暗挖洞桩法地铁车站设计施工关键技术探讨

人 工
4、中桩下底纵梁较窄，软弱地层中，对地基承载 挖
孔
力要求高；
5、逆作开挖落底时，为限制侧壁桩的水平位移问
题，需增加横通道和横梁，增加了安全风险。
➢ 一、洞桩法的发展综述
北京16号线苏州桥站、万寿寺站、二里沟站等多座车站
由上下八导洞改为上导洞方案。
➢ 一、洞桩法的发展综述
4导洞桩基工法特点：
复八线采用简单改装的
全液压履带式反循环钻机
地质钻机成孔（90年代） 复八线之后，边桩施工一般采用反循环钻机施工，国内最早在2005年北京地铁10号线金台
夕照站（原工体北路站）首次使用暗挖洞内打桩，桩径0.8m，随后在北京地铁4号线宣武
门站（桩径1m）、15号线奥林匹克公园站（桩径1m）、沈阳地铁1号线中街站（桩径1m）
➢ 一、洞桩法的发展综述
北京6、7、8、9、10、14号线在建3、12、17、19及其它地区
采用上下八导洞方案。
➢ 一、洞桩法的发展综述
工法特点：
1、安全、控制沉降好； 2、灵活，不受层数、跨数的影响； 3、小导洞施工技术成熟、安全可靠，由于各导洞间具有一定距离，故可同步进行导洞 施工，施工干扰小，各导洞内的柱、纵梁也可同时作业； 4、扣拱后内部空间开阔，可采用机械开挖，作业效率高，整体施工速度快，精度高， 施工中也便于地下水的处理； 5、直墙式结构内有效净空大，节省了曲墙及仰拱结构工程投入。
暗挖洞桩法地铁车站 设计施工关键技术探讨
➢ 一、洞桩法的发展综述
➢ 一、洞桩法的发展综述 “浅埋暗挖法”
--1986年8月，北京地铁复八线复兴门站后折返线首次暗挖施工方法！
--1987年在国家科委组织的鉴定会上命名为“浅埋暗挖法”。
➢ 一、洞桩法的发展综述
洞桩法：“PBA”工法的物理意义是：P－桩 （pile）、B－梁（beam）、A－拱（arc）， 即由边桩、中桩（柱）、顶底梁、顶拱共同构 成初期受力体系，承受施工过程的荷载； 其主要思想是将盖挖及分步暗挖法有机结合起 来，发挥各自的优势，在顶盖的保护下可以逐 层向下开挖土体，施作二次衬砌，可采用顺作 和逆作两种方法施工，最终形成由初期支护＋ 二次衬砌组合而成的永久承载体系。
丝杠定位
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、钢管柱 要点： ➢ 钢管柱定位
HPE液压垂直插入机定位
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、钢管柱 要点： ➢ 钢管柱定位
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、钢管柱 要点：
➢ 钢管柱插入深度
在钢管柱嵌入桩基计算模型中，采用kθ表示钢管柱柱脚 的抗弯刚度。
➢ 一、洞桩法的发展综述
北京15号线奥林匹克公园站
由上下八导洞改为上导洞方案，沉降由60mm控制在27mm以内。
➢ 一、洞桩法的发展综述
8导洞条基工法存在的问题：
1、人工挖孔安全风险大，极易发生人身伤亡事故；
2、降水周期长,且地下水位较高时，下层导洞的
开挖支护难度大；
3、导洞数量多，群洞效应造成沉降较大；
以及后来的北京地铁16号线二里沟站（桩径1m）等多个车站
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
3、边桩及中桩
KYZ180型履带式全液压大功率钻机，根据钻孔直径调整钻头（800mm~3500mm）,扭矩32000N.M， 设备长4.6m，宽2.5m，高2.8m。➢ 三、主要关键源自序设计施工要点3、边桩及中桩
先边后中控制沉降好
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
3、边桩及中桩 要点： ➢ 如何设计
建模型
荷载结构计算
根据《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》5.2.1 桩基竖向承载力
结合地层参数进行计算--------求得桩长、算得配筋
注意问题： 1、边桩侧摩阻取底板 以下； 2、群桩效应，边桩侧 阻面积进行折减； 3、建议采取后注浆。
下提前暗挖好的导洞内施作围护边桩、中桩、底梁 和顶梁、顶拱，共同构成桩、梁、拱支撑框架体 系，承受施工过程的外部荷载，然后在顶拱和边桩 的保护下，逐层向下开挖土体，施作内部结构，最 终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌 组合而成的永久承载体系。
• 临时结构：导洞、边桩、中桩、拱顶临时支护
