地鐵暗挖車(chē)站大跨度扣拱施工方法研究

1、地鐵暗挖車(chē)站大跨度扣拱施工技術(shù)【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(shí)際問(wèn)題，特別在大跨度洞室洞樁法扣拱施工技術(shù)中成功的實(shí)例很少，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循，無(wú)論是在技術(shù)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(shù)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(duì)這一難題，結(jié)合工體北路站的實(shí)際施工情況對(duì)洞樁法施工中大跨度扣拱施工方法做了分析與總結(jié) ，可為類(lèi)似工程借鑒。【關(guān)鍵詞】地鐵 洞樁法 大跨度扣拱1 工程概況北京地鐵10號(hào)線(xiàn)工體北路站（團(tuán)結(jié)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(chē)站。車(chē)站有效站臺(tái)中心

2、里程K18+729.464，全長(zhǎng)187.014m。由于三環(huán)路中間的長(zhǎng)虹高架立交橋，車(chē)站采用分離島式暗挖結(jié)構(gòu)，左右線(xiàn)分別位于橋梁兩側(cè)的輔路下，線(xiàn)間距45.5m，左右線(xiàn)兩結(jié)構(gòu)之間設(shè)聯(lián)絡(luò)通道、迂回風(fēng)道各兩條。車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面為單拱單跨斷面，凈空10m，站臺(tái)寬度為26m。車(chē)站設(shè)有四個(gè)出入口，并預(yù)留與M16線(xiàn)換乘接口通道接口及站廳預(yù)留接口，東西走向的M16線(xiàn)與本站形成“十”字換乘關(guān)系。車(chē)站結(jié)構(gòu)東北角和西南角設(shè)兩座風(fēng)井，風(fēng)井同時(shí)作為風(fēng)道的施工豎井。車(chē)站主體采用“PBA”工法施工，風(fēng)道采用“CRD”工法施工。車(chē)站平面圖如圖1。4圖1車(chē)站平面圖2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)環(huán)境特點(diǎn)：地面交通繁忙，建（構(gòu)）筑物多，車(chē)站四個(gè)出入

3、口及二個(gè)風(fēng)井均緊鄰高大建筑物，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)下穿長(zhǎng)虹立交橋。地下管線(xiàn)多。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：車(chē)站為雙層分離島式車(chē)站，兩站臺(tái)間以聯(lián)絡(luò)通道及風(fēng)道相連；馬頭門(mén)多，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)斷面大，易產(chǎn)生群洞效應(yīng)。斷面變化多、接口多。車(chē)站主體左右線(xiàn)分別位于長(zhǎng)虹立交橋兩側(cè)，結(jié)構(gòu)距橋樁僅23m。施工特點(diǎn)：車(chē)站暗挖規(guī)模大，附屬結(jié)構(gòu)多，斷面形式變化多，工序轉(zhuǎn)換頻繁，結(jié)構(gòu)空間受力復(fù)雜。主體采用“PBA”法施工，南端聯(lián)絡(luò)通道、風(fēng)道及出入口則采用“CRD”工法施工。針對(duì)車(chē)站大跨度扣拱施工主要難點(diǎn)有：要確保車(chē)站開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止在群洞開(kāi)挖條件下地面出現(xiàn)過(guò)量沉降和坍塌；車(chē)站主體拱部為平拱結(jié)構(gòu)，主拱大弧跨度達(dá)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(chē)站主體大弧開(kāi)挖與扣拱施工過(guò)程中的洞室穩(wěn)定和空間受力支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工體北路站初支扣拱作業(yè)跨度為：標(biāo)準(zhǔn)斷面12.74m、換乘斷面13.8m。另外，車(chē)站結(jié)構(gòu)拱部大部分位于粉細(xì)砂層中，且車(chē)站上方有多條雨污水管線(xiàn)，覆土厚度僅6.5m，地面交通繁忙，受地面動(dòng)載作用明顯。復(fù)雜的地面、地下環(huán)境及特殊地理環(huán)境對(duì)施工沉降要求嚴(yán)格，加之扣拱跨度大、地質(zhì)條件復(fù)雜，固大跨度扣拱技術(shù)成功與否直接關(guān)系到車(chē)站建設(shè)的安全和進(jìn)度。3 施工方案制定技術(shù)方案的總原則是少分塊、快封閉，盡量減少荷載轉(zhuǎn)換次數(shù)和地層被擾動(dòng)的次數(shù)。導(dǎo)洞掘進(jìn)和主拱施工遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)

