發布時間：2021-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:盾構施工是地鐵區間隧道的首選施工方法，但盾構區間與車站在施工速度和組織上的矛盾，會導致盾構長距離掘進的優勢無法充分發揮。本文在總結以往國內外先盾后站技術的基礎上，提出基于洞內插管凍結的雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的施工方法。首先，對該
摘要:盾構施工是地鐵區間隧道的首選施工方法，但盾構區間與車站在施工速度和組織上的矛盾，會導致盾構長距離掘進的優勢無法充分發揮。本文在總結以往國內外“先盾后站”技術的基礎上，提出基于洞內插管凍結的雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的施工方法。首先，對該技術的施工流程、關鍵技術、適用條件、技術優勢與缺陷等進行詳細論述;然后，基于有限元模型，采用以殼單元模擬凍結管、以加固圈模擬凍結土體、以剛度折減法模擬管片接縫的方式，對雙線盾構插管凍結擴建地鐵車站施工過程中的結構變形、受力及地表沉降特性等進行分析。最后，得到如下結果:1)得出了擴建施工所引起的地表變形規律及最大沉降值;2)明確了既有盾構結構隨施工過程的變形階段;3)確定了擴建施工過程中既有盾構及托梁、立柱的受力敏感區域;4)有針對性地提出了既有盾構管片的加固方案和防水措施。本文研究的目的在于闡明雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的插管凍結法及其施工力學特性，為盾構區間與車站施工矛盾、無拆遷條件必須“甩站”通過等工程問題提供一種有效的解決途徑。
關鍵詞:地鐵車站;插管凍結法;盾構隧道;擴建施工;力學特性
0引言
盾構法以其安全高效、對環境影響小、綜合造價低等優勢成為地鐵區間隧道施工的首選方法[1]。但因盾構區間與車站在施工速度與組織上的矛盾導致盾構施工區間劃分過短、盾構區間等待時間長等問題，致使盾構設備利用率降低，嚴重制約了盾構優勢的發揮[2]。在盾構區間隧道的基礎上，以暗挖方法擴挖車站則成為解決上述矛盾的有效方法。另外，對于車站拆遷困難必須“甩站”通過時，“先盾后站”也是一種有效的解決途徑[3]。
“先盾后站”即在盾構隧道的基礎上，通過明挖或暗挖方法擴建形成車站的施工方法[4]。該方法在前蘇聯及日本應用的實例較多，如采用“半盾構”擴建的蘇聯馬雅克夫斯基站、巴維列茨克站和莫斯科站[5]，日本的樂街站、半藏門站、馬險町站和永田街站等[6];采用礦山法擴建的蘇聯圣彼得堡站、日本高侖站[7-8]。目前，我國在盾構先行擴建車站上已進行了一些有益嘗試，但實際應用仍較少，在雙線盾構區間隧道基礎上擴挖車站的實例則更少。這些嘗試包括:北京地鐵14號線將臺站和高家園站采用PBA法在大盾構的基礎上擴挖車站[9-11]、北京地鐵6號線在盾構區間的基礎上以CRD法擴挖車站[12]、重慶市軌道交通6號線一期工程紅土地站以“先拱后墻法”TBM先行過站后擴挖車站[13];以城市人防洞室擴挖地鐵車站的廣州地鐵6號線、重慶軌道交通1號線[14-15];采用盾構+明挖法擴建車站的北京地鐵10號線三元橋站、5號線北新橋站，蘭州地鐵1號線省政府站等[16]。
國內外學者針對盾構區間隧道擴挖車站已開展了一些相應研究。李圍等[17]以廣州地鐵3號線林和西路站為研究對象，采用模型試驗方法對擴挖區間盾構隧道建成兩連拱隧道地鐵車站的施工力學特性進行了分析;安軍海等[18]基于振動臺模型試驗，對可液化場地下盾構擴挖地鐵車站結構地震破壞機制進行了研究;文獻[19]以伊朗那格什賈漢廣場平行盾構區間隧道擴挖地鐵車站工程為依托，采用有限差分法，對分部開挖法與大直徑彎管棚頂法，地層與地表變形控制的有效性進行了對比分析;文獻[20]以沙特利雅得地鐵5號線為背景，提出了明挖“先盾后站”擴建地鐵車站過程中保持TBM隧道穩定的措施;文獻[21]分析了伊朗大不里士地鐵1號線曼蘇爾站修建中所采用的混凝土拱預支撐系統(CAPS)，以及TBM掘進過站施工技術的可行性。然而，針對軟土地層雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的施工方法及力學特性研究則相對較少。
