大直径盾构隧道浅埋暗挖扩挖技术研究

□文/李爱民 颜 莓 鲁卫东

随着城市建设的快速发展，建设用地日趋紧张、地铁线网加密后可选择的线路路由狭窄、地上地下环境苛刻，环境保护标准增高，使得常规明盖挖施工方法造价超限或风险难以控制；采用常规浅埋暗挖法虽可避免地面环境影响，但受到地质、水文等环境条件限制，连续长距离施工区间，会大大增加工程实施风险，大量抽取地下水或水泥化学浆液止水，会破坏水文地质环境。盾构法作为目前最安全、高效、经济的施工方法，广泛应用于地铁区间建设，但目前基本局限于区间工程，均以单洞单线形式在站点之间推进，未充分发挥其安全性高、长距离掘进、对周边环境影响小等优势。国外已有基于两条单线盾构隧道之间扩挖形成车站的工程实例，但由于区间及车站占用地下空间较宽，受设备和建筑限界等控制需加大两条盾构隧道直径，在狭长环境条件下难以实施。目前国内针对盾构结合暗挖法建造地铁车站技术的研究，亦主要为双线盾构与浅埋暗挖法结合[1～2]，实际工程仍缺少案例。

因此，需要研究一种以连续推进的单洞双线大直径盾构隧道为基础，站点全地下扩挖形成车站的地铁建造技术。这样不但可以解决狭窄环境中线路路由的选择问题，而且可发挥盾构法安全高效的优势，减少地铁建设对地上、地下环境的影响。本文以北京地铁14号线试验段工程为背景，对单洞大直径盾构隧道结合浅埋暗挖法扩挖车站结构方案进行探讨。

1 工程概况

北京地铁14 号线东风北桥站—高家园站区段全长约3.2 km，共包括东风北桥站、将台站、高家园站3个车站和2个站间区间，区段地质以粉质黏土、粉细砂为主，地下水位较高。将台站、高家园站地面道路交通繁忙，部分现状道路宽度仅16 m，道路两侧住宅、商业建筑密集，地下管线众多，存在大直径雨污水、高压燃气、电信、电力等管线，拆改困难，不具备明挖条件。区间线路需多次下穿河流、居民楼、高压电塔、天桥等建筑物，采用浅埋暗挖法施工风险极大，采用盾构法施工是该段区间的首选，但由于部分道路狭窄，一般单洞双线的区间线路布置较困难；同时连续两座车站暗挖法施工，风险大、地下水处理困难，制约了区间盾构法的工期，增加车站过站、调头转场等相关工程费用和实施难度。

区间采用单洞大直径盾构法施工，实现单洞双线一次穿越；车站范围采用盾构法与浅埋暗挖法结合修建车站的方法，在满足建筑、设备使用功能的前提下，确定区间采用单洞双线外径10 m盾构隧道，车站位置在盾构隧道两侧局部暗挖形成侧式站台结构的实施方案。

2.扩挖技术方案比选

2.1 车站整体布置形式

采用厅台分离形式，交通繁忙、管线密布的道路范围设置站台层，大直径盾构结合浅埋暗挖法扩挖施工；路侧不受拆迁等现状条件限制的部位，可结合现状或规划条件设置地面或地下集散厅，集散厅可化整为零，合厅、分厅形式均可满足功能要求。在集散厅与扩挖车站间，利用暗挖风道、横通道等实现厅、台连接。

将站台层与站厅层分离布置，实现了主线隧道、集散厅等功能布局独立建设实施，减小了含水地层中浅埋暗挖法施工的规模和风险，同时由于大直径盾构隧道过站连续推进，为站位灵活布置提供了技术前提，车站与区间施工不再相互制约。

2.2 扩挖结构形式及施工工序

隧道区间采用单洞双线行车，衬砌环采用8+1 形式，分块为6A+2B+1K，环宽1.8 m，错缝拼装。扩挖车站范围盾构管片与区间隧道形式相同，采用通缝拼装，为便于拆除，封顶块设置于正上方[3]。目前国内地铁建设中，第四纪软弱地层浅埋暗挖施工方法主要有正台阶法、双侧壁导坑、中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁（CRD 法）、洞桩法（PBA 法）等[4]；用于较大开挖断面的主要为CRD法和PBA法。

整体工序：盾构隧道通过车站站位后，先期施工隧道内中柱和顶、底纵梁作为单柱双连拱隧道的主要受力构件，同时也作为拆除管片过程的主要竖向受力构件；然后利用浅埋暗挖法自车站两端或中部开挖剩余部分隧道断面，同时拆除已受力管片。在开挖和拆除过程中，浅埋暗挖初衬结构与盾构隧道管片、中柱等共同组成临时支护结构，保证拆除施工和现浇二衬结构的安全性和稳定性。为增强大直径盾构扩挖工法环境适应性，增加盾构与浅埋暗挖法结合的灵活性，考虑CRD 法和PBA 法分别与盾构隧道结合实施车站的设计方案，大直径盾构隧道扩挖形成一柱两跨双连拱永久结构。见图1和图2。

