配合盾构法建成三连拱地铁车站模型研究
2011-05-07 18:06
配合盾构法建成三连拱地铁车站模型试验研究
【摘 要】采用相似模型试验，进行了在盾构隧道基础上扩挖建成三连拱隧道地铁车站的施工方案研究。结果表明，采用预留核心土台阶法扩挖建成两连拱隧道地铁车站的施工方案是可行的，但需采用双排小导管注浆超前加固，达到其加固效果后，才能进行土体开挖。施工完成后地层竖向位移场呈“U型”分布，不加固条件下，地表和地中位移很大。地表沉降曲线为近似正态分布，施工完成后其沉降槽宽度为3B，B为三连拱结构的总宽度。
【关键词】地铁车站；盾构隧道；三连拱结构；扩挖施工；模型试验
盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境的影响小等优点，在我国城市地铁建设中已成为重要的施工方法，在许多场合已成为首选方法[1]。但我国在已建和拟建的城市地铁中，盾构法仅限于一般地铁区间隧道，未有直接采用盾构法或间接地在盾构法修建的隧道的基础上扩挖建成地铁车站等复杂断面的尝试，这一现状无疑限制了盾构法在城市地铁建设中的大规模应用[2]。
以广州地铁2号线为例，全线13个暗挖区间中有6个采用盾构法施工，而这6个盾构区间又分成3个不连续标段。施工中，先修车站，并作为盾构的始发井和到达井，在中间车站处采用盾构过站技术。虽然，盾构过站技术能够将盾构机从一个区间的到达井调运到下一区间的始发井，但都要求在施工区间隧道之前先明挖修建车站。而地铁车站的建设费用占整个土建费的比例比较大，导致整个工程的建设周期和先期投入增加。同时，盾构的经济掘进长度多为5km―8km，普通区间隧道长度平均为1km左右，故不能充分有效地利用盾构设备。因此，结合我国实情，进行在扩挖区间盾构隧道建成地铁车站的技术研究具有重要意义。
以广州地铁3号线林和西路站为对象，在国内首次就扩挖盾构隧道建成三连拱隧道地铁车站这一施工技术问题进行了模型试验研究，重点研究了扩挖施工的可行性、地表沉降和地中位移规律，最后提出了相应的围岩加固处理措施。
1、相似模型试验概况
1.1相似比及试验范围确定
采用几何相似比1∶30进行室内模型试验，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现在弹性范围内各物理力学参数的全相似性[3]。试验原型的左右两侧影响边界为2D，车站结构的下边界为2H，D为车站结构的总跨度，H为车站结构的最大高度[4]。三连拱结构车站的总宽19.2m，总高9.667m。而以轨面埋深21m为标准，车站的埋深为14.4m。最后试验原型范围确定为：120m×45m。模型试验概况如图1所示。
1.2相似材料配制
根据广州地铁3号线林和西路站的工程地质情况以及试验中具有可操作性，且又不对模拟带来失真，将其简化为Ⅱ类围岩，同时把加固圈简化为Ⅲ类围岩。相似材料采用重晶石粉、机油、河砂(细)和粉煤灰进行配制。Ⅱ类围岩的配合比为：重∶粉∶河∶机＝1∶2∶2∶0.712；Ⅱ类围岩的配合比为：重∶粉∶河∶机＝1∶0.943∶1.894∶0.336；其配制方法是常温下机械拌和，最后加压成型。地层相似材料物理力学参数及其对应的原型值列于表1中，模型值稍微偏大[5]。地层A为围岩，地层B为加固圈。
根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002以及相似比，喷射混凝土、二次衬砌混凝土和管片衬砌混凝土分别采用水石膏比为1∶1.4、1∶1.6和1∶1.75的石膏材料模拟。盾构隧道管片钢筋采用直径2.2mm@5mm的铁丝，车站主体结构二次衬砌钢筋采用直径3mm@5mm的铁丝，两侧立柱受压钢筋采用直径2.2mm@50mm的铁丝，钢拱架采用直径3.2mm@25mm的铁丝。管片环向接头采用内外两侧同时开口的方式来模拟，其开口深度经计算(其原理为等效刚度，即在相同的荷载下，其变形相同时，其刚度相同)取为1/2倍管片厚度，即单侧1/4[6―9]。
1.3量测项目
主要进行地表沉降及地中位移量测[10]，地表沉降测点布置在隧道左右洞中轴线的上方，地中位移测点在左中右洞的中轴线上分3层布置，位移计安装布置如图2所示。地表沉降及地中位移均用精度为0.01mm、量程为30mm的差动位移计量测。
