許學(xué)昭，李兆平，王 凱，汪 挺，鄭 昊

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100045)

北京地鐵14號(hào)線高家園站是在單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖修建而成的，大直徑盾構(gòu)隧道外徑10.22 m。這種基于大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建地鐵車站的工程實(shí)踐在國(guó)內(nèi)尚屬首次[1]。

高家園站設(shè)計(jì)施工順序?yàn)椋捍蠖軜?gòu)通過車站區(qū)段前，先在車站兩端施工兼做暗挖通道的風(fēng)井、風(fēng)道(1號(hào)和2號(hào)風(fēng)道)，在盾構(gòu)通過站位后，車站主體結(jié)構(gòu)利用兩端風(fēng)道采用PBA法進(jìn)行暗挖拓展形成[2]。但由于高家園站2號(hào)風(fēng)井鄰近的房屋無(wú)法按期拆除，導(dǎo)致其無(wú)法施工，只通過1號(hào)風(fēng)道進(jìn)行擴(kuò)挖施工會(huì)使得作業(yè)面太少，無(wú)法滿足工期要求[3]。因此，提出“拆除盾構(gòu)隧道兩側(cè)壁部分管片、橫向開挖施工通道并對(duì)施工通道進(jìn)行擴(kuò)挖，形成類似于車站端部擴(kuò)挖作業(yè)面”的設(shè)想[4]。

關(guān)于拆除管片擴(kuò)挖橫通道的研究，目前的報(bào)道多集中于常規(guī)的雙洞雙線盾構(gòu)隧道方面[5-13]。梁興樸[5]、李志國(guó)等[6]分別從盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)的角度展開研究，闡明了聯(lián)絡(luò)通道施工的關(guān)鍵技術(shù)。郭正偉[7]、陳雪瑩等[8]分別研究了凍結(jié)加固技術(shù)在盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用，驗(yàn)證了凍結(jié)加固技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。張志強(qiáng)等[9]、王士民等[10]、劉軍等[11]分別對(duì)盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道和管片的施工力學(xué)行為展開了相關(guān)研究，揭示了聯(lián)絡(luò)通道和管片在施工過程中的受力變化規(guī)律。何悅等[12]、耿萍等[13]通過幾何相似比為1∶40的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道采用不同連接方式的動(dòng)力特性，得出柔性連接比剛性連接的動(dòng)力特性更優(yōu)的結(jié)論。溫克兵等[14]對(duì)西安地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析并給出相應(yīng)的對(duì)策。但相比于常規(guī)盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工，本工程擴(kuò)挖作業(yè)面需拆除的管片范圍大(需拆除大盾構(gòu)隧道的雙側(cè)壁部分管片)，擴(kuò)挖作業(yè)工序復(fù)雜，而施工過程中鄰近管片的力學(xué)行為尚屬于未知。

本文對(duì)北京地鐵14號(hào)線高家園站采用破除大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片增加擴(kuò)挖通道的施工方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)“拆除大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片、暗挖橫通道、反掏橫通道上部土體形成擴(kuò)挖車站施工通道”施工過程中的橫通道鄰近管片力學(xué)行為進(jìn)行研究。

1 大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片破除形成擴(kuò)挖車站通道施工技術(shù)

1.1 新增施工橫通道布置

為提高擴(kuò)挖施工效率，高家園站通過破除盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片暗挖橫通道的方法又增設(shè)了3個(gè)施工橫通道(SMD1、SMD2、SMD3)，共增加5個(gè)擴(kuò)挖施工工作面(橫通道SMD3位于車站端部，只能增加一個(gè)施工工作面)。新增的施工橫通道平面布置見圖1。

圖1 高家園站新增施工橫通道平面布置圖(單位：m)

1.2 施工方案比選

為最大限度地降低盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片拆除及開挖橫通道等工序?qū)Φ乇沓两导氨Ａ艄芷芰Φ挠绊?，分別就管片拆除及橫通道施工的對(duì)稱施工方案與兩側(cè)分別施工方案進(jìn)行了多次研討，最終確定管片拆除及橫通道施工采用兩側(cè)分別施工方案，即分別拆除兩側(cè)壁管片，并分別施工兩側(cè)的橫通道。同時(shí)明確提出以下技術(shù)要求：

