暗挖地鐵車站與車站行車隧道同期建造技術(shù)研究

左建周,李兆平,王全賢,張 存

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100089； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

引言

目前，常規(guī)盾構(gòu)區(qū)間隧道為雙洞雙線形式，在暗挖車站底板結(jié)構(gòu)施工完成后，方可提供盾構(gòu)過(guò)站的條件，而暗挖車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工期長(zhǎng)，在盾構(gòu)到達(dá)前很難滿足盾構(gòu)接收與始發(fā)條件，盾構(gòu)只能放慢掘進(jìn)速度或到站后等待，因此，盾構(gòu)隧道和地鐵車站工程的建造籌劃一直是軌道交通建設(shè)難題[1-2]。近年來(lái)，借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，在北京地區(qū)開(kāi)始了盾構(gòu)先行條件下建造地鐵車站研究和工程實(shí)施工作[3-7]，為解決盾構(gòu)隧道和地鐵車站在工程籌劃及工期安排方面的矛盾提供了一個(gè)很好的解決途徑。

北京地鐵昌平線南延小營(yíng)西路站采用暗挖單層4導(dǎo)洞+大直徑中樁基礎(chǔ)+上接鋼管柱的PBA工法施工[8-10]，車站兩側(cè)區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。由于車站位于小營(yíng)西路，周邊環(huán)境條件復(fù)雜，車站施工前需完成大量的外部協(xié)調(diào)工作，且在暗挖車站底板結(jié)構(gòu)完成施工后，方可提供盾構(gòu)接收、過(guò)站和再始發(fā)條件。這樣盾構(gòu)隧道施工籌劃必然受制于暗挖地鐵車站的施工進(jìn)度，影響盾構(gòu)施工效率發(fā)揮和全線“洞通”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

為此，根據(jù)本工程的盾構(gòu)工期要求，提出暗挖地鐵車站與站位盾構(gòu)隧道同期建造方案。即：車站采用暗挖4導(dǎo)洞PBA工法，先施工車站上層4個(gè)導(dǎo)洞，然后盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)站，在盾構(gòu)過(guò)站階段，穿插進(jìn)行車站邊樁、中樁和鋼管柱施工。

1 暗挖車站與站位盾構(gòu)隧道并行建造方案

1.1 小營(yíng)西路暗挖車站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

地鐵小營(yíng)西路站為地下兩層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)形式，車站總長(zhǎng)165 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.1 m，高15.6 m，車站拱部覆土深度8.36 m，底板埋深23.55 m。共設(shè)置4個(gè)出入口、2個(gè)風(fēng)道及2個(gè)安全出入口。車站穿越地層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂，地層強(qiáng)度低且富含3層地下水。

車站總平面布置及車站標(biāo)準(zhǔn)斷面分別如圖1、圖2所示。

圖2 小營(yíng)西路站標(biāo)準(zhǔn)斷面

1.2 并行建造具體實(shí)施方法

(1)車站采用暗挖4導(dǎo)洞PBA工法，先施工上層4個(gè)導(dǎo)洞和車站兩端圍護(hù)樁，為盾構(gòu)過(guò)站提供條件，如圖3所示。

圖3 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序1

(2)施工左側(cè)邊樁、左側(cè)中樁和鋼管柱，在左線盾構(gòu)過(guò)站階段暫停施工，如圖4所示。

圖4 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序2

(3)施工右側(cè)邊樁、右側(cè)中樁和鋼管柱，在右線盾構(gòu)過(guò)站階段暫停施工，如圖5所示。

圖5 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序3

(4)左、右線盾構(gòu)通過(guò)車站后，施作頂縱梁、冠梁及邊導(dǎo)洞初支，進(jìn)行車站拱部的開(kāi)挖、支護(hù)和拱部二襯施工，如圖6所示。

圖6 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序4

(5)分段開(kāi)挖負(fù)一層土方，采用逆作法施工車站負(fù)一層側(cè)墻和中板，如圖7所示。

圖7 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序5

(6)分段開(kāi)挖負(fù)二層土方，并自上而下分段拆除管片，采用順作法施工車站底板和負(fù)二層側(cè)墻，如圖8所示。

圖8 暗挖車站與盾構(gòu)隧道并行建造工序6

2 并行建造方案優(yōu)勢(shì)及存在問(wèn)題分析

2.1 并行建造方案的優(yōu)勢(shì)

并行建造方案的最大特點(diǎn)是：車站部位盾構(gòu)隧道與暗挖地鐵車站并行建造，能較好地解決區(qū)間隧道和車站施工籌劃的相互沖突，盾構(gòu)隧道和暗挖車站的施工籌劃完全相互獨(dú)立，基本能做到互不制約，整個(gè)工程籌劃以區(qū)間隧道為主線，能盡早實(shí)現(xiàn)“洞通”的目標(biāo)。

2.2 并行建造方案存在的問(wèn)題分析

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鋼管柱的擾動(dòng)

