暗挖地鐵車站柱洞法施工梁-柱結(jié)構(gòu)防偏技術(shù)研究

桂金本，劉文兵，周錦強(qiáng)

(1.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075)

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暗挖地鐵車站柱洞法施工梁-柱結(jié)構(gòu)防偏技術(shù)研究

桂金本1，劉文兵1，周錦強(qiáng)2

(1.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，合肥 230041；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075)

柱洞法是無水砂層條件下地鐵車站淺埋暗挖施工的重要選擇，施工過程中梁-柱結(jié)構(gòu)容易發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)。依托石家莊地鐵長城橋車站暗挖段，從施工技術(shù)角度提出一系列控制梁-柱結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的措施。首先，通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導(dǎo)管加固土體，減小開挖時地層變形；其次，在梁-柱結(jié)構(gòu)安裝時加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)和初期支護(hù)的連接，及時在左右縱梁間架設(shè)臨時橫撐來提高結(jié)構(gòu)的剛度；同時，在左右洞開挖和臨時支護(hù)拆除過程中保持對稱施工，使結(jié)構(gòu)受力更加均衡；最后，施工過程中加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，及時反饋信息，動態(tài)指導(dǎo)施工。由現(xiàn)場施工和監(jiān)測結(jié)果表明：梁-柱結(jié)構(gòu)在幾種控制措施共同作用下，未發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，說明控制方法有效，可為類似工程提供參考。

地鐵車站；柱洞法；梁-柱結(jié)構(gòu)；防偏技術(shù)

目前地鐵車站施工方法主要包括明挖法和暗挖法。淺埋暗挖法具有對地面建筑、道路和地下管網(wǎng)影響較小，拆遷占地少，噪聲及環(huán)境污染小的特點[1]。隨著城市交通量的日益增長、公民維權(quán)意識的提高以及錯縱復(fù)雜的地下管線的限制，淺埋暗挖法在地鐵隧道的建設(shè)中得到了大力推廣。淺埋暗挖法多應(yīng)用于第四系軟弱地層，開挖方式有正臺階法、CD、CRD、側(cè)洞法、柱洞法、中洞法及盾構(gòu)擴(kuò)挖法[2-10]。其中柱洞法國內(nèi)首次應(yīng)用是在北京復(fù)興門車站[11]，與其他暗挖方法相比，施工對地層的擾動比側(cè)洞法小，比中洞法分塊、支撐和拆除量均少，具有比較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性[12]。目前有不少學(xué)者和工程師對柱洞法施工的地鐵車站進(jìn)行了一定探索。傅春青[13]結(jié)合北京地鐵10號線柱洞法施工的某一車站，指出增加縱梁之間的橫向連接，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，進(jìn)而達(dá)到減少地表沉降效果。梁韻[14]整理歸納了國內(nèi)外典型暗挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式，通過對大量已建地鐵車站的統(tǒng)計調(diào)研，指出柱洞法施工時縱梁、柱將受到初期支護(hù)的水平力作用。周倩[15]根據(jù)北京張自忠路車站工程，通過數(shù)值手段指出關(guān)鍵工序為立柱施作后的扣拱，如何將扣拱位置水平力平衡的傳導(dǎo)到初期支護(hù)上決定著整個工程的成敗。從目前研究成果可知，梁柱結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下發(fā)生的偏移量將很大程度決定整個工程的成敗問題，而對于實際施工過程中如何有效的控制梁柱結(jié)構(gòu)偏移量的研究較少。

本文依托石家莊地鐵1號線長城橋站柱洞法施工的暗挖段，通過現(xiàn)場實際施工過程的跟蹤和分析，就如何控制梁-柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了相應(yīng)措施，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了施工方案的合理性。

1 工程概況

長城橋站位于中山西路和西二環(huán)十字交叉口，暗挖段起止里程為K5+048.720～K5+117.480，長68.76 m。車站暗挖段為單層三跨結(jié)構(gòu)，覆土厚度約9.6 m，結(jié)構(gòu)總寬度為22.6 m，總高度為9.67 m。暗挖段主體結(jié)構(gòu)處于粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土中，暗挖車站所處地層如圖1所示。

圖1 車站暗挖段平面和縱剖面

1.1 設(shè)計概況

車站結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴射混凝土+格柵鋼架措施，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，兩次襯砌之間設(shè)柔性防水層。輔助工程措施采用超前小導(dǎo)管、大管棚、鎖腳錨桿、掌子面注漿、掌子面噴射混凝土封閉等，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

