地鐵暗挖車站大跨度扣拱施工方法研究

1、地鐵暗挖車站大跨度扣拱施工技術【摘 要】地鐵施工中洞樁法同其它工法一樣，需要解決許多工程面臨的實際問題，特別在大跨度洞室洞樁法扣拱施工技術中成功的實例很少，沒有現(xiàn)成的經驗可循，無論是在技術層面還是在理論層面的研究都比較少，未形成可以借鑒和推廣的技術體系和理論體系，上述原因極大地制約了洞樁法的發(fā)展前景。本文針對這一難題，結合工體北路站的實際施工情況對洞樁法施工中大跨度扣拱施工方法做了分析與總結 ，可為類似工程借鑒?！娟P鍵詞】地鐵 洞樁法 大跨度扣拱1 工程概況北京地鐵10號線工體北路站（團結湖站）位于工體北路和東三環(huán)交叉十字路口，站位與東三環(huán)路平行，呈南北走向，為全埋性地下車站。車站有效站臺中心

2、里程K18+729.464，全長187.014m。由于三環(huán)路中間的長虹高架立交橋，車站采用分離島式暗挖結構，左右線分別位于橋梁兩側的輔路下，線間距45.5m，左右線兩結構之間設聯(lián)絡通道、迂回風道各兩條。車站結構斷面為單拱單跨斷面，凈空10m，站臺寬度為26m。車站設有四個出入口，并預留與M16線換乘接口通道接口及站廳預留接口，東西走向的M16線與本站形成“十”字換乘關系。車站結構東北角和西南角設兩座風井，風井同時作為風道的施工豎井。車站主體采用“PBA”工法施工，風道采用“CRD”工法施工。車站平面圖如圖1。4圖1車站平面圖2 工程特點及難點環(huán)境特點：地面交通繁忙，建（構）筑物多，車站四個出入

3、口及二個風井均緊鄰高大建筑物，車站主體結構下穿長虹立交橋。地下管線多。 結構特點：車站為雙層分離島式車站，兩站臺間以聯(lián)絡通道及風道相連；馬頭門多，受力復雜，結構斷面大，易產生群洞效應。斷面變化多、接口多。車站主體左右線分別位于長虹立交橋兩側，結構距橋樁僅23m。施工特點：車站暗挖規(guī)模大，附屬結構多，斷面形式變化多，工序轉換頻繁，結構空間受力復雜。主體采用“PBA”法施工，南端聯(lián)絡通道、風道及出入口則采用“CRD”工法施工。針對車站大跨度扣拱施工主要難點有：要確保車站開挖支護過程中的結構穩(wěn)定，防止在群洞開挖條件下地面出現(xiàn)過量沉降和坍塌；車站主體拱部為平拱結構，主拱大弧跨度達13.8m，且斷面形式

4、多，抬高與降低頻繁，施工難度大；需要確保車站主體大弧開挖與扣拱施工過程中的洞室穩(wěn)定和空間受力支護結構穩(wěn)定。工體北路站初支扣拱作業(yè)跨度為：標準斷面12.74m、換乘斷面13.8m。另外，車站結構拱部大部分位于粉細砂層中，且車站上方有多條雨污水管線，覆土厚度僅6.5m，地面交通繁忙，受地面動載作用明顯。復雜的地面、地下環(huán)境及特殊地理環(huán)境對施工沉降要求嚴格，加之扣拱跨度大、地質條件復雜，固大跨度扣拱技術成功與否直接關系到車站建設的安全和進度。3 施工方案制定技術方案的總原則是少分塊、快封閉，盡量減少荷載轉換次數(shù)和地層被擾動的次數(shù)。導洞掘進和主拱施工遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測

5、”及“先護后挖，及時支撐”的原則。從豎井進入兩側導洞施工，導洞貫通后施作灌注樁。適時鑿除樁頭后施作樁頂鋼筋混凝土縱梁。以此在導洞內施作主體結構拱邊段，回填支護后背與導洞初期支護之間空間。以注漿小導管加固拱部地層，開挖上部土體，施作車站主體上部初期支護(以下簡稱主拱)，并與兩側拱邊段聯(lián)成整體。在主拱的保護下開挖土體并施作中板和上部拱墻二次襯砌結構。分層實施下部開挖，分層架設橫撐和實施樁間初期支護，然后進行下部主體結構施作，如下圖：（圖2洞樁施工步序圖）圖2洞樁施工步序圖4 施工方法車站主體結構采用城門洞形設計，分上下兩層，上層為拱形、下層為矩形，拱部結構形式為復合式襯砌，側墻采用邊樁及內襯墻間夾

