地鐵洞樁法車站復雜多洞室系統受力轉換施工綜合技術

陳永栓

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

地鐵洞樁法車站復雜多洞室系統受力轉換施工綜合技術

陳永栓

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

洞樁法已經成為第四系地層中地鐵車站施工的主流工法，影響地層沉降的主要階段主要發生在多導洞系統形成的階段，以及后期主體結構初期支護大拱的形成階段，在復雜大型節點部位采取系統及綜合的施工技術盡量減小兩個階段引起的地層變形十分必要。某地鐵工程風道進入車站段受空間限制及工程環境影響，初支結構多次開口并受力轉換，在極端困難條件下實現了復雜多洞室的開挖作業，并最終安全完成大跨地下二襯結構。該工程的成功實踐豐富了淺埋暗挖初期支護受力轉換的方法，對類似工程具有特別的參考與借鑒意義。

地鐵車站;洞樁法;多洞室;受力轉換;施工

1 工程概況

1.1 風道與車站端部結構平面關系

北京某地鐵暗挖車站處于城市繁華區，車站呈南北向布置，總平面采用分離島式建筑布局，車站主體由2條分離的地下雙層洞室組成，兩洞室之間采用2條客流聯絡通道和1條設備聯絡通道相連，每條主洞室分別和北側的風道相連。車站風道與站體主洞室均采用洞樁法施工，由于建筑總平面受周邊道路、橋梁、管線的限制，且考慮風道內的設備布置需求，車站風道與站體主洞室在較小范圍內采用2個近似直角轉折進行連接，造成在風道進入車站主洞室端部時形成復雜的多洞室系統，其開挖和后期受力轉換需要嚴格控制地層沉降，以保證工程環境的安全［5］。風道與車站相交部位洞室關系如圖1所示。

1.2 地質條件

(1)工程地質

圖1 風道與車站相交部位洞室關系平面

站區位于永定河沖積扇的軸部，地形起伏不大。地層由填土、黏性土、粉土、粉細砂、中粗砂、圓礫卵石及細中砂等交互沉積而成，下部地層主要受永定河沖洪積扇的控制，上部地層受全新世古河道的控制，地層從上而下如表1所示。

(2)水文地質

工程涉及的地下水類型，按地下水的賦存條件屬于第四紀松散巖類孔隙水;按水力性質分為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水與地表水聯系密切，其來源主要是大氣降水、管道滲漏水補給，水位高程31.16～38.13 m;潛水水位高程為24.35～26.78 m;承壓水水頭高程為15.63～17.9 m。

1.3 風道、車站典型斷面

風道與車站主體站端加寬斷面如圖2所示，圖中給出了典型地質鉆孔的柱狀圖。

表1 車站所在地層情況統計

圖2 風道與車站主體站端加寬斷面(單位:mm)

2 工程重點及難點分析

(1)不利的地質狀況。暗挖車站在第四紀地層中修建，地層受上層滯水、潛水影響，隧道開挖存在較大風險，導洞、風道、車站主體拱部均有粉土、粉細砂層分布，該2種地層受地下水影響，自穩性差。雖然車站施工采用區域性降水，但是上層滯水難于疏浚，隧道開挖拱頂施工危險性較大。

(2)風道、車站主體暗挖結構周邊市政橋梁基礎、管線眾多，且多為近接施工，有多根橋梁樁基距離地鐵隧道的平面凈距約1.8 m，橋梁、管線均提出了嚴格的沉降控制標準。雖經方案比選，地鐵結構施工采用對周邊環境影響最小的“洞樁法”施工，但建設者仍需妥善處理隧道開挖、洞室受力轉換面臨的困難［3-4］。

(3)受到場地條件限制，風道不具備采用曲線進入車站的條件;風道洞室與車站洞室在平面上采用平行鄰近布局，東西向亦不具備設置橫通道的條件。結構最終形成“風道端部—風道與車站連接部位—車站端部”連續轉折的平面形態，該部位多洞室、多方向開挖，群洞效應顯著，對控沉不利。

(4)由于風道總長度亦受限，風道與車站連接部位必須布置設備，并兼顧綜合管線布線要求，故風道與車站連接部位的結構凈空必須保證4.8 m以上。車站端部需要采用偏拱(東、西拱腳不在同一高程)的方案，方能實現凈空需求，初支拱腳的著力部位需要考慮特殊設計。

(5)依據現場條件，豎井設置于風道北側，工程總體籌劃自北向南施工，而風道拱頂低于車站主體拱約1.2 m(圖2)，且應考慮2次軸線轉折，隧道側向開口及支護方案需要有突破。

