城市暗挖大跨地铁车站“洞柱法”施工沉降控制措施.pdf

城 市 暗 挖 大 跨 地 铁 车 站/洞 柱 法0施 工 沉 降 控 制 措 施 傅春青 中隧集团北京中铁隧建筑有限公司, 北京100022 摘要 结合车站穿越粉细砂层、 热力隧道、 上水、 污水、 燃气管道等不良地质, 周围毗邻使馆区等重要建筑物的特点和难点, 介绍了暗 挖三联拱地铁车站采用/洞柱法0施工所采取的优化方案、 超前探测加固措施以及二衬施工中采用的主动换撑技术, 确保了地下车 站结构施工的环境安全、 地表一级风险源管线安全, 满足了工期要求。最后, 探讨了目前城市大跨暗挖隧道施工中沉降形成的主要 原因以及沉降分配系统, 取得了初步的结论。 主题词 暗挖三联拱车站; 洞柱法; 超前探测; 主动换撑; 优化方案 中图分类号 U459. 3; U456 . 31文献标识码 B ControlM easures for Ground Settle ment during Station Construction with Tunne- lColumn M ethod FU Chun - qi ng Beijing China Tunnel Group Construction Co . , Ltd. , Beijing 100022 Abstract The station presented in this paper is in the fine - sand layer ,and passes through the heating , water ,sewage and gas pipeline ,and is in close proxi mity of so me i mportant buildings ,therefore,controlling the settlement ofground during the construction of the station beco me very crucia.l The techniques andmeasures in the construction of the three - arch shallow station are discussed. The tunne- l column isused to reduce the settlement and ensure the safety .In addition,the reasons of settlement and its distribution syste m during the construction of the large- scale tunnels in urban areas are analyzed . K ey words mining ;three - arch station ;tunne- l column ; advance explore ;changing suppor;t opti miza - tion of sche mes 1 工程概况 北京地铁十号线某车站总长 208 . 9m, 主体纵向由 三部分组成, 中间部分为单层三跨的暗挖结构, 两端为 三层三跨的明挖结构。其中北端基坑 长 49 . 4m, 南基 坑 长 72 . 6m, 标准段深度约为 22m, 宽 20 . 9m, 端头井 深约23. 8m , 宽24. 4m , 明挖结构顶板覆土约为 4 . 3m。 中间暗挖段长为 86 . 9m, 宽 22 . 5m, 高 9 . 52m, 拱顶覆 土约 13m。车站两端主体结构采用明挖顺作法施工, 待明挖结构封顶后, 从明挖车站进洞采用洞柱法施工 中间暗挖段结构。 中间暗挖段结构型式为单层双柱三连拱结构, 采 用 159 333mm大管棚加 42小导管超前支护, 分 为 15个小洞室, 采用 /洞柱法 0施工。衬砌结构由初 期支护、 夹层防水和二次衬砌构成, 其中初期支护采用 C20喷射混凝土, 二次衬砌采用 C30防水混凝土, 抗渗等级为 S10 。 