地鐵暗挖車站風道與車站主體交叉段及馬頭門處系統錨桿與鋼架聯體支護技術

楊宏射

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

地鐵暗挖車站風道與車站主體交叉段及馬頭門處系統錨桿與鋼架聯體支護技術

楊宏射

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

以“青島地鐵一期工程(3號線)土建03標的延安三路站施工”為例，指出“風道進入車站主體的馬頭門和交叉段”部位設計要求的方法施工將造成工期拖延，并且個別支護措施在施工中不易實現而且在后續施工中存在安全隱患，通過對原設計中“風道進入車站主體的馬頭門和交叉段”施工方法的優化、提出了“系統錨桿與鋼架聯體支護”的新方法，并在現場實際施工中取得了成功；進而對“系統錨桿與鋼架聯體支護”的改進使用進行了闡述，為同類工程施工及隧道支護提出了一種新思路。

地鐵；暗挖車站；風道與車站交叉段；馬頭門；錨桿；鋼架；聯體支護

0 引言

隨著城鎮化建設的加快，城市的建筑物密集度增加，地鐵施工中為了保證地面建筑物的安全，暗挖工程越來越多，特別是斷面較大的地鐵車站更趨向于暗挖施工。

地鐵暗挖車站包括車站主體、站臺站廳、風井和風道等附屬工程。從風道進入車站主體施工，需要經過馬頭門、風道與車站主體的交叉段。馬頭門、風道與車站主體交叉段處于車站主體、區間隧道和風道的三岔口位置，是受力最大、最復雜的部位，在施工中要有安全有效的支護手段。目前地鐵隧道馬頭門、風道與車站交叉段施工技術已有一些研究成果。國斌[1]以北京地鐵區間隧道馬頭門工程為例介紹了馬頭門施工時采取馬頭門處格柵和連接筋加密、設置加強環梁的施工技術；蔣青青等[2]以深圳地鐵5號線怡景路站—黃貝嶺站區間隧道的馬頭門工程為例，介紹馬頭門采用二重管注漿、中空錨桿注漿、大管棚支護和小導管注漿相結合的支護方法；王偉等[3]以青島地鐵3號線延安三路為例對風道進主體車站暗挖施工門式鋼架支護技術做了介紹；金寶等[4]結合北京地鐵5號線天壇東門站和沈陽地鐵2號線崇山路站的施工及設計情況,對暗挖車站的風道轉入車站正洞施工采用的CRD工法和PBA工法+洞樁(柱)法技術進行了分析。此外，國內近年來還有許多地鐵隧道馬頭門或者風道與車站交叉段施工等方面的研究[5-8]。

以上文獻大多研究的是馬頭門或者風道與車站交叉段的單獨施工技術，涉及到風道與車站交叉段內容，沒有提及馬頭門與交叉段初期支護連接的技術，或者使用的技術比較復雜。本文通過介紹青島地鐵3號線延安三路站(原名湛山站)風道與車站馬頭門及交叉段連續施工的綜合技術，提出了系統錨桿與鋼架聯合支護的施工方法，系統錨桿和鋼架施工是很成熟的工藝，現場操作起來方便而且施工質量也容易保證。

1 工程概況

1.1 結構組成及施工參數

青島地鐵一期工程(3號線)土建03標的延安三路站屬于暗挖車站，設計有1號風井、2號風井、1號風道和2號風道等附屬工程，具體如圖1所示。

圖1 延安三路站總平面圖

風道與車站主體交叉段及馬頭門處的支護參數如表1所示。

1.2 地質條件

車站頂部埋深13.4 m ，車站拱部位于強風化花崗巖巖層中，圍巖級別V級；側墻和底板位于中風化-微風化花崗巖中，圍巖級別IV～III級。

1.3 施工方法

1.3.1 總體施工順序

車站的總體施工順序為：風井—風道—風道與車站交叉段—車站主體。

風井和風道施工完成后作為車站施工時渣土、材料和混凝土等運輸的通道，風道的二次襯砌施工完成后方可進行車站主體的開挖支護。

表1 通道支護參數表Table 1 Supporting parameters

1.3.2 風道的施工方法

風道采用CRD法分6部開挖支護，具體如圖2所示。

圖中的數字序號表示施工的先后順序。

圖2風道施工方法(單位：mm)

Fig.2 Construction method of ventilation tunnel (mm)

