侧壁导洞盾构过站期间车站稳定性分析及加固关键技术*

李 波

(中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司，北京 100088)

0 引言

城市轨道交通的功能决定了地铁车站多修建在地面建筑物密集、地下管线复杂、人口稠密的城区，地理位置和环境条件等因素常影响地铁车站开工时间。暗挖车站施工开挖断面大、工序多、工期长，而区间盾构掘进施工速度相对较快，当1台盾构机连续施工多个盾构区间时必然产生区间盾构与车站施工之间工序和工期的相互影响，需盾构过站。

目前，盾构机通过地铁暗挖车站的形式主要有盾构步进过站、盾构掘进过站、掘进步进结合过站[1]。其中，车站隧道二衬结构施工后盾构空推过站方式因安全快速且技术成熟而应用广泛，研究多集中于站内盾构机空推前进技术和盾构施工对车站内部结构的影响，如白云等[2]分析了盾构整机过站形式和方法，王俊等[3]分析了TBM车站中板过站对车站结构的影响，论证了 “弧底导轨”中板过站方案的可行性；先盾构掘进过站后扩挖形成车站方式因受地质条件、环境因素、车站开挖方式等影响较大而工艺差异大，且隧道扩挖安全风险相对较高，但因对保障盾构贯通工期有利而应用较多，研究成果丰富，如钟志全[4]研究了“先隧后站”的盾构掘进过站方式下区间与车站接口位置围护结构切削及止水等问题，姜久纯[5]研究了盾构与钻爆法结合施工车站站台层施工技术；王飞[6]结合同一条线路中不同站点具体情况详细分析了敞开式TBM通过各车站时采用掘进过站或步进过站的方案选择。相对而言，盾构通过双侧壁导洞法施工的暗挖车站时，采用在导洞初支环境下过站方式方面的研究成果较罕见。

暗挖车站双侧壁导洞初支环境下盾构过站，即暗挖车站按正常工序快速完成侧壁导洞开挖形成盾构过站通道，在导洞内完成盾构空推过站及后续区间掘进，最后继续完成车站开挖及后续结构施工。该方案可有效保障盾构工期并减少对车站工期的影响，但在这种施工组织下，在盾构过站及后续区间掘进期间，由于隧道初期支护未能封闭成环，高大中隔壁长期暴露，侧壁导洞收敛变形较大，若不能保障导洞和中隔壁的稳定，后续中隔壁开挖难度必然较大，甚至发生安全事故，故需对高大中隔壁及侧壁导洞长时间暴露阶段的安全稳定进行分析，并提出针对性措施予以保障。

1 工程概况

1.1 隧道概况

重庆地区某总长约200m的地下2层标准岛式暗挖车站，采用双侧壁导洞法施工，隧道围岩主要为砂质泥岩、砂岩，修正后围岩级别为IV级(地下水状态I级)，拱顶岩土层厚12.1～20.5m，为浅埋隧道(局部超浅埋)。围岩局部存在由左至右倾斜向下的多组砂岩和砂质泥岩互层结构面，层面倾角25°(危险倾角)。车站位于城市主干道正下方，上部有燃气、雨水、给水等管线20余条。车站周边有10余栋老旧多层建筑，部分为砖房结构，最近建筑为距离约5.8m的2层砖房。

车站隧道断面为直墙圆拱形，标准断面开挖尺寸为23.54m(宽)×20.76m(高)，隧道初衬采用35cm厚格栅钢架喷锚支护。侧壁导洞设置2道I22b临时支撑，中隔壁一侧临时支护采用I22b+2m长临时锚杆喷混凝土形式，二次衬砌采用C40，P12模筑钢筋混凝土结构。与车站主体连接的附属结构包括2组风亭、3个出入口及1个接入站台层的斜井施工通道。

1.2 车站与区间工筹及过站方式

根据全线总体工筹，该标段1台盾构机需连续掘进多个区间，盾构通过该车站的方式原设计为车站二衬后步进过站，为满足线路总体工期要求调整为双侧壁导洞初支环境下盾构过站。车站双侧壁导洞作为盾构过站及后续区间掘进运输通道的时间近1年。

