21软可塑状地层浅埋大跨断面地铁车站综合施工技术

1、软-可塑地层浅埋大跨断面地铁车站综合施工技术李克金隧道分公司摘要：本文介绍了在软可塑状地层采用中洞法施工大跨浅埋车站的技术重难点，主要就超前支护及水处理、断面转换、施工通道与中洞开口部位的施工方案及控制地表下沉的技术措施、顶纵梁及拱部施工、施工过程中围岩和支护结构应力、变形信息的实时监控等进行了重点叙述。1、车站平、纵、横断面图和地质条件、周围环境简介天坛东门站位于天坛东路与体育馆路丁字路口南侧，车站主体与天坛东路走向一致，站址周围主要有天坛公园、天坛体育宾馆、国家体委招待所、崇文区少年宫、109中学、天坛东里住宅区等建筑物。林tj.lfri前in灭坛东门站乎面图mn- ” JT:匚 w-,二

2、.：J- T I图 1 天坛东门站平面及横断面图天坛东门站全长 191m, 为地下双层岛式车站，主体为三拱两柱双层结构，开挖宽度 23.776m ，开挖高度 15.066m ，主体结构采用中洞暗挖 CRD 法施工，采用降水和超前支护等 辅助工法，以保证车站在无水的条件下进行施工。车站区域地下管线较多，影响范围内的有 以下几种地下管线：雨污水管、自来水管、电力管道、电信管道、煤气管道、热力管道、人 防通道。车站段管线埋深多集中在地下 1.05.5米范围，走向与线路纵向近似平行。天坛东 门站位于永定河冲积扇南部地带，地层由上至下以杂填土、粉土层、粉细砂2层、中粗砂 3层、粉质粘土、细中砂2层为主，

3、局部夹透镜体。车站平面及横断面图如图 1所示。在开挖天坛东门站主体中洞前，施工管棚进行超前地质勘探、车站掌子面开挖时涌泥及 初支喷砼表面渗漏水的情况来看，车站开挖掌子面所处地层含水量丰富，围岩类型为I类围岩,该地层明显具有“ 高压缩性、高灵敏度、强度低” 的特点，极易产生蠕动现象，开挖后自 稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制，施工困难。原因分析如下： 从地表管线分析，在车站开挖轮廓上方存在污水管、雨水管、废弃的人防管道、电 力管沟及各种不明管线，且沿线降水井水均排至污雨水管中，如上述管线已破坏极可能导致 管内流水或降雨水渗透至地层中，长期浸泡，致使地层中的粉细砂土层呈饱和状态，为软流 塑状地

4、层。 从地质条件看，车站开挖拱顶上方地层自下而上依次为粉土、粉细砂、粉土、杂填土，由于较为致密的粉土层可认为是隔水层， 上层滞水及降水很容易通过粉细砂层至粉土层， 由于管棚钻设过程中存在仰角，长期浸泡致使管棚钻机钻进的上层地层呈饱和状态，为软流 塑状地层。由于雨污水管渗漏，上层滞水短期内无法疏干，大部分地层处于饱水状态,属于软-可塑状地层。2、总体施工方案简介车站主体结构采用暗挖法中洞中隔壁法施工，主体隧道的开挖步序主要为两大块，即把车站断面分为一个大中洞（里面包含车站主体中跨的拱部、中层板、底板，两根钢管柱、两 根底纵梁及中纵梁、两根顶纵梁的大部分）和两个小侧洞（里面包含车站主体两侧跨的二次

5、 衬砌、中层板以及顶纵梁的小部分），先施工大中洞（开挖、支护，施作梁、板、柱以及二次 衬砌），然后施工两侧洞（对称开挖、支护，施作板、二次衬砌，凿掉中洞临时支护，封闭二 次衬砌）0如图2所示。车站施工重点控制地表沉降、管线保护，采取不同的施工方法，以小 导管或大管棚超前支护、注浆加固地层为主要手段，及时施作支护体系。3、关键技术重难点3. 1软可塑状地层加固，地下水处理方案3 .1.1拱部管棚+密排小导管施工方案:拱部采用超前大管棚加小导管劈裂注浆进行超前支护，注浆工艺采用计算机自动控制土层分段注浆工艺，该工艺以从法国地基建筑公司（Soleta nche Bachy）引进注浆自动控制监测系统为