• 永久结构：拱顶（顶纵梁）、中板（中纵梁）、底 板（底纵梁）、侧墙及中柱
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
1、施工竖井及通道 要点：
规避施工风险，尽量少开马头 门！
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
2、导洞 要点：
➢ 格栅钢架 钢架主筋通过“8”字节、 “Z”形筋、“U”形筋连接
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
2、导洞 要点：
➢ 节点板预留及位置
平均渗透系数(cm/s) 4.734×10-8 2.106×10-8 1.744×10-8 1.901×10-8 3.435×10-8 7.215×10-8 1.503×10-8 4.357×10-8 5.197×10-8 1.623×10-8 1.771×10-8 5.348×10-8 4.090×10-8 3.342×10-8 2.333×10-8 3.604×10-8 1.810×10-8 2.835×10-8
试样编号 32.5-1-2 32.5-2-4 28.5-1-3 32.5-12-1 32.5-13-2 30.5-12-2 26.0-1-3 26.0-2-2 26.0-2-4 26.0-3-3 26.0-12-1 26.0-13-2 23.5-1-3 23.5-1-4 23.5-2-3 23.5-3-3 23.5-12-1 23.5-23-2
➢ 边桩及中桩施工阶段
第二次扰动土体，洞内静态作业，打桩造成地表沉降最大能达到 20%
➢ 扣拱施工阶段 ➢ 土方开挖及中、底板施工阶段
第三次扰动土体，初支扣拱及二衬扣拱引起的地面沉降约占总沉降 量的30~40%
第四次扰动土体，该阶段的每一次土方开挖及梁板结构施工都存在 着应力重新分布及受力转换，直至底板浇筑完成，形成闭合的框架 结构，总沉降量不到5%
➢ 二、车站结构体系
结构形式：单跨双层结构、双跨双层结构、三跨双层结构、三跨三层结构、四跨双层结
➢ 二、车站结构体系
• 施工步序
➢ 二、车站结构体系
• 受力体系： ➢ 导洞施工阶段
第一次扰动土体，使稳定的地层发生应力的重新分布，引起地表沉 降。导洞开挖阶段引起的地面沉降约占总沉降量的30~55%。
注意：孔口塌孔！
孔口护壁 目前最先进的钻机可达到1m/h！
钻孔
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
3、边桩及中桩
环境恶劣，安全存在问题！
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、钢管柱 要点： ➢ 钢管柱定位
定位器定位
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、钢管柱 要点： ➢ 钢管柱定位
（1）丝杠定位法用于狭小空间钢管柱的定位 方法，无需安装定位器及定位钢板，简化施 工步骤，节省大量时间，工期由40~50天减少 到15天。 （2）钢管柱下部通过丝杠调垂的方式进行定 位，由丝杠替换定位锥及定位钢板，四根丝 杆重量20kg，定位器重量450kg，每根钢管柱 安装节约钢材430kg。
➢ 一、洞桩法的发展综述
北京地铁4号线和10号线换乘站的黄庄站
为减少导洞数量、减少施工缝，提高防水质量，采用“一次扣拱法” 施 工：挖上下导洞尺寸较大，施工引起的地面沉降大、不利于管线及构筑物 的保护！
➢ 一、洞桩法的发展综述
北京10号线劲松站、光华路站、呼家楼站
减少导洞数量，减小边柱侧移，采用上下六导洞方案：仍需开挖下层导 洞，降水周期不减，边桩实施困难。
高压喷射注浆法 （Jet Ground）
单重管法
（CCP工 法）
双重管法 （JSP工法）
三重管法 （CJP工法）
大深度、大直径、高效率
埋 深 长 度
钻R
J 孔P
构 深筑
度
长 度
Super Jet工 法
（直径＞ 3.5m，深度
30m）
Twin-Jet工法 （交叉喷射搅拌）
MJS工法 （直径2~3m， 深度50m，多角
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
2、导洞 要点： ➢ 导洞开挖顺序
洞桩法对上下层导洞的开挖顺序研究比较成熟，其基本结论是：从工期、施工降水来看，先上后 下的导洞开挖顺序较为有利；从地层沉降及导洞结构内力上看，先上后下的导洞开挖顺序比先下 后上相比略微有利。
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
