基于盾构扩挖法的地铁联络线施工力学分析

晏启祥 刘 罡 李 彬 何 川 耿 萍

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，610031，成都，∥第一作者，教授)

21世纪，我国迎来了以地铁建设为主体的城市地下空间开发热潮［1-2］。地铁建设的施工工法中，盾构法具有对周围环境影响小、施工安全快速和机械化程度高等优点，已被广泛认可并获得大量运用［3］。由于存在大量以地铁车站、风井、折返线和联络线为代表的扩大断面，故部分学者对盾构法在扩大断面的应用进行了研究，并提出了盾构扩挖法(即在修建不规则异形断面时，盾构先行，然后在盾构法的基础上扩挖成所需断面的施工方法)。该工法有利于提高盾构的设备利用率、缩短工程建设周期、减小对周围环境的影响、提高地铁建设质量，是盾构法在城市地铁、市政及其它众多工程领域中大规模应用的突破口，有着广阔的应用前景。

目前，国内学者已对盾构扩挖法进行了部分研究，如:文献［3］以北京地铁10号线三元桥站为工程背景，重点分析了暗挖扩挖方案，并论证了方案的可行性;文献［4］提出了在区间盾构隧道的基础上扩建地铁车站的4种施工方案;文献［5］系统阐述了盾构扩挖车站支护技术措施和站台隧道扩挖施工工法的主要施工工序要点和关键技术;文献［6］以北京地铁14号线高家园站为背景，提出了在外径10 m的大直径盾构隧道基础上采用CRD(交叉中隔墙)法扩挖地铁车站的两种方案，并利用“地层－结构”相互作用有限元法模拟了车站扩挖施工过程，研究了结构体系的受力转换规律;文献［7］得到了盾构扩挖法修建地铁车站时施工引起的地层移动规律，并分析了其对地层扰动范围、影响程度，以及当地层条件变化时盾构和扩挖这两个施工过程对地层扰动范围、影响程度;文献［8］对盾构扩挖法建造地铁车站施工过程中站厅隧道二衬的两种施作时机进行了三维数值模拟，得出站厅隧道二衬必须在横通道开挖之前施作好等结论。

上述研究主要集中在盾构扩挖法在地铁车站建设中的运用，而没有涉及其在兴建地铁联络线中的应用。本文以广州地铁3号线区间联络线为例，研究基于盾构扩挖法的地铁联络线施工力学的诸多特性。

1 工程概况

本文以广州地铁3号线客村—大塘区间(以下简为“客大区间”)某联络线左线I型断面(ZDK6+921.9～ZDK6+935.7)与右线对应 E型断面构成的IE型断面为研究对象。该断面代表了在盾构隧道基础上扩建成小净距隧道类型。隧道底板穿过的岩层基本为强风化、中风化和微风化岩;隧道拱顶穿过的岩层主要为岩石全风化层及硬塑状残积层，局部为岩石强风化层，部分地段拱顶上覆砂层。区间地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水，基岩裂隙透水性弱。该区间未揭示有断层以及其它不良地质构造。地层从上到下分布及物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学指标

扩建前的盾构隧道断面与扩建后的IE型断面相对位置关系见图1。左、右洞的开挖断面面积分别约 77.6 m2、138.2 m2，跨度分别约 11.3 m、15.5 m，最大曲率半径分别为 10.490 m、14.869 m，埋深9.5～20.0 m 不等。盾构隧道外半径 3.0 m，管片厚度0.3 m。施工方法可采用CRD法;如把右洞视为已存在的导坑，也可采用双侧壁导坑法。

图1 盾构隧道断面与IE型扩建断面的剖面相对位置关系

施工前需对扩挖前方掌子面地层采用小导管注浆进行超前预加固。小导管长4.0 m，外插角10°，纵向间距2.0 m，拱部约150°范围注浆。超前预加固后，在不同工况下进行计算分析。具体的工况见表2。