1.2 施工概況

暗挖段采用柱洞法施工(圖2)，共分15個導(dǎo)洞施工，左右導(dǎo)洞(①～③和①′～③′)、中洞(④～⑥)、左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)分為上、中、下三層。地層加固后由上而下開挖左右導(dǎo)洞，上、下兩層步距控制在3～5 m，且右導(dǎo)洞先施工，其中左導(dǎo)洞上層①滯后右導(dǎo)洞下層③′3～5 m。待導(dǎo)洞貫通后施作梁-柱結(jié)構(gòu)，其中柱子分吊裝、固定、鋼筋籠安裝和混凝土澆筑4道工序，頂縱梁采取分段施工，分段長度均取6 m，分段位置取鋼管柱縱向柱間距的1/4處，底縱梁為一次性澆筑。再由上而下開挖中洞(④～⑥)，上下層步距為3～5 m，貫通后拆除部分臨時結(jié)構(gòu)澆筑二襯。最后對稱開挖左右洞(⑦～⑨和⑦′～⑨′)，上下層步距如前，待貫通后拆除臨時結(jié)構(gòu)，施作左右洞二次襯砌。

圖2 柱洞法施工工序

1.3 施工中梁柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題

暗挖車站上部結(jié)構(gòu)主要處于粉細(xì)砂地層中，粉細(xì)砂粒徑分布均勻，顆粒相對較小，結(jié)構(gòu)松散，荷載作用下很容易變形，當(dāng)中洞土體開挖，地層應(yīng)力釋放，周圍土體往中間變形，同時在側(cè)向土壓力作用下，左右導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)將向中洞偏移，致使梁-柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏移，將對結(jié)構(gòu)的安全造成很不利的影響。在實際施工過程中，通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導(dǎo)管來改善粉細(xì)砂地層，以此達(dá)到加固土體進(jìn)而起到減少地層及結(jié)構(gòu)變形的作用。通過在左右縱梁間架設(shè)臨時鋼管橫撐來抵抗側(cè)向土壓力的作用，并且平衡中洞二襯扣拱的水平推力，從而限制中洞開挖時梁柱結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。

在中洞二次襯砌施工時，扣拱位置二次襯砌將給梁-柱結(jié)構(gòu)施加一個水平向的作用力，將使梁-柱結(jié)構(gòu)往兩側(cè)偏轉(zhuǎn)。左右洞開挖，左右導(dǎo)洞兩側(cè)的側(cè)向土壓力消失，由左右洞的初期支護(hù)來平衡頂縱梁的水平推力，若在施工過程中未能及時的支護(hù)左右洞，將使梁-柱結(jié)構(gòu)往弱側(cè)偏轉(zhuǎn)，將對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生很不利的影響。在現(xiàn)場施工過程中，通過加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)和既有初期支護(hù)的聯(lián)系來抵抗扣拱位置的水平作用力，在左右洞施工過程中盡量做到對稱施工，使支護(hù)結(jié)構(gòu)左右側(cè)受力均衡，進(jìn)而達(dá)到控制梁柱結(jié)構(gòu)偏移的效果。

總之，在柱洞法施工過程中，梁柱結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生往返偏移，在施工中能否較好地控制梁柱結(jié)構(gòu)的偏移問題將成為整個工程至關(guān)重要的一環(huán)。

2 車站梁柱結(jié)構(gòu)防偏施工對策

2.1 輔助工法對粉細(xì)砂地層進(jìn)行加固

在洞口段10 m范圍內(nèi)采用大管棚+深孔注漿+超前小導(dǎo)管補(bǔ)償注漿的方式加固拱部地層，其余地段采用深孔注漿+超前小導(dǎo)管補(bǔ)償注漿的方式加固拱部地層，具體布置見圖3、圖4。拱部施以Φ108×8 mm管棚，用全站儀測定鉆孔孔位，并用紅油漆標(biāo)注在掌子面上，管棚仰角控制在1°左右。導(dǎo)向管安裝位置在開挖輪廓線外20 cm的輪廓線上。管棚壁上需鉆設(shè)溢漿孔，孔徑為10 mm，孔環(huán)向布置3排，縱向300 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段為1.1 m。

圖3 管棚和深孔注漿布置(單位：mm)

圖4 超前小導(dǎo)管布置(單位：mm)

現(xiàn)場深孔注漿孔外插角近似水平，每次縱向加固范圍為10 m，搭接長度為3 m，注漿孔第一排沿開挖輪廓線布置，環(huán)距0.3 m，第二排環(huán)距0.6 m，并與第一排間距0.35 m，第三排環(huán)距0.6 m，與第二排保持在0.7 m，現(xiàn)場實際布置孔位如圖5所示。注漿材料為超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿：水玻璃模數(shù)為2.2～2.8，濃度40Be′；水泥水灰比為0.8∶1～1.5∶1，雙液漿配比為1∶1?，F(xiàn)場實際注漿壓力為1～2 MPa。

