沈陽地鐵青年大街站施工技術淺談

黃 俊

(沈陽地鐵有限公司,沈陽 110011)

1 工程概況

1.1 車站概況

沈陽地鐵青年大街站位于十一緯路、大西路與青年大街交叉路口,為 1、2號線換乘車站,平面上呈“十”字形架構。1號線車站沿十一緯路、大西路呈東西向布置;2號線車站沿青年大街呈南北向布置。1號線車站在下,采用雙層島式車站,長 211m,寬 22.9m;2號線車站在上,采用雙層側式車站,長 141.2m,寬22 m。車站總建筑面積20419m2,共設 4個換乘通道、4個風道、4個出入口、7個疏散通道樓梯口。站體主要穿越粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫砂、圓礫地層,圍巖級別為Ⅰ ～Ⅱ級,頂板覆土厚度 6.6m。地下水豐富,為孔隙潛水,地層滲透系數可達 100m/d。

車站主體采用全暗挖法施工,其中 1號線車站兩端為兩層三跨三連拱結構,采用 PBA工法(洞樁法)逆筑施工,中間段為地下單層三跨三連拱結構,采用暗挖CRD工法(中柱法)施工;2號線車站采用 PBA工法(洞樁法)逆筑施工,為兩層兩跨兩連拱結構。站體周圍設管井封閉降水。車站結構總平面布置見圖1,車站效果圖見圖2。

1.2 周邊環境

青年大街站地處沈陽市繁華地帶,地上設施主要有交通指示燈、路燈、路面等公共設施。車站周圍建筑密布,西北角為中共沈陽市委、西南角為 32層高的住宅樓、東北角為圣世豪林超高層建筑在建項目、東南角為多棟 5～7層住宅樓,大多臨近出入口通道或風道風井基坑或暗挖通道,對地層、地表變形控制要求高。

圖1 車站結構總平面布置示意

圖2 青年大街站效果圖

車站場地內地下管網密集,給水、電信、電力、熱力、煤氣、排污、混凝土渠等數十條地下管線縱橫交錯,非常復雜,大部分與車站平行或正交,對地層變形控制要求高。其中,排水管線中 3條污水渠斷面尺寸分別為 2.1m×1.9m(2條)、0.9m×2.1m(1條),為該區域排水干管,車站主體平行下穿污水管(渠),附屬結構多達 20次交叉下穿污水管(渠),污水管(渠)為 20世紀 30年代和 50年代磚砌結構,滲水嚴重,管(渠)距結構頂板僅 4m左右,在砂層中下穿污水管難度極大。主要排水管線平面示意見圖3。

圖3 主要排水管線平面示意

2 工程施工總體安排

為盡可能降低對市民出行和市容環境的影響,本站采用全暗挖法施工,共設施工豎井 4座,其中 1號線車站設兩個施工豎井,分別為 1號施工豎井(西北場地)、2號施工豎井(東北場地);2號線車站設兩個施工豎井:3號風道豎井與 1號疏散通道豎井聯合作為 3號施工豎井(東北場地),4號風道豎井與 3號緊急疏散通道豎井聯合作為 4號施工豎井(西南場地)。

工程施工總體順序安排:①施工降水;②豎井施工;③施工作為車站主體結構運輸通道的橫通道;④施作車站主體 PBA工法段結構;⑤施作車站主體 CRD工法段結構;⑥1、2號線車站主體結構貫通;⑦施作其余出入口、風道、疏散通道及換乘通道。豎井平面布置及車站結構施工順序見圖4。

1號線 PBA工法暗挖段,2號線 PBA工法暗挖段主體結構及 1號線與 2號線連接 CRD工法暗挖段主體結構施工完成后方可實現全部結構貫通。

圖4 車站結構施工順序示意

3 重大安全隱患治理

由于車站周邊高層建筑眾多,污水暗渠等地下管線密布,砂質地層穩定性差,施工難度及工程風險極大,此站被列為沈陽地鐵 1號線土建施工重大風險源之一。為確保施工安全,業主多次組織召開青年大街站風險分析及安全控制專項會議,研究切實可行的風險控制措施,并組織實施了幾項風險控制配套工程,對上述幾條排水管渠的排水負荷進行減壓,簡要介紹如下。

