盾構(gòu)隧道拓建地鐵車站施工力學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石家莊鐵道大學(xué))， 河北 石家莊 050043；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

隨著國內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展及城市環(huán)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(gòu)區(qū)間隧道拓建地鐵車站的方案。其實(shí)前蘇聯(lián)[1]和日本[2]等國很早就開始了在盾構(gòu)基礎(chǔ)上拓建地鐵車站的實(shí)踐，并取得了成功，如前蘇聯(lián)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(hào)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(shí)踐極少，因此，無論是盾構(gòu)擴(kuò)挖技術(shù)[6]還是施工經(jīng)驗(yàn)都與國外有較大的差距。本文重點(diǎn)研究既有盾構(gòu)隧道在拓建施工過程中位移和應(yīng)力變化規(guī)律，并在最后提出相應(yīng)的盾構(gòu)管片加固方法，可為以后利用盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖車站或在盾構(gòu)隧道區(qū)間內(nèi)增設(shè)車站提供借鑒，也可為國內(nèi)暗挖車站施工提供一種新思路。

1 工程模擬

根據(jù)我國區(qū)間盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m這一實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)階段我國車站的施工技術(shù)水平，提出在外徑6 m盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上拓建三連拱車站的方案。車站總寬20 m，總高10 m，站臺(tái)寬度9.8 m，立柱寬度0.6 m，站廳設(shè)在地下站臺(tái)兩端，且站臺(tái)兩端可設(shè)輔助用房，站廳與地面之間由樓梯和自動(dòng)扶梯連接，適合于規(guī)模比較小的車站。

1.1 模型建立

利用有限元軟件Midas GTS進(jìn)行三維數(shù)值模擬，采用地層結(jié)構(gòu)模型，車站埋深15 m，采用臺(tái)階法施工(臺(tái)階長度3 m)。土體、立柱、縱梁、盾構(gòu)注漿層、車站二襯、盾構(gòu)管片、盾構(gòu)隧道用實(shí)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(shù)的方法模擬。模擬中將管片縱向等效為連續(xù)非均質(zhì)模型[7]，如圖1所示，管片橫斷面為均質(zhì)圓環(huán)，沿縱向連續(xù)，但沿縱向?qū)⒐芷瑒澐譃榄h(huán)縫影響范圍內(nèi)、外兩個(gè)部分。環(huán)縫影響范圍長度為λl，λ為環(huán)縫影響系數(shù)，根據(jù)前人結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[8]和工程經(jīng)驗(yàn)取0.6，l為螺栓長度，取40 cm。環(huán)縫影響范圍外取管片縱向?qū)嶋H剛度，環(huán)縫影響范圍內(nèi)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(shè)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(gè)單元。各材料參數(shù)如表1所示。

圖1 縱向連續(xù)非均質(zhì)模型

表1 材料力學(xué)參數(shù)

1.2 拓建步驟

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

圖2 車站拓建步驟

2 數(shù)值結(jié)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(tài)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(gòu)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(gòu)隧道前端底部逐漸隆起，后端則表現(xiàn)為逐漸沉降，但隨著土體不斷往后開挖(S12～S18)，盾構(gòu)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(gòu)底部最大沉降為5.18 mm。

圖4 盾構(gòu)底部豎向位移沿隧道縱向分布

管片拆除后盾構(gòu)及車站主體變形如圖5所示，管片拆除后盾構(gòu)豎向位移最大處出現(xiàn)在盾構(gòu)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(xiàn)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(shù)值可知，管片拆除對(duì)襯砌的影響較大，因此在拓建施工中可適當(dāng)設(shè)立臨時(shí)支撐以減小襯砌變形。

