暗挖大型换乘地铁车站施工关键技术及对策

陈　涛,董小龙

(沈阳市地铁指挥部,沈阳

110011)

摘要:结合沈阳地铁青年大街站工程实际,介绍了暗挖洞桩法的主要施工步骤及要点。青年大街站结构复杂,洞桩法施工增加了工程的安全性和稳定性,可减少施工产生的变形,有效保护临近建(构)筑物。关键词:P BA 工法;地模;钢管柱;钻孔桩施工中图分类号:U455

文献标识码:B

Key Constructi on Technologi es and Counter measures for

Large 2scale M i n ed I nterchange M etro St ati ons

CHEN Tao,DONG Xiao 2l ong

(S henyang M etro Headquarter ,S henyang 110011,China )

Abstract:Taking the constructi on of Youth Street Stati on of ShenyangMetr o as case hist ory,the author p resents the ma 2

j or constructi on step s and key points of P BA (Pile 2Bea m 2A rch )constructi on method .Due t o the comp lex structure of the Metr o stati on,P BA (Pile 2Bea m 2A rch )constructi on method is adop ted,which i m p r oves the safety and stability of the works,m ini m izes the def or mati on occurring during constructi on and p r otects the adjacent structures and buildings effec 2tively .

Key words:P BA constructi on method;field f or mwork;steel tube post;constructi on of bored concrete p ile

1工程概况

青年大街站位于沈阳市沈河区,为一、二号线的十字交叉换乘车站,布局复杂,车站规模大;青年大街站车站主体均为暗挖施工,一号车站采用P BA 工法(洞柱法)和CRD 工法(中柱法)结合施工。P BA 工法施工段为两层三跨三连拱结构,CRD 工法施工段为单层三跨三连拱结构。二号线采用P BA 工法施工段为两层两跨两连拱结构。

2工程关键技术

①P BA 工法:青年大街站主要采用P BA 工法施

工,该工法施工工艺复杂、工序转换频繁。采用P BA 工法施工大跨度地铁车站工程实例较少,工法尚需在施工实践过程中进一步的完善。

②降水施工:青年大街站地质条件差,车站结构穿越粉-细砂、中-粗砂、砾砂、圆砾层,地下水丰富且渗透系数高(为120m /d )。降水施工的好坏直接影响工程的成败,施工中必须确保降水效果,保证车站在无水环境下施工。

③防坍塌:车站拱部为粉细砂层,开挖时极易坍

塌,施工过程中必须遵循浅埋暗挖十八字方针。尤其是拱部开挖时须严格按要求做好超前管棚、注浆加固拱部地层等防坍措施。

④边桩、中柱、纵梁及扣拱施工:P BA 工法的关键是边桩、中柱、纵梁体系及扣拱的形成,后续工作全部在桩柱梁体系及扣拱形成的空间构架下进行。由于边桩、中柱、纵梁施工全部为洞内作业,扣拱形成经过多道工序,解决好桩、柱、梁体系及扣拱形成过程中的力学转换及平衡,确保桩柱梁及扣拱体系施工质量,防止结构变形、失稳和破坏,避免出现地面及拱部的沉降超限和局部坍塌是贯穿P BA 工法的技术难点。

⑤防水施工:由于车站结构复杂、工序转换多、防水层施工条件差、防水层保护较难、防水层的预留搭接与结构的施工缝较多,防水层质量较难保证。车站拱部连拱结构中洞与侧洞连接处的凹槽形成聚水廊道,非常不利于防水,因此,防水层的施作是本工程的技术难点。

⑥控制地表沉降保证建筑物和地下管线安全:青年大街站车站主体为多跨暗挖大断面,结构上方地下管线密布、周边建筑物较多。施工过程中保证暗挖车

收稿日期:2007-05-10;修回日期:2007-06-07

作者简介:陈涛(1966-),男,1988年毕业于同济大学地下建筑工程专业,高级工程师,现主要从事地铁建设管理工作。

第27卷　第3期2007年6月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　隧道建设Tunnel Constructi on 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

27(3):71～74,91

June,2007

站结构稳定,控制地层变形,确保周边建筑物和地下管

线安全即是本工程的重点也是本工程的关键。

3施工对策

3.1　施工方案

3.1.1　车站的总体施工安排

青年大街站总体施工顺序遵循“一、二号线同步施工,为主体提拱施工通道的附属先行施工,主体紧接

全面快速施工;主体施工过程中穿插进行换乘通道、紧急疏散通道的施工;地面附属工程在具备条件的情况下尽早施工,减少后期施工压力;明挖结构在满足工期要求的情况下尽可能避开(沈阳)冬季施工”的组织原则。3.1.2　车站的结构形式

