盾構(gòu)隧道擴挖修建地鐵車站站臺隧道技術研究

姜久純

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

盾構(gòu)法以其掘進速度快，安全可靠，施工質(zhì)量控制好等優(yōu)點，使其成為地鐵隧道建設中采用最多的施工方法。而為了使盾構(gòu)機能夠達到其最大的工作效率，得到更大的經(jīng)濟效益，在工程籌劃的設計過程中，往往通過盾構(gòu)過站的方式，使盾構(gòu)機能夠長距離掘進，發(fā)揮其最大效能［1-4，9］。但在實際工程實施過程中，由于拆遷、征地等各種因素的控制，車站土建工程建設進度緩慢，使得盾構(gòu)機到達車站時，車站尚無法提供盾構(gòu)機的過站條件。若等待車站提供過站條件之后，再進行盾構(gòu)掘進，盾構(gòu)需停機在隧道內(nèi)，盾構(gòu)設備長時間的停機將會帶來較大的工程風險和設備風險，首先是工程風險，由于長時間停機，盾構(gòu)機主機范圍由于無法進行注漿回填，上方圍巖將會松動下沉造成地表沉降和盾構(gòu)機的抱死，同時由于長期的停滯，宜造成刀盤上方和前方的圍巖松動，造成沉降。其次盾構(gòu)機設備長期停滯處于有壓水體的高濕環(huán)境下，極易造成盾構(gòu)機密封的失效，刀體以及盾體等機構(gòu)的銹蝕，尤其是電器設備以及控制系統(tǒng)的故障，為再次恢復掘進帶來困難［5－8］。

在國外，為解決上述問題，在日本和前蘇聯(lián)地鐵建設中，曾采用在盾構(gòu)隧道基礎上進行擴挖修筑地鐵車站的方法。而在國內(nèi)，只停留在研究階段，并未得到實際應用［10］。

以廣州地鐵6號線東山口站工程為依托，提出采用盾構(gòu)先行掘進通過車站，后期對盾構(gòu)隧道采用鉆爆法進行擴挖而形成站臺隧道的工法，解決了盾構(gòu)與車站之間的工期、工序沖突。通過數(shù)值模擬、實體模型試驗與現(xiàn)場監(jiān)測，對該工法的合理性及該工法對地表及周邊環(huán)境影響程度進行研究，提出了合理的擴挖步驟與結(jié)構(gòu)支護參數(shù)。

1 工程概況

廣州市軌道交通6號線東山口站位于中山一路與署前路交叉路口，車站采用明挖與暗挖施工方法施工。車站左線暗挖站臺隧道總長91 m。暗挖隧道拱頂距地面18.800～19.845 m。車站周邊建筑物較多，其中二輕工業(yè)集團6層綜合樓位于左線站臺隧道上部，隧道與樓樁底凈距為7.1～9.5 m。車站左線站臺隧道原設計為礦山法隧道。由于受到車站工期限制，左線區(qū)間盾構(gòu)機到達車站端頭時，無法空推過站。采取掘進過站的方式，后期對左線盾構(gòu)隧道采用鉆爆法擴挖形成車站站臺隧道。

地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，基巖風化裂隙水。地下水涌水量不大，由于基巖裂隙發(fā)育不均勻，局部地段裂隙發(fā)育。隧道在裂隙較發(fā)育地段，可能有股狀地下水涌出，在裂隙不發(fā)育地段，僅有滲水現(xiàn)象。車站平面見圖1。

圖1 車站平面示意

2 結(jié)構(gòu)設計及施工工序

2.1 結(jié)構(gòu)設計

由于二輕綜合樓位于隧道上方，隧道施工過程中必會對其造成一定影響，所以工法和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇應以保證二輕工業(yè)集團6層綜合樓安全為前提。東山口站左線擴挖站臺隧道采用復合式襯砌，為減小由于隧道上方地層水的流失和隧道開挖時土體松弛引起的地層下沉，減小擴挖施工時對地層的二次擾動，擴挖隧道采用大管棚+小導管注漿超前支護措施，同時加強初期支護噴層厚度等支護參數(shù)。根據(jù)工程類比法和結(jié)構(gòu)計算，設計支護參數(shù)如表1所示。

表1 支護參數(shù)

2.2 施工措施

由于受車站限制，左線盾構(gòu)無法空推過站。為保證盾構(gòu)工期及避免盾構(gòu)停留在隧道內(nèi)造成的損失，只能采取盾構(gòu)先掘進過站。在盾構(gòu)掘進前，先進行礦山法隧道超前大管棚的施工，盾構(gòu)掘進通過后，再采用鉆爆法進行擴挖。施工步驟依次為:①盾構(gòu)環(huán)上部上臺階開挖支護;②隧道中臺階開挖支護;③拆除上部管片;④拆除下部管片;⑤隧道下臺階開挖支護;⑥隧道仰拱開挖支護。擴挖步驟示意見圖2。