現(xiàn)場輔助工法效果如圖5所示，管棚在漿液的作用下形成了一個殼體結(jié)構(gòu)，當(dāng)下方土體施工過程中既能起到支撐上部土體的作用，又能隔離下部土體，減少土體的變形，進(jìn)而起到控制結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的作用。深孔注漿的漿脈為水平狀分布，能防止土體坍塌，能夠減少支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的空洞，最終使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加均勻，也能為控制梁-柱結(jié)構(gòu)偏移做出貢獻(xiàn)。

圖5 管棚和注漿效果

2.2 加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)和初期支護(hù)的連接

梁-柱結(jié)構(gòu)施工過程中盡量減少左右導(dǎo)洞臨時結(jié)構(gòu)的拆除量，在左右導(dǎo)洞臨時仰拱上破除一個1.5 m×1.5 m的孔洞，滿足鋼管柱吊裝和安裝即可，如圖6所示。在鋼管柱定位完成后，采用C20噴射混凝土將左右導(dǎo)洞的上、中臺階破除的孔洞進(jìn)行封堵，封堵前，采用長度1.5 m的I22型鋼臨時固定，以保證鋼管柱的垂直度及與周圍臨時結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)。鋼管柱全部栓接完畢，將鋼管柱落在柱腳鋼板上與柱腳板上的限位角鋼密貼，用鋼管固定，防止鋼管柱偏移。施工過程中，頂縱梁與導(dǎo)洞初期支護(hù)之間的空隙，應(yīng)采用方木、腳手架等材料進(jìn)行多點支撐，以保證頂梁不發(fā)生偏移、扭轉(zhuǎn)等不良狀況。

圖6 鋼管柱臨時固定設(shè)計及工后效果

2.3 縱梁之間加設(shè)臨時鋼管柱

在頂縱梁、底縱梁之間設(shè)置臨橫支撐，臨時橫支撐采用φ400，t=10 mm的鋼管，間距3 m布置，通過預(yù)埋t=20 mm厚的鋼板與頂縱梁連接，如圖7所示。臨時橫撐應(yīng)隨中洞土方的開挖施工，上部的鋼管柱在上臺階開挖后中臺階還未開挖前進(jìn)行安裝，下部臨時鋼管柱則是在下臺階開挖到指定位置安裝。通過在縱梁之間架設(shè)臨時橫撐，使梁-柱結(jié)構(gòu)的左右部分變成一個整體結(jié)構(gòu)，使其變形協(xié)調(diào)，在中洞開挖時可以防止梁-柱結(jié)構(gòu)往中間偏轉(zhuǎn)。另外，通過臨時橫撐的連接使梁-柱結(jié)構(gòu)的剛度將大大提高，抵抗變形的能力得到明顯提高，在左右洞開挖時能有效的抑制梁-柱結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。

圖7 臨時橫撐安裝示意

2.4 左右洞對稱施工

2.4.1 洞室開挖

左右洞斷面較大，土體開挖過程中地層損失率相對較大，對地層的擾動較大，若左右洞開挖不同步，整個中間的支護(hù)體系左右側(cè)受力將不平衡，結(jié)構(gòu)將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣將導(dǎo)致上部縱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，中間柱子出現(xiàn)偏心受力，將嚴(yán)重威脅到梁-柱結(jié)構(gòu)的安全性，在施工過程中嚴(yán)格控制左、右洞開挖的施工進(jìn)度，務(wù)必保持兩側(cè)土方開挖的一致性。

2.4.2 臨時支護(hù)拆除

左右洞臨時支護(hù)的拆除直接影響到初期支護(hù)和既有二次襯砌的安全，這樣臨時支護(hù)的拆除時機(jī)選擇和如何安全快速的施工將直接影響到整個工程安全。為了隧道結(jié)構(gòu)安全，臨時支撐必須滿足以下幾個條件方能進(jìn)行拆除作業(yè)：①臨時支護(hù)拆除前必須保證拆除段的支護(hù)體系已經(jīng)封閉成環(huán)，且結(jié)構(gòu)符合規(guī)范和設(shè)計要求；②拆除前該拆除段的沉降和收斂測量結(jié)果都滿足穩(wěn)定條件，沉降收斂達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，收斂不超過0.2 mm/d；③臨時支護(hù)拆除后盡快進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。暗挖段左右洞臨時結(jié)構(gòu)拆除分7段，由中間向兩端、左右側(cè)對稱施工，分段長度約9.6 m(其中第5澆筑段分段長度8.8 m)，即首先拆除第①澆筑段臨時支撐結(jié)構(gòu)，拆除完成后進(jìn)行防水施工。待第①澆筑段進(jìn)行鋼筋綁扎作業(yè)時，第②澆筑段間隔2.6 m 由遠(yuǎn)及近開始破除臨時支撐混凝土結(jié)構(gòu)；待第①澆筑段完成混凝土澆筑，且混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，第②澆筑段開始進(jìn)行臨時支撐格柵主筋割除及儲備段(2.6 m長)臨時支撐破除施工。后續(xù)臨時支撐破除施工依次類推。左右洞二襯拱墻施工時，采用由上及下的順序，依次拆除左右洞內(nèi)臨時中隔墻1、臨時仰拱2、臨時仰拱3，然后再立模澆筑混凝土，如圖8所示。

