側(cè)壁導(dǎo)洞盾構(gòu)過站期間車站穩(wěn)定性分析及加固關(guān)鍵技術(shù)*

李 波

(中國交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司，北京 100088)

0 引言

城市軌道交通的功能決定了地鐵車站多修建在地面建筑物密集、地下管線復(fù)雜、人口稠密的城區(qū)，地理位置和環(huán)境條件等因素常影響地鐵車站開工時間。暗挖車站施工開挖斷面大、工序多、工期長，而區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工速度相對較快，當(dāng)1臺盾構(gòu)機(jī)連續(xù)施工多個盾構(gòu)區(qū)間時必然產(chǎn)生區(qū)間盾構(gòu)與車站施工之間工序和工期的相互影響，需盾構(gòu)過站。

目前，盾構(gòu)機(jī)通過地鐵暗挖車站的形式主要有盾構(gòu)步進(jìn)過站、盾構(gòu)掘進(jìn)過站、掘進(jìn)步進(jìn)結(jié)合過站[1]。其中，車站隧道二襯結(jié)構(gòu)施工后盾構(gòu)空推過站方式因安全快速且技術(shù)成熟而應(yīng)用廣泛，研究多集中于站內(nèi)盾構(gòu)機(jī)空推前進(jìn)技術(shù)和盾構(gòu)施工對車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，如白云等[2]分析了盾構(gòu)整機(jī)過站形式和方法，王俊等[3]分析了TBM車站中板過站對車站結(jié)構(gòu)的影響，論證了 “弧底導(dǎo)軌”中板過站方案的可行性；先盾構(gòu)掘進(jìn)過站后擴(kuò)挖形成車站方式因受地質(zhì)條件、環(huán)境因素、車站開挖方式等影響較大而工藝差異大，且隧道擴(kuò)挖安全風(fēng)險相對較高，但因?qū)ΡＵ隙軜?gòu)貫通工期有利而應(yīng)用較多，研究成果豐富，如鐘志全[4]研究了“先隧后站”的盾構(gòu)掘進(jìn)過站方式下區(qū)間與車站接口位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)切削及止水等問題，姜久純[5]研究了盾構(gòu)與鉆爆法結(jié)合施工車站站臺層施工技術(shù)；王飛[6]結(jié)合同一條線路中不同站點具體情況詳細(xì)分析了敞開式TBM通過各車站時采用掘進(jìn)過站或步進(jìn)過站的方案選擇。相對而言，盾構(gòu)通過雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工的暗挖車站時，采用在導(dǎo)洞初支環(huán)境下過站方式方面的研究成果較罕見。

暗挖車站雙側(cè)壁導(dǎo)洞初支環(huán)境下盾構(gòu)過站，即暗挖車站按正常工序快速完成側(cè)壁導(dǎo)洞開挖形成盾構(gòu)過站通道，在導(dǎo)洞內(nèi)完成盾構(gòu)空推過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)，最后繼續(xù)完成車站開挖及后續(xù)結(jié)構(gòu)施工。該方案可有效保障盾構(gòu)工期并減少對車站工期的影響，但在這種施工組織下，在盾構(gòu)過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)期間，由于隧道初期支護(hù)未能封閉成環(huán)，高大中隔壁長期暴露，側(cè)壁導(dǎo)洞收斂變形較大，若不能保障導(dǎo)洞和中隔壁的穩(wěn)定，后續(xù)中隔壁開挖難度必然較大，甚至發(fā)生安全事故，故需對高大中隔壁及側(cè)壁導(dǎo)洞長時間暴露階段的安全穩(wěn)定進(jìn)行分析，并提出針對性措施予以保障。

