單拱暗挖車站上穿既有地鐵線施工技術(shù)

杜建華，杜華林

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050041;2.中鐵隧道集團 北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022)

1 工程概況

地鐵車站暗挖段位于十字路口，橫穿街道，從既有地鐵1#線某區(qū)間隧道上部穿過，與既有線車站呈丁字形布置。暗挖段采用單層一拱雙柱復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式，長度為63.8 m，開挖寬為23.660 m，開挖高9.835 m，覆土厚度5.5 m(見圖1)。工程設(shè)計參數(shù)如表1所示。暗挖部分穿越地層為回填土、粉土、黏質(zhì)粉土、圓礫卵石層、中粗砂層。暗挖段頂板位于粉土層，底板位于卵石圓礫層，結(jié)構(gòu)主體上半部分主要處于粉土層。卵石圓礫層厚3 m，其下為9 m厚的粉土層。暗挖段上穿既有線(1#線)的某區(qū)間，與既有線頂部結(jié)構(gòu)外表面相距 0.5 m，使其在里程 K210+69.68～K210+93.34范圍受到影響(見圖2)。

圖1 標準斷面圖(單位:mm)

2 存在的問題

當(dāng)在既有地鐵隧道上方進行新建地鐵施工時，對既有隧道的頂部卸載會引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的隆起變形。運營地鐵對隧道結(jié)構(gòu)的變形要求極其嚴格。如何控制既有隧道的隆起變形成為急需解決的問題。施工中采用合理的施工方法對變形的控制至關(guān)重要。

表1 初期支護及混凝土襯砌設(shè)計參數(shù)

既有線隧道的縱向變形隨隧道周邊土體的抗剪強度指標C(黏聚力)、φ(內(nèi)摩擦角)等值變化而變化，也隨隧道卸載量變化而變化;對新建車站底部及既有隧道周邊土體進行加固，可以提高土體的 C、φ值，進而增強隧道抗卸載縱向變形的能力;采取減小單次卸載量、分階段施加預(yù)應(yīng)力錨桿等措施及時補償部分卸載量，可以補償部分既有線隧道的卸載變形。另外，地下水位、水量的變化不但導(dǎo)致隧道縱向荷載變化，而且也引起土體的抗剪強度指標C、φ等值的變化。

暗挖車站上穿既有地鐵隧道采用“中柱法”施工。在施工過程中對既有地鐵結(jié)構(gòu)采取系統(tǒng)性保護措施，能嚴格控制地表沉降和圍巖變形，可以有效地控制既有線隧道結(jié)構(gòu)隆起變形，確保變形值控制在規(guī)定范圍內(nèi)，保證既有線的正常運營和既有線結(jié)構(gòu)使用年限不受影響。

車站采用“中柱法”施工，將整個斷面開挖橫向分為側(cè)洞、有柱的柱洞和中洞共5個洞，先自上而下對稱施工柱洞初期支護，再由下而上施作柱洞二次襯砌，建立起梁、柱支撐體系。柱洞完成后，施工兩個柱洞中間的中洞的初期支護和二次襯砌，形成整個大中洞穩(wěn)定體系。之后，對稱自上而下施工兩側(cè)洞的初期支護。最后，縱向分段自下而上對稱施作二次襯砌，完成結(jié)構(gòu)閉合。照此施工順序，不但減小了單次卸載量，還可實現(xiàn)在既有線上部土體開挖前先對既有線進行注漿加固，任一洞室初支完成后，即可設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿、施工二次襯砌，及時補償卸載，形成加固、開挖、補償、再加固、再開挖、再補償?shù)男遁d模式。施工中，從改變暗挖車站底部和既有隧道周邊土體性質(zhì)、及時補償部分卸載和降低地下水位等方面來有效控制既有隧道隆起，另外，采取24 h不間斷遠程對既有線進行電子監(jiān)測，確保既有線運營的絕對安全。柱洞及施工分塊見圖3。

