盾构先行条件下拓展地铁车站的方案研究及风险分析

摘要

为解决目前国内区间盾构施工和车站施工工期矛盾的问题，寻求盾构法在我国地铁工程中大规模应用的突破口，本文在对国外相关资料和工程实例大量查阅和分析的基础上，结合国内目前的经济和技术水平，提出了一种新型的解决盾构过站问题的车站施工方法：6.14m外径区间盾构先行贯通车站行车隧道的条件下，结合明挖法或暗挖法建造地铁车站。这是一个具有重要现实意义和非常紧迫的课题，在我国将有着广阔的应用前景。 围绕该新型工法，采用数值模拟、模型试验和理论分析等多种研究手段，从新型车站结构方案设计、关键施工工艺、车站施工过程的模型试验和数值模拟研究及风险分析等方面进行了比较系统全面的研究，为今后盾构法在我国的大规模应用提供了技术储备。主要的工作和研究成果如下： (1)综合国内外相关资料和多位相关专家的意见，首先对盾构先行条件下拓展地铁车站这样一种新型的车站结构形式的设计原则进行了归纳总结；在此基础上提出了明挖拓展地铁车站和暗挖拓展地铁车站两种方案的共7种结构形式的设计构思，找到了适合北京地层的车站结构形式；对结构设计中的关键技术问题：盾构管片的设计原则、拼装方式和拼装位置及盾构管片与主体结构的连接节点设计等进行了详细的讨论分析。确保了结构方案能够满足国内目前的车站功能要求、建筑结构设计规范和技术经济要求。 (2)盾构先行条件下拓展地铁车站施工技术中最为关键和最为特殊的、也即最为不利的一种工况是部分盾构管片的拆除，管片拆除过程中对开口环管片的保护措施决定了该新型工法的成败。在对国内外相关施工工艺大量搜集和整理的基础上，找到了解决该关键工艺的核心技术——盾构隧道外侧挡土隔离桩(Pile)+盾构隧道内临时钢管柱支撑(Column)+盾构管片纵向上的预应力(Pre-stress)共同组成的支撑体系(Support System)，并完成了该新型支撑体系(简称桩-柱-预应力支撑体系或PCPrSS)的方案设计和施工工艺研究。研究表明该支撑体系在现有的技术和经济条件下是可以实现的。 (3)借助1：10大比尺模型试验的手段，对本文提出的暗挖拓展的塔柱式车站的施工过程进行了详细的试验方案设计和实施，比较真实地再现了车站的施工过程。获得了盾构管片应变、预应力钢索应变和隧道内临时钢管柱支撑应变、盾构管片的收敛变形、车站洞周土体压力和地层变位等指标，随车站开挖的一般性的变化规律。分析认为在模型地层构造和地应力的条件下，试验开挖方案和支护方案能够保证车站洞室在整个施工过程中的安全稳定，且开挖过程中车站洞室周边未出现明显的开裂和变形突变，由此证明了本文提出的新型车站施工方法在施工工艺上是可行的。同时，借助FLAC<'3D>有限差分法软件，对盾构先行条件下暗挖拓展的塔柱式车站进行了施工过程数值模拟研究，并将数值模拟结果和模型试验结果进行了比较分析。总体上看，两者所反映的车站拓展过程中的定性规律是一致的。进一步验证了本文提出的新型车站施工技术是可行的。 (4)采用借鉴国外类似的工程经验资料统计、本文的研究成果、组织有经验或有资历的专家进行讨论、走访大量具有丰富工程经验的专家等多种识别方法，对本文提出的明挖拓展的立柱式车站和暗挖拓展的塔柱式车站分别进行了施工过程特殊风险源的识别和分析，并提出了应对风险的对策。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 问题的提出

