柱洞法在北京地鐵車站工程施工中的應用*

高志剛

(西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥講師)

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柱洞法在北京地鐵車站工程施工中的應用*

高志剛

(西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥講師)

以北京地鐵15號線學院路站為研究背景,通過查閱資料、咨詢專家并進行數值模擬等手段，確立了對導洞內土體進行深孔劈裂注漿措施,加固土體并形成隔水層,取代了傳統的地面降水，節約了場地,消除了因降水造成地層水土流失而引起周邊建(構)筑物的不均勻沉降,也避免了城市地下水資源浪費。將原來柱洞法的6導洞改為8導洞,鉆孔灌注樁改為人工挖孔樁,并對車站結構施工工序進行了優化。工程實踐表明,修改后的施工方案縮短了工期,提高了施工效率,效益較好。

地鐵車站； 導洞; 數值模擬; 劈裂注漿; 降水; PBA工法

Author′s address School of Architecture and Civil Engineering,Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an，China

受復雜條件的限制,在城市里進行地下工程施工,常常受到很大影響[1-2]。特別是在首都北京,寸土寸金,基本上沒有多少可以利用的施工場地。多年以來形成的地下管線,密集如蜘蛛網,無論是圍護結構施工,還是地面止水帷幕施工都存在很大困難,也就更談不上放坡明挖了。現有的這些條件都決定了只能采用暗挖施工。本文涉及的學院路站即采用柱洞法進行施工。柱洞又稱為PBA(Pile Beam Arch)工法，即“洞、樁、墻”暗挖逆作法,是由北京城建設計研究總院著名的地下工程專家崔志杰等發明的修建大型地下空間的方法。該工法主要是利用小導洞和樁技術在對地層不產生大的擾動的情況下,在地下形成梁、柱縱向支撐體系；一旦扣拱完成,即全面形成縱橫向框架空間支撐體系。在此支撐體系保護下可安全地開挖站廳層和站臺層。在此主導思想下,可以采取不同的具體方案展開施工[3-7]。

本文即以該車站為工程背景,確立了在導洞內采取深孔劈裂注漿措施從而避免地面降水的施工方法,并對原設計PBA工法進行了優化,形成了一套完整的“免降水8導洞PBA”施工技術，可顯著節約工期和成本。

1 工程概況

北京地鐵15號線學院路站位于清華東路與學院路交叉口,為島式車站。車站總長為255.5 m,標準段寬23.3 m,有效站臺寬14.0 m,車站有效站臺中心處軌面高程26.950 m。平面位置見圖1。

車站主體采用暗挖法施工,其中中間跨學院路路口為單層段、東西兩側為雙層段。西段暗挖雙層主體結構部分長74.05 m,采用三聯拱結構,標準段寬23.1 m,高15.95 m,最厚覆土8.15 m。中段暗挖單層主體結構部分長52.8 m,采用三聯拱結構,結構寬24.5 m,高10.6 m,最厚覆土13.3 m。東段暗挖雙層主體結構部分長128.65 m,采用三聯拱結構,標準段寬23.1 m,高15.95 m,最厚覆土7.64 m。車站東西兩端均接礦山法區間。共設4個出入口、2座風亭。

圖1 學院路站平面示意圖

圖2 車站橫剖面及地質情況示意圖

擬建場地內的地下水詳細情況見表1。

表1 地下水情況一覽表

2 施工方案優化

2.1 原施工方案及其難點

原設計施工方案為6導洞PBA暗挖施工。施工工序按先下后上、先邊后中、相鄰導洞施工錯開10 m以上距離,下層導洞超前上層導洞20 m等原則展開施工。施工順序為:①施工下層中導洞,②施做底縱梁,③施做上層邊導洞,④進行邊樁的鉆孔、澆筑等工作,錯開安全距離,⑤施工上層中導洞及其洞內鋼管樁,⑥上層中導洞內施工頂縱梁,⑦分段破除中導洞初支,進行扣拱及鋼拉桿的施工,⑧分段對稱施工邊跨扣拱及二襯,⑨站廳層開挖及其內部結構施工,⑩中板施工,站臺層開挖及其內部結構施工,底板施工至結束。

