左建周,李兆平,王全賢,張 存

(1.北京市政建設集團有限責任公司,北京 100089； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

引言

目前，常規(guī)盾構區(qū)間隧道為雙洞雙線形式，在暗挖車站底板結構施工完成后，方可提供盾構過站的條件，而暗挖車站結構復雜，施工工期長，在盾構到達前很難滿足盾構接收與始發(fā)條件，盾構只能放慢掘進速度或到站后等待，因此，盾構隧道和地鐵車站工程的建造籌劃一直是軌道交通建設難題[1-2]。近年來，借鑒國外的成功經驗，在北京地區(qū)開始了盾構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導洞+大直徑中樁基礎+上接鋼管柱的PBA工法施工[8-10]，車站兩側區(qū)間隧道采用盾構法施工。由于車站位于小營西路，周邊環(huán)境條件復雜，車站施工前需完成大量的外部協調工作，且在暗挖車站底板結構完成施工后，方可提供盾構接收、過站和再始發(fā)條件。這樣盾構隧道施工籌劃必然受制于暗挖地鐵車站的施工進度，影響盾構施工效率發(fā)揮和全線“洞通”目標的實現。

為此，根據本工程的盾構工期要求，提出暗挖地鐵車站與站位盾構隧道同期建造方案。即：車站采用暗挖4導洞PBA工法，先施工車站上層4個導洞，然后盾構掘進過站，在盾構過站階段，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隧道并行建造方案

1.1 小營西路暗挖車站結構簡介

地鐵小營西路站為地下兩層三跨拱頂直墻結構形式，車站總長165 m，標準段寬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。共設置4個出入口、2個風道及2個安全出入口。車站穿越地層主要為雜填土、粉質黏土和粉細砂，地層強度低且富含3層地下水。

車站總平面布置及車站標準斷面分別如圖1、圖2所示。

圖2 小營西路站標準斷面

1.2 并行建造具體實施方法

(1)車站采用暗挖4導洞PBA工法，先施工上層4個導洞和車站兩端圍護樁，為盾構過站提供條件，如圖3所示。

圖3 暗挖車站與盾構隧道并行建造工序1

(2)施工左側邊樁、左側中樁和鋼管柱，在左線盾構過站階段暫停施工，如圖4所示。

圖4 暗挖車站與盾構隧道并行建造工序2

(3)施工右側邊樁、右側中樁和鋼管柱，在右線盾構過站階段暫停施工，如圖5所示。

圖5 暗挖車站與盾構隧道并行建造工序3

(4)左、右線盾構通過車站后，施作頂縱梁、冠梁及邊導洞初支，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墻和中板，如圖7所示。

圖7 暗挖車站與盾構隧道并行建造工序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墻，如圖8所示。

圖8 暗挖車站與盾構隧道并行建造工序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“洞通”的目標。

2.2 并行建造方案存在的問題分析

(1)盾構掘進對鋼管柱的擾動

常規(guī)雙洞雙線盾構區(qū)間隧道通過暗挖地鐵車站前，車站結構底板及中柱(鋼管柱)均已施工完成，盾構空推過站，對車站中柱幾乎沒有影響。當地鐵車站只完成部分中樁及鋼管柱施工，此時盾構掘進過站，雖可以充分發(fā)揮盾構掘進效率，但由于中樁距離盾構管片外壁只有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，導致上部處于懸臂狀態(tài)(圖9)，在盾構掘進頂推力和扭矩的作用下，鋼管柱受到盾構掘進的水平推力作用，極易產生傾斜變形。

圖9 處于懸臂狀態(tài)的鋼管柱

(2)盾構掘進對上層導洞的影響

盾構過站階段，上層導洞已經形成，而盾構隧道距離導洞的垂直凈距4 m左右，由于盾構隧道掘進擾動，導洞支護結構易出現過大沉降，可能會引起導洞初期支護結構開裂，從而波及到導洞上方地層。

(3)由于需采取措施降低盾構掘進對導洞和鋼管柱的影響，會相應增加工程投資。

3 降低盾構掘進對鋼管柱和上層導洞擾動工程措施

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件[11-13]，在盾構過站階段，受盾構掘進的水平推力作用，極易產生傾斜變形。而鋼管柱設計的受力狀態(tài)為軸心受壓構件，為降低盾構掘進對鋼管柱的影響，對鋼管柱頂端采取固結措施，與導洞支護結構有效連接，以確保鋼管柱兩端均處于固結狀態(tài)。具體措施為：在鋼管柱外側套上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 鋼管柱與導洞加固措施縱剖面