1.1北京地铁盾构法施工概况

1.2盾构法大规模应用中所面临的问题及原因分析

1.2.1面临的问题归纳总结

1.2.2原因分析

1.3解决盾构区间与车站施工矛盾的创新思路

2 国内外研究现状及本文研究内容

2.1结合盾构法修建地铁车站的施工技术概况

2.1.1结合盾构法修建地铁车站的概况

2.1.2结合盾构法修建地铁车站的结构特点

2.2结合盾构法修建地铁车站实例的详细分析

2.2.1在大直径盾构基础上扩挖车站

2.2.2区间盾构基础上扩挖车站

2.2.3单拱车站

2.2.4新型盾构车站施工方法

2.3本文的研究目标、内容与技术路线

2.3.1研究目标

2.3.2主要研究内容

2.3.3技术路线

2.3.4本文的创新点

3 盾构先行条件下拓展地铁车站的结构方案研究

3.1车站结构方案的设计原则

3.2车站结构方案的设计

3.2.1明挖拓展的车站结构形式

3.2.2暗挖拓展的车站结构形式

3.3结构设计中的关键问题探讨

3.3.1盾构管片的设计

3.3.2盾构管片与主体结构连接节点的设计

3.4盾构先行条件下明挖拓展地铁车站的工程应用

3.4.1三元桥车站的工程概况

3.4.2三元桥车站的结构形式

3.4.3三元桥车站试验段施工方案

3.4.4工程应用的进展情况

3.5本文计划研究的结构方案

3.5.1暗挖拓展的塔柱式车站设计概况

3.5.2暗挖拓展的塔柱式车站的结构特点

3.5.3暗挖拓展的塔柱式车站的施工方案

3.6小结

4 盾构先行条件下拓展地铁车站的关键施工技术研究

4.1国内外研究概况

4.1.1国内外的支撑体系方案

4.1.2软弱地层条件下的加固措施

4.2桩-柱-预应力支撑体系的提出

4.2.1支撑体系的设计原则

4.2.2支撑体系的设计方案

4.2.3支撑体系的计算分析

4.3桩-柱-预应力支撑体系中纵向预应力钢索的设计

4.3.1预应力大小和位置的确定

4.3.2预应力管片的特殊设计探讨

4.3.3预应力施加方式设计

4.4小结

5 盾构先行条件下拓展地铁车站的施工过程模型试验方案设计和实施

5.1模型试验的研究目的及研究内容

5.2试验模拟范围及模型尺寸设计

5.2.1模型试验的几何比尺和相似条件设计

5.2.2模拟范围及模型尺寸设计

5.2.3模型试验台架

5.3模型材料的配比试验及材料选择

5.3.1北京地铁结构的环境地层

5.3.2模型试验的模拟地层

5.3.3模型管片的材料试验

5.4模型试验量测项目、方法和量测系统的布置

5.4.1地面沉降变形量测

5.4.2洞周土体内部位移量测

5.4.3盾构隧道内部收敛变形量测

5.4.4盾构管片、钢管支撑及预应力钢索应力量测

5.4.5隧道周围土压力量测

5.5整体模型的制作

5.5.1模型管片的制作

5.5.2站厅隧道大断面钢板预制

5.5.3整体模型的制作

5.6模型车站开挖方式的模拟

5.6.1站厅隧道开挖方案的设计

5.6.2横通道开挖方案的设计

5.6.3盾构管片拆除方案的设计

5.7模型试验支护系统的模拟

5.7.1盾构法隧道的管片支护模拟

5.7.2站厅隧道超前小导管模拟

5.7.3盾构隧道外侧挡土隔离桩的模拟

5.7.4盾构隧道内临时钢管柱支撑的模拟

5.7.5预应力钢索模拟

5.7.6站厅隧道初支钢拱架和临时支撑的模拟

5.7.7站厅隧道和横通道二衬的模拟

5.8模型车站开挖过程记录

5.9小结

6 车站施工过程模型试验研究成果分析

6.1概述

6.2盾构隧道管片应变变化规律分析

6.3盾构隧道管片收敛变形规律分析

6.4盾构隧道周围土体水平位移变化规律分析

6.5盾构隧道周围土压力变化规律分析

6.6地表沉降变化规律分析

6.7桩-柱-预应力支撑体系的作用分析

6.7.1钢管柱支撑应变变化规律分析

6.7.2预应力钢索应变变化规律分析

6.8小结

7 盾构先行条件下拓展地铁车站的施工过程数值模拟分析

7.1计算模型及参数

7.1.1岩体材料和结构材料计算参数的选取

7.1.2计算假定

7.1.3模拟范围及边界条件

7.2计算结果分析

7.2.1盾构管片应力变化规律分析

7.2.2盾构管片收敛变形规律分析

7.2.3洞周土体的水平位移变化规律分析

7.2.4洞周土体的竖向位移变化规律分析

7.3数值模拟与模型试验结果对比分析

7.4小结

8 盾构先行条件下拓展地铁车站的施工风险源识别与对策分析

8.1概述

8.2地铁工程风险源的识别方法

8.3车站施工过程风险源识别与分析

8.3.1明挖拓展的立柱式车站风险源识别与分析

8.3.2暗挖拓展的塔柱式车站风险源识别与分析

8.4小结

9 结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

附录A物理模型试验的研究现状

附录B模型试验成果汇总

附录C地下工程风险评估的主要研究方法

作者简历