地铁暗挖车站风道与车站主体交叉段及马头门处系统锚杆与钢架联体支护技术

杨宏射

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

地铁暗挖车站风道与车站主体交叉段及马头门处系统锚杆与钢架联体支护技术

杨宏射

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

以“青岛地铁一期工程(3号线)土建03标的延安三路站施工”为例，指出“风道进入车站主体的马头门和交叉段”部位设计要求的方法施工将造成工期拖延，并且个别支护措施在施工中不易实现而且在后续施工中存在安全隐患，通过对原设计中“风道进入车站主体的马头门和交叉段”施工方法的优化、提出了“系统锚杆与钢架联体支护”的新方法，并在现场实际施工中取得了成功；进而对“系统锚杆与钢架联体支护”的改进使用进行了阐述，为同类工程施工及隧道支护提出了一种新思路。

地铁；暗挖车站；风道与车站交叉段；马头门；锚杆；钢架；联体支护

0 引言

随着城镇化建设的加快，城市的建筑物密集度增加，地铁施工中为了保证地面建筑物的安全，暗挖工程越来越多，特别是断面较大的地铁车站更趋向于暗挖施工。

地铁暗挖车站包括车站主体、站台站厅、风井和风道等附属工程。从风道进入车站主体施工，需要经过马头门、风道与车站主体的交叉段。马头门、风道与车站主体交叉段处于车站主体、区间隧道和风道的三岔口位置，是受力最大、最复杂的部位，在施工中要有安全有效的支护手段。目前地铁隧道马头门、风道与车站交叉段施工技术已有一些研究成果。国斌[1]以北京地铁区间隧道马头门工程为例介绍了马头门施工时采取马头门处格栅和连接筋加密、设置加强环梁的施工技术；蒋青青等[2]以深圳地铁5号线怡景路站—黄贝岭站区间隧道的马头门工程为例，介绍马头门采用二重管注浆、中空锚杆注浆、大管棚支护和小导管注浆相结合的支护方法；王伟等[3]以青岛地铁3号线延安三路为例对风道进主体车站暗挖施工门式钢架支护技术做了介绍；金宝等[4]结合北京地铁5号线天坛东门站和沈阳地铁2号线崇山路站的施工及设计情况,对暗挖车站的风道转入车站正洞施工采用的CRD工法和PBA工法+洞桩(柱)法技术进行了分析。此外，国内近年来还有许多地铁隧道马头门或者风道与车站交叉段施工等方面的研究[5-8]。

以上文献大多研究的是马头门或者风道与车站交叉段的单独施工技术，涉及到风道与车站交叉段内容，没有提及马头门与交叉段初期支护连接的技术，或者使用的技术比较复杂。本文通过介绍青岛地铁3号线延安三路站(原名湛山站)风道与车站马头门及交叉段连续施工的综合技术，提出了系统锚杆与钢架联合支护的施工方法，系统锚杆和钢架施工是很成熟的工艺，现场操作起来方便而且施工质量也容易保证。

1 工程概况

1.1 结构组成及施工参数

青岛地铁一期工程(3号线)土建03标的延安三路站属于暗挖车站，设计有1号风井、2号风井、1号风道和2号风道等附属工程，具体如图1所示。

图1 延安三路站总平面图

风道与车站主体交叉段及马头门处的支护参数如表1所示。

1.2 地质条件

车站顶部埋深13.4 m ，车站拱部位于强风化花岗岩岩层中，围岩级别V级；侧墙和底板位于中风化-微风化花岗岩中，围岩级别IV～III级。

1.3 施工方法

1.3.1 总体施工顺序

车站的总体施工顺序为：风井—风道—风道与车站交叉段—车站主体。

风井和风道施工完成后作为车站施工时渣土、材料和混凝土等运输的通道，风道的二次衬砌施工完成后方可进行车站主体的开挖支护。

表1 通道支护参数表Table 1 Supporting parameters

1.3.2 风道的施工方法

风道采用CRD法分6部开挖支护，具体如图2所示。

图中的数字序号表示施工的先后顺序。

图2风道施工方法(单位：mm)

Fig.2 Construction method of ventilation tunnel (mm)