圖11 鋼管柱與導洞加固措施橫剖面(單位：mm)

3.2 導洞拱部補償注漿及導洞與盾構隧道夾土層注漿加固措施

由于導洞覆土較淺，上方管線密布，小營西路地表沉降控制標準高，為降低盾構隧道掘進對導洞初期支護結構的影響，防止由于導洞支護結構破壞所帶來的管線破裂和道路沉陷坍塌等次生災害[14-17]，在盾構穿越導洞階段，對導洞拱部土體進行反復補償注漿，每個導洞設置3根長2.5 m的補償注漿管；同時，在盾構穿越導洞前，在導洞內對導洞和盾構隧道之間的夾土體進行注漿加固，采取沿導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 導洞拱部補償注漿及導洞與盾構隧道的夾土層注漿加固(單位：mm)

4 上層導洞和鋼管柱保護措施效果分析

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

4.1 三維計算模型

考慮邊界效應影響，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

車站結構和周圍土體均采用實體單元模擬，車站混凝土結構采用彈性本構模型，地層采用摩爾-庫倫本構模型，導洞加固及超前深孔注漿加固效果采用調整地層參數方式模擬[18-20]。

盾構過站階段，左線隧道先行，待左線掘進到達盾構接收井，再進行右線隧道掘進，因此，選取左線盾構隧道過站階段進行分析。本次僅模擬分析盾構掘進過站對導洞和鋼管柱的影響。

4.2 計算模型參數選取

地層及結構物理力學參數如表1、表2所示。

4.3 盾構下穿導洞階段導洞支護結構變形分析

(1)導洞支護結構變形數值計算結果

以左線盾構隧道上方2個導洞為研究對象，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 地層物理力學參數

表2 結構物理力學參數

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：0表示監(jiān)測斷面，-25表示盾構距離監(jiān)測斷面25環(huán)，25表示盾構離開監(jiān)測斷面25環(huán))。

圖14 導洞測點布置示意

圖15 導洞各觀測點位數值計算沉降曲線

計算結果表明：

①1號觀測點基本不產生沉降，其他觀測點在盾構機刀盤距離觀測斷面前10環(huán)開始，沉降開始增大，盾構刀盤離開觀測斷面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，反映了盾構隧道掘進對導洞支護結構的擾動較小，表明對導洞支護結構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掘進擾動較大。

(2)導洞支護結構變形監(jiān)測結果

在2號、3號觀測點位的導洞支護結構底板布置沉降監(jiān)測點，沿導洞走向每隔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果表明：

① 各測點沉降曲線變化趨勢與數值模擬結果基本一致，在盾構管片背后二次注漿后出現一定程度隆起；

② 2號、3號點位沉降實測最大值分別為5.92 mm和4.92 mm，與數值模擬結果相比稍大，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果分析

左線盾構隧道施工完成后，以中間一根鋼管柱為研究對象，其數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)

左線盾構隧道通過階段，沿左側中導洞縱向，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，未取得有效數據)，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，計算結果和實測結果均表明，對鋼管柱采取的保護措施有效控制了盾構隧道掘進對鋼管柱的擾動。

5 結論

(1)針對區(qū)間盾構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個導洞，然后盾構掘進過站；在盾構過站階段，穿插進行車站兩側邊樁、中樁和鋼管柱的施工；待左、右線盾構均掘進通過車站后，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構、負二層土方開挖、管片拆除以及負二層二襯結構施工。

(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“洞通”目標提供了保障。

(3)通過分析盾構掘進過站階段對上層導洞和鋼管柱的影響，提出對導洞的保護措施。在盾構穿越導洞前，在導洞內對導洞和盾構隧道之間夾土體進行注漿加固；在盾構穿越導洞階段，對導洞拱部土體進行反復補償注漿。為降低盾構掘進對鋼管柱的影響，對鋼管柱頂端采取固結措施，與導洞初支結構有效連接，以確保鋼管柱兩端均處于固結狀態(tài)。