基于双侧壁导坑法的TBM先隧后站暗挖施工技术研究

李鹏宇，崔光耀，王庆建

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中铁隧道集团四处有限公司，广西 南宁 530000)

中国经济发展突飞猛进，城市各项基础设施日益完善。在城市地下轨道交通的建设中，TBM隧道掘进技术被广泛应用，使得TBM过暗挖车站修建项目层出不穷。经查阅国内外的有关资料，采用盾构扩挖法修建暗挖地铁车站在国外已有先例，日本、苏联都成功采用过在盾构基础上扩挖修建地铁车站，主要有：托梁法、半盾构法、结合矿山法、管棚法、固定式或分离式连体盾构机法、扩径盾构法、“大拱脚、薄边墙”先拱后墙法施工结合 TBM 倒边施工、双侧壁导坑法结合 TBM 过站施工[1-4]。以上国内外实行的先隧后站施工方法中，在重庆地区常用的先隧后站过暗挖车站的方法有：双侧壁导坑法结合TBM过站、先拱后墙法结合TBM过站。

目前，国内研究热点多集中在对不同隧道开挖过站技术的研究[5-6]，且主要结合双侧壁导坑法的地铁车站建设进行研究[7-9]。而对于结合双侧壁导坑法的TBM先隧后站暗挖施工技术研究较少。故本文依托重庆地铁5号线大重段的和睦站，对使用双侧壁导坑结合TBM过站的暗挖车站施工进行研究，确定满足先隧后站施工要求的最佳工序，研究结果可为相关工程施工提供有益借鉴。

1 工程概况

1.1 车站概况

项目中TBM过和睦路站时先开挖车站，然后采用TBM步进过站，和睦路站使用的开挖方法为双侧壁导坑法开挖，将和睦路站的双侧壁导坑法施工步序进行一定修改，可以满足先隧后站的施工要求。根据和睦路站主体结构段的设计资料与地质勘查资料，和睦路站起止里程为YDK14+877.550～YDK15+097.150，全长219.6 m，呈北东、南西走向，走向为211.03°。和睦路站为地下两层岛式暗挖车站，车站主体断面为马蹄形，净宽20.8 m，净高17.65 m，埋深17.5～23.5 m，围岩级别为Ⅳ级、Ⅴ级，属浅埋～超浅埋隧道。

1.2 地质条件

车站主体隧道走向基本与岩层走向相近。沿线地面高程350.017～357.275 m。上覆土层厚度差异较大，为3.4～14.5 m。下伏基岩为中统沙溪庙组厚层状砂岩、砂质泥岩，岩体较完整～完整，岩、土体现状整体稳定。由于岩层产状较平缓，隧道拱部局部可能存在较大坍塌。隧道两侧洞壁稳定性主要受岩体自身强度控制。隧道顶拱呈圆弧形，顶板岩层厚3.3～14.5 m，岩性以中等风化砂岩为主，其次为砂质泥岩。其中，里程YDK14+945～YDK15+015段原始地貌为凹槽地带，土层较厚，岩层顶板厚度较薄，围岩级别按V级考虑。

1.3 支护结构

主体结构支护中，初支采用厚度为50 cm的C25喷射混凝土，设置φ8钢筋网@200×200 mm；锚杆为CD25中空注浆锚杆长度为4.5 m，间距为80×80 cm，梅花形布置；格栅拱架采用Ⅰ22b工字钢架，间距0.8 m；二衬采用厚度为90 cm的C40防水钢筋混凝土。

2 计算概况

2.1 计算模型

模型段采用地层结构法计算，为避免边界效应的影响，计算模型左右水平计算范围均取隧道跨度的3倍，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍。上部为填土层，下部为砂质泥岩层，在车站外侧设置了锚杆注浆的加固圈，其强度参数较原土体增强20%，围岩与加强圈的本构模型为摩尔-库伦模型；初支、管片根据规范选取参数，临时钢支撑使用等效弹性模量与等效泊松比，以上支护都使用弹性模型。

根据以上数据建立FLAC3D模型，如图1所示。建立纵向(y方向)长1 m的平面模型，水平向(x方向)长167.3 m，竖向(z方向)高111.53 m，共划分为4 616个8节点单元，共有9 466个节点。

图1 计算模型图

2.2 计算参数

数值模拟中使用的材料参数见表1。

表1 材料参数表

2.3 开挖工况

工况1：开挖TBM并立即支护，开挖左上导洞，支护左上导洞，开挖右上导洞，支护右上导洞，开挖左中导洞，支护左中导洞，开挖右中导洞，支护右中导洞，开挖左下导洞，支护左下导洞并开挖右下导洞，支护右下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况2：同时开挖TBM并立即支护，同时开挖两侧上导洞，支护两侧上导洞，同时开挖两侧中导洞，支护两侧中导洞，同时开挖两侧下导洞，支护两侧下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况3：左侧TBM开挖并支护，右侧TBM开挖并支护，同时开挖两侧上导洞，支护两侧上导洞，同时开挖两侧中导洞，支护两侧中导洞，开挖两侧下导洞，支护两侧下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况4：左侧TBM开挖并支护，右侧TBM开挖并支护，开挖左上导洞，支护左上导洞并开挖右上导洞，支护右上导洞并开挖左中导洞，支护左中导洞并开挖右中导洞，支护右中导洞并开挖左下导洞，支护左下导洞并开挖右下导洞，支护右下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况5：左侧TBM开挖并支护，右侧TBM开挖并支护，开挖右上导洞，支护右上导洞并开挖左上导洞，支护左上导洞并开挖右中导洞，支护右中导洞并开挖左中导洞，支护左中导洞并开挖右下导洞，支护右下导洞并开挖左下导洞，支护左下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况6：同时开挖两侧上导洞，支护两侧上导洞，同时开挖TBM并立即支护，同时开挖两侧中导洞，支护两侧中导洞，同时开挖两侧下导洞，支护两侧下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况7：同时开挖两侧上导洞，支护两侧上导洞，同时开挖TBM并立即支护，开挖左中导洞，支护左中导洞并开挖右中导洞，支护右中导洞并开挖左下导洞，支护左下导洞并开挖右下导洞，支护右下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