1.3.3 車站主體的施工方法

車站主體采用雙側壁導坑法分9部開挖支護，具體如圖3所示。

在車站與風道交叉段位置，不設置臨時中隔壁，僅設置臨時仰拱。

1.3.4 風道與車站交叉段的施工方法

風道與車站交叉段(以下簡稱“交叉段”)分2步施工。第1步：通過架立門式鋼架及錨桿、鋼筋網和噴混凝土等支護方式，采用CRD法分6部開挖支護交叉段，具體如圖2所示；第2步：交叉段的初期支護安裝車站主體的鋼架，并按照設計要求完成初期支護，具體如圖4所示。

圖中的數字序號表示施工的先后順序。

圖3車站主體施工方法圖(單位：mm)

Fig.3 Construction method of main body of Metro station (mm)

圖中的數字序號表示施工的先后順序。

圖4風道與車站交叉段施工圖(單位：mm)

Fig.4 Construction method of junction section between ventilation tunnel and Metro station (mm)

上臺階施工時門式鋼架的榀數已經達到了設計的要求，中下臺階施工時順著上臺階的鋼架連接板順接即可。

門式鋼架只起臨時支護的作用，車站主體開挖時門式鋼架的豎直部分需要拆除、土體的荷載全部施加在車站主體的初期支護上。

1.3.5 交叉段馬頭門處的施工方法

馬頭門處原設計的施工方法為：風道施工至變形縫處后聯立3榀I25b型鋼鋼架，鋼架拱部設置1環φ42超前小導管，L=4.5 m，環向間距0.3 m；等交叉段施工完成、架立車站主體鋼架前，在上述3榀型鋼中靠近交叉段的鋼架拱部安裝I20a水平連接鋼架，水平鋼架的另一端與車站主體的鋼架連接；在每榀水平連接鋼架的兩端分別打設2根φ25、L=4.0 m的中空注漿錨桿；同時在水平連接鋼架與I25b型鋼鋼架間架立1榀I20a斜鋼架作為水平連接鋼架支撐；最后斜鋼架的兩側各設立1根豎向臨時支撐和支撐斜鋼架[3]。

施工方法具體如圖5所示。

(a)橫剖面圖

(b)橫立面圖

1.4 設計與實際施工間的矛盾

1.4.1 工期拖延

設計交底要求風道二次襯砌結構施工完成并二次襯砌混凝土達到設計強度后方可進行主體結構開洞施工。如果按照設計要求施工，風道、馬頭門和交叉段開挖支護完成后不能轉入車站主體開挖支護施工，等其中下臺階開挖支護完成并且施作風道二次襯砌至風道與車站主體變形縫位置后，再轉入車站主體的開挖支護施工。這樣施工將延長工期3個月。

延安三路站是地鐵3號線工期控制工程，如果延誤3個月工期將會影響整條線的鋪軌工作。

1.4.2 馬頭門處設計支護措施的不足

馬頭門處的斜鋼架是I20a工字鋼，要加工成橢圓形難度大，而且加工成型后2個翼緣板有一定傾角，水平工字鋼鋼架和斜鋼架連接后不能保持水平，影響風道與車站接口處的凈空尺寸以及風道與車站交叉段的凈空尺寸；I20a臨時支撐(見圖5)架立在風道與車站的接口處，占用了接口處的空間，施工過程中運輸車輛和行走機械過往容易碰撞臨時支撐，具有潛在的安全隱患。

1.5 需要解決的問題

交叉段馬頭門處于車站主體、區間隧道和風道的三岔口位置，是受力最大、最復雜的部位。沒有有效的支護手段，初期支護完成后長時間放置會存在安全隱患，原設計馬頭門處的支護措施實際施作具有一定的困難。需要一種有效的支護手段，在風道不做二次襯砌的前提下能保證馬頭門處長時間的處于穩定狀態，并且這種支護手段在現場實施起來簡單方便。

2 施工方法的優化

2.1 優化

優化前后的主要區別在于系統錨桿的結構型式和布置形式。

2.1.1 錨桿的結構型式

將交叉段及馬頭門處砂漿錨桿的尾端加工成直彎鉤的型式，彎鉤水平段長度為120 mm，具體如圖6所示。

圖6 雙聯錨桿的結構型式圖(單位：mm)

2.1.2 錨桿的布置型式

改型后錨桿彎鉤的水平段與鋼架的翼緣板焊接，每處2根錨桿彎鉤水平段之間焊接，錨桿的環向間距為1 000 mm，縱向間距為500 mm；由于錨桿和鋼架通過焊接相連，每組錨桿中的2根錨桿尾端也通過焊接相連，將這種錨桿暫時叫做雙聯錨桿。

