北京地铁5号线磁器口车站暗挖中洞法施工技术

连宝玉

(中国建筑第八工程局有限公司，上海200122)

0 引言

城市轨道交通以其省地、节能、污染小、运能大;乘客乘座安全、舒适、方便、快捷、准时等优势倍加受宠。截至2008年底，我国已有10个城市建成29条城市轨道交通线路，运营里程达776 km。目前，我国约有50条轨道交通线路正在建设中，营运里程达1 154 km。到2015年，我国将再新建79条轨道交通线路，总营运里程达2 259.84 km。这就意味着，届时我国建成和在建的轨道交通线路将达到158条，总运营里程将超过4 189 km。另据不完全统计，全球城市快速轨道交通规划线网总长达到100 km以上的城市已有40多个，其中，中国近20个，约占总量的50%。可见在我国20多个城市掀起地铁建设高潮，甚至在一座城市数条地铁线路同时施工，特别是在交通繁忙路口修建地下车站，要保证不中断、不影响地面交通，最好的办法就是采用暗挖法施工。

1 工程概况

1.1 工程简述

磁器口车站位于崇文门外大街与两广大街的交叉口下，是北京地铁5号线与7号线的换乘站。车站为双层岛式三拱两柱结构，长180 m，宽21.87 m，高14.933 m，建筑面积为12 244.2 m2。结构见图1。

车站主体覆土深度为9.8～10.3 m，车站地下一层为站厅层，预留通道实现与七号线换乘，地下二层为站台层。

车站支护采用复合式衬砌，初期支护为Φ25格栅钢架加C20喷射混凝土，厚度30 cm，二次衬砌为C30、抗渗等级S10的防水钢筋混凝土，最薄处厚度50 cm。立柱为C40钢管混凝土柱，站厅板、站台板为C30普通钢筋混凝土。

1.2 周边环境

磁器口车站的路口周边建筑密集，为崇文区商业旺区。崇文门外大街为北京市南北向干道，地面交通十分繁忙，车流、人流密度大。有7条公交线路通过。崇文门外大街与两广大街交叉口处，地下市政管线众多，与车站主体及出入口、通道、风道平面位置有交叉和影响的管线东西、南北方向各有11条。

1.3 地质水文条件

图1 车站主体结构横剖面图(单位:mm)

磁器口车站位于永定河冲击扇地带，地层表层为人工填土，下层分别为粉土层、粉质粘土层，再下层为粉细砂层、中粗砂层，车站站厅层主要位于粉细砂层中;站台层主要位于粉质粘土、粘土层中，结构底板主要位于卵石圆砾层中。

地下水类型按水力性质分为上层滞水、潜水和承压水。

2 暗挖中洞法施工原理及原则

暗挖中洞法施工即从风井位置做施工竖井，沿风道开挖施工通道，将要到达主体结构前，加高通道，再从加高段侧墙开洞施工车站主体结构。先采用CRD工法施工中洞，按照“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，首先将中洞自上而下步步为营，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护，然后再由下而上施做防水层、模筑钢筋混凝土内衬和施工钢管柱，当中洞各工序完成后形成一个庞大的刚体支撑上部土体，待中洞完成后，两侧洞再对称同步采用正台阶法自上而下分部掘进成环，及时作好初期支护，然后再自下而上施做防水层和模筑钢筋混凝土内衬。施工过程中辅以小导管注浆加固地层。

在三拱两柱支护结构中，中洞和两侧梁、板、柱结构受力复杂，施工工艺难度较大。施工时必须制定先进科学合理的施工方案，运用信息化技术，加强位移量测和沉降观测，进行动态分析管理，严格控制地表沉降，确保地面交通安全、确保地下管线安全、确保周围相邻建筑物安全。

中洞法施工车站主体进度指标:0.35～0.45 m/d。

中洞施工分为8个开挖单元，左右侧洞各分4个开挖单元，中洞和侧洞开挖单元划分和开挖顺序见图2。无论是中洞还是侧洞，在开挖第一段之前，于拱顶位置用Φ42小导管注浆加固地层。每层开挖均需预留核心土。

3 施工工艺流程及步序

(1)工艺流程。施工准备→超前管棚→注浆加固→中洞各部开挖→防水层铺设→中洞底板、底梁→立柱→中洞中板→顶梁、中拱→超前管棚→注浆加固→边洞各部开挖→临时隔壁拆除→防水层铺设→边洞底板→边墙、中板→边拱→二次衬砌背后注浆。

