地铁地下车站结构初期支护施工方案研讨构架

文／侯元杰 中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810007

引言：

目前在地铁地下车站工程的施工过程中，为尽量减少对城市地面交通的影响，广泛采用了暗挖施工方式。由于暗挖施工方式主要在地下空间开展施工作业，其施工环境较为复杂，存在较高的安全风险，因此必须高度重视其初期支护结构的施作。施工单位应根据地铁地下车站工程的实际情况以及具体的暗挖工法要求进行施工方案的制定，确保施工组织科学高效，各项施工工艺选择合理，并要结合施工实践经验对施工工序流程进行优化，确保施工方案具有较高的可行性。

1、某地铁地下车站工程基本概况

某地铁地下车站工程位于城市繁华地区，地面交流流量较大，周边建筑密集，且地下市政管线设施众多。结合该工程的实际情况，绝对在其主体结构施工中采用PBA工法，以暗挖方式进行施工建设。因此，该地铁地下车站工程的初期支护结构施工难度较大，对初支施工方案制定的科学性和可行性提出了较高的要求。

2、地铁地下车站结构初期支护施工方案分析

2.1 概述PBA工法中的初期支护结构施工

所谓PBA工法也就是柱洞法，是在大型地铁地下车站工程暗挖施工中较为常见的施工方式。在应用PBA工法施工时，初期支护结构主要是由顶拱、中边柱桩以及顶底梁等结构共同构成的复合型支护形式。该初支结构体系具有较好的稳定性和受力能力，能够满足施工过程中的承载要求。在应用PBA工法进行地下车站施工时，其拱部初支结构一般由混凝土喷射以及格栅等构成，且应采用超前小导管以及大管棚等施工方式加固处理掌子面前方土体结构。同时初支体系中的中柱结构一般为钢管柱，而侧墙部分的初支结构则大多采用的是灌注桩结构。

2.2 制定地铁地下车站结构初期支护施工方案时的主要影响因素

2.2.1 地铁地下车站施工环境因素

在制定地铁地下车站结构初期支护施工方案时，应充分了解工程区域的场地条件以及周边环境特点，准确掌握工程影响范围内的地面交通情况、地表沉降、周建构筑物基础沉降和各类地下管线设施的布局走向等相关数据。在全面收集各项资料信息的基础上才能合理选择初期支护结构形式、施工技术工艺并确定相关的技术参数，以保证施工的质量安全。

2.2.2 地铁地下车站结构初期支护施工工艺因素

在采用暗挖方式进行地铁地下车站施工时，其初期支护结构的施工一般包括超前支护施工、注浆回填背后空隙施工以及受力转换等施工技术工艺。在制定初期支护结构施工方案时，应结合工程区域的实际地层结构特点合理选择施工技术方法，并科学确定超前小导管以及管棚的打设数量、导管或管棚的规格和长度以及打设方式等。施工方案中所确定的各项技术参数应符合相关施工技术规范标准。

以采用超前注浆方式的初期支护施工为例，在施工方案制定中应按照施工现场的实际地质水文条件来确定注浆浆液的配合比，且应准确掌握浆液的凝结时间以及固结后的强度。当掌子面前方主要为砾石层、卵石层或者粗砂层时，一般可以选择单液水泥浆作为注浆材料，且应将浆液水灰比控制在1:1。当掌子面前面分布有粉细砂或者中砂时，则应用改性水玻璃等材料进行超前注浆施工，且应合理控制注浆压力。在确定施工方案中的技术参数时，可以开展现场试验，并加强对施工现场地层结构的勘测，以优化浆液配比为初期支护结构的施工创造良好的前提条件。

由于在初期支护结构与其背后土体之间往往有空隙存在，且该部位土体结构容易受到施工扰动影响而出现沉降现象，会给施工安全带来一定的风险隐患。因此在制定初期支护结构施工方案时，应结合沉降控制的设计标准合理确定注浆量、注浆压力以及稳压时间等各项技术参数，以提高地铁地下车站施工的安全性。