(6)暗挖結構覆土淺，小導洞拱頂最淺覆土約4.6 m，車站主體拱部覆土約6.8 m，須考慮可靠的輔助施工措施以防沉控降。

3 施工總體方案

3.1 施工方案確定的原則

風道與車站連接部位為復雜多洞室系統，風險既來自于開挖階段，亦存在于各期受力轉換階段，施工方案確定須嚴格遵循以下原則［1］。

(1)為保證地鐵施工對周邊環境影響最小，車站風道、主體均采用洞樁法施工，避免后期受力轉換可能產生較大的沉降(與CRD法施工相比)，以保證主體施工完畢時最終沉降量最小;洞樁法施工采用順作法施工，以爭取初支、二襯扣拱的有利拱形，有效控制隧道開挖寬度;二襯逆作法由于需要設置較大的拱腳，洞室開挖寬度過大，不能滿足洞室空間布置，且不利于快速施工［2］。

(2)充分發揮小導洞的作用，通過小導洞在轉折處的挑高、加高，代替傳統橫通道的作用，在小導洞內完成大跨度初支拱(類似于套拱)，并進而進行下部土體的開挖。

(3)在小導洞內施作必要的臨時結構，形成洞室的早期轉換，并為后期受力轉換提供可靠的洞室頂部受力構件。

(4)在風道與車站連接部位設置大剛度構件，并形成系統的受力體系，完成初支受力轉換。

(5)在實施下部開挖之前，嚴格控制多導洞系統的“空腔體量”，受力轉換前盡量對無用空間進行封閉、回填，以進一步降低地層沉降。

(6)施工全過程實施嚴格的監控量測，為信息化設計與施工提供基礎數據保證。

(7)各洞室開挖時，實施必要的超前支護，確保掌子面開挖穩定。

3.2 主洞室的扣拱方向及初支受力轉換傳力體系(圖3)

經對地層情況、初支導洞體量、永久結構凈空、施工風險、施工通道留設等多方面因素比選，明確了決定總體方案及各子項的最核心的技術問題是以下兩方面。

(1)風道進入車站地下洞室的扣拱方向，尤其是風道東側墻、端墻到車站西側墻一段。最后的解決方案是:風道東側墻到車站東側墻段采用南北向扣拱，車站站端采用東西向扣拱。

(2)在小導洞完成后，風道、車站主體初支大拱施工前必須施工系統的傳力體系。該傳力體系由以下構件組成:加強拱殼 S1、S2、S3，初支加強梁 B1、B2，風道及車站的邊樁及冠梁。其中B1作為加強拱殼S1及風道端部扣拱的拱腳，B2作為加強拱殼S2、S3及車站端部扣拱的拱腳。

圖3 轉折部位扣拱方向及導洞內主要受力構件示意

3.3 導洞方案及洞內主要作業

導洞及永久結構的洞室布局如圖1所示。各導洞初期支護厚度均為30 cm，標準導洞的凈空尺寸為400 cm×450 cm(W×H)，為滿足后期洞內各項作業，采用了變高設計，最大加高尺寸為400 cm×812 cm(W×H)。各導洞凈空尺寸及洞內后續完成構件統計參見表2。

由于導洞內需要實施主體拱的開挖，而主體拱的起拱高度較大，故導洞除挑高段、加高段拱頂需要變化高程外，導洞底面亦須調整高程，具體參見圖4“B-B剖面圖、C-C剖面圖”，剖面位置參見圖1，永久結構在圖4中采用虛線表示。

