地铁暗挖车站大跨度扣拱施工方法研究

1、地铁暗挖车站大跨度扣拱施工技术【摘 要】地铁施工中洞桩法同其它工法一样，需要解决许多工程面临的实际问题，特别在大跨度洞室洞桩法扣拱施工技术中成功的实例很少，没有现成的经验可循，无论是在技术层面还是在理论层面的研究都比较少，未形成可以借鉴和推广的技术体系和理论体系，上述原因极大地制约了洞桩法的发展前景。本文针对这一难题，结合工体北路站的实际施工情况对洞桩法施工中大跨度扣拱施工方法做了分析与总结 ，可为类似工程借鉴。【关键词】地铁 洞桩法 大跨度扣拱1 工程概况北京地铁10号线工体北路站（团结湖站）位于工体北路和东三环交叉十字路口，站位与东三环路平行，呈南北走向，为全埋性地下车站。车站有效站台中心

2、里程K18+729.464，全长187.014m。由于三环路中间的长虹高架立交桥，车站采用分离岛式暗挖结构，左右线分别位于桥梁两侧的辅路下，线间距45.5m，左右线两结构之间设联络通道、迂回风道各两条。车站结构断面为单拱单跨断面，净空10m，站台宽度为26m。车站设有四个出入口，并预留与M16线换乘接口通道接口及站厅预留接口，东西走向的M16线与本站形成“十”字换乘关系。车站结构东北角和西南角设两座风井，风井同时作为风道的施工竖井。车站主体采用“PBA”工法施工，风道采用“CRD”工法施工。车站平面图如图1。4图1车站平面图2 工程特点及难点环境特点：地面交通繁忙，建（构）筑物多，车站四个出入

3、口及二个风井均紧邻高大建筑物，车站主体结构下穿长虹立交桥。地下管线多。 结构特点：车站为双层分离岛式车站，两站台间以联络通道及风道相连；马头门多，受力复杂，结构断面大，易产生群洞效应。断面变化多、接口多。车站主体左右线分别位于长虹立交桥两侧，结构距桥桩仅23m。施工特点：车站暗挖规模大，附属结构多，断面形式变化多，工序转换频繁，结构空间受力复杂。主体采用“PBA”法施工，南端联络通道、风道及出入口则采用“CRD”工法施工。针对车站大跨度扣拱施工主要难点有：要确保车站开挖支护过程中的结构稳定，防止在群洞开挖条件下地面出现过量沉降和坍塌；车站主体拱部为平拱结构，主拱大弧跨度达13.8m，且断面形式

4、多，抬高与降低频繁，施工难度大；需要确保车站主体大弧开挖与扣拱施工过程中的洞室稳定和空间受力支护结构稳定。工体北路站初支扣拱作业跨度为：标准断面12.74m、换乘断面13.8m。另外，车站结构拱部大部分位于粉细砂层中，且车站上方有多条雨污水管线，覆土厚度仅6.5m，地面交通繁忙，受地面动载作用明显。复杂的地面、地下环境及特殊地理环境对施工沉降要求严格，加之扣拱跨度大、地质条件复杂，固大跨度扣拱技术成功与否直接关系到车站建设的安全和进度。3 施工方案制定技术方案的总原则是少分块、快封闭，尽量减少荷载转换次数和地层被扰动的次数。导洞掘进和主拱施工遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测

5、”及“先护后挖，及时支撑”的原则。从竖井进入两侧导洞施工，导洞贯通后施作灌注桩。适时凿除桩头后施作桩顶钢筋混凝土纵梁。以此在导洞内施作主体结构拱边段，回填支护后背与导洞初期支护之间空间。以注浆小导管加固拱部地层，开挖上部土体，施作车站主体上部初期支护(以下简称主拱)，并与两侧拱边段联成整体。在主拱的保护下开挖土体并施作中板和上部拱墙二次衬砌结构。分层实施下部开挖，分层架设横撑和实施桩间初期支护，然后进行下部主体结构施作，如下图：（图2洞桩施工步序图）图2洞桩施工步序图4 施工方法车站主体结构采用城门洞形设计，分上下两层，上层为拱形、下层为矩形，拱部结构形式为复合式衬砌，侧墙采用边桩及内衬墙间夹

