三拱两柱双层地铁车站暗挖逆作施工技术

三拱两柱双层地铁车站暗挖逆作施工技术
摘要针对沈阳地铁工程地面环境复杂、地质条件差、地下水丰富、覆土厚度小、开挖断面大、工艺转换频繁、土体多次扰动、沉降难以控制等特点，采用了导洞先行，桩、柱、梁、拱“给力”支撑，最后自上而下逆作的综合施工方法。

同时，在施工过程中不断采取技术创新措施，如选取固砂剂代替双液浆固砂、完善洞桩机械施工工艺、设计“两用”拱架、改半逆作为全逆作等，成功解决了施工中的各种难题，消除了安全隐患，保证了工程的工期与质量，取得了良好的社会、经济及环保效益，证明该施工技术是成功的。

关键词地铁车站暗挖逆作复杂条件三拱两柱固砂剂洞桩钢管柱
1 引言
现阶段各大城市地铁建设正蓬勃发展，而随着科技的进步，人民生活水平的提高，“绿色、人文”越来越成为城市建设的主旋律，这也对城市地铁施工提出了更高的标准和要求。

尤其对周边环境和居民生活影响较大的地铁车站施工，成为聚焦的重点，因此选择一种科学合理的施工方法尤为重要。

在繁华的市中心，暗挖法、盖挖法也逐渐取代明挖法，针对客运量需求、周边环境、地质水文、沉降控制要求等综合因素更为先进的暗挖施工技术逐渐被人们发掘并掌握。

法国发明修建的地下连拱停车场、伊朗CAPS 法修建的大跨度地铁车站，以及我国采用的“PBA”洞桩法施工的地铁车站都是成功实例。

本工程在施工过程中，“集大家之所长”，勇于创新实践，总结出了一套实用性地铁施工技术。

2 工程概况
2．1 设计简介
沈阳地铁某车站位于沈阳火车站站前广场下、胜利北街与中华路“丁字”交口，车站沿中华路布置，基本呈东西走向，全长190． 60 m，覆土厚度6． 0 m，为明、暗挖结合双层岛式车站( 4 个出入口、3个风道) ，站台宽度为 12．0 m。

其中47．6 m 为平顶直墙双层框架结构，明挖顺作法施工; 143．0 m 为三拱两柱拱顶直墙双层框架结构，采用暗挖逆作法施工。

三拱两柱双层地铁车站剖面见图1。

2．2 地质及水文情况
根据钻探揭露，本工点场地地基土主要由第四纪全新统人工堆积层( ①) 、第四纪浑河新扇相( ④)粘性土、砂类土和碎石类土、第四纪上更新统浑河老扇相( ⑤) 粘性土、砂类土和碎石类土组成，除④－1、⑤－ 1 粉质粘土、④－3、⑤－ 3 中、粗砂、④－4、⑤－4 砾砂、⑤－5 圆砾层外，其它地层均以透镜体形式出现。

地下水主要赋存于第四系浑河新扇冲洪积砾砂层( ④－4) 和上更新统浑河老扇冲洪积砾砂、圆砾层( ⑤－4、⑤－5) 中，属孔隙潜水含水层，渗透系数70 ～140 m/d，稳定水位埋深为6． 50 ～12． 50 m。

即整个车站位于富水砂层，施工前进行降水措施。

3 工程特点
3．1 地面建(构) 筑物及管线密集、交通繁忙
该站位周边新老建筑物林立，同时存在地下人防工程、火车站出站厅及需要保护的有着近百年历史的文物建筑; 污水、电信、雨水、给水、燃气、热力等管线密布于大跨段隧道结构上方，且纵横交错，部分管线年久失修存在渗漏隐患; 站位所处的中华路和胜利大街为主要交通干道，附近有多条公交线路，车流量大，交通十分繁忙。

3．2 地质条件差、地下水丰富
结构所处地层主要为富水砂砾石层，水位埋深较高，地层自稳性差，暗挖施工极易形成涌砂、坍塌等不良地质问题。

3．3 车站覆土厚度小、开挖断面大、工艺复杂
车站覆土厚度仅为6 m，且开挖跨度达21． 5 m，高度15． 26 m，其中存在洞内桩、柱、梁、拱的施工，地层扰动频繁，沉降较难控制。

