城市暗挖大跨地铁车站洞柱法施工关键技术

2022-11-04瞿晓巍夏杨于雨彭兴彬

公路交通技术 2022年5期

瞿晓巍，龚毅，余顺，夏杨于雨，彭兴彬

(中铁长江交通设计集团有限公司，重庆 401121)

近年来我国城市交通事业快速发展，城市地铁建设也蓬勃发展，地铁车站修建遇到下穿、近接等工程案例越来越多[1]。如何在不影响既有建(构)筑物安全及正常使用的前提下，保证地铁车站的顺利修建，是学者和建设者研究的热点和难点。洞柱法因其能有效控制地铁车站施工对地层影响的优势，近些年在北京地铁修建中运用广泛[2-4]，是处理地铁车站下穿既有建(构)筑物较好方法之一。

洞桩法车站施工的主要功能之一是减少对地表建筑物的影响。众多学者基于工程实例对洞柱法施工过程的施工变形和结构受力进行了分析，对地表沉降规律进行了总结，对导洞开挖顺序进行了研究[4-8]。王秀英等[3]研究了洞桩法车站下穿既有管线的变形，建立了管线沉降预测模型。在洞桩法施工过程中，力学转换机理及其对既有建筑物影响的力学效应分析也是研究重点之一。目前，洞桩法研究主要集中在施工过程中自身结构的施工力学分析以及对附近地层、建筑物的受力特性分析[9-12]。李铁生、刘力、张洪达等[13-15]研究了洞桩法暗挖车站下穿建筑物的设计和施工。目前，洞柱法在地铁车站地层变形规律、力学效应分析及导洞开挖顺序方面有了较多成果，但在软土地层条件下且下穿既有道路及管线的洞桩法施工技术文献较少。

本文依托北京某地铁车站下穿既有道路及管线工程，分析车站施工过程中的重难点，并给出针对性措施，以期为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概述

1.1 工程概况

该地铁车站为北京某地铁线的中间站，该处为北京市核心区，车流量大，交通繁忙。周边多高层建筑物且与车站距离较近，如图1(a)所示。

站址范围内分布多条重要地下管线，且埋深较大。沿南北向敷设：3 m×1.5 m热力管，埋深4.7 m～6.5 m；2 m×2.35 m电力管沟，埋深9.3 m～13.1 m；Φ1.75 m污水管，埋深约6.5 m；2.4 m×2.2 m污水管沟，埋深约4.5 m，如图1(b)所示，其中施工通道剖面如图1(c)所示。

(a) 总平面

车站为岛式站台，有效站台宽度16 m，车站总长317.6 m，标准段宽25.3 m，高16.87 m。车站有效站台中心里程轨顶标高19.524 m，拱顶覆土厚约11.9 m，底板埋深28.8 m。车站采用洞柱法施工，南端区间采用盾构法施工，北端区间采用矿山法施工。车站采用双层双柱3跨断面型式(南端局部为双层3柱4跨断面)，在车站范围内设4座施工竖井及施工横通道，由南至北编号依次为1#～4#。

1.2 地质条件

根据钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪冲洪积层和新近纪沉积层4大类，共划分为8个大层，地层最大深度为62.0 m。各土层岩性特征见表1。

表1 地层分布

2 洞柱法施工技术

车站主体拱部所穿地层主要位于卵石圆砾⑤层，车站局部拱部位于粉细砂层，自稳性差。车站主体结构施工时平行穿越各类市政管线，车站邻近居民楼、银行、既有车站等各类建筑物，存在较大风险，为了保证邻近建筑物的安全，本车站采用洞柱法进行施工。具体施工工序如下：

1) 从横通道进洞，施工导洞拱部超前深孔注浆加固地层，台阶法开挖导洞并施工初期支护(台阶长度为5 m)。开挖导洞时，先开挖上导洞后开挖下导洞，先开挖边导洞后开挖中间导洞。开挖步距同格栅间距，并加强监控量测，如图2(a)所示。

2) 在导洞下边导洞内施作全长粘结型锚杆并施作条基，在两边上、下边导洞内施工围护桩及桩顶冠梁(挖孔桩跳孔施工)，并施作上下中导洞间钢管混凝土柱挖孔及护壁，如图2(b)所示。

3) 在下中导洞内施作底板防水层，施作底纵梁及部分底板；然后施作钢管混凝土柱(钢管柱与挖孔护壁间空隙用砂填实)；在上中导洞内施作顶纵梁、防水层,并用素混凝土回填梁上的导洞空间，支立边导洞内明拱，如图2(c)所示。

4) 施工洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ拱部超前深孔注浆加固地层。台阶法开挖洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ土体(洞室Ⅰ、Ⅲ先行，再开挖洞室Ⅱ，相邻洞室前后错开不小于15 m)，施工拱部初期支护，开挖步距同格栅间距，并加强监控量测，如图2(d)所示。