6、核心,通过计算机实时、动态控制和调整注浆过程中的压力与流量，能有效地完成注浆加固施工，实现注浆的高质量、高效率和高可靠性。（2） 工艺施工流程 注浆施工过程如图3所 示，主要包括以下步骤： 成孔：根据设计要 求成孔，要求定位准确， 避免由于钻孔误差造成 末端两孔相通（图3a） o 插入注浆管：成孔（I ）插入套管（I）注浆插入PVC成品套管或者用钢管加工的注浆套管（图 3b）,般采用钻机钻孔套管跟进的方法,管以及安装好的止浆塞（规则节长），一同置于注浆孔内密封; 施做止浆墙：在工作面挂网喷砼，形成不小于3050cm的止浆墙; 注入封闭泥浆：当钻孔达到设计要求后，利用管口或者后退式注浆法在孔内注

7、入封闭 泥浆（图3c）; 注浆：待封闭泥浆初凝后，插入注浆芯管，启动SPICE系统，按设计要求设置最大压力、注浆总量等参数，进行分段注浆（图3d）； 根据SPIEC记录数据分析注浆效果，对不满足设计要求的进行补注浆； 结束注浆。（3）施工机具（见表1）施工机具表表1名称注浆机浆液搅拌机传感器流量计注浆活塞注浆芯管笔记本计算机型号PH-15UBJ-4数量2211211（4）工艺特点 计算机实时、精确控制配备先进的注浆自动控制系统 SINNUS，可以利用计算机对注浆过程进行实时控制，即 时掌控过程中的任何细小变化，实时加以调整，使注浆过程更加安全可靠。 注浆过程数据实时记录与反映SPICE可以实时

8、记录施工过程中采集的注心压力和流量等数据，以图形直观反映注浆过 程与效果；同时方便工程回顾，积累工程经验，提高注浆技术水平，也使注浆工程的隐蔽性 透明化，为有效监理提供了可能性。 设备先进，性能优越配备从法国地基建筑公司（Soletanche Bachy引进的高性能的PH-15注浆泵以及相配套 的性能良好的栓塞，可以实现分步、多次注浆，能有效提高注浆工程的质量、效率和可靠性。 适用范围广适用于砂土层和粘土层的注浆加固，对于砂土层，一般选区用小压力、大流量的渗透注 浆方法，对于粘土层，选区用高压力、低流量的劈裂注浆方法。当活塞内的压强将管壁上所 套的橡皮圈压开时，浆液才从已经开好的小孔内以极高的

9、压强喷出，从而对土体产生巨大压 力差达到劈裂效果，即使是极小渗透性的土体也可被浆液劈裂形成网状浆脉和透镜体从而得 到加固。加固效果如图4所示。图4天坛东门站中洞超前支护加固效果图3 . 1. 2加强降水，查明漏水管线及地下水补给来源进行堵漏：根据目前的降水方案，降水井均设置在天坛东路的辅道上，车站结构两侧降水井间距达到38m，尤其是天坛东路东侧降水井，据结构东侧外缘开挖线距离达11m，且两侧降水井均设计为两渗一抽，直接影响了对车站中洞的降水效果，因此为疏干车站开挖拱顶的上层滞 水，应采取以下措施： 加强降水力度，由原来的两渗一抽全部改为降水井，加大抽水量。 由于目前施工的结构两侧的降水井间距较

10、大，可在中洞开挖拱顶上方，即双向车道隔离带附近重新打设降水井，缩短两侧降水井的横向间距，进一步疏干拱顶的上层 滞水。 可在开挖前沿车站开挖中洞两侧打设渗水井，以使管线渗漏水或地表降水能顺渗水 井经过粉质粘土层（隔水层）甚至下面砂层中，保证开挖面拱顶的安全。 请物探及管线产权单位等部门共同对该段地表的各类管线进行检查，是否存在积水 或渗漏水现象，并对已废弃的管线进行回填密实，破坏的管线进行修补，确保该段管线没有 大量渗漏水。3 2 由风道交叉口采用明环暗梁方案开口进车站施工天坛东门站交叉口（ 16.166m （高） *9.352m （跨度）开口进入车站（ 15.166m （高） *23.8m （