1 . 1 暗挖段的工程水文地质概况 暗挖段穿越地层见图 1 。 图 1车站暗挖段涉及地质剖面图 1 . 2 暗挖段隧道上方地面及周围环境概况 收稿日期3; 修回日期53 作者简介傅春青, 男,年毕业于华东交通大学铁道工程专业, 工程师, 现为北京地铁十号线亮马河东站工程项目部总工程师, 从事工 程施工管理。 增刊 2007年 8月 隧道建设 TunnelConstruction Sup . 465 470 Aug . ,2007 2007- 0 - 19 2007- 0 -0 1978-2001 暗挖段隧道上方地面及周围环境十分复杂, 经甲 方组织专家综合审定, 涉及一级环境风险源 管线 共 八条, 其中暗挖段有一级环境风险源 管线 四条, 即 污水 2 150 、 雨水 1 600 、 上水 600 、 热力 4 300 2 800 隧道, 还有煤气等其他管线, 暗挖段结构与管线 结构平剖面见图 2 、 图 3 。 图 2 车站暗挖段与管线结构平面图 图 3 车站暗挖段与管线结构剖面图 2 施工方法 车站暗挖段为单层两 钢管 柱三跨联拱结构, 由 于受条件限制, 施工方向只能按照由北基坑 单面向南 进行。采用 /洞柱法 0施工, 将整个开挖断面分为五个 洞, 一个中洞, 两个带柱的中侧洞, 两个侧洞。每个洞 的竖向又设三层仰拱, 共 15个小导洞。每个洞室的开 挖支护施工步序见图 4 。 图 4 车站暗挖段开挖支护的施工步序图 在完成大管栅超前小导管的预先支护后, 各个小 导洞即可依次采用环向开挖预留核心土的台阶法施工 方式进行开挖支护。每个洞内的结构衬砌在初期支护 完成后即可进行, 二次衬砌的施工步序见图 5 。梁体 平面衬砌模板采用竹胶板, 其他结构断面采用单元为 1 500mm 1 200mm的弧型模板调节而成。 图 5 车站暗挖段二次衬砌施工的施工步序图 3 施工监测与沉降分析 根据设计图纸和招标文件的要求, 施工期间的监 控量测包括隧道上方地面沉降、 特殊部位 如管线等 沉降、 周围建 构 筑物变形、 隧道内拱顶沉降、 侧墙收 敛、 底板隆起、 土压力、 钢筋应力等内容。 现以沉降为例, 从洞体开挖到衬砌完成封闭并稳 定, 所形成的沉降最终累计值是每个工序各自产生沉 降值的综合积累。但每个工序沉降值的大小各不同。 如某点地面最终沉降累计值为 112mm , 其中各工 序按时间影响情况如下 中侧洞施工耗时 65d , 即完成东西两侧 1 、 2 、 3层 导洞初支和衬砌施工的时间, 期间沉降累计 45mm。在 1 、 2 、 3导洞按设计间距预留时, 由于单洞跨度 4 . 6m较 小, 两侧对称施工引起群洞效应, 同一位置处通过 1 、 2 、 3 导洞时沉降速率较大, 均为 2mm /d , 钢管柱的顶梁完成 浇注后沉降有所减缓, 降为 1mm/d以下。 中洞施工耗时 50 d , 即完成东西两侧 4号导洞 初支和衬砌施工的时间, 期间沉降累计 25mm。由于 中洞跨度 3. 0m较小, 开挖完成时间较短, 其沉降变 化也较小; 但是在完成初支并破除顶部临时隔壁施做 扣拱时, 由于取消了中洞两侧的临时隔壁、 增大了跨 距, 沉降速率增加很快, 扣拱、 横导洞及底梁施工完成 后, 在滞后效应影响下沉降并未减缓, 仍为 1 . 4mm /d。 侧洞施工耗时 70d , 即完成东西两侧 7 、 8 、 9号 导洞初支和衬砌施工的时间, 期间沉降累计 42mm。 由于侧洞跨度 6 . 8m较大, 土方开挖量较大, 分台阶 施工耗时较长, 开挖初支期间的沉降速率持续在 1 2 mm/d之间; 另外施工每组衬砌结构 长 9m时需破除 临时隔壁, 拆除前后受力转换较大, 该位置对应的地面 点沉降速率增加很快, 最大达到 3mm/d , 分别跳槽施 工也没有减缓, 累计沉降较大。 封闭侧洞衬砌后, 即拆除主动换撑的方木, 此时 沉降在缓慢的减小, 量测数据来回变动, 变化值不超过 466隧道建设2007年 8月 2mm。 