6、柔性防水层的重合墙结构。主体结构标准断面站厅层净空为5.65m10.0m，站台层净空为6.08m10.0m，拱部采用长管棚与323.25超前小导管注浆加固地层，格栅钢架、喷射砼作初期支护。二次衬砌采用C30S10模注钢筋混凝土。主体结构标准断面型式如图2;根据拟定的扣拱施工方案，桩顶冠梁、边拱、主拱及开口部位施工成为扣拱的关键，其中主拱施工时还需要进行小导管超前加固。初期支护桩顶冠梁导洞二次衬砌钻孔桩站台板拱背回填图3 主体结构标准断面结构4.1桩顶冠梁与边拱施工主体钻孔桩完成后，凿除桩顶部分混凝土，凿除后桩头混凝土必须能达到设计强度要求，以确保冠梁与桩头的连接质量。清洗导洞底部的泥浆和残余灰

7、浆，用水准仪抄平。按设计长度接长孔桩锚入冠梁的钢筋，孔桩主筋采用直螺纹套筒连接，然后安装冠梁钢筋。边拱格栅与纵梁连接方式包括: 梁内预埋地脚螺栓与钢板，格栅节点板与钢板栓接； 梁内预埋地脚螺栓与钢板，格栅节点板与钢板焊接； 边拱格栅锚入纵梁内。采用预埋钢板方式操作简单，但振捣时易跑位，钢板倾斜度不易控制，钢板下混凝土振捣不密实，边拱格栅直接锚入纵梁内，格栅控制点位置准确、锚固效果好，需要临时支撑较多。施工中选取了边拱格栅锚入纵梁连接方式。冠梁钢筋绑扎完成后，安装边拱格栅定位支架。支架均采用16工钢，支架间距2m，支架水平工钢一端置于竖撑上，另一端置于预埋角钢上，预埋角钢用胀管螺栓固定在导洞壁上

8、，支架安装控制重点为各水平工钢大致水平，其偏差不宜大于5mm。支架安装并加固后安设纵向定位工钢，纵向定位工钢位置与其高程对应，无误后用22钢筋头焊接固定。最后按格栅起始排列位置与设计间距在纵向工钢上分划出格栅主筋位置，其偏差不宜大于5mm，防止出现两侧边拱格栅错位。为加快安装速度、减小累计误差，采取先安装两端头格栅（间距不超过10m），校核后再挂线安装中间格栅。图4 边拱格栅定位支架图纵梁模板采用组合钢模板，用可调支架支撑于导洞壁上，施工段长度为1525m。纵梁混凝土达到强度后分次浇注边拱及背后回填混凝土，边拱模板采用挂板施工，如图2，一次浇注不大于3m。4.2主拱施工主拱采用台阶法开挖，上台

9、阶预留核心土环向开挖，在马头门、过管线段及水囊影响的不良地质段设置临时竖撑。土体开挖时合理设置台阶宽度、掌子面坡度及核心土大小，台阶宽度为58m，掌子面坡度1：5，核心土留置以不影响格栅安装等操作尽量大，减少进尺循环中开挖时间与土体的暴露时间，利于掌子面稳定。图5 主拱开挖施工图两侧拱腰处导洞初支破除超前主拱开挖12榀，开槽宽度1.01.2m。导洞破除对土体振动较大，施工时需设置注浆管并及时注浆回填补偿。为加强节点部位强度，应预留导洞格栅主筋，待主拱格栅安装后在相交处用L筋将主拱格栅钢筋与导洞格栅主筋焊接加强。图6 L筋焊接加固图由于工体北路站主要位于粉细砂层中，其颗粒均匀、致密无胶结，内摩擦

10、角2333，自稳性非常差，主拱开挖过程中施工风险大，因此开挖前采取了超前小导管注浆加固措施。粉细砂层由于孔隙小，渗透性差，水泥浆液加固时基本无扩散现象，故必须采用溶液性注浆加固材料，研究后选用了改性水玻璃浆液，改性水玻璃浆液可灌性好、造价相对便宜、也无毒副作用，同时工艺较简单，能够利用现有的机具设备，固结强度能够满足要求。经注浆试验，确定改性水玻璃各项注浆参数为：注浆压力控制在0.4MPa，单孔注浆量100L150L，单孔注浆时间为35min，经浆液从孔口周边土体返出为度。4.3开口段施工车站施工中，在已完成支护的洞室内侧向开口施工新的洞室，其开口段施工俗称马头门施工。马头门施工时破坏了原有支