11、跨度）及折返线主体交接段是一个受力极为复杂的特殊结构。原设计交叉口方案为：在东南风道交叉口段施工至堵头墙后，分段拆除格栅竖撑 ，浇筑 交叉口段车站主体底板及底纵梁，然后分部拆除横撑、竖撑，施作钢管柱、中层板、中纵梁、 顶纵梁及边墙、拱部等，待交叉口段车站主体结构施工完成后，破除格栅钢架进行车站中洞 及折返线正洞施工东南风道交叉口进车站及折返线正洞施工本着确保安全、快速施工、经济合理的指导思 想，在车站及折返线正洞开挖破除交叉口段格栅之前， 首先在交叉口段施作车站开洞横向 （垂 直于车站主体方向，东西向，以下同）加强环框、折返线开洞加强环框及四道交叉口段纵向 （平行于车站主体方向，南北向，以下同

12、）加强环框，各加强环框与交叉口段格栅、横隔壁 相连接，在车站及折返线段正洞开挖及交叉口衬砌破除横、竖撑之后仍然形成纵向及环向封 闭整体，保证交叉口段的结构稳定。如图 5，图6、图 7所示。变更方案有以下特点： 安全系数高，稳固。 横向加强环及纵向加强环不仅能够保证车站、折返线开挖时的安全，另外在施作交叉口主体结构时仍有纵向加强环形成封闭整体，安全系数较高，比较稳固 施工方便、施作速度快，对加快工期有利。交叉口段的加强环部分采用车站及折返线的格栅钢架，便于提前加工，架立速度快，可 有效缩短加强环施作时间，另外在钢筋施作完成后，可直接挂模，喷射砼，形成加强环。因 此加强环施作时间约为20天即可完成

13、。 加强环框的环向格栅与交叉口横撑焊联在一起，基本相平，出碴进料运输方便，且运 输通道比施作交叉口段主体结构方案多，有利于组织快速施工。 与施工交叉口段主体二衬方案相比较，施工加强环框方案可利用原开挖风道时的人 员、机械、设备，节省资源调配费用。采用该加强环方案后，在经过破口进入车站及折返线时， 地表沉降仅为28.5mm，结构未 出现变形或裂缝现象，保证了施工、交通及地面管线构筑物的安全。3.3车站东南风道下穿电力管沟、污水管道段断面过渡至交叉口断面施工东南风道挑高段（过污水管道、电力管沟）结构断面 换为与主体结构交叉口断面16.166m （高）*9.352m （跨度）,经过拱部抬高、两侧外扩

14、、 底部下挖由原电力管沟段的3个断面渐变成10 个断面（如图8所示 东南风道挑高段开挖断面对 照图），该挑高段上方垂直距离1.57m有1000 污水管道横穿，污水管流量较大。11.33m （高）*6.3m （跨度）变图8东南风道挑高段开挖断面对照图施工中采用“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，由于本段既要挑高又要外扩,且挑高与外扩的尺寸不成比例，由原过电力管沟段的3个断面变成10个断面（如图9所示）:其中原I部渐变为1、2、3、4部，原U部渐变为5、7部，原川部渐变为6、8、9、10部挑高段施工完毕后断面电力管沟段断面考虑到施工实际，该段施工挑高按45度角左右一次挑高，采用密排管棚+密排

15、导管+密排 格栅+40cm网喷砼的施工方案，管棚施工由于打设角度较大（45 -60 ）间距较密（20cm）， 施工难度较大，必须严格控制每根管棚的仰角及外插角，严防管棚侵入开挖净空，并且必须 保证超前支护的注浆效果。3 . 4天坛东门站中洞结构顶纵梁施工在天坛东门站中层板施作完成后开始施工顶纵梁， 顶纵梁采用型钢混凝土组合梁，截面尺寸1.2m*1.7m （如图10所示），由于中洞钢管柱横向柱间距 8m，顶纵梁在该部位施工空 间较小，施工图设计中顶纵梁分两次施作，在中洞内首先施工一片半梁，然后在侧洞内施工 另外半片梁，分段施工长度为18m，施工缝设置在柱间1/3跨位置。图10中洞顶纵梁结构图顶纵

