目前地铁隧道建设中采用最多的施工方法是盾构掘进法,它具有掘进速度快、安全可靠、施工质量控制好等优点,但由于地铁车站、折返线、联络线隧道等特殊断面的存在,把盾构施工的区间分割的比较分散,造成非正常掘进时间过多、平均掘进速度下降,从而引起工期的延误、造价的提高。郑州地铁2号线紫-东区间左线与联络线接岔处,由于受到线路和周围建筑环境的影响,面临施工工期紧、施工难度大等困难,且国内鲜有同类工程先例可以借鉴。为了有效地解决盾构区间施工与特殊隧道断面施工的矛盾,缩短施工工期,本文结合工程特点,尝试将“先隧后站”理念应用到区间隧道的扩挖中,即先用盾构直接通过特殊断面区段,再用矿山法反向边扩挖隧道、边拆除盾构管片,该方法不仅发挥了盾构机长距离掘进的效能,也将充分利用了矿山法施工的成熟经验。本文以此项目为工程背景,分析了复杂条件下盾构区间扩挖的力学特性,并对管片和初期支护结构的受力转换规律、施工风险、以及施工过程对周围环境的影响等进行了深入的研究。取得的主要成果如下:(1)基于数值模拟,通过分析地表位移、拱顶沉降和结构受力的变化特征,揭示了断面开挖顺序对偏心扩挖隧道的影响规律,结果表明:工序1(开挖左上(1)部——开挖右上(2)部——开挖左下(3)部——开挖右下(4)部)的扩挖次序更为合理。(2)进行了盾构区间矿山法扩挖修建大断面隧道在不同围岩级别条件下的适应性分析。结论如下:扩挖上半部分隧道和拆除支撑对地层扰动尤为突出。在Ⅵ级围岩中,盾构扩挖造成的环境影响更强烈,故在Ⅵ级围岩中进行盾构扩挖施工,应采取必要的辅助施工措施,并加强数据信息的监测,才可进行扩挖施工。(3)进行了复杂条件下盾构区间扩挖在不同预加固措施下的加固效果分析,结果表明:在备选方案中,工法4(同时施作管棚和超前小导管注浆加固)最有利于盾构隧道的扩挖施工,加固效果最为理想,属于较安全的一种地层超前加固措施。(4)针对盾构扩挖施工的设计方案,建立三维数值计算模型,对隧道结构进行受力和变形分析,评判围岩的稳定性和支护设计的合理性。结果表明:管片、初期支护和临时支撑的安全系数均满足《铁路隧道设计规范》TB-10003-2016中结构强度安全的要求;管片和初期支护变形也满足《城市轨道交通工程监测技术规范》GB 50911-2013的要求。说明结构处于安全状态,扩挖设计方案合理。(5)建立三维数值模拟模型,分析了盾构扩挖对地表沉降、管线沉降、建筑物沉降和倾斜、桩基础的位移的影响。结果表明:盾构隧道扩挖对周边环境影响明显,但现有施工方案对周边环境的影响均在设计控制标准范围之内。(6)以现场监测结果为依据,分析了盾构扩挖引起的地表沉降、拱顶沉降、管线沉降、建筑物沉降、围岩压力、混凝土应力以及钢拱架应力的变化特征,结果表明:各监测点沉降已经趋于稳定,围岩变形趋于稳定,隧道扩挖设计方案合理。对比分析了实测结果与数值分析结果,结论表明:现场实测与数值分析结果比较吻合,验证了研究方法的可行性及结论的可靠性。(7)在实测数据基础上进行了回归分析,得到了沉降变形的一般规律。结果表明:横向地表沉降满足Peck公式高斯曲线规律,拟合分析得到地表沉降值范围在12.24～18.13mm。地表沉降随时间变化满足BiDoseResp曲线的变化规律。拱顶沉降满足Logistic曲线规律,拟合分析得到拱顶沉降值范围在16～26mm之间。