(1)組織實施了十一緯路—南五經街降水排水工程。

為降低車站暗挖風險,保證地鐵施工降水不直接排入車站結構上方既有污水管渠,結合市政排水總體規劃,組織實施了十一緯路—南五經街排水管線工程。將青年大街站西側相鄰區間地鐵施工降水通過該管線直接排入南運河。

(2)組織實施了青年大街西暗渠與十一緯路—南五經街排水管線連通工程。

由于青年大街西暗渠位于青年大街站上方,為降低施工風險,把十一緯路已經完成的降水排水管線(2根 φ1mHDPE排水管)向東延伸,與西暗渠接上,并對接口下游西暗渠管道進行臨時封堵,使暗渠內水流進入新修的降水排水管線,流經十一緯路排至南運河。

(3)組織實施了大西路排水管線及泵站工程。

為降低車站暗挖風險,保證地鐵施工降水不直接排入車站結構上方既有污水管渠,青年大街站東側相鄰區間地鐵施工降水通過大西路排水管線及泵站,經奉天街暗渠,直接排入青年湖。

(4)組織實施了青年大街東暗渠截流臨時封堵工程。

沿青年大街東側的污水暗渠(寬 2.1m,高 1.9m)修建于 1955年,為磚砌結構,年久失修,滲漏嚴重。在深入研究現狀排水管網的基礎上,新建一條連接該暗渠與北二經街暗渠的排水管線,將暗渠內污水調流,并臨時封堵。

(5)對既有污水暗渠實施防滲漏內襯工程。

在對既有暗渠截流、分流的基礎上,組織施工單位對既有污雨水暗渠進行防滲漏內襯處理,最大限度地降低污雨水滲漏造成的施工風險。

通過以上配套工程的實施,有效地降低了青年大街站施工的外部環境風險,為施工單位安全施工提供了相應保證。

4 施工降水

4.1 水文地質情況

車站范圍地下水賦存于圓礫、礫砂等強透水層中,屬第四系孔隙潛水,穩定水位埋深在 4.5～6m,對暗挖車站的開挖順利與否有較大影響。地層圍巖全部是第四系松散堆積物,多為中粗砂、礫砂、圓礫、卵石,粒徑較大,最大 100mm×230mm,黏聚力一般為 0,內摩擦角一般小于 35°,地層滲透系數可達 100m/d。

4.2 施工降水深度

本工程場區地下水位埋深 4.5～6m,車站開挖深度 23～26m,因而工程降水設計時考慮疏干施工范圍內的孔隙潛水,采用混合抽取潛水和承壓水的方法降水,使地下水位始終保持在車站底板埋深 1m以下,防止出現流砂、管涌、基坑突涌等現象。

4.3 降水井位布置及數量

經綜合考慮,本工程采用管井坑外降水方案,對車站進行封閉降水,相鄰降水井間距按 5～6m控制,降水井中心與圍護樁間距一般按≥3m控制。先期共打設管井 205眼,井深 24～30m。在工程施工過程中,為保證車站局部加深段降水效果,又補設深孔降水井 6眼,井深 50m,有效地保證了開挖作業無水施工。

4.4 降水觀測

降水期間對地下水動態進行觀測,并對地下水動態變化情況及時進行分析。地下水動態監測提供的資料主要為:地下水位監測數據、排水量數據、排水含砂量數據等。

當地下水位急劇變化時須及時分析原因,以便采取相應的處理措施。同時,為了保證降水期間抽水持續作業,防止長時間停電造成水位回升,影響地下結構施工,必須配備發電機作為應急備用電源,并配有自動切換裝置。

5 PBA工法施工

5.1 使用部位

1號線車站東、西兩端主體結構;2號線車站主體結構。1號線車站 PBA段結構斷面見圖5,2號線車站結構斷面見圖6。

圖5 1號線車站PBA段結構斷面(單位:m)

圖6 2號線車站結構斷面(單位:m)

5.2 方法簡述

該方法利用施工豎井橫通道,在車站內開挖平行車站的上下層小導洞,在上層小導洞內施工邊樁和中柱,邊樁作為車站圍護結構臨時擋土,同時邊樁和中柱共同組成車站拱部支護結構(扣拱)的支撐體系,然后在拱、樁、柱支護結構下開挖車站主體空間,邊開挖邊自上而下施作車站板、柱和側墻等永久結構。