表2 IE型扩建断面模拟工况

2 有限元模型

模型采用有限差分软件FLAC进行计算。围岩和注浆改良后的围岩皆用实体单元模拟，采用摩尔－库仑塑性本构关系。二次衬砌用实体单元模拟，采用弹性的混凝土本构关系。喷射混凝土用壳单元模拟，壳厚0.45 m。锚杆用全粘结锚杆单元模拟，锚杆长2.0 m，直径32 mm，环向间距为1.0 m，弹性模量取45 GPa，锚杆截面积490.1 mm2，最大抗拉力240 kN，砂浆刚度17.5 MN/m，单位长度水泥浆黏结力 2.0×105N/m。地下水位为地面以下2.0 m，并假设模型范围自水面以下都充填地下水。计算采用无渗流模式计算。此模式下应力重分配会改变地下水的超静水压力，从而改变有效应力，影响开挖过程中围岩的沉降。计算中采用的物理力学参数见表3。

表3 计算用物理力学参数

采用CRD法扩建的模型见图2，其施工工序为:a盾构施工;b左洞上部开挖、喷混凝土、安锚杆;c左洞下部开挖、喷混凝土;d左洞施工二次衬砌;e右洞左上部开挖、喷混凝土、安锚杆;f右洞左下部开挖、喷混凝土;g右洞右上部开挖、喷混凝土 、安锚杆;h右洞右下部开挖、喷混凝土;i右洞施工二次衬砌。

双侧壁导坑法扩建的模型见图3，其施工工序为:a盾构施工;b左洞上部开挖、喷混凝土、安锚杆;c左洞下部开挖、喷混凝土;d左洞施工二次衬砌;e右洞施工右导洞、喷混凝土;f右洞上部中心开挖、喷混凝土、安锚杆;g右洞上部右侧开挖、喷混凝土、安锚杆;h右洞上部左侧开挖、喷混凝土、安锚杆;i右洞下部开挖、喷混凝土;j右洞施工二次衬砌。

图2 盾构法基础上采用CRD法扩建模型

图3 盾构法基础上采用双侧壁导坑法扩建模型

3 施工特性

3.1 埋深9.5 m时的施工特性

通过有限元模型计算可得出埋深为9.5 m时两种工况的地层竖向位移、喷射混凝土层的最大拉压应力、锚杆的最终轴力和二次衬砌的最大拉压应力。主要计算结果见表4。

表4 埋深9.5 m时扩建IE型断面的位移和应力最大值

(1)地层最大位移分布规律。地层位移的最大值均出现在右洞上方，并和上方地表位移接近。隆起最大值都出现在右洞的拱底部位。从工况对比看:采用CRD法开挖较双侧壁导坑法开挖的地层最大沉降小，但底拱附近地层的隆起略大。

(2)喷射混凝土层最大应力分布规律。IE－1工况下，最大压应力主要集中在右洞的左侧拱脚附近，而IE－2工况下，出现在左右洞的双侧拱脚。IE－1工况下，最大拉应力出现在左右洞底拱略靠中夹土柱一侧，而IE－2工况下，左洞的最大拉应力在底拱略靠中夹土柱一侧，右洞的最大拉应力在拱顶部位。从数值上看，相比双侧壁导坑法，采用CRD法开挖时喷射混凝土层承受了较大的压应力和较小的拉应力。

(3)锚杆轴力分布规律。采用CRD法开挖时，轴力较大的锚杆群分布在左洞拱部左侧边缘和右洞拱部右侧边缘，其次是右洞的拱顶部位;而双侧壁导坑法开挖时轴力较大的锚杆出现在右洞拱部左侧边缘。从数值上看，CRD法开挖时锚杆最大轴力较双侧壁导坑法开挖时小。

(4)二次衬砌最大拉压应力分布规律。两种工况下，二次衬砌最大压应力均出现在左洞的右侧拱腰，但其分布随开挖方法的不同有些差别。当采用CRD法开挖时，左右洞的拱底拉应力较大;当采用双侧壁导坑法开挖时，最大拉应力主要出现在左洞的底部。从量值上看，采用CRD法开挖时，二次衬砌的最大拉压应力均相对较小。

(5)特征点竖向位移分布规律，图中横坐标对应施工工序a～i或a～j。IE－1、IE－2工况下左右洞特征点的竖向位移随开挖工序或开挖分部的对应曲线见图4、图5。图6为IE－1、IE－2工况下地表不同位置在每一施工工序完成后的地表沉降曲线，其中，横坐标的地表位置指图2和图3中地表点从左端开始从左到右间隔一点选取的13个地表点，a～i或a～j指施工工序。

