地铁车站暗挖施工技术研究

地铁车站暗挖施工技术研究摘　要:以磁器口车站为例,从车站主体施工方法、砂层开挖支护方法介绍了地铁车站暗挖施工技术,对大管棚施工、粉细砂地层加固提出了施工建议。关键词:暗挖车站,超前支护,管棚,粉细砂层 地铁暗挖车站施工技术是一项新发展的技术,地下铁道车站常用方法多为明挖法、盖挖法,受特殊环境限制方采用暗挖法施作,暗挖车站施工技术更为复杂。北京地铁5号线磁器口车站采用浅埋暗挖法施工,站体大部分位于细砂、粉细砂层上,地面是交通十字路口,交通繁忙。地下有雨水管、污水管、自来水管、电力方沟、热力管沟等地下管线设施。站体大部分位于砂层地区,砂层自稳能力差,开挖极易坍塌而引起地面沉陷过大,甚至造成灾难性后果。因此,该车站的施工难度、风险非常大。1 工程概况1.1结构简介 磁器口车站是北京地铁5号线与规划北京地铁7号线的换乘站,车站全长180ｍ,宽21.87ｍ,高14.933ｍ。车站建筑面积为12244.2ｍ2,车站主体覆土深度为9.8ｍ～10.3ｍ。车站为双层岛式三拱两柱结构,车站地下一层为站厅层,预留通道实现与7号线换乘,地下二层为站台层。 车站支护采用复合式衬砌,初期支护为Ｃ20喷射混凝土,厚度30ｃｍ,二次衬砌为Ｃ30、抗渗等级Ｓ10的防水混凝土,最薄处厚度50ｃｍ。立柱为Ｃ40钢管混凝土柱,站厅板、站台板为Ｃ30普通钢筋混凝土。1.2地层土质 磁器口车站地层为第四系地层,表层为人工填土,人工填土层下为粉土层、粉质粘土层、粉细砂层,车站站厅层主要位于粉细砂层。站厅层下土层为粉质粘土层、粉土层,车站站台层底层主要为以粉质粘土层、粉土层为主,结构底板主要为卵石圆砾层。2 施工方法2.1车站主体施工方法 受规划和周边环境限制,磁器口车站只能采用暗挖法施作。根据地层和结构的特点,车站主体最终选定采用中洞法进行施作。将主体划分成16部洞室,采用ＣＲＤ法先开挖中部8个洞室,开挖期间各部洞室步距控制在8ｍ～10ｍ,以控制地表沉降和减少相互的影响,施工中及时封闭成环。中洞开挖完成后,施作中洞结构,完成中洞部位的仰拱、底纵梁、钢管柱、中纵梁、中板、顶纵梁、顶拱,形成稳定的中洞支撑体系,然后对称开挖边洞,施作边跨初期支护和二次衬砌,最后完成站台板及其他建筑设施。具体施工步骤见图1。2.2 砂层开挖支护方法2.2.1超前支护 为保证开挖中的安全,控制砂层坍塌,保护地下管线设施,采用大、小管棚进行超前支护。 大管棚做法:管棚采用直径108ｍｍ、壁厚5ｍｍ的无缝钢管,管棚长18ｍ,搭接3ｍ,管身上钻6ｍｍ～8ｍｍ的孔,梅花形布置,孔距30ｃｍ。注浆选用水泥砂浆,浆液配比1∶1∶1,注浆压力0.2ＭＰａ～0.3ＭＰａ。 小导管施作方法:由于拱部土体大部分为粉细砂层,小导管采用特殊制作。先按常规做好注浆管,导管采用?32ｍｍ水煤气管制成,先将钢管截成长2.0ｍ,一端做成尖锥形,另一端焊上?6ｍｍ钢筋制成的箍。在距头部1.0ｍ～1.5ｍ以下每隔8ｃｍ,交叉钻?5ｍｍ～?8ｍｍ的孔。导管做成后,每个孔眼进行特殊处理,在孔眼位置扩孔5ｍｍ,深2ｍｍ,安设封孔片,防止在导管打入的过程中粉细砂堵塞孔口。 注浆时,在注浆的压力下,浆液冲开封片,使浆液能注入粉细砂层中。小导管注浆采用“注浆一段,开挖一段,段段推进”方式,导管间距33.3ｃｍ,小导管长2.0ｍ,搭接1.5ｍ,外插角10°～15°。注浆材料选用改性水玻璃浆,水玻璃浓度一般为35Ｂｅ′,模数2.75～3.05,ｐＨ=2～4。2.2.2 洞室开挖1)1,3,9部洞室开挖支护。 粉细砂虽较密实,但稳定性差,掌子面易失稳坍落,开挖不合理则会造成大面积塌方。施工中采用上下两步台阶开挖,上台阶高度1.8ｍ。根据早成环的原则,同时保证掌子面稳定和施工安全,施工中台阶长度控制在2ｍ～3ｍ,格栅支立好后及时加设水平工字钢。上台阶预留核心土,核心土长度0.8ｍ～1.0ｍ,坡度1/3左右。