圖8 左右洞臨時結(jié)構(gòu)拆除示意(單位：mm)

2.5 加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測

在施工過程中為了確保梁-柱結(jié)構(gòu)受力的安全性，在左右縱梁22 m(K5+070.720)處附近左、右縱梁中分別布置1對應(yīng)變計，如圖9所示，以此來了解梁-柱結(jié)構(gòu)在整個施工過程中應(yīng)變情況。通過實際收集到的應(yīng)變來反饋和指導(dǎo)施工，若在施工過程中應(yīng)變出現(xiàn)急劇增長，或者左右縱梁受力出現(xiàn)巨大的差異性，中止施工查明具體原因，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

圖9 頂縱梁應(yīng)變計布置及安裝

3 施工效果評價

通過上述各種措施的綜合利用，長城橋站柱洞法施工暗挖段已順利完成，期間并未發(fā)生安全、質(zhì)量事故。施工過程中頂縱梁和立柱并未發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)變形，施工過程中左、右頂縱梁應(yīng)力時程曲線如圖10所示。由圖10可知，左、右縱梁結(jié)構(gòu)在整個施工過程中的應(yīng)力的變化趨勢比較一致，Ew2和Ew3在整個施工過程應(yīng)變基本一樣；在中洞臨時結(jié)構(gòu)拆除二襯施工前En2和En3應(yīng)變變化趨勢基本相同，在中洞二襯施工過程中縱梁背后注漿使En2和En3出現(xiàn)波浪式增長，之后En2應(yīng)變明顯大于En3，主要是因為中洞拱、梁、柱結(jié)構(gòu)體系建立引起的水平推力在結(jié)構(gòu)體系中的體現(xiàn)；后續(xù)左右洞施工過程中En2受施工的影響相對較大，但兩者表現(xiàn)出的變化趨勢還是比較一致的，所以在整個施工過程中左右縱梁受力基本一致，進(jìn)一步說明所采取的施工措施取得了比較好的控制效果。

圖10 左右縱梁應(yīng)力變化時程曲線

4 結(jié)語

本文依托長城橋站暗挖段，提出了控制梁-柱結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的具體措施：通過輔助工法大管棚+深孔注漿+超前小導(dǎo)管來加固粉細(xì)砂地層，進(jìn)而減少土體開挖地層的變形；在立柱和縱梁施工過程中，加強(qiáng)其與既有臨時支護(hù)體系的聯(lián)系，達(dá)到減小擾動的效果；中洞開挖過程中，在縱梁間架設(shè)臨時橫撐能有效的抑制結(jié)構(gòu)往中間偏轉(zhuǎn)；左右洞施工爭取做到對稱施工，使結(jié)構(gòu)左右側(cè)受力平衡；最后在施工過程中加強(qiáng)梁-柱結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，及時反饋相關(guān)信息。在各種措施的綜合應(yīng)用下，實際施工過程中取得了比較理想的效果，說明控制方法的有效性，為今后類似工程解決相似問題提供了借鑒。

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Misalignment Prevention of Beam-column Structures by Column-draft Approach for Excavated Metro Station

GUI Jin-ben1， LIU Wen-bing1， ZHOU Jin-qiang2

(1.The Fourth Engineering Co.， Ltd. of CTCE Group， Hefei 230041， China;2.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China)

Column-hole approach has become an important choice for the construction of shallow subway station in dry fine sand. The beam column structure is likely to deflect during construction stage. The paper puts forward a series of control measures based on the underground excavation section of the Changchengqiao metro station. Firstly， the soil is reinforced with such auxiliary methods as deep hole grouting and pipe shed to reduce the deformation of strata during excavation. Secondly， in order to improve the rigidity of the structure， the connection between the beam column structure and the initial support is strengthened during the beam column structure installation， and the temporary steel tube columns are erected between the left and the right longitudinal beams. In addition， the related working processes in the left and right holes are symmetrically conducted to make the structure more balanced. Finally， the monitoring of the beam column is enhanced with immediate feedback of related information to guide the construction. Site construction and monitoring results show that the beam column structure shows no obvious deflection due to control measures， which justifies the effectiveness of the method and may serve as reference for similar engineering projects．

Metro station; Column-hole method; Beam-column structure; Misalignment prevention

2016-04-10；

2016-06-11

桂金本(1984—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，主要從事地下和隧道工程設(shè)計與研究工作，E-mail：32320083@qq.com。

1004-2954(2016)12-0114-05

U231+.4; U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.025