(2)施工步序。①进行中洞拱部大管棚超前支护、小导管注浆加固地层。②采用CRD法进行中洞开挖施工。③分段拆除部分竖向临时支护，铺设底板部分防水层，施做部分底板、底纵梁，预留钢筋及防水板接头。④分段施做立柱、中纵梁，中层板。⑤分段施做顶纵梁，拱部结构，在顶纵梁上加设钢支撑和钢拉杆。⑥两边跨施做大管棚及超前小导管加固地层，对称开挖边洞上导坑，及时封闭初期支护。⑦按顺序对称开挖两侧边洞，及时进行封闭，施做初期支护。⑧分段拆除中洞下部临时支护，铺设边跨防水层，施做边跨二次结构。⑨分段拆除中间临时支护，施做两侧边墙及中层板。⑩分段拆除剩余临时支护，施做边跨拱部。

图2 中洞和侧洞开挖单元划分和开挖顺序

4 施工方法

4.1 中洞开挖

4.1.1 施工洞室断面划分

一般将断面划分为15～25 m2大小的洞室，宽度范围4.5～6 m，高度范围在3.2～4.5 m。

4.1.2 超前支护

(1)在车站拱部120°范围布设长度18 m，直径108 mm，壁厚δ=5 mm的大管棚，其外倾角为1.5°～2.0°。管棚采用无缝钢管，每米布设3根，分节焊接，一般条件下6 m一节，搭接长度3 m，选用德国TT集团夯管锤打入。

(2)小导管沿车站拱部开挖轮廓线外缘120°范围布孔，每米布设3根。其材料规格为Φ42×3.25 mm，外插角为20°～30°，管长2.0 m，纵向搭接长度1.5 m，采用风镐顶入。

(3)注浆材料［1］。大管棚内注水泥砂浆，小导管内注改性水玻璃浆液。水玻璃35Be'～45Be'，工业硫酸浓度95%以上。配比13%硫酸:13Be'水玻璃约为1∶3(质量比)左右，pH值3～5，凝结时间控制在入土后4～6 min，固砂体单轴抗压强度大于0.15 MPa。

4.1.3 中洞土体开挖

中洞采用CRD法施工，1～8部采用人工依次开挖。各部开挖台阶高为3～4 m，上下台阶开挖相距3～5 m，开挖步距为0.5 m。开挖过后立即采用潮喷工艺喷射C20混凝土。

初喷3～5 cm混凝土后，安设纵向间距为0.5 m的格栅钢架，格栅钢架与初喷混凝土间铺设Ф6、@150 mm×150 mm的钢筋网，网片搭接长度15 cm以上。

4.1.4 初期支护背后注浆［2］

按照设计在拱顶、拱腰、拱脚、墙中等部位埋设注浆管:顶部纵向每3 m左右布设注浆管，边墙每4～5 m埋设注浆管。开挖3～4 m后即进行全断面回填注浆，注浆机械选用低压注浆泵，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。注浆材料为水泥浆，孔隙较大部位改注水泥砂浆。

4.2 中洞结构施工

中洞开挖全部贯通后开始中洞内部结构施工。

为确保结构稳定和安全，采用分段跳槽施工，分段长度为立柱纵向跨度，一般4.5～6.5 m。先铺设底板防水层并施做保护层，进行底板及底纵梁施工。底板完成后，每隔1.0 m恢复临时中隔壁竖向钢支撑。然后进行立柱和中板施工，中板完工后每隔1.0 m恢复临时中隔壁竖向钢支撑。最后进行顶纵梁施工。

为保证顶纵梁的施工质量，将顶芯梁和顶拱分开浇筑混凝土。先施作顶芯梁，再施工拱顶衬砌。铺设拱部防水板时，预留好防水板接头并加保护，对连拱部位，做好“V”型节点防水。

顶纵梁的混凝土达到强度要求后，在立柱及顶梁上安装Ф28可调式拉杆和横向工字钢支撑，间距1 m，其布置详见图3。钢支撑分担由中部拱跨传递的内侧挤力，钢拉杆承受拱脚外移产生的拉力。

图3 拉杆和横向工字钢支撑布置

4.3 边洞开挖支护

边跨开挖前先施作大管棚及小导管超前支护。开挖时遵循“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，严格对称开挖，各部洞室步距控制在8～10 m。