4 方案调整
将车站主体结构施工方案由半逆作法调整为逆作法。

原方案为半逆作法施工，即扣拱完毕后，自上而下开挖土体至坑底标高，边撑边挖，然后自下而上顺作法施工结构二次衬砌。

综合两种施工方案技术可行性、结构整体安全性、施工干扰及难易程度、施工成本及工期等因素，决定采用逆作法施工，扣拱完毕后自上而下边开挖土体，边施作结构二次衬砌。

5 施工准备
( 1) 理清总体施工步序流程施工准备→4 个上导洞开挖( 边桩施工)→2 个下导洞开挖( 底纵梁施工)→人工挖孔( 钢管柱、顶纵梁施工)→开挖中跨上部土体( 破拱、扣拱)→开挖边跨上部土体( 破拱、扣拱)→向下开挖土体，站厅层中板( 中纵梁) 、边墙施工→向下开挖土体，站台层底板、边墙施工→站台板、轨顶风道施工
( 2) 提前采取降水措施
对地下水位实地探测，并提前打设降水井降水，确保暗挖无水作业。

( 3) 布设监控量测点
导洞开挖前，布设地表沉降、建筑物沉降倾斜、管线沉降、地下水位等监测点。

( 4) 探地雷达扫描地层
采用地面耦合型探地雷达为地层做“B 超”，扫描潜在风险源，对探测的水囊、空洞提前处理，做到事前控制。

( 5) 进行三维数值模拟
采用 ANSYS 软件建立三维有限元模型，对暗挖施工进行数值模拟，分析各主要施工步骤中结构构件的受力特征，指导实际施工。

6 施工技术
6．1 小导洞施工
( 1) 超前注浆支护
针对富水砂层的特性( 降水后) ，开挖前采用Ф2 ×3．25 mm 超前注浆小导管，自制气压泵，压注THE-Ⅱ或JM-4 固砂剂浆液对拱部地层进行超前注浆预加固，压力控制0．3 ～0．5 MPa。

每榀钢格栅( 间距0． 5 m) 均打设超前小导管，外插角为10 ～12°，长度1． 8 m，环向间距0． 2 ～0． 3 m。

( 2) 合理安排施工步序
车站小导洞分上、下两层，共 6 个，上层4 个，下层2 个，为减小群洞效应，严格按“先边洞，后中洞，先上洞，后下洞，先支护后开挖，分步开挖”的原则进行作业，各导洞掌子面间距不小于15 m，并在上层中导洞架设水平临时支撑。

为确保安全，下层两个导洞宜在边桩施工完成后开挖。

( 3) 及时背后回填注浆
小导洞初支封闭成环后，及时通过预留的注浆管对初支背后进行正常回填注浆，填充空隙。

6．2 桩、柱、梁、拱施工
6．2．1 边桩施工
边桩采用Ф800 mm@1 000 mm 钻孔灌注桩，桩长15．85 ～18． 15 m 不等，锚入底板以下 6． 29 ～6． 99 m，隔桩法施工。

因导洞空间狭小( 5． 0 m ×4．0 m) ，普通钻机体积大而笨重，很难运输进洞施工，况且循环钻机施工产生泥浆较多，受空间限制无法排放，严重影响文明施工。

针对以上问题，采取下述技术措施。

( 1) 改装钻机洞内成孔
对GSD －50 型大口径全液压反循环钻机( 工作时外形尺寸5．3 m ×2．07 m × 4．7 m) 进行了改装。

将底座和钻塔外形按比例进行了收缩，底座安装了轨轮便于移动，钻塔的高度由原来的4．7 m 降为3．5 m，使其能满足导洞内施工的条件。

导洞及洞桩施工见图2。

( 2) 自行设计泥浆分离循环系统
采用优质膨润土进行孔内造浆，自行设计制作了泥浆分离循环系统( 见图 3) ，对泥浆进行分离循环使用，满足了洞内文明施工的要求，大大减小了泥浆对环境的污染程度，实现了洞内绿色施工。

( 3) 钢筋笼制作安装
钢筋笼分节编号加工，主筋采用镦粗直螺纹工艺正反丝连接，提前试拼装。

采用自制井架对钢筋笼进行吊装安放，为控制其上浮，在顶部设米字型钢架固定。

( 4) 混凝土灌筑
采用商品混凝土，自接地泵，泵送至桩位，导管法灌筑水下混凝土。

6．2．2 钢管柱施工
钢管柱是整个暗挖车站中联拱结构最主要的承载与传力结构，是控制安全、质量、工期的关键工序。

钢管柱委托专业厂家加工，现场安装。

本工程采用Ф800 mm，壁厚16 mm 钢管柱，长9．36 m，人工成孔安放，上下端分别与顶、底纵梁连接，在下导洞底纵梁施工时准确预埋定位地脚螺栓，通过地脚螺栓与钢管柱法兰盘的栓接来实现安装。

钢管柱内置钢筋笼，上下端分别锚入顶、底纵梁内，见图4。

因导洞净空较小( 5． 1 m ×3．0 m) ，钢管柱分上下两节安装，在导洞内采用自制分节平板车运输钢管柱，I20 a 工字钢搭成吊装架体，人工配合5t 手拉葫芦进行安装。

