地铁洞桩法车站复杂多洞室系统受力转换施工综合技术

陈永栓

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

地铁洞桩法车站复杂多洞室系统受力转换施工综合技术

陈永栓

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

洞桩法已经成为第四系地层中地铁车站施工的主流工法，影响地层沉降的主要阶段主要发生在多导洞系统形成的阶段，以及后期主体结构初期支护大拱的形成阶段，在复杂大型节点部位采取系统及综合的施工技术尽量减小两个阶段引起的地层变形十分必要。某地铁工程风道进入车站段受空间限制及工程环境影响，初支结构多次开口并受力转换，在极端困难条件下实现了复杂多洞室的开挖作业，并最终安全完成大跨地下二衬结构。该工程的成功实践丰富了浅埋暗挖初期支护受力转换的方法，对类似工程具有特别的参考与借鉴意义。

地铁车站;洞桩法;多洞室;受力转换;施工

1 工程概况

1.1 风道与车站端部结构平面关系

北京某地铁暗挖车站处于城市繁华区，车站呈南北向布置，总平面采用分离岛式建筑布局，车站主体由2条分离的地下双层洞室组成，两洞室之间采用2条客流联络通道和1条设备联络通道相连，每条主洞室分别和北侧的风道相连。车站风道与站体主洞室均采用洞桩法施工，由于建筑总平面受周边道路、桥梁、管线的限制，且考虑风道内的设备布置需求，车站风道与站体主洞室在较小范围内采用2个近似直角转折进行连接，造成在风道进入车站主洞室端部时形成复杂的多洞室系统，其开挖和后期受力转换需要严格控制地层沉降，以保证工程环境的安全［5］。风道与车站相交部位洞室关系如图1所示。

1.2 地质条件

(1)工程地质

图1 风道与车站相交部位洞室关系平面

站区位于永定河冲积扇的轴部，地形起伏不大。地层由填土、黏性土、粉土、粉细砂、中粗砂、圆砾卵石及细中砂等交互沉积而成，下部地层主要受永定河冲洪积扇的控制，上部地层受全新世古河道的控制，地层从上而下如表1所示。

(2)水文地质

工程涉及的地下水类型，按地下水的赋存条件属于第四纪松散岩类孔隙水;按水力性质分为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水与地表水联系密切，其来源主要是大气降水、管道渗漏水补给，水位高程31.16～38.13 m;潜水水位高程为24.35～26.78 m;承压水水头高程为15.63～17.9 m。

1.3 风道、车站典型断面

风道与车站主体站端加宽断面如图2所示，图中给出了典型地质钻孔的柱状图。

表1 车站所在地层情况统计

图2 风道与车站主体站端加宽断面(单位:mm)

2 工程重点及难点分析

(1)不利的地质状况。暗挖车站在第四纪地层中修建，地层受上层滞水、潜水影响，隧道开挖存在较大风险，导洞、风道、车站主体拱部均有粉土、粉细砂层分布，该2种地层受地下水影响，自稳性差。虽然车站施工采用区域性降水，但是上层滞水难于疏浚，隧道开挖拱顶施工危险性较大。

(2)风道、车站主体暗挖结构周边市政桥梁基础、管线众多，且多为近接施工，有多根桥梁桩基距离地铁隧道的平面净距约1.8 m，桥梁、管线均提出了严格的沉降控制标准。虽经方案比选，地铁结构施工采用对周边环境影响最小的“洞桩法”施工，但建设者仍需妥善处理隧道开挖、洞室受力转换面临的困难［3-4］。

(3)受到场地条件限制，风道不具备采用曲线进入车站的条件;风道洞室与车站洞室在平面上采用平行邻近布局，东西向亦不具备设置横通道的条件。结构最终形成“风道端部—风道与车站连接部位—车站端部”连续转折的平面形态，该部位多洞室、多方向开挖，群洞效应显著，对控沉不利。

(4)由于风道总长度亦受限，风道与车站连接部位必须布置设备，并兼顾综合管线布线要求，故风道与车站连接部位的结构净空必须保证4.8 m以上。车站端部需要采用偏拱(东、西拱脚不在同一高程)的方案，方能实现净空需求，初支拱脚的着力部位需要考虑特殊设计。

(5)依据现场条件，竖井设置于风道北侧，工程总体筹划自北向南施工，而风道拱顶低于车站主体拱约1.2 m(图2)，且应考虑2次轴线转折，隧道侧向开口及支护方案需要有突破。

