暗挖地铁车站柱洞法施工梁-柱结构防偏技术研究

桂金本，刘文兵，周锦强

(1.中铁四局集团第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)



暗挖地铁车站柱洞法施工梁-柱结构防偏技术研究

桂金本1，刘文兵1，周锦强2

(1.中铁四局集团第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

柱洞法是无水砂层条件下地铁车站浅埋暗挖施工的重要选择，施工过程中梁-柱结构容易发生左右偏转。依托石家庄地铁长城桥车站暗挖段，从施工技术角度提出一系列控制梁-柱结构偏转的措施。首先，通过辅助工法大管棚+深孔注浆+超前小导管加固土体，减小开挖时地层变形；其次，在梁-柱结构安装时加强梁-柱结构和初期支护的连接，及时在左右纵梁间架设临时横撑来提高结构的刚度；同时，在左右洞开挖和临时支护拆除过程中保持对称施工，使结构受力更加均衡；最后，施工过程中加强梁-柱结构的监控，及时反馈信息，动态指导施工。由现场施工和监测结果表明：梁-柱结构在几种控制措施共同作用下，未发生明显的偏转，说明控制方法有效，可为类似工程提供参考。

地铁车站；柱洞法；梁-柱结构；防偏技术

目前地铁车站施工方法主要包括明挖法和暗挖法。浅埋暗挖法具有对地面建筑、道路和地下管网影响较小，拆迁占地少，噪声及环境污染小的特点[1]。随着城市交通量的日益增长、公民维权意识的提高以及错纵复杂的地下管线的限制，浅埋暗挖法在地铁隧道的建设中得到了大力推广。浅埋暗挖法多应用于第四系软弱地层，开挖方式有正台阶法、CD、CRD、侧洞法、柱洞法、中洞法及盾构扩挖法[2-10]。其中柱洞法国内首次应用是在北京复兴门车站[11]，与其他暗挖方法相比，施工对地层的扰动比侧洞法小，比中洞法分块、支撑和拆除量均少，具有比较好的经济性和安全性[12]。目前有不少学者和工程师对柱洞法施工的地铁车站进行了一定探索。傅春青[13]结合北京地铁10号线柱洞法施工的某一车站，指出增加纵梁之间的横向连接，以增强结构的整体刚度，进而达到减少地表沉降效果。梁韵[14]整理归纳了国内外典型暗挖地铁车站的结构形式，通过对大量已建地铁车站的统计调研，指出柱洞法施工时纵梁、柱将受到初期支护的水平力作用。周倩[15]根据北京张自忠路车站工程，通过数值手段指出关键工序为立柱施作后的扣拱，如何将扣拱位置水平力平衡的传导到初期支护上决定着整个工程的成败。从目前研究成果可知，梁柱结构在水平荷载作用下发生的偏移量将很大程度决定整个工程的成败问题，而对于实际施工过程中如何有效的控制梁柱结构偏移量的研究较少。

本文依托石家庄地铁1号线长城桥站柱洞法施工的暗挖段，通过现场实际施工过程的跟踪和分析，就如何控制梁-柱结构的稳定性提出了相应措施，并通过现场监测数据验证了施工方案的合理性。

1 工程概况

长城桥站位于中山西路和西二环十字交叉口，暗挖段起止里程为K5+048.720～K5+117.480，长68.76 m。车站暗挖段为单层三跨结构，覆土厚度约9.6 m，结构总宽度为22.6 m，总高度为9.67 m。暗挖段主体结构处于粉细砂和粉质黏土中，暗挖车站所处地层如图1所示。

图1 车站暗挖段平面和纵剖面

1.1 设计概况

车站结构采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土+格栅钢架措施，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土，两次衬砌之间设柔性防水层。辅助工程措施采用超前小导管、大管棚、锁脚锚杆、掌子面注浆、掌子面喷射混凝土封闭等，支护结构设计参数详见表1。

