双线盾构扩建地铁车站的插管冻结法及施工力学特性研究

胡指南，孟祥飞, 2，刘志春, *，林 攀，王煦霖

(1.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043；2.新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

盾构法以其安全高效、对环境影响小、综合造价低等优势成为地铁区间隧道施工的首选方法[1]。但因盾构区间与车站在施工速度与组织上的矛盾导致盾构施工区间划分过短、盾构区间等待时间长等问题，致使盾构设备利用率降低，严重制约了盾构优势的发挥[2]。在盾构区间隧道的基础上，以暗挖方法扩挖车站则成为解决上述矛盾的有效方法。另外，对于车站拆迁困难必须“甩站”通过时，“先盾后站”也是一种有效的解决途径[3]。

“先盾后站”即在盾构隧道的基础上，通过明挖或暗挖方法扩建形成车站的施工方法[4]。该方法在前苏联及日本应用的实例较多，如采用“半盾构”扩建的苏联马雅克夫斯基站、巴维列茨克站和莫斯科站[5]，日本的乐街站、半藏门站、马险町站和永田街站等[6]；采用矿山法扩建的苏联圣彼得堡站、日本高仑站[7-8]。目前，我国在盾构先行扩建车站上已进行了一些有益尝试，但实际应用仍较少，在双线盾构区间隧道基础上扩挖车站的实例则更少。这些尝试包括：北京地铁14号线将台站和高家园站采用PBA法在大盾构的基础上扩挖车站[9-11]、北京地铁6号线在盾构区间的基础上以CRD法扩挖车站[12]、重庆市轨道交通6号线一期工程红土地站以“先拱后墙法”TBM先行过站后扩挖车站[13]；以城市人防洞室扩挖地铁车站的广州地铁6号线、重庆轨道交通1号线[14-15]；采用盾构+明挖法扩建车站的北京地铁10号线三元桥站、5号线北新桥站，兰州地铁1号线省政府站等[16]。

国内外学者针对盾构区间隧道扩挖车站已开展了一些相应研究。李围等[17]以广州地铁3号线林和西路站为研究对象，采用模型试验方法对扩挖区间盾构隧道建成两连拱隧道地铁车站的施工力学特性进行了分析；安军海等[18]基于振动台模型试验，对可液化场地下盾构扩挖地铁车站结构地震破坏机制进行了研究；文献[19]以伊朗那格什贾汉广场平行盾构区间隧道扩挖地铁车站工程为依托，采用有限差分法，对分部开挖法与大直径弯管棚顶法，地层与地表变形控制的有效性进行了对比分析；文献[20]以沙特利雅得地铁5号线为背景，提出了明挖“先盾后站”扩建地铁车站过程中保持TBM隧道稳定的措施；文献[21]分析了伊朗大不里士地铁1号线曼苏尔站修建中所采用的混凝土拱预支撑系统(CAPS)，以及TBM掘进过站施工技术的可行性。然而，针对软土地层双线盾构区间隧道扩建地铁车站的施工方法及力学特性研究则相对较少。

本文在充分调研国内外“先盾后站”技术的基础上，提出软土地层双线盾构区间隧道扩建地铁车站的插管冻结法。对该技术的施工工艺、关键技术、适用条件、技术优势与缺陷等进行详细论述。继而，依托杭州地铁2号线某盾构区间隧道，采用三维有限元模型，基于等效刚度法以壳单元模拟插管支护作用，通过刚度弱化模拟管片环向接缝，对该技术施工过程中新建结构、既有结构及地层的受力、变形特性进行分析；并有针对性地提出相应的管片加固与接头防水措施，综合论述该施工技术的可行性。

1 扩建技术

1.1 工艺流程

双线盾构区间隧道扩建地铁车站的插管冻结法是在既有平行盾构区间隧道的基础上，进行插管(冻结管)冻结形成临时支撑，在盾构内设置托梁与立柱，以复合式衬砌作为站厅受力与防水体系，最后在冻结管内注入混凝土，形成永久性支护的方法。

