北京地鐵5號(hào)線磁器口車站暗挖中洞法施工技術(shù)

連寶玉

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海200122)

0 引言

城市軌道交通以其省地、節(jié)能、污染小、運(yùn)能大;乘客乘座安全、舒適、方便、快捷、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)勢(shì)倍加受寵。截至2008年底，我國(guó)已有10個(gè)城市建成29條城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)776 km。目前，我國(guó)約有50條軌道交通線路正在建設(shè)中，營(yíng)運(yùn)里程達(dá)1 154 km。到2015年，我國(guó)將再新建79條軌道交通線路，總營(yíng)運(yùn)里程達(dá)2 259.84 km。這就意味著，屆時(shí)我國(guó)建成和在建的軌道交通線路將達(dá)到158條，總運(yùn)營(yíng)里程將超過(guò)4 189 km。另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球城市快速軌道交通規(guī)劃線網(wǎng)總長(zhǎng)達(dá)到100 km以上的城市已有40多個(gè)，其中，中國(guó)近20個(gè)，約占總量的50%。可見(jiàn)在我國(guó)20多個(gè)城市掀起地鐵建設(shè)高潮，甚至在一座城市數(shù)條地鐵線路同時(shí)施工，特別是在交通繁忙路口修建地下車站，要保證不中斷、不影響地面交通，最好的辦法就是采用暗挖法施工。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)述

磁器口車站位于崇文門外大街與兩廣大街的交叉口下，是北京地鐵5號(hào)線與7號(hào)線的換乘站。車站為雙層島式三拱兩柱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)180 m，寬21.87 m，高14.933 m，建筑面積為12 244.2 m2。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

車站主體覆土深度為9.8～10.3 m，車站地下一層為站廳層，預(yù)留通道實(shí)現(xiàn)與七號(hào)線換乘，地下二層為站臺(tái)層。

車站支護(hù)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)為Φ25格柵鋼架加C20噴射混凝土，厚度30 cm，二次襯砌為C30、抗?jié)B等級(jí)S10的防水鋼筋混凝土，最薄處厚度50 cm。立柱為C40鋼管混凝土柱，站廳板、站臺(tái)板為C30普通鋼筋混凝土。

1.2 周邊環(huán)境

磁器口車站的路口周邊建筑密集，為崇文區(qū)商業(yè)旺區(qū)。崇文門外大街為北京市南北向干道，地面交通十分繁忙，車流、人流密度大。有7條公交線路通過(guò)。崇文門外大街與兩廣大街交叉口處，地下市政管線眾多，與車站主體及出入口、通道、風(fēng)道平面位置有交叉和影響的管線東西、南北方向各有11條。

1.3 地質(zhì)水文條件

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)橫剖面圖(單位:mm)

磁器口車站位于永定河沖擊扇地帶，地層表層為人工填土，下層分別為粉土層、粉質(zhì)粘土層，再下層為粉細(xì)砂層、中粗砂層，車站站廳層主要位于粉細(xì)砂層中;站臺(tái)層主要位于粉質(zhì)粘土、粘土層中，結(jié)構(gòu)底板主要位于卵石圓礫層中。

地下水類型按水力性質(zhì)分為上層滯水、潛水和承壓水。

2 暗挖中洞法施工原理及原則

暗挖中洞法施工即從風(fēng)井位置做施工豎井，沿風(fēng)道開(kāi)挖施工通道，將要到達(dá)主體結(jié)構(gòu)前，加高通道，再?gòu)募痈叨蝹?cè)墻開(kāi)洞施工車站主體結(jié)構(gòu)。先采用CRD工法施工中洞，按照“小分塊、短臺(tái)階、多循環(huán)、快封閉”的原則，首先將中洞自上而下步步為營(yíng)，分塊成環(huán)，隨挖隨撐，及時(shí)做好初期支護(hù)，然后再由下而上施做防水層、模筑鋼筋混凝土內(nèi)襯和施工鋼管柱，當(dāng)中洞各工序完成后形成一個(gè)龐大的剛體支撐上部土體，待中洞完成后，兩側(cè)洞再對(duì)稱同步采用正臺(tái)階法自上而下分部掘進(jìn)成環(huán)，及時(shí)作好初期支護(hù)，然后再自下而上施做防水層和模筑鋼筋混凝土內(nèi)襯。施工過(guò)程中輔以小導(dǎo)管注漿加固地層。

