单层多跨拱顶直墙暗挖车站设计与研究

2015-12-17周灿朗林湘

铁道建筑 2015年12期

关键词：施作导洞纵梁

周灿朗，林湘

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)

单层多跨拱顶直墙暗挖车站设计与研究

周灿朗，林湘

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510010)

受制于环境条件，有很多地铁车站局部采用单层暗挖段，与两端明挖部分连接形成端厅车站，单层大断面暗挖断面设计是工程中的难点。文章以北京地铁14号线朝阳公园站工程实例为背景，针对单层多跨暗挖断面形式，结合三联拱断面和平顶直墙矩形断面的优点，提出单层多跨拱顶直墙的暗挖方案，对该方案的施工方法、主要工程措施进行了重点阐述。车站现场施工实践表明，该方案对减小暗挖风险，控制地面沉降是有效的，可为类似工程的设计和施工提供参考。

三联拱拱顶直墙地铁车站管线迁改初期支护

方便快捷的轨道交通是解决城市交通问题的理想方案之一。但城市中心城区交通拥堵，地下市政管线密集，给地铁实施带来很大困难。浅埋暗挖法［1］可避免对地面交通和地下管线影响，在工程中得到广泛应用和发展。

单层暗挖通常应用在下穿埋深较大且迁改难度大的地下管线区域，连接两端明盖挖站厅，形成端厅车站。文献［2］对单层大跨度暗挖地铁车站柱洞法施工方案进行了探讨，针对的断面形式为单拱型断面。文献［3］针对平顶直墙条件下暗挖通道开挖和二次衬砌施工风险，对平顶直墙结构断面适用条件进行分析。文献［4］以青岛3号线清江路站为例，介绍了上软下硬地质条件下单拱大跨度地铁车站的计算方法。

本文以北京地铁14号线朝阳公园站工程实例为背景，结合三联拱断面［5-6］和平顶直墙矩形断面［7］的优点，提出单层三跨拱顶直墙暗挖方案(见图1)，对该方案的施工方法、主要工程措施进行了深入研究，现场施工实践表明该方案对减小暗挖风险，控制地面沉降，保证地下管线安全是有效的，可为类似工程的设计和施工提供参考。

图1 单层三跨拱顶直墙地铁车站断面(单位:mm)

1 工程概况

1.1 车站概况

北京地铁14号线朝阳公园站位于朝阳公园南路(东西向)与甜水园街(南北向)丁字交叉路口，呈南北走向布置。跨朝阳公园南路部分地下管线密集，交通繁忙，采用单层三跨拱顶直墙暗挖方案，与两端明挖部分连接，实现站台层的连通。

该断面尺寸为22.90 m×8.96 m，顶部有雨水、污水、高压燃气、给水等多种管线。暗挖方案的选择主要考虑三个问题:减小暗挖施工风险，控制地面沉降以及方便暗挖与明挖的连接。本站设计中，结合三联拱断面和平顶直墙断面的优点，提出单层三跨拱顶直墙暗挖方案，有效地解决了以上三个问题。

1.2 工程地质及水文地质条件

车站场地位于古金沟河故道，勘察钻孔范围内的地层情况从上至下依次为:〈1〉1杂填土、〈1〉粉土填土、〈3〉粉土、〈3〉1粉质黏土、〈4〉3粉细砂、〈4〉4中粗砂、〈5〉1中粗砂、〈5〉圆粒卵石、〈6〉粉质黏土、〈6〉2粉土。暗挖拱顶位于〈3〉1粉质黏土层，底板位于〈6〉粉质黏土层，暗挖范围主要为透水性的砂层及卵石层。

场地范围内有3层地下水:上层滞水、潜水、承压水。暗挖范围主要位于潜水层，但拱顶位于潜水水位以上，施工期间采用降水方案。

2 施工方法

本断面施工方案的选择，借鉴了平顶直墙暗挖法［7］和PBA法［8］的精髓，采用柱洞法方案，将整个断面横向分为侧洞(边导洞)、柱洞(中导洞)共4个小导洞。自上而下开挖4个导洞，再由下而上施作导洞内衬砌，建立梁柱和侧墙支撑体系［9］。为减少相互影响，4个导洞错洞开挖，纵向拉开步距。待4个导洞内的二衬施作完成后，进行导洞间的扣拱和底板浇筑，完成结构封闭。照此施工顺序，将大断面方案分割为若干个小断面，减小了施工风险和地面沉降。