在完成下节吊装后，绑扎下节钢管柱内的钢筋笼，并用细铁丝将上节钢筋逐根固定在下节钢筋笼上，方便上节钢筋的绑扎，钢筋笼主筋采用镦粗直螺纹工艺正反丝连接。

下节安装及绑扎完成之后，进行上节安装及绑扎。

钢管柱安装完毕，经检查中线、标高符合设计要求后，把钢管柱和既有导洞格栅有效连接固定，之后在钢管柱与护壁间填充原状砂密实。

最后采用地泵与串筒相结合的方式浇筑C50微膨胀混凝土，用振捣棒振捣密实。

6．2．3 底、顶纵梁施工
在下导洞施工完毕后施工底纵梁，为安装钢管柱做准备。

在边桩、钢管柱施工完毕后，分别在其顶部施工顶纵梁。

6．2．4 扣拱施工
在超前注浆加固形成的固结拱及中柱的支撑保护下，开挖中跨拱部土体，架设拱部钢格栅，完成中跨初支扣拱，然后破除二衬范围内导洞边墙，铺设中跨拱部防水层，施作中跨拱部结构二次衬砌，完成中跨二衬扣拱。

之后进行边跨扣拱施工，分段破除中跨、边跨内导洞边墙。

中跨、边跨二衬扣拱完毕后，对二衬背后注浆密实，并架设第一道钢支撑，以便逆作施工。

6．3 板、墙逆作施工
扣拱完毕，二衬混凝土强度达到设计要求后，开始自上而下开挖土体，逆作施工站厅层中板( 中纵梁) 及边墙，站台层底板及边墙，施工站台板和轨顶风道，完成主体结构施工，见图5。

7 技术创新
( 1) 结合“PBA”、“CD”、“CRD”等工法特点，在桩上做“盖”，利用桩、柱、梁、拱形成支撑体系，自上而下逐段开挖土体、自上而下二次衬砌施工，形成逆作施工技术。

( 2) 使用当地企业研发的 THE-Ⅱ、JM-4 型固砂剂代替双液浆用于固结施工，成功解决富水砂层砂体短时间内固结难的问题，保证了拱部开挖的安全。

( 3) 通过改良桩机和自制泥浆分离循环系统施工洞桩，实现了洞桩机械施工，改善了洞内施工环境，加快了施工进度。

( 4) 合理设计拱部二次衬砌拱架，同时将该拱架旋转90°作为边墙施工支撑架，“一架两用”，节省了边墙模架的制作或租赁费用，降低了成本，( 见图6) 。

8 监控量测
从车站暗挖施工开始到主体结构完成，选取5个典型地表沉降监测断面Ka + 033、Ka + 043、Ka +063、Ka + 093 和Ka + 123 进行分析，地表沉降稳定后的最终沉降曲线如图7 所示。

由图 7 中曲线可以看出，5 个典型断面最终稳定后的沉降曲线都呈现车站结构中部地面沉降大，两侧地面沉降小的特征，其中，Ka +093 断面最大沉降为53． 6 mm，为 5 个断面中沉降最大的断面。

沉降主要发生在小导洞开挖及三联拱施工阶段。

整个车站暗挖施工并没有形成有害的过大变形。

同时，在车站暗挖施工完成后，距离车站较近的建筑物最大沉降量均小于10 mm，未发生过量下沉及建筑物开裂损坏现象，保证了临近建筑物的安全。

9 结论
通过施工前的三维数值模拟，以及该技术在沈阳地铁工程中的实际应用，并结合当前类似工程施工现状，得出如下结论:
( 1) 在施工中，由桩、柱、梁、拱共同构成的支撑体系未形成前，结构受力出现局部应力集中，特别是进行拱部施工时，初期支护及中柱主应力较大，因此，要严格控制初期支护及中柱施工质量，并加强监控量测，及时反馈洞内施工。

( 2) 对于该施工技术，工序转换频繁，施工节点多，防水质量的控制尤为重要，要在防水材料检验、防水层铺设、钢筋安装绑扎、混凝土浇筑，以及变形缝、施工缝等细部构造施工的各个环节严格控制。

( 3) 在类似工程施工中，有遵循“先下后上”原则施工上下双层导洞的成功经验，也有采用“套笼法”安装钢管柱的成功实例，因此，在施工中要以成熟经验为载体，以科技创新为动力，因地制宜，举一反三，摸索最科学最有效最适合的施工方法，并形成科技创新成果，指导施工，提高施工水平。

( 4) 该技术的成功运用，取得了良好的经济、社会和环保效益，具有广泛的推广应用前景。

参考文献
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