在三拱兩柱支護(hù)結(jié)構(gòu)中，中洞和兩側(cè)梁、板、柱結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工工藝難度較大。施工時(shí)必須制定先進(jìn)科學(xué)合理的施工方案，運(yùn)用信息化技術(shù)，加強(qiáng)位移量測(cè)和沉降觀測(cè)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析管理，嚴(yán)格控制地表沉降，確保地面交通安全、確保地下管線安全、確保周圍相鄰建筑物安全。

中洞法施工車站主體進(jìn)度指標(biāo):0.35～0.45 m/d。

中洞施工分為8個(gè)開(kāi)挖單元，左右側(cè)洞各分4個(gè)開(kāi)挖單元，中洞和側(cè)洞開(kāi)挖單元?jiǎng)澐趾烷_(kāi)挖順序見(jiàn)圖2。無(wú)論是中洞還是側(cè)洞，在開(kāi)挖第一段之前，于拱頂位置用Φ42小導(dǎo)管注漿加固地層。每層開(kāi)挖均需預(yù)留核心土。

3 施工工藝流程及步序

(1)工藝流程。施工準(zhǔn)備→超前管棚→注漿加固→中洞各部開(kāi)挖→防水層鋪設(shè)→中洞底板、底梁→立柱→中洞中板→頂梁、中拱→超前管棚→注漿加固→邊洞各部開(kāi)挖→臨時(shí)隔壁拆除→防水層鋪設(shè)→邊洞底板→邊墻、中板→邊拱→二次襯砌背后注漿。

(2)施工步序。①進(jìn)行中洞拱部大管棚超前支護(hù)、小導(dǎo)管注漿加固地層。②采用CRD法進(jìn)行中洞開(kāi)挖施工。③分段拆除部分豎向臨時(shí)支護(hù)，鋪設(shè)底板部分防水層，施做部分底板、底縱梁，預(yù)留鋼筋及防水板接頭。④分段施做立柱、中縱梁，中層板。⑤分段施做頂縱梁，拱部結(jié)構(gòu)，在頂縱梁上加設(shè)鋼支撐和鋼拉桿。⑥兩邊跨施做大管棚及超前小導(dǎo)管加固地層，對(duì)稱開(kāi)挖邊洞上導(dǎo)坑，及時(shí)封閉初期支護(hù)。⑦按順序?qū)ΨQ開(kāi)挖兩側(cè)邊洞，及時(shí)進(jìn)行封閉，施做初期支護(hù)。⑧分段拆除中洞下部臨時(shí)支護(hù)，鋪設(shè)邊跨防水層，施做邊跨二次結(jié)構(gòu)。⑨分段拆除中間臨時(shí)支護(hù)，施做兩側(cè)邊墻及中層板。⑩分段拆除剩余臨時(shí)支護(hù)，施做邊跨拱部。

圖2 中洞和側(cè)洞開(kāi)挖單元?jiǎng)澐趾烷_(kāi)挖順序

4 施工方法

4.1 中洞開(kāi)挖

4.1.1 施工洞室斷面劃分

一般將斷面劃分為15～25 m2大小的洞室，寬度范圍4.5～6 m，高度范圍在3.2～4.5 m。

4.1.2 超前支護(hù)

(1)在車站拱部120°范圍布設(shè)長(zhǎng)度18 m，直徑108 mm，壁厚δ=5 mm的大管棚，其外傾角為1.5°～2.0°。管棚采用無(wú)縫鋼管，每米布設(shè)3根，分節(jié)焊接，一般條件下6 m一節(jié)，搭接長(zhǎng)度3 m，選用德國(guó)TT集團(tuán)夯管錘打入。

(2)小導(dǎo)管沿車站拱部開(kāi)挖輪廓線外緣120°范圍布孔，每米布設(shè)3根。其材料規(guī)格為Φ42×3.25 mm，外插角為20°～30°，管長(zhǎng)2.0 m，縱向搭接長(zhǎng)度1.5 m，采用風(fēng)鎬頂入。

(3)注漿材料［1］。大管棚內(nèi)注水泥砂漿，小導(dǎo)管內(nèi)注改性水玻璃漿液。水玻璃35Be'～45Be'，工業(yè)硫酸濃度95%以上。配比13%硫酸:13Be'水玻璃約為1∶3(質(zhì)量比)左右，pH值3～5，凝結(jié)時(shí)間控制在入土后4～6 min，固砂體單軸抗壓強(qiáng)度大于0.15 MPa。

4.1.3 中洞土體開(kāi)挖

中洞采用CRD法施工，1～8部采用人工依次開(kāi)挖。各部開(kāi)挖臺(tái)階高為3～4 m，上下臺(tái)階開(kāi)挖相距3～5 m，開(kāi)挖步距為0.5 m。開(kāi)挖過(guò)后立即采用潮噴工藝噴射C20混凝土。