(1)管片拆除前，在管片拆除部位架設(shè)型鋼支撐。

(2)待拆除管片先用水鉆鉆孔進(jìn)行應(yīng)力釋放。

(3)開挖橫通道前，先對(duì)橫通道拱部土體實(shí)施注漿加固。

(4)一側(cè)的橫通道施工完成后，再進(jìn)行另一側(cè)的橫通道施工。

1.3 施工步驟

破除盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片暗挖施工橫通道的施工步驟見圖2，具體步驟如下：

Step1大直徑盾構(gòu)過站后，施工盾構(gòu)隧道內(nèi)的頂縱梁、底縱梁、中隔墻；注漿加固側(cè)導(dǎo)洞周邊土體，施工側(cè)導(dǎo)洞、導(dǎo)洞內(nèi)圍護(hù)樁和樁頂冠梁，施工側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)的主拱初期支護(hù)并完成導(dǎo)洞背后的素混凝土回填。

Step2采用深孔注漿和超前小導(dǎo)管注漿補(bǔ)強(qiáng)的方式加固新增橫通道周圍的土體。注漿加固范圍為橫通道上下各1.8 m，左右各1.8 m(一環(huán)管片寬度)。

Step3分塊拆除兩側(cè)壁橫通道部位的盾構(gòu)管片，并及時(shí)架設(shè)開口環(huán)管片的臨時(shí)支撐。

Step4沿著垂直于盾構(gòu)隧道軸向的方向采用臺(tái)階法開挖橫通道至側(cè)導(dǎo)洞位置，施工橫通道初期支護(hù)。上臺(tái)階拱腳的初期支護(hù)設(shè)鎖腳錨桿并注漿加固土體。橫通道貫通后結(jié)構(gòu)的三維效果見圖2(e)。

圖2 破除盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片暗挖橫通道施工步驟

Step5采用深孔注漿和超前小導(dǎo)管注漿補(bǔ)強(qiáng)的方式加固橫通道部位中洞拱部周圍土體。

Step6分段拆除側(cè)導(dǎo)洞位于橫通道上方的部分初期支護(hù)，通過側(cè)導(dǎo)洞沿著隧道軸向反掏橫通道上部土體，形成橫通道部位中洞拱部初期支護(hù)施工所需的空間，施工橫通道部位中洞拱部初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

Step7拆除封頂塊K管片兩側(cè)小塊、B管片、橫通道頂部初期支護(hù)和側(cè)導(dǎo)洞位于橫通道范圍內(nèi)的初期支護(hù)，施工橫通道部位中洞拱部二次襯砌，形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需的橫通道施工作業(yè)面。

1.4 施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

采用破除大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片暗挖施工橫通道的施工技術(shù)能解決擴(kuò)挖車站時(shí)由于施工場(chǎng)地占地困難導(dǎo)致擴(kuò)挖施工作業(yè)面不足的難題，可根據(jù)實(shí)際施工需要增加所需的擴(kuò)挖施工作業(yè)面，與傳統(tǒng)的施工方法相比，具有以下幾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)利用大直徑盾構(gòu)隧道作為施工作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)空間開闊，有足夠的空間供大型施工設(shè)備使用，車輛往來(lái)和材料運(yùn)輸便利，有利于組織靈活高效的施工。

(2)當(dāng)拆遷、管線改移等原因?qū)е聰U(kuò)挖車站施工占地困難，無(wú)法按預(yù)定計(jì)劃施工時(shí)，采用上述方法，可以在不占用地面空間的情況下，增加擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)的施工橫通道，保證工程能按期完成。

