盾构法施工适用地层变化的能力强, 特别是对于承压水地层、卵砾石层、黏土含水层等困难地质条件, 盾构法有无可替代的优势.但是, 根据近年来工程实践效果来看, 盾构法面临如下难题:

1)因为没有解决好区间隧道盾构施工与车站施工总体筹划的问题, 导致盾构连续推进距离过短.

2)盾构机的始发、调头及转场次数过多, 如北京地铁4号线9台盾构共始发15次, 转场6次, 拖拉过站9次.盾构机的多次解体、吊出和转场影响盾构法快速施工优越性的发挥.

为解决地铁车站施工与盾构区间施工在工程筹划及施工方法选择方面存在的不匹配和不协调等矛盾, 北京交通大学、北京城建设计研究院等单位对国外成功的实施案例^{[1, 2, 3]}进行了分析, 以北京地铁10号线三元桥站作为依托工程, 提出的解决方案是:先完成整条线路的盾构掘进, 达到确保“ 洞通” 目的.对于外部条件成熟的地段, 采用扩挖盾构隧道的方法建造地铁车站; 对于外部条件不成熟的地段, 可以考虑暂时甩站通过, 甚至取消车站设置.并对这种基于双洞双线盾构隧道扩挖建造地铁车站的建筑布置、结构型式、扩挖双洞双线盾构隧道形成车站结构的施工力学机理等进行了探讨^{[4, 5, 6, 7, 8]}.

研究依托北京地铁10号线一期工程三元桥车站, 开展了“ 基于常规双线盾构隧道扩挖地铁车站方案研究” , 并针对明挖法和暗挖法2种扩挖方法, 提出了相应的车站结构方案, 最终确定采用明挖法扩挖双线盾构隧道形成地铁车站.基于盾构隧道采用暗挖法、明挖法扩挖形成地铁车站结构横剖面分别如图1和图2所示.

图1

Fig.1

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	图1 基于盾构隧道采用暗挖法扩挖形成地铁车站结构(单位:mm)Fig.1 Structure scheme of subway station constructed by combination of shield method and shallow mining method(unit:mm)

图2

Fig.2

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	图2 基于盾构隧道采用明挖法扩挖形成地铁车站结构(单位:mm)Fig.2 Structure scheme of subway station constructed by combination of shield method and open cut method(unit:mm)

这种方案的优势为:可以最大限度地解决车站与盾构区间施工的相互干扰; 可以实现“ 在有条件的区间首选盾构法” 的设计思路, 确保了盾构区间最大程度上的连续性, 充分发挥盾构法施工速度快和长距离掘进的优势; 减少了盾构机投入的数量、盾构井的建设数量及盾构机拆装次数, 从而提高盾构设备的利用率, 增加其使用寿命, 降低建设成本, 提高盾构法施工的综合经济效益.

北京地铁14号线工程东风北桥站至京顺路站(最初设计为阜通东大街站)区段工程长约3.2 km, 由4座车站和3条区间隧道组成, 其平面图见图3.

图3

Fig.3

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	图3 东风北桥站— 京顺路站平面图Fig.3 Layout of Dongfengbeiqiao subway station— Jingshunlu subway station

车站和隧道赋存的地质条件主要为含水的粉质黏土和砂层等软塑性地层, 地面多数地段不具备降水条件.线路上方道路狭窄, 交通繁忙, 穿越众多的风险源.因此, 此工程区间隧道最合适的施工方法为盾构法.

但是按照常规的地铁工程建设筹划, 存在以下问题:

1)由于将台站和高家园站地表周边环境条件复杂, 管线拆改难度大、地表交通繁忙、道路狭窄、交通导行难度大, 所以很难采用明挖法施工.

2)本段工程的区间隧道多处下穿风险源, 如河流、地表大片密集平房区、首都机场高速公路的主辅路, 另外还侧穿机场快轨的桥梁桩基础.地层条件为富水粉细砂层、黏质粉土层等.地层沉降控制标准高, 控制难度大, 且地表没有条件实施降水.所以区间隧道不能采用浅埋暗挖法施工.

3)如果区间采用常规的盾构隧道, 则车站只能在区间隧道基础上进行扩挖, 其面临的难题有:①两条区间隧道很难保证同时到达车站, 车站施工安排必然受到区间盾构隧道施工的制约; ②常规小盾构隧道拓展成大断面车站, 扩挖作业工程量与暗挖大断面车站几乎相同, 地层沉降控制难度大, 结构施作风险高; ③在将台站和高家园站之间需要设置渡线隧道, 两条盾构隧道之间采用浅埋暗挖法建造渡线隧道难度极大, 风险极高.

针对上述问题, 在充分借鉴国外盾构隧道扩挖车站的工程经验基础上, 统筹考虑区间施工和车站施工的协调、结构风险和环境风险等问题, 经过方案比选, 提出区间采用单洞双线形式, 利用大直径盾构机一次推进形成, 中间的两座车站(将台站、高家园站)利用大直径盾构隧道已经形成的空间扩挖建造的解决方案^{[9, 10, 11, 12]}.

本文作者所在课题组采用三维数值模拟软件, 模拟了CRD工法(中隔壁法)和PBA工法(洞桩法)2种扩挖方法的施工步骤, 对扩挖方法的结构受力特点、力学体系转化、关键工况、地层沉降控制、施工组织等进行了比选.2种扩挖方案断面图如图4所示.最终确定将台站和高家园站均依托大直径盾构隧道采用PBA工法进行扩挖.