5) 洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ贯通后，由两横通道中间位置向横通道方向后退跳仓分段拆除导洞边墙，每段导洞边墙拆除长度控制在4 m～6 m，施作拱部防水层及结构二衬。施工过程中加强监控量测，如图2(e)所示。

6) 顶拱二衬施作完成后，沿车站纵向分为若干个施工段，在每个施工段分层开挖土体至中楼板下0.2 m处(边开挖边施工桩间网喷混凝土及破除掉钢管柱挖孔护壁)，分段施作中纵梁及中板结构，并施作侧墙防水层及二衬结构，如图2(f)所示。

7) 沿车站纵向分为若干个施工段，在每个施工段分层开挖土体至基底(边开挖边施工桩间网喷混凝土)，施作底板防水层及底板,然后施作侧墙防水层及二衬结构。完成车站主体结构施工，如图2(g)所示。

8) 施作车站内部结构，如图2(h)所示。

(a) 第1步

3 施工重难点分析

3.1 软土地层施工

由于车站拱部主要位于卵石-圆砾⑤层及粉细砂③3层，为控制地下管线沉降，需加固车站拱部土体，使地表沉降值、管线沉降值和洞内拱顶下沉和结构收敛值控制在允许范围内，确保管线和结构安全。为此，对拱顶初支外侧1.5 m、内侧0.5 m范围内土体进行深孔注浆加固，如图3所示。加固后的土体应有良好的均匀性、自立性和密封性，无侧限抗压强度不小于0.5 MPa，渗透系数小于10 cm/s～5 cm/s，注浆前应先进行现场试验，根据结果确定合理的注浆参数。

单位：mm

采用ZLJ-350D工程钻机引流钻孔及后退式分段注浆工艺：1) 必须钻一孔注一孔，注浆过程中若发现止浆塞损坏，应立即更换，以免引起注浆管堵塞；2) 施工中宜采用从两端到中间，由上到下的钻孔和注浆顺序，以压注水泥+水玻璃双液浆；3) 注浆每循环长12 m，止浆岩盘厚2 m，有效扩散半径为0.75 m，注浆终压为0.5 MPa～1 MPa，下穿管线位置注浆终压为0.3 MPa～0.8 MPa；4) 在深孔注浆过程中根据实际地层设置试验段，通过试验段注浆效果及时调整注浆压力及浆液配比。

3.2 小导洞马头门施工

小导洞马头门即施工横通道与小导洞的交叉处，此处结构受力复杂，施工方法应更为稳妥可靠，以保证此处土体在开挖过程中保持稳定。小导洞马头门施工时，需破除已完成的施工横通道初支混凝土、钢格栅支护、横通道的部分临时仰拱。由于破坏了横通道的部分受力结构，该处洞口位置的受力重新分布，极易导致该处土体失稳，故施工前应在该位置处提前进行加固处理，具体措施如下：

1) 加强注浆处理。开马头门洞前应对拱部土体实施注浆加固措施，采用双排DN32×2.75小导管，L=4 m，环相间距300 mm，梅花型布置，同时对上层小导洞范围进行深孔注浆，通过加强马头门周边土体的注浆，使浆液与该范围的围岩粘结，达到提高围岩稳定性的目的，为后期小导洞马头门破除做好施工准备。

2) 设立三榀钢架门型支撑。小导洞马头门进洞时，开洞截断横通道格栅钢架处连立三榀小导洞断面的型钢钢架，且截断横通道格栅钢架与小导洞的型钢钢架焊接牢固。马头门门架设计如图4所示。

3) 洞口加强梁设置。将拱部小导管外露部位内、外侧分别加焊2根Φ25螺纹钢筋，箍筋采用Φ8@150，绑扎成加强梁钢筋框架，然后浇筑C25混凝土形成开口前加强梁，如图4(c)所示，同时在马头门上方架设型钢倒撑，如图4(a)所示。

4) 横通道内小导洞马头门的开口顺序。横通道内小导洞马头门的开口顺序同小导洞开挖顺序，车站相邻导洞错开距离不宜小于15 m，避免产生群洞效应。

(a) 小导洞横剖面

3.3 下穿地下管线

车站上部小导洞开挖穿越管线较多，位置关系如图1(b)所示，为防止管线沉降及管线渗水，应加强隧道内注浆，施工过程加强管线监控量测，根据管线变形情况，采取如下措施:

1) 暗挖结构周围的管线，除依据图纸进行判断外，在接近前仍然要利用探测仪器进行探测，以便准确了解管线的平面和高程位置明确与结构的相互关系，便于更准确地施工导管或管棚进行超前注浆支撑加固保护，同时了解管线结构现状及运营现状并对管线下方的空洞或水囊进行超前探测。