2、导洞 要点： ➢ 导洞开挖顺序
减少导洞
4导洞桩基
桩基替代条基
降低自身施工风险 减小地层扰动，沉降控制好
减少降水周期 减少底板施工缝，工序简化
隔离作用明显 侧壁侧移问题解决 机械化水平提高 成桩效率及质量 钢管柱与桩基的连接问题
➢ 二、车站结构体系
➢ 二、车站结构体系
结构体系： • 原理：将传统的框架和暗挖法进行有机结合，在地
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
3、边桩及中桩
国内最早采用大直径中桩的 车站为北京地铁15号线奥林 匹克公园站，中桩直径1.8m， 采用反循环钻机施工，后陆 续在北京地铁16号线二里沟 站（桩径1.8m）、红莲南里 站（桩径2.0m）、哈尔滨地 铁2号线省政府站（桩径 2.0m）、南直路站（桩径 2.2m）投入使用。
所处地层 粉细砂
粉质黏土层 卵石层
取芯位置 距圆心800mm 距圆心800mm 距圆心800mm
1、2桩咬合 1、3桩咬合 1、2桩咬合 距圆心800mm 距圆心800mm 距圆心800mm 距圆心800mm 1、2桩咬合 1、3桩咬合 距圆心800mm 距圆心800mm 距圆心800mm 距圆心800mm 1、2桩咬合 2、3桩咬合
➢ 一、洞桩法的发展综述
--1992年12月，复八线天安门西站、东单站、王府井站
天安门西站
天安门西站工法局部更改： 1.改桩基为条基； 2.抛弃临时中柱方案，直接利用钢管柱作为支撑； 3.改顺做为逆做，用结构板当支撑，施工更安全。 4.减少了受力的转换，减少了由于工序的繁杂而引起的地面沉降。
施工工序
➢ 三、主要关键步序设计施工要点
4、扣拱
要点：
➢ 扣拱顺序
A对于初支开挖，扣拱 顺序影响不大。 B对于二衬扣拱，建议 采取先中后边的顺序， 同时偶数跨的扣拱应遵 循对称施工的原则。
C针对二衬扣拱阶段，一次扣拱长度越短，沉降值 越小，长度小于10m时，沉降值随长度变化呈线性 增加，超过12m时，沉降速率陡增3倍，因此，一 次扣拱长度越短越好，最长不宜大于10m
地铁线路、高层建筑基础、道路桥梁、老化的市政管道 降水施工场地极其困难！
• 良好的止水效果 • 克服洞内施工场地狭窄、净空低的限制 • 满足对周围环境无公害的要求
➢ 四、关于洞桩法车站止水
超级RJP（Super Rodin Jet Pile）工法是高压喷射注浆工艺中最先进的 采用超高压（≥40MPa）喷射流体（空气、浆液和水）二次切削R土JP体全方位高压喷射工法前端改良部模式图
➢ 四、关于洞桩法车站止水
➢ 四、关于洞桩法车站止水
目前北京暗挖车站施工多采用降水方式治理地下水，有问题：
➢ 地下水治理手段单一 ➢ 水资源浪费严重 ➢ 施工难度不断增大
暗挖车站降水周期一般为18~20个月，高峰期日降水量约为5万立方米，每座车
1500~2000万 站施工期间共需抽排地下水约
立方米
➢ 正常使用阶段
在车站底板浇筑封闭之后，整体框架结构梁、板、柱体系完成
地表沉降/mm
➢ 二、车站结构体系
• 受力体系：
60
数值模拟
50
沉降最大测点
40
30
20
10
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
施工步骤
模拟施工步骤： 0 初始工况 1 导洞拱顶注浆 2 开挖导洞 3 导洞初支 4 边桩挖孔 5 灌注桩 6 浇筑冠梁 激活上部初支 7 二衬扣拱基础 8 边洞回填 9 浇筑中柱 10浇筑顶纵梁 11顶纵梁上方回填 12扣拱顶部注浆 13开挖扣拱部分至导洞底 14初支扣拱 15二衬扣拱 16破除导洞角部初支 17大开挖 18浇筑二衬
➢ 一、洞桩法的发展综述
--1992年12月，复八线天安门西站、东单站、王府井站
东单站、王府井站
优点: 1、实现了大断面的暗挖施工； 2、二次衬砌整体性好，基本等同明挖法结构效果； 3、施工工作面宽敞，便于使用大型机械，提高施工进 度。
施工工序
存在的问题: 1、经过多次受力转换，工序复杂； 2、初期支护（包括临时中桩）废弃量与导洞回填量较大； 3、临时中桩凿除为车站施工增加一定的麻烦。
度）
RJP工法 （直径2~3m，深
度70m，多角 度）
多重高压管喷射杆
泥土液回收
超高压水
构筑导轨切削
压缩空气（1.05MP）
超高压硬化剂
压缩空气（1.05MP）
构筑直径扩大切削
超高压硬化剂
RJP设计构筑直径（Φ2.2-3.2m）
➢ 四、关于洞桩法车站止水
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