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

PAGE5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计算模型网格宅表贷1丹星竿材料物理力学凉参数佛材料自γ莫/kN/m娇3蝴E/GPa鲜μ塔c/kPa竭/°贡围岩类别现围岩笋20.0撇0.8剂0.38麦20.5披23.5易Ⅱ嫁加固圈遥20.0颤3.0宿0.32雷300.5盘31.0舒Ⅲ玻C5延0炼钢筋砼商25.0钢34.5嫁0.2杰--餐--换--甘C3同0严钢筋砼格25.0椅30.0核0.2评--蔬--拿--绑C2撞0骆混凝土馆25.0穴21.0蝶0.2鲜--挣--肚--每3坦.2旺孩计算结果分析浆（侨1野）施工方案的葬选择玉不同施工方案哑条件下地表沉费降曲线如印图霜4率所示，每一种示施工方案对应啦的地表沉降随拼开挖变化图见穷图翠5撞，其割中推L抬为左盾构隧道荒正上方伯，册R熄为左盾构隧道文正上方骡，澡Z渗为中隧道正上眉方。动由月图壳4播可知，随着施秋工方案的不同腔，产生的最大办地表沉降量也匪不同。在中间抵隧道拱顶地层累都进行加固的输情况下，全断诊面施工（方册案旅B系）所产生的地芬表沉降最大、漂而居CR宇D瞧法（方念案运D异）所产生的最叛小、预留核心告土台阶法（方驾案智C扑）界于全断面捡和沾CR冷D导之间。同是全垂断面开挖，而例不进行拱顶地态层加固所产生俱的地表沉降量检的最大值为披9.23cm胆，加固时为笼4.15cm若。说明在采用闸暗挖法开挖中鱼间隧道之前，谣先进行拱顶地寸层加固对控制款地表下沉相对怨有利。由于城晃市地面环境对斧地表下沉控制至严格，通常要违求最大下沉不倦超过农3cm谈、最大隆起不暴超过耐1cm课，故在采用暗酿挖法开挖中间卵隧道之前，必于须采用超前支恰护措施，如小兔导管注浆加固遵或者大管棚等甜。在中隧道拱孩顶地层加固条愚件下，其加固予参数应达到本特次计算所采用助的数值悄，物曲C仍和舍D流两种施工方案述都是可行的。娱但是采榆用挺CR总D艰法施工时，其轰开挖和支护的查工序较多、施突工进度慢和造刑价高等，故推焰荐采用预留核扔心土台阶法开始挖，即施工方懒案逗C言。刺（躁2张）地表沉降槽框宽度分析说由窑图首5基可看出，随着宏开挖的进行，相其地表沉降逐蜜渐增加，比较狡三个施工方案熔，方判案低B肆产生的地表沉爸降主要在中间锄隧道的全断面私开挖步。由于下盾构掘进而产枝生的地表最大宾沉降为扯1.5cm仙，没有超过信3cm冰，说明盾构施观工不需要对地吸层进行加固处锈理。三个施工纯方案的地表沉柔降槽宽度为您90m插左右，即两侧恳影响边界为盾杜构隧道两侧距忍离（简称总跨诚度，为啦30m逮）架的泡1诊倍左右，见笛图孩5尖（允d兔）。但是，从厨图门4摄可看出，地表箱沉降大于容2mm而的沉降槽范围申为论60m授左右，即两侧帽的影响范围为仙总跨度吊的忌0.纯5歉倍，相当于盾霜构隧道两口侧千2.史5捏倍盾构隧道外招径、或中间隧本道两饭侧常2.矿5背倍隧道跨度左狐右（其跨度为叼10m前）。因此，对奋于城市主干道已建筑红线为产60m烘的情况，因在思盾构隧道的基独础上暗挖修建只三条平行隧道辉地铁车站时，责不会影响两侧素房屋建筑的正赔常使用。给图扯4桃碍不同施工方案介条件下地表沉浩降曲线（横坐头标单学位纹m施，竖坐标单茫位段m陷m赴）丝（卫a主）方葱案但B康增父蚕势蔬即沫（僵b为）方构案文C胡（老c脖）方辰案刑D微槽船盛底锅（猛d雀）方裙案菠C筛开挖完成远时偿y诚方向位移（单孔位胳：荐m臭）须图带5让幼地表沉降随开晒挖变化图疏注倡：席L鬼为左盾构隧道桃正上方匠，里R僚为左盾构隧道席正上方寸，准Z勾为中隧道正上确方。顾（男3相）推荐施工方铲案隧道衬砌结吗构内力分析给盾构隧道管片娃衬砌结构、初邪期支护和二次淘衬砌的第一主派应力和第三主搞应力如开图液6淹所示。盾构隧惹道管片和初期私支护结构的最喉大压应力顷为美0.15MP齿a嚷、而最大拉应沸力挨为狗0.16MP俘a帐，满足结构设甚计时的承载能夹力极限状态的珠要求。中间隧网道二次衬砌只锡受压，其最大用压应力爽为寿1.2MP资a木，而二次衬砌眯采用的妥是驳C3谱0牙混凝土，同样壤满足承载能力俭极限状态的要饰求。所以，采辜用预留核心土懒台阶法开挖（腾施工方纳案夕C吵）时，其采用烟的衬砌结构是绪安全的。俭盾构隧道管片既和初期支护第呜三主应力丙圾师盾构隧道管片些和初期支护第拌一主应力贷错房二次衬砌的第域一主应灌力丘傲胁咱疾献盟二次衬砌的第掀三主应力躲图核6陕泊方垄案来C桑修建完成时隧威道衬砌结构应煌力（单位员：按P鸦a僻）4结束语当（暖1至）在中隧道拱烫顶地层加固条偶件下轻，觉C礼和矮D塞两种施工方案损都是可行的，附但是综合考虑皆施工进度和造木价高等因素，幅推荐采用施工梁方枕案故C