5.3 施工工序

現以 1號線車站兩層三跨三連拱結構 PBA工法施工為例進行說明。

(1)自橫通道進洞,施工下、上邊導洞拱部超前小導管,并注漿加固地層,臺階法開挖導洞并施工初期支護,導洞貫通后,施工條形基礎、挖孔樁及樁頂冠梁。挖孔樁完成后,施工上、下中導洞初期支護,導洞貫通后施工上下導洞間挖孔。見圖7。

(2)施工中導洞底板梁、鋼管混凝土柱,然后在上導洞內施工頂縱梁并預埋鋼拉桿。見圖8。

圖7 導洞及圍護結構施工

圖8 鋼管混凝土柱及頂縱梁施工

(3)進行拱部初期支護扣拱。中拱先行,兩邊拱跟進,前后錯開不小于 6m,且不得拆除導洞中隔壁。見圖9。

圖9 初期支護扣拱

(4)沿車站縱向分段鑿除上層小導洞初期支護,每段不大于一個柱跨(約 7m),施作頂拱防水層及結構二襯,中拱先行,兩邊拱對稱及時跟進,并及時施工鋼拉桿。見圖10。

圖10 二次襯砌扣拱

(5)逆作法分段施工車站中板、地下一層側墻及車站底板、地下二層側墻,完成車站主體結構施工。見圖11。

圖11 分段施工車站其余主體結構

5.4 施工難點及措施

5.4.1 導洞施工技術難點及措施

由橫通道進入主洞施工時,合理確定上下 8個導洞的開挖順序,避免群洞效應所引起的地面沉降,是本工程施工中的一大技術難點。

(1)難點分析

①車站主體 8個導洞上下左右相距僅有 6～7m,開挖時相互影響。

②車站主體 8個導洞發生群洞效應引起地面沉降。

(2)施工中采取的措施

①在橫通道挑高段車站主體小導洞開口處須施工破口加強措施。

②在橫通道挑高段沿小導洞開挖輪廓打雙排水平超前注漿小導管以加固地層,并預埋加強環梁,改善此處受力情況。

③合理安排車站主體小導洞開口順序,按照“先下后上,先邊后中”的原則施工。

先施工下導洞,后施工上導洞,下導洞超前上導洞10～20m。上導洞側洞與中洞之間縱向拉開一定距離,避免相互干擾。

④每個小導洞開口時,分步破除橫通道挑高段小導洞內支護結構。按小導洞臺階法分步施作,先破除上半部分,進入 5～8m后再破除下半部分。小導洞開口 50cm范圍內,并排施作初期支護格柵加強。小導洞分臺階人工快速開挖,減少對地層的擾動,加強初期支護,盡早封閉成環,限制導洞的沉降和變形。

⑤根據監控量測信息反饋、位移分析來調整支護參數,以此作為安全保證的主要手段。

5.4.2 初支及二襯扣拱施工技術難點及措施

(1)難點分析

①車站初支扣拱跨度較大且拱部地層為自穩性差的粉細砂、中粗砂,同時車站下穿多條污水管(渠)。污水管(渠)修建年代較久且大多為磚砌,整體性極差,有滲漏水現象,如何確保初支扣拱的施工安全是本工序的難點。

②PBA工法車站扣拱工序復雜且轉換頻繁,如何解決好扣拱施工過程中結構的力學轉換及平衡,確保樁柱梁體系及拱部結構的穩定,防止結構變形、失穩和破壞是本工序的難點。

(2)施工中采取的措施

①扣拱施工前,對扣拱施工影響最大的兩條污水管(渠)進行導流,見前文所述。

②開挖時嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針,并根據地層情況采取雙層導管超前注漿、超前地質預報、封閉掌子面注漿、及時進行拱頂背后回填注漿及洞內跟蹤補償注漿等措施保證施工安全。

③嚴格按照設計施工步序和要求施工,初支扣拱施工時首先施工中洞,中洞扣拱 6m以上時開始兩側邊洞扣拱,邊洞扣拱必須同步;二襯扣拱施工時分段跳格施工,分段拆除小導洞初支,每段長度控制在 6～7 m,襯砌一段、拆除一段,并根據監控量測結果進行動態調整。