16、梁分为一片半施作存在的问题主要有： 其中半片梁的U型筋、勾筋纵向间距10cm，钢筋较密，该钢筋由于空间限制，无法 一次性架立到位，故预留量、密度较大，钢筋的加工、安装、预留及后续接长施工均较困难； 侧洞预留钢筋25、22纵向间距15cm，钢筋较密，该钢筋由于空间限制预留、 安装、后续接长较为困难； 由于钢筋密度大，故在施工堵头模时数量大、难度高，质量不易保证、凿除毛面面积 大且施作困难； 由于顶纵梁分为一片半施作，结构自身不对称，偏心较为严重，极易造成在拆除顶纵 梁支撑模板后，结构自身在薄弱区域发生裂纹；经过与设计、监理等协商，更改后中洞顶纵梁结构如图11所示，钢筋绑扎顺序为：1.0 mm厚钢

17、板土工布2 mm厚ECB防水板1.0 mm厚钢板中洞初支砼正反丝钢筋接头直螺纹钢筋接头80米用塑料泡沫（20*10 cm ）穿孔预 留钢筋接头，同时为砼预留企口缝采用塑料泡沫（20*10 cm）将预留 钢筋夹住固定正反丝钢筋接头/ $- L 於方 2；钢管柱y-图11更改后的中洞顶纵梁结构图 按正确位置安装已穿孔的纵向塑料泡沫条（20*10cm ），为防止在浇筑砼的过程中塑料泡沫条的移位，在安装时采用 U型托（5mm厚钢板制作）每隔两米把塑料泡沫条卡住后用 25钢筋焊接固定在型钢梁的角钢上方，检查牢固可靠后，再行安装顶纵梁钢筋; 安装侧洞方向的 一片梁骨架钢筋，预留侧洞方向底层22钢筋； 安装

18、预留侧洞中间及上层 25 钢筋，钢筋车丝检查合格后 （直螺纹套筒接头）将套筒 用塑料薄膜包住后伸入到预留穿孔中，并把钢筋与预留孔之间的缝隙用水泥砂浆摸严，防止 浇筑砼浆液灌入套筒内； 绑扎中洞侧一片梁骨架钢筋，预留中洞拱部钢筋； 为保证钢筋可顺利接出， 侧洞预留上层钢筋接头采用直螺纹钢筋接头， 采用短钢筋（约 1.0m 长，一端为直螺纹钢筋接头、一端为正反丝钢筋接头）先把钢筋接出，在进行续接；机 械连接接头具有操作简单、可预加工、连接速度快，同心度好，无明火作业，接头质量安全 可靠，节约钢材、施做需求空间小头等多种优点，另外该种 A 型接头允许在同一截面内；顶纵梁为型钢混凝土组合梁，采用木板

19、+PVC板组合板，自制钢拱架的模板支撑体系端头模板使用5cm木板作为堵头模板，使钢筋穿过，浇筑砼刖用棉纱或砂浆堵孔，防止漏浆,该堵头模除采用钢筋焊压外，采用120*120mm方木，支撑在中洞初支砼上，中间夹木楔固32y1:3132yL1400exo-IU6001420528913058定牢固。如图12所示3. 5 CRD法暗挖车站拱部分离式台车衬砌工艺天坛东门站中洞拱部采用C30、P10钢筋砼，二衬厚度50-106cm （如图13所示 天坛东1.5m*0.3m )门站中洞主体结构横断面）施作天坛东门站拱部衬砌有两种模板形式，一种为米用组合钢模板（长度+工字形支架（利用木制或钢板制作），内部再行

20、设置支撑，该种方案在每完成一模砼后，需拆除所有的模板支架，人工搬运至在另外一模施工砼衬砌处再行全部拼装，费工费时，浪费 人工费；而采用模板台车在施工完成一模后， 不需要全部拆除，台车在轨道上直接推行至在 另外一模施工砼衬砌处，省工省时，节省人工 费；根据进一步计算及参考设计院意见，中洞 竖隔壁可以采用跳槽施工的方法，自车站交叉 口中心线间隔4m拆除7m,第一循环的拱部施 作长度为6m，第二循环施工时插空每次施作 长度5.9m o图13天坛东门站中洞主体结构横断面因此为保证台车能够顺利通过未破除的 4m竖隔壁，台车需要分为左、右两图14天坛东门站中洞拱部分离式台车安装图部分，当台车推行至浇筑砼位

