配合盾构法修建地铁车站的方案及实施技术问题研究
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摘要
目前在我国地铁建设中，盾构法仅限于断面型式较单一、直径6.0m左右的区间隧道。由于设备能力及设计施工技术经验的不足，在车站及特殊断面隧道中未直接或间接采用盾构法进行施工的尝试，这一现状无疑限制了盾构法的大规模应用。为寻求盾构法在城市地铁工程中的大规模应用，达到进一步提高地铁工程的建设质量，缩短建设周期，从总体上较大幅度地降低工程造价的目的，结合我国实情，进行配合盾构法修建地铁车站等特殊断面隧道的设计与施工技术研究有其重要意义。
以广州地铁3号线林和西路站的设计原则和技术标准以及地质参数为基础资料，提出了配合盾构法修建地铁车站的方案。采用相似模型试验、二维和三维有限差分数值模拟方法，研究了扩挖建成三连拱和两连拱车站的可行性及主体结构的合理形状和主要参数，扩挖施工引起的地表沉降、地层应力动态变化过程、管片衬砌结构应力变化、车站主体结构受力特征及作用于结构上的荷载量值，并提出了合理扩挖方案及加固处理措施。主要成果如下：
1．提出了配合盾构法修建三连拱和两连拱地铁车站施工技术的基本思路及具体方案，并设计了车站主体结构型式、特殊管片和支护结构体系以及典型扩挖施作步骤。
2．采用几何相似比C_L=30，进行了在区间盾构隧道的基础上扩挖建成三连拱和两连拱车站的施作全过程室内相似模型试验，结果表明配合盾构法修建地铁车站是可行的：得出了合理的扩挖施作方案，并提出了扩挖施工中的超前加固处理措施和范围。
3．基于荷载—结构模型建立了车站主体结构设计计算分析力学模型，并采用有限元法进行了三连拱和两连拱车站主体结构合理形状及主要参数研究。
4．采用相似模型试验和数值模拟计算研究了扩挖施工引起的地层位移场和应力场的动态变化规律，得出了地表沉降曲线的形状、沉降槽宽度、最大量值和发生的位置，对地表环境的影响进行了评价。
5．研究了扩挖施工完成后作用于车站主体结构上的荷载量值、施工中盾构隧道管片衬砌结构的内力变化及车站主体结构的受力特征，就衬砌结构是否满足设计要求进行了评价，并提出了设计中应采取的构造处理措施和配筋建议。
In urban metro construction in china, the shield-driven method is only utilized currently to construct interzone shield tunnels, whose cross section is very simple circle and whose diameter is about 6.0m. Due to lacks of the apparatus capacity and experiences in design and construction for shield tunnels, the shield-driven method is not used directly or indirectly in constructing metro stations and special sectional tunnels, such as connecting line tunnels and transecting line tunnels and back-turning line tunnels and so on. Hence, such a present status has no doubt to limit the extensive application of the shield-driven method. In order to enlarge the applied scope of the shield-driven method in urban metro construction, in the meantime, improve the construction quality and shorten the construction period, the project cost is reduced consumedly on the whole. Based on the matter of fact on the shield technology in China, it is very necessary to study the design and construction technologies of the metro station and special section tunnels constructed with the shield-driven method and mining method.
Based on the design principle, technical standard and geologic parameter of Linhe West Road Station in Guangzhou Metro No.3 Line, schemes of building metro stations with the shield-driven method and mining method were put forward. By using similar model test and 2D and 3D Finite Difference Method (FDM), the feasibility and reasonable forms and vital parameters of main structure were researched for triple-arch and double-arch stations constructed with the shield-driven method and mining method. Then, the dynamic variation process of the ground surface settlement and the stress change of the stratum and segment lining were investigated in course of expanding construction. In the meantime, the stress characteristic of main structure and the load magnitude acting on the main structure for double types of stations were studied in the construction. Moreover, the reasonable expanding construction scheme and reinforcing measurement are proposed. Main research findings as follows:
1. The basic construction clews and specific schemes are brought forward for the triple-arch and double-arch metro station constructed with the shield-driven method and mining method. Moreover, the forms of main structure and typical expanding construction steps are designed. Then, the special segment lining and supporting system are developed.
2. The similar model test on the construction process of building the triple-arch and double-arch metro station with expanding interzone shield tunnel is carried out by using geometry similarity ratlo C_L=30. The results show that it is feasible to build metro stations with the shield-driven method and mining method. Moreover, the reasonable expanding construction schemes are achieved, and the reinforcing measures and scope of advanced support, during expanding construction are put forward.
3. Based on Load-structure Model, the mechanical model which is utilized to simulate the main structure of the station in design and computation is established. In the meantime, the reasonable form and vital parameters of main structures of triple-arch and double-arch station are researched by using FEM (Finite Element Method).
