盾构隧道拓建地铁车站施工力学特性分析

林 攀， 刘志春， 胡指南,*， 杜孔泽， 郄晓杰

(1.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室(石家庄铁道大学)， 河北 石家庄 050043；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

随着国内城市轨道交通的快速发展及城市环境的制约，普通暗挖法在地铁车站施工中所受的局限越来越大，因此，为解决上述问题提出利用盾构区间隧道拓建地铁车站的方案。其实前苏联[1]和日本[2]等国很早就开始了在盾构基础上拓建地铁车站的实践，并取得了成功，如前苏联的圣彼得堡勇敢广场站、圣彼得堡体育馆站、十月革命站，日本的新御茶水站、高伦车站、八丁沟站等。如今其他国家也逐渐开始效仿，如伊朗Naghshe Jahan Square站、Mansour站和德国KartSuserhof站等。而我国在这方面主要停留在理论研究阶段，如广州地铁3号线林和西路站[3]、北京地铁三元桥站[4]和北京地铁东四车站[5]等，工程实践极少，因此，无论是盾构扩挖技术[6]还是施工经验都与国外有较大的差距。本文重点研究既有盾构隧道在拓建施工过程中位移和应力变化规律，并在最后提出相应的盾构管片加固方法，可为以后利用盾构隧道扩挖车站或在盾构隧道区间内增设车站提供借鉴，也可为国内暗挖车站施工提供一种新思路。

1 工程模拟

根据我国区间盾构隧道内径5.4 m这一实际情况，结合现阶段我国车站的施工技术水平，提出在外径6 m盾构隧道基础上拓建三连拱车站的方案。车站总宽20 m，总高10 m，站台宽度9.8 m，立柱宽度0.6 m，站厅设在地下站台两端，且站台两端可设辅助用房，站厅与地面之间由楼梯和自动扶梯连接，适合于规模比较小的车站。

1.1 模型建立

利用有限元软件Midas GTS进行三维数值模拟，采用地层结构模型，车站埋深15 m，采用台阶法施工(台阶长度3 m)。土体、立柱、纵梁、盾构注浆层、车站二衬、盾构管片、盾构隧道用实体单元模型，喷射混凝土用板单元模拟，地层加固通过提高土体参数的方法模拟。模拟中将管片纵向等效为连续非均质模型[7]，如图1所示，管片横断面为均质圆环，沿纵向连续，但沿纵向将管片划分为环缝影响范围内、外两个部分。环缝影响范围长度为λl，λ为环缝影响系数，根据前人结构试验[8]和工程经验取0.6，l为螺栓长度，取40 cm。环缝影响范围外取管片纵向实际刚度，环缝影响范围内取等效刚度。最后分别在模型左右边界、前后边界及下边界设置法向约束，上边界自由，模型尺寸为120 m×24 m×45 m，共232 460个单元。各材料参数如表1所示。

图1 纵向连续非均质模型

表1 材料力学参数

1.2 拓建步骤

三维数值模型模拟了台阶法拓建车站，其步骤如图2所示：①为修建两侧盾构隧道；②为修建两侧纵梁和立柱；③为车站拱部和盾构周围地层加固；④为开挖上台阶并进行初期支护；⑤为开挖中台阶；⑥为开挖下台阶并进行初期支护；⑦为拆除两侧部分管片；⑧为修筑车站衬砌。

图2 车站拓建步骤

2 数值结果分析

2.1 位移分析

车站拓建完成后的地表沉降曲线(车站纵向中间断面)如图3所示，基本服从正态分布，符合Peck曲线，地表沉降最大值为18.50 mm，沉降槽宽度约65 m。

图3 地表沉降曲线

盾构底部竖向位移沿纵向分布如图4所示，S6、S8、S10、S12、S14、S16和S18分别为第1次～第7次开挖，从图可知前3次土体开挖(S6～S10)，盾构隧道前端底部逐渐隆起，后端则表现为逐渐沉降，但随着土体不断往后开挖(S12～S18)，盾构前端底部开始逐渐沉降，而后端则逐渐隆起，车站开挖完成后，盾构底部最大沉降为5.18 mm。

图4 盾构底部竖向位移沿隧道纵向分布

管片拆除后盾构及车站主体变形如图5所示，管片拆除后盾构竖向位移最大处出现在盾构顶部(11.2 mm)，底部位移最小(4.90 mm)；而衬砌竖向位移最大处出现在左右两端靠近管片的部位，衬砌最大下沉量为3.51 cm，最大隆起量为3.74 cm。由数值可知，管片拆除对衬砌的影响较大，因此在拓建施工中可适当设立临时支撑以减小衬砌变形。