5、”及“先護(hù)后挖，及時(shí)支撐”的原則。從豎井進(jìn)入兩側(cè)導(dǎo)洞施工，導(dǎo)洞貫通后施作灌注樁。適時(shí)鑿除樁頭后施作樁頂鋼筋混凝土縱梁。以此在導(dǎo)洞內(nèi)施作主體結(jié)構(gòu)拱邊段，回填支護(hù)后背與導(dǎo)洞初期支護(hù)之間空間。以注漿小導(dǎo)管加固拱部地層，開(kāi)挖上部土體，施作車(chē)站主體上部初期支護(hù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主拱)，并與兩側(cè)拱邊段聯(lián)成整體。在主拱的保護(hù)下開(kāi)挖土體并施作中板和上部拱墻二次襯砌結(jié)構(gòu)。分層實(shí)施下部開(kāi)挖，分層架設(shè)橫撐和實(shí)施樁間初期支護(hù)，然后進(jìn)行下部主體結(jié)構(gòu)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(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用城門(mén)洞形設(shè)計(jì)，分上下兩層，上層為拱形、下層為矩形，拱部結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式襯砌，側(cè)墻采用邊樁及內(nèi)襯墻間夾

6、柔性防水層的重合墻結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面站廳層凈空為5.65m10.0m，站臺(tái)層凈空為6.08m10.0m，拱部采用長(zhǎng)管棚與323.25超前小導(dǎo)管注漿加固地層，格柵鋼架、噴射砼作初期支護(hù)。二次襯砌采用C30S10模注鋼筋混凝土。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面型式如圖2;根據(jù)擬定的扣拱施工方案，樁頂冠梁、邊拱、主拱及開(kāi)口部位施工成為扣拱的關(guān)鍵，其中主拱施工時(shí)還需要進(jìn)行小導(dǎo)管超前加固。初期支護(hù)樁頂冠梁導(dǎo)洞二次襯砌鉆孔樁站臺(tái)板拱背回填圖3 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，以確保冠梁與樁頭的連接質(zhì)量。清洗導(dǎo)洞底部的泥漿和殘余灰

7、漿，用水準(zhǔn)儀抄平。按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度接長(zhǎng)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(nèi)預(yù)埋地腳螺栓與鋼板，格柵節(jié)點(diǎn)板與鋼板栓接； 梁內(nèi)預(yù)埋地腳螺栓與鋼板，格柵節(jié)點(diǎn)板與鋼板焊接； 邊拱格柵錨入縱梁內(nèi)。采用預(yù)埋鋼板方式操作簡(jiǎn)單，但振搗時(shí)易跑位，鋼板傾斜度不易控制，鋼板下混凝土振搗不密實(shí)，邊拱格柵直接錨入縱梁內(nèi)，格柵控制點(diǎn)位置準(zhǔn)確、錨固效果好，需要臨時(shí)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(yù)埋角鋼上，預(yù)埋角鋼用脹管螺栓固定在導(dǎo)洞壁上

8、，支架安裝控制重點(diǎn)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(shè)縱向定位工鋼，縱向定位工鋼位置與其高程對(duì)應(yīng)，無(wú)誤后用22鋼筋頭焊接固定。最后按格柵起始排列位置與設(shè)計(jì)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(cè)邊拱格柵錯(cuò)位。為加快安裝速度、減小累計(jì)誤差，采取先安裝兩端頭格柵（間距不超過(guò)10m），校核后再掛線(xiàn)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(diào)支架支撐于導(dǎo)洞壁上，施工段長(zhǎng)度為1525m?？v梁混凝土達(dá)到強(qiáng)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(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)