本文在充分調研國內外“先盾后站”技術的基礎上，提出軟土地層雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的插管凍結法。對該技術的施工工藝、關鍵技術、適用條件、技術優勢與缺陷等進行詳細論述。繼而，依托杭州地鐵2號線某盾構區間隧道，采用三維有限元模型，基于等效剛度法以殼單元模擬插管支護作用，通過剛度弱化模擬管片環向接縫，對該技術施工過程中新建結構、既有結構及地層的受力、變形特性進行分析;并有針對性地提出相應的管片加固與接頭防水措施，綜合論述該施工技術的可行性。
1擴建技術
1.1工藝流程
雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站的插管凍結法是在既有平行盾構區間隧道的基礎上，進行插管(凍結管)凍結形成臨時支撐，在盾構內設置托梁與立柱，以復合式襯砌作為站廳受力與防水體系，最后在凍結管內注入混凝土，形成永久性支護的方法。
盾構擴建車站施工如圖1所示。插管凍結法施工工序主要包括4步:1)定向頂進，在雙線盾構管片上分別進行開口，而后進行反力架和導向架的架設，進而通過帶導向的頂推系統，將帶有刃角的空心雙層凍結管頂推至預定位置(凍結管由多節組成，內部帶有鋼肋);2)進行托梁和立柱的施工，同時對土體進行凍結;3)待地層強度達到要求后，采用臺階法開挖并進行初期支護，開挖完成后施作防水板和車站二次襯砌，待結構強度達到要求后，分層拆除管片;4)施作車站站臺，施工完畢。施工作業面有2種選擇，一種是通過盾構管片破除后由側向進入，進而進行開挖，渣土通過軌道排出;另一種是在車站端頭施作豎井，由縱向進行開挖，可結合盾構尺寸、施工機具和地表條件綜合確定。車站站廳部分土體開挖前，通過已拆除管片位置在兩側進行洞內井點降水，通過盾構隧道排出。由于凍結圍護有較好的止水效果，可以保證在較為干燥的狀態下進行車站站廳土體開挖。
插管凍結系統結構如圖2所示。管片開孔直徑為28.5～42.5cm，間距150cm，位于管片縱向中間位置。冷媒進回管為長0.7～1.0m的無縫鋼管節，冷媒進路鋼管直徑小于管片開孔孔徑0.5cm，冷媒回路鋼管直徑為28～42cm，凍結管厚度為1cm，冷媒進管、回管之間由厚1cm的加勁肋支撐。凍結壁厚度為2.0m，凍結壁平均溫度為-10℃，最低鹽水溫度為-28～-30℃，凍結土單軸抗壓強度不低于3.5MPa[22-23]。盾構內縱向總冷媒管外壁附有0.5cm厚的絕熱涂層。反力架由型鋼焊接或栓接而成，反力支座為三角形鋼墊塊，與反力架焊接。
車站立柱為60～70cm的矩形鋼筋混凝土立柱，立柱頂部和底部均為梯形鋼筋混凝土托梁。中洞土體開挖完成后，首先沿車站頂、底部開挖面鋪設3～5mm厚的土工布墊層和2～4mm厚的EVA防水板;然后，施作車站模筑襯砌，襯砌厚度35～40cm;最后，施作車站站廳底板。凍結管混凝土注漿在車站襯砌施工結束后進行，形成永久性支護結構。擴建完成后車站結構如圖3所示。
1.2關鍵技術
本施工技術包括“頂、支、拆”3項關鍵技術。首先，采用了洞內插管工藝，通過導向架與帶刃角的雙層空心凍結管，確保精確頂推與對接;其次，采用永臨結合的支護方式，插管在施工初期作為冷媒管進行地層加固，在二次襯砌施工結束后，在凍結管內注漿形成鋼管混凝土，成為永久性結構的一部分;最后，在拆除管片時，凍結支護與托梁、立柱共同承載，分層拆除避免安全事故。
2擴建施工數值模型分析
2.1模型及參數建立
本文以杭州地鐵2號線某盾構區間隧道實際工程為依托。區間主體雙線盾構呈東西走向敷設，區間全長503.4m，埋深為7.8～9.7m，先行線與后行線之間的軸線距離為12m。采用鋼筋混凝土式盾構管片，錯縫拼接，管片內徑5.5m，外徑6.2m，環寬1.2m，厚0.35m。盾構主要穿越軟弱地層，具有強度低、滲透性差、壓縮性高等特點。主要地層參數如表1所示。
采用MidasGTS模擬雙線盾構區間隧道擴建地鐵車站，構建三維地層結構模型，如圖4所示。地層、管片、凍結體及二次襯砌等采用實體單元，插管及中間土體采用殼單元，凍結壁采用加固圈的方式進行模擬。凍結管雙層套管外管直徑40cm，內管直徑14cm，壁厚1cm。