雙聯錨桿的布置型式具體如圖7所示。

3 雙聯錨桿的工作原理

3.1 鋼架受力及變形

3.1.1 原設計鋼架的受力

按照結構力學的方法對鋼架的受力及變形進行分析。

圖7 雙聯錨桿布置圖

2.2 優化后的施工工藝

優化后的施工工藝如圖8所示。

(a)開挖馬頭門及交叉段，安裝門式鋼架、鋪設鋼筋網施作連接筋、噴射混凝土，完成交叉段第1次初期支護

(b)安裝車站主體鋼架、打設雙聯錨桿，鋪設鋼筋網施作連接筋、噴射混凝土，完成交叉段第2次初期支護

(c)雙聯錨桿抗拔力達到設計要求強度后，拆除馬頭門范圍內車站主體的初期支護，安裝連接風道鋼架與車站主體鋼架的水平鋼架，并安裝水平鋼架的雙聯錨桿

(d)完成水平鋼架范圍內剩余初期支護

圖8馬頭門與交叉段施工工藝順序圖

Fig.8 Sequence of construction of ingate and junction section

鋼架受圍巖的主動荷載和被動荷載，具體如圖9所示。在這種受力狀態下，圍巖不僅對鋼架施加主動荷載，而且由于圍巖與鋼架相互作用，還對鋼架施加被動的約束反力，鋼架在主動荷載和約束反力同時作用下進行工作。

圖9 原設計鋼架受力圖

3.1.2 原設計鋼架的變形特點

鋼架在主動荷載作用下要產生變形，如圖10所示。在主動荷載(設圍巖垂直壓力大于側向壓力)作用下，結構產生的變形用虛線表示，在拱頂將形成脫離區，在兩側及底部將形成抗力區。為此，圍巖對鋼架起雙重作用，圍巖產生主動壓力使鋼架變形，又產生被動壓力阻止鋼架變形。

圖10 原設計鋼架受力變形圖Fig.10 Sketch of deformation of originally-designed steel arch under loading

另外，由于圍巖的不均勻性，造成局部圍巖自穩性較差，產生崩落、形成被動壓力，使鋼架局部變形。

3.2 雙聯錨桿的工作原理

3.2.1 雙聯錨桿作用下鋼架的受力

1)圍巖整體變形時的受力狀態。在雙聯錨桿作用下，鋼架除圖9所示的受力外，還受到錨桿的反力。具體如圖11所示。

雙聯錨桿與鋼架固定成一個整體，錨桿的受力方向根據鋼架的變形變化，當鋼架遠離圍巖時錨桿的作用力指向巖面，當鋼架靠近圍巖時錨桿的作用力背向巖面，即錨桿的作用力方向與鋼架變形方向相反。

圖11 雙聯錨桿作用下鋼架受力變形圖Fig.11 Loading and deformation of steel arch supported by combined bolts

2)圍巖局部變形時的受力狀態。當圍巖發生局部變形時，鋼架的受力狀態如圖12所示(以拱部為例說明)。

(a) 原設計圍巖局部變形時

(b) 加雙聯錨桿圍巖局部變形時

3.2.2 雙聯錨桿對鋼架變形的控制

1)系統錨桿的作用。系統錨桿具有局部作用和整體作用。當錨桿局部作用時，錨桿一段處于松動巖體中，另外一段處于穩定巖體中，利用錨桿的摩擦力將松動巖體部分懸吊，不導致松動巖體掉落；錨桿整體作用時，錨桿群對洞室圍巖做整體加固，被錨桿加固的不穩定圍巖可視為錨桿組合拱。錨桿組合拱內切向縫的剪力由錨桿承受，斜向縫的剪力由錨桿和巖石共同承受，徑向縫的剪力由巖石承受。

雙聯錨桿也屬于系統錨桿，對圍巖起到了局部加固作用和整體加固作用，通過對圍巖加固，減輕了鋼架的荷載，從而控制了鋼架的變形。

2)通過自身特點控制鋼架變形

①圍巖整體變形的控制。當圍巖發生整體變形時，鋼架受到豎向圍巖主動壓力和側向主動壓力，這時拱部錨桿對鋼架產生向上的拉力抑制鋼架的變形，鋼架對圍巖施加反力抵抗圍巖的變形；側墻錨桿對鋼架產生指向隧道中線的拉力，控制了鋼架向外的變形。