④初支扣拱及二襯扣拱施工前對頂縱梁和鋼管混凝土柱進行加固處理,減少扣拱施工過程中對梁柱體系的影響。

6 CRD工法施工

6.1 使用部位

青年街車站 1號線單層段結構采用暗挖 CRD法(中柱法)施工,具體斷面示意見圖12。

圖12 1號線車站CRD工法段結構斷面(單位:m)

6.2 方法簡述

1號線單層段車站開挖采用“中柱法”施工。該方法將整個斷面開挖橫向分為側洞、有柱的柱洞和中洞共 5個洞。先自上而下施工柱洞初期支護,再由下而上施作柱洞二襯,建立起梁、柱支撐體系。柱洞完成后,施工兩個柱洞中間的中洞的初期支護和二襯,形成整個大中洞穩定體系。再對稱自上而下施工兩側洞的初期支護,最后縱向分段自下而上對稱施作二襯,完成結構閉合。因本工程斷面相對較高,在立面上要分 3個臺階開挖到位,以保證施工安全。

CRD段整個斷面橫向劃分示意如圖13所示。

圖13 CRD工法斷面劃分示意(單位:m)

6.3 施工工序

鑒于篇幅原因,在此簡要介紹 CRD工法段施工步序如下。

在 1號線車站主體 PBA段下中導洞施工完成后,先后錯開 2m開挖支護柱洞①、②部土體,導洞貫通后,與 PBA段同步施工底縱梁。

在 PBA段土方開挖至中層板時,正臺階法先后錯開 2m開挖支護柱洞③、④部土體,導洞貫通后,施工鋼管柱及頂縱梁。

正臺階法開挖支護中洞⑤、⑥部土體,先后施工頂拱和底板二襯混凝土結構。

正臺階法先后錯開 4m開挖側洞⑦、⑧、⑨部土體,初襯貫通后,縱向分段拆除臨時中隔板,施工側洞二襯結構底板、側墻及頂拱,CRD段結構封閉成環。

拆除剩余臨時初支,并完成車站內部結構施工。

6.4 施工難點及措施

6.4.1 難點分析

CRD工法中洞施工是關鍵,側洞施工在中洞完工后方可進行,由于中洞鋼管柱為洞內作業,中洞形成經過多道工序,解決好中洞形成過程中的力學轉換及平衡,確保鋼管柱及中洞施工質量,防止中洞結構變形、失穩和破壞,避免出現地面及拱部的沉降超限和局部坍塌是貫穿 CRD工法的技術難點。

6.4.2 施工中采取的措施

(1)采用三維數值對各步序工況進行模擬分析,研究施工順序、分塊劃分、施工步距對地層變形的影響,全過程進行信息化管理,加強過程監測,實施動態化施工。

(2)開挖前,拱部采取大管棚與小導管注漿超前加固地層,弧形開挖導坑、留核心土,并架設臨時支撐、及時噴射混凝土等措施,保證開挖及支護安全。

(3)中洞分三跨六步開挖,先開挖兩側,遵循淺埋暗挖法“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針,在側洞開挖的同時通過注漿小導管對中部夾持土柱進行徑向注漿,以策安全。

(4)鋼管柱安裝就位并灌注鋼筋混凝土后,鋼管柱與柱孔之間空隙用細砂填密實。頂縱梁施工時對應下導洞滿布架手腳,控制臨時仰拱變形。

(5)嚴格控制相鄰分部格柵同步情況,從而中洞拱部初支格柵能夠與縱梁初支格柵連為一體,中洞拱部開挖前,在中洞兩側導坑與頂縱梁之間加設臨時支撐,平衡水平推力與豎向壓力。

(6)中洞拱部混凝土澆筑完成后,及時在中洞安裝臨時支撐,以平衡兩邊跨的側向推力。

7 施工監測

青年大街站主體為暗挖法施工,主要有 PBA工法(洞樁法)和 CRD工法(中柱法),均為多跨暗挖大斷面,結構上方地下管線密布。施工過程中保證暗挖車站結構穩定,控制地層變形,確保地下管線安全是施工重點。

因此全過程實施信息化管理,加強過程監測,實施動態化施工,根據監控量測、信息反饋、位移反分析來調整支護參數,以此作為保證安全的主要手段。青年大街站共布設地面沉降監測點 263個,工程實施過程中有 94個點累計沉降超過 30mm,超標點主要分布于1號豎井橫通道、2號豎井橫通道附近地表。