21、置后，左、右两部分台车拼装成为一个整体；如图14所示; 台车纵向设计长度6m，整体宽度5.45m，面板采用整体面板，厚度 8mm，采用18# 工字钢作为面板背后环向拱架支撑，立柱采用 16#工字钢对焊而成，纵向底梁采用两根 30# 工字钢对焊而成，对撑、可调斜支撑及水平调节装置均采用装配件； 该台车行走方式采用外力牵引、轨行式，由于该台车重量约16.6吨，因此拟定该台车轨道采用 18kg/m 轨道，采用人工推行方式，以节省成本； 该台车就位及脱模方式采用液压千斤顶，当台车推行至砼施工位置后，首先把该台车拼装成整体，利用 8 台液压千斤顶同时顶升台车至设计标高，检查合格后，底部用螺旋千斤 顶顶紧

22、； 该模板台车利用可调转的模板、斜螺旋支撑及水平螺旋支撑形成整体，当需要跨越临时竖隔壁时，拆掉模板插销，松开斜螺旋支撑，钢模板及部分支架则演可调转轴垂落下来， 此时只要松开水平螺旋支撑，则该模板台车分为两个模板台车； 在台车纵向中心线上距端部各 1.5m 设置两个浇筑口，直接将 30cm 砼输送管焊接在 模板上，并且在模板与输送管间设置 40cm*20cm*8mm 插销，砼浇筑完成后，即可将插销插 进，防止砼输送管撤除后，拱部砼从浇筑口流出； 该模板台车整体及分离后分别经过检算，均达到合格使用要求。采用跳槽施工分离式台车的衬砌方法施工完成的拱部衬砌质量与相邻标段（采用组合钢模板（长度1.5m*

23、0.3m）+工字形支架）进行比较，施工表面质量明显提高，无常见砼质量缺 陷，错台小，且整体观感明显较好；采用跳槽施工分离式台车的衬砌方法施工完成的拱部衬 砌质量与相邻标段（采用组合钢模板（长度 1.5m*0.3m） +工字形支架）进行比较，由于采用 轨行式台车形式，比起小模板衬砌（每次模注完成后，须重新拆除模板，架立支架模板）施 工速度较快，直接节约工期 25 天，对于我标段本身工期较为紧张的事实起到了缓解作用；节 约工费 145834元。3.6 各监控量测项目数据及分析361 典型沉降曲线及分析 （包括各工序的分解 ）天坛东门站地表监测点示意图如图 15 所示，累计沉降中洞上方平均 122.

24、66mm ，最大 194.77mm ，中洞开挖平均引起沉降 79.37mm ，占 64.7% ，中洞衬砌期间沉降 7.53mm ，占 6.1% ，侧洞开挖引起沉降 35.76mm ，占 29.2% ；侧洞上方平均 97.43mm ，最大 150.95mm ， 中洞开挖平均引起沉降 40.67mm ，占 41.7% ，中洞衬砌期间沉降 6.32mm ，占 6.5% ，侧洞 开挖引起沉降 50.44mm ，占 51.8% 。地表沉降曲线如图 16 所示。地表沉降数据分析：截至 2005 年 4 月 10 日天坛东门站地表 K4+862.63 点 CJ3-6 累计 沉降值达到 -145.14mm 根

25、据如图所示，其中天坛东门站中洞 （起始点里程为 K4+800 ），开挖 至该里程为 2004 年 1 月 20 日，初测日期为 2004 年 1 月 11 日， 截止至 2004 年 5 月 15 日天坛东门站中洞开挖完毕， 该观测点的累积沉降量为 -78.24mm ，占总沉降量的 53.9% ；截 止至 2004 年11月 20日天坛东门站主体结构施工完毕， 该观测点的累积沉降量为 -85.78mm ， 在 2004 年 5 月 15 日至 2004 年 11 月 20 日期间沉降量为 -7.54 mm ，占总沉降量的 5.2% ； 截止至 2005 年 3 月 25 日天坛东门站侧洞开挖完