盾构扩建车站施工如图1所示。插管冻结法施工工序主要包括4步：1)定向顶进，在双线盾构管片上分别进行开口，而后进行反力架和导向架的架设，进而通过带导向的顶推系统，将带有刃角的空心双层冻结管顶推至预定位置(冻结管由多节组成，内部带有钢肋)；2)进行托梁和立柱的施工，同时对土体进行冻结；3)待地层强度达到要求后，采用台阶法开挖并进行初期支护，开挖完成后施作防水板和车站二次衬砌，待结构强度达到要求后，分层拆除管片；4)施作车站站台，施工完毕。施工作业面有2种选择，一种是通过盾构管片破除后由侧向进入，进而进行开挖，渣土通过轨道排出；另一种是在车站端头施作竖井，由纵向进行开挖，可结合盾构尺寸、施工机具和地表条件综合确定。车站站厅部分土体开挖前，通过已拆除管片位置在两侧进行洞内井点降水，通过盾构隧道排出。由于冻结围护有较好的止水效果，可以保证在较为干燥的状态下进行车站站厅土体开挖。

图1 盾构扩建车站施工图

插管冻结系统结构如图2所示。管片开孔直径为28.5～42.5 cm，间距150 cm，位于管片纵向中间位置。冷媒进回管为长0.7～1.0 m的无缝钢管节，冷媒进路钢管直径小于管片开孔孔径0.5 cm，冷媒回路钢管直径为28～42 cm，冻结管厚度为1 cm，冷媒进管、回管之间由厚1 cm的加劲肋支撑。冻结壁厚度为2.0 m，冻结壁平均温度为-10 ℃，最低盐水温度为-28～-30 ℃，冻结土单轴抗压强度不低于3.5 MPa[22-23]。盾构内纵向总冷媒管外壁附有0.5 cm厚的绝热涂层。反力架由型钢焊接或栓接而成，反力支座为三角形钢垫块，与反力架焊接。

图2 插管冻结系统结构图

车站立柱为60～70 cm的矩形钢筋混凝土立柱，立柱顶部和底部均为梯形钢筋混凝土托梁。中洞土体开挖完成后，首先沿车站顶、底部开挖面铺设3～5 mm厚的土工布垫层和2～4 mm厚的EVA防水板；然后，施作车站模筑衬砌，衬砌厚度35～40 cm；最后，施作车站站厅底板。冻结管混凝土注浆在车站衬砌施工结束后进行，形成永久性支护结构。扩建完成后车站结构如图3所示。

图3 扩建完成车站结构图

1.2 关键技术

本施工技术包括“顶、支、拆”3项关键技术。首先，采用了洞内插管工艺，通过导向架与带刃角的双层空心冻结管，确保精确顶推与对接；其次，采用永临结合的支护方式，插管在施工初期作为冷媒管进行地层加固，在二次衬砌施工结束后，在冻结管内注浆形成钢管混凝土，成为永久性结构的一部分；最后，在拆除管片时，冻结支护与托梁、立柱共同承载，分层拆除避免安全事故。

2 扩建施工数值模型分析

2.1 模型及参数建立

本文以杭州地铁2号线某盾构区间隧道实际工程为依托。区间主体双线盾构呈东西走向敷设，区间全长503.4 m，埋深为7.8～9.7 m，先行线与后行线之间的轴线距离为12 m。采用钢筋混凝土式盾构管片，错缝拼接，管片内径5.5 m，外径6.2 m，环宽1.2 m，厚0.35 m。盾构主要穿越软弱地层，具有强度低、渗透性差、压缩性高等特点。主要地层参数如表1所示。

表1 主要地层参数[24-25]

采用Midas GTS模拟双线盾构区间隧道扩建地铁车站，构建三维地层结构模型，如图4所示。地层、管片、冻结体及二次衬砌等采用实体单元，插管及中间土体采用壳单元，冻结壁采用加固圈的方式进行模拟。冻结管双层套管外管直径40 cm，内管直径14 cm，壁厚1 cm。

(a)整体模型

管片纵向以连续非均质模型进行模拟，管片为均质圆环，纵向连续，管片刚度按实际取值，在环缝位置，按环缝影响范围对其刚度进行弱化；环缝影响长度为λl，λ为环缝影响系数(根据相关试验取0.6)，l为螺栓长度(取40 cm)[26]。插管截面见图5。