圖5 盾構(gòu)隧道及車站主體變形圖

2.2 應(yīng)力分析

盾構(gòu)隧道拉應(yīng)力集中在左右兩端的外側(cè)和上下兩端的內(nèi)側(cè)，且下端的拉應(yīng)力為最大。對(duì)于每環(huán)管片來說，中間部分拉應(yīng)力較大，接頭附近管片拉應(yīng)力較小，呈現(xiàn)一種倒“V”字型分布，因?yàn)楣芷腻e(cuò)縫拼接，且兩環(huán)管片為一循環(huán)，所以沿整個(gè)盾構(gòu)隧道縱向又呈現(xiàn)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(yīng)力區(qū)域沿環(huán)向逐漸擴(kuò)大，且靠近土體開挖的一端更為明顯，但左右兩端拉應(yīng)力增幅都很小，而上下兩端拉應(yīng)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(gòu)縱向0～13.5 m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力有所增長，而0～13.5 m范圍外最大主應(yīng)力基本無變化；第2次開挖后(S8)，盾構(gòu)縱向0～16.5 m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力有所增長，而0～16.5 m范圍外最大主應(yīng)力基本無變化；第3次開挖后(S10)，盾構(gòu)縱向0～19.5 m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力有所增長，而0～19.5 m范圍外最大主應(yīng)力基本無變化；第4次開挖后(S12)，盾構(gòu)縱向3～22.5 m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力有所增長，而3～22.5 m范圍外最大主應(yīng)力基本無變化。

圖6 盾構(gòu)底部最大主應(yīng)力沿隧道縱向分布

從上述分析可知，土體開挖會(huì)對(duì)盾構(gòu)隧道縱向一定范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，而對(duì)范圍外的最大主應(yīng)力產(chǎn)生的影響較小。縱向影響范圍會(huì)隨著開挖面的前移而移動(dòng)，開挖面前移多少距離，該縱向影響范圍也會(huì)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(huán)管片和開挖面后方6環(huán)管片，如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)隧道最大主應(yīng)力影響范圍

盾構(gòu)隧道最大、最小主應(yīng)力隨施工步變化如圖8所示，盾構(gòu)隧道應(yīng)力增長主要集中在S3、S6、S8和S10，分別代表盾構(gòu)注漿和第1次～第3次土體開挖，這說明盾構(gòu)注漿和前3次土體開挖對(duì)盾構(gòu)隧道應(yīng)力影響較大，而后幾次土體開挖和部分管片拆除對(duì)盾構(gòu)隧道應(yīng)力影響相對(duì)較小。從應(yīng)力數(shù)值來看，局部拉應(yīng)力超過了限值，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)考慮管片配筋計(jì)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(shí)，管片在卸載后會(huì)產(chǎn)生移位，同時(shí)，由于混凝土管片局部拉應(yīng)力超標(biāo)，有拉裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，需在盾構(gòu)洞內(nèi)進(jìn)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(gòu)最大、最小主應(yīng)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(huán)管片，縱向采用焊接連成一個(gè)整體。

圖9 膨脹螺栓布置(單位：cm)

3.2 環(huán)向加固

管片環(huán)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(huán)管片兩榀，均勻布置。工字鋼加工成環(huán)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(jié)論

(1)利用雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道拓建地鐵車站的方案是切實(shí)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(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道直徑普遍為6 m，因此該拓建形式有較大的推廣價(jià)值。

(2)盾構(gòu)隧道最大主應(yīng)力沿縱向呈“W”型分布，且土體開挖對(duì)隧道縱向一定范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力影響較大，而對(duì)范圍外最大主應(yīng)力影響較小。該影響范圍會(huì)隨著開挖面的前移而移動(dòng)，但其縱向長度是固定的，為19.5 m，包含開挖面前方7環(huán)管片和開挖面后方6環(huán)管片。因此，在施工中應(yīng)合理確定開挖步距，同時(shí)在開挖時(shí)對(duì)影響范圍內(nèi)的部分進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，以確保拓建施工安全。

(3)前3次土體開挖對(duì)盾構(gòu)隧道應(yīng)力影響較大，而后幾次土體開挖和部分管片拆除對(duì)盾構(gòu)隧道應(yīng)力影響相對(duì)較小，其中管片局部拉應(yīng)力超過了限值，因此在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)考慮管片內(nèi)的配筋計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，因此，需在洞內(nèi)進(jìn)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(huán)向加固可采用18#工字鋼，加工成環(huán)形，每環(huán)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。