1 工程概況

1.1 隧道概況

重慶地區(qū)某總長約200m的地下2層標(biāo)準(zhǔn)島式暗挖車站，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工，隧道圍巖主要為砂質(zhì)泥巖、砂巖，修正后圍巖級別為IV級(地下水狀態(tài)I級)，拱頂巖土層厚12.1～20.5m，為淺埋隧道(局部超淺埋)。圍巖局部存在由左至右傾斜向下的多組砂巖和砂質(zhì)泥巖互層結(jié)構(gòu)面，層面傾角25°(危險傾角)。車站位于城市主干道正下方，上部有燃?xì)狻⒂晁?、給水等管線20余條。車站周邊有10余棟老舊多層建筑，部分為磚房結(jié)構(gòu)，最近建筑為距離約5.8m的2層磚房。

車站隧道斷面為直墻圓拱形，標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖尺寸為23.54m(寬)×20.76m(高)，隧道初襯采用35cm厚格柵鋼架噴錨支護(hù)。側(cè)壁導(dǎo)洞設(shè)置2道I22b臨時支撐，中隔壁一側(cè)臨時支護(hù)采用I22b+2m長臨時錨桿噴混凝土形式，二次襯砌采用C40，P12模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。與車站主體連接的附屬結(jié)構(gòu)包括2組風(fēng)亭、3個出入口及1個接入站臺層的斜井施工通道。

1.2 車站與區(qū)間工籌及過站方式

根據(jù)全線總體工籌，該標(biāo)段1臺盾構(gòu)機(jī)需連續(xù)掘進(jìn)多個區(qū)間，盾構(gòu)通過該車站的方式原設(shè)計為車站二襯后步進(jìn)過站，為滿足線路總體工期要求調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)洞初支環(huán)境下盾構(gòu)過站。車站雙側(cè)壁導(dǎo)洞作為盾構(gòu)過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)運輸通道的時間近1年。

2 盾構(gòu)過站期間中隔壁及側(cè)壁導(dǎo)洞穩(wěn)定性分析

車站側(cè)壁導(dǎo)洞開挖后形成的中隔壁高約20m、寬6.3m，主要依靠臨時橫撐和中隔壁中臨時支護(hù)體系提供抗力。從盾構(gòu)過站通道形成、TBM過站、臨近區(qū)間掘進(jìn)，到最后車站中隔壁拆除完成，車站中隔壁及導(dǎo)洞初期支護(hù)暴露時間最長超過1年，期間要經(jīng)歷汛期。而地質(zhì)勘察及開挖揭露在中隔壁土體內(nèi)存在多組砂巖和砂質(zhì)泥巖分層結(jié)構(gòu)面，層間結(jié)構(gòu)較薄弱，極易出現(xiàn)沿層面滑移的情況，因此，需分析研究過站階段中隔壁及導(dǎo)洞穩(wěn)定性。

2.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

選取車站隧道典型斷面采用有限元分析軟件建模，圍巖采用彈塑性各向同性體材料模擬，其強(qiáng)度遵循莫爾-庫侖準(zhǔn)則，并考慮圍巖非線性變形。計算邊界取隧道左右兩側(cè)3倍開挖跨度，底部取開挖高度的3倍，隧道上部取至地表，地表近似按水平地面考慮。計算模型側(cè)面邊界分別受到x軸方向位移約束，模型地層下部邊界受到y(tǒng)軸方向位移約束。在隧道開挖過程中考慮應(yīng)力釋放，釋放系數(shù)為0.3,計算時路面荷載按20kPa均布荷載考慮。

根據(jù)勘察資料，隧頂從地面向下依次為人工填土、砂巖、砂質(zhì)泥巖，屬于軟弱圍巖，建立模型如圖1所示。結(jié)合JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中提供的參數(shù)及地區(qū)經(jīng)驗對巖土體計算參數(shù)取值，巖土體及隧道初支材料計算參數(shù)如表1，2所示。

表1 巖土體計算參數(shù)

圖1 計算分析模型

2.2 穩(wěn)定性模型分析結(jié)果

模型計算得到盾構(gòu)過站階段，隧道圍巖應(yīng)力重分布及變形情況如圖2，3所示。

圖2 過站階段隧道圍巖應(yīng)力分布(單位：kN·m-2)

