大直径盾构隧道侧壁管片拆除对邻近管片影响

许学昭，李兆平，王 凯，汪 挺，郑 昊

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京 100044；2.北京市政建设集团有限责任公司, 北京 100045)

北京地铁14号线高家园站是在单洞双线大直径盾构隧道的基础上扩挖修建而成的，大直径盾构隧道外径10.22 m。这种基于大直径盾构隧道扩挖修建地铁车站的工程实践在国内尚属首次[1]。

高家园站设计施工顺序为：大盾构通过车站区段前，先在车站两端施工兼做暗挖通道的风井、风道(1号和2号风道)，在盾构通过站位后，车站主体结构利用两端风道采用PBA法进行暗挖拓展形成[2]。但由于高家园站2号风井邻近的房屋无法按期拆除，导致其无法施工，只通过1号风道进行扩挖施工会使得作业面太少，无法满足工期要求[3]。因此，提出“拆除盾构隧道两侧壁部分管片、横向开挖施工通道并对施工通道进行扩挖，形成类似于车站端部扩挖作业面”的设想[4]。

关于拆除管片扩挖横通道的研究，目前的报道多集中于常规的双洞双线盾构隧道方面[5-13]。梁兴朴[5]、李志国等[6]分别从盾构隧道联络通道施工技术的角度展开研究，阐明了联络通道施工的关键技术。郭正伟[7]、陈雪莹等[8]分别研究了冻结加固技术在盾构隧道联络通道施工中的应用，验证了冻结加固技术的可行性和优越性。张志强等[9]、王士民等[10]、刘军等[11]分别对盾构隧道联络通道和管片的施工力学行为展开了相关研究，揭示了联络通道和管片在施工过程中的受力变化规律。何悦等[12]、耿萍等[13]通过几何相似比为1∶40的振动台试验，研究了盾构隧道与联络通道采用不同连接方式的动力特性，得出柔性连接比刚性连接的动力特性更优的结论。温克兵等[14]对西安地铁盾构隧道联络通道的施工风险进行了详细分析并给出相应的对策。但相比于常规盾构隧道联络通道的施工，本工程扩挖作业面需拆除的管片范围大(需拆除大盾构隧道的双侧壁部分管片)，扩挖作业工序复杂，而施工过程中邻近管片的力学行为尚属于未知。

本文对北京地铁14号线高家园站采用破除大直径盾构隧道侧壁管片增加扩挖通道的施工方法进行详细阐述。通过数值计算和现场实测的方法，对“拆除大直径盾构隧道侧壁管片、暗挖横通道、反掏横通道上部土体形成扩挖车站施工通道”施工过程中的横通道邻近管片力学行为进行研究。

1 大直径盾构隧道侧壁管片破除形成扩挖车站通道施工技术

1.1 新增施工横通道布置

为提高扩挖施工效率，高家园站通过破除盾构隧道侧壁管片暗挖横通道的方法又增设了3个施工横通道(SMD1、SMD2、SMD3)，共增加5个扩挖施工工作面(横通道SMD3位于车站端部，只能增加一个施工工作面)。新增的施工横通道平面布置见图1。

图1 高家园站新增施工横通道平面布置图(单位：m)

1.2 施工方案比选

为最大限度地降低盾构隧道侧壁管片拆除及开挖横通道等工序对地表沉降及保留管片受力的影响，分别就管片拆除及横通道施工的对称施工方案与两侧分别施工方案进行了多次研讨，最终确定管片拆除及横通道施工采用两侧分别施工方案，即分别拆除两侧壁管片，并分别施工两侧的横通道。同时明确提出以下技术要求：

(1)管片拆除前，在管片拆除部位架设型钢支撑。

(2)待拆除管片先用水钻钻孔进行应力释放。

(3)开挖横通道前，先对横通道拱部土体实施注浆加固。

(4)一侧的横通道施工完成后，再进行另一侧的横通道施工。

1.3 施工步骤

破除盾构隧道侧壁管片暗挖施工横通道的施工步骤见图2，具体步骤如下：

Step1大直径盾构过站后，施工盾构隧道内的顶纵梁、底纵梁、中隔墙；注浆加固侧导洞周边土体，施工侧导洞、导洞内围护桩和桩顶冠梁，施工侧导洞内的主拱初期支护并完成导洞背后的素混凝土回填。