青年大街站共采用了三种结构形式、两种工法,一

号车站具体横断面如图1。

图1　一号车站结构横断面图

Fig .1

Structural cr oss 2secti on of No .1Metr o stati on

3.2　车站结构的施工3.2.1

P BA 工法暗挖车站总体施工顺序

为保证车站结构施工安全,车站结构必须尽快形

成框架。首先施工6个导洞(上4下2),接着在导洞内施作承载结构和传力结构,包括边桩、底梁、钢管柱、顶梁等,然后由上至下逆筑车站结构,包括三跨顶拱的初期支护和二次衬砌、站厅层、站台层等,最后进行建筑装修、设备安装等。

具体施工流程如下:导洞开挖及支护→边桩施工、柱孔开挖→底梁施工→钢管柱吊装及灌注混凝土→桩、柱顶梁施工→三跨顶拱初支及二衬扣拱→站厅层施作→站台层施工→建筑装修及设备安装。

①第一步:施工(1)、(4)小导洞,在小导洞(1)、

(4)内施工钻孔灌注桩及桩顶冠梁。见图2(a )。

②第二步:施工(2)、(3)、(5)、(6)小导洞,先施

工下导洞,后施工上导洞,洞通后施工上下导洞间钢护筒。见图2(b )。

③第三步:在下导洞(5)、(6)内施工底板梁防水层及底板梁后,施工钢管混凝土柱,然后施工顶板防水层

及顶纵梁,并在顶纵梁中预埋钢拉杆。见图2(c )。

④第四步:施工顶拱Ⅱ超前小导管,并注浆加固地层;开挖导洞Ⅱ洞土体,施工顶拱初期支护。见图2(d )。

⑤第五步:施工顶拱Ⅰ及Ⅲ洞顶超前小导管,并注浆加固地层;开挖导洞Ⅰ及Ⅲ洞土体,施工顶拱初期支护,洞通后及时施工顶拱二衬及钢拉杆。见图2(e )。

⑥第六步:顶拱二衬施工完成后,分层开挖地下一层土体至地下一层中楼板下;施工地下一层中楼板梁及中楼板,并施工侧墙防水层及侧墙。见图2(f )。

⑦第七步:分层开挖土体至第一道钢支撑下0.5m 处,架设第一道钢支撑,施工侧墙网喷混凝土;开挖土方至基底,施工底板防水层、结构底板。见图2(g )。

⑧第八步:拆除钢支撑,施工侧墙防水层及侧墙;混凝土达到设计强度后,拆除钢拉杆,并施工内部结构;完成车站结构施工。见图2(h )。3.2.2P BA 工法暗挖车站施工要点

(1)小导洞施工

该P BA 逆作法施工小导洞数量较多,群洞效应更为明显,为尽量减小群洞效应,小导洞必须严格按照施工顺序的说明执行。车站顶部为粉细砂层,底板位于砾砂、圆砾层,施工过程中必须加强地层改良。

①在砂、卵石地段,不但进行超前小导洞注浆加固,而且把注浆范围扩大到拱部的掌子面,以防止开挖面的坍塌,并控制来自隧道纵向的地层损失及支护前因为应力释放而产生的松弛变形。

②车站底板位于圆砾层,降水作业使底部孔隙率有所增大,为增大中柱底梁地基承载力、减少基底的压缩变形,底梁施工前必须对下导洞底板进行注浆加固。

(2)洞内钻孔灌注桩施工

上导洞施工完成后,在导洞内施工边桩。在狭小的导洞内同时完成钻机成孔、钢筋笼搬运吊装、混凝土灌注、泥浆外运,施工难度较大,施工过程中需要注意以下方面。

①由于洞内操作空间小,地层变化大(有粉细砂、中粗砂、砂卵石等)和边桩设计要求,采用改装冲抓钻或反循环钻机成孔,以满足地下导洞狭小空间钻孔的施工要求。为防止塌孔和保证成孔质量,钻孔灌注桩采用跳桩法施工。

27隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年6月　第27卷

(3)天粱施工

天梁也是P BA工法施工重要的承载与传力结构,两侧通过预留筋与车站拱部二衬钢筋相接,下端与钢管柱连接。“天梁”在柱上导洞内施作,其钢筋绑扎、支模和混凝土灌注等各个施工环节都局限在导洞狭小的空间,施工较为困难。施工中根据柱距采用分段法施工,一般分段长度12m左右。在导洞狭小的空间可以采用机械连接预留钢筋头,并设置钢板,保护防水板不被破坏。“天梁”结构断面较为复杂,且钢筋密度大,灌注条件差,因此要确保“天梁”顶部灌注密实,减少初支和二衬混凝土之间空隙,设置预留浇注孔位进行隔孔浇注;并采取天梁两侧及天梁底部三面同时振捣,同时加强对施工缝的处理。

