盾构法与浅埋暗挖法结合修建地铁车站施工过程动态数值分析——以北京地铁4号线为例

陈 峰（中铁建国际集团阿尔及利亚公司，北京 100855）

盾构法与浅埋暗挖法结合修建地铁车站施工过程动态数值分析——以北京地铁4号线为例

陈 峰
（中铁建国际集团阿尔及利亚公司，北京 100855）

摘要：为避免车站和区间盾构隧道施工在“时空”方面的矛盾，充分发挥盾构的使用效率，同时减少车站施工中管线迁改、拆迁、征占地、交通倒改等工作，可采用盾构法与浅埋暗挖法结合修建地铁车站。以北京地铁4号线暗挖车站建设为背景，采用FLAC 3D软件对采用盾构法与浅埋暗挖法结合修建地铁车站的施工过程进行动态模拟分析。分析结果表明：施工过程中管片结构及周围环境均处于安全状态，工程风险可控。

关键词：盾构法；浅埋暗挖法；地铁车站；数值模拟

0　引言

随着城市地铁建设的高速发展，盾构法施工以其高效、快速、安全的优点，已成为一种必不可少的地下施工通用技术。目前，盾构技术已成功应用于铁路区间隧道、引水隧道、排污隧道及公路越江隧道等不同地下结构物的施工［1－4］。但在轨道交通建设中，盾构施工往往受控于车站线位、接线条件及总体工筹等边界条件，产生盾构过站效率问题，严重影响和制约了这种高效技术设备的发挥和应用。

通常，盾构过站采用2种方案。1）盾构从始发井推进至目标车站后，由接收井吊出并转场至下一区间继续掘进；2）对有过站条件的车站可拖拉盾构过站或平行过站，继续下一个区间掘进。其中，盾构拖拉过站，曹洋［5］在北京地铁俸伯站—顺义站—石门站建设中，将盾构主机与后配套分离分别过站，即主机采用小车油缸推顶、后配套采用导轨平推过的顺义车站（标准双柱双跨）；盾构平行过站时，可充分发挥盾构使用效率，减少附属结构、交通疏解等工程量。结合浅埋暗挖构筑车站，可充分发挥浅埋暗挖施工扰动小、拆迁量小及环境控制好的优势，保证区间、车站平行施工。张新金等［6］通过数值计算手段提出采用盾构法与浅埋暗挖法结合建造地铁车站站厅时暗挖隧道二次衬砌施作时机。

总体而言，2种过站方法都需要将主机与车架断

开后过站，造成区间与车站施工在速度和组织上的矛盾。即盾构利用率低、频繁拆装、调头，以及在区间隧道内窝工严重等现象，使盾构法施工速度快的优势得不到发挥，同时可能带来较大的工期风险，大大制约了该技术在地铁工程中的应用［7］。

因此，盾构先行过站结合浅埋暗挖法扩挖构筑地铁车站，可较大程度保证施工工期、减小对周边环境的影响、充分发挥盾构劳动强度低、自动化程度高的优势，大大提高盾构长距离应用和规模效益，减小车站（线间距）规模。

浅埋扩挖涉及应力转换且工序繁多，施工工艺复杂，施工难度大、风险高，可供借鉴的工程实例少。本文采用FLAC程序对车站施工全过程进行动态数值模拟，分析车站及管片结构的应力场、位移场及地表环境的动态响应规模，据以制定和优化施工步序及提出合理施工控制措施。

1　车站概况及设计方案

1.1工程地质概况

北京地铁4号线角门北路站（现马家堡站）两端接站角门西站和北京南站，为地下二层岛式暗挖车站，有效站台长120 m，线间距23 m，共分布3个出入口。车站断面为椭形大断面，高10.364 m，跨度14.164 m，平均覆土4.3 m左右。根据总体工筹安排，站端两侧区间共计长约3 km，均采用盾构法掘进。为充分发挥盾构掘进效率、减少盾构进出井工序，兼顾车站建筑功能布置要求，将盾构区间隧道作为永久车站的一部分，即采用两管盾构直接掘进过站，继而扩挖暗挖隧道，构筑岛式车站。

车站所在的地层无承压水，仅见凉水河局部潜水，从上到下依次是①杂填土层、②－1粉质黏土、②－2粉质黏土与砂质粉土互层、②－3粉细砂和③卵石圆砾层。土层物理力学参数见表1。