表1 支护结构设计参数

1.2 施工概况

暗挖段采用柱洞法施工(图2)，共分15个导洞施工，左右导洞(①～③和①′～③′)、中洞(④～⑥)、左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)分为上、中、下三层。地层加固后由上而下开挖左右导洞，上、下两层步距控制在3～5 m，且右导洞先施工，其中左导洞上层①滞后右导洞下层③′3～5 m。待导洞贯通后施作梁-柱结构，其中柱子分吊装、固定、钢筋笼安装和混凝土浇筑4道工序，顶纵梁采取分段施工，分段长度均取6 m，分段位置取钢管柱纵向柱间距的1/4处，底纵梁为一次性浇筑。再由上而下开挖中洞(④～⑥)，上下层步距为3～5 m，贯通后拆除部分临时结构浇筑二衬。最后对称开挖左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)，上下层步距如前，待贯通后拆除临时结构，施作左右洞二次衬砌。

图2 柱洞法施工工序

1.3 施工中梁柱结构出现的问题

暗挖车站上部结构主要处于粉细砂地层中，粉细砂粒径分布均匀，颗粒相对较小，结构松散，荷载作用下很容易变形，当中洞土体开挖，地层应力释放，周围土体往中间变形，同时在侧向土压力作用下，左右导洞支护结构将向中洞偏移，致使梁-柱结构出现偏移，将对结构的安全造成很不利的影响。在实际施工过程中，通过辅助工法大管棚+深孔注浆+超前小导管来改善粉细砂地层，以此达到加固土体进而起到减少地层及结构变形的作用。通过在左右纵梁间架设临时钢管横撑来抵抗侧向土压力的作用，并且平衡中洞二衬扣拱的水平推力，从而限制中洞开挖时梁柱结构的偏转。

在中洞二次衬砌施工时，扣拱位置二次衬砌将给梁-柱结构施加一个水平向的作用力，将使梁-柱结构往两侧偏转。左右洞开挖，左右导洞两侧的侧向土压力消失，由左右洞的初期支护来平衡顶纵梁的水平推力，若在施工过程中未能及时的支护左右洞，将使梁-柱结构往弱侧偏转，将对结构的受力产生很不利的影响。在现场施工过程中，通过加强梁-柱结构和既有初期支护的联系来抵抗扣拱位置的水平作用力，在左右洞施工过程中尽量做到对称施工，使支护结构左右侧受力均衡，进而达到控制梁柱结构偏移的效果。

总之，在柱洞法施工过程中，梁柱结构很容易发生往返偏移，在施工中能否较好地控制梁柱结构的偏移问题将成为整个工程至关重要的一环。

2 车站梁柱结构防偏施工对策

2.1 辅助工法对粉细砂地层进行加固

在洞口段10 m范围内采用大管棚+深孔注浆+超前小导管补偿注浆的方式加固拱部地层，其余地段采用深孔注浆+超前小导管补偿注浆的方式加固拱部地层，具体布置见图3、图4。拱部施以Φ108×8 mm管棚，用全站仪测定钻孔孔位，并用红油漆标注在掌子面上，管棚仰角控制在1°左右。导向管安装位置在开挖轮廓线外20 cm的轮廓线上。管棚壁上需钻设溢浆孔，孔径为10 mm，孔环向布置3排，纵向300 mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段为1.1 m。

图3 管棚和深孔注浆布置(单位：mm)

图4 超前小导管布置(单位：mm)

现场深孔注浆孔外插角近似水平，每次纵向加固范围为10 m，搭接长度为3 m，注浆孔第一排沿开挖轮廓线布置，环距0.3 m，第二排环距0.6 m，并与第一排间距0.35 m，第三排环距0.6 m，与第二排保持在0.7 m，现场实际布置孔位如图5所示。注浆材料为超细水泥-水玻璃双液浆：水玻璃模数为2.2～2.8，浓度40Be′；水泥水灰比为0.8∶1～1.5∶1，双液浆配比为1∶1。现场实际注浆压力为1～2 MPa。