(4)三跨顶拱初期支护施工

37

第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陈涛等　　暗挖大型换乘地铁车站施工关键技术及对策

车站承载结构和传力结构形成后,从施工横通道向两端施作三跨顶拱初期支护。中拱超前,两边拱紧跟(约落后中拱3～5m)。中拱拉杆施作落后掌子面核心土约1m,拉杆施作必须及时,确保拱的推力平衡。拉杆采用<32mm精轧螺纹钢筋,用螺母固定,并用扭矩扳手施加一定的预应力。拱部开挖时,初期支护落在桩顶纵梁上,直接将力传至边桩和中柱。由于拱部开挖断面较大,在开挖过程中主要依靠预支护来维持洞周围岩的暂时稳定,开挖结束后才能施作初期支护,跨度过大时必将引起显著的地层沉降,因此采用大管棚、小导管、压注改性水玻璃浆液超前加固、锁脚锚管、回填注浆等一系列有效措施防止坍塌,控制拱部开挖阶段的地层沉降量。在开挖过程中导洞初期支护不得破除,以保证柱上天梁的可靠受力。

(5)三跨顶拱二次衬砌施工

顶拱初支施工完成后,紧接着施工顶拱的二次衬砌。施作中拱二次衬砌前,先拆除上导洞内与之相邻两侧的格栅。二次衬砌的钢筋分别与天梁的预留钢筋机械连接。为保证施工安全,衬砌分段进行,拆除一段导洞格栅衬砌一段,衬砌长度6～9m。中拱二次衬砌施工超前边拱一组。为保证二衬的外观质量,采用定型可调钢模,用梳形木和碗扣式脚手架作为支撑体系。

(6)站厅层施工

顶拱衬砌施工完成后由1#、2#施工横通道向车站两端开挖土方,并破除导洞初期支护。开挖土方至站厅板位置,采用0.15m3小型挖掘机开挖、机动三轮车运输、人工辅助清底、拆除导洞支护及钢管柱临时支撑。车站站厅层的混凝土东侧分两次浇注,每次浇注长度35m。西侧分三次浇注,每次浇注长度29m。站厅层的底模采用土模,开挖至站厅层的底面标高后,进行夯实,用红砖和3～5c m厚的水泥砂浆做成地模,并涂脱模剂,待脱模剂成膜后绑扎钢筋,同时预留、预埋各种孔洞、预埋件,检查合格后浇筑混凝土。站厅层混凝土达到设计强度后进行站厅层以上边墙的二次衬砌混凝土浇筑,边墙高2.2m,采用移动式边墙模板台车每10m一组进行浇筑。

(7)站台层施工

待站厅板及边墙二衬混凝土达到设计强度后即进行站厅板以下土方开挖。站台层的土方分三层开挖,站厅板以下1.7m范围为第一层,采用人工开挖,同时凿除地模;第二层开挖至柱下条形基础顶面钢管支撑以下0.5m,及时架设钢管支撑。第三层机械开挖到底,辅以人工拆除下导洞初期支护并施工底板垫层。由于逐层开挖受到结构层高,挖土拟采用0.15m3小型挖掘机与人工结合。土方开挖时,不能紧挨中间钢管柱单边开挖,应沿钢管柱四周平衡开挖,以减少土方对中间钢管柱的压力,避免产生不必要的变形。

逆作法施工土方开挖期间应全过程对基坑的围护体系、周围环境、地下结构本身进行监测,及时反馈信息,及时调整开挖方法、开挖速度和开挖方向,做到信息化施工。

3.3　管理措施

为了保证青年大街站在施工过程中能够攻坚克险,整个工程有条不紊、合理有序地进行,应采取以下针对性措施。

①组建一个有丰富地铁暗挖施工经验、责任心强、团结协作、能打硬仗的项目班子,配备充足的有经验的技术骨干和生产干部。

②根据设计图纸、施工现场实际情况及外部环境等因素,做好工程总体筹划。经审核批准后,作为本工程各项工作的纲领性文件,指导本标段安全管理、质量控制、施工进度、项目成本等工作顺利进行。

③加强技术支持保障工作:为保证本工程整体施工安全、稳妥、有序、科学、合理、经济,本标段的实施性施工组织设计,项目部编制完成后由公司总工审核并组织专家评审;同时为及时解决工地上的技术难题,由公司组织成立项目专家组。

④为提高项目的技术攻关能力,立足自身解决施工现场的技术难题,通过在建工程培养技术人才。项目部针对青年大街站“拱部穿越粉细砂层、洞内桩基施工、车站初支、二衬扣拱、连拱隧道防水层施工”等技术难题成立由项目领导、技术骨干、操作人员组成的攻关型的QC小组。

