張明

(中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430074)

雙洞單圓盾構隧道與橫通道結合修建地鐵車站施工過程的結構力學分析

張明

(中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430074)

為避免車站和區(qū)間盾構隧道施工在時空中產(chǎn)生矛盾，充分發(fā)揮盾構機的使用效率，達到盾構機掘進經(jīng)濟里程，采用雙洞單圓盾構平行掘進過站，先行貫通全線大部分區(qū)間隧道，繼而在盾構隧道基礎上通過橫通道擴挖構筑地鐵車站。FLAC3D仿真結果表明:施工過程中地層位移和管片應力與應變合理，工程風險可控，可達到縮短工期，節(jié)約建設成本的目的。

盾構法 盾構過站 擴挖 地鐵車站

隨著城市地鐵建設的高速發(fā)展，盾構法施工技術以其高效、快速、安全的優(yōu)點，已經(jīng)成為一種必不可少的城市地鐵建設通用施工技術。但在實際施工過程中，由于盾構過站問題，嚴重影響和制約了這種高效技術的發(fā)揮和應用。目前，盾構施工法大多數(shù)局限于地鐵區(qū)間隧道的施工，即盾構機從起點車站端部始發(fā)井推進，到達目標車站后，在目標車站端部接收井吊出，轉(zhuǎn)至下一區(qū)間隧道的施工。或者在已經(jīng)創(chuàng)造好過站條件的車站拖拉盾構過站繼續(xù)施工下一個區(qū)間隧道。兩種過站方法都必須解體盾構過站，導致車站施工和區(qū)間隧道的施工在工期上易產(chǎn)生矛盾，使本來能夠大大縮短施工工期的盾構施工技術反而制約了車站施工的工期［1-5］。

盾構先行過站，利用已經(jīng)建好的盾構隧道結合已經(jīng)在國內(nèi)成熟和廣泛應用的淺埋暗挖法，擴挖成地鐵車站，是一種新型的地鐵車站施工方法。能夠縮短工期，節(jié)約建設成本。本文通過數(shù)值模擬淺埋暗挖法在既有盾構隧道的基礎上擴挖成車站的施工過程，分析在施工過程中地層的位移和盾構管片的受力與變形，以探討這種施工方法的合理性和可實施性，為此類工法的施工提供必要的依據(jù)和建議。

1 車站概況

北京某地下二層島式暗挖車站，有效站臺長120 m，線間距 23 m。車站斷面為橢形大斷面，高10.364 m，跨度14.164 m，平均覆土4.3 m左右。根據(jù)總體工程籌劃，站端兩側(cè)區(qū)間共計長度約3 km，均采用盾構法掘進。為充分發(fā)揮盾構機掘進效率、減少進出井工序，兼顧車站建筑功能要求，采用兩臺盾構直接掘進過站，繼而暗挖聯(lián)絡通道，擴挖構筑塔柱式車站。盾構管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度0.3 m，寬度1.2 m。地層參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

2 施工過程仿真

2.1 計算范圍及單元類型

模型計算范圍:左右邊界為2.5倍車站寬度，下邊界為1.5倍車站高度，上邊界到地面，車站縱向取3條橫通道，含25環(huán)管片。最后確定整個模型寬150 m、高34 m、長30 m，見圖1。

盾構隧道由6塊管片拼成一環(huán)，管片環(huán)縫、縱縫及注漿縫采用Interface來模擬，并用梁單元模擬管片間

螺栓、臨時鋼支撐等。圍巖、支護、管片采用實體單元模擬，支撐與管片或襯砌之間的連接方式按鉸接處理，本構采用M—C準則。

圖1 模型整體示意

施工過程將地下水降至底板以下，故數(shù)值模擬按降水后的施工階段考慮，忽略地下水影響，接觸面單元力學參數(shù)見表2。

2.2 施工過程仿真

塔柱式地鐵車站按圖2的施工工序進行施工。

表2 接觸面Interface物理力學參數(shù)

圖2 塔柱式地鐵車站施工步驟

2.3 結構動態(tài)響應分析

整個車站計算結果取兩個典型斷面來分析，斷面1:2#橫通道中間部位，對應第13環(huán)管片;斷面2:3#塔柱中間部位，對應第17環(huán)管片。

2.3.1 地表沉降

兩個典型斷面在各施工階段地表最大沉降值都產(chǎn)生在中間大斷面隧道中心正上方。以斷面1為例，首先，地表沉降最大值－22.3 mm，其中絕大部分沉降是在中間大斷面隧道開挖并支護的時候產(chǎn)生，占總沉降量的70.9%;大斷面隧道施作二襯時僅產(chǎn)生小部分沉降。其次，橫通道的毛洞開挖、拆除管片、施作橫通道二襯，共計產(chǎn)生－3.5 mm沉降。因為中間大斷面隧道二襯已施作，給地層提供了足夠的支護抗力，故橫通道施工引起的地表正中沉降不大。

2.3.2 洞周變形

在斷面1，2關鍵部位設置監(jiān)測點，分布見圖3。

垂直位移:斷面1因為有橫通道開挖的影響，其垂直位移整體上比斷面2稍大，且斷面1的3#關鍵點垂直位移最大達到－8.5 mm，比斷面2大3.0 mm。因為斷面1存在橫通道且在其開挖過程中使右側(cè)盾構管片

