盾构隧道拓建地铁车站施工方法研究

刘 昕

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引言

目前国内城市地下轨道交通的建设中，车站主要采用明挖法或暗挖法施工，区间隧道多采用盾构法施工。基于这种构建方式，其一，地铁车站的施工进度直接影响盾构区间隧道施工工期，容易造成车站与区间隧道施工工期的矛盾［1］;其二，盾构法施工的区间比较分散，导致盾构投入台数过度而降低了设备利用率，或盾构机拆装次数增多，导致平均掘进速度下降而延长工期［2-4］。为此，在前苏联、日本等国出现了盾构隧道扩挖修建地铁车站的工程实例，即盾构先行过站后进行盾构隧道扩挖修建地铁车站。

针对广州市轨道交通6号线东山口站工程，研究盾构先行条件下扩挖成地铁车站的合理施工方法，严格控制地层沉降，对保证周边建(构)筑物有着重要的意义。

1 工程概况

广州市轨道交通6号线东山口站位于中山一路和署前路交叉路口，为地铁1号线、6号线换乘站。车站采用明挖和暗挖结合的方法施工，车站左线暗挖段总长181.48 m，右线暗挖段长度为139.76 m，拱顶距地面18.8 m ～19.85 m，拱底距地面 27.05 m ～27.53 m，左右线间距27 m。车站站台层采用单层单洞暗挖形式，中部暗挖横、纵向通道连通左右线站台，车站站厅及设备层布置在明挖4层多跨结构中。

左线暗挖段站台隧道下穿20世纪70年代修建的二轻工业集团A6综合楼，该楼沿署前路南北向布置，位于隧道的正上方。A6综合楼长38.8 m，宽13 m，其桩基为φ300锤击灌注桩，桩长6 m～8 m，桩身主要穿过③2冲积～洪积中粗砾砂层、④1粉质粘土层，桩底在④1粉质粘土层和⑤1可塑粘性土或稍密～中密状粉土残积土层，属摩擦桩，桩底距隧道顶净距约为7.1 m～9.5 m。设计推荐采用为CRD法施工。

2 扩挖施工工序的计算分析

2.1 扩挖施工方案对比

根据已建盾构隧道与暗挖隧道的关系，特提出以下两种方案(见图1):方案一，两台阶四步开挖法，即首先开挖盾构隧道顶以上的①部，施作初期支护;开挖暗挖隧道中心上方的②部土体，并及时施作对应初期支护;分块拆除盾构管片③;开挖④部土体，及时施作初期支护;开挖最下部土体⑤并及时施作初期支护。方案二，两台阶两步开挖法，首先开挖暗挖隧道中心上方的①部土体，及时施作初期支护;分块拆除盾构管片②;开挖剩余部分土体③，施作初期支护。

2.2 计算模型及参数

本次计算分析的目的主要是掌握不同开挖工序引起周围地层的变形对比情况，为了简化计算，未考虑上部建筑物的影响，且简化为平面应变状态［5］，建立的有限元模型见图2。土体采用摩尔—库仑弹塑性模型，管片采用线弹性模型，为了消除尺寸效应，建立的模型长60 m，高50 m，暗挖隧道埋深取19 m，暗挖隧道与盾构隧道的间距为1 m。

根据土体的弹塑性矩阵，计算参数有弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、内摩擦角φ和剪胀角ψ。土体弹性模量E并不是常数，它与固结压力以及偏应力大小有关，一般采用现场旁压仪试验或室内加卸载试验确定。在缺少试验条件时，对于一般的土工载荷条件可取(2.5～3.5)Es，Es为土体的压缩模量。除了超固结土层外，粘性土常常表现出较小的剪胀性，即ψ=0。

2.3 计算结果分析

1)周围地层变形对比。

由方案一和方案二开挖引起地表变形。方案一上台阶开挖完成后地表最大变形为7.4 mm，方案二上台阶开挖完成后地表最大变形为14.7 mm;方案一开挖完成后地表最大变形为10.5 mm，方案二开挖完成后地表最大变形为17.6 mm。方案二，即两台阶二步开挖，引起周围地层变形较方案一要大得多，另外考虑到右线及G断面调高开挖已引起二轻综合楼产生较大变形，因此建议采用方案一进行左线扩挖施工。