图5 插管截面图

按照等效刚度计算初期支护弹性模量。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：E管为等效换算后插管的弹性模量；A1为冷媒进管路截面面积；A2为冷媒出管路截面面积；A3为加劲肋截面面积；Es为压缩模量；A管为等效钢管面积；E0为模型所采取的弹性模量；A土为土体面积，A土=2rL-πr2；E土为冻结土体弹性模量，取300 MPa[27-28]。

数值模型材料力学参数如表2所示。

表2 数值模型材料力学参数

数值模拟的施工步骤如图6所示。①为修建两侧盾构隧道(施工步1—3)；②为修建两侧托梁和立柱(施工步4)；③插管施工及地层冻结加固(施工步5)；④、⑤、⑥为台阶法开挖并进行初期支护(施工步6—23)，中洞采用台阶法施工，分为上台阶、下台阶及仰拱，开挖循环进尺为3 m，每循环3步，纵向开挖7个循环进尺；⑦为修筑车站模筑衬砌(施工步24)；⑧为拆除两侧部分管片(施工步25)。

图6 施工步骤图

2.2 地表沉降特性

扩建车站施工引起的地表沉降如图7所示。盾构隧道施工引起的沉降符合Peck曲线，车站中心上部地表沉降最大，沉降槽影响范围左右各32.5 m。盾构隧道地表沉降最大值为23.5 mm，扩建施工引起的沉降增量较盾构施工沉降略小，最大值为19 mm。

图7 地表沉降曲线

扩建施工过程竖向位移云图见图8。相比插管、中洞拱顶和仰拱，既有盾构变形水平较低(最大变形值约为6 mm)；而中洞插管、开挖过程中均表现为拱顶下沉和仰拱隆起。扣除模型端部影响，中洞插管施工时，中洞拱顶的最大沉降变形值为29 mm，仰拱的最大隆起变形值为34 mm；中洞开挖时，中洞拱顶的最大沉降变形值为32 mm，仰拱的最大隆起变形值为31 mm。开口破除工序对中洞拱顶和仰拱的变形影响不大，为2～3 mm。

(a)托梁和立柱施作

2.3 管片结构力学特性

由于盾构及扩建车站为对称结构，选取右侧未破除部分管片作为研究对象，分析扩建施工对既有盾构结构变形的影响，盾构的竖向位移沿隧道纵向分布见图9。右侧既有盾构管片的拱顶沉降最大，而后依次为左上、左下、右侧及仰拱。盾构既有结构各点位移分布规律基本相同，随着扩建施工的推进，其沉降曲线特征大致呈3个阶段。第1阶段为立柱施工至插管冻结，最大沉降为3.2 mm，该阶段的沉降速率最大；第2阶段在冻结完成后，随着中洞台阶法开挖循环进尺的开展，拱顶沉降逐步增长至10.4 mm；第3阶段为管片拆除，沉降略有减小，拱顶沉降值为9.8 mm。轨道所处位置为仰拱之上，其沉降值可参考仰拱沉降，最大值为5.1 mm。

图9 盾构的竖向位移沿隧道纵向分布

2.4 盾构结构力学特性

扩建施工过程的管片最大主应力云图见图10。主应力主要集中于管片顶部和底部的内侧。最大主应力值约为2.6 MPa，有开裂风险，需要对管片进行加固。立柱靠中洞侧以及托梁上的拉应力较其他位置略大，但尚处于安全状态。

图10 管片最大主应力云图(单位：kPa)

右侧既有盾构最大主应力随施工步变化曲线如图11所示。管片主应力在中洞开挖前基本无变化，随着施工的推进，应力值逐步增大。到第4—5循环，管片与中洞衔接的左上位置应力有较大增长，最大值达2.8 MPa，超过了管片的抗拉极限，说明管片破除位置是结构受力的敏感区域。

图11 盾构主应力随施工步变化曲线图

扩建施工过程中的最小主应力云图如图12所示。主压应力主要集中于立柱内侧、管片下部与中洞衔接位置以及侧面管片内侧，最大压应力值约为5.5 MPa，管片处于安全状态。

图12 管片最小主应力云图(单位：kPa)