4.4 边洞结构施工

(1)根据立柱纵向跨度，分段拆除中洞下部竖向临时支护，加设临时替换钢支撑。

(2)铺设底层防水板，做好与既有中洞防水板的连接，并预留边墙防水板接头。绑筋立模，浇注底板混凝土。

(3)底板砼达到设计强度后，拆除下部水平向临时支撑，铺设边墙防水层，预留防水板接头，绑筋立模，浇筑边墙混凝土。

(4)加设水平钢支撑，拆除下部第二道水平向临时支护，绑扎中层板、边墙钢筋，支模浇注混凝土。钢支撑加设方法如图4。

(5)拆除剩余的临时支撑，铺设剩余边墙及拱部防水板，施做上层剩余边墙及两侧拱部二次衬砌。

图4 钢支撑加设方法

4.5 二次衬砌背后注浆［3］

在边洞二次衬砌混凝土时，预埋注浆管，直径为40 mm，详见图5。二次衬砌背后注浆浆液采用水泥浆，拱部也可采用水泥砂浆，压注水泥浆时，根据注浆记录绘制P-Q-T曲线来判断注浆效果(P为注浆压力，T为注浆时间，Q为注浆量)，注浆压力控制在0.1～0.2 MPa。

4.6 监控量测

施工过程中对各种变形和应力进行量测，通过量测数据计算施工过程中地层变化情况，计算初支和构件受力及变形情况，判定施工过程是否处于安全状态。对于地表沉降和拱顶下沉、净空收敛等监测项目，利用精密仪器直接测出变形，对于初支内力、土压力及钢管柱等结构受力情况，埋设监测元件，利用振弦读数仪量测钢弦频率变化，计算结构内力。

图5 预埋注浆管布置图

5 混凝土钢管柱施工

磁器口车站设60根直径为Φ800 mm的钢管柱，钢管柱距横向间距为6 200 mm，纵向间距为6 000 mm，内灌注C40微膨胀混凝土，钢管柱用板厚为16 mm的钢板卷制焊接而成，分两节吊装就位。

5.1 钢管柱的制作与验收

钢管柱的制作全部在工厂进行。制作完成后，逐一对焊缝进行超声波检查及X射线探伤验收，确保达到二级焊缝质量要求。

5.2 钢管柱的定位

(1)下节钢管柱与底纵梁的连接。钢管柱的定位是混凝土钢管柱施工工艺的难点，为保证定位精度，在钢管柱下端焊接法兰，法兰与底纵梁上的托板采用螺栓连接。托盘的板厚40 mm，直径为1 400 mm，并预留24个Φ32的螺栓孔。托盘上钻3～5个Φ60的圆孔，便于托盘底部砼浇注密实。

(2)下节钢管柱与中板的连接。钢管柱吊装定位后灌注混凝土，然后插入钢筋笼，再将钢筋与中板的上、下缘钢筋焊接。

(3)上节钢管柱与中板的连接。采用法兰连接，连接方法和钢管柱与底纵梁的连接类似。

(4)上节钢管柱与顶纵梁的连接。采用钢筋连接，即在钢管柱的上部插入一定深度的钢筋笼，钢筋与顶纵梁的梁芯(型钢)焊接。

5.3 钢管柱内混凝土灌注

(1)材料要求。采用C40商品砼，外加剂为UEA微膨胀剂，外加剂掺量为12%，混凝土的坍落度为16～18 mm。

(2)混凝土灌注。采用立式高位抛落无振捣法，利用混凝土下落时产生的动能达到振实的目的。每根钢管柱内混凝土连续灌注，时间控制在1 h之内。

5.4 钢管柱的稳定措施

钢管柱施工完毕后，在上部荷载的作用下由于主体结构尚未封闭，容易向两侧倾斜。为确保中柱稳定、不偏斜，采用在上层柱子间设置可调螺栓拉杆，根据监测结果，动态调整螺栓。

6 结语

磁器口车站首次采用暗挖中洞法施工，能够在周边建筑物密集紧邻、地下管线交织如网、地面交通十分繁忙的复杂环境下获得成功，实践体会如下:

(1)无水作业为前提。施工前必须将地下水位降到开挖面1 m以下，做到无水开挖。

(2)施工原则要坚持。必须严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、环套环、水必治、穴必堵、勤量测、控下沉”的原则施工，特别强调必须预留核心土，确保掌子面安全稳定。

(3)穿越管线须谨慎。地铁施工难免穿越破旧的给排水管道及其它管沟，跑冒渗漏在所难免，势必危及施工安全，必须高度重视，采取有效措施，保证顺利通过。

(4)信息化指导是关键。暗挖中洞法施工过程中，每次临时结构和支撑的拆除必然带来一次受力体系的转换与调整，所以及时掌握和分析地表沉降速率、位移变形及应力变化情况，动态指导施工至关重要。

［1］彭泽润.北京地铁复-八线土建工程施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2003.

［2］崔玖江.隧道与地下工程修建技术［M］.北京:科学出版社，2005.