1)圍巖應(yīng)力方面 水平方向應(yīng)力在左、右導(dǎo)洞橫撐與側(cè)墻和中隔壁交匯處產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中右導(dǎo)洞集中情況最嚴(yán)重，水平方向因開挖卸荷導(dǎo)致中隔壁剪應(yīng)力增大趨勢明顯，穩(wěn)定性降低。豎直方向應(yīng)力在左、右導(dǎo)洞頂部和底部釋放較完全，在側(cè)墻中隔壁處集中，特別是橫撐、墊層與側(cè)墻襯砌和中隔壁交匯處集中情況較嚴(yán)重，但在不考慮圍巖流變特性的情況下圍巖應(yīng)力總體尚在安全范圍內(nèi)。

表2 隧道初支材料計算參數(shù)

圖3 過站階段隧道位移(單位：mm)

2)隧道變形 左導(dǎo)洞中部收斂值達(dá)0.7mm，拱頂沉降為1.5mm；右導(dǎo)洞中部收斂值達(dá)1.17mm，拱頂沉降為1.5mm；導(dǎo)洞底部隆起達(dá)7.8mm；中隔壁受側(cè)壁導(dǎo)洞開挖卸荷擾動，出現(xiàn)向?qū)Ф捶较虻臄D壓變形。

2.3 導(dǎo)洞開挖初期隧道及周邊監(jiān)測情況

車站隧道導(dǎo)洞施工初期(先行導(dǎo)洞上臺階開挖約60m，中導(dǎo)洞開挖48m)監(jiān)測情況如下。

1)開挖地質(zhì)揭示，部分段落受層理和垂直斷裂裂隙切割極為破碎，裂隙水豐富，砂巖遇水軟化嚴(yán)重。開挖過程中雖然打設(shè)超前小導(dǎo)管，且施工過程中已嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，導(dǎo)洞拱部仍出現(xiàn)不同程度掉塊現(xiàn)象，最大塊體厚度達(dá)30cm左右。

2)開挖初期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)洞拱頂最大沉降達(dá)18.5mm(達(dá)到預(yù)警值24mm的77%)，中臺階開挖階段水平收斂最大達(dá)11.0mm(達(dá)到預(yù)警值16mm的69%)，隧道上方地表沉降普遍較大，最大值達(dá)25.2mm(預(yù)警值24mm)，出現(xiàn)地面沉降預(yù)警。

3)側(cè)壁導(dǎo)洞橫撐軸力出現(xiàn)報警，其中導(dǎo)洞上層1根型鋼支撐出現(xiàn)輕微彎曲現(xiàn)象。

2.4 隧道中隔壁及導(dǎo)洞穩(wěn)定性分析

1) 根據(jù)模型模擬分析結(jié)果可知，盾構(gòu)過站期間，車站側(cè)壁導(dǎo)洞及高大中隔壁變形相對可控。但根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)洞開挖階段側(cè)壁收斂變形、拱頂沉降、地表沉降及導(dǎo)洞鋼橫撐均出現(xiàn)預(yù)警或接近預(yù)警，說明水文地質(zhì)等情況對中隔壁和導(dǎo)洞的影響超過預(yù)期，開挖揭示的地質(zhì)情況也顯示地下水發(fā)育，而砂巖和泥巖遇水軟化突出，圍巖自穩(wěn)能力較差。

2)隧道中隔壁原設(shè)計采用內(nèi)錨、外撐形式支護(hù)，即2m長φ25臨時錨桿+I22b支撐噴錨結(jié)構(gòu)。據(jù)模型計算分析，導(dǎo)洞橫撐與隧道中隔壁交匯處應(yīng)力集中明顯，而監(jiān)測數(shù)據(jù)也顯示導(dǎo)洞側(cè)壁收斂和鋼橫撐軸力均較大，多處臨近報警值。說明導(dǎo)洞開挖卸荷導(dǎo)致水平方向剪應(yīng)力和變形均超過既有支護(hù)體系提供的抗力，中隔壁向外擠出變形時錨桿抗拉作用、錨桿對中隔壁的箍束作用和支撐抗壓作用不足以抵抗剪應(yīng)力增大量，存在中隔壁失穩(wěn)風(fēng)險。故需對錨桿和橫撐支護(hù)強(qiáng)度予以加強(qiáng)，調(diào)整錨桿布置形式，特別是增加支護(hù)體系整體性，建立左右側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)系。

