暗挖地铁车站与车站行车隧道同期建造技术研究

左建周,李兆平,王全贤,张 存

(1.北京市政建设集团有限责任公司,北京 100089； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

引言

目前，常规盾构区间隧道为双洞双线形式，在暗挖车站底板结构施工完成后，方可提供盾构过站的条件，而暗挖车站结构复杂，施工工期长，在盾构到达前很难满足盾构接收与始发条件，盾构只能放慢掘进速度或到站后等待，因此，盾构隧道和地铁车站工程的建造筹划一直是轨道交通建设难题[1-2]。近年来，借鉴国外的成功经验，在北京地区开始了盾构先行条件下建造地铁车站研究和工程实施工作[3-7]，为解决盾构隧道和地铁车站在工程筹划及工期安排方面的矛盾提供了一个很好的解决途径。

北京地铁昌平线南延小营西路站采用暗挖单层4导洞+大直径中桩基础+上接钢管柱的PBA工法施工[8-10]，车站两侧区间隧道采用盾构法施工。由于车站位于小营西路，周边环境条件复杂，车站施工前需完成大量的外部协调工作，且在暗挖车站底板结构完成施工后，方可提供盾构接收、过站和再始发条件。这样盾构隧道施工筹划必然受制于暗挖地铁车站的施工进度，影响盾构施工效率发挥和全线“洞通”目标的实现。

为此，根据本工程的盾构工期要求，提出暗挖地铁车站与站位盾构隧道同期建造方案。即：车站采用暗挖4导洞PBA工法，先施工车站上层4个导洞，然后盾构掘进过站，在盾构过站阶段，穿插进行车站边桩、中桩和钢管柱施工。

1 暗挖车站与站位盾构隧道并行建造方案

1.1 小营西路暗挖车站结构简介

地铁小营西路站为地下两层三跨拱顶直墙结构形式，车站总长165 m，标准段宽24.1 m，高15.6 m，车站拱部覆土深度8.36 m，底板埋深23.55 m。共设置4个出入口、2个风道及2个安全出入口。车站穿越地层主要为杂填土、粉质黏土和粉细砂，地层强度低且富含3层地下水。

车站总平面布置及车站标准断面分别如图1、图2所示。

图2 小营西路站标准断面

1.2 并行建造具体实施方法

(1)车站采用暗挖4导洞PBA工法，先施工上层4个导洞和车站两端围护桩，为盾构过站提供条件，如图3所示。

图3 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序1

(2)施工左侧边桩、左侧中桩和钢管柱，在左线盾构过站阶段暂停施工，如图4所示。

图4 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序2

(3)施工右侧边桩、右侧中桩和钢管柱，在右线盾构过站阶段暂停施工，如图5所示。

图5 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序3

(4)左、右线盾构通过车站后，施作顶纵梁、冠梁及边导洞初支，进行车站拱部的开挖、支护和拱部二衬施工，如图6所示。

图6 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序4

(5)分段开挖负一层土方，采用逆作法施工车站负一层侧墙和中板，如图7所示。

图7 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序5

(6)分段开挖负二层土方，并自上而下分段拆除管片，采用顺作法施工车站底板和负二层侧墙，如图8所示。

图8 暗挖车站与盾构隧道并行建造工序6

2 并行建造方案优势及存在问题分析

2.1 并行建造方案的优势

并行建造方案的最大特点是：车站部位盾构隧道与暗挖地铁车站并行建造，能较好地解决区间隧道和车站施工筹划的相互冲突，盾构隧道和暗挖车站的施工筹划完全相互独立，基本能做到互不制约，整个工程筹划以区间隧道为主线，能尽早实现“洞通”的目标。