右侧既有盾构主压应力随施工步的变化曲线如图13所示。随着施工的开展，车站位置既有管片应力逐步增大，从开挖第1循环起，应力增幅较大；到第4循环后，应力逐步平稳，左下位置主压应力最大，为5.5 MPa。

图13 盾构最小主应力随结构施工步变化曲线图

3 加固与防水措施

3.1 管片加固

盾构管片拆除是整个施工过程的风险源之一，管片拆除后车站区域既有盾构管片会产生应力和变形的重分布，管片局部有开裂风险。在管片拆除前通过洞内纵向与环向加固可以确保管片拆除过程中的结构稳定与施工安全[29]。纵向加固采用长度9 m的I20a工字钢，并通过螺栓将工字钢与管片相连，每根工字钢与6环管片搭接，环向间距40～60 cm。环向采用18#工字钢，每环设置2榀，与纵向I20a工字钢之间采用焊接或螺栓连接[30]，如图14所示。管片拆除后还会引起管片的纵向变形，而位于中洞端头的车站挡墙或竖井围护结构，可以保证盾构区间与车站衔接段管片的纵向稳定。

图14 工字钢环向及纵向布置图(单位：cm)

3.2 防水措施

扩建施工破坏了盾构隧道原有的防水体系，而盾构管片的抗渗性能较好(一般采用抗渗等级为P12以上的C50混凝土)，新建站厅又采用复合式防水(现浇混凝土结构抗渗等级在P8以上)，因此，防水的重点是新旧结构搭接处。接口采用多层防水，在盾构管片外部涂抹无腐蚀黏性胶，在弯折的站厅EVA防水卷材与黏性胶之间设置沥青防水材料，并通过橡胶止水带将其与管片压实，最后浇筑二次衬砌混凝土，并在二次衬砌背后压注含有SPM微膨胀剂的超细水泥浆液[31]。接口防水如图15所示。

图15 连接部位防水处理

4 技术优势与风险

插管冻结施工法主要适用于不具备明挖条件、上部有地下结构或者构筑物、周边建筑变形控制要求高、地表交通不能阻断等复杂环境的车站施工，特别适用于含水量较高、变形控制困难的软土地层的扩建车站工程。

本施工方法的优势包括：1)采用冻结法处理土体，冻结土体强度高、止水性好，稳定性强；2)施工时无需开挖基坑排水，避免地基沉降对周围已有建筑物的不利影响；3)在开挖土体时，通过预设的托梁和立柱配合支撑，保证了结构的安全可靠性；4)插管冻结临时支护与钢管混凝土永久支护有机结合，保障施工期间和工后的结构安全与稳定；5)施工时，既有隧道衬砌的破除与车站开挖可同步进行，工期短、速度快，可减小对地铁线路运营的影响。然而，该法也存在以下缺陷：1)冻结法耗电量大，因地层冻结产生的工程费用较大；2)存在因断电导致地层软化，进而致使工程失败的风险；3)工序较为复杂，工序间容易引起干扰。

5 结论与讨论

在既有盾构区间隧道的基础上，通过插管冻结进行地层加固，在盾构内部进行托梁、立柱及工字钢支撑，通过台阶法进行扩挖施工，最后进行冻结管内混凝土灌注形成永临结合的支护体系，是解决盾构区间与车站施工矛盾，拆迁不顺必须“甩站”通过的一种有效途径。通过扩挖施工过程的受力与变形分析，可得到如下结论：

1)扩挖施工引起的地表沉降变形规律与盾构施工引起的地表变形规律一致，沉降变形值较盾构施工略小，整体变形可控。

2)既有盾构结构变形随施工大致呈3个阶段分布，第1循环开挖对既有结构扰动较大，开口施工后变形略有减小。车站段轨道变形可参考盾构仰拱位置变形，约为5 mm。

3)扩建施工中车站位置管片有局部拉裂的风险，可以通过纵向与环向钢架进行一定范围内的管片加固，避免管片产生开裂。

4)车站扩建施工破坏了原有的盾构防水体系，在施作中洞复合式衬砌防水系统的同时，应重点关注管片、车站衬砌连接段防水，将盾构与暗挖隧道防水体系相融合。

5)插管冻结扩建地铁车站是一种新型的建造技术，具体设计与施工细节还需结合工程实际和现场试验进一步研究确定。