1.3.3 车站主体的施工方法

车站主体采用双侧壁导坑法分9部开挖支护，具体如图3所示。

在车站与风道交叉段位置，不设置临时中隔壁，仅设置临时仰拱。

1.3.4 风道与车站交叉段的施工方法

风道与车站交叉段(以下简称“交叉段”)分2步施工。第1步：通过架立门式钢架及锚杆、钢筋网和喷混凝土等支护方式，采用CRD法分6部开挖支护交叉段，具体如图2所示；第2步：交叉段的初期支护安装车站主体的钢架，并按照设计要求完成初期支护，具体如图4所示。

图中的数字序号表示施工的先后顺序。

图3车站主体施工方法图(单位：mm)

Fig.3 Construction method of main body of Metro station (mm)

图中的数字序号表示施工的先后顺序。

图4风道与车站交叉段施工图(单位：mm)

Fig.4 Construction method of junction section between ventilation tunnel and Metro station (mm)

上台阶施工时门式钢架的榀数已经达到了设计的要求，中下台阶施工时顺着上台阶的钢架连接板顺接即可。

门式钢架只起临时支护的作用，车站主体开挖时门式钢架的竖直部分需要拆除、土体的荷载全部施加在车站主体的初期支护上。

1.3.5 交叉段马头门处的施工方法

马头门处原设计的施工方法为：风道施工至变形缝处后联立3榀I25b型钢钢架，钢架拱部设置1环φ42超前小导管，L=4.5 m，环向间距0.3 m；等交叉段施工完成、架立车站主体钢架前，在上述3榀型钢中靠近交叉段的钢架拱部安装I20a水平连接钢架，水平钢架的另一端与车站主体的钢架连接；在每榀水平连接钢架的两端分别打设2根φ25、L=4.0 m的中空注浆锚杆；同时在水平连接钢架与I25b型钢钢架间架立1榀I20a斜钢架作为水平连接钢架支撑；最后斜钢架的两侧各设立1根竖向临时支撑和支撑斜钢架[3]。

施工方法具体如图5所示。

(a)横剖面图

(b)横立面图

1.4 设计与实际施工间的矛盾

1.4.1 工期拖延

设计交底要求风道二次衬砌结构施工完成并二次衬砌混凝土达到设计强度后方可进行主体结构开洞施工。如果按照设计要求施工，风道、马头门和交叉段开挖支护完成后不能转入车站主体开挖支护施工，等其中下台阶开挖支护完成并且施作风道二次衬砌至风道与车站主体变形缝位置后，再转入车站主体的开挖支护施工。这样施工将延长工期3个月。

延安三路站是地铁3号线工期控制工程，如果延误3个月工期将会影响整条线的铺轨工作。

1.4.2 马头门处设计支护措施的不足

马头门处的斜钢架是I20a工字钢，要加工成椭圆形难度大，而且加工成型后2个翼缘板有一定倾角，水平工字钢钢架和斜钢架连接后不能保持水平，影响风道与车站接口处的净空尺寸以及风道与车站交叉段的净空尺寸；I20a临时支撑(见图5)架立在风道与车站的接口处，占用了接口处的空间，施工过程中运输车辆和行走机械过往容易碰撞临时支撑，具有潜在的安全隐患。

1.5 需要解决的问题

交叉段马头门处于车站主体、区间隧道和风道的三岔口位置，是受力最大、最复杂的部位。没有有效的支护手段，初期支护完成后长时间放置会存在安全隐患，原设计马头门处的支护措施实际施作具有一定的困难。需要一种有效的支护手段，在风道不做二次衬砌的前提下能保证马头门处长时间的处于稳定状态，并且这种支护手段在现场实施起来简单方便。

2 施工方法的优化

2.1 优化

优化前后的主要区别在于系统锚杆的结构型式和布置形式。

2.1.1 锚杆的结构型式

将交叉段及马头门处砂浆锚杆的尾端加工成直弯钩的型式，弯钩水平段长度为120 mm，具体如图6所示。

图6 双联锚杆的结构型式图(单位：mm)

2.1.2 锚杆的布置型式

改型后锚杆弯钩的水平段与钢架的翼缘板焊接，每处2根锚杆弯钩水平段之间焊接，锚杆的环向间距为1 000 mm，纵向间距为500 mm；由于锚杆和钢架通过焊接相连，每组锚杆中的2根锚杆尾端也通过焊接相连，将这种锚杆暂时叫做双联锚杆。