3)隧道圍巖局部存在由左至右傾斜向下的多組砂巖和砂質(zhì)泥巖互層結(jié)構(gòu)面，且層面為危險傾角，中隔壁破碎巖體可沿巖層面向洞內(nèi)滑移，施工期間可能產(chǎn)生沿巖層面的滑塌。而導(dǎo)洞開挖初期鋼支撐軸力報警且1根支撐出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，說明工字鋼形式的橫向支撐體系抗彎剛度不足，需調(diào)整鋼支撐形式。

4)根據(jù)受力分析，導(dǎo)洞內(nèi)最大隆起部位出現(xiàn)在導(dǎo)洞底部跨中位置，不加以控制勢必造成較大的隆起破壞，而拱腳位置應(yīng)力釋放和隧道內(nèi)水對拱腳的軟化極易引起拱腳破壞。故導(dǎo)洞開挖后應(yīng)及時采取措施將初期支護(hù)封閉成環(huán)，控制隧道底部隆起和拱腳破壞。

綜合模型計算結(jié)果、導(dǎo)洞開挖初期監(jiān)測數(shù)據(jù)及開挖揭示的地質(zhì)情況，雖然模型計算顯示導(dǎo)洞及中隔壁在開挖階段隧道圍巖應(yīng)力和變形均在允許范圍內(nèi)，但開挖后地質(zhì)揭示及監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，側(cè)壁導(dǎo)洞、中隔壁應(yīng)力及變形異常，尤其是裂隙水含量明顯大于勘察報告中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致中隔壁和導(dǎo)洞變形較計算大幅度提高?？紤]到隧道危險傾角、初期支護(hù)在拱部不成環(huán)、圍巖流變特性、復(fù)雜周邊環(huán)境、中隔壁需要經(jīng)歷雨季且?guī)r石雨水軟化明顯等因素，按既有支護(hù)參數(shù)，高大中隔壁和側(cè)壁導(dǎo)洞在盾構(gòu)過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)階段因長時間暴露狀態(tài)而存在極大的安全風(fēng)險，必須采取加固措施。

3 隧道臨時加固技術(shù)

3.1 臨時加固措施

根據(jù)分析結(jié)果，有必要在導(dǎo)洞開挖階段在原設(shè)計支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上對導(dǎo)洞及中隔壁采取支護(hù)加強(qiáng)措施，結(jié)合具體分析制定以下加固措施。

2)調(diào)整導(dǎo)洞臨時鋼橫撐為鋼管支撐 將側(cè)壁導(dǎo)洞鋼支撐由原設(shè)計2道I22b調(diào)整為2道φ108鋼管支撐，增加鋼橫撐剛度，并在支撐與中隔壁及邊墻位置設(shè)鋼圍檁，發(fā)揮支撐群體效應(yīng)，增強(qiáng)鋼橫撐縱向整體受力性能。

3)設(shè)置導(dǎo)洞臨時仰拱兼過站墊層 在導(dǎo)洞開挖至過站地面標(biāo)高下一定高度后，一次性整體澆筑臨時仰拱兼過站墊層，墊層兩側(cè)與導(dǎo)洞初期支護(hù)緊貼，以確保導(dǎo)洞封閉成環(huán)，控制導(dǎo)洞底部隆起變形，減小導(dǎo)洞底腳位置應(yīng)力集中帶來的影響，并為盾構(gòu)過站提供條件。

各項加固措施如圖4所示。

圖4 側(cè)壁導(dǎo)洞及中隔壁加固措施(單位：m)