原設計的6導洞PBA施工方案存在以下問題:首先,在上層兩側導洞內施做鉆孔灌注樁作為圍護結構邊樁,在洞內使用機械成孔，施工難度較大;邊導洞凈寬3.5 m,凈高4.25 m,洞內使用機械成孔作業面過小,施工過程產生的泥漿與渣土污染洞內環境,清運比較困難;如果必須在導洞內施工鉆孔灌注樁,則需要對施工機械進行改造，以適應洞內空間。其次,機械成孔時間長,洞內作業環境差,鋼筋籠吊裝節數較多,造成接頭較多,連接時間長,同時質量也難以保證。因此需要對開挖施工作進一步的優化工作。

另外,地下工程施工要盡可能提供干作業環境,尤其作為暗挖工程更加重要。一旦發生滲漏水引起管涌,帶來的各方面損失不可預計。本方案中原設計計劃采用地面降水措施，但由于本車站主體結構降水井位位于新修的城市主干道,交通繁忙,施工圍擋后的道路導改難以實施,嚴重制約施工工期,計劃根據已經施工的豎井及橫通道地質情況,采取洞內注漿止水措施。因此,對降水工作進行進一步優化,實現無地面降水施工。

2.2 無地面降水施工優化

結合以往暗挖隧道的滲漏水封堵施工經驗,擬采用深孔劈裂注漿措施,以達到免降水的目的。注漿機理見圖3。

圖3 土體注漿機理示意圖

2.2.1 注漿機理分析

注漿時漿液達到一定壓力后,在注漿孔范圍會產生一定大小的氣泡,隨著壓力不斷增加,最終漿液泡體上方的土體會產生一個錐形剪切面;另一方面,當漿液泡體的直徑增大時,周圍的土體將提供越來越大的阻力。設漿液泡體的向上總壓力為Fy,漿液泡體的水平總壓力為Fx,圓柱型漿液泡體的平面投影面積為Ay,圓柱型漿液泡體的側面面積為Ax。則有:

Ay=π·d2/4，Fy=σ·Ay

Ax=π·d·l，Fx=σ·Ax

式中:

d——漿液泡體直徑；

l——漿液泡體高度；

σ——土體的孔隙水壓力,在小范圍內可視為惟一值。

因此可知Fy的增加與漿液圓柱體直徑的平方成正比,而Fx的增加與漿液圓柱體直徑的一次方成正比。因此漿液向上總壓力的增加幅度遠大于總水平力的增加幅度。在一定壓力下,漿液泡體直徑達到了極限值dmax,與d·l相應的注漿壓力設為Pn。當注漿壓力為該值時,水平和向上的壓力使漿液充分填充土體間縫隙,在擬開挖導洞輪廓外形成注漿圈,從而達到止水目的[8-10]。

2.2.2 注漿的加固效果分析

注漿還兼具以下效果:①擴散的漿液可以有效封堵周圍土體的間隙,隔絕空氣,形成止水圈;②膠結導洞輪廓外周圍破碎體,提高其力學特性,從而減少支護結構的荷載;③劈裂注漿并配合導洞開挖初支,形成的組合拱結構和支護結構共同承載;④注漿可加大支護結構面尺寸,圍巖作用在支護結構上的荷載所產生的彎矩減小,從而降低了支護結構中產生的應力,擴大了支護結構承載能力的適應性,與原狀土形成一個整體,從而在大構造應力作用下穩定而不易產生破壞。

以單導洞為例,采用FLAC3D軟件進行深孔注漿數值分析(見圖4)。本次計算時采用莫爾-庫侖強度準則,在遵循“圣維南”原理的基礎上,選擇5倍洞徑建立模型,模型長寬高分別為20 m×30 m×16 m,模型劃分為4 388個單元,4 635個節點。作為平面應變問題考慮,模型的前后左右和底部均采用固端約束,模型頂部為自由約束。

從注漿模擬結果來看,經過對導洞周邊土體進行注漿,形成加固止水圈(圖2中拱頂深色部分)后,在安全方面,在導洞周邊土體受力上相當于拱橋作用,使拱頂沉降減少了30%左右,相應地表沉降也有很大程度的減少,最終使沉降值處于安全控制范圍之內。在止水效果方面,不但可以阻止地下水的入侵,保證暗挖施工的干作業,而且對于車站運營期間的防水也有一定作用。

