盾构法施工三条平行隧道地铁车站时的开挖结构力学行为

盾构法施工三条平行隧道地铁车站时的开挖结构力学行为研究前言我国地铁车站的施工大多采用明挖法，如北京西客站地铁车站[1]。明挖车站的结构型式有矩形框架结构和拱形结构两种，明挖法造价底、施工方便。但是，明挖法施工对城市居民的生活干扰大，应用受到各种因素的限制，特别是地面交通和环境。当地面不能提供全部明挖作业条件时，可采用盖挖法施工，如上海延吉中路地铁车站[2]。盖挖法修建地铁车站时，采用围护结构和支撑体系在较繁忙交通路段利用结构顶板或临时结构设施维持路面交通，在其下进行车站施工。因此，目前盖挖法也成为修建地铁车站的主要方法，在世界上盖挖法修建车站占有很大比例。当地面交通不提供明挖或盖挖作业条件时，只能采用暗挖法施工，当车站埋深小时，采用暗挖法施工，如北京地铁西单车站就是采用浅埋暗挖法修建的。而目前，在我国城市地下铁道建设中，区间隧道多采用盾构法修建，如上海、广州和南京等，盾构法具有良好的防渗漏水性、安全快速和对环境影响小等优点。这样就要求先修建地铁车站，然后将车站的端头井作为盾构施工的始发与到达井，而车站所占的土建费用又昂贵，故导致工期增长、造价增加。如果采用在盾构隧道的基础上扩建地铁车站这一施工思路，可有效地提高盾构机的掘进长度，同时无需先修车站，这样可缩短建设周期，从而从总体上降低工程造价，还可避免明挖法对交通要道的占用、影响车辆通行等弱点[3]。在国外配合盾构法修建地铁车站得到了大量采用，如日本在盾构隧道的基础上，采用托梁法或半盾构法扩挖建成地铁车站，如日本采用托梁法建成了营团地铁8号线的永田町站[4]；而前苏联，以小盾构隧道为拱座，修建单拱结构车站，如俄罗斯彼得保勇敢广场站[5]。本文对在区间盾构隧道的基础上修建地铁车站的方案进行了研究，提出了三条平行隧道岛式站台车站方案。并就中间车站隧道的开挖方法进行了方案研究，包括全断面、预留核心土台阶法和CRD法，得出推荐施工方法。同时，就施工对地面环境的影响范围和隧道衬砌结构的安全性进行了分析。1车站情况概要模拟车站地层从上到下为人工填土，冲积粘土层，残积土层，岩石强、中等风化带，岩石风化带和岩石微风化带。该段地层主要为部分地段砂层孔隙水,及中风化岩裂隙水，稳定地下水位埋深1.90～5.70m。场地为第四系覆盖层以人工堆积、冲积、洪积、残积为主，厚5.1～14.5m，局部可见透镜体状淤泥质土和细砂，地质构造简单。拟采用盾构过站后扩挖建成三条平行隧道岛式站台车站的施工方案。即在两条已经建成的区间盾构隧道中间，再单独采用暗挖法修建一条结构独立的隧道作为站台，用联络通道的方式将该隧道与盾构隧道联结，站厅设在地面或两端地下，站台两端还可设辅助用房，按照三级车站的标准设计的断面如图1所示。盾构隧道采用常用的断面3m半径。图1车站站台断面图（单位：mm）2施工方案设计共设计了四种施工方案，包括全断面开挖法（方案A和方案B，其中方案A为没有加固圈）、预留核心土台阶法（方案C）和CRD法（方案D），其施工顺序见图2。图中：S0为初始地应力场的模拟计算；S1开挖并支护左盾构隧道；S2开挖并支护右盾构隧道；S3—S7为超前支护开挖中间隧道土体和喷射混凝土支护以及二次衬砌的施作等。盾构隧道管片衬砌采用C50钢筋混凝土，考虑到接头对管片结构整体抗弯刚度的影响，取刚度折减系数为0.75、弯矩增大率系数0.3[4]。二次衬砌为C30钢筋混凝土，临时支护钢支撑用14号工字钢、每米2榀、喷射混凝土用C20、厚25cm。拱顶地层加固范围为2.0m，采用超前小导管注浆进行加固，加固的效果要达到III类围岩的要求。3数值模拟3.1建模考虑车站隧道为细长结构物，属于平面应变力学模型，采用FLAC进行施工数值模拟分析。由于城市地铁的地质条件多以软土为主，故采用大变形条件下的弹塑性摩尔－库仑本构模型进行模拟围岩，支护衬砌结构采用弹性本构模拟，采用开挖单元和载荷释放的概念来模拟隧道的开挖[6]。