图4

Fig.4

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	图4 2种扩挖方案断面图Fig.4 Cross section diagram of two construction schemes

图5为北京地铁14号线将台站和高家园站基于大直径盾构隧道扩挖形成的地铁车站的结构断面.

图5

Fig.5

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	图5 基于大直径盾构隧道扩挖形成的地铁车站的结构断面(单位:mm)Fig.5 Cross section of subway structure constructed by shallow mining method to enlarge large diameter shield tunnel(unit:mm)

目前将台站已通车, 而高家园站由于地表邻近建筑物的拆迁迟迟不能解决, 车站附属设施和外挂站厅不能建造, 截止到本文成稿, 该站尚未投入运营, 列车通过该站时甩站通过.这也可以看出基于大直径盾构隧道扩挖建造的地铁车站的优越性.

工程实践表明:采用在大直径盾构隧道的基础上扩挖形成地铁车站结构的方案具有显著的优势.1)以区间隧道为主线, 确保洞通目标实现; 2)对条件不稳定的车站可有效实现规划预留, 确保区间通车需要; 3)常规双线盾构隧道之间联络通道的施工一直是工程中的主要风险点, 采用大直径盾构隧道, 可以在隧道内设置双线, 不需要设置联络通道.渡线设置也简单.在大直径盾构隧道内设置的渡线见图6.

图6

Fig.6

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	图6 在大直径盾构隧道内设置的渡线Fig.6 Connecting lines set up in the large diameter shield tunnel

地铁线网大部分在城市中心区穿过, 这些地域已经建成各类高架桥, 由于桥区客流量大, 往往需要设置地铁车站.地铁车站结构邻近桥桩布置, 由于受高架桥位置的限制, 地铁车站布局没有足够的空间, 往往只能采用分离式结构形式^{[13, 14]}.例如北京地铁10号线的农展馆站、工体北路站、呼家楼站、光华路站、国贸站等均穿越桥区, 在桥区群桩环境中敷设, 采用了分离式结构形式.

北京地铁10号线呼家楼车站就是一个典型的邻近桥梁布置的地铁车站, 车站主体为分离式结构型式, 其断面图如图7所示.通过联络通道连接, 以满足乘客在上、下行线之间的换乘需要.呼家楼站平面布置简图如图8所示.

图7

Fig.7

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	图7 车站主体结构横断面图(单位:mm)Fig.7 Cross section of the station main structure(unit:mm)

图8

Fig.8

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	图8 呼家楼站平面布置简图Fig.8 Layout of Hujialou subway station

车站结构均采用PBA工法, 在施工阶段, 导洞内的钻孔灌注桩对邻近桥桩起到了隔离保护作用.

当车站布置在城市重要交通干道、铁路站场等下方时, 可以将车站主体结构分为2个或更多的部分, 每个部分通过通道连接.图9和图10分别为地铁南京站平面图和过站区隧道断面图, 车站由两端的明挖矩形框架结构和中部的暗挖连接通道组成^{[15, 16, 17]}.

图9

Fig.9

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	图9 地铁南京站平面图Fig.9 Layout of Nanjing subway station

图10

Fig.10

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	图10 过站区隧道横断面图Fig.10 Cross section of the connecting tunnels

装配式地铁车站是采用在工厂预制的构件进行现场拼装形成的, 地铁车站采用预制装配结构在法国、荷兰、日本、乌克兰和俄罗斯等国已应用多年, 取得了良好的效果, 较好地解决了工期短、冬季施工困难等工程难题.

目前, 国内已经开展地铁车站采用预制装配式结构的试验, 并选择长春地铁2号线的袁家店车站作为试验工点.国内其他城市如北京、沈阳、哈尔滨等也开始考虑在明挖地铁车站采用装配式结构.

袁家店车站采用明挖法施工, 主体结构采用预制装配式结构^[18], 其概念图如图11所示.

图11

Fig.11

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	图11 袁家店车站预制装配式结构概念图Fig.11 Concept scheme of Yuanjiadian subway station constructed by using the prefabricated structure

车站顶、底板采用平坦拱形结构, 纵向的环与环之间靠纵向预应力螺栓张拉锁紧.环向的块与块之间采用榫槽式接头.考虑到中楼板设备孔洞多且不规则, 采用现浇结构.

对于采用预制装配式结构建造的地铁车站来说, 接头是预制装配式结构最薄弱的部位, 其力学性能在很大程度上制约车站结构的承载能力、防水性能、抗震性能, 以及整体稳定性.北京交通大学和北京城建设计发展集团有限公司等单位以该车站预制装配式结构作为背景, 采用数值模拟和足尺结构加载试验等研究手段, 系统研究了预制结构接头部位的力学性能^{[19, 20]}.

1)为协调区间隧道和地铁车站施工的矛盾, 提高盾构施工效率, 扩大盾构使用范围, 可考虑先完成整条线路的盾构掘进, 达到确保“ 洞通” 目的.然后对于外部条件成熟的地段, 采用扩挖盾构隧道(双洞双线盾构隧道或大直径单洞双线盾构隧道)的方法建造地铁车站; 对于外部条件不成熟的地段, 可以考虑暂时甩站通过, 甚至取消车站设置.

2)穿越桥区群桩的地铁车站可考虑采取分离式车站结构型式, 车站左右线之间通过通道连接.

3)穿越城市重要道路及铁路站场下方的地铁车站, 可采用组合式结构.

4)从节约工期、减少地铁车站施工对地面交通的影响, 以及绿色、可持续发展等角度考虑, 应积极推广装配式结构地铁车站, 并针对全装配、部分装配及接头连接、接头抗震、接头防水等关键技术开展研究.