3 施工工藝流程

中柱法施工工藝流程為:施工準備→施作超前支護→柱洞開挖支護→施作柱洞底縱梁、鋼管柱及頂縱梁→中洞拱部開挖支護→中洞拱部襯砌→中洞下部開挖及中洞底板襯砌→側(cè)洞開挖支護→側(cè)洞襯砌及全部內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。車站暗挖段施工步序見表2。

4 操作要點

4.1 施工降水

當(dāng)隧道處在相對不透水土層中，水位的上升或下降如同對隧道的加載或卸載。新建車站開挖前，先降水在既有隧道的底板以下，相當(dāng)于對既有隧道向下卸載，以平衡部分新建車站開挖時對既有隧道向上的卸載。同時，既有隧道周邊的土體水疏干后，也提高了土體的抗剪強度，增強了抵抗卸載變形的能力。

4.2 開挖支護

柱洞、中洞和側(cè)洞開挖均采取臺階法開挖，分三層三部開挖初支。兩側(cè)同號洞室宜對稱進行。每部之間用臨時中隔壁及仰拱分割。

1)永久性初期支護采用鋼格柵+連接筋+C20網(wǎng)噴混凝土支護體系。臨時中隔壁與臨時仰拱采用工字鋼+縱向連接筋+網(wǎng)噴混凝土支護體系。各層臺階長度3～5 m。1部與3部掌子面保持8～10 m距離。

2)暗挖車站外輪廓的拱及側(cè)墻徑向外放10 cm。循環(huán)進尺0.5 m。拱部采用環(huán)行開挖留核心土人工開挖。開挖循環(huán)進尺為每榀拱架的間距。嚴格按開挖外輪廓線開挖，避免超挖，禁止欠挖。

4)為確保施工安全，要求開挖掌子面進行刷坡，不得陡于2∶1，并用噴混凝土封閉掌子面，嚴禁垂直、甚至于反坡開挖。

5)由于開挖步驟多，土體多次擾動，要求在每小洞室拱腳布設(shè)鎖腳錨管，注漿加固，減少沉降，必要時，在拱腳設(shè)一暗梁，縱向連接筋加密，用噴混凝土噴實。嚴禁拱腳置于虛土上。拱腳用木板或混凝土塊墊塞牢固。

6)在拱部預(yù)埋回填注漿管，每4～6 m一組。初支封閉后，及時注水泥漿液回填，填充初支背后孔隙，抑制地表下沉。

7)由于分多部開挖，要求格柵鋼架連接板布置合理，加工精密。鋼架支撐為螺栓連接，要確保其連接質(zhì)量。

8)鋼架架立。鋼拱架間距為0.5 m，凈保護層內(nèi)外側(cè)均為40 mm。安裝前必須核對拱架的型號、方向和尺寸，禁止施工不合格拱架。施工需要控制好間距、同步、高程、凈空、垂直度。立鋼架嚴格按50 cm間距施工，接點要對齊，螺栓要上齊、擰緊，接頭的搭接焊滿足要求。鋼架安裝前應(yīng)清除底腳下的虛渣及其它雜物，超挖部分用混凝土或磚塊墊實。要求在開挖的同時將相應(yīng)的鋼架運到掌子面，保證施工的連續(xù)性。

表2 中柱法施工步序

9)聯(lián)結(jié)筋、鋼筋網(wǎng)施工。格柵間設(shè)內(nèi)、外兩層φ22 mm的縱向連接筋，每層環(huán)向間距0.8 m，上下錯開布置。在格柵內(nèi)外側(cè)雙層布設(shè) φ6 mm@150 mm×150 mm、搭接長度為150 mm的鋼筋網(wǎng)片。縱向連接筋搭接長度要求單面焊10 d(d為鋼筋直徑)，雙面焊5 d;滿焊，焊接飽滿，無藥皮，保證無漏焊、焊傷現(xiàn)象?？v向連接筋成一條直線，環(huán)向間距誤差控制在3 cm之內(nèi)，與鋼架主筋焊實;鋼筋網(wǎng)片要求與鋼架主筋點焊。