Step2采用深孔注浆和超前小导管注浆补强的方式加固新增横通道周围的土体。注浆加固范围为横通道上下各1.8 m，左右各1.8 m(一环管片宽度)。

Step3分块拆除两侧壁横通道部位的盾构管片，并及时架设开口环管片的临时支撑。

Step4沿着垂直于盾构隧道轴向的方向采用台阶法开挖横通道至侧导洞位置，施工横通道初期支护。上台阶拱脚的初期支护设锁脚锚杆并注浆加固土体。横通道贯通后结构的三维效果见图2(e)。

图2 破除盾构隧道侧壁管片暗挖横通道施工步骤

Step5采用深孔注浆和超前小导管注浆补强的方式加固横通道部位中洞拱部周围土体。

Step6分段拆除侧导洞位于横通道上方的部分初期支护，通过侧导洞沿着隧道轴向反掏横通道上部土体，形成横通道部位中洞拱部初期支护施工所需的空间，施工横通道部位中洞拱部初期支护结构。

Step7拆除封顶块K管片两侧小块、B管片、横通道顶部初期支护和侧导洞位于横通道范围内的初期支护，施工横通道部位中洞拱部二次衬砌，形成扩挖车站结构所需的横通道施工作业面。

1.4 施工技术优势分析

采用破除大直径盾构隧道侧壁管片暗挖施工横通道的施工技术能解决扩挖车站时由于施工场地占地困难导致扩挖施工作业面不足的难题，可根据实际施工需要增加所需的扩挖施工作业面，与传统的施工方法相比，具有以下几点技术优势：

(1)利用大直径盾构隧道作为施工作业平台，作业空间开阔，有足够的空间供大型施工设备使用，车辆往来和材料运输便利，有利于组织灵活高效的施工。

(2)当拆迁、管线改移等原因导致扩挖车站施工占地困难，无法按预定计划施工时，采用上述方法，可以在不占用地面空间的情况下，增加扩挖车站结构的施工横通道，保证工程能按期完成。

2 邻近管片力学行为数值计算与分析

2.1 三维数值模型建立

高家园站由大直径盾构隧道扩建的站台层高10.14 m，宽17.8 m。考虑边界效应，三维计算模型在横向宽度上取车站外侧各3倍的车站宽度，约125.0 m；在垂直方向上，上侧为拱顶覆土厚度约15.0 m，下侧土体厚度取车站高度的2.5倍，约25.4 m，故垂直方向的尺寸为50.5 m；横通道宽5.4 m(3环管片宽度)，因此，模型的纵向取17环管片，每环宽1.8 m，故模型的纵向长度为30.6 m。模型的最终尺寸确定为125.0 m(X方向)×50.5 m(Z方向)×30.6 m(Y方向)。主要模拟破除管片、暗挖横通道以及反掏形成中洞横断面三个施工步骤。三维计算模型见图3。

图3 三维计算模型(单位：m)

2.2 材料本构及物理力学参数

土层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，用三维实体单元模拟。根据《北京地铁14号线15标段高家园站地质勘查报告》给出的地层物理力学参数，在此基础上进行相应简化，本文采用的土层物理参数见表1。两侧导洞及中洞周边采用超前小导管注浆加固，模型中通过提高导洞周边土体参数对加固地层进行模拟。

表1 地层物理力学参数

盾构管片厚0.5 m，每环管片宽1.8 m，混凝土等级为C50，采用弹性板单元模拟；初期支护厚0.3 m，混凝土等级为C25，采用弹性板单元模拟；中隔墙混凝土等级为C40，采用弹塑性实体单元模拟；围护桩混凝土等级为C20，采用弹塑性实体单元模拟；导洞回填采用C20素混凝土，弹塑性实体单元模拟，二次衬砌厚0.8 m，混凝土等级为C40，采用弹性板单元模拟。结构单元的物理力学参数见表2。