導洞凈高550 cm及以下的開挖采用臺階法施工，開挖凈高超過550 cm的設置臨時水平支撐，避免邊墻過高導致的變形，并提高開挖的安全性。

3.4 初支受力轉換體系構件參數

初支受力轉換體系構件可以概括為“兩初支大梁、三初支拱殼、四面墻體(樁頂冠梁)、墻下樁體”，各構件的主要參數參見表3。

表2 各導洞凈空尺寸及洞內后續完成構件統計

圖4 風道與車站相交關系B-B剖面、C-C剖面

表3 初支受力轉換體系構件參數統計

4 施工實施情況及應用效果

4.1 風道與車站端部施工順序

在進入風道與車站端部節點施工前，已經完成了車站風井施工，該風井在地鐵施工期間作為施工豎井使用。之后，風道與車站相交部位的總體施工順序如下。

(1)在豎井內施作風道導洞1、導洞2，其中導洞2鄰近封端的部分應在導洞3完成后再行施工。

(2)在導洞1內施工導洞3、導洞4的開口，并完成全部導洞3、導洞4掘進并封端。

(3)施工導洞 1、2、3、4 內的全部圍護樁。

(4)施工導洞5、導洞6、導洞7、導洞8。

(5)施工導洞6、7、8內的圍護樁。

(6)施工初支大梁B1、B2。

(7)施工以上完成導洞內的樁頂冠梁，對冠梁及拱腳后進行回填。

(8)施工初支拱殼S1、S2、S3，對導洞與拱殼之間的空間進行回填。

(9)施工S1所對應的風道初支扣拱(南北向扣拱)，并進行封端，該封端位置緊鄰導洞5的東側。

(10)開挖拱殼S2、S3之間的土柱，施工該土柱區域的拱部初期支護。

(11)開挖拱殼S3南側的車站主體拱部地層，并實施初支扣拱。

以上所有鄰近洞室的施工均應避免鄰近結構同時施工，以降低群洞效應可能產生的沉降超標，至此風道與車站端部節點部位的初支受力轉換完畢，進入洞樁法開挖及順做車站二次結構的工序。

圖5 風道、車站初支扣拱前的超前支護

4.2 初支大拱施工前的超前支護措施

在施工初支拱殼S1、S2、S3前，對擬扣拱的風道、主體拱部打設大管棚，作為后期開口的超前支護;在S2、S3之間的未開挖土柱，實施拱部小導管雙向注漿，作為后期開挖的地層加固措施。具體參見圖5。

4.3 沉降控制效果評價

由于對復雜關鍵節點設置了初支受力轉換體系，初支扣拱完成后，對初支背后進行了系統的低壓注漿，風道進入車站端部節點位置的地表沉降得到了有效控制，至車站結構二襯全部施工結束，地表最大沉降僅49 mm，其中扣拱初支完成后沉降為37 mm，效果非常理想［6］。

5 結語

本工程在施工條件非常苛刻的條件下實現了大型洞室連續轉折的案例，該案例的成功是以復雜多洞室初期支護階段系統受力轉換為基礎的，在實施大跨洞室全面開挖之前，采用完整的受力體系為后期豎向荷載提供了有效的抗力構件及明確的受力傳遞途徑。受力轉換方案確定的原則深刻而簡潔，并在施工方案的制定和實施中始終遵循，確保了工程的順利實施及防沉控降效果。受力轉換體系的較大剛度與始終嚴格控制地下空腔體量的做法，也是可以被類似工程借鑒的經驗。

［1］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004:290-292.

［2］ 彭澤瑞.北京地鐵復-八線土建工程施工技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2003:18-48.

［3］ 楊慧林.北京地鐵十號線國貿站橋樁保護設計［C］∥中國土木工程學會.中國土木工程學會第十一屆年會暨隧道及地下工程分會第十三屆年會論文集.成都:中鐵西南科學研究院，2004:415-422.

［4］ 李汶京.地鐵車站隧道群鄰近橋樁施工關鍵技術研究［J］.鐵道標準設計，2009(10):85-88.

Integrated Construction Technology on Force Conversion of Complicated Multi-Cavern System at Metro Station by Pile-Beam-Arch Method

CHEN Yong-shuan
(Beijing Metro Engineering Construction Co.，Ltd.，China Railway 16th Bureau Group，Beijing 101100，China)

PBA(Pile-Beam-Arch)method has become the main construction method to built metro station within Quaternary system stratum.Remarkable ground settlement develops mainly in two periods，the periods of forming the multi pilot tunnel and forming the main structure's initial support.So the systematic and integrated construction technology must be adopted strictly at the complicated large-scale junction point in order to control the ground settlement in the two periods.The paper's example is located at a section where a ventilation gallery entered into the metro station，the construction condition was limited by the space and environment，and the initial support cracked more than once with the force conversions.But finally，the excavation of complicated multi-cavern was realized and the second lining of large-span underground structure was completed safely under the extremely difficult conditions.The success of this case can accumulates the experiences of force conversion of initial support of shallow underground excavation，and can be referenced by similar projects.

metro station;PBA(pile-beam-arch)method;multi-cavern;force conversion;construction

U231+.3

A

1004-2954(2012)07-0103-05

2012-04-06

陳永栓(1970—)，男，高級工程師，2002年畢業于中國地質大學(北京)巖石學專業，理學碩士，E-mail:chenysh1970@sohu.com。