雙線盾構(gòu)擴(kuò)建地鐵車站的插管凍結(jié)法及施工力學(xué)特性研究

胡指南，孟祥飛, 2，劉志春, *，林 攀，王煦霖

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；2.新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

盾構(gòu)法以其安全高效、對(duì)環(huán)境影響小、綜合造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)成為地鐵區(qū)間隧道施工的首選方法[1]。但因盾構(gòu)區(qū)間與車站在施工速度與組織上的矛盾導(dǎo)致盾構(gòu)施工區(qū)間劃分過(guò)短、盾構(gòu)區(qū)間等待時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，致使盾構(gòu)設(shè)備利用率降低，嚴(yán)重制約了盾構(gòu)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮[2]。在盾構(gòu)區(qū)間隧道的基礎(chǔ)上，以暗挖方法擴(kuò)挖車站則成為解決上述矛盾的有效方法。另外，對(duì)于車站拆遷困難必須“甩站”通過(guò)時(shí)，“先盾后站”也是一種有效的解決途徑[3]。

“先盾后站”即在盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上，通過(guò)明挖或暗挖方法擴(kuò)建形成車站的施工方法[4]。該方法在前蘇聯(lián)及日本應(yīng)用的實(shí)例較多，如采用“半盾構(gòu)”擴(kuò)建的蘇聯(lián)馬雅克夫斯基站、巴維列茨克站和莫斯科站[5]，日本的樂街站、半藏門站、馬險(xiǎn)町站和永田街站等[6]；采用礦山法擴(kuò)建的蘇聯(lián)圣彼得堡站、日本高侖站[7-8]。目前，我國(guó)在盾構(gòu)先行擴(kuò)建車站上已進(jìn)行了一些有益嘗試，但實(shí)際應(yīng)用仍較少，在雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖車站的實(shí)例則更少。這些嘗試包括：北京地鐵14號(hào)線將臺(tái)站和高家園站采用PBA法在大盾構(gòu)的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖車站[9-11]、北京地鐵6號(hào)線在盾構(gòu)區(qū)間的基礎(chǔ)上以CRD法擴(kuò)挖車站[12]、重慶市軌道交通6號(hào)線一期工程紅土地站以“先拱后墻法”TBM先行過(guò)站后擴(kuò)挖車站[13]；以城市人防洞室擴(kuò)挖地鐵車站的廣州地鐵6號(hào)線、重慶軌道交通1號(hào)線[14-15]；采用盾構(gòu)+明挖法擴(kuò)建車站的北京地鐵10號(hào)線三元橋站、5號(hào)線北新橋站，蘭州地鐵1號(hào)線省政府站等[16]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)挖車站已開展了一些相應(yīng)研究。李圍等[17]以廣州地鐵3號(hào)線林和西路站為研究對(duì)象，采用模型試驗(yàn)方法對(duì)擴(kuò)挖區(qū)間盾構(gòu)隧道建成兩連拱隧道地鐵車站的施工力學(xué)特性進(jìn)行了分析；安軍海等[18]基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，對(duì)可液化場(chǎng)地下盾構(gòu)擴(kuò)挖地鐵車站結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)制進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[19]以伊朗那格什賈漢廣場(chǎng)平行盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)挖地鐵車站工程為依托，采用有限差分法，對(duì)分部開挖法與大直徑彎管棚頂法，地層與地表變形控制的有效性進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[20]以沙特利雅得地鐵5號(hào)線為背景，提出了明挖“先盾后站”擴(kuò)建地鐵車站過(guò)程中保持TBM隧道穩(wěn)定的措施；文獻(xiàn)[21]分析了伊朗大不里士地鐵1號(hào)線曼蘇爾站修建中所采用的混凝土拱預(yù)支撐系統(tǒng)(CAPS)，以及TBM掘進(jìn)過(guò)站施工技術(shù)的可行性。然而，針對(duì)軟土地層雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)建地鐵車站的施工方法及力學(xué)特性研究則相對(duì)較少。

本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外“先盾后站”技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出軟土地層雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)建地鐵車站的插管凍結(jié)法。對(duì)該技術(shù)的施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)、適用條件、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與缺陷等進(jìn)行詳細(xì)論述。繼而，依托杭州地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道，采用三維有限元模型，基于等效剛度法以殼單元模擬插管支護(hù)作用，通過(guò)剛度弱化模擬管片環(huán)向接縫，對(duì)該技術(shù)施工過(guò)程中新建結(jié)構(gòu)、既有結(jié)構(gòu)及地層的受力、變形特性進(jìn)行分析；并有針對(duì)性地提出相應(yīng)的管片加固與接頭防水措施，綜合論述該施工技術(shù)的可行性。