9、階預(yù)留核心土環(huán)向開(kāi)挖，在馬頭門(mén)、過(guò)管線(xiàn)段及水囊影響的不良地質(zhì)段設(shè)置臨時(shí)豎撐。土體開(kāi)挖時(shí)合理設(shè)置臺(tái)階寬度、掌子面坡度及核心土大小，臺(tái)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(jìn)尺循環(huán)中開(kāi)挖時(shí)間與土體的暴露時(shí)間，利于掌子面穩(wěn)定。圖5 主拱開(kāi)挖施工圖兩側(cè)拱腰處導(dǎo)洞初支破除超前主拱開(kāi)挖12榀，開(kāi)槽寬度1.01.2m。導(dǎo)洞破除對(duì)土體振動(dòng)較大，施工時(shí)需設(shè)置注漿管并及時(shí)注漿回填補(bǔ)償。為加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)部位強(qiáng)度，應(yīng)預(yù)留導(dǎo)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(dǎo)洞格柵主筋焊接加強(qiáng)。圖6 L筋焊接加固圖由于工體北路站主要位于粉細(xì)砂層中，其顆粒均勻、致密無(wú)膠結(jié)，內(nèi)摩擦

10、角2333，自穩(wěn)性非常差，主拱開(kāi)挖過(guò)程中施工風(fēng)險(xiǎn)大，因此開(kāi)挖前采取了超前小導(dǎo)管注漿加固措施。粉細(xì)砂層由于孔隙小，滲透性差，水泥漿液加固時(shí)基本無(wú)擴(kuò)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(jià)相對(duì)便宜、也無(wú)毒副作用，同時(shí)工藝較簡(jiǎn)單，能夠利用現(xiàn)有的機(jī)具設(shè)備，固結(jié)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足要求。經(jīng)注漿試驗(yàn)，確定改性水玻璃各項(xiàng)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(shí)間為35min，經(jīng)漿液從孔口周邊土體返出為度。4.3開(kāi)口段施工車(chē)站施工中，在已完成支護(hù)的洞室內(nèi)側(cè)向開(kāi)口施工新的洞室，其開(kāi)口段施工俗稱(chēng)馬頭門(mén)施工。馬頭門(mén)施工時(shí)破壞了原有支

11、護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)地層二次擾動(dòng)，受力集中明顯，施工中應(yīng)采取加強(qiáng)措施保證穩(wěn)定：馬頭門(mén)前3榀均采用型鋼進(jìn)行支撐維護(hù)，在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，并將內(nèi)力有效傳遞給加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)形狀圓順?lè)忾]，避免應(yīng)力集中，應(yīng)力重分布盡早完成?？紤]縱向效應(yīng)，采取長(zhǎng)管棚、小導(dǎo)管與縱向連接筋等方式加強(qiáng)縱向連接，施工過(guò)程中應(yīng)減小對(duì)土體的二次擾動(dòng)，采取環(huán)形分段開(kāi)槽方法，混凝土破除時(shí)特別注意土壓力影響，保證開(kāi)口正面土體穩(wěn)定。加強(qiáng)環(huán)設(shè)置一般采用連立兩榀型鋼或鋼格柵，采用型鋼時(shí)前期強(qiáng)度高，能迅速受力，但型鋼間空隙無(wú)法噴射混凝土充填，重量大，加工與安裝費(fèi)時(shí)、要求高；鋼格柵較型鋼前期強(qiáng)度低，但內(nèi)部易噴射密實(shí)，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)后與格柵共同受力，整