圖2 擴挖步驟示意

擴挖爆破施工采用控制爆破措施，減小爆破振動對上部建筑的影響，同時應對爆破后管片的情況進行檢查，防止管片由于爆破出現(xiàn)較大破壞而引起管片坍塌，影響人員安全。尤其是上臺階和中臺階開挖時，相對風險較高。上臺階和中臺階鋼架腳部均設置鎖腳錨桿，中臺階腳部采用擴大拱腳，以減小開挖時隧道支護下沉，減小上方地層應力損失。

在管片拆除施工中，最難拆除的就是第一環(huán)，由于盾構(gòu)管片之間的擠壓力很大，需要采用機械破拆。為方便施工，在管片中利用渣土堆出施工平臺，一是加強管片穩(wěn)定，二是方便施工人員拆除螺栓。通過現(xiàn)場實踐，證明采用回填渣土作為施工平臺不但能保證施工安全和進度，而且投入小、無損耗、施工效率高。

3 有限元仿真計算分析

3.1 計算模型

根據(jù)施工情況說明和地質(zhì)資料，采用FLAC3D建立三維模型。在模擬計算中，初期支護采用shell單元模擬，錨桿單元采用FLAC3D中Cable單元。對二輕綜合樓的荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)估算，地表建筑作用在基礎上的作用力簡化為均布荷載1460 kPa，通過基礎傳遞給地基。采用增大地層物理參數(shù)的方式模擬大管棚和小導管的支護作用。計算模型見圖3。

圖3 FLAC3D模型

本次模擬只針對左線施工，開挖步驟如圖2所示。在盾構(gòu)掘進過程中每一步掘進1.4 m，在擴挖施工過程中，每步擴挖0.7 m。

3.2 計算結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬計算，對地表沉降的三維圖像進行輸出，如圖4、圖5所示。

造模過程中小鼠死亡5只。21周后觀察光鏡胸主動脈。正常組無斑塊形成，主動脈管壁分層清楚，內(nèi)膜平整光滑，內(nèi)皮細胞排列整齊，平滑肌細胞走形良好。模型組動脈內(nèi)膜明顯增厚，大量斑塊形成，血管腔明顯減小，表明造模成功。各藥物干預組亦內(nèi)膜均有不同程度增厚，伴有粥樣斑塊形成，但斑塊病變減輕，斑塊面積變小，泡沫細胞減少，見圖1。

由圖中可以看出，盾構(gòu)掘進后，地表最大下沉4.1 mm;擴挖完成后，地表最大下沉9.1 mm。隧道施工過程中，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兩邊逐漸減小，兩側(cè)距離隧道中心約20 m處，地表沉降小于1 mm。

圖4 盾構(gòu)掘進后地表沉降結(jié)果三維圖

圖5 擴挖后地表沉降結(jié)果三維圖

根據(jù)工程類比及規(guī)范規(guī)定要求，為保證地表建(構(gòu))筑物安全，地鐵隧道施工過程中，地表及建筑物沉降一般情況下控制在下沉量30 mm及隆起量10 mm以內(nèi)。從數(shù)值模擬結(jié)果來看，本文提出的工法是可行的，可以保證在盾構(gòu)掘進及盾構(gòu)擴挖施工期間，地表及二輕綜合樓的沉降值控制在規(guī)范要求以內(nèi)。

4 實體模型試驗

為更好的研究該工法實施過程中對周邊環(huán)境的影響程度，驗證數(shù)值模擬計算的準確性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，建立了實體模型進行施工階段的模擬。

4.1 實體模型

本次模型試驗采用大幾何比例尺模型進行試驗，以幾何相似比和容重相似比為基礎相似比，實現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)滿足各物理力學參數(shù)的全相似性。幾何相似比取為40，試驗原型范圍所對應的模型尺寸為:長×寬×高=2.4 m×1 m×1.2 m。

根據(jù)確定的隧道支護方案，實體模型模擬過程中，對擴挖隧道超前支護也做了相應的模擬。大管棚小導管超前預注漿加固地層的范圍是:擴挖輪廓線拱頂上方高度為12 cm、寬度為左線隧道圓心處150°范圍輪廓線以內(nèi)均為12 cm左右范圍內(nèi)的地層。

在實體模型內(nèi)埋設位移計，以監(jiān)測模擬施工過程地層變形特征。實體模型實驗見圖6。

圖6 實體模型現(xiàn)場

根據(jù)地勘報告資料和《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)中對不同圍巖的物理參數(shù)取值范圍，結(jié)合模型試驗的特性，以偏低數(shù)據(jù)進行取值。各材料原型和模型的理論力學參數(shù)見表2。