1 擴(kuò)建技術(shù)

1.1 工藝流程

雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)建地鐵車站的插管凍結(jié)法是在既有平行盾構(gòu)區(qū)間隧道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行插管(凍結(jié)管)凍結(jié)形成臨時(shí)支撐，在盾構(gòu)內(nèi)設(shè)置托梁與立柱，以復(fù)合式襯砌作為站廳受力與防水體系，最后在凍結(jié)管內(nèi)注入混凝土，形成永久性支護(hù)的方法。

盾構(gòu)擴(kuò)建車站施工如圖1所示。插管凍結(jié)法施工工序主要包括4步：1)定向頂進(jìn)，在雙線盾構(gòu)管片上分別進(jìn)行開口，而后進(jìn)行反力架和導(dǎo)向架的架設(shè)，進(jìn)而通過(guò)帶導(dǎo)向的頂推系統(tǒng)，將帶有刃角的空心雙層凍結(jié)管頂推至預(yù)定位置(凍結(jié)管由多節(jié)組成，內(nèi)部帶有鋼肋)；2)進(jìn)行托梁和立柱的施工，同時(shí)對(duì)土體進(jìn)行凍結(jié)；3)待地層強(qiáng)度達(dá)到要求后，采用臺(tái)階法開挖并進(jìn)行初期支護(hù)，開挖完成后施作防水板和車站二次襯砌，待結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到要求后，分層拆除管片；4)施作車站站臺(tái)，施工完畢。施工作業(yè)面有2種選擇，一種是通過(guò)盾構(gòu)管片破除后由側(cè)向進(jìn)入，進(jìn)而進(jìn)行開挖，渣土通過(guò)軌道排出；另一種是在車站端頭施作豎井，由縱向進(jìn)行開挖，可結(jié)合盾構(gòu)尺寸、施工機(jī)具和地表?xiàng)l件綜合確定。車站站廳部分土體開挖前，通過(guò)已拆除管片位置在兩側(cè)進(jìn)行洞內(nèi)井點(diǎn)降水，通過(guò)盾構(gòu)隧道排出。由于凍結(jié)圍護(hù)有較好的止水效果，可以保證在較為干燥的狀態(tài)下進(jìn)行車站站廳土體開挖。

圖1 盾構(gòu)擴(kuò)建車站施工圖

插管凍結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。管片開孔直徑為28.5～42.5 cm，間距150 cm，位于管片縱向中間位置。冷媒進(jìn)回管為長(zhǎng)0.7～1.0 m的無(wú)縫鋼管節(jié)，冷媒進(jìn)路鋼管直徑小于管片開孔孔徑0.5 cm，冷媒回路鋼管直徑為28～42 cm，凍結(jié)管厚度為1 cm，冷媒進(jìn)管、回管之間由厚1 cm的加勁肋支撐。凍結(jié)壁厚度為2.0 m，凍結(jié)壁平均溫度為-10 ℃，最低鹽水溫度為-28～-30 ℃，凍結(jié)土單軸抗壓強(qiáng)度不低于3.5 MPa[22-23]。盾構(gòu)內(nèi)縱向總冷媒管外壁附有0.5 cm厚的絕熱涂層。反力架由型鋼焊接或栓接而成，反力支座為三角形鋼墊塊，與反力架焊接。

圖2 插管凍結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車站立柱為60～70 cm的矩形鋼筋混凝土立柱，立柱頂部和底部均為梯形鋼筋混凝土托梁。中洞土體開挖完成后，首先沿車站頂、底部開挖面鋪設(shè)3～5 mm厚的土工布?jí)|層和2～4 mm厚的EVA防水板；然后，施作車站模筑襯砌，襯砌厚度35～40 cm；最后，施作車站站廳底板。凍結(jié)管混凝土注漿在車站襯砌施工結(jié)束后進(jìn)行，形成永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)。擴(kuò)建完成后車站結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 擴(kuò)建完成車站結(jié)構(gòu)圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