26、毕，该观测点的累积沉降量为 -144.73mm ， 在 2004 年 11 月 20 日至 2005 年 3 月 25 日期间沉降量为 -58.6mm ，占总沉降量的 40.4% ； 从 2005 年 3 月 25 日至 2004 年 4 月 10 日累计沉降量为 -145.14mm ；由以上数据可以看出， 中洞及侧洞开挖对地表沉降起关键性的影响作用图15天坛东门站地表监测点示意图图16 天坛东门站地表沉降时态曲线 拱顶沉降：截至2005年4月10日天坛东门站里中洞拱顶 K4+862点ZCJ08累计沉降值达到 -53mm，根据如图所示，其中天坛东门站中洞（起始点里程为K4+800 ），开挖至该

27、里程为2004 年1月20日，初测日期为2004年1月25日，截止至2004年5月15日天坛东门站中洞 开挖完毕沉降量为-46mm，占总沉降量的86.8% ;后续施工对拱顶沉降影响较小，沉降量为 -7mm，占总沉降量的13.2% ；拱顶沉降曲线如图17所示。图17天坛东门站拱顶沉降时态曲线图从监测结果来看，除地表及拱顶沉降值较大以外，其它各项监测点测读数值都在允许范 围内，基本正常，且数据都趋于稳定。各个分部开挖过程中，及时的施作临时仰拱能有效地 抑制隧道的整体沉降和不均匀沉降，减小隧道变形。3 . 6. 2应力监测数据及分析格栅应力：在中洞三个断面共埋设了 36只钢筋计，在永久喷层上位移计埋

28、置的对应位B1B14.B12B11置内外层布置一对钢筋计，共5对。其余临时支护，酌情布置每点一个，共 10个。见图18 oB7/打IB15B16B13B5 rI!FIIB18B20B17B19 IIII图18钢筋计布置图各测读数据都已趋于平稳。钢筋计埋设初期应力值增加较快，一般能在2-5天后基本稳定。同时应力值受相关各部开挖面位置影响较大，当相关分部开挖到元件埋设位置时，应力值会 出现波动或突变。测读的最大拉应力在东南井断面 3部边墙部位，最大拉应力值为71.04MPa， 当时第4部通过埋设断面，随后逐渐降至 10MPa左右后稳定；测读的最大压应力-60MPa 左右，在2部竖撑和5部边墙位置，

29、远远小于钢筋容许强度值。天坛东门站格栅应力时态曲 线如图19所示。MPa东南井中洞格栅应力曲线 （K4+820）80.00图19天坛东门站格栅应力时态曲线图另外，7、8部临时底板处破洞（预留钢管柱孔位）对边墙格栅应力有一定影响，使应 力值起伏较大，但应力值均在允许范围之内。现数据均已经基本稳定，并且应力值较小。土压力：压力盒布置在位移计的对应位置，中洞开挖拱顶布置1个，边墙对称布置1对两边侧洞开挖后在边墙对称布置1对,拱顶对称布置1对。每断面7个。如图20所示。C3I1C7|C211C6图20压力盒布置图压力值曲线基本趋于平缓。压力盒埋设初期数值增长较快，一般在7天左右达到最大值并稳定。土压力

30、最大值出现在西北井断面 1部拱顶，达到260KPa。从数据曲线分析，有两次达 到峰值，第一次为埋设后第三天（达到 257.44KPa），初步分析原因是压力盒埋设时，预顶 应力过大，产生应力集中，达到最大值后，随着1部的开挖前进，压力值逐步减小，此时2部开挖到此位置，压力值开始逐步增长到260KPa。此后，1、2部继续前进，压力值逐步减小并趋于平稳，目前为19.7KPa。另外，针对以上情况，于K4 + 945里程1部拱顶增设压力 盒一只，测读压力值为18KPa左右，并且比较稳定。天坛东门站土压力时态曲线如图21所示。图21天坛东门站土压力时态曲线图 横撑应力：在横撑工字钢上下翼缘各布置钢筋计一只，（1、2部之间和2、3部之间除外），如图22所示。图22横撑钢筋计布置图从数据分析,横撑钢筋计埋设后便开始受力，并且一般呈线性增长，应力值累计增长到下部开 挖面通过时，应力释放并且发生突变，随后应力值基本上趋于稳定。横撑应力值最大值出现 在K4 + 916断面5部位置（增设），工字钢上侧拉应力达到 242MPa，下侧压应力达到 151MPa。在7部通过该位置后，应力值发生突变，上侧拉应力为75