6、柔性防水層的重合墻結構。主體結構標準斷面站廳層凈空為5.65m10.0m，站臺層凈空為6.08m10.0m，拱部采用長管棚與323.25超前小導管注漿加固地層，格柵鋼架、噴射砼作初期支護。二次襯砌采用C30S10模注鋼筋混凝土。主體結構標準斷面型式如圖2;根據擬定的扣拱施工方案，樁頂冠梁、邊拱、主拱及開口部位施工成為扣拱的關鍵，其中主拱施工時還需要進行小導管超前加固。初期支護樁頂冠梁導洞二次襯砌鉆孔樁站臺板拱背回填圖3 主體結構標準斷面結構4.1樁頂冠梁與邊拱施工主體鉆孔樁完成后，鑿除樁頂部分混凝土，鑿除后樁頭混凝土必須能達到設計強度要求，以確保冠梁與樁頭的連接質量。清洗導洞底部的泥漿和殘余灰

7、漿，用水準儀抄平。按設計長度接長孔樁錨入冠梁的鋼筋，孔樁主筋采用直螺紋套筒連接，然后安裝冠梁鋼筋。邊拱格柵與縱梁連接方式包括: 梁內預埋地腳螺栓與鋼板，格柵節(jié)點板與鋼板栓接； 梁內預埋地腳螺栓與鋼板，格柵節(jié)點板與鋼板焊接； 邊拱格柵錨入縱梁內。采用預埋鋼板方式操作簡單，但振搗時易跑位，鋼板傾斜度不易控制，鋼板下混凝土振搗不密實，邊拱格柵直接錨入縱梁內，格柵控制點位置準確、錨固效果好，需要臨時支撐較多。施工中選取了邊拱格柵錨入縱梁連接方式。冠梁鋼筋綁扎完成后，安裝邊拱格柵定位支架。支架均采用16工鋼，支架間距2m，支架水平工鋼一端置于豎撐上，另一端置于預埋角鋼上，預埋角鋼用脹管螺栓固定在導洞壁上

8、，支架安裝控制重點為各水平工鋼大致水平，其偏差不宜大于5mm。支架安裝并加固后安設縱向定位工鋼，縱向定位工鋼位置與其高程對應，無誤后用22鋼筋頭焊接固定。最后按格柵起始排列位置與設計間距在縱向工鋼上分劃出格柵主筋位置，其偏差不宜大于5mm，防止出現(xiàn)兩側邊拱格柵錯位。為加快安裝速度、減小累計誤差，采取先安裝兩端頭格柵（間距不超過10m），校核后再掛線安裝中間格柵。圖4 邊拱格柵定位支架圖縱梁模板采用組合鋼模板，用可調支架支撐于導洞壁上，施工段長度為1525m。縱梁混凝土達到強度后分次澆注邊拱及背后回填混凝土，邊拱模板采用掛板施工，如圖2，一次澆注不大于3m。4.2主拱施工主拱采用臺階法開挖，上臺

9、階預留核心土環(huán)向開挖，在馬頭門、過管線段及水囊影響的不良地質段設置臨時豎撐。土體開挖時合理設置臺階寬度、掌子面坡度及核心土大小，臺階寬度為58m，掌子面坡度1：5，核心土留置以不影響格柵安裝等操作盡量大，減少進尺循環(huán)中開挖時間與土體的暴露時間，利于掌子面穩(wěn)定。圖5 主拱開挖施工圖兩側拱腰處導洞初支破除超前主拱開挖12榀，開槽寬度1.01.2m。導洞破除對土體振動較大，施工時需設置注漿管并及時注漿回填補償。為加強節(jié)點部位強度，應預留導洞格柵主筋，待主拱格柵安裝后在相交處用L筋將主拱格柵鋼筋與導洞格柵主筋焊接加強。圖6 L筋焊接加固圖由于工體北路站主要位于粉細砂層中，其顆粒均勻、致密無膠結，內摩擦

10、角2333，自穩(wěn)性非常差，主拱開挖過程中施工風險大，因此開挖前采取了超前小導管注漿加固措施。粉細砂層由于孔隙小，滲透性差，水泥漿液加固時基本無擴散現(xiàn)象，故必須采用溶液性注漿加固材料，研究后選用了改性水玻璃漿液，改性水玻璃漿液可灌性好、造價相對便宜、也無毒副作用，同時工藝較簡單，能夠利用現(xiàn)有的機具設備，固結強度能夠滿足要求。經注漿試驗，確定改性水玻璃各項注漿參數(shù)為：注漿壓力控制在0.4MPa，單孔注漿量100L150L，單孔注漿時間為35min，經漿液從孔口周邊土體返出為度。4.3開口段施工車站施工中，在已完成支護的洞室內側向開口施工新的洞室，其開口段施工俗稱馬頭門施工。馬頭門施工時破壞了原有支