本施工技術(shù)包括“頂、支、拆”3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。首先，采用了洞內(nèi)插管工藝，通過(guò)導(dǎo)向架與帶刃角的雙層空心凍結(jié)管，確保精確頂推與對(duì)接；其次，采用永臨結(jié)合的支護(hù)方式，插管在施工初期作為冷媒管進(jìn)行地層加固，在二次襯砌施工結(jié)束后，在凍結(jié)管內(nèi)注漿形成鋼管混凝土，成為永久性結(jié)構(gòu)的一部分；最后，在拆除管片時(shí)，凍結(jié)支護(hù)與托梁、立柱共同承載，分層拆除避免安全事故。

2 擴(kuò)建施工數(shù)值模型分析

2.1 模型及參數(shù)建立

本文以杭州地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道實(shí)際工程為依托。區(qū)間主體雙線盾構(gòu)呈東西走向敷設(shè)，區(qū)間全長(zhǎng)503.4 m，埋深為7.8～9.7 m，先行線與后行線之間的軸線距離為12 m。采用鋼筋混凝土式盾構(gòu)管片，錯(cuò)縫拼接，管片內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，環(huán)寬1.2 m，厚0.35 m。盾構(gòu)主要穿越軟弱地層，具有強(qiáng)度低、滲透性差、壓縮性高等特點(diǎn)。主要地層參數(shù)如表1所示。

表1 主要地層參數(shù)[24-25]

采用Midas GTS模擬雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道擴(kuò)建地鐵車站，構(gòu)建三維地層結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。地層、管片、凍結(jié)體及二次襯砌等采用實(shí)體單元，插管及中間土體采用殼單元，凍結(jié)壁采用加固圈的方式進(jìn)行模擬。凍結(jié)管雙層套管外管直徑40 cm，內(nèi)管直徑14 cm，壁厚1 cm。

(a)整體模型

管片縱向以連續(xù)非均質(zhì)模型進(jìn)行模擬，管片為均質(zhì)圓環(huán)，縱向連續(xù)，管片剛度按實(shí)際取值，在環(huán)縫位置，按環(huán)縫影響范圍對(duì)其剛度進(jìn)行弱化；環(huán)縫影響長(zhǎng)度為λl，λ為環(huán)縫影響系數(shù)(根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)取0.6)，l為螺栓長(zhǎng)度(取40 cm)[26]。插管截面見圖5。

圖5 插管截面圖

按照等效剛度計(jì)算初期支護(hù)彈性模量。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：E管為等效換算后插管的彈性模量；A1為冷媒進(jìn)管路截面面積；A2為冷媒出管路截面面積；A3為加勁肋截面面積；Es為壓縮模量；A管為等效鋼管面積；E0為模型所采取的彈性模量；A土為土體面積，A土=2rL-πr2；E土為凍結(jié)土體彈性模量，取300 MPa[27-28]。

數(shù)值模型材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模型材料力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬的施工步驟如圖6所示。①為修建兩側(cè)盾構(gòu)隧道(施工步1—3)；②為修建兩側(cè)托梁和立柱(施工步4)；③插管施工及地層凍結(jié)加固(施工步5)；④、⑤、⑥為臺(tái)階法開挖并進(jìn)行初期支護(hù)(施工步6—23)，中洞采用臺(tái)階法施工，分為上臺(tái)階、下臺(tái)階及仰拱，開挖循環(huán)進(jìn)尺為3 m，每循環(huán)3步，縱向開挖7個(gè)循環(huán)進(jìn)尺；⑦為修筑車站模筑襯砌(施工步24)；⑧為拆除兩側(cè)部分管片(施工步25)。

圖6 施工步驟圖

2.2 地表沉降特性

擴(kuò)建車站施工引起的地表沉降如圖7所示。盾構(gòu)隧道施工引起的沉降符合Peck曲線，車站中心上部地表沉降最大，沉降槽影響范圍左右各32.5 m。盾構(gòu)隧道地表沉降最大值為23.5 mm，擴(kuò)建施工引起的沉降增量較盾構(gòu)施工沉降略小，最大值為19 mm。