在制定地铁地下车站结构初期支护施工方案时，还应合理选择受力转换位置，并对开挖施工步序进行优化，合理确定节点连接方式，准确控制格栅监测等各项技术参数，以确保地铁地下车站初期支护结构的强度以及稳定性能够达到设计要求，从而全面提高施工的安全性和施工质量。

2.3 该地铁地下车站结构初期支护施工方案的制定

2.3.1 地铁地下车站下穿管线设施施工方案

在该地铁地下车站主体结构的上方存在热力管线、雨污管道以及上水管道等市政管线设施。经过前期勘查发现，相当一部分管线设施存在严重老化现象，在地下车站施工时比较容易受到影响，进而影响管线的正常运行，并给地下车站结构的施工带来较大的安全隐患。因此在制定地下车站结构初期支护施工方案时，应对洞内外分别采取相应的保护措施。其中，在洞内部分应加强地质超前预探以及预警，以及时了解作业面前方的管道是否存在渗漏现象，并准确掌握前方的地质水文特征，以便对前方岩土体的受扰动程度加以判断。施工时可以选择超前排管方式开展地质超前预探测量，且探测时的每次进深均应达到5m以上。而在洞外部分则应在施工前详细排查所有管沟是否存在积水，以便采取相应的排水措施。同时，对于风险较高的污水管应采取临时迁移措施，污水管内部在施工过程中不应有流水存在。

在地下车站结构的初期支护施工中可以利用小导洞结合双排小导管的施工方式将拱部超前注浆范围适当扩大，其角度应控制在150°以内。同时应在地下车站主体结构的扣拱初支范围内设置通长大管棚，大管棚应采用φ108mm×5mm规格，应按照隔榀打设方式设置超前小导管，之后即可开展注浆作业。在布设注浆孔时，沿地下车站主体结构的边墙以及拱部设置，并应合理控制注浆孔之间的距离。其中边墙部分注浆孔之间的纵向间距应控制在3m，而在起拱线上方的注浆孔之间的环向间距则应控制在2m。在拱部应设置注浆孔1个。注浆施工时，应将注浆压力保持在0.3MPa-0.5MPa之间。在完成初支结构的施作后，用水泥浆对其背后空隙及时进行灌注，水泥浆水灰比应控制为1:1。开挖施工时应将步距控制在0.5m左右，应在开挖过程中进行动态施工控制测量，可准确掌握开挖施工对围岩结构的影响。

2.3.2 地铁地下车站导洞施工方案

由于该地铁的地下车站工程采用的是PBA工法，因此需要开展导洞施工。该地下车站共包括8个导洞，其中上下层各有4个导洞。施工时主要通过横向隧道逐步向两侧推进。在该地下车站主体工程的导洞和底部横向导洞的施工中均应采用台阶法。结合该工程施工周期以及施工进度计划安排，应按照从上到下，由边向中的顺序依次进行各导洞的施作，且两个相邻导洞之间的作业面应错开6m左右，施工工序方案可参见图1。

图1 地铁地下车站导洞施工工序（标号代表施工顺序）

在地下车站导洞的初期支护施工中，其支护结构形式综合应用了钢筋网、混凝土喷射、超前小导管、钢格栅以及连接筋等多种方式。超前支护结构中所使用的超前小导管规格应为φ42×3.25，其长度应为2.5m。在布设小导管时应按照两环之间间隔2榀的方式进行打设，将其环向间距控制在300mm。在120°的导洞拱部范围内均应设置超前支护结构。同时，在台阶法施工时，应将2.5m长、规格为φ42mm的两根缩脚锚管设置在上台阶的拱脚位置。并应焊接固定在格栅上，然后用纯水泥浆灌注锚固（台阶法施工方案可参见图2所示）。在施工过程中应准确控制格栅位置和其间距，并要确保核心土预留充分，从而保证作业面的稳定性和安全性。