拱部鋼架的變形控制后，側墻鋼架的變形同時也會減小，整個斷面的錨桿共同作用，控制了鋼架的變形。

②圍巖局部變形的控制。當圍巖發生局部變形時，如果沒有雙聯錨桿，圍巖對鋼架的主動壓力僅靠兩

拱腳的反力來平衡(如圖12(a)所示)；增加了雙聯錨桿后，平衡圍巖對鋼架的主動壓力不僅有兩拱腳的反力，還有錨桿的拉力(如圖12(b)所示)，減小了兩拱腳的支撐力，相應減小了鋼架的彎矩，因此鋼架的變形也就得到了較好地控制。

4 優化施工的效果

4.1 現場施工

按照優化后的支護措施施工上臺階馬頭門及風道與車站交叉段的上臺階后，監控量測反饋的數據顯示：馬頭門及風道與車站交叉段在施工過程中及施工后，施工部位的洞身一直處于穩定狀態。因此也就實現了風道、交叉段和車站主體開挖支護的平行作業，解決了工期拖延的問題；并且在風道與車站交叉段施工中，沒有出現圍巖坍塌掉塊的安全事故，也沒有出現初期支護變形的問題。

4.2 地表沉降監測數據

4.2.1 地表沉降監測點布置

地表沉降點布置如圖13所示。

圖13 延安三路站地表沉降監測點布置圖

4.2.2 地表沉降監測數據

延安三路站1號風道、2號風道和車站交叉段自2011年11月開始施工后，截至2013年12月，車站主體二次襯砌施工基本完成，共經歷25個月。在25個月期間，對地表沉降一直進行了監測。地表沉降主要監測點的累計沉降數據如表2所示。

從表2可以看出：使用了雙聯錨桿支護方式的車站與風道交叉段的地表沉降值明顯比車站其他段落的地表沉降值小。

5 雙聯錨桿的改進及推廣應用

雙聯錨桿在延安三路站的風道與車站主體交叉段使用達到了預期的效果。如果再做改進，在以后施工中可以作為初期支護的一種方法和手段進行推廣使用。

5.1 錨桿的型式及組件

1組雙聯錨桿可以由2根帶螺紋的錨桿體、錨墊板和螺母組成。具體如圖14—16所示。

表2延安三路站地表主要監測點累計沉降值
Table 2 Accumulative settlement measured at major ground surface settlement monitoring points of Yan’ansanlu Metro station mm

里程線路左中線隧道中線線路右中線備注K6+080-29．86-25．73-29．591#風道與車站交叉段K6+102-39．54-48．17-44．22K6+112-78．28-80．83-79．85K6+132-44．29-50．19-59．32K6+155-47．11-51．04-51．92K6+173-60．54-65．63-59．97K6+202-34．74-42．23-48．35K6+217-42．14-38．56-41．97K6+234-58．09-60．98-57．86K6+250-13．65-21．57-19．54K6+275-12．37-15．95-17．542#風道與車站交叉段

圖14 雙聯錨桿裝配圖

a表示錨桿的總長；b表示錨桿尾端螺紋的長度；螺紋長度小于鋼架保護層厚度。

圖15錨桿結構型式圖

Fig.15 Structure of bolt

L表示鋼架的寬度；D表示錨桿體直徑；d表示錨桿體半徑；50 mm表示鋼架縱向間距誤差。

圖16錨墊板結構型式圖

Fig.16 Structure of bearing plate of bolt

5.2 施工工藝

5.2.1 施工順序

雙聯錨桿的施工順序如圖17所示。

5.2.2 施工工藝

雙聯錨桿的施工工藝與常用的砂漿錨桿的施工工藝大多相同，只在錨桿位置標識、水泥砂漿材料和施加預應力等方面工藝上和常用砂漿錨桿有些不同。

1)錨桿位置標識。按照設計的錨桿間距，用紅油漆在初噴混凝土面上標識錨桿的位置，每組雙聯錨桿位置標識時考慮鋼架縱向±50 mm的誤差[9]。制作錨墊板時也應考慮鋼架縱向±50 mm的誤差。

2)水泥砂漿材料。砂漿錨桿的水泥砂漿使用早強型的，砂漿采用硫鋁酸鹽早強水泥、砂、TZ或TZS型早強劑配置，一般在2～4 h就具有50 kN的錨固力[10]。

使用早強型水泥砂漿，可以較早地施加預應力，按照初期支護的施工順序，鋼筋網鋪設、鋼架和縱向連接安裝完成后，復噴混凝土之前就可以施加預應力。

圖17 雙聯錨桿施工順序圖

3)施加預應力。雙聯錨桿施加預應力采用力矩扳手，施加預應力前將錨墊板安裝在錨桿體上，并將錨墊板與鋼架焊接牢固。

施加預應力時，從拱頂向兩側按照順序進行；每組雙聯錨桿的2根錨桿同時施加，以隧道中線為對稱軸的2組錨桿同時施加；預應力的大小根據實際需要和設計要求確定。施加預應力后，立即將螺母與錨桿體焊接固定。