圖7 地表沉降曲線

擴(kuò)建施工過(guò)程豎向位移云圖見圖8。相比插管、中洞拱頂和仰拱，既有盾構(gòu)變形水平較低(最大變形值約為6 mm)；而中洞插管、開挖過(guò)程中均表現(xiàn)為拱頂下沉和仰拱隆起。扣除模型端部影響，中洞插管施工時(shí)，中洞拱頂?shù)淖畲蟪两底冃沃禐?9 mm，仰拱的最大隆起變形值為34 mm；中洞開挖時(shí)，中洞拱頂?shù)淖畲蟪两底冃沃禐?2 mm，仰拱的最大隆起變形值為31 mm。開口破除工序?qū)χ卸垂绊敽脱龉暗淖冃斡绊懖淮螅瑸?～3 mm。

(a)托梁和立柱施作

2.3 管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

由于盾構(gòu)及擴(kuò)建車站為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取右側(cè)未破除部分管片作為研究對(duì)象，分析擴(kuò)建施工對(duì)既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)變形的影響，盾構(gòu)的豎向位移沿隧道縱向分布見圖9。右側(cè)既有盾構(gòu)管片的拱頂沉降最大，而后依次為左上、左下、右側(cè)及仰拱。盾構(gòu)既有結(jié)構(gòu)各點(diǎn)位移分布規(guī)律基本相同，隨著擴(kuò)建施工的推進(jìn)，其沉降曲線特征大致呈3個(gè)階段。第1階段為立柱施工至插管凍結(jié)，最大沉降為3.2 mm，該階段的沉降速率最大；第2階段在凍結(jié)完成后，隨著中洞臺(tái)階法開挖循環(huán)進(jìn)尺的開展，拱頂沉降逐步增長(zhǎng)至10.4 mm；第3階段為管片拆除，沉降略有減小，拱頂沉降值為9.8 mm。軌道所處位置為仰拱之上，其沉降值可參考仰拱沉降，最大值為5.1 mm。

圖9 盾構(gòu)的豎向位移沿隧道縱向分布

2.4 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

擴(kuò)建施工過(guò)程的管片最大主應(yīng)力云圖見圖10。主應(yīng)力主要集中于管片頂部和底部的內(nèi)側(cè)。最大主應(yīng)力值約為2.6 MPa，有開裂風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)管片進(jìn)行加固。立柱靠中洞側(cè)以及托梁上的拉應(yīng)力較其他位置略大，但尚處于安全狀態(tài)。

圖10 管片最大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

右側(cè)既有盾構(gòu)最大主應(yīng)力隨施工步變化曲線如圖11所示。管片主應(yīng)力在中洞開挖前基本無(wú)變化，隨著施工的推進(jìn)，應(yīng)力值逐步增大。到第4—5循環(huán)，管片與中洞銜接的左上位置應(yīng)力有較大增長(zhǎng)，最大值達(dá)2.8 MPa，超過(guò)了管片的抗拉極限，說(shuō)明管片破除位置是結(jié)構(gòu)受力的敏感區(qū)域。

圖11 盾構(gòu)主應(yīng)力隨施工步變化曲線圖

擴(kuò)建施工過(guò)程中的最小主應(yīng)力云圖如圖12所示。主壓應(yīng)力主要集中于立柱內(nèi)側(cè)、管片下部與中洞銜接位置以及側(cè)面管片內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力值約為5.5 MPa，管片處于安全狀態(tài)。

圖12 管片最小主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

右側(cè)既有盾構(gòu)主壓應(yīng)力隨施工步的變化曲線如圖13所示。隨著施工的開展，車站位置既有管片應(yīng)力逐步增大，從開挖第1循環(huán)起，應(yīng)力增幅較大；到第4循環(huán)后，應(yīng)力逐步平穩(wěn)，左下位置主壓應(yīng)力最大，為5.5 MPa。

圖13 盾構(gòu)最小主應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)施工步變化曲線圖

3 加固與防水措施

3.1 管片加固

盾構(gòu)管片拆除是整個(gè)施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)源之一，管片拆除后車站區(qū)域既有盾構(gòu)管片會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的重分布，管片局部有開裂風(fēng)險(xiǎn)。在管片拆除前通過(guò)洞內(nèi)縱向與環(huán)向加固可以確保管片拆除過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全[29]。縱向加固采用長(zhǎng)度9 m的I20a工字鋼，并通過(guò)螺栓將工字鋼與管片相連，每根工字鋼與6環(huán)管片搭接，環(huán)向間距40～60 cm。環(huán)向采用18#工字鋼，每環(huán)設(shè)置2榀，與縱向I20a工字鋼之間采用焊接或螺栓連接[30]，如圖14所示。管片拆除后還會(huì)引起管片的縱向變形，而位于中洞端頭的車站擋墻或豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以保證盾構(gòu)區(qū)間與車站銜接段管片的縱向穩(wěn)定。