圖4 注漿前后地表變形云圖

2.2.3 注漿參數設計

理論分析和預測計算都肯定了深孔劈裂注漿的可靠性。現在對注漿參數進行設計計算。注漿壓力是注漿施工中的重要參數,它關系到注漿施工的質量以及是否經濟。因此,正確確定注漿壓力和合理運用注漿壓力有重要意義。注漿壓力與砂層孔隙發育程度、涌水壓力、漿液材料的黏度和凝膠時間長短等有關,目前均按經驗確定。通常情況下按如下經驗公式計算:

P=kh

式中:

P——注漿壓力,MPa;

k——注漿壓力系數,按照表2取值;

h——注漿處深度,m。

注漿土層主要是粉質黏土和粉土,結合圖2,可得此處注漿理論壓力約為0.3 MPa。

表2 注漿壓力系數表

劈裂注漿脈壓提高后,土顆粒更加密實和固結。但是壓力不能超過邊界條件的允許值,否則就會引起地面、基礎或者結構物的變形和破壞。同時考慮注漿經驗理論,注漿壓力應是該處靜水壓力的1～3倍,故注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa。在注漿過程中要嚴格控制。

注漿量按照以下公式進行估算:

L=vna(1+β)

式中:

L——注漿量,m3;

v——注漿范圍土體體積,m3;

n——地層孔隙率;

a——漿液充填系數,0.7～0.9;

β——漿液損失率,10%～30%。

一般來說,a(1+β)統稱為填充率，其值可根據試驗確定。

2.2.4 深孔劈裂注漿免降水措施

為達到免降水的目的,根據工程特點和地質條件,在導洞拱部采用二重管無收縮劈裂注漿,用較高的壓力將黏性土層中細小裂隙劈開,漿液在劈縫中填充、固結,以達到穩固土體和止水的目的。工藝如下:

(1) 主要對導洞拱部土體進行注漿止水加固,注漿范圍為下層導洞起拱線以下1 m,初支結構外輪廓線以外1.5 m,內輪廓線以內0.5 m;上層導洞起拱線以下1 m,初支結構外輪廓線以外1.5 m全斷面。按照先外后內的順序進行注漿。深孔劈裂注漿示意圖如圖5所示。

圖5 深孔劈裂注漿示意圖

(2) 導洞內深孔注漿每一注漿循環,孔徑φ50 mm,每個孔眼分兩次打孔注漿,第一次打設孔眼外插角度為5°,第二次打設孔眼外插角度為15°,孔眼布設間距為0.8～1.0 m。

(3) 注漿參數取值——注漿采用雙液漿,漿液采用相對綠色環保的水泥-水玻璃,其配比為1∶0.8～1∶1(體積比);注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa范圍內,凝膠時間控制在1～2 min;緩凝劑的摻量根據所需凝膠時間而定,一般為水泥用量的2%～3%;注漿采用的水玻璃,濃度為37波美度,水泥為PO.42.5。

(4) 深孔注漿施工方法——①注漿采用雙重管后退式分段注漿工藝,分段長度約為0.5 m,鉆一孔注一孔;②根據注漿壓力不同,施工中漿液霹靂半徑為0.3～0.6 m;③重要管線下方地層加固時,采用低壓多次注漿,防止壓力過大使管線破損;④參考注漿量公式及表3可知,單孔注漿量約為0.6 m3,當流量不變時,若壓力長時間不上升,漿液應調濃一級;流量急劇減少,壓力上升很快時,漿液調稀一級;⑤注漿快至工作面時,及時減小注漿壓力,防止壓力過大而引起工作面開裂;⑥注漿結束的標準是孔口壓力達到設計終壓并維持10～20 min,而且單位時間進漿量很少;⑦注漿結束后,應及時清洗注漿設備,以保證設備完好,管路暢通。