7.1 超標原因分析

(1)上述施工通道負責 1號線車站主體雙層段的施工,橫通道高度達 19.6m,分 5層施工到位,對地層多次擾動,故影響較大;

(2)1號、2號豎井橫通道在施工完成后,需在側壁陸續開設 16個導洞,是群洞效應較明顯的地方;

(3)橫通道覆土只有 6m左右,拱部所處地層為自穩性極差的粉細砂層,開挖中的超挖或小坍塌極易發生且極易反應到地面上;

(4)結構上方電力、通訊等管線套管內有積水且有滲漏水現象。

7.2 施工過程中采取的措施

(1)嚴格按照設計圖紙施工,做到“管超前,嚴注漿,強支護、快封閉、勤量測、速反饋”,并根據現場情況進一步加強參數,尤其要盡量控制坍塌,確保施工安全。

(2)將回填注漿作為暗挖施工必需工序,施工過程及時采用固結迅速的水泥-水玻璃雙液漿或改性水玻璃漿液進行初支背后回填注漿。

(3)施工完成后對拱部進行徑向注漿,一方面堵水一方面進一步填充地層空隙。

(4)在有條件的地方進行地面填充注漿。

(5)加強監測,并成立專門的科研小組,及時采取應對措施。

通過以上措施,所有超標點沉降速率都收斂趨于安全穩定狀態。目前,青年大街站主體結構已經全部完成,正在進行設備安裝和車站裝飾施工。

8 小結

由于本工程為全暗挖法施工,技術復雜,且沈陽地區尚為第一次施工地鐵,無成功經驗可以借鑒。因此,為了確保本工程的順利實施,工程參建各方均本著“安全第一、質量至上”的原則,認真排查各種風險源,從各個方面努力為工程順利實施創造條件。

(1)業主方加大投入,對車站上方年代久遠的磚砌混凝土排水暗渠等重大風險源組織專家進行論證,現場實施截流、導流、改移等措施,直接降低工程施工安全風險。

(2)由于是在砂礫層中暗挖法施工地鐵,能否成功實施降水為本工程順利施工的前提,業主方委托熟悉沈陽地區水文地質情況的專業勘察單位對地鐵 1號線工程實際和工程所處的水文地質環境條件進行專題研究,提交了《沈陽地鐵 1號線工程降水專題研究報告》,為青年大街站降水工程順利實施提供了可靠的第一手資料。

(3)工程原設計圍護結構為鉆孔灌注樁,因車站地層主要為卵石、圓礫地層,導洞內鉆孔灌注樁施工難度大、工效低,參建各方經過認真研究,優化設計,在確保降水效果的前提下,增加下層邊導洞,變更鉆孔灌注樁為人工挖孔樁,為 PBA工法在本工程成功實施提供了工期保證。

(4)工程施工過程中,針對每個重要工序,施工單位均本著科學嚴謹的精神編制工程專項施工方案,然后召開專家論證會對施工方案進行評審,審查通過后方可組織現場施工。

城市地鐵暗挖車站開挖斷面大,為了控制地表沉降、保證周邊建筑物安全,施工時必須將開挖斷面化大為小。PBA工法在沈陽地鐵青年大街站的成功實施,為我們解決了在全斷面砂層中控制地表沉降、保證周邊建筑物安全的同時實現地下大斷面暗挖結構形成的施工難題,是類似地層城市地鐵工程施工值得嘗試的好思路。

[1] 北京城建設計研究總院有限責任公司.沈陽市地鐵 1號線一期工程青年大街站主體結構施工圖[Z].北京:2007.

[2] 遼寧地質工程勘察施工集團公司.沈陽地鐵 1號線工程降水專題研究報告[R].沈陽:2005.

[3] GB50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].

[4] 鐵道第三勘察設計院.沈陽市地鐵 1號線工程總體設計(鑒后修改)[Z].天津:2004.

[5] 高毓才,彭澤瑞,郭建國.建設中的北京地鐵—地鐵“復—八”線[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[6] 施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997.

[7] 侯學淵,錢達仁,楊林德.軟土工程施工新技術[M].合肥:安徽科學技術出版社,1999.