采用实体单元模拟围岩和二次衬砌，壳体单元盾构管片衬砌和临时支护结构，加固区岩体和超前支护采用将围岩参数提高的等效方法进行模拟，所有材料物理力学参数列于表1中。计算边界：左右边界为2倍三条平行隧道总跨度，下边界为1.5倍中洞高；则计算模型为150m×38m；隧道埋深13.5m。模型网格见图3所示。图2不同方案施工顺序图3计算模型网格表1材料物理力学参数材料γ/kN/m3E/GPaμc/kPa/°围岩类别围岩20.00.80.3820.523.5Ⅱ加固圈20.03.00.32300.531.0ⅢC50钢筋砼25.034.50.2------C30钢筋砼25.030.00.2------C20混凝土25.021.00.2------3.2计算结果分析（1）施工方案的选择不同施工方案条件下地表沉降曲线如图4所示，每一种施工方案对应的地表沉降随开挖变化图见图5，其中L为左盾构隧道正上方，R为左盾构隧道正上方，Z为中隧道正上方。由图4可知，随着施工方案的不同，产生的最大地表沉降量也不同。在中间隧道拱顶地层都进行加固的情况下，全断面施工（方案B）所产生的地表沉降最大、而CRD法（方案D）所产生的最小、预留核心土台阶法（方案C）界于全断面和CRD之间。同是全断面开挖，而不进行拱顶地层加固所产生的地表沉降量的最大值为9.23cm，加固时为4.15cm。说明在采用暗挖法开挖中间隧道之前，先进行拱顶地层加固对控制地表下沉相对有利。由于城市地面环境对地表下沉控制严格，通常要求最大下沉不超过3cm、最大隆起不超过1cm，故在采用暗挖法开挖中间隧道之前，必须采用超前支护措施，如小导管注浆加固或者大管棚等。在中隧道拱顶地层加固条件下，其加固参数应达到本次计算所采用的数值，C和D两种施工方案都是可行的。但是采用CRD法施工时，其开挖和支护的工序较多、施工进度慢和造价高等，故推荐采用预留核心土台阶法开挖，即施工方案C。（2）地表沉降槽宽度分析由图5可看出，随着开挖的进行，其地表沉降逐渐增加，比较三个施工方案，方案B产生的地表沉降主要在中间隧道的全断面开挖步。由于盾构掘进而产生的地表最大沉降为1.5cm，没有超过3cm，说明盾构施工不需要对地层进行加固处理。三个施工方案的地表沉降槽宽度为90m左右，即两侧影响边界为盾构隧道两侧距离（简称总跨度，为30m）的1倍左右，见图5（d）。但是，从图4可看出，地表沉降大于2mm的沉降槽范围为60m左右，即两侧的影响范围为总跨度的0.5倍，相当于盾构隧道两侧2.5倍盾构隧道外径、或中间隧道两侧2.5倍隧道跨度左右（其跨度为10m）。因此，对于城市主干道建筑红线为60m的情况，因在盾构隧道的基础上暗挖修建三条平行隧道地铁车站时，不会影响两侧房屋建筑的正常使用。图4不同施工方案条件下地表沉降曲线（横坐标单位m，竖坐标单位mm）（a）方案B（b）方案C（c）方案D（d）方案C开挖完成时y方向位移（单位：m）图5地表沉降随开挖变化图注：L为左盾构隧道正上方，R为左盾构隧道正上方，Z为中隧道正上方。（3）推荐施工方案隧道衬砌结构内力分析盾构隧道管片衬砌结构、初期支护和二次衬砌的第一主应力和第三主应力如图6所示。盾构隧道管片和初期支护结构的最大压应力为0.15MPa、而最大拉应力为0.16MPa，满足结构设计时的承载能力极限状态的要求。中间隧道二次衬砌只受压，其最大压应力为1.2MPa，而二次衬砌采用的是C30混凝土，同样满足承载能力极限状态的要求。所以，采用预留核心土台阶法开挖（施工方案C）时，其采用的衬砌结构是安全的。盾构隧道管片和初期支护第三主应力盾构隧道管片和初期支护第一主应力二次衬砌的第一主应力二次衬砌的第三主应力图6方案C修建完成时隧道衬砌结构应力（单位：Pa）4结束语（1）在中隧道拱顶地层加固条件下，C和D两种施工方案都是可行的，但是综合考虑施工