暗挖地鐵車站柱洞法施工梁-柱結構防偏技術研究

桂金本，劉文兵，周錦強

(1.中鐵四局集團第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

?

暗挖地鐵車站柱洞法施工梁-柱結構防偏技術研究

桂金本1，劉文兵1，周錦強2

(1.中鐵四局集團第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

柱洞法是無水砂層條件下地鐵車站淺埋暗挖施工的重要選擇，施工過程中梁-柱結構容易發生左右偏轉。依托石家莊地鐵長城橋車站暗挖段，從施工技術角度提出一系列控制梁-柱結構偏轉的措施。首先，通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導管加固土體，減小開挖時地層變形；其次，在梁-柱結構安裝時加強梁-柱結構和初期支護的連接，及時在左右縱梁間架設臨時橫撐來提高結構的剛度；同時，在左右洞開挖和臨時支護拆除過程中保持對稱施工，使結構受力更加均衡；最后，施工過程中加強梁-柱結構的監控，及時反饋信息，動態指導施工。由現場施工和監測結果表明：梁-柱結構在幾種控制措施共同作用下，未發生明顯的偏轉，說明控制方法有效，可為類似工程提供參考。

地鐵車站；柱洞法；梁-柱結構；防偏技術

目前地鐵車站施工方法主要包括明挖法和暗挖法。淺埋暗挖法具有對地面建筑、道路和地下管網影響較小，拆遷占地少，噪聲及環境污染小的特點[1]。隨著城市交通量的日益增長、公民維權意識的提高以及錯縱復雜的地下管線的限制，淺埋暗挖法在地鐵隧道的建設中得到了大力推廣。淺埋暗挖法多應用于第四系軟弱地層，開挖方式有正臺階法、CD、CRD、側洞法、柱洞法、中洞法及盾構擴挖法[2-10]。其中柱洞法國內首次應用是在北京復興門車站[11]，與其他暗挖方法相比，施工對地層的擾動比側洞法小，比中洞法分塊、支撐和拆除量均少，具有比較好的經濟性和安全性[12]。目前有不少學者和工程師對柱洞法施工的地鐵車站進行了一定探索。傅春青[13]結合北京地鐵10號線柱洞法施工的某一車站，指出增加縱梁之間的橫向連接，以增強結構的整體剛度，進而達到減少地表沉降效果。梁韻[14]整理歸納了國內外典型暗挖地鐵車站的結構形式，通過對大量已建地鐵車站的統計調研，指出柱洞法施工時縱梁、柱將受到初期支護的水平力作用。周倩[15]根據北京張自忠路車站工程，通過數值手段指出關鍵工序為立柱施作后的扣拱，如何將扣拱位置水平力平衡的傳導到初期支護上決定著整個工程的成敗。從目前研究成果可知，梁柱結構在水平荷載作用下發生的偏移量將很大程度決定整個工程的成敗問題，而對于實際施工過程中如何有效的控制梁柱結構偏移量的研究較少。

本文依托石家莊地鐵1號線長城橋站柱洞法施工的暗挖段，通過現場實際施工過程的跟蹤和分析，就如何控制梁-柱結構的穩定性提出了相應措施，并通過現場監測數據驗證了施工方案的合理性。

1 工程概況

長城橋站位于中山西路和西二環十字交叉口，暗挖段起止里程為K5+048.720～K5+117.480，長68.76 m。車站暗挖段為單層三跨結構，覆土厚度約9.6 m，結構總寬度為22.6 m，總高度為9.67 m。暗挖段主體結構處于粉細砂和粉質黏土中，暗挖車站所處地層如圖1所示。

圖1 車站暗挖段平面和縱剖面

1.1 設計概況

車站結構采用復合式襯砌，初期支護采用噴射混凝土+格柵鋼架措施，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，兩次襯砌之間設柔性防水層。輔助工程措施采用超前小導管、大管棚、鎖腳錨桿、掌子面注漿、掌子面噴射混凝土封閉等，支護結構設計參數詳見表1。

表1 支護結構設計參數

1.2 施工概況

暗挖段采用柱洞法施工(圖2)，共分15個導洞施工，左右導洞(①～③和①′～③′)、中洞(④～⑥)、左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)分為上、中、下三層。地層加固后由上而下開挖左右導洞，上、下兩層步距控制在3～5 m，且右導洞先施工，其中左導洞上層①滯后右導洞下層③′3～5 m。待導洞貫通后施作梁-柱結構，其中柱子分吊裝、固定、鋼筋籠安裝和混凝土澆筑4道工序，頂縱梁采取分段施工，分段長度均取6 m，分段位置取鋼管柱縱向柱間距的1/4處，底縱梁為一次性澆筑。再由上而下開挖中洞(④～⑥)，上下層步距為3～5 m，貫通后拆除部分臨時結構澆筑二襯。最后對稱開挖左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)，上下層步距如前，待貫通后拆除臨時結構，施作左右洞二次襯砌。

