大型地下暗挖車站施工方案研究

大型地下暗挖車站施工方案研究

1車站暗挖隧道概況及地理單元分布北京地鐵五號線東站位于建國門大道與東門前街和崇文門內(nèi)街交匯處東側(cè)，南北配置。下穿交通繁忙的建國門內(nèi)大街,上跨一號線王(府井)~東(單)區(qū)間,車站總長204.4m,車站中心里程K7+781.51。車站兩端是明挖框架結(jié)構(gòu),地下一層為站廳層,地下二層為站臺層,兩端部明挖長度分別約為69.2m和71.4m,開挖寬度為23.08m,覆土厚度2.3m。車站中部為單拱兩柱三跨暗挖隧道結(jié)構(gòu),單層站臺層,暗挖段長度為63.8m,開挖寬度為23.9m,最小覆土厚度5.5m。如圖1、圖2所示。車站暗挖隧道初支底部距王(府井)~東(單)區(qū)間隧道支護頂部的土層厚度僅0.5m,暗挖隧道西側(cè)邊緣距下方的區(qū)間隧道隔斷門東側(cè)變形縫僅2.98m,暗挖隧道東側(cè)邊緣距一號線東單站西端變形縫為5.29m。如圖3所示。站區(qū)地處北京永定河沖洪積扇軸部,地勢平坦,微有起伏,地面標(biāo)高在44.27m~45.50m之間,車站范圍內(nèi)地層主要為:表層為人工填土,厚度為3m~6m,其下為第四紀(jì)全新世地層,厚度為15m~20m,之下為晚新世地層。暗挖隧道穿越的地層自上而下主要有:人工填土、粉土、粘質(zhì)粉土、圓礫層、粘土層、中粗砂層,其頂板位于粉土層,底板位于圓礫層,結(jié)構(gòu)主體上半部分主要處于粉土層。沒有斷層活動跡象,地震基本烈度為8度。站區(qū)地下水有三層,第一層為上層滯水,位于地面下3.7m~7.6m范圍,水位不穩(wěn)定,受地層結(jié)構(gòu),大氣降水和管線滲漏水影響而變化;第二層為潛水,位于地面以下16.50m~20.10m之間。主要分布在粉細砂層、圓礫層中;第三層為承壓水,水頭埋深在19.8m~22.19m,含水層為圓礫層以下的土層。車站暗挖隧道結(jié)構(gòu)主要受上層滯水和潛水影響。2設(shè)計特點和困難2.1暗挖隧道施工質(zhì)量的影響由地鐵五號線東單站暗挖隧道所處的地理位置和結(jié)構(gòu)形式以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,決定了本工程不同于其它工程的特點。①地處市中心的交通要道,行車繁忙,確保交通行車安全十分重要。北京地鐵五號線是北京市重點工程,也是2008年第27屆奧運會配套工程,東單站暗挖隧道從交通繁忙的建國門內(nèi)大街下穿過,存在施工中出現(xiàn)坍塌引發(fā)交通事故的巨大風(fēng)險,故要求在東單站暗挖隧道施工中務(wù)必確保安全,做到萬無一失。②暗挖隧道的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了施工過程中維護隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的難度和重要性。五號線東單站暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)是單拱大跨度,斷面尺寸大,形狀扁平,覆土淺薄,開挖初支步序繁多,各初支步序之間結(jié)構(gòu)力學(xué)模式轉(zhuǎn)換復(fù)雜,增加了維護隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的難度,隱含有襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱向、環(huán)向裂縫的風(fēng)險,稍有不策,將釀成大禍。因此維護隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤為重要。③卸載以后對一號線區(qū)間隧道的影響不可輕視。五號線東單站暗挖隧道從一號線區(qū)間隧道上方跨過,底部開挖以后,既有區(qū)間隧道的覆土厚度僅為0.5m,而且下方區(qū)間隧道在五號線東單站暗挖隧道的東西側(cè)附近有一條變形縫。