根据以上工序与沉降数据的关系, 对于施工期间 沉降的积累来说, 各工序涉及到的开挖面跨度、 持续时 间、 开挖方法、 是否有拆除的受力转换、 分段长度、 隧道 上方地层情况 含水率、 松散程度等 、 管线情况, 都对 沉降数据的变化有不同程度的影响。 4 控制沉降措施 针对以上沉降出现的原因以及导致沉降数据变化 的影响因素, 在施工期间重点针对一些方面采取措施 来控制沉降, 有些措施实施前后对沉降变化起到了主 动控制作用, 降低了沉降速率, 下面就此进行详述。 4 . 1 工法变换的优化措施 在完成中侧洞的衬砌后, 先从南、 北两端同时开 始部分中洞的开挖支护 即中洞上层 4和下层 6内的 14个横导洞, 剩余二层 5导洞和三层 6导洞未开挖 , 然后将顶部衬砌集中完成, 将横导洞内永久底板混凝 土联系梁迅速浇注完毕后, 形成分块状的格构底板与 底纵梁连接成一体, 并及时架设梁部的横向钢支撑和 拉杆, 使中洞形成稳定的结构体系。 在中洞衬砌达到设计强度后, 从南、 北两侧同时 开始侧洞的分层开挖支护, 并迅速从底到顶完成两侧 洞的二次衬砌, 满足洞通条件。 待侧洞完成衬砌后, 再开始施工中洞二、 三层 5 、 6导洞、 拆除临时隔壁、 浇注剩余分块的中洞底板等 工序。 工法变换的优化措施的施工步序详见图 6 。 图 6 工法变换的优化措施的施工步序图 467增刊傅春青城市暗挖大跨地铁车站/ 洞柱法0施工沉降控制措施 4 . 2 环境、 管线的专项保护措施 由于结构穿越一级风险源管线的位置位于城市主 干道下方, 对交通、 社会影响巨大, 施工期间必须对隧 道穿越地段采取信息化施工, 保证管线的安全及正常 使用, 制订了下述保护措施和抢险应急预案。 由于暗挖段上方的 600上水管埋深较浅, 极 易受外力破坏, 而且管线周围地层为杂填土, 较为松 散, 在隧道影响范围采用地面布置钢花管注浆 沿管 线两侧用壁厚 3 . 25mm、 长度 2m的两排 42钢管 500 , 注水泥浆液 对管线进行加固保护, 见图 7 。 图 7地面铺钢板及钢花管注浆措施剖面示意图 针对污水和雨水管线均埋置较深, 且距离结构 较近, 同时周围土体疏松和含水饱和的实际情况, 在隧 道内沿管线和结构的两侧各 5m 范围采取径向注浆 壁厚 3 . 25mm, 长度 2m42 500 , 纵向间距 2m, 注超 细水泥浆液 的措施, 见图 8所示。同时需在征得产 权单位的同意后, 采用地面导流、 管内防渗措施 在过 隧道段的管底及壁内铺设 EVA柔性防水, 端头处采用 EVA刚性防水砂浆处理 对大直径污水管进行处理, 见图 9所示。 图 8车站主体暗挖段洞内径向注浆措施剖面示意图 针对暗挖顶部的热力隧道 断面 4 . 55m 2 . 8 m和小室的实际情况, 在隧道内采取加密设置小导管 每榀设置 的过管线措施, 施工期间还需作好管线内 部积水的定期抽排。 4 . 3 洞内综合措施 为配合地面措施的实施, 暗挖段隧道内施工期间 也采取了相应措施, 将施工作业对拱部地层稳定性的 影响降到最低。 钢管柱与临时仰拱牢固固定, 工钢井字架与仰 拱格栅及钢管柱焊接, 周边孔隙用 C30混凝土填充 后, 再开挖中洞拱部 4号洞, 防止两中侧洞及钢管柱失 稳, 引起拱顶下沉。 图 9 污水管内防渗处理措施剖面示意图 在中侧洞之间的横导洞开挖及联系梁的制作 前, 横导洞应提前将大中洞底板连成一体, 以抵抗围岩 对已成洞体的压力, 引起侧壁收敛、 拱顶下沉和底板隆 起。见图 10 、 11 、 12 。另外, 开挖中洞前, 对中侧洞底 纵梁和顶纵梁与临时隔壁两侧的空隙架设支撑, 并对 无支撑位置范围的空隙用砂浆砌筑砖进行填充, 稳固 大跨隧道的底板。 图 10横导洞平面布置示意图 图 11横导洞 1- 1剖面示意图 图横导洞剖面示意图 468隧道建设2007年 8月 122- 2 中洞顶纵梁拉杆是起着关键作用的受力构件, 在中洞扣拱完成后、 开挖侧洞前, 要求将顶纵梁、 中洞 顶拱全部连成整体, 保证大中洞全范围来承担顶部的 荷载, 以减少沉降的速率。 侧洞施工过程中, 8 洞遇到砂层, 在 8号洞的边 墙范围采用超前注浆加固改良地层, 为开挖时形成良 好的开挖工作面做好准备。 