图2 地铁地下车站导洞台阶法施工方案

2.3.3 地铁地下车站初期支护围护结构施工方案

完成地下车站工程的下层导洞施工后，底条基施工应利用1、2号施工竖井进行，且应按照从里到外的顺序开展施工。当所有底条基钢筋均完成绑扎后，即应开展围护桩钢筋笼结构的预埋作业。该地下车站工程的主体围护结构桩应选择人工挖孔桩技术进行成孔施工，并按照隔三挖一原则以跳桩方法施作。施工人员在完成一个桩孔的混凝土浇筑后，应在围护桩结构强度达到设计标准后才能施作相邻孔围护桩。在该人工挖坑支护结构的施工中，护壁结构应采用强度等级为C25的混凝土，且预制钢筋网片规格应确定为φ6.5@150×150mm。在各节均应设置直径为20mm的钢筋8根。挖孔桩护壁形式应采用喇叭错台形式，且应为下大上小型，同时应将护壁结构厚度的最小值以及最大值分别控制在10cm或15cm。在地下车站初期围护结构的边洞初支扣拱和桩顶冠梁结构施工时应结合围护桩结构的施工进度计划确定施工工序。其中桩顶冠梁的施工顺序应为自内向外，并采取分组施工方式，各分组均应控制在20m-30m之间。在完成冠梁施工后，应将边洞扣拱格栅拱脚预埋在其上端。

2.3.4 地铁地下车站初期支护梁柱结构施工方案

该地铁地下车站工程的顶纵梁、底纵梁和钢管柱等梁柱结构均应利用1、2号施工通道进行。在地下车站主体结构的底部以及顶部应分别设置30根规格为φ800mm@150×20mm、长度约为176m的钢管混凝土柱。在地下车站的梁结构施工中设置2条底纵梁，且应在施工时分9组施作底纵梁，各组长度均应控制在17.7m-27m之间。而在顶纵梁的施工时，则应将分组长度控制在12m左右。在梁柱结构的施工中应加强接头处理以及防水处理。

在施作钢管柱结构时，由于受地下空间面积以及地层结构特点限制，应通过人工开挖方式进行中桩的成孔作业。施工人员应在完成绑扎底纵梁钢筋和安装模板后将钢管柱预埋件埋设就位，之后应对底纵梁结构强度进行监测，当其符合设计标准后才能安装钢管柱。在本次施工采用的是预制钢管柱，当预制钢管柱构件运抵施工现场后，应通过上层导洞将其分节吊装就位。根据上导洞净高，应将钢管柱分节长度控制在2m-3m左右。在各节钢管柱吊装就位后，应用微膨胀混凝土进行浇筑。

2.3.5 地铁地下车站初期扣拱超前支护结构施工方案

在该地铁地下车站工程初期支护体系的扣拱超前支护结构施工中，根据工程特点应综合采用超前小导管结合大管棚的支护方式，且大管棚规格应选择φ108mm。在大管棚的超前注浆施工中应将水泥砂浆的水灰比控制在1:1，并选择改性水玻璃作为超前小导管的注浆材料。由于该地下车站工程需要下穿不同功能类型的地下管线设施，而这些管线中有多条的风险等级被判别为一级。车站结构的拱顶部位地层结构主要为黏土、粉细砂一级中粗砂，地层结构复杂且自稳性相对较低，因此在地下车站的上层初支结构中，应将超前大管棚设置于扣拱拱顶上，且大管棚规格应为φ108mm@150×5mm，并根据施工现场的实际情况调整大管棚的长度。在各个施工断面内均应设置大管棚，且应将管棚之间的环向距离控制在30cm左右。施工人员应将管棚中心与开挖先之间的距离控制在15cm左右，而水平倾角则应控制在3°-5°之间，以便与隧道坡度保持一致。在设置管棚时，根据地层结构以及覆土厚度等参数，应在钻进成孔作业中选择循环导向跟管钻进技术。