(6)暗挖结构覆土浅，小导洞拱顶最浅覆土约4.6 m，车站主体拱部覆土约6.8 m，须考虑可靠的辅助施工措施以防沉控降。

3 施工总体方案

3.1 施工方案确定的原则

风道与车站连接部位为复杂多洞室系统，风险既来自于开挖阶段，亦存在于各期受力转换阶段，施工方案确定须严格遵循以下原则［1］。

(1)为保证地铁施工对周边环境影响最小，车站风道、主体均采用洞桩法施工，避免后期受力转换可能产生较大的沉降(与CRD法施工相比)，以保证主体施工完毕时最终沉降量最小;洞桩法施工采用顺作法施工，以争取初支、二衬扣拱的有利拱形，有效控制隧道开挖宽度;二衬逆作法由于需要设置较大的拱脚，洞室开挖宽度过大，不能满足洞室空间布置，且不利于快速施工［2］。

(2)充分发挥小导洞的作用，通过小导洞在转折处的挑高、加高，代替传统横通道的作用，在小导洞内完成大跨度初支拱(类似于套拱)，并进而进行下部土体的开挖。

(3)在小导洞内施作必要的临时结构，形成洞室的早期转换，并为后期受力转换提供可靠的洞室顶部受力构件。

(4)在风道与车站连接部位设置大刚度构件，并形成系统的受力体系，完成初支受力转换。

(5)在实施下部开挖之前，严格控制多导洞系统的“空腔体量”，受力转换前尽量对无用空间进行封闭、回填，以进一步降低地层沉降。

(6)施工全过程实施严格的监控量测，为信息化设计与施工提供基础数据保证。

(7)各洞室开挖时，实施必要的超前支护，确保掌子面开挖稳定。

3.2 主洞室的扣拱方向及初支受力转换传力体系(图3)

经对地层情况、初支导洞体量、永久结构净空、施工风险、施工通道留设等多方面因素比选，明确了决定总体方案及各子项的最核心的技术问题是以下两方面。

(1)风道进入车站地下洞室的扣拱方向，尤其是风道东侧墙、端墙到车站西侧墙一段。最后的解决方案是:风道东侧墙到车站东侧墙段采用南北向扣拱，车站站端采用东西向扣拱。

(2)在小导洞完成后，风道、车站主体初支大拱施工前必须施工系统的传力体系。该传力体系由以下构件组成:加强拱壳 S1、S2、S3，初支加强梁 B1、B2，风道及车站的边桩及冠梁。其中B1作为加强拱壳S1及风道端部扣拱的拱脚，B2作为加强拱壳S2、S3及车站端部扣拱的拱脚。

图3 转折部位扣拱方向及导洞内主要受力构件示意

3.3 导洞方案及洞内主要作业

导洞及永久结构的洞室布局如图1所示。各导洞初期支护厚度均为30 cm，标准导洞的净空尺寸为400 cm×450 cm(W×H)，为满足后期洞内各项作业，采用了变高设计，最大加高尺寸为400 cm×812 cm(W×H)。各导洞净空尺寸及洞内后续完成构件统计参见表2。

由于导洞内需要实施主体拱的开挖，而主体拱的起拱高度较大，故导洞除挑高段、加高段拱顶需要变化高程外，导洞底面亦须调整高程，具体参见图4“B-B剖面图、C-C剖面图”，剖面位置参见图1，永久结构在图4中采用虚线表示。