10)噴射混凝土施工。噴射混凝土強度等級C20，需嚴格按配合比拌料。主筋凈保護層內(nèi)外側(cè)均為40 mm。噴射混凝土前，施工縫進行認真清理、鑿毛，底部保證無虛渣、積水;對噴射混凝土的結(jié)構(gòu)，不能出現(xiàn)脫落和露筋現(xiàn)象;噴射混凝土保證密實，無空洞;鋼架間噴射混凝土厚度滿足設(shè)計要求，無大的起伏凹凸，表面平整圓順，作到內(nèi)實外光。噴射作業(yè)應(yīng)分段、分片、分層，由下而上，依次進行，如有較大凹洼時，應(yīng)先填平。分層噴射時，后一層噴射在前一層混凝土終凝后進行;若終凝1 h后再進行噴射時，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層表面。一次噴射厚度可根據(jù)噴射部位和設(shè)計厚度確定，拱部應(yīng)為3～5 cm，墻部為5～9 cm。

11)背后回填注漿。每洞區(qū)支護封閉3～5 m后，即進行初支背后回填注漿。漿液采用純水泥漿，注漿壓力不宜過大。背后注漿管每斷面布置三根，分別設(shè)于拱頂和兩側(cè)拱肩部位，縱向間距3 m。

注漿管采用φ42 mm小導(dǎo)管，長度50 cm，在噴射混凝土前預(yù)埋，并與格柵鋼架焊接在一起，內(nèi)端用牛皮紙包裹，外端露出支護表面10 cm，用棉紗封堵加以保護。采用0.3～0.4 MPa壓力注(1∶1)水泥漿。對回填注漿后仍有漏水現(xiàn)象的區(qū)域，進行重新排管再注漿、多次注漿，直到滲漏水被堵住為止。

4.3 主要輔助施工技術(shù)

4.3.1 大管棚施工

設(shè)計參數(shù):在暗挖車站橫斷面的拱部范圍內(nèi)、沿車站拱頂環(huán)向按3根/m布置大管棚超前支護，管棚設(shè)計為φ159 mm×8 mm無縫鋼管。

施工措施:管棚采用 TT40型水平導(dǎo)向鉆機鉆φ180 mm的導(dǎo)向孔，然后采用 TT145型夯管錘夯進φ159 mm鋼管的方法施工。

4.3.2 超前小導(dǎo)管施工

設(shè)計參數(shù):拱頂管棚間布置φ32.5 mm熱軋鋼管，厚 t=3.5 mm，長2.5 m，外插角10°～12°，每榀打設(shè)一排，環(huán)向間距333 mm，注漿根據(jù)地層采用水泥或水泥水玻璃雙液漿。小導(dǎo)管頭部加工成尖錐狀，尾部焊箍，管壁上鉆注漿孔(φ6 mm)，間距 50 cm，呈梅花形布置，離尾部60 cm內(nèi)不開孔，頂入長度不應(yīng)小于管長的90%。

施工措施:在噴混凝土后采用風(fēng)鎬排設(shè)，均在結(jié)構(gòu)鋼架鋼筋下且密貼，排設(shè)后與拱架主筋焊接。超前注漿采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力0.5～0.7 MPa，至注不進為止。

4.3.3 過既有線加固施工

為防止車站暗挖段在上穿既有線區(qū)間時，由于既有線上部卸荷而造成的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形破壞，采用預(yù)注漿和錨桿對既有線進行地基加固。

1)預(yù)注漿

設(shè)計參數(shù):在各個洞室的第1步開挖中，在洞內(nèi)對下部土體進行注漿加固。加固的范圍為:①車站暗挖段一側(cè)向外延伸6.49 m到暗挖段另一側(cè)向外延伸6 m的范圍內(nèi);②地鐵既有線從兩側(cè)向外各延伸6 m的范圍內(nèi)和既有線兩隧道之間的部位;③加固深度為結(jié)構(gòu)底部向下9m。加固范圍見圖4。

圖4 加固范圍示意(單位:mm)