2) 采用超前注浆加固。严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行施工，严把每道工序的施工质量关。

3) 施工前应对车站上方的雨、污水管线的渗漏情况进行详细的调查，并与产权单位沟通，结合产权单位反馈的意见，必要时对其采取施作内衬等防渗漏处理，以保证管线安全。

4) 施工时，对车站拱顶土体进行超前深孔注浆加固。

3.4 边桩施工

为避免开挖过程中相互影响，边桩采用“隔3挖1”方法施工，如图5所示，当桩体混凝土浇筑完成后方可开挖相邻桩体。

图5 人工挖孔桩施工顺序

1) 通过测量放线定位后，用风镐凿除上导洞桩位处初期支护混凝土，割断孔桩直径范围内的格栅，为桩身开挖提供作业面。人工挖孔在破坏导洞格栅钢筋时，在开挖洞口边缘焊接6根Φ22钢筋弯成的加强环，将开孔处断开的格栅连接成一个整体。

2) 挖孔由人工自上而下逐层开挖，使用辘轳吊土。有效控制开挖桩孔的截面尺寸，护壁采用上小下大楔形逐节开挖，根据地质情况(主要是保持直立面状态的能力)，每节的高度控制在1.0 m，开挖完成后及时施作护壁。

3) 每节开挖到位后绑扎护壁钢筋笼，护壁钢筋笼逐节拼装，钢筋之间预留弯钩相互连接。钢筋笼绑扎完成后进行护壁模板的支立，模板采用4块弧形钢模拼装成喇叭口状，拆上节、支下节重复周转使用。模板之间用卡具、扣件连接牢固，中间用方木支顶，防止内模因涨力而变形。第1节混凝土护壁(锁口)高出地面20 cm，便于挡土石及其他杂物，将桩位轴线和高程标定在第1节护壁上口。

4) 每节桩孔护壁做好以后，利用护壁上口的桩位控制点，采用十字线对中，吊线垂向井底投设。成孔后进行钢筋笼的安装。

5) 从第2节护壁开始，利用提升设备运土，采用辘轳或简易钢架制作垂直运输设备，吊架的高度和宽度根据导洞空间尺寸确定。

6) 若遇到粉细砂层时，由于该地层自稳能力较差。当穿越此地段成孔困难时，可采用插板法开挖，并将桩孔每节开挖高度适当减小，一般以0.5 m为宜。采用木板或竹板条超前支挡，开挖后及时安装钢筋并浇筑护壁混凝土。当上述措施仍不能顺利成孔时，则应及时封闭作业面，通过分节注浆加固，配合钢导管通过粉细砂层。人工挖孔桩如图6所示。

图6 人工挖孔桩现场照片

3.5 桩顶冠梁施工

暗挖导洞边桩施工完成后，由里向外倒退施工桩顶冠梁，冠梁单边全长322.7 m，分5段进行施工，采用C30钢筋混凝土，主筋净保护层厚度为40 mm。施工前清理桩头至露出新鲜混凝土面，用水泥砂浆找平冠梁底面至设计标高，调直钢筋笼立筋，保证立筋锚入梁体长度不小于设计长度。

冠梁纵向Φ25钢筋采用直螺纹连接，通过直螺纹连接套筒，用力矩扳手按规定的力矩值把钢筋和连接套筒拧紧在一起。

格栅主筋插入冠梁内1 m，为拱部主体初支格栅连接提供条件。预埋件提前预制，安装时应与周围冠梁主筋焊接牢固，锚入冠梁内部1 m，纵向间距0.5 m，格栅端头四面加焊U形筋收口，具体如图7所示。

单位：mm

4 监测分析

为确保地下管线、周边建筑物安全，对地下管线及周边建筑物进行监测。选取热力管线的2个监测点(RLGX77、RLGX78)进行分析，地下管线每10 m一个测点，布置在管线接头处、位移变化敏感的部位。监测点布置如图8所示。

图8 监测点布置

评价管线变形的主要指标为沉降值、倾斜率等，热力管线允许倾斜率为0.002，位移速率控制值为1 mm/d，管线沉降控制值为10 mm。实测数据如图9所示。

图9 管线沉降值及倾斜率历时曲线

从图9可看出，沉降曲线变化较为平缓，并无异常变形，在车站施工到监测点下方时变形速率最大，为0.25 mm/d；随着车站不断开挖，变形逐渐加大，最终缓慢趋于稳定，管线最大沉降值为5.7 mm。2个点变形规律基本一致，最大倾斜率和最大差异沉降分别为0.000 13、1.3 mm。监测数据表明，各个变形控制指标均在规范要求范围内，车站在下穿施工过程中，引起既有管线变形较小，确保了既有管线等结构物的安全运行，表明该方案合理可行。