盾構隧道拓建地鐵車站施工力學特性分析

林 攀， 劉志春， 胡指南,*， 杜孔澤， 郄曉杰

(1.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室(石家莊鐵道大學)， 河北 石家莊 050043；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

隨著國內城市軌道交通的快速發展及城市環境的制約，普通暗挖法在地鐵車站施工中所受的局限越來越大，因此，為解決上述問題提出利用盾構區間隧道拓建地鐵車站的方案。其實前蘇聯[1]和日本[2]等國很早就開始了在盾構基礎上拓建地鐵車站的實踐，并取得了成功，如前蘇聯的圣彼得堡勇敢廣場站、圣彼得堡體育館站、十月革命站，日本的新御茶水站、高倫車站、八丁溝站等。如今其他國家也逐漸開始效仿，如伊朗Naghshe Jahan Square站、Mansour站和德國KartSuserhof站等。而我國在這方面主要停留在理論研究階段，如廣州地鐵3號線林和西路站[3]、北京地鐵三元橋站[4]和北京地鐵東四車站[5]等，工程實踐極少，因此，無論是盾構擴挖技術[6]還是施工經驗都與國外有較大的差距。本文重點研究既有盾構隧道在拓建施工過程中位移和應力變化規律，并在最后提出相應的盾構管片加固方法，可為以后利用盾構隧道擴挖車站或在盾構隧道區間內增設車站提供借鑒，也可為國內暗挖車站施工提供一種新思路。

1 工程模擬

根據我國區間盾構隧道內徑5.4 m這一實際情況，結合現階段我國車站的施工技術水平，提出在外徑6 m盾構隧道基礎上拓建三連拱車站的方案。車站總寬20 m，總高10 m，站臺寬度9.8 m，立柱寬度0.6 m，站廳設在地下站臺兩端，且站臺兩端可設輔助用房，站廳與地面之間由樓梯和自動扶梯連接，適合于規模比較小的車站。

1.1 模型建立

利用有限元軟件Midas GTS進行三維數值模擬，采用地層結構模型，車站埋深15 m，采用臺階法施工(臺階長度3 m)。土體、立柱、縱梁、盾構注漿層、車站二襯、盾構管片、盾構隧道用實體單元模型，噴射混凝土用板單元模擬，地層加固通過提高土體參數的方法模擬。模擬中將管片縱向等效為連續非均質模型[7]，如圖1所示，管片橫斷面為均質圓環，沿縱向連續，但沿縱向將管片劃分為環縫影響范圍內、外兩個部分。環縫影響范圍長度為λl，λ為環縫影響系數，根據前人結構試驗[8]和工程經驗取0.6，l為螺栓長度，取40 cm。環縫影響范圍外取管片縱向實際剛度，環縫影響范圍內取等效剛度。最后分別在模型左右邊界、前后邊界及下邊界設置法向約束，上邊界自由，模型尺寸為120 m×24 m×45 m，共232 460個單元。各材料參數如表1所示。

圖1 縱向連續非均質模型

表1 材料力學參數

1.2 拓建步驟

三維數值模型模擬了臺階法拓建車站，其步驟如圖2所示：①為修建兩側盾構隧道；②為修建兩側縱梁和立柱；③為車站拱部和盾構周圍地層加固；④為開挖上臺階并進行初期支護；⑤為開挖中臺階；⑥為開挖下臺階并進行初期支護；⑦為拆除兩側部分管片；⑧為修筑車站襯砌。

圖2 車站拓建步驟

2 數值結果分析

2.1 位移分析

車站拓建完成后的地表沉降曲線(車站縱向中間斷面)如圖3所示，基本服從正態分布，符合Peck曲線，地表沉降最大值為18.50 mm，沉降槽寬度約65 m。

圖3 地表沉降曲線

盾構底部豎向位移沿縱向分布如圖4所示，S6、S8、S10、S12、S14、S16和S18分別為第1次～第7次開挖，從圖可知前3次土體開挖(S6～S10)，盾構隧道前端底部逐漸隆起，后端則表現為逐漸沉降，但隨著土體不斷往后開挖(S12～S18)，盾構前端底部開始逐漸沉降，而后端則逐漸隆起，車站開挖完成后，盾構底部最大沉降為5.18 mm。

圖4 盾構底部豎向位移沿隧道縱向分布

管片拆除后盾構及車站主體變形如圖5所示，管片拆除后盾構豎向位移最大處出現在盾構頂部(11.2 mm)，底部位移最小(4.90 mm)；而襯砌豎向位移最大處出現在左右兩端靠近管片的部位，襯砌最大下沉量為3.51 cm，最大隆起量為3.74 cm。由數值可知，管片拆除對襯砌的影響較大，因此在拓建施工中可適當設立臨時支撐以減小襯砌變形。