表2 計算圍巖的物理力學參數(shù)

4.2 實體模型模擬過程沉降監(jiān)測結(jié)果與分析

通過實體模型試驗中，隨著模擬施工步驟的進行，對模型地表變形進行實時監(jiān)測，得出地表沉降曲線，見圖7。

圖7 地表監(jiān)測點沉降曲線

地表沉降曲線圖7顯示，地表監(jiān)測點的沉降曲線在第0～300 min內(nèi)(盾構(gòu)施工階段)，由于對拱頂周圍地層施加大管棚超前支護加固圍巖裂隙，使得周圍地層得到較好的改良，進而使地表沉降得到較好的控制，最大沉降值為－0.25 mm，根據(jù)模型比例1∶40計算，相當于施工現(xiàn)場實際沉降值10 mm。

在擴挖階段第300～1 000 min(擴挖施工階段)，地表沉降隨著開挖而進一步加大，1 000 min以后地表變形趨于穩(wěn)定。地表最大沉降點為－0.47 mm，根據(jù)模型比例1∶40計算，相當于施工現(xiàn)場實際沉降值18.8 mm。

從以上結(jié)果可以看出:

(1)盾構(gòu)掘進階段和擴挖階段，地表變形速率較大，施工完成后變形趨于穩(wěn)定;

(2)在盾構(gòu)掘進階段與擴挖施工階段銜接附近出現(xiàn)拐點，也反映出兩階段的沉降速率不同，引起的地層損失不同。

5 施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

為實現(xiàn)信息化施工，在現(xiàn)場施工過程中，對地表變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖8 現(xiàn)場地表監(jiān)測沉降曲線

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果看，盾構(gòu)施工70 d后，完成車站范圍內(nèi)的掘進施工，此時，盾構(gòu)施工引起的地表沉降在4.48～7.98 mm。盾構(gòu)掘進完成后，開始進行擴挖施工，擴挖施工約110 d，引起的地表沉降在11.46～18.06 mm。變形值均滿足規(guī)范規(guī)定要求，保證了隧道周邊環(huán)境的安全。

由圖8可以看出，在盾構(gòu)掘進到達監(jiān)測點前，由于盾構(gòu)推力對前方土體擠壓，造成地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。隨著盾構(gòu)的掘進，地表變形由隆起逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠６軜?gòu)施工完成進行擴挖施工時，地表沉降值進一步增加。在盾構(gòu)掘進與擴挖階段轉(zhuǎn)換點，沉降曲線出現(xiàn)拐點，這說明兩種工法引起的地層損失不同。

6 結(jié)論

(1)有限元分析計算結(jié)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單側(cè)寬度約為隧道1倍埋深。且盾構(gòu)掘進階段和隧道擴挖階段的地表變形都控制在30 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，可保證周邊環(huán)境安全。有限元分析計算地表沉降量最大約9.1 mm，與實體模型結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相差較大，原因是理論計算模型較為理想。實體模型試驗中，通過對模擬施工過程中地表變形的監(jiān)測，結(jié)果顯示，實體模型試驗中地表變形與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為一致，最大變形約18 mm。

(2)經(jīng)過實踐，采用回填渣土作為拆除管片的施工平臺有諸多優(yōu)點，包括投入小、效率高、無損耗、安全等。在實際施工中，由于管片采用錯縫拼裝，管片拆除難度較大，建議以后類似工程中，可采用通縫拼裝的方式，減小管片拆除難度。

(3)在盾構(gòu)擴挖施工中，擴挖進尺不宜過大，不超過2榀格柵間距，并隨時觀察開挖面滲漏水情況，若滲漏水較為嚴重，則考慮采用帷幕注漿的方式進行注漿止水，防止地下水流失嚴重造成地表沉降過大，威脅周邊建筑物安全。

(4)盾構(gòu)隧道擴挖一般情況下適用于地鐵暗挖車站，因此為保證擴挖施工安全，此工法一般適宜于黏性土層、巖層等相對較好的地層。若地層條件較差，需進行地層加固后方可進行擴挖施工。此種工法適宜于受征地拆遷、場地限制、工期等限制因素，無法按期提供盾構(gòu)過站條件的暗挖車站。

(5)盾構(gòu)先行掘進過站，后期進行鉆爆法擴挖形成車站站臺隧道的工法解決了盾構(gòu)過站與車站建設過程中的矛盾，有效地保護了周邊環(huán)境，保證了盾構(gòu)掘進的工期，為以后地鐵工程建設提供了有益的借鑒。

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