地鐵車站暗挖施工技術研究摘 要:以磁器口車站為例,從車站主體施工方法、砂層開挖支護方法介紹了地鐵車站暗挖施工技術,對大管棚施工、粉細砂地層加固提出了施工建議。關鍵詞:暗挖車站,超前支護,管棚,粉細砂層 地鐵暗挖車站施工技術是一項新發展的技術,地下鐵道車站常用方法多為明挖法、蓋挖法,受特殊環境限制方采用暗挖法施作,暗挖車站施工技術更為復雜。北京地鐵5號線磁器口車站采用淺埋暗挖法施工,站體大部分位于細砂、粉細砂層上,地面是交通十字路口,交通繁忙。地下有雨水管、污水管、自來水管、電力方溝、熱力管溝等地下管線設施。站體大部分位于砂層地區,砂層自穩能力差,開挖極易坍塌而引起地面沉陷過大,甚至造成災難性后果。因此,該車站的施工難度、風險非常大。1 工程概況1.1結構簡介 磁器口車站是北京地鐵5號線與規劃北京地鐵7號線的換乘站,車站全長180ｍ,寬21.87ｍ,高14.933ｍ。車站建筑面積為12244.2ｍ2,車站主體覆土深度為9.8ｍ～10.3ｍ。車站為雙層島式三拱兩柱結構,車站地下一層為站廳層,預留通道實現與7號線換乘,地下二層為站臺層。 車站支護采用復合式襯砌,初期支護為Ｃ20噴射混凝土,厚度30ｃｍ,二次襯砌為Ｃ30、抗滲等級Ｓ10的防水混凝土,最薄處厚度50ｃｍ。立柱為Ｃ40鋼管混凝土柱,站廳板、站臺板為Ｃ30普通鋼筋混凝土。1.2地層土質 磁器口車站地層為第四系地層,表層為人工填土,人工填土層下為粉土層、粉質粘土層、粉細砂層,車站站廳層主要位于粉細砂層。站廳層下土層為粉質粘土層、粉土層,車站站臺層底層主要為以粉質粘土層、粉土層為主,結構底板主要為卵石圓礫層。2 施工方法2.1車站主體施工方法 受規劃和周邊環境限制,磁器口車站只能采用暗挖法施作。根據地層和結構的特點,車站主體最終選定采用中洞法進行施作。將主體劃分成16部洞室,采用ＣＲＤ法先開挖中部8個洞室,開挖期間各部洞室步距控制在8ｍ～10ｍ,以控制地表沉降和減少相互的影響,施工中及時封閉成環。中洞開挖完成后,施作中洞結構,完成中洞部位的仰拱、底縱梁、鋼管柱、中縱梁、中板、頂縱梁、頂拱,形成穩定的中洞支撐體系,然后對稱開挖邊洞,施作邊跨初期支護和二次襯砌,最后完成站臺板及其他建筑設施。具體施工步驟見圖1。
2.2 砂層開挖支護方法2.2.1超前支護 為保證開挖中的安全,控制砂層坍塌,保護地下管線設施,采用大、小管棚進行超前支護。 大管棚做法:管棚采用直徑108ｍｍ、壁厚5ｍｍ的無縫鋼管,管棚長18ｍ,搭接3ｍ,管身上鉆6ｍｍ～8ｍｍ的孔,梅花形布置,孔距30ｃｍ。注漿選用水泥砂漿,漿液配比1∶1∶1,注漿壓力0.2ＭＰａ～0.3ＭＰａ。 小導管施作方法:由于拱部土體大部分為粉細砂層,小導管采用特殊制作。先按常規做好注漿管,導管采用?32ｍｍ水煤氣管制成,先將鋼管截成長2.0ｍ,一端做成尖錐形,另一端焊上?6ｍｍ鋼筋制成的箍。在距頭部1.0ｍ～1.5ｍ以下每隔8ｃｍ,交叉鉆?5ｍｍ～?8ｍｍ的孔。導管做成后,每個孔眼進行特殊處理,在孔眼位置擴孔5ｍｍ,深2ｍｍ,安設封孔片,防止在導管打入的過程中粉細砂堵塞孔口。 注漿時,在注漿的壓力下,漿液沖開封片,使漿液能注入粉細砂層中。小導管注漿采用“注漿一段,開挖一段,段段推進”方式,導管間距33.3ｃｍ,小導管長2.0ｍ,搭接1.5ｍ,外插角10°～15°。