圖2 柱洞法施工工序

1.3 施工中梁柱結構出現的問題

暗挖車站上部結構主要處于粉細砂地層中，粉細砂粒徑分布均勻，顆粒相對較小，結構松散，荷載作用下很容易變形，當中洞土體開挖，地層應力釋放，周圍土體往中間變形，同時在側向土壓力作用下，左右導洞支護結構將向中洞偏移，致使梁-柱結構出現偏移，將對結構的安全造成很不利的影響。在實際施工過程中，通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導管來改善粉細砂地層，以此達到加固土體進而起到減少地層及結構變形的作用。通過在左右縱梁間架設臨時鋼管橫撐來抵抗側向土壓力的作用，并且平衡中洞二襯扣拱的水平推力，從而限制中洞開挖時梁柱結構的偏轉。

在中洞二次襯砌施工時，扣拱位置二次襯砌將給梁-柱結構施加一個水平向的作用力，將使梁-柱結構往兩側偏轉。左右洞開挖，左右導洞兩側的側向土壓力消失，由左右洞的初期支護來平衡頂縱梁的水平推力，若在施工過程中未能及時的支護左右洞，將使梁-柱結構往弱側偏轉，將對結構的受力產生很不利的影響。在現場施工過程中，通過加強梁-柱結構和既有初期支護的聯系來抵抗扣拱位置的水平作用力，在左右洞施工過程中盡量做到對稱施工，使支護結構左右側受力均衡，進而達到控制梁柱結構偏移的效果。

總之，在柱洞法施工過程中，梁柱結構很容易發生往返偏移，在施工中能否較好地控制梁柱結構的偏移問題將成為整個工程至關重要的一環。

2 車站梁柱結構防偏施工對策

2.1 輔助工法對粉細砂地層進行加固

在洞口段10 m范圍內采用大管棚+深孔注漿+超前小導管補償注漿的方式加固拱部地層，其余地段采用深孔注漿+超前小導管補償注漿的方式加固拱部地層，具體布置見圖3、圖4。拱部施以Φ108×8 mm管棚，用全站儀測定鉆孔孔位，并用紅油漆標注在掌子面上，管棚仰角控制在1°左右。導向管安裝位置在開挖輪廓線外20 cm的輪廓線上。管棚壁上需鉆設溢漿孔，孔徑為10 mm，孔環向布置3排，縱向300 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止漿段為1.1 m。

圖3 管棚和深孔注漿布置(單位：mm)

圖4 超前小導管布置(單位：mm)

現場深孔注漿孔外插角近似水平，每次縱向加固范圍為10 m，搭接長度為3 m，注漿孔第一排沿開挖輪廓線布置，環距0.3 m，第二排環距0.6 m，并與第一排間距0.35 m，第三排環距0.6 m，與第二排保持在0.7 m，現場實際布置孔位如圖5所示。注漿材料為超細水泥-水玻璃雙液漿：水玻璃模數為2.2～2.8，濃度40Be′；水泥水灰比為0.8∶1～1.5∶1，雙液漿配比為1∶1。現場實際注漿壓力為1～2 MPa。

現場輔助工法效果如圖5所示，管棚在漿液的作用下形成了一個殼體結構，當下方土體施工過程中既能起到支撐上部土體的作用，又能隔離下部土體，減少土體的變形，進而起到控制結構偏轉的作用。深孔注漿的漿脈為水平狀分布，能防止土體坍塌，能夠減少支護結構背后的空洞，最終使支護結構受力更加均勻，也能為控制梁-柱結構偏移做出貢獻。

圖5 管棚和注漿效果

2.2 加強梁-柱結構和初期支護的連接

梁-柱結構施工過程中盡量減少左右導洞臨時結構的拆除量，在左右導洞臨時仰拱上破除一個1.5 m×1.5 m的孔洞，滿足鋼管柱吊裝和安裝即可，如圖6所示。在鋼管柱定位完成后，采用C20噴射混凝土將左右導洞的上、中臺階破除的孔洞進行封堵，封堵前，采用長度1.5 m的I22型鋼臨時固定，以保證鋼管柱的垂直度及與周圍臨時結構的變形協調。鋼管柱全部栓接完畢，將鋼管柱落在柱腳鋼板上與柱腳板上的限位角鋼密貼，用鋼管固定，防止鋼管柱偏移。施工過程中，頂縱梁與導洞初期支護之間的空隙，應采用方木、腳手架等材料進行多點支撐，以保證頂梁不發生偏移、扭轉等不良狀況。