导洞净高550 cm及以下的开挖采用台阶法施工，开挖净高超过550 cm的设置临时水平支撑，避免边墙过高导致的变形，并提高开挖的安全性。

3.4 初支受力转换体系构件参数

初支受力转换体系构件可以概括为“两初支大梁、三初支拱壳、四面墙体(桩顶冠梁)、墙下桩体”，各构件的主要参数参见表3。

表2 各导洞净空尺寸及洞内后续完成构件统计

图4 风道与车站相交关系B-B剖面、C-C剖面

表3 初支受力转换体系构件参数统计

4 施工实施情况及应用效果

4.1 风道与车站端部施工顺序

在进入风道与车站端部节点施工前，已经完成了车站风井施工，该风井在地铁施工期间作为施工竖井使用。之后，风道与车站相交部位的总体施工顺序如下。

(1)在竖井内施作风道导洞1、导洞2，其中导洞2邻近封端的部分应在导洞3完成后再行施工。

(2)在导洞1内施工导洞3、导洞4的开口，并完成全部导洞3、导洞4掘进并封端。

(3)施工导洞 1、2、3、4 内的全部围护桩。

(4)施工导洞5、导洞6、导洞7、导洞8。

(5)施工导洞6、7、8内的围护桩。

(6)施工初支大梁B1、B2。

(7)施工以上完成导洞内的桩顶冠梁，对冠梁及拱脚后进行回填。

(8)施工初支拱壳S1、S2、S3，对导洞与拱壳之间的空间进行回填。

(9)施工S1所对应的风道初支扣拱(南北向扣拱)，并进行封端，该封端位置紧邻导洞5的东侧。

(10)开挖拱壳S2、S3之间的土柱，施工该土柱区域的拱部初期支护。

(11)开挖拱壳S3南侧的车站主体拱部地层，并实施初支扣拱。

以上所有邻近洞室的施工均应避免邻近结构同时施工，以降低群洞效应可能产生的沉降超标，至此风道与车站端部节点部位的初支受力转换完毕，进入洞桩法开挖及顺做车站二次结构的工序。

图5 风道、车站初支扣拱前的超前支护

4.2 初支大拱施工前的超前支护措施

在施工初支拱壳S1、S2、S3前，对拟扣拱的风道、主体拱部打设大管棚，作为后期开口的超前支护;在S2、S3之间的未开挖土柱，实施拱部小导管双向注浆，作为后期开挖的地层加固措施。具体参见图5。

4.3 沉降控制效果评价

由于对复杂关键节点设置了初支受力转换体系，初支扣拱完成后，对初支背后进行了系统的低压注浆，风道进入车站端部节点位置的地表沉降得到了有效控制，至车站结构二衬全部施工结束，地表最大沉降仅49 mm，其中扣拱初支完成后沉降为37 mm，效果非常理想［6］。

5 结语

本工程在施工条件非常苛刻的条件下实现了大型洞室连续转折的案例，该案例的成功是以复杂多洞室初期支护阶段系统受力转换为基础的，在实施大跨洞室全面开挖之前，采用完整的受力体系为后期竖向荷载提供了有效的抗力构件及明确的受力传递途径。受力转换方案确定的原则深刻而简洁，并在施工方案的制定和实施中始终遵循，确保了工程的顺利实施及防沉控降效果。受力转换体系的较大刚度与始终严格控制地下空腔体量的做法，也是可以被类似工程借鉴的经验。

［1］ 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004:290-292.

［2］ 彭泽瑞.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，2003:18-48.

［3］ 杨慧林.北京地铁十号线国贸站桥桩保护设计［C］∥中国土木工程学会.中国土木工程学会第十一届年会暨隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.成都:中铁西南科学研究院，2004:415-422.

［4］ 李汶京.地铁车站隧道群邻近桥桩施工关键技术研究［J］.铁道标准设计，2009(10):85-88.

Integrated Construction Technology on Force Conversion of Complicated Multi-Cavern System at Metro Station by Pile-Beam-Arch Method

CHEN Yong-shuan
(Beijing Metro Engineering Construction Co.，Ltd.，China Railway 16th Bureau Group，Beijing 101100，China)

PBA(Pile-Beam-Arch)method has become the main construction method to built metro station within Quaternary system stratum.Remarkable ground settlement develops mainly in two periods，the periods of forming the multi pilot tunnel and forming the main structure's initial support.So the systematic and integrated construction technology must be adopted strictly at the complicated large-scale junction point in order to control the ground settlement in the two periods.The paper's example is located at a section where a ventilation gallery entered into the metro station，the construction condition was limited by the space and environment，and the initial support cracked more than once with the force conversions.But finally，the excavation of complicated multi-cavern was realized and the second lining of large-span underground structure was completed safely under the extremely difficult conditions.The success of this case can accumulates the experiences of force conversion of initial support of shallow underground excavation，and can be referenced by similar projects.

metro station;PBA(pile-beam-arch)method;multi-cavern;force conversion;construction

U231+.3

A

1004-2954(2012)07-0103-05

2012-04-06

陈永栓(1970—)，男，高级工程师，2002年毕业于中国地质大学(北京)岩石学专业，理学硕士，E-mail:chenysh1970@sohu.com。