臨空，右側(cè)土壓力減為0，導致在拱頂垂直土壓力的作用下，拱頂?shù)拇怪蔽灰仆蝗辉龃蟆?/p>

圖3 洞周位移記錄點(單位:cm)

水平位移:從整體演化規(guī)律看，兩個典型斷面各關鍵的水平位移在第2和第5施工步時位移減小，即向大斷面隧道外側(cè)移動，第1、第3和第4施工步反之，即水平位移變化產(chǎn)生波動。細部規(guī)律上，斷面1橫通道施工時，洞周5#測點水平位移達到10.9 mm，而斷面2相同位置的位移僅為7.7 mm。

2.3.3 管片內(nèi)力分析

橫通道開挖前，盾構隧道管片上兩側(cè)的壓應力大于頂部和底部管片上的壓應力，側(cè)部壓應力約 2.2 MPa，底部為1.6 MPa，頂部最小為1.4 MPa。管片上的拉應力較小，但是在靠近大隧道一側(cè)的管片接縫處有集中拉應力，約0.12 MPa。

橫通道開挖時，盾構隧道靠近大斷面隧道一側(cè)臨空，管片上的壓應力驟減為0.4 MPa，盾構隧道頂部和底部的壓應力也相應地略有減小，而遠離大斷面隧道一側(cè)的管片壓應力增大為2.3 MPa。管片拆除和施作橫通道二襯時，管片上的壓應力變化不大，管片拆除部位出現(xiàn)集中拉應力，約0.4 MPa。

臨時支撐的拆除對管片的應力影響比較大。遠離大斷面隧道一側(cè)管片上壓應力增大至2.53 MPa，頂部和底部的壓應力變化不大，為1.50 MPa，管片和橫通道上下連接處有較大的集中拉應力，約0.90 MPa。

2.3.4 管片錯縫位移及螺栓內(nèi)力分析

圖4為第13環(huán)管片部分拆除后，環(huán)向螺栓位置及測點示意。

圖4 螺栓和接縫位置示意

由圖4可看出，1#和2#測點處兩側(cè)管片接觸良好，基本不張開，但相對錯動明顯，達到1.1 mm;3#接縫兩側(cè)管片在隧道內(nèi)側(cè)緊密接觸，在隧道外側(cè)張開，達到0.7 mm;4#接縫兩側(cè)管片在隧道內(nèi)側(cè)有較大張開，達到1.2 mm，在外側(cè)接觸良好，同時有0.6 mm錯動。依據(jù)管片接縫允許張開值公式 δ允許≤BD/(ρmin－0.5D)+δ0+δs=29.1 mm。滿足防水功能［6］。

隨施工推進，兩個斷面上的環(huán)向螺栓應力均不斷增大，尤其是臨時支撐拆除工序?qū)?#位置的螺栓內(nèi)力演化影響最大，最為不利，達到1 078 MPa，超過M10.9高強螺栓屈服強度(抗拉強度1 000 MPa，屈服強度900 MPa)。同時，兩個斷面相同位置的2#螺栓呈受壓狀態(tài)并由襯墊承受且壓力較小，余為受拉，均小于自身屈服強度。

3 結論

本文采用FLAC3D技術，充分分析雙線盾構平行過站結合暗挖法構筑地鐵車站時各結構施工動態(tài)響應，得到以下結論:

1)中間暗挖大斷面隧道的施工對其及兩側(cè)平行盾構區(qū)間上方的地層位移影響較大，有必要在橫通道開挖前從兩側(cè)平行盾構區(qū)間內(nèi)向橫通道及管片上方一定范圍內(nèi)注漿加固，以穩(wěn)固地層。

2)盾構區(qū)間最終位移形態(tài)使得其斷面呈扁平橢圓狀。局部上，橫通道開挖使得橫通道部位管片和塔柱部位管片之間產(chǎn)生差異變形，影響到結構穩(wěn)定性和防水性能。建議在盾構隧道內(nèi)加臨時支撐的同時，采取厚14 mm槽型鋼板拉筋條或預應力錨索(類似于盾構進出車站時措施)將管片沿縱向拉緊，以增強結構整體性。

3)盾構管片整體應力均不大，但橫通道和管片的連接部位有應力集中現(xiàn)象，應在加固及橫通道二襯穩(wěn)定后方可破除管片。

4)管片1#，3#接縫處張開量整體較小，但4#接縫處環(huán)向螺栓拉應力偏大，原設計 M10.9螺栓接近屈服，建議在設置橫通道的管片斷面處，局部采用M12.9高強螺栓。

［1］向勇，楊成剛，吳克信，等.西氣東輸中衛(wèi)黃河隧道設計與施工［J］.現(xiàn)代隧道技術，2011，48(4):110-115.

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［6］童智能，吳祥紅.淺談盾構隧道管片拼裝接縫的防水處理［J］.現(xiàn)代隧道技術，2007(2):52-55.

(責任審編 趙其文)

U231+.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.19

2014-10-26;

:2015-06-05

張明(1973— )，男，河南南陽人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0063-03