初噴3～5 cm混凝土后，安設(shè)縱向間距為0.5 m的格柵鋼架，格柵鋼架與初噴混凝土間鋪設(shè)Ф6、@150 mm×150 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度15 cm以上。

4.1.4 初期支護(hù)背后注漿［2］

按照設(shè)計(jì)在拱頂、拱腰、拱腳、墻中等部位埋設(shè)注漿管:頂部縱向每3 m左右布設(shè)注漿管，邊墻每4～5 m埋設(shè)注漿管。開(kāi)挖3～4 m后即進(jìn)行全斷面回填注漿，注漿機(jī)械選用低壓注漿泵，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。注漿材料為水泥漿，孔隙較大部位改注水泥砂漿。

4.2 中洞結(jié)構(gòu)施工

中洞開(kāi)挖全部貫通后開(kāi)始中洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。

為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全，采用分段跳槽施工，分段長(zhǎng)度為立柱縱向跨度，一般4.5～6.5 m。先鋪設(shè)底板防水層并施做保護(hù)層，進(jìn)行底板及底縱梁施工。底板完成后，每隔1.0 m恢復(fù)臨時(shí)中隔壁豎向鋼支撐。然后進(jìn)行立柱和中板施工，中板完工后每隔1.0 m恢復(fù)臨時(shí)中隔壁豎向鋼支撐。最后進(jìn)行頂縱梁施工。

為保證頂縱梁的施工質(zhì)量，將頂芯梁和頂拱分開(kāi)澆筑混凝土。先施作頂芯梁，再施工拱頂襯砌。鋪設(shè)拱部防水板時(shí)，預(yù)留好防水板接頭并加保護(hù)，對(duì)連拱部位，做好“V”型節(jié)點(diǎn)防水。

頂縱梁的混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，在立柱及頂梁上安裝Ф28可調(diào)式拉桿和橫向工字鋼支撐，間距1 m，其布置詳見(jiàn)圖3。鋼支撐分擔(dān)由中部拱跨傳遞的內(nèi)側(cè)擠力，鋼拉桿承受拱腳外移產(chǎn)生的拉力。

圖3 拉桿和橫向工字鋼支撐布置

4.3 邊洞開(kāi)挖支護(hù)

邊跨開(kāi)挖前先施作大管棚及小導(dǎo)管超前支護(hù)。開(kāi)挖時(shí)遵循“小分塊、短臺(tái)階、多循環(huán)、快封閉”的原則，嚴(yán)格對(duì)稱開(kāi)挖，各部洞室步距控制在8～10 m。

4.4 邊洞結(jié)構(gòu)施工

(1)根據(jù)立柱縱向跨度，分段拆除中洞下部豎向臨時(shí)支護(hù)，加設(shè)臨時(shí)替換鋼支撐。

(2)鋪設(shè)底層防水板，做好與既有中洞防水板的連接，并預(yù)留邊墻防水板接頭。綁筋立模，澆注底板混凝土。

(3)底板砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除下部水平向臨時(shí)支撐，鋪設(shè)邊墻防水層，預(yù)留防水板接頭，綁筋立模，澆筑邊墻混凝土。

(4)加設(shè)水平鋼支撐，拆除下部第二道水平向臨時(shí)支護(hù)，綁扎中層板、邊墻鋼筋，支模澆注混凝土。鋼支撐加設(shè)方法如圖4。

(5)拆除剩余的臨時(shí)支撐，鋪設(shè)剩余邊墻及拱部防水板，施做上層剩余邊墻及兩側(cè)拱部二次襯砌。

圖4 鋼支撐加設(shè)方法

4.5 二次襯砌背后注漿［3］

在邊洞二次襯砌混凝土?xí)r，預(yù)埋注漿管，直徑為40 mm，詳見(jiàn)圖5。二次襯砌背后注漿漿液采用水泥漿，拱部也可采用水泥砂漿，壓注水泥漿時(shí)，根據(jù)注漿記錄繪制P-Q-T曲線來(lái)判斷注漿效果(P為注漿壓力，T為注漿時(shí)間，Q為注漿量)，注漿壓力控制在0.1～0.2 MPa。

4.6 監(jiān)控量測(cè)