现场辅助工法效果如图5所示，管棚在浆液的作用下形成了一个壳体结构，当下方土体施工过程中既能起到支撑上部土体的作用，又能隔离下部土体，减少土体的变形，进而起到控制结构偏转的作用。深孔注浆的浆脉为水平状分布，能防止土体坍塌，能够减少支护结构背后的空洞，最终使支护结构受力更加均匀，也能为控制梁-柱结构偏移做出贡献。

图5 管棚和注浆效果

2.2 加强梁-柱结构和初期支护的连接

梁-柱结构施工过程中尽量减少左右导洞临时结构的拆除量，在左右导洞临时仰拱上破除一个1.5 m×1.5 m的孔洞，满足钢管柱吊装和安装即可，如图6所示。在钢管柱定位完成后，采用C20喷射混凝土将左右导洞的上、中台阶破除的孔洞进行封堵，封堵前，采用长度1.5 m的I22型钢临时固定，以保证钢管柱的垂直度及与周围临时结构的变形协调。钢管柱全部栓接完毕，将钢管柱落在柱脚钢板上与柱脚板上的限位角钢密贴，用钢管固定，防止钢管柱偏移。施工过程中，顶纵梁与导洞初期支护之间的空隙，应采用方木、脚手架等材料进行多点支撑，以保证顶梁不发生偏移、扭转等不良状况。

图6 钢管柱临时固定设计及工后效果

2.3 纵梁之间加设临时钢管柱

在顶纵梁、底纵梁之间设置临横支撑，临时横支撑采用φ400，t=10 mm的钢管，间距3 m布置，通过预埋t=20 mm厚的钢板与顶纵梁连接，如图7所示。临时横撑应随中洞土方的开挖施工，上部的钢管柱在上台阶开挖后中台阶还未开挖前进行安装，下部临时钢管柱则是在下台阶开挖到指定位置安装。通过在纵梁之间架设临时横撑，使梁-柱结构的左右部分变成一个整体结构，使其变形协调，在中洞开挖时可以防止梁-柱结构往中间偏转。另外，通过临时横撑的连接使梁-柱结构的刚度将大大提高，抵抗变形的能力得到明显提高，在左右洞开挖时能有效的抑制梁-柱结构的偏转。

图7 临时横撑安装示意

2.4 左右洞对称施工

2.4.1 洞室开挖

左右洞断面较大，土体开挖过程中地层损失率相对较大，对地层的扰动较大，若左右洞开挖不同步，整个中间的支护体系左右侧受力将不平衡，结构将发生偏转，这样将导致上部纵梁发生扭转，中间柱子出现偏心受力，将严重威胁到梁-柱结构的安全性，在施工过程中严格控制左、右洞开挖的施工进度，务必保持两侧土方开挖的一致性。

2.4.2 临时支护拆除

左右洞临时支护的拆除直接影响到初期支护和既有二次衬砌的安全，这样临时支护的拆除时机选择和如何安全快速的施工将直接影响到整个工程安全。为了隧道结构安全，临时支撑必须满足以下几个条件方能进行拆除作业：①临时支护拆除前必须保证拆除段的支护体系已经封闭成环，且结构符合规范和设计要求；②拆除前该拆除段的沉降和收敛测量结果都满足稳定条件，沉降收敛达到稳定的标准，收敛不超过0.2 mm/d；③临时支护拆除后尽快进行二次衬砌支护，确保隧道结构稳定和安全。暗挖段左右洞临时结构拆除分7段，由中间向两端、左右侧对称施工，分段长度约9.6 m(其中第5浇筑段分段长度8.8 m)，即首先拆除第①浇筑段临时支撑结构，拆除完成后进行防水施工。待第①浇筑段进行钢筋绑扎作业时，第②浇筑段间隔2.6 m 由远及近开始破除临时支撑混凝土结构；待第①浇筑段完成混凝土浇筑，且混凝土强度达到设计要求后，第②浇筑段开始进行临时支撑格栅主筋割除及储备段(2.6 m长)临时支撑破除施工。后续临时支撑破除施工依次类推。左右洞二衬拱墙施工时，采用由上及下的顺序，依次拆除左右洞内临时中隔墙1、临时仰拱2、临时仰拱3，然后再立模浇筑混凝土，如图8所示。