⑤为确保周边环境和车站的施工安全,对车站上方的市政管线和周边建筑物等风险源进行分级管理,对重大的风险源制定专项的监测和保护方案。施工前,对周边建筑及地下管线进行详细调查,并设定合理的监测警戒值和报警值等预控指标,进行动态信息积累。制定增设支撑、减小分段长度、分层厚度、调整支撑预应力及对既有建筑物、地下管线采取注浆保护等措施,达到保证周边建筑物和市政管线正常安全使用的目的。

4　施工监测

根据设计要求和施工需要,拟进行以下监测项目:地质及支护观察、地表沉降、周边建筑物沉降及倾斜、地下管线、拱顶下沉、周边位移、钢管柱下沉、土体水平位移、土体分层沉降、钢管柱受力、结构应力、围岩压力、底部隆起、地下水位。

通过监控量测,了解各施工阶段与支护结构的动态变化,明确工程施工对地层的影响程度以及可能产生失稳的薄弱环节,把握施工过程中结构所处的安全状态。用现场实测结果弥补理论分析不(下转91页)

47隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年6月　第27卷

图4　抑拱栈桥施工平面图(单位:c m )

Fig .4

Plan of invert trestle (unit:cm

)

图5

仰拱栈桥横剖面图(单位:c m )

Fig .5

Cr oss 2secti on of invert trestle (unit:c m )

(2)施工顺序

首先施作栈桥立柱,在立柱达到设计强度后安设栈桥横梁。栈桥主梁由挖掘机配合人工精确就位。栈桥铺设完毕后,洞内出碴、喷混凝土及钻爆车辆及设备在栈桥上正常通行,人工在栈桥下进行清底及混凝土灌注作业,当仰拱及填充的强度达到设计强度后,施作下一组长栈桥。

(3)栈桥长度与施工进度测算

每个工作面配备八组栈桥计96m ,每次灌注24m ,两天一个循环,算上混凝土养护时间,15d 完成一个长栈桥循环,每月可施工仰拱192m ,满足掘进施工的进度要求。4.3.3　拱墙混凝土施工拱墙混凝土采用自行加工的自行式全液压整体模板衬砌台车,台车长12m ,重130t 。4.3.4　混凝土运输及灌注设备

混凝土采用罐车运输,灌注采用输送泵,每台衬砌

台车配备两台罐车和一台输送泵。

5效果分析

武广客运专线大瑶山隧道横洞进正洞工程,在

2006年12月份的施工中,采用上述方案创造了单工作面开挖204m 、仰拱及填充210m 、拱墙衬砌204m 的记录。由于科学组织、合理安排,在整个隧道施工过程

中始终保持稳产高产的态势,未发生一起安全质量事故,得到了各方的好评。

6几点体会

①合理的施工方案:有很多工程往往就是因为方案不合理,从而为下一步的快速施工制造了障碍,特别是在有仰拱的隧道施工中。本文介绍的长栈桥方案使用非常成功。

②科学、合理的机械配套:设备配套是否科学合理,是保证每台设备是否充份发挥效能的关键。要根据隧道不同的长度、不同地质情况、预计生产能力等要素进行考虑。

③良好的施工作业环境:大多数机械设备对洞内空气质量要求都非常高,若通风不畅,空气粉尘含量高,会对设备造成一定的损害,降低设备的使用年限,同时也会对洞内的作业人造成一定的伤害,降低工效。

④不断引进新工艺、新设备:随着社会的发展、时代的进步,不能老是停留在原来的基础上,要不断引进一些新的工艺和设备,虽然在短期内可能不如现有的,但熟练掌握后,会发挥很高效率的。本文提到的炮孔放样软件,就是在本隧中引进并得到成功使用的。

参考文献:

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M ].合肥:安徽教

育出版社,2004.

[2]中铁三局.铁建设[2005]160号,客运专线铁路隧道工程

施工质量验收暂行标准[S ].北京:中国铁道出版社,

2005.

[3]时亚昕.隧道仰拱快速施工技术的现场试验研究[D ].

成都:西南交通大学,2004.

[4]高桂凤,刘尧军,冯卫星.大跨公路隧道仰拱优化设计研

究[J ].国防交通工程与技术,2003,(4).

(上接74页)

足,并把监探量测结果反馈到设计和施工中。

5　结语

青年大街站布局复杂、车站规模大、地质条件差、施工工艺复杂、技术难度大。且沈阳没有地铁暗挖施工的经验,没有成功经验可以借鉴,只有在施工过程中摸索总结。

参考文献:

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M ].合肥:安徽教

育出版社,2004.

[2]陈祥福.现代岩土论从[M ].上海:同济大学出版社,

2003.

[3]二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册

[M ].北京:中国水电水利出版社,1999.

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9第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　董道海　　客运专线大瑶山隧道全断面快速施工技术