區(qū)間隧道處于地下承壓水位中,在暗挖隧道開挖卸載以后,將產(chǎn)生向上推力,有可能引起區(qū)間隧道防水層破裂,對一號線行車產(chǎn)生大的影響,此風(fēng)險級別較高。因此,區(qū)間隧道因卸載以后產(chǎn)生的危害應(yīng)引起高度重視。④工期緊迫,增加了施工組織的難度。五號線東單站市政、電力、電信及地面建筑物和設(shè)施繁多、復(fù)雜,許多設(shè)施的拆遷、改移、保護影響主線上的進度。為了確保工期,務(wù)必在施工過程中精心組織、合理安排,把確保安全質(zhì)量放在首位,并確保建設(shè)工期。2.2地表景觀設(shè)計要求根據(jù)東單站暗挖隧道工程特點,施工中存在的風(fēng)險決定了本站在施工中存在如下難點:①需嚴(yán)格控制地面沉降,以確保建國門內(nèi)大街道路結(jié)構(gòu)不遭破壞,同時確保行車交通安全。設(shè)計要求,地表允許最大沉降值30mm。②既有地鐵一號線在車站暗挖隧道開挖卸載以后,要確保一號線隧道及軌道隆起變形控制在20mm以內(nèi)。③大跨度扁平隧道在施工過程中,務(wù)必維護隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,確保隧道結(jié)構(gòu)襯砌無縱向和環(huán)向裂縫。3確定施工方案根據(jù)地鐵五號線東單站暗挖隧道工程的特點和施工中的難點,確定施工方案,既要考慮克服施工中的難題,將風(fēng)險降低到最小,又要考慮工期需要和節(jié)省投資,因此,在決策時務(wù)必十分謹(jǐn)慎,本暗挖隧道先后經(jīng)歷了幾個施工方案的比選,最終確定按“中柱法”施工。3.1洞外側(cè)洞施工中洞法為初步設(shè)計推薦方案,中洞法將暗挖隧道的施工步序簡單地描述為先中洞后側(cè)洞施工,即先將隧道的中部含兩柱開挖初支襯砌完畢,以后再進行兩側(cè)側(cè)洞開挖初支和襯砌。中洞初支分成6塊,襯砌分4部完成;側(cè)洞初支分成6塊,兩邊各三塊,對稱施工,襯砌分側(cè)洞底板和拱墻2部施工(參見圖4)。3.2側(cè)洞初支襯砌施工側(cè)洞法為施工圖設(shè)計推薦方案。側(cè)洞法將暗挖隧道的施工步序簡單描述為先側(cè)洞后中洞。即:先將隧道的兩側(cè)含柱洞開挖初支襯砌完畢,然后再進行中洞的開挖初支襯砌施工。側(cè)洞初支分12塊對稱施工,襯砌分4部。中洞初支分3塊從上往下施工,襯砌分2部施工,先頂拱后底板(參見圖5)。3.3中洞初支襯砌施工中柱法為專家調(diào)研推薦方案,中柱法將暗挖隧道的施工步序簡單描述為先中柱后中洞再側(cè)洞施工。即:先將隧道的兩柱洞開挖初支襯砌完成,然后進行中洞初支襯砌施工。中柱初支分6塊對稱施工,襯砌分底梁和中柱天梁2部完成。中洞初支分上中下3塊,襯砌上下2部施工,側(cè)洞初支分成6塊對稱施工,襯砌分側(cè)洞底板和拱墻2部施工,中柱法實際是由中洞法演變而成的施工方法(參見圖6)。3.4中柱法在施工中的應(yīng)用方案探討三種施工方案的比較參見表1。通過上述三種工法比較,各有其優(yōu)缺點,也都有一定的不足,“側(cè)洞法”是修建大跨隧道常用的方法,由于初次揭露的是兩個側(cè)洞,跨度小,且左右同步施工,對地表擾動較小,安全性較強,但側(cè)洞法在中洞施工時,隧道側(cè)洞所承受的偏壓不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,甚至可能引起二次襯砌開裂?！爸卸捶ā辈捎谩癈RD”工法,按照“小分塊、短臺階、早成環(huán)、環(huán)套環(huán)”的原則,穩(wěn)扎穩(wěn)打,步步為營,施工安全度高,但是地面沉降及影響范圍與“側(cè)洞法”相比要大。“中柱法”本身由中洞法演變而來,在繼承了中洞法優(yōu)點的同時,利用中柱洞二次襯砌形成穩(wěn)定的支撐體系,可控制地表的沉降,使地層的沉降較小。