3.2 隧道加固施工

3.2.1調(diào)整中隔壁內(nèi)臨時錨桿為對拉錨桿

2)施工要求 先行側(cè)導(dǎo)洞相應(yīng)臺階開挖并施作錨桿，待鉆孔內(nèi)水泥砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后施加預(yù)應(yīng)力40～45kN；后開挖一側(cè)導(dǎo)洞對應(yīng)部位開挖暴露錨桿端部后，拆除預(yù)安裝的絲扣保護(hù)裝置，施加預(yù)應(yīng)力至100kN，然后在先行側(cè)補(bǔ)張拉至90kN。對拉錨桿必須隨導(dǎo)洞開挖及時施作，確保開挖后的安全。上臺階靠近拱頂部位少量斜向上臨時錨桿無法采用對拉錨桿，相應(yīng)臨時錨桿必須按原設(shè)計施作。錨桿長度需根據(jù)相應(yīng)位置中隔壁設(shè)計寬度并考慮張拉需要，嚴(yán)格控制錨桿水平設(shè)置，確保對拉加固效果。對拉錨桿需按監(jiān)測要求設(shè)置軸力監(jiān)測裝置。

3.2.2調(diào)整導(dǎo)洞臨時鋼橫撐為鋼管支撐

（1）根據(jù)學(xué)生的年齡特征和心理特點，以學(xué)生思維的“最近發(fā)展區(qū)”為出發(fā)點，創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主探索的欲望。人的潛意識中總是把自己當(dāng)作發(fā)現(xiàn)者，這種潛在的意識便是學(xué)生對知識學(xué)習(xí)的一種內(nèi)在的心理需要。但由于學(xué)生不可能根據(jù)自己愿望和需求去選擇所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，所以學(xué)生對知識的需求常常處于一種潛伏狀態(tài)。在問題情境理念引領(lǐng)下教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的年齡特點所創(chuàng)設(shè)的問題情境能引發(fā)學(xué)生的興趣和思考，能體現(xiàn)學(xué)習(xí)的趣味性，展示數(shù)學(xué)的魅力，從而達(dá)到提高其學(xué)習(xí)的積極性的效果。

1)加固措施 支撐調(diào)整為φ108(t=8mm)鋼管，縱向間距0.6m(同鋼架間距)，2層鋼管支撐豎向位置同原設(shè)計工字鋼支撐，但應(yīng)確保盾構(gòu)機(jī)順利通過(按最大使用高度+(40～50)cm安全距離)。采用[30作為圍檁，圍檁與中隔壁型鋼鋼架及導(dǎo)洞格柵鋼架焊接牢固。

2)施工要求 鋼管支撐務(wù)必隨導(dǎo)洞開挖進(jìn)度及時架設(shè)，嚴(yán)格控制鋼管水平以確保受力性能。中隔壁一側(cè)圍檁與型鋼鋼架直接焊接連接，邊墻一側(cè)圍檁與預(yù)埋于鋼架對應(yīng)位置的鋼板焊接連接。導(dǎo)洞開挖時做好爆破開挖及機(jī)械作業(yè)時的支撐防護(hù)工作，如采用控制爆破或松動爆破等。對鋼支撐須布設(shè)軸力計并開展監(jiān)測。

3.2.3設(shè)置導(dǎo)洞臨時仰拱兼過站墊層

1)加固措施 臨時仰拱采用30cm厚現(xiàn)澆C40混凝土結(jié)構(gòu)。

2)施工要求 為有效控制下臺階圍巖變形和收斂，盡快完成導(dǎo)洞初期支護(hù)封閉成環(huán)，臨時仰拱需隨下臺階掌子面開挖跟進(jìn)。圍巖較好時臨時仰拱至下臺階掌子面距離控制在15m左右(最大不超過18m)，圍巖較差時臨時仰拱至下臺階掌子面距離控制在12m以內(nèi)。墊層在兩側(cè)與導(dǎo)洞初期支護(hù)緊貼，排水溝不得在墊層澆筑階段預(yù)留，需采用磚砌形式設(shè)置于臨時仰拱上部并與邊墻及中隔壁保持一定距離，以確保導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)不被破壞，且避免水對側(cè)壁初支的危害。墊層混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度前注意對其加強(qiáng)保護(hù)，作業(yè)機(jī)械需在其達(dá)到一定強(qiáng)度后方可在上方行走。