2.2 并行建造方案存在的问题分析

(1)盾构掘进对钢管柱的扰动

常规双洞双线盾构区间隧道通过暗挖地铁车站前，车站结构底板及中柱(钢管柱)均已施工完成，盾构空推过站，对车站中柱几乎没有影响。当地铁车站只完成部分中桩及钢管柱施工，此时盾构掘进过站，虽可以充分发挥盾构掘进效率，但由于中桩距离盾构管片外壁只有1 m，且此时钢管柱上部顶纵梁尚未浇筑，钢管柱不能与顶纵梁连接，导致上部处于悬臂状态(图9)，在盾构掘进顶推力和扭矩的作用下，钢管柱受到盾构掘进的水平推力作用，极易产生倾斜变形。

图9 处于悬臂状态的钢管柱

(2)盾构掘进对上层导洞的影响

盾构过站阶段，上层导洞已经形成，而盾构隧道距离导洞的垂直净距4 m左右，由于盾构隧道掘进扰动，导洞支护结构易出现过大沉降，可能会引起导洞初期支护结构开裂，从而波及到导洞上方地层。

(3)由于需采取措施降低盾构掘进对导洞和钢管柱的影响，会相应增加工程投资。

3 降低盾构掘进对钢管柱和上层导洞扰动工程措施

3.1 钢管柱保护措施

钢管柱是暗挖PBA工法施工地铁车站的主要承载构件[11-13]，在盾构过站阶段，受盾构掘进的水平推力作用，极易产生倾斜变形。而钢管柱设计的受力状态为轴心受压构件，为降低盾构掘进对钢管柱的影响，对钢管柱顶端采取固结措施，与导洞支护结构有效连接，以确保钢管柱两端均处于固结状态。具体措施为：在钢管柱外侧套上30 mm厚Q355钢套环(2个半环栓接)，然后浇筑500 mm厚C35素混凝土固定环，加固措施纵横剖面分别见图10、图11。

图10 钢管柱与导洞加固措施纵剖面

图11 钢管柱与导洞加固措施横剖面(单位：mm)

3.2 导洞拱部补偿注浆及导洞与盾构隧道夹土层注浆加固措施

由于导洞覆土较浅，上方管线密布，小营西路地表沉降控制标准高，为降低盾构隧道掘进对导洞初期支护结构的影响，防止由于导洞支护结构破坏所带来的管线破裂和道路沉陷坍塌等次生灾害[14-17]，在盾构穿越导洞阶段，对导洞拱部土体进行反复补偿注浆，每个导洞设置3根长2.5 m的补偿注浆管；同时，在盾构穿越导洞前，在导洞内对导洞和盾构隧道之间的夹土体进行注浆加固，采取沿导洞走向分段后退式注浆方法，注浆范围如图12所示。注浆材料采用水泥+水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。

图12 导洞拱部补偿注浆及导洞与盾构隧道的夹土层注浆加固(单位：mm)

4 上层导洞和钢管柱保护措施效果分析

为分析上述措施对上层导洞和钢管柱的保护效果，建立车站三维数值计算模型，模拟盾构掘进过程，研究保护措施效果，并与现场实测结果进行对比分析。

4.1 三维计算模型

考虑边界效应影响，车站模型尺寸为x×y×z=106.2 m×60 m×59.72 m，x为沿车站横向，y为沿车站纵向，z为沿车站竖向，坐标原点位于模型左下角，计算模型如图13所示。

图13 计算模型

车站结构和周围土体均采用实体单元模拟，车站混凝土结构采用弹性本构模型，地层采用摩尔-库伦本构模型，导洞加固及超前深孔注浆加固效果采用调整地层参数方式模拟[18-20]。

盾构过站阶段，左线隧道先行，待左线掘进到达盾构接收井，再进行右线隧道掘进，因此，选取左线盾构隧道过站阶段进行分析。本次仅模拟分析盾构掘进过站对导洞和钢管柱的影响。

4.2 计算模型参数选取

地层及结构物理力学参数如表1、表2所示。

4.3 盾构下穿导洞阶段导洞支护结构变形分析

(1)导洞支护结构变形数值计算结果

以左线盾构隧道上方2个导洞为研究对象，选择模型中间y=30 m断面作为观测剖面，盾构管片每环宽度为1.2 m，即选择第25环管片位置为监测断面，将该监测断面定义为0断面，研究盾构通过期间，0断面的各个观测点沉降值变化情况。