管片縱向以連續非均質模型進行模擬，管片為均質圓環，縱向連續，管片剛度按實際取值，在環縫位置，按環縫影響范圍對其剛度進行弱化;環縫影響長度為λl，λ為環縫影響系數(根據相關試驗取0.6)，l為螺栓長度(取40cm)[26]。插管截面見圖5。
數值模擬的施工步驟如圖6所示。①為修建兩側盾構隧道(施工步1—3);②為修建兩側托梁和立柱(施工步4);③插管施工及地層凍結加固(施工步5);④、⑤、⑥為臺階法開挖并進行初期支護(施工步6—23)，中洞采用臺階法施工，分為上臺階、下臺階及仰拱，開挖循環進尺為3m，每循環3步，縱向開挖7個循環進尺;⑦為修筑車站模筑襯砌(施工步24);⑧為拆除兩側部分管片(施工步25)。
2.2地表沉降特性
擴建車站施工引起的地表沉降如圖7所示。盾構隧道施工引起的沉降符合Peck曲線，車站中心上部地表沉降最大，沉降槽影響范圍左右各32.5m。盾構隧道地表沉降最大值為23.5mm，擴建施工引起的沉降增量較盾構施工沉降略小，最大值為19mm。
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擴建施工過程豎向位移云圖見圖8。相比插管、中洞拱頂和仰拱，既有盾構變形水平較低(最大變形值約為6mm);而中洞插管、開挖過程中均表現為拱頂下沉和仰拱隆起�？鄢Ｐ投瞬坑绊�，中洞插管施工時，中洞拱頂的最大沉降變形值為29mm，仰拱的最大隆起變形值為34mm;中洞開挖時，中洞拱頂的最大沉降變形值為32mm，仰拱的最大隆起變形值為31mm。開口破除工序對中洞拱頂和仰拱的變形影響不大，為2～3mm。
2.3管片結構力學特性
由于盾構及擴建車站為對稱結構，選取右側未破除部分管片作為研究對象，分析擴建施工對既有盾構結構變形的影響，盾構的豎向位移沿隧道縱向分布見圖9。右側既有盾構管片的拱頂沉降最大，而后依次為左上、左下、右側及仰拱。盾構既有結構各點位移分布規律基本相同，隨著擴建施工的推進，其沉降曲線特征大致呈3個階段。第1階段為立柱施工至插管凍結，最大沉降為3.2mm，該階段的沉降速率最大;第2階段在凍結完成后，隨著中洞臺階法開挖循環進尺的開展，拱頂沉降逐步增長至10.4mm;第3階段為管片拆除，沉降略有減小，拱頂沉降值為9.8mm。軌道所處位置為仰拱之上，其沉降值可參考仰拱沉降，最大值為5.1mm。
2.4盾構結構力學特性
擴建施工過程的管片最大主應力云圖見圖10。主應力主要集中于管片頂部和底部的內側。最大主應力值約為2.6MPa，有開裂風險，需要對管片進行加固。立柱靠中洞側以及托梁上的拉應力較其他位置略大，但尚處于安全狀態。
右側既有盾構最大主應力隨施工步變化曲線如圖11所示。管片主應力在中洞開挖前基本無變化，隨著施工的推進，應力值逐步增大。到第4—5循環，管片與中洞銜接的左上位置應力有較大增長，最大值達2.8MPa，超過了管片的抗拉極限，說明管片破除位置是結構受力的敏感區域。
擴建施工過程中的最小主應力云圖如圖12所示。主壓應力主要集中于立柱內側、管片下部與中洞銜接位置以及側面管片內側，最大壓應力值約為5.5MPa，管片處于安全狀態。
右側既有盾構主壓應力隨施工步的變化曲線如圖13所示。隨著施工的開展，車站位置既有管片應力逐步增大，從開挖第1循環起，應力增幅較大;到第4循環后，應力逐步平穩，左下位置主壓應力最大，為5.5MPa。
3加固與防水措施
3.1管片加固
盾構管片拆除是整個施工過程的風險源之一，管片拆除后車站區域既有盾構管片會產生應力和變形的重分布，管片局部有開裂風險。在管片拆除前通過洞內縱向與環向加固可以確保管片拆除過程中的結構穩定與施工安全[29]。縱向加固采用長度9m的I20a工字鋼，并通過螺栓將工字鋼與管片相連，每根工字鋼與6環管片搭接，環向間距40～60cm。環向采用18#工字鋼，每環設置2榀，與縱向I20a工字鋼之間采用焊接或螺栓連接[30]，如圖14所示。管片拆除后還會引起管片的縱向變形，而位于中洞端頭的車站擋墻或豎井圍護結構，可以保證盾構區間與車站銜接段管片的縱向穩定。——論文作者：胡指南1，孟祥飛1，2，劉志春1，*，林攀1，王煦霖3
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