工况8：同时开挖两侧上导洞，支护两侧上导洞，同时开挖TBM并立即支护，开挖左中导洞，支护左中导洞并开挖左下导洞，支护左下导洞并开挖右中导洞，支护右中导洞并开挖右下导洞，支护右下导洞，开挖中上核心土并做拱顶初支，开挖中下核心土并做仰拱初支，拆除中隔壁。

其中，工况1～工况5为暗挖分步施工，工况6～工况8为暗挖同步施工。各工况开挖顺序示意图见图2。

图2 开挖步骤示意图

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

提取数值模拟计算结果，各工况下TBM过站的地表最大沉降值如图3所示。

图3 地表最大沉降折线图

由图3可知：结合双侧壁导坑法先隧后站同步开挖(工况6～工况8)的地表沉降均小于分步开挖(工况1～工况5)，但各工况对地表沉降最大值影响不大。其中，工况3的地表沉降值最大，为4.72 mm，工况6(两侧同步施工)的地表沉降量最小，为4.65 mm，均远小于40 mm，符合规范要求。

3.2 车站变形

提取不同工况下的数值计算结果，TBM过站施工后地铁车站最终变形值见表2。

表2 车站最终变形表

由表2可知：各工况下施工对车站的最终拱顶沉降、仰拱上浮、净空收敛均相差不大，且结合双侧壁导坑法的先隧后站的同步开挖(工况6～工况8)的车站变形值普遍小于分步开挖(工况1～工况5)，8种工况均满足车站拱顶沉降20 mm、仰拱隆起20 mm、净空收敛10 mm的规范要求。其中，工况8(倒边施工)使得车站的拱顶、仰拱、净空收敛变形值均为各工况中最小，最小值分别为-6.39 mm、10.65 mm、1.87 mm，且同步施工中倒边施工步序使车站结构净空收敛较其他方法减小59%以上。

3.3 管片变形

提取不同工况下的数值计算结果，TBM过站的最大管片变形值见表3。

表3 管片最大变形表

由表3可知：结合双侧壁导坑法的先隧后站的同步开挖(工况6～工况8)的管片最大变形均明显小于分步开挖(工况1～工况5)，且各工况管片变形值均远小于竖向位移限值10 mm，净空收敛限值12 mm的规范规定。其中，工况6(两侧同步施工)与工况7(左右交错施工)产生的管片最大变形量差别不大，工况8(倒边施工)对左侧管片产生最大变形量最小，对右侧管片产生了净空扩张。工况8的管片最大拱顶、仰拱、净空收敛变形值分别为0.42 mm、0.50 mm、0.42 mm，且同步施工中倒边施工步序使管片拱顶上浮较其他方法减少50%以上。

3.4 管片应力

提取不同工况下的数值计算结果，TBM过站的最大管片应力值见表4。

表4 管片最大应力表

由表4可知：结合双侧壁导坑法的先隧后站的同步开挖(工况6～工况8)的管片最大应力均小于分步开挖(工况1～工况5)，且同步施工中倒边施工步序(工况8)使管片最大拉应力较其他方法减少40%以上。

分步开挖中，在TBM同时到达车站的情况下(工况1、工况2)，两侧同步开挖(工况2)大体上对管片的应力影响较小；在TBM分别达到车站的情况下(工况3～工况5)，两侧同步开挖(工况3)大体上对管片的应力影响较小，异侧开挖(工况5)产生了最大拉应力，导致管片拉裂，故工况5(TBM分别到达的情况下，先行过站的TBM异侧上导洞首先开挖的步序)不可取。

在同步开挖中，各工况中的管片最大拉、压应力均远小于管片材料的设计强度。工况8(倒边施工)产生最大拉应力是8种施工步序中最小的，且压应力也在各工况中较小，其最大拉、压应力分别为0.654 MPa、1.239 MPa。因此，在先隧后站过暗挖车站的同步施工中建议使用双侧壁导坑法倒边施工。

4 结论

(1)结合双侧壁导坑法的先隧后站同步施工(工况6～工况8)对地表沉降、车站最终变形、管片变形、应力产生的影响均普遍小于分步施工(工况1～工况5)。

(2)地表沉降最小值为工况6的4.65 mm，车站变形最小值为工况8的净空收敛1.87 mm，管片变形最小值为工况8的左侧仰拱上浮0.16 mm，管片应力最小值为工况8的0.595 MPa。

(3)同步施工中倒边施工步序(工况8)使车站结构净空收敛较其他方法减小59%以上，管片拱顶上浮减小50%以上，管片最大拉应力减小40%以上。

(4)同步施工中倒边法(工况8)在双侧壁导坑法先隧后站中优于其他工法，且不推荐分步施工中先行过站的TBM异侧上导洞首先开挖的步序(工况5)。