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)過站的條件，而暗挖車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工期長，在盾構(gòu)到達前很難滿足盾構(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，借鑒國外的成功經(jīng)驗，在北京地區(qū)開始了盾構(gòu)先行條件下建造地鐵車站研究和工程實施工作[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很好的解決途徑。

北京地鐵昌平線南延小營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度，影響盾構(gòu)施工效率發(fā)揮和全線“洞通”目標(biāo)的實現(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個導(dǎo)洞，然后盾構(gòu)掘進過站，在盾構(gòu)過站階段，穿插進行車站邊樁、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 小營西路暗挖車站結(jié)構(gòu)簡介

地鐵小營西路站為地下兩層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)形式，車站總長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個出入口、2個風(fēng)道及2個安全出入口。車站穿越地層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土和粉細砂，地層強度低且富含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 小營西路站標(biāo)準(zhǔn)斷面

1.2 并行建造具體實施方法

(1)車站采用暗挖4導(dǎo)洞PBA工法，先施工上層4個導(dǎo)洞和車站兩端圍護樁，為盾構(gòu)過站提供條件，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)通過車站后，施作頂縱梁、冠梁及邊導(dǎo)洞初支，進行車站拱部的開挖、支護和拱部二襯施工，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)分段開挖負一層土方，采用逆作法施工車站負一層側(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)分段開挖負二層土方，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)勢及存在問題分析

2.1 并行建造方案的優(yōu)勢

并行建造方案的最大特點是：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立，基本能做到互不制約，整個工程籌劃以區(qū)間隧道為主線，能盡早實現(xiàn)“洞通”的目標(biāo)。

2.2 并行建造方案存在的問題分析

(1)盾構(gòu)掘進對鋼管柱的擾動

常規(guī)雙洞雙線盾構(gòu)區(qū)間隧道通過暗挖地鐵車站前，車站結(jié)構(gòu)底板及中柱(鋼管柱)均已施工完成，盾構(gòu)空推過站，對車站中柱幾乎沒有影響。當(dāng)?shù)罔F車站只完成部分中樁及鋼管柱施工，此時盾構(gòu)掘進過站，雖可以充分發(fā)揮盾構(gòu)掘進效率，但由于中樁距離盾構(gòu)管片外壁只有1 m，且此時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)掘進頂推力和扭矩的作用下，鋼管柱受到盾構(gòu)掘進的水平推力作用，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)掘進對上層導(dǎo)洞的影響

盾構(gòu)過站階段，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)隧道掘進擾動，導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)過大沉降，可能會引起導(dǎo)洞初期支護結(jié)構(gòu)開裂，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)掘進對導(dǎo)洞和鋼管柱的影響，會相應(yīng)增加工程投資。

3 降低盾構(gòu)掘進對鋼管柱和上層導(dǎo)洞擾動工程措施

3.1 鋼管柱保護措施

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)過站階段，受盾構(gòu)掘進的水平推力作用，極易產(chǎn)生傾斜變形。而鋼管柱設(shè)計的受力狀態(tài)為軸心受壓構(gòu)件，為降低盾構(gòu)掘進對鋼管柱的影響，對鋼管柱頂端采取固結(jié)措施，與導(dǎo)洞支護結(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，小營西路地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高，為降低盾構(gòu)隧道掘進對導(dǎo)洞初期支護結(jié)構(gòu)的影響，防止由于導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)破壞所帶來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，對導(dǎo)洞拱部土體進行反復(fù)補償注漿，每個導(dǎo)洞設(shè)置3根長2.5 m的補償注漿管；同時，在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞前，在導(dǎo)洞內(nèi)對導(dǎo)洞和盾構(gòu)隧道之間的夾土體進行注漿加固，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)洞和鋼管柱保護措施效果分析

為分析上述措施對上層導(dǎo)洞和鋼管柱的保護效果，建立車站三維數(shù)值計算模型，模擬盾構(gòu)掘進過程，研究保護措施效果，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比分析。