表1　土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

1.2车站结构形式

车站结构形式为岛式，车站平面布置见图1，横断面见图2。盾构管片外径为6 m，内径为5.4 m，管片厚度为0.3 m，宽度为1.2 m。

图1　车站平面布置（单位：mm）Fig.1 Plan layout of the Metro station（mm）

图2　车站横断面（单位：mm）Fig.2 Crosssection of the Metro station（mm）

2　施工过程仿真

2.1计算范围及单元类型

采用有限差分程序FLAC 3D进行仿真，考虑到尺寸效应带来的计算误差，模型计算范围确定为：左右边界为2.5倍车站宽度，下边界为1.5倍车站高度，上边界到地面，车站纵向取3条横通道，含25环管片。最后确定整个模型宽150 m、高34 m、长30 m。模型整体示意见图3。

盾构隧道衬砌由3个标准块，2个邻接块，1个封顶块，6块管片拼。管片环缝、纵缝及注浆缝采用Interface单元来模拟，并用梁单元来模拟管片之间的螺栓连接。接触面Interface单元应用见图4。

图3　模型整体示意Fig.3 FEM model

图4　接触面Interface单元应用Fig.4 Interface elements

围岩、初期支护、二次衬砌、盾构管片采用6面体实体单元模拟，超前支护注浆层根据现场注浆试验结果，可采用提高地层参数来模拟，内支撑（临时钢支撑等）用梁单元模拟，支撑与管片或暗挖隧道衬砌之间的连接方式按铰接处理，模型本构方程采用理想弹塑性本构关系，即Mohr－Coulomb准则。

整个模型共52 575个单元，56 342个节点。

2.2计算参数

施工过程中将地下水降至底板以下，故数值模拟按降水后的施工阶段考虑。忽略地下水影响，各结构计算参数见表2，接触面Interface单元的物理力学参数见表3。

表2　支护结构物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of support structure

表3　接触面物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of interface elements

2.3施工过程仿真

岛式地铁车站按表4的施工工序进行施工。

表4　岛式车站施工方案Table 4 Construction program of island type station

2.4结构动态响应分析

整个车站模型纵向长30 m，包括3个横通道和4个塔柱，共计25环盾构管片，计算结果取2个典型断面来分析。断面1：2＃横通道中间部位；断面2：3＃塔柱中间部位（见图5）。其中断面1处为第13环管片，断面2处为第17环管片。

图5　典型断面位置示意Fig.5 Locations of typical crosssections

2.4.1地表沉降

2个典型断面在各施工阶段地表最大沉降累计值和增量值见表5，地表沉降曲线见图6（断面2沉降规律相同，不再列出）。

表5　断面1，2地表最大沉降统计表Table 5 Maximum ground surface settlement at No.1 and No.2 crosssections

由表5可知，最大沉降值都产生在中间大断面隧道中心正上方地表。以断面1为例，首先，地表沉降最大值－22.3 mm，其中绝大部分沉降是在中间大断面隧道开挖并支护的时候产生，占总沉降量的70.9%；大断面隧道施作二次衬砌时仅产生小部分沉降量；其次，横通道的毛洞开挖、拆除管片、施作横通道二次衬砌，共计产生－3.5 mm。因为中间大断面隧道二次衬砌已施作，给地层提供了足够的支护抗力，故横通道施工引起的地表正中沉降不大。最后，拆除隧道的临时支撑时，仅产生－2.0 mm沉降。

图6　断面1地表沉降曲线Fig.6 Ground surface settlement at No.1 crosssection

2.4.2洞周变形

在断面1，2关键部位设置监测点进行垂直和水平位移分析，测点分布见图7，各施工阶段引起的洞周位移见表6。

图7　洞周位移测点布置（单位：mm）Fig.7 Layout of convergence monitoring points（mm）

表6　断面1，2洞周位移统计表Table 6 Convergence at No.1 and No.2 crosssections　 mm

2.4.2.1垂直位移

1）整体纵向比较。断面1因为有横通道开挖的影响，其垂直位移整体上比断面2稍大。2）整体横向比较。第1，2步施工对1＃，2＃关键点的垂直位移影响比较大，第3，4步施工对3＃，4＃关键点的垂直位移影响比较大。3）在3＃关键点（隧道顶部），断面1最大达到－8.5 mm，比断面2大3 mm，因为断面1存在横通道且在其开挖过程中使右侧盾构管片临空，右侧土压力减为零，导致在拱顶垂直土压力的作用下，拱顶的垂直位移突然增大。

2.4.2.2水平位移

从整体演化规律看，2个典型断面各关键的水平位移在第2和第5施工步时位移减小，即向大断面隧道外侧移动，第1，3，4步反之，即水平位移变化产生波动。细部规律上，断面1横通道施工时，洞周5＃测点水平位移达到10.9 mm，而断面2相同位置的位移仅为7.7 mm。