施工過(guò)程中對(duì)各種變形和應(yīng)力進(jìn)行量測(cè)，通過(guò)量測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算施工過(guò)程中地層變化情況，計(jì)算初支和構(gòu)件受力及變形情況，判定施工過(guò)程是否處于安全狀態(tài)。對(duì)于地表沉降和拱頂下沉、凈空收斂等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用精密儀器直接測(cè)出變形，對(duì)于初支內(nèi)力、土壓力及鋼管柱等結(jié)構(gòu)受力情況，埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件，利用振弦讀數(shù)儀量測(cè)鋼弦頻率變化，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

圖5 預(yù)埋注漿管布置圖

5 混凝土鋼管柱施工

磁器口車站設(shè)60根直徑為Φ800 mm的鋼管柱，鋼管柱距橫向間距為6 200 mm，縱向間距為6 000 mm，內(nèi)灌注C40微膨脹混凝土，鋼管柱用板厚為16 mm的鋼板卷制焊接而成，分兩節(jié)吊裝就位。

5.1 鋼管柱的制作與驗(yàn)收

鋼管柱的制作全部在工廠進(jìn)行。制作完成后，逐一對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢查及X射線探傷驗(yàn)收，確保達(dá)到二級(jí)焊縫質(zhì)量要求。

5.2 鋼管柱的定位

(1)下節(jié)鋼管柱與底縱梁的連接。鋼管柱的定位是混凝土鋼管柱施工工藝的難點(diǎn)，為保證定位精度，在鋼管柱下端焊接法蘭，法蘭與底縱梁上的托板采用螺栓連接。托盤(pán)的板厚40 mm，直徑為1 400 mm，并預(yù)留24個(gè)Φ32的螺栓孔。托盤(pán)上鉆3～5個(gè)Φ60的圓孔，便于托盤(pán)底部砼澆注密實(shí)。

(2)下節(jié)鋼管柱與中板的連接。鋼管柱吊裝定位后灌注混凝土，然后插入鋼筋籠，再將鋼筋與中板的上、下緣鋼筋焊接。

(3)上節(jié)鋼管柱與中板的連接。采用法蘭連接，連接方法和鋼管柱與底縱梁的連接類似。

(4)上節(jié)鋼管柱與頂縱梁的連接。采用鋼筋連接，即在鋼管柱的上部插入一定深度的鋼筋籠，鋼筋與頂縱梁的梁芯(型鋼)焊接。

5.3 鋼管柱內(nèi)混凝土灌注

(1)材料要求。采用C40商品砼，外加劑為UEA微膨脹劑，外加劑摻量為12%，混凝土的坍落度為16～18 mm。

(2)混凝土灌注。采用立式高位拋落無(wú)振搗法，利用混凝土下落時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能達(dá)到振實(shí)的目的。每根鋼管柱內(nèi)混凝土連續(xù)灌注，時(shí)間控制在1 h之內(nèi)。

5.4 鋼管柱的穩(wěn)定措施

鋼管柱施工完畢后，在上部荷載的作用下由于主體結(jié)構(gòu)尚未封閉，容易向兩側(cè)傾斜。為確保中柱穩(wěn)定、不偏斜，采用在上層柱子間設(shè)置可調(diào)螺栓拉桿，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整螺栓。

6 結(jié)語(yǔ)

磁器口車站首次采用暗挖中洞法施工，能夠在周邊建筑物密集緊鄰、地下管線交織如網(wǎng)、地面交通十分繁忙的復(fù)雜環(huán)境下獲得成功，實(shí)踐體會(huì)如下:

(1)無(wú)水作業(yè)為前提。施工前必須將地下水位降到開(kāi)挖面1 m以下，做到無(wú)水開(kāi)挖。

(2)施工原則要堅(jiān)持。必須嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、環(huán)套環(huán)、水必治、穴必堵、勤量測(cè)、控下沉”的原則施工，特別強(qiáng)調(diào)必須預(yù)留核心土，確保掌子面安全穩(wěn)定。

(3)穿越管線須謹(jǐn)慎。地鐵施工難免穿越破舊的給排水管道及其它管溝，跑冒滲漏在所難免，勢(shì)必危及施工安全，必須高度重視，采取有效措施，保證順利通過(guò)。

(4)信息化指導(dǎo)是關(guān)鍵。暗挖中洞法施工過(guò)程中，每次臨時(shí)結(jié)構(gòu)和支撐的拆除必然帶來(lái)一次受力體系的轉(zhuǎn)換與調(diào)整，所以及時(shí)掌握和分析地表沉降速率、位移變形及應(yīng)力變化情況，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工至關(guān)重要。

［1］彭澤潤(rùn).北京地鐵復(fù)-八線土建工程施工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］崔玖江.隧道與地下工程修建技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.