2 鄰近管片力學(xué)行為數(shù)值計(jì)算與分析

2.1 三維數(shù)值模型建立

高家園站由大直徑盾構(gòu)隧道擴(kuò)建的站臺(tái)層高10.14 m，寬17.8 m?？紤]邊界效應(yīng)，三維計(jì)算模型在橫向?qū)挾壬先≤囌就鈧?cè)各3倍的車站寬度，約125.0 m；在垂直方向上，上側(cè)為拱頂覆土厚度約15.0 m，下側(cè)土體厚度取車站高度的2.5倍，約25.4 m，故垂直方向的尺寸為50.5 m；橫通道寬5.4 m(3環(huán)管片寬度)，因此，模型的縱向取17環(huán)管片，每環(huán)寬1.8 m，故模型的縱向長(zhǎng)度為30.6 m。模型的最終尺寸確定為125.0 m(X方向)×50.5 m(Z方向)×30.6 m(Y方向)。主要模擬破除管片、暗挖橫通道以及反掏形成中洞橫斷面三個(gè)施工步驟。三維計(jì)算模型見圖3。

圖3 三維計(jì)算模型(單位：m)

2.2 材料本構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)

土層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，用三維實(shí)體單元模擬。根據(jù)《北京地鐵14號(hào)線15標(biāo)段高家園站地質(zhì)勘查報(bào)告》給出的地層物理力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，本文采用的土層物理參數(shù)見表1。兩側(cè)導(dǎo)洞及中洞周邊采用超前小導(dǎo)管注漿加固，模型中通過提高導(dǎo)洞周邊土體參數(shù)對(duì)加固地層進(jìn)行模擬。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)管片厚0.5 m，每環(huán)管片寬1.8 m，混凝土等級(jí)為C50，采用彈性板單元模擬；初期支護(hù)厚0.3 m，混凝土等級(jí)為C25，采用彈性板單元模擬；中隔墻混凝土等級(jí)為C40，采用彈塑性實(shí)體單元模擬；圍護(hù)樁混凝土等級(jí)為C20，采用彈塑性實(shí)體單元模擬；導(dǎo)洞回填采用C20素混凝土，彈塑性實(shí)體單元模擬，二次襯砌厚0.8 m，混凝土等級(jí)為C40，采用彈性板單元模擬。結(jié)構(gòu)單元的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型邊界條件

三維模型的邊界條件設(shè)置如下：模型的地表為自由邊界，作用有20 KPa的地面超載，下表面限制垂直位移，左右和前后表面限制法向位移。假設(shè)初始地應(yīng)力場(chǎng)僅由土體的自重產(chǎn)生，由于采用施工降水，不考慮地下水的影響。

2.4 數(shù)值計(jì)算施工階段的定義

計(jì)算模型考慮了拆除橫通道部位管片，施工暗挖橫通道和反掏橫通道上部土體，形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需的橫通道施工作業(yè)面的施工步驟，對(duì)模型計(jì)算的施工階段進(jìn)行如下定義：

(1)初始階段：橫通道部位管片拆除前的施工階段，對(duì)應(yīng)1.1節(jié)中施工步驟Step1。

(2)破除管片階段：拆除橫通道部位的管片，架設(shè)開口環(huán)管片的臨時(shí)支撐，對(duì)應(yīng)1.1節(jié)中施工步驟Step2、Step3。

(3)暗挖橫通道階段：暗挖橫通道至邊導(dǎo)洞位置，并施工初期支護(hù)，對(duì)應(yīng)1.1節(jié)中施工步驟Step4。

(4)反掏土體階段：反掏橫通道上部土體，形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需的橫通道施工作業(yè)面(簡(jiǎn)稱為反掏土體階段)，對(duì)應(yīng)1.1節(jié)中施工步驟Step5～Step7。

2.5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

橫通道部位的管片拆除及橫通道施工必然會(huì)對(duì)鄰近管片造成擾動(dòng)，通過對(duì)以上施工階段的數(shù)值計(jì)算，得到隧道腰部和肩部管片應(yīng)力，見表3，橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)力分布見圖4(圖中負(fù)值為壓應(yīng)力)。

圖4 橫通道兩側(cè)鄰近管片環(huán)向與軸向應(yīng)力曲線(單位：MPa)