诸如上述，因为大断面隧道开挖（第1工步）使洞室各点向内收敛，即水平位移增大；而施作大断面隧道二次衬砌时（第2工步），因拆除初次衬砌中隔壁，顶部竖向松散土体骤然挤压使得洞周向外“扩散”，即水平位移减小；相反，横通道的施工（第3，4工步），使得左线盾构隧道右部因开挖卸荷产生不均衡土压，继而洞室又向内移动，即水平位移增大；临时支撑的拆除（第5工步）再次造成竖向土压骤增，洞室再次向外“扩散”，水平位移减小。

2.4.3盾构管片变形分析

在盾构隧道断面1，2处选择关键点用以监测施工过程中盾构管片的位移和变形。盾构管片内部位移监测点布置如图8所示。水平及垂直位移曲线如图9和图10所示。

图8　盾构管片内部位移监测点布置Fig.8 Layout of segment displacement monitoring points

2.4.3.1水平位移

断面1中2＃测点最终位移最大，达到13.8mm；断面2中4＃测点最终位移最小，为5.7 mm。位移随工步的演化规律表现为：大断面隧道开挖时（第1工步）盾构隧道整体向大断面隧道中心移动，为4～5 mm；大断面隧道施作二次衬砌时（第2工步），盾构隧道整体远离大隧道中心方向，约1 mm；横通道施工时（第3工步），盾构隧道整体又向大断面隧道中心有较大的移动，尤其是横通道部位管片。因为右侧管片临空并拆除，两侧管片上的压力不平衡，在左侧土压力的作用下，管片水平方向位移突然变大，盾构水平直径左侧部位3＃测点水平位移达到10.2 mm，同样位置塔柱部位的4＃测点管片水平位移要小一些，为8.6 mm；拆除临时支撑时（第4工步），中间大隧道竖向压力增大，侧向压力减小，大隧道的侧墙在竖向土压作用下向外“挤”，迫使两侧的盾构隧道也向远离大隧道中心线的方向移动，各关键点的水平位移减小。

图9　断面1，2测点水平位移曲线Fig.9 Curves of horizontal displacement at monitoring points of No.1 and No.2 crosssections

图10　断面1，2测点垂直位移曲线Fig.10 Curves of vertical displacement measured at monitoring points No.1 and No.2 crosssections

2.4.3.2垂直位移

首先进行整体纵向比较，断面1因为有横通道开挖的影响，其垂直位移整体上比断面2大。前者在盾构隧道顶部最大垂直位移达到－8.4mm，而后者仅有－5.3 mm。同时，两断面均随着施工推进，整个盾构隧道垂直方向相对收敛，水平方向相对发散，盾构隧道成“扁平状”的椭圆。

2.4.3.3断面拉伸率

断面1处的9＃—10＃测点间盾构隧道垂直方向收

敛最大为8.4 mm，压缩率为0.14%，断面2处11＃—12＃测点间盾构隧道垂直方向收敛最大值为3.9 mm，压缩率为0.065%，断面2处盾构隧道水平方向相对发散最大值为3.3 mm，伸长率为0.055%。

2.4.4盾构管片内力分析

横通道施工时要局部拆除盾构管片，这部分管片是受力最不利的，提取断面1处要局部拆除的第13环管片的内力可知。

横通道开挖前，盾构隧道管片上两侧的压应力大于顶部和底部管片上的压应力，侧部压应力约2.2 MPa，底部为1.6 MPa，顶部最小为1.4 MPa；管片上的拉应力较小，但是在靠近大隧道一侧的管片接缝处有集中拉应力，约0.12 MPa。

横通道开挖时，盾构隧道靠近大断面隧道一侧临空，管片上的压应力骤减为0.4 MPa，盾构隧道顶部和底部的压应力也相应地略有减小，而远离大断面隧道一侧的管片压应力增大值为2.3 MPa；管片拆除和施作横通道二次衬砌时，管片上的压应力变化不大，管片拆除部位出现集中拉应力约0.4 MPa。

临时支撑的拆除对管片的应力影响比较大，远离大断面隧道一侧管片上压应力增大至2.53 MPa，顶部和底部的压应力变化不大，为1.5 MPa，管片和横通道上下连接处有较大的集中拉应力，约0.9 MPa。

2.4.5管片螺栓位移及应力分析

管片间纵缝、环缝在横通道开挖及自身拆除时，会产生局部位移和变形。同时，连接螺栓不宜受力过大，若发生屈服，会引起接缝变形增大及渗漏水。

如图11所示，典型断面1处第13环管片，管片部分拆除后，提取4个接缝处两侧管片内、外侧节点的相对位移及螺栓轴力进行接缝变形和内力分析。为分析横通道开挖对螺栓内力的影响，同时提取管片未拆除典型断面2处第17环管片上相同位置处的环向螺栓内力开展中对比分析。