表2 结构单元物理力学参数

2.3 模型边界条件

三维模型的边界条件设置如下：模型的地表为自由边界，作用有20 KPa的地面超载，下表面限制垂直位移，左右和前后表面限制法向位移。假设初始地应力场仅由土体的自重产生，由于采用施工降水，不考虑地下水的影响。

2.4 数值计算施工阶段的定义

计算模型考虑了拆除横通道部位管片，施工暗挖横通道和反掏横通道上部土体，形成扩挖车站结构所需的横通道施工作业面的施工步骤，对模型计算的施工阶段进行如下定义：

(1)初始阶段：横通道部位管片拆除前的施工阶段，对应1.1节中施工步骤Step1。

(2)破除管片阶段：拆除横通道部位的管片，架设开口环管片的临时支撑，对应1.1节中施工步骤Step2、Step3。

(3)暗挖横通道阶段：暗挖横通道至边导洞位置，并施工初期支护，对应1.1节中施工步骤Step4。

(4)反掏土体阶段：反掏横通道上部土体，形成扩挖车站结构所需的横通道施工作业面(简称为反掏土体阶段)，对应1.1节中施工步骤Step5～Step7。

2.5 数值计算结果分析

横通道部位的管片拆除及横通道施工必然会对邻近管片造成扰动，通过对以上施工阶段的数值计算，得到隧道腰部和肩部管片应力，见表3，横通道两侧邻近管片应力分布见图4(图中负值为压应力)。

图4 横通道两侧邻近管片环向与轴向应力曲线(单位：MPa)

表3 横通道两侧管片腰部和肩部压应力值

根据图4、表3，对横通道两侧邻近管片应力变化分析如下：

(1)管片所受的最大压应力位置比较固定，一般都出现在管片的肩部，而且最大压应力值在施工过程中波动幅度较小。具体表现为：在破除管片过程中，环向最大压应力由5.97 MPa增加到7.23 MPa，增幅为1.26 MPa；在开挖横通道过程中，环向最大压应力由7.23 MPa增加到了7.54 MPa，增幅为0.31 MPa；在反掏横通道上部土体形成扩挖车站结构所需通道的过程中又出现了由7.54 MPa到6.59 MPa的回落，减幅为0.95 MPa。沿轴向(隧道中轴线方向)压应力也重复了一个类似的变化过程。但是邻近管片的环向和轴向的最大压应力均没有超过管片C50混凝土所能承受的最大压应力值，表明施工对管片结构不会造成破坏。

(2)拆除管片工况对横通道两侧邻近管片的应力影响最大，暗挖横通道及反掏横通道上部土体形成扩挖车站结构所需通道的施工过程对横通道两侧邻近管片的影响较小。

总体来看，拆除管片、暗挖横通道以及反掏横通道上部土体形成扩挖车站结构所需通道等工况对横通道两侧邻近管片的影响不会危及到管片结构安全。高家园站的工程实践也证明了该施工方案的可行性。

3 拆除管片及暗挖横通道工况下邻近管片应力测试结果与分析

3.1 监测目的

拆除与横通道交叉部位的管片必然会引起管片应力释放，造成横通道两侧邻近管片应力状态发生变化，为了确保管片结构安全，在拆除横通道管片以及开挖横通道过程中，对横通道两侧邻近管片应变和应力状态进行监测，为加固方案的制定提供依据。

3.2 测点布置

本工程采用表面应变计作为管片应变变化监测元件，通过实测频率变化即可计算出表面应变值，进而计算出管片应力变化。

管片拆除前在横通道两侧邻近管片上钻孔，然后将表面应变计通过膨胀螺栓固定在管片上，表面应变计将和管片同步感受到该部位所产生的应变，并将应变反应在频率变化上，通过传感器输出。当频率仪接收到的频率低于初始频率时，表明此时管片处于受压状态；相反，则表明该处管片处于受拉状态。

选取横通道SMD1和SMD2两侧的邻近管片进行应变监测，各监测点的表面应变计布置见图5。测点布置说明如下：监测点位于隧道腰部，每个横通道布置4个测点，每个测点沿管片轴向和环向各布置1个应变计，共布置8个测点，16个表面应变计。