2 盾构过站期间中隔壁及侧壁导洞稳定性分析

车站侧壁导洞开挖后形成的中隔壁高约20m、宽6.3m，主要依靠临时横撑和中隔壁中临时支护体系提供抗力。从盾构过站通道形成、TBM过站、临近区间掘进，到最后车站中隔壁拆除完成，车站中隔壁及导洞初期支护暴露时间最长超过1年，期间要经历汛期。而地质勘察及开挖揭露在中隔壁土体内存在多组砂岩和砂质泥岩分层结构面，层间结构较薄弱，极易出现沿层面滑移的情况，因此，需分析研究过站阶段中隔壁及导洞稳定性。

2.1 模型构建及参数选取

选取车站隧道典型断面采用有限元分析软件建模，围岩采用弹塑性各向同性体材料模拟，其强度遵循莫尔-库仑准则，并考虑围岩非线性变形。计算边界取隧道左右两侧3倍开挖跨度，底部取开挖高度的3倍，隧道上部取至地表，地表近似按水平地面考虑。计算模型侧面边界分别受到x轴方向位移约束，模型地层下部边界受到y轴方向位移约束。在隧道开挖过程中考虑应力释放，释放系数为0.3,计算时路面荷载按20kPa均布荷载考虑。

根据勘察资料，隧顶从地面向下依次为人工填土、砂岩、砂质泥岩，属于软弱围岩，建立模型如图1所示。结合JTG D70—2004《公路隧道设计规范》中提供的参数及地区经验对岩土体计算参数取值，岩土体及隧道初支材料计算参数如表1，2所示。

表1 岩土体计算参数

图1 计算分析模型

2.2 稳定性模型分析结果

模型计算得到盾构过站阶段，隧道围岩应力重分布及变形情况如图2，3所示。

图2 过站阶段隧道围岩应力分布(单位：kN·m-2)

1)围岩应力方面 水平方向应力在左、右导洞横撑与侧墙和中隔壁交汇处产生应力集中，其中右导洞集中情况最严重，水平方向因开挖卸荷导致中隔壁剪应力增大趋势明显，稳定性降低。竖直方向应力在左、右导洞顶部和底部释放较完全，在侧墙中隔壁处集中，特别是横撑、垫层与侧墙衬砌和中隔壁交汇处集中情况较严重，但在不考虑围岩流变特性的情况下围岩应力总体尚在安全范围内。

表2 隧道初支材料计算参数

图3 过站阶段隧道位移(单位：mm)

2)隧道变形 左导洞中部收敛值达0.7mm，拱顶沉降为1.5mm；右导洞中部收敛值达1.17mm，拱顶沉降为1.5mm；导洞底部隆起达7.8mm；中隔壁受侧壁导洞开挖卸荷扰动，出现向导洞方向的挤压变形。

2.3 导洞开挖初期隧道及周边监测情况

车站隧道导洞施工初期(先行导洞上台阶开挖约60m，中导洞开挖48m)监测情况如下。

1)开挖地质揭示，部分段落受层理和垂直断裂裂隙切割极为破碎，裂隙水丰富，砂岩遇水软化严重。开挖过程中虽然打设超前小导管，且施工过程中已严格控制爆破参数，导洞拱部仍出现不同程度掉块现象，最大块体厚度达30cm左右。

2)开挖初期监测数据显示，导洞拱顶最大沉降达18.5mm(达到预警值24mm的77%)，中台阶开挖阶段水平收敛最大达11.0mm(达到预警值16mm的69%)，隧道上方地表沉降普遍较大，最大值达25.2mm(预警值24mm)，出现地面沉降预警。

3)侧壁导洞横撑轴力出现报警，其中导洞上层1根型钢支撑出现轻微弯曲现象。

2.4 隧道中隔壁及导洞稳定性分析

1) 根据模型模拟分析结果可知，盾构过站期间，车站侧壁导洞及高大中隔壁变形相对可控。但根据监测数据，导洞开挖阶段侧壁收敛变形、拱顶沉降、地表沉降及导洞钢横撑均出现预警或接近预警，说明水文地质等情况对中隔壁和导洞的影响超过预期，开挖揭示的地质情况也显示地下水发育，而砂岩和泥岩遇水软化突出，围岩自稳能力较差。