(5) 導洞的加固長度為12 m,每次開挖長度為10 m,預留2 m長的止漿墻,重復以上步驟至開挖結束。

2.3 PBA工法優化

2.3.1 原方案的優化

從成本和工期來看,需要尋找一種便于施工而且進度較快的方法。通過比較,決定將6導洞方案優化為8導洞方案,同時將邊樁由鉆孔灌注樁優化為人工挖孔樁,這樣就免去了機械改造,節約了成本,同時也避免了泥漿污染,減少了清運工作。此外，人工挖孔樁施工工藝成熟,樁長較短,只有7.25 m,隔二挖一,鋼筋籠的主筋在樁內就可以完成人工綁扎,鋼筋連接由焊接優化為機械連接,施工方便,節約工期,且能保證施工質量。優化后的車站施工斷面見圖6。

2.3.2 優化方案的施工方法

在小導洞初支施工時,幾乎將靠近車站一側的橫通道側壁完全破除,需對馬頭門處進行門式型鋼加固,橫向縱向都與初支結構內的格柵鋼架采用鋼筋綁焊牢固后掛網噴射混凝土,使之形成整體共同受力,完成受力托換,同時做好馬頭門處第一榀小導管超前注漿工作,控制馬頭門處的地面及管線沉降。具體施工步序見圖7。

圖6 8導洞PBA 工法斷面示意圖

第1步,對上、下層小導洞馬頭門進行型鋼加固,下層導洞進行深孔注漿預加固拱部土體,打設超前小導管預注漿,導洞開挖采用DN32×3.25 mm鋼管超前注漿加固地層。小導管從拱部格柵中穿過,仰角及外插角為車站20°～25°。環形預留核心土臺階法開挖導洞,上下臺階錯開2.5～3.5 m,先同時開挖兩側邊導洞,進尺10 m后再錯開施工中間導洞,導洞間拉開10 m距離。

第2步,下層小導洞進尺40 m后,開始施工上層導洞,打設超前小導管預注漿,環形預留核心土臺階法開挖導洞,先同時開挖兩側邊導洞,進尺10 m后再錯開施工中間導洞,導洞間拉開10 m距離。

第3步,導洞初支結構施工完成后,進行初支背后補償注漿,處理下層中間導洞防水基面,施做防水層,施工底縱梁及兩側邊導洞內的條基,底縱梁預埋鋼管柱預埋件,同時用鋼板保護防水甩茬,鋼筋接頭帶上保護帽,用膠帶固定牢固,采用泡沫進行保護。

第4步,同時施工上下層導洞間邊樁及鋼管柱的人工挖孔樁,施工邊樁及樁頂冠梁,回填下層邊導洞樁間及背后的C20混凝土回填,其中邊樁鋼筋籠主筋采用機械連接,直接在樁內進行綁扎。

第5步,中間導洞中施工鋼管混凝土柱(柱挖孔護壁與鋼管混凝土柱間空隙用砂填實)。鋪設防水層,施作頂縱梁,在頂縱梁中預埋16型工字鋼拉桿,并采用同等級混凝土回填頂縱梁上部空間,預留鋼筋及防水接頭。邊導洞內施作初支,初支與導洞間采用C20混凝土回填。

第6步,打設超前小導管注漿加固土體,臺階法開挖拱部土體,先施工中跨初支扣拱,進尺20 m后,同時施工兩側邊跨初支扣拱,中跨與邊跨扣拱開挖錯開20 m距離,兩側邊跨扣拱同步開挖。

第7步,初支扣拱施工完成后,分段破除拱部二襯范圍內的導洞初支,分段長度為7 m,鋪設防水層,澆筑結構拱部二襯,中跨設置鋼拉桿。中跨拱部二襯先行,與邊跨拱部二襯錯開8～12 m,且兩邊跨同時澆筑。

圖7 8導洞PBA工法施工步序

第8步,待拱頂混凝土達到設計強度后,沿車站縱向分為若干個施工段,分層向下開挖至站廳板底標高。分段施作地模,鋪設側墻防水層,綁扎側墻鋼筋,澆筑中板結構、站廳層側墻。分段長度20～25 m,可根據實際監測情況確定。待中板結構達到設計強度后,沿車站縱向分為若干個施工段(分段長度15～20 m),開挖主體負二層土體至距中板底4 m位置。