双联锚杆的布置型式具体如图7所示。

3 双联锚杆的工作原理

3.1 钢架受力及变形

3.1.1 原设计钢架的受力

按照结构力学的方法对钢架的受力及变形进行分析。

图7 双联锚杆布置图

2.2 优化后的施工工艺

优化后的施工工艺如图8所示。

(a)开挖马头门及交叉段，安装门式钢架、铺设钢筋网施作连接筋、喷射混凝土，完成交叉段第1次初期支护

(b)安装车站主体钢架、打设双联锚杆，铺设钢筋网施作连接筋、喷射混凝土，完成交叉段第2次初期支护

(c)双联锚杆抗拔力达到设计要求强度后，拆除马头门范围内车站主体的初期支护，安装连接风道钢架与车站主体钢架的水平钢架，并安装水平钢架的双联锚杆

(d)完成水平钢架范围内剩余初期支护

图8马头门与交叉段施工工艺顺序图

Fig.8 Sequence of construction of ingate and junction section

钢架受围岩的主动荷载和被动荷载，具体如图9所示。在这种受力状态下，围岩不仅对钢架施加主动荷载，而且由于围岩与钢架相互作用，还对钢架施加被动的约束反力，钢架在主动荷载和约束反力同时作用下进行工作。

图9 原设计钢架受力图

3.1.2 原设计钢架的变形特点

钢架在主动荷载作用下要产生变形，如图10所示。在主动荷载(设围岩垂直压力大于侧向压力)作用下，结构产生的变形用虚线表示，在拱顶将形成脱离区，在两侧及底部将形成抗力区。为此，围岩对钢架起双重作用，围岩产生主动压力使钢架变形，又产生被动压力阻止钢架变形。

图10 原设计钢架受力变形图Fig.10 Sketch of deformation of originally-designed steel arch under loading

另外，由于围岩的不均匀性，造成局部围岩自稳性较差，产生崩落、形成被动压力，使钢架局部变形。

3.2 双联锚杆的工作原理

3.2.1 双联锚杆作用下钢架的受力

1)围岩整体变形时的受力状态。在双联锚杆作用下，钢架除图9所示的受力外，还受到锚杆的反力。具体如图11所示。

双联锚杆与钢架固定成一个整体，锚杆的受力方向根据钢架的变形变化，当钢架远离围岩时锚杆的作用力指向岩面，当钢架靠近围岩时锚杆的作用力背向岩面，即锚杆的作用力方向与钢架变形方向相反。

图11 双联锚杆作用下钢架受力变形图Fig.11 Loading and deformation of steel arch supported by combined bolts

2)围岩局部变形时的受力状态。当围岩发生局部变形时，钢架的受力状态如图12所示(以拱部为例说明)。

(a) 原设计围岩局部变形时

(b) 加双联锚杆围岩局部变形时

3.2.2 双联锚杆对钢架变形的控制

1)系统锚杆的作用。系统锚杆具有局部作用和整体作用。当锚杆局部作用时，锚杆一段处于松动岩体中，另外一段处于稳定岩体中，利用锚杆的摩擦力将松动岩体部分悬吊，不导致松动岩体掉落；锚杆整体作用时，锚杆群对洞室围岩做整体加固，被锚杆加固的不稳定围岩可视为锚杆组合拱。锚杆组合拱内切向缝的剪力由锚杆承受，斜向缝的剪力由锚杆和岩石共同承受，径向缝的剪力由岩石承受。

双联锚杆也属于系统锚杆，对围岩起到了局部加固作用和整体加固作用，通过对围岩加固，减轻了钢架的荷载，从而控制了钢架的变形。

2)通过自身特点控制钢架变形

①围岩整体变形的控制。当围岩发生整体变形时，钢架受到竖向围岩主动压力和侧向主动压力，这时拱部锚杆对钢架产生向上的拉力抑制钢架的变形，钢架对围岩施加反力抵抗围岩的变形；侧墙锚杆对钢架产生指向隧道中线的拉力，控制了钢架向外的变形。