1.4开挖步骤
模型试验模拟了CRD法和预留核心土法两种扩挖方案，其开挖步骤如图3所示。图3(a)中：S1为修建左侧区间盾构隧道；S2为修建右侧区间盾构隧道；S3为修建左右两侧立柱；S4为进行中间拱顶地层加固改良及超前支护，开挖上弧槽并初期支护；S5为开挖核心土体并修筑拱部结构；S6为开挖下部土体并拆除两侧管片；S7为修筑仰拱结构。
2、试验结果分析
2.1地表沉降及地中位移变化规律
随着中间隧道的扩挖施工，地表地中位移不断增加，如图4所示。尤其是中洞拱顶正上方地层的位移增加很快，最终达到最大值，这是由于中洞的扩挖施工引起地层损失，导致其上方地层下沉产生的。左右盾构隧道正上方地层位移从下到上是先增加后减小，而中洞正上方地层位移从下到上是减小。采用CRD法扩挖时，是先以台阶法的形式开挖左侧土体，然后再开挖右侧土体，这样导致左盾构隧道正上方地层位移增加很快，出现了斜率较右盾构隧道的要大。而采用预留核心土台阶法扩挖时，因属于对称开挖，故左右盾构隧道地层位移曲线的斜率基本相同。
因中洞的扩挖施工，增加的地表沉降在盾构隧道上方为14mm―19mm，在中洞上方为23mm左右。说明中洞的扩挖施工，对地层的扰动较大，且其地表沉降大于30mm，超过了一般城市地铁施工引起的地表沉降的最大值。这是由于本身采用新奥法扩挖，在加固措施不是很强的情况下，因地层损失会产生很大的地表沉降。同时，在模型试验中，因隧道的埋深较小，而相似比又大，导致模型埋深更小。在土体开挖过程中，其扰动较大，且很快就传到地表。
2.2地表沉降槽宽度和最大量值
车站修建完成后地表沉降曲线见图5，中洞的扩挖导致地表沉降曲线的顶点进一步向中线靠近，其最大的沉降量值发生在中线左侧(先行隧道)0.5m附近。对于预留核心土台阶法扩挖施工产生的最大地表沉降为?34.63mm，而对于CRD法扩挖施工产生的最大地表沉降为?36.45mm。车站扩挖修建完成后，其最大地表沉降量值为35mm左右。
按照?3mm作为沉降槽宽度的计算起点，则沉降槽宽度仍为60m左右，相当于盾构隧道左右两侧的影响宽度为1B，B为三连拱车站的总宽度。说明扩挖施工对沉降槽的宽度没有增加，但是其最大量值增加了20mm左右。主要是由于扩挖施工中洞时，其沉降槽的影响范围在左右盾构隧道掘进施工完成后产生的沉降槽的范围之内。
2.3合理扩挖方案及加固措施
采用预留核心土台阶法和CRD法扩挖施工，其地表地中位移随施工过程的变化规律是一样的，沉降槽宽度也是相同的，只是在最大沉降量值上，预留核心土台阶法扩挖要小一点。这是由于预留核心土台阶法扩挖过程中，拱部二次衬砌结构上得比较早，支撑在两侧立柱上，有效地控制了中洞拱顶地层的下沉。而CRD法扩挖过程中，是先开挖完所有的土体后，再施作拱部结构，导致地表沉降比较大。从施工的方便以及对地表沉降的控制等综合考虑，推荐采用预留核心土台阶法扩挖建成三连拱地铁车站。
因地表沉降值都超过了控制值30mm，故在施工中应加强中洞扩挖前的加固圈土体的加固处理，可采用双排小导管注浆的方式进行加固，并达到其加固效果后，方能扩挖施工，并做好施工中的监测，以便施工的安全进行。
3、结论
通过相似模型试验，可得出如下结论与建议：
(1)在盾构隧道的基础上扩挖建成三连拱隧道地铁车站的施工思路是可行的。
(2)施工完成后地层竖向位移场呈“U型”分布；不加固条件下，地表和地中位移很大，为加固地层条件下的2倍左右；在相同的加固参数下，采用预留核心土台阶法扩挖比CRD法所引起的地层位移要小。
(3)施工完成后地表沉降槽曲线为近似正态分布，施工完成后其沉降槽宽度为车站两侧各1B，B为三连拱结构的总宽度，而最大量值满足地铁规范对沉降控制的要求。
(4)预留核心土台阶法和CRD法扩挖都是可行的，但考虑到方便扩挖施工和提高施工进度等因素，选择预留核心土台阶法；同时，采用双排小导管注浆超前加固，达到其加固效果后，才能进行土体开挖。
(5)建议在每一步土体开挖后，应及时施作初期支护，从而确保施工中围岩的稳定和施工的安全。
参考文献：
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