常規(guī)雙洞雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道通過(guò)暗挖地鐵車站前，車站結(jié)構(gòu)底板及中柱(鋼管柱)均已施工完成，盾構(gòu)空推過(guò)站，對(duì)車站中柱幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)?shù)罔F車站只完成部分中樁及鋼管柱施工，此時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)站，雖可以充分發(fā)揮盾構(gòu)掘進(jìn)效率，但由于中樁距離盾構(gòu)管片外壁只有1 m，且此時(shí)鋼管柱上部頂縱梁尚未澆筑，鋼管柱不能與頂縱梁連接，導(dǎo)致上部處于懸臂狀態(tài)(圖9)，在盾構(gòu)掘進(jìn)頂推力和扭矩的作用下，鋼管柱受到盾構(gòu)掘進(jìn)的水平推力作用，極易產(chǎn)生傾斜變形。

圖9 處于懸臂狀態(tài)的鋼管柱

(2)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)上層導(dǎo)洞的影響

盾構(gòu)過(guò)站階段，上層導(dǎo)洞已經(jīng)形成，而盾構(gòu)隧道距離導(dǎo)洞的垂直凈距4 m左右，由于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)擾動(dòng)，導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)過(guò)大沉降，可能會(huì)引起導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，從而波及到導(dǎo)洞上方地層。

(3)由于需采取措施降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)導(dǎo)洞和鋼管柱的影響，會(huì)相應(yīng)增加工程投資。

3 降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鋼管柱和上層導(dǎo)洞擾動(dòng)工程措施

3.1 鋼管柱保護(hù)措施

鋼管柱是暗挖PBA工法施工地鐵車站的主要承載構(gòu)件[11-13]，在盾構(gòu)過(guò)站階段，受盾構(gòu)掘進(jìn)的水平推力作用，極易產(chǎn)生傾斜變形。而鋼管柱設(shè)計(jì)的受力狀態(tài)為軸心受壓構(gòu)件，為降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鋼管柱的影響，對(duì)鋼管柱頂端采取固結(jié)措施，與導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)有效連接，以確保鋼管柱兩端均處于固結(jié)狀態(tài)。具體措施為：在鋼管柱外側(cè)套上30 mm厚Q355鋼套環(huán)(2個(gè)半環(huán)栓接)，然后澆筑500 mm厚C35素混凝土固定環(huán)，加固措施縱橫剖面分別見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 鋼管柱與導(dǎo)洞加固措施縱剖面

圖11 鋼管柱與導(dǎo)洞加固措施橫剖面(單位：mm)

3.2 導(dǎo)洞拱部補(bǔ)償注漿及導(dǎo)洞與盾構(gòu)隧道夾土層注漿加固措施

由于導(dǎo)洞覆土較淺，上方管線密布，小營(yíng)西路地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高，為降低盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，防止由于導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞所帶來(lái)的管線破裂和道路沉陷坍塌等次生災(zāi)害[14-17]，在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞階段，對(duì)導(dǎo)洞拱部土體進(jìn)行反復(fù)補(bǔ)償注漿，每個(gè)導(dǎo)洞設(shè)置3根長(zhǎng)2.5 m的補(bǔ)償注漿管；同時(shí)，在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞前，在導(dǎo)洞內(nèi)對(duì)導(dǎo)洞和盾構(gòu)隧道之間的夾土體進(jìn)行注漿加固，采取沿導(dǎo)洞走向分段后退式注漿方法，注漿范圍如圖12所示。注漿材料采用水泥+水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

圖12 導(dǎo)洞拱部補(bǔ)償注漿及導(dǎo)洞與盾構(gòu)隧道的夾土層注漿加固(單位：mm)

4 上層導(dǎo)洞和鋼管柱保護(hù)措施效果分析

為分析上述措施對(duì)上層導(dǎo)洞和鋼管柱的保護(hù)效果，建立車站三維數(shù)值計(jì)算模型，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，研究保護(hù)措施效果，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 三維計(jì)算模型

考慮邊界效應(yīng)影響，車站模型尺寸為x×y×z=106.2 m×60 m×59.72 m，x為沿車站橫向，y為沿車站縱向，z為沿車站豎向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型左下角，計(jì)算模型如圖13所示。

圖13 計(jì)算模型

車站結(jié)構(gòu)和周圍土體均采用實(shí)體單元模擬，車站混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，地層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，導(dǎo)洞加固及超前深孔注漿加固效果采用調(diào)整地層參數(shù)方式模擬[18-20]。

盾構(gòu)過(guò)站階段，左線隧道先行，待左線掘進(jìn)到達(dá)盾構(gòu)接收井，再進(jìn)行右線隧道掘進(jìn)，因此，選取左線盾構(gòu)隧道過(guò)站階段進(jìn)行分析。本次僅模擬分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)站對(duì)導(dǎo)洞和鋼管柱的影響。