图1 PBA工法方案

图2 CRD工法方案

2.2.1 PBA法施工工序

1）盾构施工，形成车站范围盾构隧道，在隧道内施工中柱、临时水平撑，自站端横通道开挖侧导洞，见图3。

图3 PBA法工序1

2）导洞内施工灌注桩，打设中导洞管棚及洞门小导管注浆，开挖中导洞至侧导洞底板位置，设置临时封底，见图4。

图4 PBA法工序2

3）分段拆除盾构隧道局部K 管片和上部盾构管片，见图5。

图5 PBA法工序3

4）分段拆除侧导洞隔壁，浇筑混凝土，完成二衬扣拱，见图6。

图6 PBA法工序4

5）拱顶混凝土达到强度后，破除临时封底继续向下开挖，见图7。

图7 PBA法工序5

6）对称拆除中部管片及相应临时支撑，见图8。

图8 PBA法工序6

7）继续开挖至坑底，拆除下部管片及相应临时支撑，见图9。

图9 PBA法工序7

8）施工二衬结构，见图10。

图10 PBA法工序8

2.2.2 CRD法施工工序

1）盾构隧道施工，在隧道内施工中柱、水平撑，开挖上排侧导洞，见图11。

图11 CRD法工序1

2）自站端横通道开挖上排中导洞，与盾构管片形成连接，见图12。

图12 CRD法工序2

3）开挖中排导洞，与盾构管片形成连接，见图13。

图13 CRD法工序3

4）继续开挖下排导洞，与管片连接，封闭整体初衬，见图14。

图14 CRD法工序4

5）纵向分段拆除管片，随拆除架设水平横撑，见图15。

图15 CRD法工序5

6）分段施工底部防水层、二衬底板及部分侧墙，见图16。

图16 CRD法工序6

7）设置倒撑后，沿隧道纵向分段拆除上部横撑，见图17。

图17 CRD法工序7

8）施工剩余防水层，封闭二衬，见图18。

图18 CRD法工序8

2.3 方案对比分析

通过工序可以发现，两种开挖方法在结构受力方面的共同点主要为：

1）盾构隧道内须先施工中柱、中梁，为受力转换提供条件，方可实施暗挖初衬与盾构管片的连接；

2）盾构隧道内设置水平支撑保证管片结构在暗挖施工及拆除管片阶段的稳定，同时传递水平荷载，减少偏载产生的不利影响；

3）顶部暗挖初衬与管片连接并传递荷载至中柱，初衬、管片、中柱（顶梁）组合受力节点为施工阶段结构受力关键点；

4）二衬均为整体现浇，结构受力、防水效果好。

但在与盾构隧道结合扩挖施工过程中，两种工法施工阶段临时支护体系和工期等方面存在着较明显的区别，见表1。

表1 PBA法与CRD法扩挖比较

续表1

由表1 可知：在保证一次拆除整环管片稳定性的前提下，CRD工法是可行的；同时也可以看到，PBA 工法结合盾构隧道施工，形成单柱双跨拱形结构在各方面均存在一定优势。

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2.3.1 关键结构受力工况

对PBA 工法和CRD 工法各施工工序受力进行分析，各阶段结构受力特性存在关键差异。

1）偏载影响：由于施工中难以做到完全对称开挖，在偏载作用下，中柱、管片内力与对称开挖工况相比有较大突变。PBA 工法在二衬扣拱前，主要靠隧道内部支撑平衡两侧偏载，上排中导洞单侧非对称开挖时，管片局部位置弯矩增加1.15～1.5 倍，中柱产生柱中弯矩和柱端剪力，二衬扣拱后，抗侧力能力明显增强且开挖、拆管片阶段均在边桩、二衬扣拱保护下进行；CRD工法在两侧导洞开挖阶段，偏载影响的工序多、时间长，存在偏载影响较大情况。

2）盾构隧道内支撑：PBA工法扩挖施工阶段，盾构内第一道支撑以受拉为主，第二道支撑在不同工况可能出现受拉、受压情况，第三道支撑以受压为主；CRD工法根据导洞隔板，第一道支撑以受拉为主[5]，最大轴力为PBA工法中第一道撑的1.15倍，第二道支撑轴力在受压、受拉间变化，支撑与管片连接节点应根据受力需要设置，为平衡偏载，支撑要与中柱可靠连接，由于内部支撑较少并缺少边桩作用，施工阶段结构构件变形相对较大，初衬拱顶竖向弹性变形值为PBA工法的1.5倍。

2.3.2 对地层环境变形影响

采用同济曙光有限元程序地层结构模型模拟施工过程，相同模型、相同参数条件下，两种工法对地层变形影响见图19和图20。

图20 CRD工法扩挖

由图19 和图20 可知，CRD 法施工阶段地面变形最大值为-0.056 m，PBA法施工阶段地面变形最大值为-0.045 m，CRD 工法沉降值约为PBA 工法的1.25倍。PBA工法在边桩、暗挖扣拱、中柱的形成过程和联合受力情况下，变形更小，结构安全度更高。

3 结论

采用大直径盾构扩挖修建车站，将盾构法和浅埋暗挖法有机结合起来，取长补短，既可以实现狭窄道路条件下的线路布置，又可以实现城市密集建构筑物环境下的快速高效施工，为解决困难地段的地铁车站修建问题提供思路。扩挖结构利用盾构管片和浅埋暗挖支护结构作为临时支护结构，能有效保证施工阶段隧道整体稳定和管片拆除施工安全；永久结构形式结合建筑布置形成单层一柱两跨钢筋混凝土现浇结构，即盾构中洞-边桩法结构，能够保证防水的整体性和结构耐久性。

通过扩挖技术分析，PBA法和CRD法作为浅埋暗挖法中常用工法，均可与盾构隧道结合使用，但扩挖结构结合PBA工法相对CRD工法具有以下优势：

1）施工期间受力转换简捷，安全性较高；

2）上部导洞开挖并实施二衬扣拱后，在边桩、中柱、二衬扣拱组成整体支护体系，结构抗偏载、抗变形能力较强；

3）对周边环境影响较小；

4）土方开挖等工序进度较快，节省工期。

通过方案比选研究，大直径盾构隧道结合浅埋暗挖法扩挖技术，采用PBA工法修建地铁车站方案实施性较强、安全性较好，形成的盾构中洞-边桩法扩挖结构满足结构受力和施工等综合要求。