图5 横通道两侧邻近管片应变监测点布置

3.3 监测结果分析

通过对横通道两侧邻近管片上表面应变计的频率采集，获得了2014-06-08—2014-07-27的表面应变计频率值，其中把第一次测得的频率定为初始频率，之后各频率与初始频率进行比较，若测得频率小于初始频率表明该处受压，相反则受拉。

为了更加明确的表达横通道管片拆除及后续施工对邻近管片的影响，将测得的频率转换成应变值，即

(1)

式中：ε为表面应变值，为负值时，表明管片产生了压缩应变，为正值时，表明管片产生了拉伸应变；f1为测试频率，Hz；f0为初始频率，Hz；K为表面应变计率定系数。

根据胡克定律，计算得各测点处管片由于施工引起的附加应力，表达式为

Δσ=EΔε

(2)

式中：E为管片混凝土的杨氏模量；Δσ为测点处管片由于施工引起的附加应力；Δε为测点处管片由于施工引起的附加应变。

限于篇幅，这里只给出横通道SMD1的监测结果，SMD2监测点的应力变化规律与之类似。横通道SMD1的邻近管片环向和轴向应力发展规律分别见图6、图7。各测点的最大附加应力见表4。

图6 横通道两侧管片环向应力曲线

图7 横通道两侧管片轴向应力曲线

表4 管片各监测点最大附加压应力值

根据图6、图7和表4，对横通道两侧邻近管片应变和应力发展规律分析如下：

(1)横通道部位的管片拆除后，邻近管片应力出现突变。具体表现为：管片环向压应力突变增量为-1.64～-2.01 MPa;管片轴向压应力突变增量为-0.62～-0.73 MPa。这表明拆除横通道部位的管片对邻近管片造成显著影响。

(2)管片拆除后，随后进行的暗挖横通道、反掏横通道上部土体、形成扩挖车站结构所需通道的施工中，邻近管片的轴向应力先有小幅度增加，随后逐渐回弹到初始值附近，并逐渐趋于稳定，表明后续施工对管片轴向应力影响不明显。而管片的环向应力随施工的进行有明显的起伏变化，但最后均逐渐回归到初始值附近，表明后续施工对邻近管片的环向应力有一定影响，但随着横通道开挖的施工作业面逐渐远离管片，由施工引起的管片附加应力最终会逐渐消散。

(3)实测得到的邻近管片应力变化规律与数值计算结果基本吻合。但邻近管片最大附加压应力的实测值比数值计算值略大，具体表现为：实测得到管片环向最大附加压应力值约-2.33 MPa，而数值计算得到管片腰部环向附加压应力值约为-1.85 MPa;实测得到管片轴向最大附加压应力值约-0.86 MPa，而数值计算得到管片腰部轴向附加压应力值约为-0.29 MPa。

4 结论

本文采用数值计算和现场实测的方法，研究了大直径盾构隧道侧壁管片拆除形成扩挖通道对邻近管片力学行为的影响。主要结论如下：

(1)详细阐述了“拆除大直径盾构隧道侧壁管片形成扩挖车站通道”的施工方法与关键技术，工程实践表明：该方法能够有效解决车站扩挖施工作业面不足的难题，对类似工程具有重要的参考价值。

(2)拆除横通道部位的管片会使邻近管片的环向压应力和轴向压力分别增大-1.64～-2.01 MPa和-0.62～-0.73 MPa；暗挖横通道阶段也会使邻近管片的环向和轴向附加应力小幅度增加，但反掏横通道上部土体形成扩挖车站结构所需横通道的施工阶段会使邻近管片的附加应力逐渐减小，最终邻近管片的应力状态会回到施工前的初始值附近。表明在整个施工过程中，拆除横通道管片对邻近管片影响最大，暗挖横通道等后续施工对邻近管片的影响较小。

(3)拆除管片及暗挖横通道等施工在邻近管片上引起的附加压应力较小(最大附加压应力约为-2.33 MPa)。这表明：只要加固措施得当，拆除横通道部位的管片及后续施工对横通道邻近管片安全的影响是可控的。