圖14 工字鋼環(huán)向及縱向布置圖(單位：cm)

3.2 防水措施

擴(kuò)建施工破壞了盾構(gòu)隧道原有的防水體系，而盾構(gòu)管片的抗?jié)B性能較好(一般采用抗?jié)B等級(jí)為P12以上的C50混凝土)，新建站廳又采用復(fù)合式防水(現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級(jí)在P8以上)，因此，防水的重點(diǎn)是新舊結(jié)構(gòu)搭接處。接口采用多層防水，在盾構(gòu)管片外部涂抹無(wú)腐蝕黏性膠，在彎折的站廳EVA防水卷材與黏性膠之間設(shè)置瀝青防水材料，并通過(guò)橡膠止水帶將其與管片壓實(shí)，最后澆筑二次襯砌混凝土，并在二次襯砌背后壓注含有SPM微膨脹劑的超細(xì)水泥漿液[31]。接口防水如圖15所示。

圖15 連接部位防水處理

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)

插管凍結(jié)施工法主要適用于不具備明挖條件、上部有地下結(jié)構(gòu)或者構(gòu)筑物、周邊建筑變形控制要求高、地表交通不能阻斷等復(fù)雜環(huán)境的車站施工，特別適用于含水量較高、變形控制困難的軟土地層的擴(kuò)建車站工程。

本施工方法的優(yōu)勢(shì)包括：1)采用凍結(jié)法處理土體，凍結(jié)土體強(qiáng)度高、止水性好，穩(wěn)定性強(qiáng)；2)施工時(shí)無(wú)需開挖基坑排水，避免地基沉降對(duì)周圍已有建筑物的不利影響；3)在開挖土體時(shí)，通過(guò)預(yù)設(shè)的托梁和立柱配合支撐，保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠性；4)插管凍結(jié)臨時(shí)支護(hù)與鋼管混凝土永久支護(hù)有機(jī)結(jié)合，保障施工期間和工后的結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定；5)施工時(shí)，既有隧道襯砌的破除與車站開挖可同步進(jìn)行，工期短、速度快，可減小對(duì)地鐵線路運(yùn)營(yíng)的影響。然而，該法也存在以下缺陷：1)凍結(jié)法耗電量大，因地層凍結(jié)產(chǎn)生的工程費(fèi)用較大；2)存在因斷電導(dǎo)致地層軟化，進(jìn)而致使工程失敗的風(fēng)險(xiǎn)；3)工序較為復(fù)雜，工序間容易引起干擾。

5 結(jié)論與討論

在既有盾構(gòu)區(qū)間隧道的基礎(chǔ)上，通過(guò)插管凍結(jié)進(jìn)行地層加固，在盾構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行托梁、立柱及工字鋼支撐，通過(guò)臺(tái)階法進(jìn)行擴(kuò)挖施工，最后進(jìn)行凍結(jié)管內(nèi)混凝土灌注形成永臨結(jié)合的支護(hù)體系，是解決盾構(gòu)區(qū)間與車站施工矛盾，拆遷不順必須“甩站”通過(guò)的一種有效途徑。通過(guò)擴(kuò)挖施工過(guò)程的受力與變形分析，可得到如下結(jié)論：

1)擴(kuò)挖施工引起的地表沉降變形規(guī)律與盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律一致，沉降變形值較盾構(gòu)施工略小，整體變形可控。

2)既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)變形隨施工大致呈3個(gè)階段分布，第1循環(huán)開挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大，開口施工后變形略有減小。車站段軌道變形可參考盾構(gòu)仰拱位置變形，約為5 mm。

3)擴(kuò)建施工中車站位置管片有局部拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)縱向與環(huán)向鋼架進(jìn)行一定范圍內(nèi)的管片加固，避免管片產(chǎn)生開裂。

4)車站擴(kuò)建施工破壞了原有的盾構(gòu)防水體系，在施作中洞復(fù)合式襯砌防水系統(tǒng)的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注管片、車站襯砌連接段防水，將盾構(gòu)與暗挖隧道防水體系相融合。

5)插管凍結(jié)擴(kuò)建地鐵車站是一種新型的建造技術(shù)，具體設(shè)計(jì)與施工細(xì)節(jié)還需結(jié)合工程實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步研究確定。