注漿材料選用改性水玻璃漿,水玻璃濃度一般為35Ｂｅ′,模數2.75～3.05,ｐＨ=2～4。2.2.2 洞室開挖1)1,3,9部洞室開挖支護。 粉細砂雖較密實,但穩定性差,掌子面易失穩坍落,開挖不合理則會造成大面積塌方。施工中采用上下兩步臺階開挖,上臺階高度1.8ｍ。根據早成環的原則,同時保證掌子面穩定和施工安全,施工中臺階長度控制在2ｍ～3ｍ,格柵支立好后及時加設水平工字鋼。上臺階預留核心土,核心土長度0.8ｍ～1.0ｍ,坡度1/3左右。下臺階土體保證1∶6左右坡度。輪廓拱腰處開挖時基面輪廓為倒坡形式,下臺階施工時先掏槽開挖,支護該處側墻,避免塌方,保證施工安全。最后再開挖剩余土體、支護成環。2)2,4,10部洞室開挖支護。 車站2,4,10部洞室大部分位于細砂、中粗砂層上,砂層在降水后變得非常松散,穩定性更差,施工中先對該地層進行側向注漿加固然后再掏槽開挖。導管采用Φ32ｍｍ水煤氣管制成,鋼管長1.8ｍ,在距頭部1.0ｍ以下每隔15ｃｍ交叉鉆Φ8ｍｍ的孔,導管間距50ｃｍ,外插角20°～30°,與鎖腳錨桿交錯設置。注漿材料選用水泥漿或水泥水玻璃漿,水泥漿液配比采用1∶1。雙漿液水玻璃濃度一般為35Ｂｅ′,模數2.75～3.05,水泥漿為1∶1,水泥漿與水玻璃漿液配比也為1∶1,施工中采用了以上兩種漿液,水泥漿對無水地段效果較理想,雙漿液對殘余水部位堵水效果較好。由于砂層較為松散,注漿壓力在0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ之間。3)回填注漿。 車站開挖后,立即噴射混凝土作為初期支護,但由于施工工藝和噴射混凝土自重等原因,往往在初期支護和砂層間存在空隙。為了消除空隙引起的地表沉降,施工中在噴射混凝土時預先埋設注漿鋼管,鋼管長70ｃｍ,間隔10ｃｍ打設花眼,用膠帶封口,埋入砂層30ｃｍ。埋設部位在拱頂、拱腰、拱腳、墻中等處。待噴射混凝土達到一定強度后,向預埋管內充填水泥砂漿或水泥水玻璃漿,進行全斷面周邊注漿。 車站洞頂部縱向每3ｍ布設一根注漿管,環向4ｍ布設一根,開挖3ｍ～4ｍ后進行回填注漿,注漿機械選用低壓注漿泵,注漿壓力控制在0.1ＭＰａ～0.2ＭＰａ。注漿材料為水泥漿,孔隙較大部位注水泥砂漿,注漿順序由上向下逐次進行。3 施工技術的改進3.1大管棚施工 在淺埋暗挖工法中,地面有建筑物,地下有各種管線等設施,采用大管棚超前支護對保護既有建筑物、控制地表下沉有較好的效果。 本站采用18ｍ長管棚,直徑108ｍｍ,搭接長度3ｍ,每隔15ｍ就要重新打設下一環。目前國內外的機械一般施作高度在60ｃｍ～80ｃｍ,考慮管棚長度和機械擺放,需要施作6ｍ長的工作室。施作工作室時,需向上挑高,以15°角計算,挑高60ｃｍ長度為2.3ｍ。砂層地區上挑開挖難度非常大,由于小導管仰角已經大于15°,支護能力明顯降低。 由于施工中不斷變化格柵形式,超挖部分需用二襯混凝土回填,造成很大的人力、材料的浪費,且耗時長。開辟工作室同時造成初支背后很多轉折點,一方面極易形成積水槽,給結構耐久性帶來一定的影響,另一方面初支表面轉折點變化多,給防水層施作帶來諸多不利因素。 目前,國內多采用直徑150ｍｍ長管棚,施作30ｍ～60ｍ長管棚已有很多成功經驗,施作150ｍ亦有成功經驗。因此,在今后的設計和施工中,應盡量采用60ｍ左右長大管棚,減少工作室的施作。