弹性范围内满足各物理力学参数的全相似性。几何相似比取为40，试验原型范围所对应的模型尺寸为:长×宽×高=2.4 m×1 m×1.2 m。

根据确定的隧道支护方案，实体模型模拟过程中，对扩挖隧道超前支护也做了相应的模拟。大管棚小导管超前预注浆加固地层的范围是:扩挖轮廓线拱顶上方高度为12 cm、宽度为左线隧道圆心处150°范围轮廓线以内均为12 cm左右范围内的地层。

在实体模型内埋设位移计，以监测模拟施工过程地层变形特征。实体模型实验见图6。

图6 实体模型现场

根据地勘报告资料和《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中对不同围岩的物理参数取值范围，结合模型试验的特性，以偏低数据进行取值。各材料原型和模型的理论力学参数见表2。

表2 计算围岩的物理力学参数

4.2 实体模型模拟过程沉降监测结果与分析

通过实体模型试验中，随着模拟施工步骤的进行，对模型地表变形进行实时监测，得出地表沉降曲线，见图7。

图7 地表监测点沉降曲线

地表沉降曲线图7显示，地表监测点的沉降曲线在第0～300 min内(盾构施工阶段)，由于对拱顶周围地层施加大管棚超前支护加固围岩裂隙，使得周围地层得到较好的改良，进而使地表沉降得到较好的控制，最大沉降值为－0.25 mm，根据模型比例1∶40计算，相当于施工现场实际沉降值10 mm。

在扩挖阶段第300～1 000 min(扩挖施工阶段)，地表沉降随着开挖而进一步加大，1 000 min以后地表变形趋于稳定。地表最大沉降点为－0.47 mm，根据模型比例1∶40计算，相当于施工现场实际沉降值18.8 mm。

从以上结果可以看出:

(1)盾构掘进阶段和扩挖阶段，地表变形速率较大，施工完成后变形趋于稳定;

(2)在盾构掘进阶段与扩挖施工阶段衔接附近出现拐点，也反映出两阶段的沉降速率不同，引起的地层损失不同。

5 施工现场监测结果

为实现信息化施工，在现场施工过程中，对地表变形进行现场监测，监测结果见图8。

图8 现场地表监测沉降曲线

根据监测结果看，盾构施工70 d后，完成车站范围内的掘进施工，此时，盾构施工引起的地表沉降在4.48～7.98 mm。盾构掘进完成后，开始进行扩挖施工，扩挖施工约110 d，引起的地表沉降在11.46～18.06 mm。变形值均满足规范规定要求，保证了隧道周边环境的安全。

由图8可以看出，在盾构掘进到达监测点前，由于盾构推力对前方土体挤压，造成地面出现隆起现象。随着盾构的掘进，地表变形由隆起逐渐转变为沉降。盾构施工完成进行扩挖施工时，地表沉降值进一步增加。在盾构掘进与扩挖阶段转换点，沉降曲线出现拐点，这说明两种工法引起的地层损失不同。

6 结论

(1)有限元分析计算结果中，隧道中心上方地表下沉量最大，隧道施工引起的沉降槽单侧宽度约为隧道1倍埋深。且盾构掘进阶段和隧道扩挖阶段的地表变形都控制在30 mm以内，满足规范要求，可保证周边环境安全。有限元分析计算地表沉降量最大约9.1 mm，与实体模型结果和现场监测结果相差较大，原因是理论计算模型较为理想。实体模型试验中，通过对模拟施工过程中地表变形的监测，结果显示，实体模型试验中地表变形与现场监测结果较为一致，最大变形约18 mm。

(2)经过实践，采用回填渣土作为拆除管片的施工平台有诸多优点，包括投入小、效率高、无损耗、安全等。在实际施工中，由于管片采用错缝拼装，管片拆除难度较大，建议以后类似工程中，可采用通缝拼装的方式，减小管片拆除难度。

(3)在盾构扩挖施工中，扩挖进尺不宜过大，不超过2榀格栅间距，并随时观察开挖面渗漏水情况，若渗漏水较为严重，则考虑采用帷幕注浆的方式进行注浆止水，防止地下水流失严重造成地表沉降过大，威胁周边建筑物安全。

(4)盾构隧道扩挖一般情况下适用于地铁暗挖车站，因此为保证扩挖施工安全，此工法一般适宜于黏性土层、岩层等相对较好的地层。若地层条件较差，需进行地层加固后方可进行扩挖施工。此种工法适宜于受征地拆迁、场地限制、工期等限制因素，无法按期提供盾构过站条件的暗挖车站。

(5)盾构先行掘进过站，后期进行钻爆法扩挖形成车站站台隧道的工法解决了盾构过站与车站建设过程中的矛盾，有效地保护了周边环境，保证了盾构掘进的工期，为以后地铁工程建设提供了有益的借鉴。

［1］北京城建设计研究总院.GB 50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［2］何川，丁建隆，李围.配合盾构法修建地铁车站的技术方案［J］.西南交通大学学报，2005(3):293-297.

［3］路美丽，刘维宁，孙晓静.盾构法、暗挖法结合修建地铁车站在我国的应用前景［J］.都市快轨交通，2004，17(2):30-33.

［4］赵峻，吴惠明，李刚.盾构隧道扩挖地铁车站新技术［J］.上海建设科技，2007(3):20-22.

［5］杨慧林.国内结合盾构法修建地铁车站的技术方案分析［J］.铁道标准设计，2009(10):26-29.

［6］丁德云，鲁卫东，杨秀仁，等.大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学性能研究［J］.岩石力学，2010(S2):281-287.

［7］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991:18-20.

［8］施仲衡，张弥，王新杰，等.地下铁道设计与施工［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997:150-169.