12、體性好，由于格柵鋼筋為級(jí)筋，后期強(qiáng)度較型鋼高。因此馬頭門(mén)加強(qiáng)環(huán)永久支護(hù)采用鋼格柵，臨時(shí)支撐采用型鋼。主體扣拱馬頭門(mén)段采用CD法施工，開(kāi)槽寬度為50cm，分段破除導(dǎo)洞砼，導(dǎo)洞格柵主筋應(yīng)留出1520cm。開(kāi)槽成型后安裝鋼格柵、鋼筋網(wǎng)片及縱向連接筋，打設(shè)小導(dǎo)管，并用L形筋連接破除的格柵主筋與加強(qiáng)環(huán)格柵，形成整體，噴射砼封閉，最后小導(dǎo)管超前注漿加固前方地層。5監(jiān)控量測(cè)洞室開(kāi)挖階段主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)觀(guān)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(xiàn)沉降、地下水位、臨時(shí)支撐軸力、初期支護(hù)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(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖7。地面沉降點(diǎn)5、

13、4、3、2、1、0、5、4、3、2、1沿主體斷面中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，點(diǎn)位間距為2m、2m、3m、5m、5m。圖7地表測(cè)點(diǎn)布置圖地表沉降曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖8。標(biāo)準(zhǔn)斷面加高斷面圖8 不同斷面位置地表沉降曲線(xiàn)從沉降時(shí)程曲線(xiàn)可以看出，地表沉降主要有三個(gè)階段：緩慢下沉階段：導(dǎo)洞開(kāi)挖階段，土體受到擾動(dòng)，地表開(kāi)始下沉，并緩慢增加，曲線(xiàn)變陡；急劇下沉階段：主拱開(kāi)挖地表沉降加速，地表沉降驟變，曲線(xiàn)陡峭；減速收斂階段：隨著扣拱施工完成，洞內(nèi)支護(hù)體系已形成，下沉速度減慢，曲線(xiàn)變緩。導(dǎo)洞開(kāi)挖和扣拱兩個(gè)階段沉降量占總沉降量的75%左右，這兩個(gè)階段沉降曲線(xiàn)呈明顯下降趨勢(shì)，沉降值在23mm左右；扣拱結(jié)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(gè)階段地表沉降曲線(xiàn)已明顯變緩，底板砼完成后地表已達(dá)到收斂狀態(tài)，地表累計(jì)沉降最大點(diǎn)為主拱中心對(duì)應(yīng)點(diǎn)，沉降值在32mm左右。從沉降曲線(xiàn)證明了初支護(hù)扣拱施工后，承載體系初步形成，沉降得到了有效控制，達(dá)到預(yù)期效果，發(fā)生位移突變的為導(dǎo)洞開(kāi)挖和主洞開(kāi)挖工序，與數(shù)值模擬基本相符。實(shí)測(cè)地表豎向位移值與數(shù)值仿真分析豎向位移值對(duì)照：實(shí)測(cè)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(jì)算方式：有限元程序在開(kāi)挖土體的同時(shí)激活襯砌并未考慮應(yīng)力（位移）的釋放過(guò)程，而實(shí)作時(shí)應(yīng)力釋放，土層變形不產(chǎn)生。施工造成：不規(guī)范的操作引起的質(zhì)量偏差。5 結(jié)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(diào)查工作。 樁頂冠梁與邊拱施工時(shí)格柵和預(yù)埋鋼板等的安裝誤差調(diào)試。 主拱施工時(shí)開(kāi)挖斷面宜圓順，避免應(yīng)力集中，造成超挖與局部坍塌，噴射砼必須保證作業(yè)質(zhì)量，保證密實(shí)無(wú)空洞現(xiàn)象；扣拱施工時(shí)兩側(cè)導(dǎo)洞破除位置操作時(shí)間較長(zhǎng)，待節(jié)點(diǎn)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(shí)間，避免超挖與局部坍塌。嚴(yán)格控制超前小導(dǎo)管打設(shè)角度與注漿質(zhì)量。作好臺(tái)階留置，一方面保證核心土體穩(wěn)定，另一方面便于及時(shí)復(fù)噴砼、回