3.2粉細砂地層加固 粉細砂土層一般較為密實,但自穩能力差,無法形成自然應力拱,易產生大面積坍塌,在有水的情況下更易產生流砂現象,是施工開挖支護控制的難點。對于本站粉細砂層的開挖,施工中為了保護環境,未采用有毒的化學漿液,只采取了預注酸性水玻璃加固土層的方法。將水玻璃稀釋15Ｂｅ′,加10%～20%的稀硫酸,同時加微量碳酸鈉,ｐＨ值控制在3左右。 施工前期注漿壓力采用0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ,固砂效果不理想,固砂體單軸抗壓強度達到0.15ＭＰａ。 在后期的施工中,工作面施作了30ｃｍ～40ｃｍ厚的止漿墻,將注漿壓力提高到0.8ＭＰａ,通過效果檢查,固砂體單軸抗壓強度達到0.5ＭＰａ,基本滿足開挖要求,但施工中砂層剝落至小導管現象時有發生,小導管起到了一定的支護作用。因小導管注漿每隔1ｍ就要施作一環,工作面還需施作較厚止漿墻,注漿結束后還得鑿除,嚴重制約了工程進度。 隨著長管棚技術的發展,一次施作較厚止漿墻,提高注漿壓力,改善漿液配比,粉細砂層加固難點將得到較好的解決。
2.2 砂層開挖支護方法2.2.1超前支護 為保證開挖中的安全,控制砂層坍塌,保護地下管線設施,采用大、小管棚進行超前支護。 大管棚做法:管棚采用直徑108ｍｍ、壁厚5ｍｍ的無縫鋼管,管棚長18ｍ,搭接3ｍ,管身上鉆6ｍｍ～8ｍｍ的孔,梅花形布置,孔距30ｃｍ。注漿選用水泥砂漿,漿液配比1∶1∶1,注漿壓力0.2ＭＰａ～0.3ＭＰａ。 小導管施作方法:由于拱部土體大部分為粉細砂層,小導管采用特殊制作。先按常規做好注漿管,導管采用?32ｍｍ水煤氣管制成,先將鋼管截成長2.0ｍ,一端做成尖錐形,另一端焊上?6ｍｍ鋼筋制成的箍。在距頭部1.0ｍ～1.5ｍ以下每隔8ｃｍ,交叉鉆?5ｍｍ～?8ｍｍ的孔。導管做成后,每個孔眼進行特殊處理,在孔眼位置擴孔5ｍｍ,深2ｍｍ,安設封孔片,防止在導管打入的過程中粉細砂堵塞孔口。 注漿時,在注漿的壓力下,漿液沖開封片,使漿液能注入粉細砂層中。小導管注漿采用“注漿一段,開挖一段,段段推進”方式,導管間距33.3ｃｍ,小導管長2.0ｍ,搭接1.5ｍ,外插角10°～15°。注漿材料選用改性水玻璃漿,水玻璃濃度一般為35Ｂｅ′,模數2.75～3.05,ｐＨ=2～4。2.2.2 洞室開挖1)1,3,9部洞室開挖支護。 粉細砂雖較密實,但穩定性差,掌子面易失穩坍落,開挖不合理則會造成大面積塌方。施工中采用上下兩步臺階開挖,上臺階高度1.8ｍ。根據早成環的原則,同時保證掌子面穩定和施工安全,施工中臺階長度控制在2ｍ～3ｍ,格柵支立好后及時加設水平工字鋼。上臺階預留核心土,核心土長度0.8ｍ～1.0ｍ,坡度1/3左右。下臺階土體保證1∶6左右坡度。輪廓拱腰處開挖時基面輪廓為倒坡形式,下臺階施工時先掏槽開挖,支護該處側墻,避免塌方,保證施工安全。最后再開挖剩余土體、支護成環。2)2,4,10部洞室開挖支護。 車站2,4,10部洞室大部分位于細砂、中粗砂層上,砂層在降水后變得非常松散,穩定性更差,施工中先對該地層進行側向注漿加固然后再掏槽開挖。導管采用Φ32ｍｍ水煤氣管制成,鋼管長1.8ｍ,在距頭部1.0ｍ以下每隔15ｃｍ交叉鉆Φ8ｍｍ的孔,導管間距50ｃｍ,外插角20°～30°,與鎖腳錨桿交錯設置。注漿材料選用水泥漿或水泥水玻璃漿,水泥漿液配比采用1∶1。