拱部钢架的变形控制后，侧墙钢架的变形同时也会减小，整个断面的锚杆共同作用，控制了钢架的变形。

②围岩局部变形的控制。当围岩发生局部变形时，如果没有双联锚杆，围岩对钢架的主动压力仅靠两

拱脚的反力来平衡(如图12(a)所示)；增加了双联锚杆后，平衡围岩对钢架的主动压力不仅有两拱脚的反力，还有锚杆的拉力(如图12(b)所示)，减小了两拱脚的支撑力，相应减小了钢架的弯矩，因此钢架的变形也就得到了较好地控制。

4 优化施工的效果

4.1 现场施工

按照优化后的支护措施施工上台阶马头门及风道与车站交叉段的上台阶后，监控量测反馈的数据显示：马头门及风道与车站交叉段在施工过程中及施工后，施工部位的洞身一直处于稳定状态。因此也就实现了风道、交叉段和车站主体开挖支护的平行作业，解决了工期拖延的问题；并且在风道与车站交叉段施工中，没有出现围岩坍塌掉块的安全事故，也没有出现初期支护变形的问题。

4.2 地表沉降监测数据

4.2.1 地表沉降监测点布置

地表沉降点布置如图13所示。

图13 延安三路站地表沉降监测点布置图

4.2.2 地表沉降监测数据

延安三路站1号风道、2号风道和车站交叉段自2011年11月开始施工后，截至2013年12月，车站主体二次衬砌施工基本完成，共经历25个月。在25个月期间，对地表沉降一直进行了监测。地表沉降主要监测点的累计沉降数据如表2所示。

从表2可以看出：使用了双联锚杆支护方式的车站与风道交叉段的地表沉降值明显比车站其他段落的地表沉降值小。

5 双联锚杆的改进及推广应用

双联锚杆在延安三路站的风道与车站主体交叉段使用达到了预期的效果。如果再做改进，在以后施工中可以作为初期支护的一种方法和手段进行推广使用。

5.1 锚杆的型式及组件

1组双联锚杆可以由2根带螺纹的锚杆体、锚垫板和螺母组成。具体如图14—16所示。

表2延安三路站地表主要监测点累计沉降值
Table 2 Accumulative settlement measured at major ground surface settlement monitoring points of Yan’ansanlu Metro station mm

里程线路左中线隧道中线线路右中线备注K6+080-29．86-25．73-29．591#风道与车站交叉段K6+102-39．54-48．17-44．22K6+112-78．28-80．83-79．85K6+132-44．29-50．19-59．32K6+155-47．11-51．04-51．92K6+173-60．54-65．63-59．97K6+202-34．74-42．23-48．35K6+217-42．14-38．56-41．97K6+234-58．09-60．98-57．86K6+250-13．65-21．57-19．54K6+275-12．37-15．95-17．542#风道与车站交叉段

图14 双联锚杆装配图

a表示锚杆的总长；b表示锚杆尾端螺纹的长度；螺纹长度小于钢架保护层厚度。

图15锚杆结构型式图

Fig.15 Structure of bolt

L表示钢架的宽度；D表示锚杆体直径；d表示锚杆体半径；50 mm表示钢架纵向间距误差。

图16锚垫板结构型式图

Fig.16 Structure of bearing plate of bolt

5.2 施工工艺

5.2.1 施工顺序

双联锚杆的施工顺序如图17所示。

5.2.2 施工工艺

双联锚杆的施工工艺与常用的砂浆锚杆的施工工艺大多相同，只在锚杆位置标识、水泥砂浆材料和施加预应力等方面工艺上和常用砂浆锚杆有些不同。

1)锚杆位置标识。按照设计的锚杆间距，用红油漆在初喷混凝土面上标识锚杆的位置，每组双联锚杆位置标识时考虑钢架纵向±50 mm的误差[9]。制作锚垫板时也应考虑钢架纵向±50 mm的误差。

2)水泥砂浆材料。砂浆锚杆的水泥砂浆使用早强型的，砂浆采用硫铝酸盐早强水泥、砂、TZ或TZS型早强剂配置，一般在2～4 h就具有50 kN的锚固力[10]。

使用早强型水泥砂浆，可以较早地施加预应力，按照初期支护的施工顺序，钢筋网铺设、钢架和纵向连接安装完成后，复喷混凝土之前就可以施加预应力。

图17 双联锚杆施工顺序图

3)施加预应力。双联锚杆施加预应力采用力矩扳手，施加预应力前将锚垫板安装在锚杆体上，并将锚垫板与钢架焊接牢固。

施加预应力时，从拱顶向两侧按照顺序进行；每组双联锚杆的2根锚杆同时施加，以隧道中线为对称轴的2组锚杆同时施加；预应力的大小根据实际需要和设计要求确定。施加预应力后，立即将螺母与锚杆体焊接固定。