注漿材料選用抗壓強度不低于30 MPa的超細水泥漿，注漿壓力0.4～0.5 MPa。加固既有線注漿采用二重管無收縮雙液注漿技術(shù)。二重管鉆機鉆桿具有成孔和雙液注漿功能，確保鉆孔和注漿連續(xù)、快速進行。鉆孔時清水從端頭混合器的端點送出，利于成孔;鉆孔到所定深度，端點關(guān)閉進行橫噴射切換，用注漿泵將雙液漿同時壓入外管和內(nèi)管，并在端頭混合器內(nèi)混合進行橫向噴射，使注漿液能浸透到地層中。注漿時采用電子監(jiān)控手段實施定向、定量、定壓注漿，使巖土層的空隙或孔隙間充滿漿液并固化，改變巖土層的性狀。注漿為后退式注漿，后退幅度每步為15～30 cm，勻速后退，當(dāng)壓力突然上升或從孔壁溢漿時，應(yīng)立即停止注漿，查明原因后采取調(diào)整注漿參數(shù)或移位等措施重新注漿。

2)錨桿加固地層

錨桿間距呈梅花形布置，間距2 m×2 m，錨桿長為15 m及10 m兩種，貼近既有線區(qū)間采用長錨桿;主體結(jié)構(gòu)邊緣錨桿為斜向外側(cè)下方設(shè)置(與垂直方向夾角為10°)，其余為垂直向下設(shè)置。桿體材料為2φ32 mm鋼筋，錨桿全長為錨固段，錨固直徑為0.1 m，錨桿軸向拉力設(shè)計值230 kN;錨桿注漿材料為水泥漿，其抗壓強度不低于30 MPa。

錨具和聯(lián)接錨桿桿體的受力部件，均承受95%的桿體極限抗拉力;錨桿預(yù)應(yīng)力鎖定值取軸向拉力設(shè)計值的0.6～0.8倍;錨桿施工前，宜取兩根錨桿進行鉆孔、注漿、張拉鎖定的試驗性作業(yè)，考核施工工藝和施工設(shè)備的適應(yīng)性，錨桿孔深不應(yīng)小于設(shè)計長度，也不宜大于設(shè)計長度1%，鋼筋的接頭應(yīng)采用單面搭接焊(搭接長度≥35 d)，并排鋼筋的連接采用分段點焊。

4.4 襯砌施工

4.4.1 底梁襯砌

底縱梁混凝土為大體積混凝土，要求從混凝土配合比采取措施，防止混凝土由于溫度應(yīng)力開裂?；炷敛扇】v向分幅豎向分層自下而上澆筑，嚴格控制分層厚度。由于鋼筋較密，采用較大坍落度混凝土，用小直徑振搗棒插入式振搗，在鋼管柱底座附近小心振搗，避免對鋼管底座的擾動。

4.4.2 天梁襯砌

1)頂縱梁鋪設(shè)防水板時，預(yù)留的接頭離要破除的中隔壁距離為500 mm，邊沿用雙面膠帶固定在防水墊層上，以防破除中壁混凝土?xí)r風(fēng)鎬碰破及割除格柵時燒傷防水板。

2)頂縱梁的鋼筋預(yù)留接頭應(yīng)遠離防水板，并考慮冷擠壓設(shè)備的操作空間。

3)由于頂縱梁截面較大，需提前破除相應(yīng)部位臨時仰拱的噴混凝土，不割除仰拱鋼架，底部豎向腳手架安設(shè)在已施工的底縱梁上，同時設(shè)置掃地桿和剪刀斜撐，確保整體剛度，以免失穩(wěn)。