雙漿液水玻璃濃度一般為35Ｂｅ′,模數2.75～3.05,水泥漿為1∶1,水泥漿與水玻璃漿液配比也為1∶1,施工中采用了以上兩種漿液,水泥漿對無水地段效果較理想,雙漿液對殘余水部位堵水效果較好。由于砂層較為松散,注漿壓力在0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ之間。3)回填注漿。 車站開挖后,立即噴射混凝土作為初期支護,但由于施工工藝和噴射混凝土自重等原因,往往在初期支護和砂層間存在空隙。為了消除空隙引起的地表沉降,施工中在噴射混凝土時預先埋設注漿鋼管,鋼管長70ｃｍ,間隔10ｃｍ打設花眼,用膠帶封口,埋入砂層30ｃｍ。埋設部位在拱頂、拱腰、拱腳、墻中等處。待噴射混凝土達到一定強度后,向預埋管內充填水泥砂漿或水泥水玻璃漿,進行全斷面周邊注漿。 車站洞頂部縱向每3ｍ布設一根注漿管,環向4ｍ布設一根,開挖3ｍ～4ｍ后進行回填注漿,注漿機械選用低壓注漿泵,注漿壓力控制在0.1ＭＰａ～0.2ＭＰａ。注漿材料為水泥漿,孔隙較大部位注水泥砂漿,注漿順序由上向下逐次進行。3 施工技術的改進3.1大管棚施工 在淺埋暗挖工法中,地面有建筑物,地下有各種管線等設施,采用大管棚超前支護對保護既有建筑物、控制地表下沉有較好的效果。 本站采用18ｍ長管棚,直徑108ｍｍ,搭接長度3ｍ,每隔15ｍ就要重新打設下一環。目前國內外的機械一般施作高度在60ｃｍ～80ｃｍ,考慮管棚長度和機械擺放,需要施作6ｍ長的工作室。施作工作室時,需向上挑高,以15°角計算,挑高60ｃｍ長度為2.3ｍ。砂層地區上挑開挖難度非常大,由于小導管仰角已經大于15°,支護能力明顯降低。 由于施工中不斷變化格柵形式,超挖部分需用二襯混凝土回填,造成很大的人力、材料的浪費,且耗時長。開辟工作室同時造成初支背后很多轉折點,一方面極易形成積水槽,給結構耐久性帶來一定的影響,另一方面初支表面轉折點變化多,給防水層施作帶來諸多不利因素。 目前,國內多采用直徑150ｍｍ長管棚,施作30ｍ～60ｍ長管棚已有很多成功經驗,施作150ｍ亦有成功經驗。因此,在今后的設計和施工中,應盡量采用60ｍ左右長大管棚,減少工作室的施作。3.2粉細砂地層加固 粉細砂土層一般較為密實,但自穩能力差,無法形成自然應力拱,易產生大面積坍塌,在有水的情況下更易產生流砂現象,是施工開挖支護控制的難點。對于本站粉細砂層的開挖,施工中為了保護環境,未采用有毒的化學漿液,只采取了預注酸性水玻璃加固土層的方法。將水玻璃稀釋15Ｂｅ′,加10%～20%的稀硫酸,同時加微量碳酸鈉,ｐＨ值控制在3左右。 施工前期注漿壓力采用0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ,固砂效果不理想,固砂體單軸抗壓強度達到0.15ＭＰａ。 在后期的施工中,工作面施作了30ｃｍ～40ｃｍ厚的止漿墻,將注漿壓力提高到0.8ＭＰａ,通過效果檢查,固砂體單軸抗壓強度達到0.5ＭＰａ,基本滿足開挖要求,但施工中砂層剝落至小導管現象時有發生,小導管起到了一定的支護作用。因小導管注漿每隔1ｍ就要施作一環,工作面還需施作較厚止漿墻,注漿結束后還得鑿除,嚴重制約了工程進度。 隨著長管棚技術的發展,一次施作較厚止漿墻,提高注漿壓力,改善漿液配比,粉細砂層加固難點將得到較好的解決。