2.3.6 地铁地下车站初期扣拱支护结构施工方案

该地铁地下车站工程主体采用的是三跨三联拱的两层结构形式，其扣拱包括边洞以及中洞两部分。在边洞扣拱以及中洞扣拱的开挖施工中均应选择台阶法施工方式。施工时应从1号风道风井开始，逐步向东推进，而在1、2号竖井和连通通道的开挖施工中则应按照先向西后向东的顺序开展施工作业。在初支扣拱施工时应先施作中拱部分，并应与边拱保持8m以上的前后错开。同时，两侧边拱应采取同步施作方式。

2.4 该地铁地下车站结构初期支护施工监测方案

由于在地铁地下车站工程的暗挖施工过程中存在较多的不确定性因素，安全风险系数较高，因此在制定初期支护施工方案时应高度重视施工监测方案的确定，为施工监测工作的有序开展提供科学的指导，以保证地铁地下车站结构初期支护施工的质量安全。

2.4.1 该地铁地下车站结构初期支护施工中的主要监测项目

根据该地铁地下车站工程区域的实际情况，其施工监测方案中的监测项目应为初期支护结构状态监测、工程区域地质体监测以及周边环境监测等。在地下车站初期支护结构状态监测中应对初支结构、边桩等结构状态进行动态监测。而在监测工程区域地质体是，则应对地下水水位变化、水动力以及岩土体结构的稳定性等项目实施监测。此外，由于该地铁地下车站工程区域有城市道路、下穿地面道路的地下过街通道、电力沟、热力沟、污水沟、雨水管道、燃气管道以及给排水管道等多种类型的市政管道设施，因此在施工监测中应对各类型地下管线设施均进行观测，以避免对其造成破坏。

2.4.2 该地铁地下车站结构初期支护施工测量方案制定分析

在该地铁地下车站结构初期支护施工过程中，应选择与车站出题结构外侧相距50m左右的变形影响区内设置施工监测基准点，并合理划分测区范围。在各测区内均应设置3个以上的监测点，以便校核监测数据，保证监测数据的准确性。在布设测点时应严格遵守施工测量技术规范要求，并要结合地下车站施工进度，合理选择能够准确反应受力变形情况的位置设置测点。在完成测点的布设后应采取必要的保护措施，以确保监测数据完整连续，且具有较高的可靠性。

在制定施工测量方案时，应根据地下车站的施工进度计划以及现场实际情况等合理确定观测频率、测回数量以及监测时间等。在地铁地下车站进行较易出现受力变形现象的施工工序或者在施工监测中发现异常时，可以适当加大监测频率，增加测回，以便及时掌握受力变化，保证施工安全。同时，在施工监测工作中，应根据不同的监测区域以及不同的施工阶段确定相应的监测项目和风险等级，并制定相应的监测标准以及三级预警机制。在发现异常监测数据时，监测人员应进行科学的分析，并准确判断其风险等级，以便及时向现场施工人员出发预警信息，启动相应的应急处置预案。此外，在地铁地下车站结构的初期支护施工监测工作中还应建立日、周、月报机制，将监测报告定期提交给工程的施工方、建设方以及设计方等相关单位，以便为设计方案以及施工方案的调整提供可靠的参考依据。在地铁地下车站结构初期支护施工完成后，还应汇总监测数据，并出具监测成果报告，作为分项工程施工质量验收以及后续施工方案制定的重要数据基础。

结语：

初期支护结构的施工是地铁地下车站工程建设中的关键性施工环节，其施工方案的合理性、科学性以及可行性对地铁地下车站整体结构的质量安全具有重要的影响。施工单位应严格遵守相关技术规范要求，积极总结施工实践经验，结合地铁地下车站工程的实践情况不断优化施工方案，以提高施工组织和科学性，并确保所选择应用的施工技术工艺能够满足地铁地下车站工程建设的要求，以提高初期支护结构的强度和稳定性，为地下车站后续工程的施工提供可靠的安全保障，促进我国地铁工程施工技术水平和施工质量效率的全面提升。