4)頂縱梁采取分段施工，分段長7 m左右?；炷翝仓谠O(shè)在端頭板上部，同時在縱梁側(cè)面上方間隔設(shè)置排氣孔，采用高性能免振自密實混凝土。

4.4.3 中洞扣拱襯砌

中洞采取縱向分段施工:將影響施工的臨時支護分段拆除，依據(jù)初期支護方向施工二次襯砌，縱向分段長度為6～8 m(一倍跨距左右)，施工縫設(shè)在柱跨1/3～1/4跨度處。中洞二次襯砌完成后，同步進行兩側(cè)洞初期支護施工，側(cè)洞開挖貫通后，逐段對稱拆除中隔壁，每次拆除長度為一個襯砌循環(huán)的長度，嚴禁超前拆除。

4.4.4 側(cè)洞拱墻襯砌

側(cè)洞拱墻采用組合可調(diào)鋼模板一次澆筑成型，縱向分段為6～9 m。

4.4.5 鋼管柱施工

鋼管柱的鋼管采用工廠加工，鋼管、鋼筋籠現(xiàn)場吊裝，混凝土使用商品混凝土。鋼管在工廠生產(chǎn)完成后，需對其進行探傷試驗和垂直度、長度等各項常規(guī)檢查。到現(xiàn)場吊裝完成后，對鋼管柱的位置進行嚴格的測量定位。鋼管與底盤焊接完成后，需再次對焊縫進行探傷試驗，并對其垂直度嚴格把關(guān)。最后澆筑混凝土。

4.5 施工遠程監(jiān)測

在暗挖車站施工期間，必須對既有地鐵進行全天候的實時監(jiān)控量測。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在高密度的行車區(qū)間內(nèi)無法實施，且不能滿足對大量數(shù)據(jù)采集、分析以及及時準確的反饋，因此，采用遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有線的結(jié)構(gòu)和軌道變形每天進行24 h監(jiān)控量測。該系統(tǒng)由在量測部位安裝的測量元件、數(shù)據(jù)傳輸線、監(jiān)控室的終端計算機組成。監(jiān)測項目如下所述。

4.5.1 既有線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測采用靜力水準儀。以新建車站下長33 m的既有線隧道為重點監(jiān)測區(qū)域，上、下行線共布設(shè)24個測點。以2個結(jié)構(gòu)縫處為重點監(jiān)測對象，在結(jié)構(gòu)縫的兩側(cè)各布設(shè)1個測點。針對施工可能影響到變形縫之間的脹縮，采用測縫計進行測量，每道變形縫上布設(shè)2只測縫計。

4.5.2 軌道變形監(jiān)測

1)走行軌結(jié)構(gòu)縱向變形監(jiān)測。本項觀測為監(jiān)測重點，因靜力水準儀的精度在沉陷量傳遞中精度明顯高于水平梁式傾斜儀，故軌道變形監(jiān)測采用在地鐵排水溝中布設(shè)靜力水準系統(tǒng)的方法進行監(jiān)測。以新建車站下長33 m的既有線隧道為重點監(jiān)測區(qū)域，上、下行線共布設(shè)16個沉降測點，該系統(tǒng)同時可監(jiān)測走行軌結(jié)構(gòu)變形縫處的不均勻沉降。

2)采用變位計監(jiān)測走行軌水平間距的相對變形，配合沉降測點上行、下行軌共布設(shè)6只。

3)采用梁式傾斜儀監(jiān)測走行軌左右水平的相對變形，配合沉降測點上行、下行軌共布設(shè)6只。

5 結(jié)束語

該車站暗挖段從開挖施工至結(jié)構(gòu)完成，歷時10個月，既有線結(jié)構(gòu)最大隆起 7.59 mm，軌道最大隆起7.29 mm，整個施工過程確保了既有線的正常運營和結(jié)構(gòu)安全。施工中，采用了一整套控制既有地鐵隧道變形的技術(shù)措施，克服了以往類似工程因?qū)Φ罔F工程保護不力而不能實施的狀況，使在既有地鐵隧道上方的施工處于安全、可控狀態(tài)，使工程得以順利實施，具有良好的社會效益。同時，也為同類工程提供有針對性的、通用的、系統(tǒng)的技術(shù)保障體系。另外，合理地選擇了施工參數(shù)和對既有線的保護措施，在保證質(zhì)量安全的前提下節(jié)約了資金。

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