2)隧道中隔壁原设计采用内锚、外撑形式支护，即2m长φ25临时锚杆+I22b支撑喷锚结构。据模型计算分析，导洞横撑与隧道中隔壁交汇处应力集中明显，而监测数据也显示导洞侧壁收敛和钢横撑轴力均较大，多处临近报警值。说明导洞开挖卸荷导致水平方向剪应力和变形均超过既有支护体系提供的抗力，中隔壁向外挤出变形时锚杆抗拉作用、锚杆对中隔壁的箍束作用和支撑抗压作用不足以抵抗剪应力增大量，存在中隔壁失稳风险。故需对锚杆和横撑支护强度予以加强，调整锚杆布置形式，特别是增加支护体系整体性，建立左右侧导洞支护结构联系。

3)隧道围岩局部存在由左至右倾斜向下的多组砂岩和砂质泥岩互层结构面，且层面为危险倾角，中隔壁破碎岩体可沿岩层面向洞内滑移，施工期间可能产生沿岩层面的滑塌。而导洞开挖初期钢支撑轴力报警且1根支撑出现弯曲现象，说明工字钢形式的横向支撑体系抗弯刚度不足，需调整钢支撑形式。

4)根据受力分析，导洞内最大隆起部位出现在导洞底部跨中位置，不加以控制势必造成较大的隆起破坏，而拱脚位置应力释放和隧道内水对拱脚的软化极易引起拱脚破坏。故导洞开挖后应及时采取措施将初期支护封闭成环，控制隧道底部隆起和拱脚破坏。

综合模型计算结果、导洞开挖初期监测数据及开挖揭示的地质情况，虽然模型计算显示导洞及中隔壁在开挖阶段隧道围岩应力和变形均在允许范围内，但开挖后地质揭示及监测数据表明，侧壁导洞、中隔壁应力及变形异常，尤其是裂隙水含量明显大于勘察报告中的数据，导致中隔壁和导洞变形较计算大幅度提高。考虑到隧道危险倾角、初期支护在拱部不成环、围岩流变特性、复杂周边环境、中隔壁需要经历雨季且岩石雨水软化明显等因素，按既有支护参数，高大中隔壁和侧壁导洞在盾构过站及后续区间掘进阶段因长时间暴露状态而存在极大的安全风险，必须采取加固措施。

3 隧道临时加固技术

3.1 临时加固措施

根据分析结果，有必要在导洞开挖阶段在原设计支护参数基础上对导洞及中隔壁采取支护加强措施，结合具体分析制定以下加固措施。

2)调整导洞临时钢横撑为钢管支撑 将侧壁导洞钢支撑由原设计2道I22b调整为2道φ108钢管支撑，增加钢横撑刚度，并在支撑与中隔壁及边墙位置设钢围檩，发挥支撑群体效应，增强钢横撑纵向整体受力性能。

3)设置导洞临时仰拱兼过站垫层 在导洞开挖至过站地面标高下一定高度后，一次性整体浇筑临时仰拱兼过站垫层，垫层两侧与导洞初期支护紧贴，以确保导洞封闭成环，控制导洞底部隆起变形，减小导洞底脚位置应力集中带来的影响，并为盾构过站提供条件。

各项加固措施如图4所示。

图4 侧壁导洞及中隔壁加固措施(单位：m)

3.2 隧道加固施工

3.2.1调整中隔壁内临时锚杆为对拉锚杆

2)施工要求 先行侧导洞相应台阶开挖并施作锚杆，待钻孔内水泥砂浆强度达到设计强度后施加预应力40～45kN；后开挖一侧导洞对应部位开挖暴露锚杆端部后，拆除预安装的丝扣保护装置，施加预应力至100kN，然后在先行侧补张拉至90kN。对拉锚杆必须随导洞开挖及时施作，确保开挖后的安全。上台阶靠近拱顶部位少量斜向上临时锚杆无法采用对拉锚杆，相应临时锚杆必须按原设计施作。锚杆长度需根据相应位置中隔壁设计宽度并考虑张拉需要，严格控制锚杆水平设置，确保对拉加固效果。对拉锚杆需按监测要求设置轴力监测装置。