另外，上台阶开挖较下台阶开挖引起地表变形要大得多，方案一上下台阶开挖引起的变形分别为7.4 mm和3.1 mm，方案二则为14.7 mm和2.9 mm，因此上台阶开挖是本工程控制的重点，应及时完成初期支护，及早封闭。

2)衬砌内力对比图。

方案一和方案二开挖完成后衬砌内力分布图见图3，图4。由图3，图4可知，方案一开挖完成后衬砌的最大轴力为395.7 kN，弯矩为54.5 kN·m;方案二开挖完成后衬砌的最大轴力为503.5 kN，弯矩为46.35 kN·m，因此采用方案一进行隧道开挖对衬砌受力也是有利的。

3)开挖引起的塑性区。

计算结果表明:隧道开挖引起地层的塑性区主要分布在衬砌附近，且在初期支护封闭成环后周围地层的塑性区会有一定的减少，及早封闭成环对于控制周围地层变形具有积极的作用。其次方案一较方案二塑性区由隧道拱角向拱腰偏移，且范围缩小。

3 合理施工方法

考虑到先期右线站台隧道施工已引起周边建筑出现较大沉降，结合有限元计算对比分析，确定左线站台隧道扩挖方案采用管棚+袖阀管注浆法与两台阶四步扩挖法相结合的方法。

3.1 隧道扩挖施工工序

首先利用现有竖井及南侧联络通道G断面调高开挖空间，采用水平袖阀管预注浆加固+φ108 mm大管棚支护相结合超前预支护处理，管棚采用对打方法，在中部搭接5 m;袖阀管采用一次钻进施工，钻进长度70 m。

加固完成后，在超前袖阀管预注浆加固和超前管棚护顶下利用施工竖井、联络通道挑高段作为隧道扩挖和盾构管片拆除的起始工作面，隧道扩挖采用两台阶四步法开挖，开挖至北侧联络通道H断面后，自左线打通H通道，然后利用H通道作为左线扩挖的运输通道，对竖井进行封堵、回填，施工附属工程。左线站台隧道扩挖平面示意图、剖面示意图如图5，图6所示。

3.2 两台阶四步扩挖施工方法

上台阶采用人工配合机械开挖的方式，机械难以开挖时采用小药量局部爆破，上台阶1步每0.5 m～1.0 m为一循环，开挖后及时架立格栅、喷射混凝土封闭，为了改善初支的受力特征，格栅架立后及时进行初支背后的填充注浆并加强锁脚锚管的注浆效果。1步开挖2 m～3 m后，开挖2步并在上台阶拱脚处设锁脚锚管，将上台阶初期支护悬吊于微风化岩上。

下台阶扩挖滞后上台阶开挖5 m～7 m，待管片拆除后分上下两步进行，由于盾构隧道的分隔，下台阶1步的扩挖支护左右交错进行;下台阶2步的扩挖可适当滞后1步扩挖3 m左右，扩挖成型并进行初期支护后再进行初支背后填充注浆。

4 结语

1)由数值计算分析可知，在暗挖隧道扩挖施工过程中，采用两台阶四步开挖法较两台阶两步开挖法在控制周围地层变形、衬砌受力等方面有利，建议采用两台阶四步开挖法。另外，计算中还发现上台阶开挖是周围地层变形控制的重点，应加强施工监测和初期支护的及时施加。2)结合数值分析，并考虑到上部二轻综合楼已发生较大变形，最后采用两台阶四步开挖法来施工左线扩挖隧道。3)为了控制上台阶开挖引起周围地层的变形，采取的应对措施为:待上台阶开挖完成后，在拱脚位置设置锁脚锚管，与加强钢筋和格栅钢架焊接，与初支喷射混凝土一起施工，连为一个受力整体。

［1］路美丽.盾构先行条件下拓展地铁车站的方案研究及风险分析［D］.成都:西南交通大学博士学位论文，2007.

［2］高爱林，金 淮.北京地铁区间大盾构先行浅埋暗挖法扩挖车站致险因素与对策［J］.隧道建设，2010，30(5):513-517.

［3］钟育刚.盾构先行过站对地铁车站施工的影响及处理措施［J］.山西建筑，2013，39(3):179-181.

［4］刘维宁，路美丽，张新金，等.盾构法和浅埋暗挖法结合建造地铁车站的模型试验［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(8):1630-1639.

［5］张新金，刘维宁，路美丽，等.盾构法和浅埋暗挖法结合建造地铁车站模型试验的方案设计［J］.中国铁道科学，2010，31(1):66-71.