第9步,沿車站縱向分為若干個施工段(分段長度15～20 m),分段、對稱開挖土體至主體底板位置,先開挖邊跨的土體并及時施做300厚鋼筋網墊層,后跟進中跨施工,并及時施做300厚鋼筋網墊層,待達到設計強度后,鋪設底板及側墻防水層,澆筑中跨及邊跨底板結構及負二層側墻結構。混凝土達到設計強度后,拆除型鋼,并施工內部結構,完成車站主體結構施工。

2.3.3 工序優化

原計劃在結構底板搭設腳手架來施工軌頂風道,軌頂風道的鋼筋需要提前預埋。這種工序對軌頂風道的鋼筋綁扎及混凝土澆筑密實性施工帶來了困難,難以保證施工質量,且施工時間長,過程不好操作。根據工程實際情況,在施工中板的同時,將軌頂風道同中板一同施工,采用土模施工方法,既保證了軌頂風道的施工質量,又加快了施工進度。

車站結構底板原計劃先施工中跨底板,再施工兩側邊跨底板。經過研究決定負二層土方開挖至底縱梁頂時,開挖邊跨土方,施工300 mm厚鋼筋網墊層,施工邊跨底板,中跨則作為施工便道,便于施工材料運輸,待兩側邊跨底板施工30 m左右,可以進行側墻施工后,開始開挖中跨土方,施工中跨底板。工序優化后可以加快負二層側墻的施工進度,節約工期。

3 施工監測

3.1 監測目的及測點布置

為了確保優化方案的施工可靠性,隨時掌握施工過程中的動態信息,以便及時調整支護參數,完善施工設計,確保施工安全生產,對施工過程進行全程監測。

根據本工程的特點及施工方案,對車站周邊環境及初支結構進行布點監測(見圖8),監測以地表及地下管線位移為主,真實采集數據,及時分析對比,及時反饋信息,指導施工。

圖8 地表沉降測點布置圖

3.2 監測結果分析

因為車站上方有一道直徑1 400 mm的自來水管,因此重點對自來水管上方的土體沉降進行分析,其上土層沉降參見圖9。

圖9 地表沉降曲線

由監測數據變化曲線可知,車站初支施工期間,在橫通道破除馬頭門開挖小導洞期間,結構上方土體擾動較大,尤其管線上方的土體由于自身施工原因產生較大位移,沉降量較大,隨著暗挖施工措施不斷加強及現場嚴格控制,沉降值趨于平穩,地表最大沉降量為46.7 mm(設計要求60 mm),工程施工風險整體處于可控狀態。

4 結語

(1) 通過數值分析及理論計算并試驗等手段可以通過二重管深孔劈裂注漿技術在導洞外形成加固止水層,從而避免地上降水措施,節約了場地和工期。

(2) PBA工法施工時,將6導洞方案優化為8導洞方案,邊樁由鉆孔灌注樁優化為人工挖孔樁,可以避免機械改造,也降低了孔深;同時將樁身鋼筋籠由焊接優化為機械連接,有利于洞內施工環境保護,也大量節約了工期。

(3) 將軌頂風道和車站結構中板一起施工,底板中跨作為施工便道滯后邊跨施工的工序非常有利于施工,值得推廣。

(4) 本案例中形成的免降水8導洞PBA暗挖工法經濟適用,適合在同類暗挖工程中推廣。

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Application of PBA Underground Excavation Method in Beijing Metro Station Construction

GAO Zhigang

Based on Xuanyuan Road Station of Beijing metro Line 15, the measures of deep hole fracture grouting are taken through data search, expert consultation and numerical simulation. By this way, the place of the traditional ground surface dewatering is taked by the reinforcement of the soil to format the water-resisting layer. It saves space, eliminates the uneven settlement of the surrounding buildings caused by soil erosion because of dewatering,and circumvents the waste of groundwater resources. This method optimizes the PBA excavation method from 6 guide holes to 8 guide holes,from bored piles to artificial drilled piles,and the working procedure of the station structure as well. The engineering practice shows that the optimized construction technique can shorten the project time limit,improve the efficiency of construction and bring about larger benefit.

metro station; guide hole; numerical simulation; fracture grouting; dewatering; PBA (pile beam arch) excavation method

*國家自然科學基金項目(41502298)

TU 94+1

10.16037/j.1007-869x.2017.05.028

2016-03-10)