表3 橫通道兩側(cè)管片腰部和肩部壓應(yīng)力值

根據(jù)圖4、表3，對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)力變化分析如下：

(1)管片所受的最大壓應(yīng)力位置比較固定，一般都出現(xiàn)在管片的肩部，而且最大壓應(yīng)力值在施工過程中波動(dòng)幅度較小。具體表現(xiàn)為：在破除管片過程中，環(huán)向最大壓應(yīng)力由5.97 MPa增加到7.23 MPa，增幅為1.26 MPa；在開挖橫通道過程中，環(huán)向最大壓應(yīng)力由7.23 MPa增加到了7.54 MPa，增幅為0.31 MPa；在反掏橫通道上部土體形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需通道的過程中又出現(xiàn)了由7.54 MPa到6.59 MPa的回落，減幅為0.95 MPa。沿軸向(隧道中軸線方向)壓應(yīng)力也重復(fù)了一個(gè)類似的變化過程。但是鄰近管片的環(huán)向和軸向的最大壓應(yīng)力均沒有超過管片C50混凝土所能承受的最大壓應(yīng)力值，表明施工對(duì)管片結(jié)構(gòu)不會(huì)造成破壞。

(2)拆除管片工況對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片的應(yīng)力影響最大，暗挖橫通道及反掏橫通道上部土體形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需通道的施工過程對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片的影響較小。

總體來(lái)看，拆除管片、暗挖橫通道以及反掏橫通道上部土體形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需通道等工況對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片的影響不會(huì)危及到管片結(jié)構(gòu)安全。高家園站的工程實(shí)踐也證明了該施工方案的可行性。

3 拆除管片及暗挖橫通道工況下鄰近管片應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)目的

拆除與橫通道交叉部位的管片必然會(huì)引起管片應(yīng)力釋放，造成橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，為了確保管片結(jié)構(gòu)安全，在拆除橫通道管片以及開挖橫通道過程中，對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為加固方案的制定提供依據(jù)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

本工程采用表面應(yīng)變計(jì)作為管片應(yīng)變變化監(jiān)測(cè)元件，通過實(shí)測(cè)頻率變化即可計(jì)算出表面應(yīng)變值，進(jìn)而計(jì)算出管片應(yīng)力變化。

管片拆除前在橫通道兩側(cè)鄰近管片上鉆孔，然后將表面應(yīng)變計(jì)通過膨脹螺栓固定在管片上，表面應(yīng)變計(jì)將和管片同步感受到該部位所產(chǎn)生的應(yīng)變，并將應(yīng)變反應(yīng)在頻率變化上，通過傳感器輸出。當(dāng)頻率儀接收到的頻率低于初始頻率時(shí)，表明此時(shí)管片處于受壓狀態(tài)；相反，則表明該處管片處于受拉狀態(tài)。

選取橫通道SMD1和SMD2兩側(cè)的鄰近管片進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表面應(yīng)變計(jì)布置見圖5。測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明如下：監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道腰部，每個(gè)橫通道布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿管片軸向和環(huán)向各布置1個(gè)應(yīng)變計(jì)，共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，16個(gè)表面應(yīng)變計(jì)。

圖5 橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片上表面應(yīng)變計(jì)的頻率采集，獲得了2014-06-08—2014-07-27的表面應(yīng)變計(jì)頻率值，其中把第一次測(cè)得的頻率定為初始頻率，之后各頻率與初始頻率進(jìn)行比較，若測(cè)得頻率小于初始頻率表明該處受壓，相反則受拉。

為了更加明確的表達(dá)橫通道管片拆除及后續(xù)施工對(duì)鄰近管片的影響，將測(cè)得的頻率轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值，即

(1)

式中：ε為表面應(yīng)變值，為負(fù)值時(shí)，表明管片產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變，為正值時(shí)，表明管片產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變；f1為測(cè)試頻率，Hz；f0為初始頻率，Hz；K為表面應(yīng)變計(jì)率定系數(shù)。

根據(jù)胡克定律，計(jì)算得各測(cè)點(diǎn)處管片由于施工引起的附加應(yīng)力，表達(dá)式為

Δσ=EΔε

(2)

式中：E為管片混凝土的楊氏模量；Δσ為測(cè)點(diǎn)處管片由于施工引起的附加應(yīng)力；Δε為測(cè)點(diǎn)處管片由于施工引起的附加應(yīng)變。