圖5 盾構隧道及車站主體變形圖

2.2 應力分析

盾構隧道拉應力集中在左右兩端的外側和上下兩端的內側，且下端的拉應力為最大。對于每環管片來說，中間部分拉應力較大，接頭附近管片拉應力較小，呈現一種倒“V”字型分布，因為管片的錯縫拼接，且兩環管片為一循環，所以沿整個盾構隧道縱向又呈現出“W”型分布，如圖6所示。隨著土體開挖，左右兩端管片的拉應力區域沿環向逐漸擴大，且靠近土體開挖的一端更為明顯，但左右兩端拉應力增幅都很小，而上下兩端拉應力增幅較大。

S5為土體開挖的前一步，S6、S8、S10和S12分別為第1次～第4次土體開挖。第1次開挖后(S6)，盾構縱向0～13.5 m范圍內的最大主應力有所增長，而0～13.5 m范圍外最大主應力基本無變化；第2次開挖后(S8)，盾構縱向0～16.5 m范圍內的最大主應力有所增長，而0～16.5 m范圍外最大主應力基本無變化；第3次開挖后(S10)，盾構縱向0～19.5 m范圍內的最大主應力有所增長，而0～19.5 m范圍外最大主應力基本無變化；第4次開挖后(S12)，盾構縱向3～22.5 m范圍內的最大主應力有所增長，而3～22.5 m范圍外最大主應力基本無變化。

圖6 盾構底部最大主應力沿隧道縱向分布

從上述分析可知，土體開挖會對盾構隧道縱向一定范圍內的最大主應力產生較大影響，而對范圍外的最大主應力產生的影響較小。縱向影響范圍會隨著開挖面的前移而移動，開挖面前移多少距離，該縱向影響范圍也會前移相同距離，但它的縱向長度是固定的，為19.5 m，包含開挖面前方7環管片和開挖面后方6環管片，如圖7所示。

圖7 盾構隧道最大主應力影響范圍

盾構隧道最大、最小主應力隨施工步變化如圖8所示，盾構隧道應力增長主要集中在S3、S6、S8和S10，分別代表盾構注漿和第1次～第3次土體開挖，這說明盾構注漿和前3次土體開挖對盾構隧道應力影響較大，而后幾次土體開挖和部分管片拆除對盾構隧道應力影響相對較小。從應力數值來看，局部拉應力超過了限值，因此，在實際工程中應重點考慮管片配筋計算，合理地布置鋼筋，防止混凝土管片拉裂。

3 管片加固

在拆除部分管片時，管片在卸載后會產生移位，同時，由于混凝土管片局部拉應力超標，有拉裂風險，因此，需在盾構洞內進行一定范圍的管片加固[9]以減小管片移位變形，保證施工安全。

圖8 盾構最大、最小主應力隨施工步變化

3.1 縱向加固

管片縱向加固采用20a工字鋼，采用M20膨脹螺栓將工字鋼固定在管片上，螺栓采用雙排平行布置，如圖9所示。工字鋼長9 m，截面高度20 cm，寬度10 cm，腹板厚度7 mm，每根工字鋼連接6環管片，縱向采用焊接連成一個整體。

圖9 膨脹螺栓布置(單位：cm)

3.2 環向加固

管片環向加固采用18#工字鋼，工字鋼截面高度18 cm，寬度9.4 cm，腹板厚度6.5 mm，每環管片兩榀，均勻布置。工字鋼加工成環形，兩端焊接鋼板，與縱向20a工字鋼之間采用焊接或螺栓連接，管片加固示意如圖10所示。

圖10 工字鋼布置(H-H剖面)(單位：cm)

4 結論

(1)利用雙線盾構區間隧道拓建地鐵車站的方案是切實可行的，地表沉降也滿足要求，在無法明挖或普通暗挖法受限的情況下可考慮這種方案，且國內地鐵盾構隧道直徑普遍為6 m，因此該拓建形式有較大的推廣價值。

(2)盾構隧道最大主應力沿縱向呈“W”型分布，且土體開挖對隧道縱向一定范圍內的最大主應力影響較大，而對范圍外最大主應力影響較小。該影響范圍會隨著開挖面的前移而移動，但其縱向長度是固定的，為19.5 m，包含開挖面前方7環管片和開挖面后方6環管片。因此，在施工中應合理確定開挖步距，同時在開挖時對影響范圍內的部分進行重點監測，以確保拓建施工安全。

(3)前3次土體開挖對盾構隧道應力影響較大，而后幾次土體開挖和部分管片拆除對盾構隧道應力影響相對較小，其中管片局部拉應力超過了限值，因此在實際工程中應重點考慮管片內的配筋計算，合理地布置鋼筋，防止混凝土管片拉裂。

(4)由于拓建施工中管片有拉裂風險，因此，需在洞內進行一定范圍的管片加固，縱向加固可采用20a工字鋼，并用膨脹螺栓將之固定在管片上；環向加固可采用18#工字鋼，加工成環形，每環管片兩榀，均勻布置，且工字鋼兩端焊接鋼板，與縱向20a工字鋼之間采用焊接或螺栓連接。