11、护结构，对地层二次扰动，受力集中明显，施工中应采取加强措施保证稳定：马头门前3榀均采用型钢进行支撑维护，在原有支护结构内设置加强环，并将内力有效传递给加强环，加强环形状圆顺封闭，避免应力集中，应力重分布尽早完成。考虑纵向效应，采取长管棚、小导管与纵向连接筋等方式加强纵向连接，施工过程中应减小对土体的二次扰动，采取环形分段开槽方法，混凝土破除时特别注意土压力影响，保证开口正面土体稳定。加强环设置一般采用连立两榀型钢或钢格栅，采用型钢时前期强度高，能迅速受力，但型钢间空隙无法喷射混凝土充填，重量大，加工与安装费时、要求高；钢格栅较型钢前期强度低，但内部易喷射密实，混凝土强度增长后与格栅共同受力，整

12、体性好，由于格栅钢筋为级筋，后期强度较型钢高。因此马头门加强环永久支护采用钢格栅，临时支撑采用型钢。主体扣拱马头门段采用CD法施工，开槽宽度为50cm，分段破除导洞砼，导洞格栅主筋应留出1520cm。开槽成型后安装钢格栅、钢筋网片及纵向连接筋，打设小导管，并用L形筋连接破除的格栅主筋与加强环格栅，形成整体，喷射砼封闭，最后小导管超前注浆加固前方地层。5监控量测洞室开挖阶段主要监测项目包括洞内观察描述、地表沉降、拱顶沉降、水平收敛、仰拱隆起、建筑物沉降、地下管线沉降、地下水位、临时支撑轴力、初期支护格栅钢架受力、土体压力等。这里以地表沉降和拱顶下沉为代表，地表沉降测点布置图见图7。地面沉降点5、

13、4、3、2、1、0、5、4、3、2、1沿主体断面中心线对称布置，点位间距为2m、2m、3m、5m、5m。图7地表测点布置图地表沉降曲线分别见图8。标准断面加高断面图8 不同断面位置地表沉降曲线从沉降时程曲线可以看出，地表沉降主要有三个阶段：缓慢下沉阶段：导洞开挖阶段，土体受到扰动，地表开始下沉，并缓慢增加，曲线变陡；急剧下沉阶段：主拱开挖地表沉降加速，地表沉降骤变，曲线陡峭；减速收敛阶段：随着扣拱施工完成，洞内支护体系已形成，下沉速度减慢，曲线变缓。导洞开挖和扣拱两个阶段沉降量占总沉降量的75%左右，这两个阶段沉降曲线呈明显下降趋势，沉降值在23mm左右；扣拱结束至底板砼完成阶段沉降量占总沉降

14、量的25%左右9mm左右，且这个阶段地表沉降曲线已明显变缓，底板砼完成后地表已达到收敛状态，地表累计沉降最大点为主拱中心对应点，沉降值在32mm左右。从沉降曲线证明了初支护扣拱施工后，承载体系初步形成，沉降得到了有效控制，达到预期效果，发生位移突变的为导洞开挖和主洞开挖工序，与数值模拟基本相符。实测地表竖向位移值与数值仿真分析竖向位移值对照：实测竖向位移值均比数值模拟竖向位移值大，相差8.57mm11.77mm之间。存在差异原因：地层的不均匀性：层厚与土体的自然堆积，本身不均匀，取的参数有一定偏差。有限元软件的计算方式：有限元程序在开挖土体的同时激活衬砌并未考虑应力（位移）的释放过程，而实作时应力释放，土层变形不产生。施工造成：不规范的操作引起的质量偏差。5 结论在施工中采用洞桩法施工，其中中大跨度扣拱施工方法主要控制措施有： 做好施工前期是调查工作。 桩顶冠梁与边拱施工时格栅和预埋钢板等的安装误差调试。 主拱施工时开挖断面宜圆顺，避免应力集中，造成超挖与局部坍塌，喷射砼必须保证作业质量，保证密实无空洞现象；扣拱施工时两侧导洞破除位置操作时间较长，待节点位置处理基本成型后再修整中间段，整体成型，减少掌子面暴露时间，避免超挖与局部坍塌。严格控制超前小导管打设角度与注浆质量。作好台阶留置，一方面保证核心土体稳定，另一方面便于及时复喷砼、回