4)封锚。施加预应力后，在喷射混凝土时就对预应力锚杆进行了封锚，不需要采取单独的封锚措施，简单易行。

5.3 双联锚杆成型后的型式

双联锚杆成型后的型式如图18所示。

6 双联锚杆的优点

1)双联锚杆的双重作用。双联锚杆具有自身的优点和普通系统锚杆的双重作用。

2)能较好地控制围岩的变形。双联锚杆与钢架连接为一体，当钢架在围岩压力的作用下向任何方向发生变形时，锚杆能提供反力平衡围岩的压力来抑制这种变形；钢架的变形减小，围岩的变形相应就会减小。

锚杆与钢架连接点相当于梁的支点，梁支点间距离减小，梁的弯矩就会变小(M=0.5qL2。M为弯矩；q为围岩的压力；L为两支点间的距离)，抵抗变形的能力增强。

图18 双联锚杆成型图

双联锚杆通过提供平衡围岩的反力和减小钢架的弯矩，控制了钢架的变形，钢架的变形小就能较好地抵抗围岩的变形。

3)可以施加预应力。改进后双联锚杆能施加预应力，可以将围岩的主动土压力改变成被动土压力，抑制了围岩的变形。

4)不增加工序。锚杆的砂浆如采用硫铝酸盐早强水泥、砂、TZ或TZS型早强剂配置，砂浆的强度提高快，在复喷混凝土前就能安装锚垫板施加预应力(砂浆锚杆也需要安装锚垫板)，没有增加工序。

5)制造简单、施工方便。改进后的双联锚杆比原锚杆尾端增加了螺纹，螺纹加工方便，在施工场地内就可以用车丝机加工；锚杆现场安装工艺与原来的锚杆完全相同，已经是成熟的施工工艺。双联锚杆制造简单，现场安装方便。

7 结论与建议

7.1 结论

1)双联锚杆在延安三路暗挖车站中使用取得了成功，节约了工期，保证了施工安全，而且使用方便；

2)双联锚杆不仅有自身的优点，而且还具有系统锚杆的作用；

3)延安三路站使用双联锚杆的2个交叉段的地表沉降值明显低于未使用双联锚杆的地段；

4)双联锚杆需要和钢架结合起来使用，而且只能用于初期支护形式有钢架和锚杆的地段。

7.2 建议

在以后施工中使用双联锚杆时，采集使用双联锚杆与未使用双联锚杆的足量监测数据进行对比分析，根据对比分析结果指导设计和施工，通过以下2种途径达到经济节约的目的：

1)在不改变隧道支护参数的前提下减少预留变形量，可以减小隧道的断面，从而减少土石方开挖量；

2)在不改变预留变形量的前提下，可以减弱初期支护的强度和刚度。

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TechnologyforSupportingConsistingofSystematicBoltsandSteelArchesAppliedinConstructionofIngateandJunctionSectionbetweenVentilationTunnelandMainBodyofMetroStation

YANG Hongshe

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

In the construction of Yan’ansanlu station of Phase I project (Line 3) of Qingdao Metro,the construction duration would be prolonged,some support measures would be difficult to be realized and safety risks would exist in the following construction,if the ingate and the junction section between the ventilation tunnel and the main body of the Metro station were built in accordance with the original design.Therefore,the original design of the construction of the ingate and the junction section between the ventilation tunnel and the main body of the Metro station is optimized,a new support pattern consisting of systematic bolts and steel arches is proposed.The new support pattern proposed has been successfully applied in the construction of the Metro station mentioned.Furthermore,modification is proposed for the support pattern consisting of systematic bolts and steel arches so as to provide a new support concept for the construction of similar works and tunnels.

Metro; mined Metro station; junction section between ventilation tunnel and Metro station; ingate; systematic bolt; steel arch; combined support

2014-02-13;

2014-06-13

杨宏射(1971—)，男，陕西凤翔人，2007年毕业于长安大学，土木工程专业，本科，高级工程师，从事隧道工程施工技术工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.013

U 45

B

1672-741X(2014)09-0900-08