11、護結構，對地層二次擾動，受力集中明顯，施工中應采取加強措施保證穩(wěn)定：馬頭門前3榀均采用型鋼進行支撐維護，在原有支護結構內設置加強環(huán)，并將內力有效傳遞給加強環(huán)，加強環(huán)形狀圓順封閉，避免應力集中，應力重分布盡早完成。考慮縱向效應，采取長管棚、小導管與縱向連接筋等方式加強縱向連接，施工過程中應減小對土體的二次擾動，采取環(huán)形分段開槽方法，混凝土破除時特別注意土壓力影響，保證開口正面土體穩(wěn)定。加強環(huán)設置一般采用連立兩榀型鋼或鋼格柵，采用型鋼時前期強度高，能迅速受力，但型鋼間空隙無法噴射混凝土充填，重量大，加工與安裝費時、要求高；鋼格柵較型鋼前期強度低，但內部易噴射密實，混凝土強度增長后與格柵共同受力，整

12、體性好，由于格柵鋼筋為級筋，后期強度較型鋼高。因此馬頭門加強環(huán)永久支護采用鋼格柵，臨時支撐采用型鋼。主體扣拱馬頭門段采用CD法施工，開槽寬度為50cm，分段破除導洞砼，導洞格柵主筋應留出1520cm。開槽成型后安裝鋼格柵、鋼筋網片及縱向連接筋，打設小導管，并用L形筋連接破除的格柵主筋與加強環(huán)格柵，形成整體，噴射砼封閉，最后小導管超前注漿加固前方地層。5監(jiān)控量測洞室開挖階段主要監(jiān)測項目包括洞內觀察描述、地表沉降、拱頂沉降、水平收斂、仰拱隆起、建筑物沉降、地下管線沉降、地下水位、臨時支撐軸力、初期支護格柵鋼架受力、土體壓力等。這里以地表沉降和拱頂下沉為代表，地表沉降測點布置圖見圖7。地面沉降點5、

13、4、3、2、1、0、5、4、3、2、1沿主體斷面中心線對稱布置，點位間距為2m、2m、3m、5m、5m。圖7地表測點布置圖地表沉降曲線分別見圖8。標準斷面加高斷面圖8 不同斷面位置地表沉降曲線從沉降時程曲線可以看出，地表沉降主要有三個階段：緩慢下沉階段：導洞開挖階段，土體受到擾動，地表開始下沉，并緩慢增加，曲線變陡；急劇下沉階段：主拱開挖地表沉降加速，地表沉降驟變，曲線陡峭；減速收斂階段：隨著扣拱施工完成，洞內支護體系已形成，下沉速度減慢，曲線變緩。導洞開挖和扣拱兩個階段沉降量占總沉降量的75%左右，這兩個階段沉降曲線呈明顯下降趨勢，沉降值在23mm左右；扣拱結束至底板砼完成階段沉降量占總沉降

14、量的25%左右9mm左右，且這個階段地表沉降曲線已明顯變緩，底板砼完成后地表已達到收斂狀態(tài)，地表累計沉降最大點為主拱中心對應點，沉降值在32mm左右。從沉降曲線證明了初支護扣拱施工后，承載體系初步形成，沉降得到了有效控制，達到預期效果，發(fā)生位移突變的為導洞開挖和主洞開挖工序，與數(shù)值模擬基本相符。實測地表豎向位移值與數(shù)值仿真分析豎向位移值對照：實測豎向位移值均比數(shù)值模擬豎向位移值大，相差8.57mm11.77mm之間。存在差異原因：地層的不均勻性：層厚與土體的自然堆積，本身不均勻，取的參數(shù)有一定偏差。有限元軟件的計算方式：有限元程序在開挖土體的同時激活襯砌并未考慮應力（位移）的釋放過程，而實作時應力釋放，土層變形不產生。施工造成：不規(guī)范的操作引起的質量偏差。5 結論在施工中采用洞樁法施工，其中中大跨度扣拱施工方法主要控制措施有： 做好施工前期是調查工作。 樁頂冠梁與邊拱施工時格柵和預埋鋼板等的安裝誤差調試。 主拱施工時開挖斷面宜圓順，避免應力集中，造成超挖與局部坍塌，噴射砼必須保證作業(yè)質量，保證密實無空洞現(xiàn)象；扣拱施工時兩側導洞破除位置操作時間較長，待節(jié)點位置處理基本成型后再修整中間段，整體成型，減少掌子面暴露時間，避免超挖與局部坍塌。嚴格控制超前小導管打設角度與注漿質量。作好臺階留置，一方面保證核心土體穩(wěn)定，另一方面便于及時復噴砼、回