施工步序如下:①施作超前小导管预注浆加固地层，施作拱部大管棚，见图2(a)。②先开挖边上导洞DZ4，后开挖中上导洞DZ2，拉开距离10 m，见图2(b)。③开挖边下导洞DZ8，开挖中下导洞DZ6，拉开10 m，施作二衬。④施作边上导洞内初支、二衬，中上导洞内施作防水层、二衬。⑤先开挖中上导洞DZ3，后开挖边上导洞DZ1，前后拉开10 m。⑥先开挖中下导洞DZ7，后开挖边下导洞DZ5，前后距离10 m，见图2(c)。⑦后退施作下导洞内的防水层，浇筑二衬，安装钢管柱。⑧边上导洞施作初支、二衬，中上导洞施作二衬、顶纵梁。⑨施作拱部初期支护，中跨领先边跨10 m，两边跨同步。⑩后退浇筑中拱及边拱二衬，中跨领先10 m，两边拱对称浇筑，见图2(d)。⑪开挖中跨土体，每次开挖一榀土方至基底，架设格栅喷混凝土封底，见图2(e)。⑫铺设中跨防水层，浇筑中跨底板的混凝土，实现中跨封底。⑬开挖边跨土体，每次开挖一榀土方至基底，架设格栅喷混凝土封底，见图2(f)。⑭铺设边跨防水层，浇筑混凝土二衬，完成结构封闭，参见图1。

图2 施工步序

3 主要工程措施

3.1 施工降水

车站拱顶处于粉质黏土层，拱顶以下基本处于潜水层，施工期间，需采用降水工艺，疏干开挖范围内的地下水，提高土体抗剪强度，保持掌子面的稳定和控制地面沉降。暗挖下穿污水、雨水管，地下管线渗漏是施工期间需要重点处理的问题。

3.2 支护方案

根据本站的施工步序，暗挖初期支护方案见图3。1)小导洞设计

结构受力和施工空间是小导洞设计主要考虑的两个因素。中导洞设计净宽为4 m，保证开挖期间掌子面的稳定，同时满足施工机械、土方材料运输的空间。边导洞设计净宽3 m，满足施工机械的最小要求。小导洞分为上下两层，上导洞高4.7 m，下导洞高4.8 m。每个导洞采用台阶法开挖，保留核心土。4个小导洞横向进尺错开，每个小导洞的上下导洞进尺错开，以减小导洞开挖的相互影响。

2)超前支护

在小导洞开挖范围内，采用拱部φ42 mm厚3.25 mm@300 mm的小导管超前注浆。注浆管长2 m，外插角10°～15°，一榀一打。根据地层情况，采用水泥或水泥、水玻璃双液浆。

图3 初期支护方案(单位:mm)

在初支扣拱部位，施工风险较大，易出现土体坍塌，设计中采用了φ108 mm厚5 mm@300 mm大管棚+φ42 mm厚3.25 mm@300 mm小导管超前支护，大管棚内注水泥浆。

3)扣拱设计

初支扣拱设计需考虑初支扣拱时土体的稳定和二衬扣拱时初支的稳定两个方面。初支扣拱时，土体的稳定采用大管棚+小导管超前注浆支护。二衬扣拱时，需凿除小导洞初支侧壁，为防止扣拱初支脚部出现脱落，在小导洞侧壁上预埋好插筋，通过插筋使小导洞内外的初支扣拱形成环，直接支撑在另一侧小导洞侧壁上(预埋钢板)，使初支形成一个独立的稳定体系，见图3。可减小凿除侧壁的影响，保证二衬扣拱安全。

3.3 主体结构设计

1)底纵梁设计

中间两个小导洞施工完成，从末端往竖井后退式浇筑底纵梁。底纵梁既是钢管柱扩大基础，也是车站底板的一部分，梁内预埋底板的两层横向主筋，同时防水层预留搭接并做好保护措施。底纵梁分段浇筑长度以12～20 m为宜，横向预留的底板钢筋采用直螺纹套筒连接。底纵梁上预埋地脚螺栓，钢管柱通过地脚螺栓固定在底纵梁上。同时，钢管柱内插钢筋锚入底纵梁，形成钢筋混凝土芯柱，提高承载力和稳定性。底板梁柱节点设计见图4。

图4 底板梁柱节点设计

2)顶纵梁设计

顶纵梁在导洞内浇筑，操作空间狭小。受导洞形状控制，顶纵梁设计成倒T形。顶纵梁分6 m一段浇筑，分段位置取纵向柱距的1/3位置。

钢管柱顶部内插钢筋，锚入顶纵梁，形成钢筋混凝土芯柱。为提高抗剪能力，在顶纵梁下焊接一个环形抗剪钢牛腿，并通过涂刷防火防腐涂料解决锈蚀和防火问题，提高结构耐久性。

3)顶底板设计

本工法通过将大跨度断面分块施工，剖分成若干个小断面，以减小暗挖风险，提高可实施性。这也导致主体结构分块浇筑，产生多道纵向施工缝，对结构受力和防水产生一定的影响。二衬扣拱完成后，顶板与侧墙、梁柱形成了一个竖向受力的稳定体系，但此时底板未封闭，继续往下开挖，将形成倒C形结构，造成水平向受力的不稳定。为解决该问题，土方开挖时，采用纵向台阶式开挖，一次仅开挖一榀范围内的土方至基坑底，并及时架设格栅喷混凝土封底，保证整个结构在水平向受力的稳定。