圖6 鋼管柱臨時固定設計及工后效果

2.3 縱梁之間加設臨時鋼管柱

在頂縱梁、底縱梁之間設置臨橫支撐，臨時橫支撐采用φ400，t=10 mm的鋼管，間距3 m布置，通過預埋t=20 mm厚的鋼板與頂縱梁連接，如圖7所示。臨時橫撐應隨中洞土方的開挖施工，上部的鋼管柱在上臺階開挖后中臺階還未開挖前進行安裝，下部臨時鋼管柱則是在下臺階開挖到指定位置安裝。通過在縱梁之間架設臨時橫撐，使梁-柱結構的左右部分變成一個整體結構，使其變形協調，在中洞開挖時可以防止梁-柱結構往中間偏轉。另外，通過臨時橫撐的連接使梁-柱結構的剛度將大大提高，抵抗變形的能力得到明顯提高，在左右洞開挖時能有效的抑制梁-柱結構的偏轉。

圖7 臨時橫撐安裝示意

2.4 左右洞對稱施工

2.4.1 洞室開挖

左右洞斷面較大，土體開挖過程中地層損失率相對較大，對地層的擾動較大，若左右洞開挖不同步，整個中間的支護體系左右側受力將不平衡，結構將發生偏轉，這樣將導致上部縱梁發生扭轉，中間柱子出現偏心受力，將嚴重威脅到梁-柱結構的安全性，在施工過程中嚴格控制左、右洞開挖的施工進度，務必保持兩側土方開挖的一致性。

2.4.2 臨時支護拆除

左右洞臨時支護的拆除直接影響到初期支護和既有二次襯砌的安全，這樣臨時支護的拆除時機選擇和如何安全快速的施工將直接影響到整個工程安全。為了隧道結構安全，臨時支撐必須滿足以下幾個條件方能進行拆除作業：①臨時支護拆除前必須保證拆除段的支護體系已經封閉成環，且結構符合規范和設計要求；②拆除前該拆除段的沉降和收斂測量結果都滿足穩定條件，沉降收斂達到穩定的標準，收斂不超過0.2 mm/d；③臨時支護拆除后盡快進行二次襯砌支護，確保隧道結構穩定和安全。暗挖段左右洞臨時結構拆除分7段，由中間向兩端、左右側對稱施工，分段長度約9.6 m(其中第5澆筑段分段長度8.8 m)，即首先拆除第①澆筑段臨時支撐結構，拆除完成后進行防水施工。待第①澆筑段進行鋼筋綁扎作業時，第②澆筑段間隔2.6 m 由遠及近開始破除臨時支撐混凝土結構；待第①澆筑段完成混凝土澆筑，且混凝土強度達到設計要求后，第②澆筑段開始進行臨時支撐格柵主筋割除及儲備段(2.6 m長)臨時支撐破除施工。后續臨時支撐破除施工依次類推。左右洞二襯拱墻施工時，采用由上及下的順序，依次拆除左右洞內臨時中隔墻1、臨時仰拱2、臨時仰拱3，然后再立模澆筑混凝土，如圖8所示。

圖8 左右洞臨時結構拆除示意(單位：mm)

2.5 加強梁-柱結構的監控量測

在施工過程中為了確保梁-柱結構受力的安全性，在左右縱梁22 m(K5+070.720)處附近左、右縱梁中分別布置1對應變計，如圖9所示，以此來了解梁-柱結構在整個施工過程中應變情況。通過實際收集到的應變來反饋和指導施工，若在施工過程中應變出現急劇增長，或者左右縱梁受力出現巨大的差異性，中止施工查明具體原因，采取相應的補救措施。

圖9 頂縱梁應變計布置及安裝

3 施工效果評價

通過上述各種措施的綜合利用，長城橋站柱洞法施工暗挖段已順利完成，期間并未發生安全、質量事故。施工過程中頂縱梁和立柱并未發生明顯的偏轉變形，施工過程中左、右頂縱梁應力時程曲線如圖10所示。由圖10可知，左、右縱梁結構在整個施工過程中的應力的變化趨勢比較一致，Ew2和Ew3在整個施工過程應變基本一樣；在中洞臨時結構拆除二襯施工前En2和En3應變變化趨勢基本相同，在中洞二襯施工過程中縱梁背后注漿使En2和En3出現波浪式增長，之后En2應變明顯大于En3，主要是因為中洞拱、梁、柱結構體系建立引起的水平推力在結構體系中的體現；后續左右洞施工過程中En2受施工的影響相對較大，但兩者表現出的變化趨勢還是比較一致的，所以在整個施工過程中左右縱梁受力基本一致，進一步說明所采取的施工措施取得了比較好的控制效果。