4. The dynamic variation laws on the displacement field and stress field of the stratum due to expanding construction are investigated by using the similar model test and numerical calculation (2D and 3D FDM). The form and width and maximum value and its location of ground surface settlement curve are gained. In the meantime, the effect to ground surface environment in construction is appraised.
5. The load magnitude acting on the main structure for double types of stations is elicited after expanding construction. The variation of intemal force of segment lining and stress characteristics of the main structure are analyzed when constructing. In the meantime, that whether the lining satisfies design demand or not is evaluated for double types of stations. Moreover, the treatment measures of station structure and reinforcing suggestion are put forward in designing.
以广州地铁3号线林和西路站的设计原则和技术标准以及地质参数为基础资料，提出了配合盾构法修建地铁车站的方案。采用相似模型试验、二维和三维有限差分数值模拟方法，研究了扩挖建成三连拱和两连拱车站的可行性及主体结构的合理形状和主要参数，扩挖施工引起的地表沉降、地层应力动态变化过程、管片衬砌结构应力变化、车站主体结构受力特征及作用于结构上的荷载量值，并提出了合理扩挖方案及加固处理措施。主要成果如下：
1．提出了配合盾构法修建三连拱和两连拱地铁车站施工技术的基本思路及具体方案，并设计了车站主体结构型式、特殊管片和支护结构体系以及典型扩挖施作步骤。
2．采用几何相似比C_L=30，进行了在区间盾构隧道的基础上扩挖建成三连拱和两连拱车站的施作全过程室内相似模型试验，结果表明配合盾构法修建地铁车站是可行的：得出了合理的扩挖施作方案，并提出了扩挖施工中的超前加固处理措施和范围。
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4．采用相似模型试验和数值模拟计算研究了扩挖施工引起的地层位移场和应力场的动态变化规律，得出了地表沉降曲线的形状、沉降槽宽度、最大量值和发生的位置，对地表环境的影响进行了评价。
5．研究了扩挖施工完成后作用于车站主体结构上的荷载量值、施工中盾构隧道管片衬砌结构的内力变化及车站主体结构的受力特征，就衬砌结构是否满足设计要求进行了评价，并提出了设计中应采取的构造处理措施和配筋建议。
In urban metro construction in china, the shield-driven method is only utilized currently to construct interzone shield tunnels, whose cross section is very simple circle and whose diameter is about 6.0m. Due to lacks of the apparatus capacity and experiences in design and construction for shield tunnels, the shield-driven method is not used directly or indirectly in constructing metro stations and special sectional tunnels, such as connecting line tunnels and transecting line tunnels and back-turning line tunnels and so on. Hence, such a present status has no doubt to limit the extensive application of the shield-driven method. In order to enlarge the applied scope of the shield-driven method in urban metro construction, in the meantime, improve the construction quality and shorten the construction period, the project cost is reduced consumedly on the whole. Based on the matter of fact on the shield technology in China, it is very necessary to study the design and construction technologies of the metro station and special section tunnels constructed with the shield-driven method and mining method.
Based on the design principle, technical standard and geologic parameter of Linhe West Road Station in Guangzhou Metro No.3 Line, schemes of building metro stations with the shield-driven method and mining method were put forward. By using similar model test and 2D and 3D Finite Difference Method (FDM), the feasibility and reasonable forms and vital parameters of main structure were researched for triple-arch and double-arch stations constructed with the shield-driven method and mining method. Then, the dynamic variation process of the ground surface settlement and the stress change of the stratum and segment lining were investigated in course of expanding construction. In the meantime, the stress characteristic of main structure and the load magnitude acting on the main structure for double types of stations were studied in the construction. Moreover, the reasonable expanding construction scheme and reinforcing measurement are proposed. Main research findings as follows:
1. The basic construction clews and specific schemes are brought forward for the triple-arch and double-arch metro station constructed with the shield-driven method and mining method. Moreover, the forms of main structure and typical expanding construction steps are designed. Then, the special segment lining and supporting system are developed.
2. The similar model test on the construction process of building the triple-arch and double-arch metro station with expanding interzone shield tunnel is carried out by using geometry similarity ratlo C_L=30. The results show that it is feasible to build metro stations with the shield-driven method and mining method. Moreover, the reasonable expanding construction schemes are achieved, and the reinforcing measures and scope of advanced support, during expanding construction are put forward.
3. Based on Load-structure Model, the mechanical model which is utilized to simulate the main structure of the station in design and computation is established. In the meantime, the reasonable form and vital parameters of main structures of triple-arch and double-arch station are researched by using FEM (Finite Element Method).
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5. The load magnitude acting on the main structure for double types of stations is elicited after expanding construction. The variation of intemal force of segment lining and stress characteristics of the main structure are analyzed when constructing. In the meantime, that whether the lining satisfies design demand or not is evaluated for double types of stations. Moreover, the treatment measures of station structure and reinforcing suggestion are put forward in designing.
引文
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