图8 左右洞临时结构拆除示意(单位：mm)

2.5 加强梁-柱结构的监控量测

在施工过程中为了确保梁-柱结构受力的安全性，在左右纵梁22 m(K5+070.720)处附近左、右纵梁中分别布置1对应变计，如图9所示，以此来了解梁-柱结构在整个施工过程中应变情况。通过实际收集到的应变来反馈和指导施工，若在施工过程中应变出现急剧增长，或者左右纵梁受力出现巨大的差异性，中止施工查明具体原因，采取相应的补救措施。

图9 顶纵梁应变计布置及安装

3 施工效果评价

通过上述各种措施的综合利用，长城桥站柱洞法施工暗挖段已顺利完成，期间并未发生安全、质量事故。施工过程中顶纵梁和立柱并未发生明显的偏转变形，施工过程中左、右顶纵梁应力时程曲线如图10所示。由图10可知，左、右纵梁结构在整个施工过程中的应力的变化趋势比较一致，Ew2和Ew3在整个施工过程应变基本一样；在中洞临时结构拆除二衬施工前En2和En3应变变化趋势基本相同，在中洞二衬施工过程中纵梁背后注浆使En2和En3出现波浪式增长，之后En2应变明显大于En3，主要是因为中洞拱、梁、柱结构体系建立引起的水平推力在结构体系中的体现；后续左右洞施工过程中En2受施工的影响相对较大，但两者表现出的变化趋势还是比较一致的，所以在整个施工过程中左右纵梁受力基本一致，进一步说明所采取的施工措施取得了比较好的控制效果。

图10 左右纵梁应力变化时程曲线

4 结语

本文依托长城桥站暗挖段，提出了控制梁-柱结构偏转的具体措施：通过辅助工法大管棚+深孔注浆+超前小导管来加固粉细砂地层，进而减少土体开挖地层的变形；在立柱和纵梁施工过程中，加强其与既有临时支护体系的联系，达到减小扰动的效果；中洞开挖过程中，在纵梁间架设临时横撑能有效的抑制结构往中间偏转；左右洞施工争取做到对称施工，使结构左右侧受力平衡；最后在施工过程中加强梁-柱结构的监测，及时反馈相关信息。在各种措施的综合应用下，实际施工过程中取得了比较理想的效果，说明控制方法的有效性，为今后类似工程解决相似问题提供了借鉴。

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Misalignment Prevention of Beam-column Structures by Column-draft Approach for Excavated Metro Station

GUI Jin-ben1， LIU Wen-bing1， ZHOU Jin-qiang2

(1.The Fourth Engineering Co.， Ltd. of CTCE Group， Hefei 230041， China;2.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China)

Column-hole approach has become an important choice for the construction of shallow subway station in dry fine sand. The beam column structure is likely to deflect during construction stage. The paper puts forward a series of control measures based on the underground excavation section of the Changchengqiao metro station. Firstly， the soil is reinforced with such auxiliary methods as deep hole grouting and pipe shed to reduce the deformation of strata during excavation. Secondly， in order to improve the rigidity of the structure， the connection between the beam column structure and the initial support is strengthened during the beam column structure installation， and the temporary steel tube columns are erected between the left and the right longitudinal beams. In addition， the related working processes in the left and right holes are symmetrically conducted to make the structure more balanced. Finally， the monitoring of the beam column is enhanced with immediate feedback of related information to guide the construction. Site construction and monitoring results show that the beam column structure shows no obvious deflection due to control measures， which justifies the effectiveness of the method and may serve as reference for similar engineering projects．

Metro station; Column-hole method; Beam-column structure; Misalignment prevention

2016-04-10；

2016-06-11

桂金本(1984—)，男，工程师，2005年毕业于中南大学土木工程学院，工学学士，主要从事地下和隧道工程设计与研究工作，E-mail：32320083@qq.com。

1004-2954(2016)12-0114-05

U231+.4; U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.025