图11　螺栓和接缝位置示意图Fig.11 Locations of bolts and joints

表7为拆除临时支撑后接缝两侧管片相对位移。由表7可知，管片封顶块（1＃—2＃测点处）两侧管片接触良好，基本无张开，但相对错动比较明显，达到1.1 mm；3＃接缝两侧管片在隧道内侧紧密接触，在隧道外侧张开，达到0.7 mm；4＃接缝两侧管片在隧道内侧有较大张开，达到1.2 mm，在外侧接触良好，同时有0.6 mm的错动。依据管片接缝允许张开值公式δ允许≤BD／（ρmm－0.5D）＋δ0＋δs＝29.1 mm，满足功能需求［8－10］。

表7 拆除临时支撑后接缝两侧管片相对位移Table 7 Relative displacement of segments on both sides of joints after temporary support dismantling　mm

图12是断面1第13环管片上环向螺栓应力曲线，图13是断面2第17环管片上环向螺栓应力曲线。

图12　断面1第13环管片上环向螺栓应力曲线Fig.12 Curves of stress on circumferential bolts of No.13th segment ring at No.1 crosssection

图13　断面2第17环管片上环向螺栓应力曲线Fig.13 Curves of stress on circumferential bolts of No.17th segment ring at No.2 crosssection

由图12和图13对比可知，随施工推进，2个断面上的环向螺栓应力均不断增大，尤其是临时支撑拆除工序对4＃位置的螺栓内力演化影响最大，断面1处第13环管片（横通道开挖时管片开口）最为不利，达到1 078 MPa，超过M10.9高强螺栓屈服强度（抗拉强度1 000 MPa，屈服强度900 MPa），可见，原设计M10.9螺栓接近屈服。建议在设置横通道的管片断面处，局部采用M12.9高强螺栓。同时，2个断面相同位置的2＃螺栓呈受压状态并由衬垫承受且压力较小，其余为受拉，均小于自身屈服强度。

3　结论与探讨

1）横通道暗挖施工前，两管平行隧道整体受压，随着横通道开挖及管片凿除，在管片开口处出现拉应力，未超过衬砌混凝土设计抗拉强度。

2）随着横通道开挖、支护的进行，侧部区间隧道腰部水平位移发展到10.9 mm，表现为向大断面方向移动收敛；随着大断面内部临时支撑的拆除，侧部盾构腰部水平位移特征表现为发散，达到7.9 mm。

3）管片开口处，环向螺栓应力较大，且开口环管片变形值较大，应加强对该环管片受力验算，并对开口环管片环向螺栓采用高强螺栓，并做好对开口环管片的加固工作。

4）中间暗挖大断面隧道的施工对其及两侧平行盾构区间上方的地层位移影响较大，有必要在横通道开挖前从两侧平行盾构区间内向横通道及管片上方一定范围内注浆加固，以稳固地层。

5）盾构区间最终位移性态使得其断面呈“扁平”椭圆状。局部上，横通道开挖使得横通道部位管片和塔柱部位管片之间产生差异变形，影响到结构稳定性和防水性能。建议在盾构隧道内加临时支撑的同时，采取槽型钢板拉筋条或预应力锚索（类似于盾构进出车站时措施）将管片沿纵向拉紧，以增强结构整体性。

6）盾构平行过站结合浅埋暗挖法工法可推广应用于工期需求紧张、车站（线间距）规模受限、盾构设备摊销大、附属工程设置条件恶劣、环境影响要求苛刻等工程，以充分发挥机电设备及浅埋暗挖的双重优势。

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Dynamic Numerical Analysis on a Metro Station on Line 4 of Beijing Metro Constructed by Shield Method and Shallowcovered Mining Method

CHEN Feng
（Algeria Company，China Railway Construction International Economic and Trade Group，Beijing 100855，China）

Abstract：The combination of shield method and shallowcovered mining method can be used to construct Metro stations，so as to improve the availability of shield and to reduce pipeline moving，building removing and traffic rerouting.In the paper，dynamic numerical analysis is made on the construction of a Metro Station on Line 4 of Beijing Metro，which is constructed by means of combination of shield method and shallowcovered mining method，by means of FLAC 3D numerical simulation software.The analysis result shows that the safety of the tunnel and the surrounding environment can be guaranteed，and the construction risks can be brought under effective control.

Key words：shield method；shallowcovered mining method；Metro station；numerical simulation

作者简介：陈峰（1985—），男，河南南阳人，2005年毕业于北京交通大学，土木工程专业，本科，工程师，现从事公路、铁路等国际工程项目的管理工作。

收稿日期：2014－12－02；修回日期：2015－02－05

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）04－0335－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.04.009