表1 地层物理力学参数

表2 结构物理力学参数

测点编号及位置如图14所示，测点沉降曲线如图15所示(图15横坐标：0表示监测断面，-25表示盾构距离监测断面25环，25表示盾构离开监测断面25环)。

图14 导洞测点布置示意

图15 导洞各观测点位数值计算沉降曲线

计算结果表明：

①1号观测点基本不产生沉降，其他观测点在盾构机刀盘距离观测断面前10环开始，沉降开始增大，盾构刀盘离开观测断面10环后，观测点沉降趋于稳定；

②2号、3号、4号测点沉降值分别为3.28，3.55，2.78 mm，反映了盾构隧道掘进对导洞支护结构的扰动较小，表明对导洞支护结构下方土体采取的加固措施效果较好；

③5号测点最大沉降值为20.97 mm，反映了该部位地层受盾构掘进扰动较大。

(2)导洞支护结构变形监测结果

在2号、3号观测点位的导洞支护结构底板布置沉降监测点，沿导洞走向每隔5 m布置1个测点。

2号、3号观测位各监测点沉降历时曲线分别如图16、图17所示。

图16 2号观测点位各监测点沉降历时曲线

图17 3号观测点位各监测点沉降历时曲线

各测点沉降历时曲线实测结果表明：

① 各测点沉降曲线变化趋势与数值模拟结果基本一致，在盾构管片背后二次注浆后出现一定程度隆起；

② 2号、3号点位沉降实测最大值分别为5.92 mm和4.92 mm，与数值模拟结果相比稍大，主要原因在于，注浆效果的模拟不能考虑到注浆体强度在注浆初始阶段较低的特点。

4.4 钢管柱变形计算与实测结果分析

左线盾构隧道施工完成后，以中间一根钢管柱为研究对象，其数值计算水平位移云图如图18所示。

图18 钢管柱水平位移云图(单位：m)

左线盾构隧道通过阶段，沿左侧中导洞纵向，在连续5根钢管柱上布置变形监测点(第1根和第4根钢管柱测点破坏，未取得有效数据)，监测得到的水平位移如图19所示。

图19 钢管柱各监测点水平位移历时曲线

图18的计算结果表明：钢管柱最大水平位移为1.93 mm，而图19实测的钢管柱水平位移在+1.8～-1.5 mm之间摆动。总体来说，计算结果和实测结果均表明，对钢管柱采取的保护措施有效控制了盾构隧道掘进对钢管柱的扰动。

5 结论

(1)针对区间盾构隧道掘进和小营西路暗挖地铁车站施工在工程筹划上的矛盾，提出了一种车站部位盾构隧道与暗挖地铁车站同期建造的方法。先施工车站上层4个导洞，然后盾构掘进过站；在盾构过站阶段，穿插进行车站两侧边桩、中桩和钢管柱的施工；待左、右线盾构均掘进通过车站后，进行车站拱部开挖支护；最后，采用逆作法完成车站负一层二衬结构、负二层土方开挖、管片拆除以及负二层二衬结构施工。

(2)提出的暗挖地铁车站建造方法，较好地解决了地铁区间隧道和车站施工筹划的相互冲突，盾构隧道和暗挖车站施工筹划完全相互独立，互不制约，整个工程筹划以区间隧道为主线，为尽早实现“洞通”目标提供了保障。

(3)通过分析盾构掘进过站阶段对上层导洞和钢管柱的影响，提出对导洞的保护措施。在盾构穿越导洞前，在导洞内对导洞和盾构隧道之间夹土体进行注浆加固；在盾构穿越导洞阶段，对导洞拱部土体进行反复补偿注浆。为降低盾构掘进对钢管柱的影响，对钢管柱顶端采取固结措施，与导洞初支结构有效连接，以确保钢管柱两端均处于固结状态。