4)封錨。施加預應力后，在噴射混凝土時就對預應力錨桿進行了封錨，不需要采取單獨的封錨措施，簡單易行。

5.3 雙聯錨桿成型后的型式

雙聯錨桿成型后的型式如圖18所示。

6 雙聯錨桿的優點

1)雙聯錨桿的雙重作用。雙聯錨桿具有自身的優點和普通系統錨桿的雙重作用。

2)能較好地控制圍巖的變形。雙聯錨桿與鋼架連接為一體，當鋼架在圍巖壓力的作用下向任何方向發生變形時，錨桿能提供反力平衡圍巖的壓力來抑制這種變形；鋼架的變形減小，圍巖的變形相應就會減小。

錨桿與鋼架連接點相當于梁的支點，梁支點間距離減小，梁的彎矩就會變小(M=0.5qL2。M為彎矩；q為圍巖的壓力；L為兩支點間的距離)，抵抗變形的能力增強。

圖18 雙聯錨桿成型圖

雙聯錨桿通過提供平衡圍巖的反力和減小鋼架的彎矩，控制了鋼架的變形，鋼架的變形小就能較好地抵抗圍巖的變形。

3)可以施加預應力。改進后雙聯錨桿能施加預應力，可以將圍巖的主動土壓力改變成被動土壓力，抑制了圍巖的變形。

4)不增加工序。錨桿的砂漿如采用硫鋁酸鹽早強水泥、砂、TZ或TZS型早強劑配置，砂漿的強度提高快，在復噴混凝土前就能安裝錨墊板施加預應力(砂漿錨桿也需要安裝錨墊板)，沒有增加工序。

5)制造簡單、施工方便。改進后的雙聯錨桿比原錨桿尾端增加了螺紋，螺紋加工方便，在施工場地內就可以用車絲機加工；錨桿現場安裝工藝與原來的錨桿完全相同，已經是成熟的施工工藝。雙聯錨桿制造簡單，現場安裝方便。

7 結論與建議

7.1 結論

1)雙聯錨桿在延安三路暗挖車站中使用取得了成功，節約了工期，保證了施工安全，而且使用方便；

2)雙聯錨桿不僅有自身的優點，而且還具有系統錨桿的作用；

3)延安三路站使用雙聯錨桿的2個交叉段的地表沉降值明顯低于未使用雙聯錨桿的地段；

4)雙聯錨桿需要和鋼架結合起來使用，而且只能用于初期支護形式有鋼架和錨桿的地段。

7.2 建議

在以后施工中使用雙聯錨桿時，采集使用雙聯錨桿與未使用雙聯錨桿的足量監測數據進行對比分析，根據對比分析結果指導設計和施工，通過以下2種途徑達到經濟節約的目的：

1)在不改變隧道支護參數的前提下減少預留變形量，可以減小隧道的斷面，從而減少土石方開挖量；

2)在不改變預留變形量的前提下，可以減弱初期支護的強度和剛度。

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TechnologyforSupportingConsistingofSystematicBoltsandSteelArchesAppliedinConstructionofIngateandJunctionSectionbetweenVentilationTunnelandMainBodyofMetroStation

YANG Hongshe

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

In the construction of Yan’ansanlu station of Phase I project (Line 3) of Qingdao Metro,the construction duration would be prolonged,some support measures would be difficult to be realized and safety risks would exist in the following construction,if the ingate and the junction section between the ventilation tunnel and the main body of the Metro station were built in accordance with the original design.Therefore,the original design of the construction of the ingate and the junction section between the ventilation tunnel and the main body of the Metro station is optimized,a new support pattern consisting of systematic bolts and steel arches is proposed.The new support pattern proposed has been successfully applied in the construction of the Metro station mentioned.Furthermore,modification is proposed for the support pattern consisting of systematic bolts and steel arches so as to provide a new support concept for the construction of similar works and tunnels.

Metro; mined Metro station; junction section between ventilation tunnel and Metro station; ingate; systematic bolt; steel arch; combined support

2014-02-13;

2014-06-13

楊宏射(1971—)，男，陜西鳳翔人，2007年畢業于長安大學，土木工程專業，本科，高級工程師，從事隧道工程施工技術工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.013

U 45

B

1672-741X(2014)09-0900-08