限于篇幅，這里只給出橫通道SMD1的監(jiān)測(cè)結(jié)果，SMD2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律與之類似。橫通道SMD1的鄰近管片環(huán)向和軸向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律分別見圖6、圖7。各測(cè)點(diǎn)的最大附加應(yīng)力見表4。

圖6 橫通道兩側(cè)管片環(huán)向應(yīng)力曲線

圖7 橫通道兩側(cè)管片軸向應(yīng)力曲線

表4 管片各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大附加壓應(yīng)力值

根據(jù)圖6、圖7和表4，對(duì)橫通道兩側(cè)鄰近管片應(yīng)變和應(yīng)力發(fā)展規(guī)律分析如下：

(1)橫通道部位的管片拆除后，鄰近管片應(yīng)力出現(xiàn)突變。具體表現(xiàn)為：管片環(huán)向壓應(yīng)力突變?cè)隽繛?1.64～-2.01 MPa;管片軸向壓應(yīng)力突變?cè)隽繛?0.62～-0.73 MPa。這表明拆除橫通道部位的管片對(duì)鄰近管片造成顯著影響。

(2)管片拆除后，隨后進(jìn)行的暗挖橫通道、反掏橫通道上部土體、形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需通道的施工中，鄰近管片的軸向應(yīng)力先有小幅度增加，隨后逐漸回彈到初始值附近，并逐漸趨于穩(wěn)定，表明后續(xù)施工對(duì)管片軸向應(yīng)力影響不明顯。而管片的環(huán)向應(yīng)力隨施工的進(jìn)行有明顯的起伏變化，但最后均逐漸回歸到初始值附近，表明后續(xù)施工對(duì)鄰近管片的環(huán)向應(yīng)力有一定影響，但隨著橫通道開挖的施工作業(yè)面逐漸遠(yuǎn)離管片，由施工引起的管片附加應(yīng)力最終會(huì)逐漸消散。

(3)實(shí)測(cè)得到的鄰近管片應(yīng)力變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。但鄰近管片最大附加壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)值比數(shù)值計(jì)算值略大，具體表現(xiàn)為：實(shí)測(cè)得到管片環(huán)向最大附加壓應(yīng)力值約-2.33 MPa，而數(shù)值計(jì)算得到管片腰部環(huán)向附加壓應(yīng)力值約為-1.85 MPa;實(shí)測(cè)得到管片軸向最大附加壓應(yīng)力值約-0.86 MPa，而數(shù)值計(jì)算得到管片腰部軸向附加壓應(yīng)力值約為-0.29 MPa。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片拆除形成擴(kuò)挖通道對(duì)鄰近管片力學(xué)行為的影響。主要結(jié)論如下：

(1)詳細(xì)闡述了“拆除大直徑盾構(gòu)隧道側(cè)壁管片形成擴(kuò)挖車站通道”的施工方法與關(guān)鍵技術(shù)，工程實(shí)踐表明：該方法能夠有效解決車站擴(kuò)挖施工作業(yè)面不足的難題，對(duì)類似工程具有重要的參考價(jià)值。

(2)拆除橫通道部位的管片會(huì)使鄰近管片的環(huán)向壓應(yīng)力和軸向壓力分別增大-1.64～-2.01 MPa和-0.62～-0.73 MPa；暗挖橫通道階段也會(huì)使鄰近管片的環(huán)向和軸向附加應(yīng)力小幅度增加，但反掏橫通道上部土體形成擴(kuò)挖車站結(jié)構(gòu)所需橫通道的施工階段會(huì)使鄰近管片的附加應(yīng)力逐漸減小，最終鄰近管片的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)回到施工前的初始值附近。表明在整個(gè)施工過程中，拆除橫通道管片對(duì)鄰近管片影響最大，暗挖橫通道等后續(xù)施工對(duì)鄰近管片的影響較小。

(3)拆除管片及暗挖橫通道等施工在鄰近管片上引起的附加壓應(yīng)力較小(最大附加壓應(yīng)力約為-2.33 MPa)。這表明：只要加固措施得當(dāng)，拆除橫通道部位的管片及后續(xù)施工對(duì)橫通道鄰近管片安全的影響是可控的。