但由于先期施工的左右柱洞內(nèi)的底梁、鋼管柱、天梁均為獨立支撐體系,穩(wěn)定性難以保證,可以通過在左右天梁之間架設(shè)拉壓桿形成統(tǒng)一受力體系保證其穩(wěn)定性。通過地層-結(jié)構(gòu)模擬計算,側(cè)洞法、中洞法和中柱法在結(jié)構(gòu)受力等方面均能滿足施工要求。結(jié)合站位環(huán)境——地處繁華路口、地下管線密集、且要過既有環(huán)線等重要地下構(gòu)筑物要求控制地層沉降嚴(yán)格,施工須要選用一種較穩(wěn)妥的方案。綜合比較認為,中柱法在具有中洞法優(yōu)點的同時,利用中洞先形成拱蓋,這樣就形成了穩(wěn)定的支撐體系,可控制地表的沉降,使地層的沉降較小,且采用中柱法使二襯及時形成穩(wěn)定的受力體系,可以保證施工總是在安全的環(huán)境中進行著,風(fēng)險相對較小。因此,選擇中柱法作為實施的施工方案。4合理注漿與加固注漿相結(jié)合為了回避施工中可能發(fā)生的巨大風(fēng)險,克服施工難點,采取中柱法施工時,在實施過程應(yīng)采取的重點措施:(1)嚴(yán)注漿自從在北京開始有“淺埋暗挖”工法以來,在施工中遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的十八字方針,重點體現(xiàn)該嚴(yán)格認真的就必須抓落實。嚴(yán)注漿是控制地面沉降的最行之有效的重要手段,其理由如下:①合理的注漿可以提前加固土層,提高圍巖自穩(wěn)能力;②及時的回填注漿可抑制因空隙所引起的土體下沉;③適當(dāng)?shù)亩磧?nèi)注漿可人為的抬高結(jié)構(gòu)以上土體,使其整體上升;④注漿壓力過小可能達不到注漿效果,壓力過大又有可能引起地上隆起或者破壞周圍結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境。因此注漿過程中應(yīng)體現(xiàn)一個“嚴(yán)”字,應(yīng)從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等方面著手,認真研究工程對象、注漿材料、注漿設(shè)備和注漿工法,一旦注漿方案確定,必須嚴(yán)格執(zhí)行,同時以監(jiān)控量測確定是否采用抬升注漿。(2)嚴(yán)格監(jiān)控既有線上浮對既有線周邊土體進行注漿加固,并對既有線兩側(cè)土體進行預(yù)應(yīng)力拉錨,以防止既有線因卸載以后上浮。利用遠程監(jiān)測隨時監(jiān)控既有線結(jié)構(gòu)及軌道上浮情況,以便及時進行處理。(3)及時施作拉壓桿左右中柱洞內(nèi)的底梁、頂梁是兩個獨立系統(tǒng),當(dāng)中洞開挖以后,極易滑移變位,務(wù)必在中洞上部開挖以后,立即施作頂梁之間的拉壓桿,然后再施作中洞頂部的防水及二次襯砌。在頂梁間施作拉壓桿以后,在拉壓桿安裝應(yīng)力應(yīng)變計,以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。55年7月27日施工情況按“中柱法”方案實施以后,在施工中有效地回避了上述風(fēng)險,并且成功解決了施工中的難點問題。現(xiàn)列舉施工過程中某日反饋的各種信息加以說明,表2為2005年7月27日所反饋的施工信息情況。按表2工程施工信息所反饋情況,暗挖隧道中柱洞與中洞初支、襯砌已基本完成,側(cè)洞初支已進入既有線正上方,地面交通、洞內(nèi)施工以及既有線洞內(nèi)運營均在安全有序的正常運轉(zhuǎn),安全和工程質(zhì)量均在可控狀態(tài),工程進度能按計劃完成,工期也在可控狀態(tài)。6地面施工中地表沉降值的控制北京地鐵五號線有數(shù)座采用淺埋暗挖施工的單拱兩柱大斷面隧道車站,分別采用中洞法、側(cè)洞法和中柱法施工。其實每個方法都是成功的,哪一種方法都不存在唯一的優(yōu)越性,施工中如何控制地表