3.3 其他輔助措施

地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)與車站主體接口數(shù)量多，如該車站主體隧道與附屬結(jié)構(gòu)共有6處接口。考慮到車站在盾構(gòu)過站期間暫停施工時間近1年，加上前期導(dǎo)洞施工、后期中隔壁開挖及二次襯砌施工，車站初期支護(hù)最長暴露時間超過18個月，而圍巖具有明顯的流變特性，故在導(dǎo)洞開挖階段，除進(jìn)入車站的施工通道外，所有接口在導(dǎo)洞施工階段均不予開挖，待后期接口附近車站主體二次襯砌完成并具備一定條件后，再破除接口位置初期支護(hù)，開挖附屬結(jié)構(gòu)。

盾構(gòu)過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)階段，需持續(xù)保持車站隧道監(jiān)測和巡查工作。雨季需特別重視隧道內(nèi)抽排水工作，特別要避免支護(hù)底腳長時間被浸泡，同時應(yīng)強(qiáng)化隧道應(yīng)急管理工作。

3.4 實施效果評價

根據(jù)后續(xù)隧道導(dǎo)洞開挖及過站期間監(jiān)測情況，采取加固措施后，車站導(dǎo)洞開挖階段側(cè)壁收斂及拱頂沉降得到有效控制，其中側(cè)壁收斂最大為15.2mm(約為預(yù)警值的95%)，地表沉降個別點因調(diào)整前累計沉降較大而出現(xiàn)新增預(yù)警。車站因盾構(gòu)過站及后續(xù)區(qū)間掘進(jìn)而暫停施工的近1年時間內(nèi)，車站拱頂沉降及側(cè)壁受力未發(fā)生新增報警情況，支撐軸力個別位置出現(xiàn)預(yù)警但均未達(dá)到工程報警標(biāo)準(zhǔn)，中隔壁未發(fā)現(xiàn)明顯擠出現(xiàn)象。總體來看，在采取上述加固措施后，車站側(cè)壁導(dǎo)洞及中隔壁變形得到有效控制，監(jiān)測報警頻次低，表明加固措施有效。過站期間隧道內(nèi)情況如圖5所示。

圖5 過站期間隧道內(nèi)情況

4 結(jié)語

1)盾構(gòu)通過地鐵暗挖車站時，采用側(cè)壁導(dǎo)洞先行快速貫通后，在導(dǎo)洞初支環(huán)境下步進(jìn)過站可有效保障盾構(gòu)工期，并大幅降低對車站工期的影響。

2)當(dāng)大斷面淺埋暗挖車站隧道導(dǎo)洞初期支護(hù)長時間暴露時，需對高大中隔壁及側(cè)壁導(dǎo)洞支護(hù)采取加固措施。設(shè)置中隔壁對拉錨桿、增加導(dǎo)洞臨時橫撐抗彎剛度、設(shè)置一定厚度臨時仰拱將導(dǎo)洞初期支護(hù)封閉成環(huán)等措施具有顯著效果，可為盾構(gòu)機(jī)在側(cè)壁導(dǎo)洞初期支護(hù)環(huán)境下過站提供條件，且導(dǎo)洞及高大中隔壁長時間暴露階段隧道變形相對可控。

3)在砂質(zhì)泥巖及砂巖地區(qū)，圍巖含水量對隧道變形影響極大。當(dāng)開挖或監(jiān)測揭示的圍巖含水量與勘察報告差距較大及雨季施工時應(yīng)特別關(guān)注，尤其要加強(qiáng)導(dǎo)洞支護(hù)階段設(shè)計動態(tài)管理，以控制過大變形發(fā)生。