下台阶土体保证1∶6左右坡度。轮廓拱腰处开挖时基面轮廓为倒坡形式,下台阶施工时先掏槽开挖,支护该处侧墙,避免塌方,保证施工安全。最后再开挖剩余土体、支护成环。2)2,4,10部洞室开挖支护。 车站2,4,10部洞室大部分位于细砂、中粗砂层上,砂层在降水后变得非常松散,稳定性更差,施工中先对该地层进行侧向注浆加固然后再掏槽开挖。导管采用Φ32ｍｍ水煤气管制成,钢管长1.8ｍ,在距头部1.0ｍ以下每隔15ｃｍ交叉钻Φ8ｍｍ的孔,导管间距50ｃｍ,外插角20°～30°,与锁脚锚杆交错设置。注浆材料选用水泥浆或水泥水玻璃浆,水泥浆液配比采用1∶1。双浆液水玻璃浓度一般为35Ｂｅ′,模数2.75～3.05,水泥浆为1∶1,水泥浆与水玻璃浆液配比也为1∶1,施工中采用了以上两种浆液,水泥浆对无水地段效果较理想,双浆液对残余水部位堵水效果较好。由于砂层较为松散,注浆压力在0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ之间。3)回填注浆。 车站开挖后,立即喷射混凝土作为初期支护,但由于施工工艺和喷射混凝土自重等原因,往往在初期支护和砂层间存在空隙。为了消除空隙引起的地表沉降,施工中在喷射混凝土时预先埋设注浆钢管,钢管长70ｃｍ,间隔10ｃｍ打设花眼,用胶带封口,埋入砂层30ｃｍ。埋设部位在拱顶、拱腰、拱脚、墙中等处。待喷射混凝土达到一定强度后,向预埋管内充填水泥砂浆或水泥水玻璃浆,进行全断面周边注浆。 车站洞顶部纵向每3ｍ布设一根注浆管,环向4ｍ布设一根,开挖3ｍ～4ｍ后进行回填注浆,注浆机械选用低压注浆泵,注浆压力控制在0.1ＭＰａ～0.2ＭＰａ。注浆材料为水泥浆,孔隙较大部位注水泥砂浆,注浆顺序由上向下逐次进行。3 施工技术的改进3.1大管棚施工 在浅埋暗挖工法中,地面有建筑物,地下有各种管线等设施,采用大管棚超前支护对保护既有建筑物、控制地表下沉有较好的效果。 本站采用18ｍ长管棚,直径108ｍｍ,搭接长度3ｍ,每隔15ｍ就要重新打设下一环。目前国内外的机械一般施作高度在60ｃｍ～80ｃｍ,考虑管棚长度和机械摆放,需要施作6ｍ长的工作室。施作工作室时,需向上挑高,以15°角计算,挑高60ｃｍ长度为2.3ｍ。砂层地区上挑开挖难度非常大,由于小导管仰角已经大于15°,支护能力明显降低。 由于施工中不断变化格栅形式,超挖部分需用二衬混凝土回填,造成很大的人力、材料的浪费,且耗时长。开辟工作室同时造成初支背后很多转折点,一方面极易形成积水槽,给结构耐久性带来一定的影响,另一方面初支表面转折点变化多,给防水层施作带来诸多不利因素。 目前,国内多采用直径150ｍｍ长管棚,施作30ｍ～60ｍ长管棚已有很多成功经验,施作150ｍ亦有成功经验。因此,在今后的设计和施工中,应尽量采用60ｍ左右长大管棚,减少工作室的施作。3.2粉细砂地层加固 粉细砂土层一般较为密实,但自稳能力差,无法形成自然应力拱,易产生大面积坍塌,在有水的情况下更易产生流砂现象,是施工开挖支护控制的难点。对于本站粉细砂层的开挖,施工中为了保护环境,未采用有毒的化学浆液,只采取了预注酸性水玻璃加固土层的方法。将水玻璃稀释15Ｂｅ′,加10%～20%的稀硫酸,同时加微量碳酸钠,ｐＨ值控制在3左右。 施工前期注浆压力采用0.3ＭＰａ～0.5ＭＰａ,固砂效果不理想,固砂体单轴抗压强度达到0.15ＭＰａ。 在后期的施工中,工作面施作了30ｃｍ～40ｃｍ厚的止浆墙,将注浆压力提高到0.8ＭＰａ,通过效果检查,固砂体单轴抗压强度达到0.5ＭＰａ,基本满足开挖要求,但施工中砂层剥落至小导管现象时有发生,小导管起到了一定的支护作用。因小导管注浆每隔1ｍ就要施作一环,工作面还需施作较厚止浆墙,注浆结束后还得凿除,严重制约了工程进度。 随着长管棚技术的发展,一次施作较厚止浆墙,提高注浆压力,改善浆液配比,粉细砂层加固难点将得到较好的解决。