3.2.2调整导洞临时钢横撑为钢管支撑

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1)加固措施 支撑调整为φ108(t=8mm)钢管，纵向间距0.6m(同钢架间距)，2层钢管支撑竖向位置同原设计工字钢支撑，但应确保盾构机顺利通过(按最大使用高度+(40～50)cm安全距离)。采用[30作为围檩，围檩与中隔壁型钢钢架及导洞格栅钢架焊接牢固。

2)施工要求 钢管支撑务必随导洞开挖进度及时架设，严格控制钢管水平以确保受力性能。中隔壁一侧围檩与型钢钢架直接焊接连接，边墙一侧围檩与预埋于钢架对应位置的钢板焊接连接。导洞开挖时做好爆破开挖及机械作业时的支撑防护工作，如采用控制爆破或松动爆破等。对钢支撑须布设轴力计并开展监测。

3.2.3设置导洞临时仰拱兼过站垫层

1)加固措施 临时仰拱采用30cm厚现浇C40混凝土结构。

2)施工要求 为有效控制下台阶围岩变形和收敛，尽快完成导洞初期支护封闭成环，临时仰拱需随下台阶掌子面开挖跟进。围岩较好时临时仰拱至下台阶掌子面距离控制在15m左右(最大不超过18m)，围岩较差时临时仰拱至下台阶掌子面距离控制在12m以内。垫层在两侧与导洞初期支护紧贴，排水沟不得在垫层浇筑阶段预留，需采用砖砌形式设置于临时仰拱上部并与边墙及中隔壁保持一定距离，以确保导洞初期支护结构成环不被破坏，且避免水对侧壁初支的危害。垫层混凝土达到设计强度前注意对其加强保护，作业机械需在其达到一定强度后方可在上方行走。

3.3 其他辅助措施

地铁车站附属结构与车站主体接口数量多，如该车站主体隧道与附属结构共有6处接口。考虑到车站在盾构过站期间暂停施工时间近1年，加上前期导洞施工、后期中隔壁开挖及二次衬砌施工，车站初期支护最长暴露时间超过18个月，而围岩具有明显的流变特性，故在导洞开挖阶段，除进入车站的施工通道外，所有接口在导洞施工阶段均不予开挖，待后期接口附近车站主体二次衬砌完成并具备一定条件后，再破除接口位置初期支护，开挖附属结构。

盾构过站及后续区间掘进阶段，需持续保持车站隧道监测和巡查工作。雨季需特别重视隧道内抽排水工作，特别要避免支护底脚长时间被浸泡，同时应强化隧道应急管理工作。

3.4 实施效果评价

根据后续隧道导洞开挖及过站期间监测情况，采取加固措施后，车站导洞开挖阶段侧壁收敛及拱顶沉降得到有效控制，其中侧壁收敛最大为15.2mm(约为预警值的95%)，地表沉降个别点因调整前累计沉降较大而出现新增预警。车站因盾构过站及后续区间掘进而暂停施工的近1年时间内，车站拱顶沉降及侧壁受力未发生新增报警情况，支撑轴力个别位置出现预警但均未达到工程报警标准，中隔壁未发现明显挤出现象。总体来看，在采取上述加固措施后，车站侧壁导洞及中隔壁变形得到有效控制，监测报警频次低，表明加固措施有效。过站期间隧道内情况如图5所示。

图5 过站期间隧道内情况

4 结语

1)盾构通过地铁暗挖车站时，采用侧壁导洞先行快速贯通后，在导洞初支环境下步进过站可有效保障盾构工期，并大幅降低对车站工期的影响。

2)当大断面浅埋暗挖车站隧道导洞初期支护长时间暴露时，需对高大中隔壁及侧壁导洞支护采取加固措施。设置中隔壁对拉锚杆、增加导洞临时横撑抗弯刚度、设置一定厚度临时仰拱将导洞初期支护封闭成环等措施具有显著效果，可为盾构机在侧壁导洞初期支护环境下过站提供条件，且导洞及高大中隔壁长时间暴露阶段隧道变形相对可控。

3)在砂质泥岩及砂岩地区，围岩含水量对隧道变形影响极大。当开挖或监测揭示的围岩含水量与勘察报告差距较大及雨季施工时应特别关注，尤其要加强导洞支护阶段设计动态管理，以控制过大变形发生。