4.1 三維計算模型

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)原點位于模型左下角，計算模型如圖13所示。

圖13 計算模型

車站結(jié)構(gòu)和周圍土體均采用實體單元模擬，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)過站階段，左線隧道先行，待左線掘進到達盾構(gòu)接收井，再進行右線隧道掘進，因此，選取左線盾構(gòu)隧道過站階段進行分析。本次僅模擬分析盾構(gòu)掘進過站對導(dǎo)洞和鋼管柱的影響。

4.2 計算模型參數(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)洞支護結(jié)構(gòu)變形分析

(1)導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)變形數(shù)值計算結(jié)果

以左線盾構(gòu)隧道上方2個導(dǎo)洞為研究對象，選擇模型中間y=30 m斷面作為觀測剖面，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)測斷面，將該監(jiān)測斷面定義為0斷面，研究盾構(gòu)通過期間，0斷面的各個觀測點沉降值變化情況。

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)

測點編號及位置如圖14所示，測點沉降曲線如圖15所示(圖15橫坐標(biāo)：0表示監(jiān)測斷面，-25表示盾構(gòu)距離監(jiān)測斷面25環(huán)，25表示盾構(gòu)離開監(jiān)測斷面25環(huán))。

圖14 導(dǎo)洞測點布置示意

圖15 導(dǎo)洞各觀測點位數(shù)值計算沉降曲線

計算結(jié)果表明：

①1號觀測點基本不產(chǎn)生沉降，其他觀測點在盾構(gòu)機刀盤距離觀測斷面前10環(huán)開始，沉降開始增大，盾構(gòu)刀盤離開觀測斷面10環(huán)后，觀測點沉降趨于穩(wěn)定；

②2號、3號、4號測點沉降值分別為3.28，3.55，2.78 mm，反映了盾構(gòu)隧道掘進對導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)的擾動較小，表明對導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)下方土體采取的加固措施效果較好；

③5號測點最大沉降值為20.97 mm，反映了該部位地層受盾構(gòu)掘進擾動較大。

(2)導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果

在2號、3號觀測點位的導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)底板布置沉降監(jiān)測點，沿導(dǎo)洞走向每隔5 m布置1個測點。

2號、3號觀測位各監(jiān)測點沉降歷時曲線分別如圖16、圖17所示。

圖16 2號觀測點位各監(jiān)測點沉降歷時曲線

圖17 3號觀測點位各監(jiān)測點沉降歷時曲線

各測點沉降歷時曲線實測結(jié)果表明：

① 各測點沉降曲線變化趨勢與數(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、3號點位沉降實測最大值分別為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度在注漿初始階段較低的特點。

4.4 鋼管柱變形計算與實測結(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象，其數(shù)值計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)測點(第1根和第4根鋼管柱測點破壞，未取得有效數(shù)據(jù))，監(jiān)測得到的水平位移如圖19所示。

圖19 鋼管柱各監(jiān)測點水平位移歷時曲線

圖18的計算結(jié)果表明：鋼管柱最大水平位移為1.93 mm，而圖19實測的鋼管柱水平位移在+1.8～-1.5 mm之間擺動?？傮w來說，計算結(jié)果和實測結(jié)果均表明，對鋼管柱采取的保護措施有效控制了盾構(gòu)隧道掘進對鋼管柱的擾動。

5 結(jié)論

(1)針對區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進和小營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個導(dǎo)洞，然后盾構(gòu)掘進過站；在盾構(gòu)過站階段，穿插進行車站兩側(cè)邊樁、中樁和鋼管柱的施工；待左、右線盾構(gòu)均掘進通過車站后，進行車站拱部開挖支護；最后，采用逆作法完成車站負一層二襯結(jié)構(gòu)、負二層土方開挖、管片拆除以及負二層二襯結(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立，互不制約，整個工程籌劃以區(qū)間隧道為主線，為盡早實現(xiàn)“洞通”目標(biāo)提供了保障。

(3)通過分析盾構(gòu)掘進過站階段對上層導(dǎo)洞和鋼管柱的影響，提出對導(dǎo)洞的保護措施。在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞前，在導(dǎo)洞內(nèi)對導(dǎo)洞和盾構(gòu)隧道之間夾土體進行注漿加固；在盾構(gòu)穿越導(dǎo)洞階段，對導(dǎo)洞拱部土體進行反復(fù)補償注漿。為降低盾構(gòu)掘進對鋼管柱的影響，對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)。