侧洞衬砌过程中采取先期施作主动换撑的思 路, 即在侧洞衬砌全过程中增加支撑, 保证结构安全稳 定, 具体施工措施说明如下。 在侧洞完成全断面开挖支护后, 在 7号洞顶部最 高点及 9号洞底部的相应位置处沿纵向先后施做垫 层、 防水层及保护层; 制作上下马蹬, 用方木和马蹬将 顶板和底板纵向联结、 支撑起来, 并设置油压千斤顶, 预加支撑力将支撑撑紧, 然后将方木分别与两层仰拱 固定联系起来, 施工方法见图 13 。在主动换撑完成受 力后, 侧洞断面拱部纵向按 9m一段逐步拆除两层仰 拱, 浇注拱墙、 拱顶, 完成全断面衬砌, 其间也需要用工 钢代换拆除的临时隔壁。 拆除断面内剩余的仰拱及临时隔壁, 待拱部混凝 土强度达到设计要求后, 逐段完成换撑拆除和基面处 理, 见图 14所示。 图 13侧洞衬砌开始前的主动换撑示意图 图 14侧洞衬砌完成后的主动换撑示意图 5 见证效果及监控量测成果 经过以上措施的实施, 隧道结构目前已基本完成, 衬砌结构部分也已稳定, 对应地面的沉降与拱顶沉降 由于地质的不均匀也呈现出了不同的沉降情况, 其中 测点最大累计沉降值为, 最小累计沉降值为 。 对于埋深3左右的暗挖大跨隧道在该地区地 质条件下, 经过多次群洞效应、 地面交通动载、 多条 给排水 管线的补给等条件的影响, 控制沉降值几乎 不可能满足业界默认的 30mm , 若按照群洞叠加计算 累计沉降控制值, 则完全可以满足。 文中所写有些措施是从工法上进行了优化调整, 实施起来对沉降发生时间进行转化, 对整体结构受力 所起作用很大, 沉降槽的形成没有滞后, 但衬砌时间提 前, 减少了跨的临空时间; 有些措施 8号洞变更措施, 解决砂层对 8号洞侧墙开挖的影响 实施前后沉降变 化并不太大, 但所起作用很大, 起到了缓解沉降加剧的 作用; 有些措施 如主动换撑 实施前后对沉降变化起 到了主动控制作用, 降低了沉降发生的可能性。 目前大跨隧道 / 洞柱法 0施工的沉降控制仍然难 以减小其累计值, 但可以采取一些措施缓解沉降发生 的概率和速率。 6 结束语 根据本工程的施工实践, 若想保证施工的安全, 沉 降只是感性衡量对环境的影响和反馈施工即时工况的 一个手段。隧道施工有很多项指导施工的数据, 除沉 降之外, 有收敛、 钢筋应力计、 围岩 土 压力盒、 远程 遥控等变形监测手段, 施工过程中以沉降为先感知的 信息反馈, 必须结合随后对其他手段采集来的数据进 行综合分析才可以得到真实工况的反馈。 在招投标和设计前期根据地质概况、 结构特点、 行 业水平来拟订沉降控制值 现在一般仍为 30mm还不 是很客观, 由于该领域研究的时间较短, 固守老规范、 老经验的思想占据主导, 所以有一些实际经验的年轻 业内同仁尽管已得到了一手经验资料, 却不敢也不愿 去撼动主导思想。近年来实践经验告诉我们, 对于单 洞区间隧道在一般地层仍能满足 30mm的累计沉降控 制值, 有些地面影响小、 地质条件好的隧道甚至能控制 在 20mm以内, 但对于地铁车站这样的大净空暗挖结 构仍然没有一个可以参考的沉降累计控制值标准。 根据施工验证, 隧道所处静态地质和周边环境是 引起沉降的次要原因, 结构设计本身、 施工操作的可实 施性与施工操作的缺陷是引起沉降的主要原因。尽管 不同地质情况、 环境状况所发生的沉降有所差别, 但如 果结构设计本身、 施工操作的可实施性或施工操作的 缺陷会直接导致结构不完整、 引起沉降的加剧, 所以开 挖支护工艺是否规范、 拆除衬砌是否合理转换和适时 是关键, 当然沉降累计值也主要来自这两方面。 参考文献 []王梦恕地下工程浅埋暗挖技术通论 [M]合肥 安徽教 育出版社, []夏明耀, 曾进伦地下工程设计手册 [M ]北京 中国建 469增刊傅春青城市暗挖大跨地铁车站/ 洞柱法0施工沉降控制措施 112mm 82mm 1 m 1.. 2004 . 2.. 筑工业出版社, 1999 . 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