4.2 計(jì)算模型參數(shù)選取

地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

4.3 盾構(gòu)下穿導(dǎo)洞階段導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

(1)導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果

以左線盾構(gòu)隧道上方2個(gè)導(dǎo)洞為研究對(duì)象，選擇模型中間y=30 m斷面作為觀測(cè)剖面，盾構(gòu)管片每環(huán)寬度為1.2 m，即選擇第25環(huán)管片位置為監(jiān)測(cè)斷面，將該監(jiān)測(cè)斷面定義為0斷面，研究盾構(gòu)通過(guò)期間，0斷面的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沉降值變化情況。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖14所示，測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖15所示(圖15橫坐標(biāo)：0表示監(jiān)測(cè)斷面，-25表示盾構(gòu)距離監(jiān)測(cè)斷面25環(huán)，25表示盾構(gòu)離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面25環(huán))。

圖14 導(dǎo)洞測(cè)點(diǎn)布置示意

圖15 導(dǎo)洞各觀測(cè)點(diǎn)位數(shù)值計(jì)算沉降曲線

計(jì)算結(jié)果表明：

①1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)基本不產(chǎn)生沉降，其他觀測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)刀盤距離觀測(cè)斷面前10環(huán)開(kāi)始，沉降開(kāi)始增大，盾構(gòu)刀盤離開(kāi)觀測(cè)斷面10環(huán)后，觀測(cè)點(diǎn)沉降趨于穩(wěn)定；

②2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)沉降值分別為3.28，3.55，2.78 mm，反映了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較小，表明對(duì)導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)下方土體采取的加固措施效果較好；

③5號(hào)測(cè)點(diǎn)最大沉降值為20.97 mm，反映了該部位地層受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)較大。

(2)導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

在2號(hào)、3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位的導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)底板布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿導(dǎo)洞走向每隔5 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2號(hào)、3號(hào)觀測(cè)位各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線分別如圖16、圖17所示。

圖16 2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線

圖17 3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線

各測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線實(shí)測(cè)結(jié)果表明：

① 各測(cè)點(diǎn)沉降曲線變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，在盾構(gòu)管片背后二次注漿后出現(xiàn)一定程度隆起；

② 2號(hào)、3號(hào)點(diǎn)位沉降實(shí)測(cè)最大值分別為5.92 mm和4.92 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相比稍大，主要原因在于，注漿效果的模擬不能考慮到注漿體強(qiáng)度在注漿初始階段較低的特點(diǎn)。

4.4 鋼管柱變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

左線盾構(gòu)隧道施工完成后，以中間一根鋼管柱為研究對(duì)象，其數(shù)值計(jì)算水平位移云圖如圖18所示。

圖18 鋼管柱水平位移云圖(單位：m)

左線盾構(gòu)隧道通過(guò)階段，沿左側(cè)中導(dǎo)洞縱向，在連續(xù)5根鋼管柱上布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(第1根和第4根鋼管柱測(cè)點(diǎn)破壞，未取得有效數(shù)據(jù))，監(jiān)測(cè)得到的水平位移如圖19所示。

圖19 鋼管柱各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移歷時(shí)曲線

圖18的計(jì)算結(jié)果表明：鋼管柱最大水平位移為1.93 mm，而圖19實(shí)測(cè)的鋼管柱水平位移在+1.8～-1.5 mm之間擺動(dòng)。總體來(lái)說(shuō)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，對(duì)鋼管柱采取的保護(hù)措施有效控制了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對(duì)鋼管柱的擾動(dòng)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進(jìn)和小營(yíng)西路暗挖地鐵車站施工在工程籌劃上的矛盾，提出了一種車站部位盾構(gòu)隧道與暗挖地鐵車站同期建造的方法。先施工車站上層4個(gè)導(dǎo)洞，然后盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)站；在盾構(gòu)過(guò)站階段，穿插進(jìn)行車站兩側(cè)邊樁、中樁和鋼管柱的施工；待左、右線盾構(gòu)均掘進(jìn)通過(guò)車站后，進(jìn)行車站拱部開(kāi)挖支護(hù)；最后，采用逆作法完成車站負(fù)一層二襯結(jié)構(gòu)、負(fù)二層土方開(kāi)挖、管片拆除以及負(fù)二層二襯結(jié)構(gòu)施工。

(2)提出的暗挖地鐵車站建造方法，較好地解決了地鐵區(qū)間隧道和車站施工籌劃的相互沖突，盾構(gòu)隧道和暗挖車站施工籌劃完全相互獨(dú)立，互不制約，整個(gè)工程籌劃以區(qū)間隧道為主線，為盡早實(shí)現(xiàn)“洞通”目標(biāo)提供了保障。

(3)通過(guò)分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)站階段對(duì)上層導(dǎo)洞和鋼管柱的影響，提出對(duì)導(dǎo)洞的保護(hù)措施。在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞前，在導(dǎo)洞內(nèi)對(duì)導(dǎo)洞和盾構(gòu)隧道之間夾土體進(jìn)行注漿加固；在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞階段，對(duì)導(dǎo)洞拱部土體進(jìn)行反復(fù)補(bǔ)償注漿。為降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鋼管柱的影響，對(duì)鋼管柱頂端采取固結(jié)措施，與導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)有效連接，以確保鋼管柱兩端均處于固結(jié)狀態(tài)。