图4 工况IE－1左、右洞特征点竖向沉降

图5 工况IE－2左、右洞特征点竖向沉降

图6 工况IE－1、IE－2地表竖向沉降

右洞洞周特征点竖向位移在右洞开挖之前没有大的变化。当采用CRD法开挖时，在右洞上断面开挖过程中竖向位移变化较大，当开挖工序为h时，除右洞拱底隆起继续加大外，其它点的下沉量并不大;同样，当采用双侧壁导坑法开挖时，在开挖工序为f～h时，右洞洞周特征点竖向位移较大，而开挖导洞工序e时右洞洞周特征点变形较小。IE－1工况下，右洞右腰和拱顶特征点下沉量接近;IE－2工况下，右洞左腰和拱顶特征点下沉量接近。这说明右洞上断面开挖完成的施工工序靠近侧的拱腰特征点变形一般会较大。从图4和图5可知，左洞特征点的变形主要出现在b施工工序，即左洞上半断面形成时，之后变形较小。右洞的开挖会使左洞洞周发生竖向沉降的特征点位移继续缓慢增大，对左洞拱底特征点隆起产生回弹效应。

(6)地表沉降情况。从图6可知，盾构隧道施工时会引起地表的轻微隆起，左洞上半断面开挖后左洞上方地表迅速沉降。IE－1工况下，随着右洞左上断面的开挖，地表沉降位置逐渐向右洞地表上方移动，且沉降迅速增大，并使地表最大下沉位置出现在右洞上方;IE－2工况下，右洞开挖导坑和右洞上断面远离左洞开挖时，左洞上方地表继续沉降量不大，但当开挖右洞上半断面左侧时，整个地表，包括左洞上方地表都将迅速发生沉降。

3.2 埋深19.5m时的施工特性

由计算结果可知，埋深为19.5m时地层竖向位移、喷射混凝土层的应力、锚杆的轴力以及二次衬砌应力的分布规律与埋深为9.5m时的分布规律一致，仅在数值上有较大的增加。因此，仅分析特征点竖向位移规律。

埋深19.5m 时，IE－3、IE－4工况下左右洞特征点的竖向位移随开挖工序或开挖分部的对应曲线见图7、图8。图7中的开挖分部指图2中的9个施工工序a～i，而图8的开挖分部指图3中的施工工序 a～j。

从图7－a)和图8－a)可见，当埋深增大到19.5m时，右洞拱顶拱腰的沉降会接近或超过拱顶的沉降值。IE－3工况下，右洞的右侧拱腰沉降大于右洞拱顶沉降;IE－4工况下，右洞的左侧拱腰沉降大于右洞拱顶沉降。

从图7－b)和图8－b)可知，开挖右洞会增大左洞特征点的竖向位移:当埋深为19.5m时，增值为1.0 ～2.0cm;当埋深为 9.5m 时，增值为 0.0 ～1.0cm。说明在浅埋条件下，开挖右洞对左洞的影响会随着隧道埋深的增加而增大。

4 沉降控制措施分析

前述分析结果表明:浅埋隧道中埋深较大的情况下扩建地下结构，其地层位移和地表沉降可能超过允许范围。为降低地表沉降，目前常采用降低地下水位、立柱辅助支撑、采用钢拱架等施工措施。下面对沉降控制措施进行分析。

选取埋深为19.5m的双线联络线隧道，采用CRD法进行扩建模型计算，具体模型见图2。模型同样采用超前小导管注浆，开挖顺序以及锚杆、喷射混凝土参数不变。根据沉降控制措施不同，计算工况有3种，见表5。

表5 埋深19.5m时模拟的辅助措施工况编号及其对应含义

立柱的位置见图9，其使用是在图2中右洞左断面开挖完成后进行，即图中f工序之后，并在施作二次衬砌之前拆除。钢拱架是在左右洞喷锚支护后、施作二次衬砌之前立即进行。钢拱架用梁单元模拟，其形状见图10。

图7 工况IE－3左、右洞特征点竖向沉降

图8 工况IE－4左、右洞特征点竖向沉降

图9 立柱及其位置

图10 钢拱架模型

工况IE－5～IE－7的计算结果汇总见表6。为便于比较，把工况IE－3的计算结果一并列入表中。

表6 控制措施下扩建IE型断面的位移和应力最大值

对各变量参数分布规律分析如下:

(1)地层最大位移。最大位移均出现在右洞隧道拱顶右上部位，右洞底部地层隆起明显。在有立柱情况下，立柱底部地层受到限制，隆起发生在立柱底部周围。从数值上看，降低地下水位，对减小地层沉降和隆起有较大作用。如工况IE－5，地层最大位移从降水前的 －13.165 cm降至降水后的－8.979 2 cm，右洞底部的隆起从5.034 8 cm 降至4.895 7 cm。这主要是由于降低地下水位，可以增大土颗粒间的有效应力使土层更为密实，改善土体性质，进而减少沉降。如降水同时使用立柱辅助施工，则地层的沉降和隆起变得更小。计算还表明，利用钢拱架，可以使地层位移显著减小。如IE－5工况为－8.979 2 cm，但加上钢拱架后，地层最大沉降减至 －3.233 6 cm。

(2)喷射混凝土层应力。IE－5和IE－7工况下最大压应力出现在右洞左侧拱腰，最大拉应力出现在其底部左侧，而IE－6工况下最大压应力出现在左洞拱顶，最大拉应力出现在右洞底部两侧。3种工况下喷射混凝土层的最大压应力较工况IE－3都有所增大。而喷射混凝土层的拉应力除工况IE－5有所减小外，其它两种工况均较IE－3增大，尤其是采用立柱辅助时更为显著。辅助施工的立柱底部会出现应力集中。这是导致其应力显著增大的重要因素，因此，应在立柱底部设置临时基础以便使应力分布趋于合理。

(3)二次衬砌最大应力。在IE－5和IE－7工况下，最大压应力依然分布在左洞右侧拱腰，最大拉应力一般在左洞的底部;在IE－6工况下最大压应力分布在左洞和右洞的左侧拱腰，最大拉应力分布在右洞的底部，其值达到4.488 8 MPa(超过二衬抗拉强度)。这也是由立柱底部应力集中引起的，故立柱底部设置临时基础也可使应力分布更为合理。

(4)锚杆轴力。工况IE－5～IE－7下锚杆的轴力较IE－3分布更均匀，且锚杆承受的轴力明显增大。仅仅降低地下水位时，锚杆的受力增长很快。当有其它措施抑制地层变形时，锚杆轴力增长幅度要小一些。

通过以上的分析，可以看出:①降低地下水位能有效地减小地层变形，尤其有利于地表沉降控制。降低地下水位能充分发挥锚杆和喷射混凝土层的作用，使锚杆轴力和喷层承受的压应力显著提高。②在右洞扩建时采用立柱支撑辅助施工措施，能有效控制地层在施工期间的变形;右洞采取立柱支撑辅助施工会导致应力重分配重点往右洞左侧或左洞转移，引起左洞左侧拱腰发生显著变形，使左洞左侧二次衬砌和左洞拱顶喷射混凝土层产生较大的压应力。立柱下应设置临时基础，以避免应力集中的出现。③采用钢拱架无论对结构受力和减小地层位移都是有利的。增加钢拱架榀数对于控制地表沉降、改善复合衬砌结构受力作用较大。总之，在地下结构扩建过程中，采用降低地下水位、加设临时支护等施工措施，可有效控制地表沉降。

5 结论

(1)在城市浅埋暗挖法异型断面扩建施工中，如地层围岩参数较低，且隧道埋深属浅埋时，则隧道埋深越大，地层位移和地表沉降就越大。

(2)扩建的施工方式对地层位移和结构应力影响较大。施工方式影响的关键在于后行扩建隧道上半断面的开挖次序和开挖时机。一般而言，对于双洞小净距隧道，要力求后行隧洞上半断面分部开挖的最后一部尽量远离先行隧洞，并且施工顺序尽量靠后。

(3)如果在后行隧洞扩建前施作了二次衬砌，则应重点关注先行隧洞邻近后行隧洞侧拱腰处二次衬砌的最大压应力。

(4)如地下结构在浅埋情况下埋深相对较大，当扩建引起的地层位移和地表沉降超过地表建筑物的允许范围时，一定的施工沉降控制措施是必要的。计算表明施工沉降控制措施对于控制地表沉降和地层位移非常有效。

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