图5 盾构隧道及车站主体变形图

2.2 应力分析

盾构隧道拉应力集中在左右两端的外侧和上下两端的内侧，且下端的拉应力为最大。对于每环管片来说，中间部分拉应力较大，接头附近管片拉应力较小，呈现一种倒“V”字型分布，因为管片的错缝拼接，且两环管片为一循环，所以沿整个盾构隧道纵向又呈现出“W”型分布，如图6所示。随着土体开挖，左右两端管片的拉应力区域沿环向逐渐扩大，且靠近土体开挖的一端更为明显，但左右两端拉应力增幅都很小，而上下两端拉应力增幅较大。

S5为土体开挖的前一步，S6、S8、S10和S12分别为第1次～第4次土体开挖。第1次开挖后(S6)，盾构纵向0～13.5 m范围内的最大主应力有所增长，而0～13.5 m范围外最大主应力基本无变化；第2次开挖后(S8)，盾构纵向0～16.5 m范围内的最大主应力有所增长，而0～16.5 m范围外最大主应力基本无变化；第3次开挖后(S10)，盾构纵向0～19.5 m范围内的最大主应力有所增长，而0～19.5 m范围外最大主应力基本无变化；第4次开挖后(S12)，盾构纵向3～22.5 m范围内的最大主应力有所增长，而3～22.5 m范围外最大主应力基本无变化。

图6 盾构底部最大主应力沿隧道纵向分布

从上述分析可知，土体开挖会对盾构隧道纵向一定范围内的最大主应力产生较大影响，而对范围外的最大主应力产生的影响较小。纵向影响范围会随着开挖面的前移而移动，开挖面前移多少距离，该纵向影响范围也会前移相同距离，但它的纵向长度是固定的，为19.5 m，包含开挖面前方7环管片和开挖面后方6环管片，如图7所示。

图7 盾构隧道最大主应力影响范围

盾构隧道最大、最小主应力随施工步变化如图8所示，盾构隧道应力增长主要集中在S3、S6、S8和S10，分别代表盾构注浆和第1次～第3次土体开挖，这说明盾构注浆和前3次土体开挖对盾构隧道应力影响较大，而后几次土体开挖和部分管片拆除对盾构隧道应力影响相对较小。从应力数值来看，局部拉应力超过了限值，因此，在实际工程中应重点考虑管片配筋计算，合理地布置钢筋，防止混凝土管片拉裂。

3 管片加固

在拆除部分管片时，管片在卸载后会产生移位，同时，由于混凝土管片局部拉应力超标，有拉裂风险，因此，需在盾构洞内进行一定范围的管片加固[9]以减小管片移位变形，保证施工安全。

图8 盾构最大、最小主应力随施工步变化

3.1 纵向加固

管片纵向加固采用20a工字钢，采用M20膨胀螺栓将工字钢固定在管片上，螺栓采用双排平行布置，如图9所示。工字钢长9 m，截面高度20 cm，宽度10 cm，腹板厚度7 mm，每根工字钢连接6环管片，纵向采用焊接连成一个整体。

图9 膨胀螺栓布置(单位：cm)

3.2 环向加固

管片环向加固采用18#工字钢，工字钢截面高度18 cm，宽度9.4 cm，腹板厚度6.5 mm，每环管片两榀，均匀布置。工字钢加工成环形，两端焊接钢板，与纵向20a工字钢之间采用焊接或螺栓连接，管片加固示意如图10所示。

图10 工字钢布置(H-H剖面)(单位：cm)

4 结论

(1)利用双线盾构区间隧道拓建地铁车站的方案是切实可行的，地表沉降也满足要求，在无法明挖或普通暗挖法受限的情况下可考虑这种方案，且国内地铁盾构隧道直径普遍为6 m，因此该拓建形式有较大的推广价值。

(2)盾构隧道最大主应力沿纵向呈“W”型分布，且土体开挖对隧道纵向一定范围内的最大主应力影响较大，而对范围外最大主应力影响较小。该影响范围会随着开挖面的前移而移动，但其纵向长度是固定的，为19.5 m，包含开挖面前方7环管片和开挖面后方6环管片。因此，在施工中应合理确定开挖步距，同时在开挖时对影响范围内的部分进行重点监测，以确保拓建施工安全。

(3)前3次土体开挖对盾构隧道应力影响较大，而后几次土体开挖和部分管片拆除对盾构隧道应力影响相对较小，其中管片局部拉应力超过了限值，因此在实际工程中应重点考虑管片内的配筋计算，合理地布置钢筋，防止混凝土管片拉裂。

(4)由于拓建施工中管片有拉裂风险，因此，需在洞内进行一定范围的管片加固，纵向加固可采用20a工字钢，并用膨胀螺栓将之固定在管片上；环向加固可采用18#工字钢，加工成环形，每环管片两榀，均匀布置，且工字钢两端焊接钢板，与纵向20a工字钢之间采用焊接或螺栓连接。