圖10 左右縱梁應力變化時程曲線

4 結語

本文依托長城橋站暗挖段，提出了控制梁-柱結構偏轉的具體措施：通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導管來加固粉細砂地層，進而減少土體開挖地層的變形；在立柱和縱梁施工過程中，加強其與既有臨時支護體系的聯系，達到減小擾動的效果；中洞開挖過程中，在縱梁間架設臨時橫撐能有效的抑制結構往中間偏轉；左右洞施工爭取做到對稱施工，使結構左右側受力平衡；最后在施工過程中加強梁-柱結構的監測，及時反饋相關信息。在各種措施的綜合應用下，實際施工過程中取得了比較理想的效果，說明控制方法的有效性，為今后類似工程解決相似問題提供了借鑒。

[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，2005.

[2] 王夢恕.淺埋暗挖法設計、施工問題新探[J].地下空間與工程學報，1992，12(4)：289-294.

[3] 石山.中洞法暗挖地鐵車站中洞最優施工步序研究[J].鐵道標準設計，2009(10):75-77.

[4] 陳學峰，徐恒國.中洞法暗挖地鐵車站鋼管柱設計施工技術[J].鐵道標準設計，2009(10):92-94.

[5] 李軍，劉鋼.暗挖地鐵車站柱洞逆筑工法及橋梁保護施工技術[J].鐵道標準設計，2008(12):79-84.

[6] 陳學峰.中洞法暗挖地鐵車站全工序地表沉降的研究分析[J].鐵道標準設計，2009(10):25-26.

[7] 徐振，任志亮.淺埋暗挖單拱大跨結構在地鐵車站的應用[J].鐵道標準設計，2011(10):93-95.

[8] 陳達，秦輝輝，趙京.地面施工荷載對地鐵暗挖車站影響分析[J].鐵道標準設計，2016，60(2):105-109.

[9] 申家國.淺埋暗挖地鐵車站洞樁支承法施工技術[J].鐵道建筑技術，2001(2):10-12.

[10]徐迎春.PBA暗挖地鐵車站預控注漿止水施工技術[J].鐵道建筑技術，2014(S1).

[11]Liu W， Luo F， Mei J. A new construction method for a metro station in Beijing[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2000，15(4):409-413.

[12]張國亮，張振剛.單層大跨度暗挖地鐵車站柱洞法施工探討[J].鐵道建筑技術，2005(3):38-40.

[13]傅春青.城市暗挖大跨地鐵車站“洞柱法”施工沉降控制措施[J].隧道建設，2007(S2):465-470.

[14]梁韻.暗挖地鐵車站設置原則與施工工法選取研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[15]周倩.暗挖大斷面地鐵車站側洞法和洞柱法施工力學轉換機理對比研究[D].北京：北京交通大學，2008.

Misalignment Prevention of Beam-column Structures by Column-draft Approach for Excavated Metro Station

GUI Jin-ben1， LIU Wen-bing1， ZHOU Jin-qiang2

(1.The Fourth Engineering Co.， Ltd. of CTCE Group， Hefei 230041， China;2.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China)

Column-hole approach has become an important choice for the construction of shallow subway station in dry fine sand. The beam column structure is likely to deflect during construction stage. The paper puts forward a series of control measures based on the underground excavation section of the Changchengqiao metro station. Firstly， the soil is reinforced with such auxiliary methods as deep hole grouting and pipe shed to reduce the deformation of strata during excavation. Secondly， in order to improve the rigidity of the structure， the connection between the beam column structure and the initial support is strengthened during the beam column structure installation， and the temporary steel tube columns are erected between the left and the right longitudinal beams. In addition， the related working processes in the left and right holes are symmetrically conducted to make the structure more balanced. Finally， the monitoring of the beam column is enhanced with immediate feedback of related information to guide the construction. Site construction and monitoring results show that the beam column structure shows no obvious deflection due to control measures， which justifies the effectiveness of the method and may serve as reference for similar engineering projects．

Metro station; Column-hole method; Beam-column structure; Misalignment prevention

2016-04-10；

2016-06-11

桂金本(1984—)，男，工程師，2005年畢業于中南大學土木工程學院，工學學士，主要從事地下和隧道工程設計與研究工作，E-mail：32320083@qq.com。

1004-2954(2016)12-0114-05

U231+.4; U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.025