單層多跨拱頂直墻暗挖車站設計與研究

周燦朗，林湘

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州510010)

單層多跨拱頂直墻暗挖車站設計與研究

周燦朗，林湘

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州510010)

受制于環(huán)境條件，有很多地鐵車站局部采用單層暗挖段，與兩端明挖部分連接形成端廳車站，單層大斷面暗挖斷面設計是工程中的難點。文章以北京地鐵14號線朝陽公園站工程實例為背景，針對單層多跨暗挖斷面形式，結合三聯(lián)拱斷面和平頂直墻矩形斷面的優(yōu)點，提出單層多跨拱頂直墻的暗挖方案，對該方案的施工方法、主要工程措施進行了重點闡述。車站現(xiàn)場施工實踐表明，該方案對減小暗挖風險，控制地面沉降是有效的，可為類似工程的設計和施工提供參考。

三聯(lián)拱 拱頂直墻 地鐵車站 管線遷改 初期支護

方便快捷的軌道交通是解決城市交通問題的理想方案之一。但城市中心城區(qū)交通擁堵，地下市政管線密集，給地鐵實施帶來很大困難。淺埋暗挖法［1］可避免對地面交通和地下管線影響，在工程中得到廣泛應用和發(fā)展。

單層暗挖通常應用在下穿埋深較大且遷改難度大的地下管線區(qū)域，連接兩端明蓋挖站廳，形成端廳車站。文獻［2］對單層大跨度暗挖地鐵車站柱洞法施工方案進行了探討，針對的斷面形式為單拱型斷面。文獻［3］針對平頂直墻條件下暗挖通道開挖和二次襯砌施工風險，對平頂直墻結構斷面適用條件進行分析。文獻［4］以青島3號線清江路站為例，介紹了上軟下硬地質條件下單拱大跨度地鐵車站的計算方法。

本文以北京地鐵14號線朝陽公園站工程實例為背景，結合三聯(lián)拱斷面［5-6］和平頂直墻矩形斷面［7］的優(yōu)點，提出單層三跨拱頂直墻暗挖方案(見圖1)，對該方案的施工方法、主要工程措施進行了深入研究，現(xiàn)場施工實踐表明該方案對減小暗挖風險，控制地面沉降，保證地下管線安全是有效的，可為類似工程的設計和施工提供參考。

圖1 單層三跨拱頂直墻地鐵車站斷面(單位:mm)

1 工程概況

1.1 車站概況

北京地鐵14號線朝陽公園站位于朝陽公園南路(東西向)與甜水園街(南北向)丁字交叉路口，呈南北走向布置?？绯柟珗@南路部分地下管線密集，交通繁忙，采用單層三跨拱頂直墻暗挖方案，與兩端明挖部分連接，實現(xiàn)站臺層的連通。

該斷面尺寸為22.90 m×8.96 m，頂部有雨水、污水、高壓燃氣、給水等多種管線。暗挖方案的選擇主要考慮三個問題:減小暗挖施工風險，控制地面沉降以及方便暗挖與明挖的連接。本站設計中，結合三聯(lián)拱斷面和平頂直墻斷面的優(yōu)點，提出單層三跨拱頂直墻暗挖方案，有效地解決了以上三個問題。

1.2 工程地質及水文地質條件

車站場地位于古金溝河故道，勘察鉆孔范圍內的地層情況從上至下依次為:〈1〉1雜填土、〈1〉粉土填土、〈3〉粉土、〈3〉1粉質黏土、〈4〉3粉細砂、〈4〉4中粗砂、〈5〉1中粗砂、〈5〉圓粒卵石、〈6〉粉質黏土、〈6〉2粉土。暗挖拱頂位于〈3〉1粉質黏土層，底板位于〈6〉粉質黏土層，暗挖范圍主要為透水性的砂層及卵石層。

場地范圍內有3層地下水:上層滯水、潛水、承壓水。暗挖范圍主要位于潛水層，但拱頂位于潛水水位以上，施工期間采用降水方案。

2 施工方法

本斷面施工方案的選擇，借鑒了平頂直墻暗挖法［7］和PBA法［8］的精髓，采用柱洞法方案，將整個斷面橫向分為側洞(邊導洞)、柱洞(中導洞)共4個小導洞。自上而下開挖4個導洞，再由下而上施作導洞內襯砌，建立梁柱和側墻支撐體系［9］。為減少相互影響，4個導洞錯洞開挖，縱向拉開步距。待4個導洞內的二襯施作完成后，進行導洞間的扣拱和底板澆筑，完成結構封閉。照此施工順序，將大斷面方案分割為若干個小斷面，減小了施工風險和地面沉降。

施工步序如下:①施作超前小導管預注漿加固地層，施作拱部大管棚，見圖2(a)。②先開挖邊上導洞DZ4，后開挖中上導洞DZ2，拉開距離10 m，見圖2(b)。③開挖邊下導洞DZ8，開挖中下導洞DZ6，拉開10 m，施作二襯。④施作邊上導洞內初支、二襯，中上導洞內施作防水層、二襯。⑤先開挖中上導洞DZ3，后開挖邊上導洞DZ1，前后拉開10 m。⑥先開挖中下導洞DZ7，后開挖邊下導洞DZ5，前后距離10 m，見圖2(c)。⑦后退施作下導洞內的防水層，澆筑二襯，安裝鋼管柱。⑧邊上導洞施作初支、二襯，中上導洞施作二襯、頂縱梁。⑨施作拱部初期支護，中跨領先邊跨10 m，兩邊跨同步。⑩后退澆筑中拱及邊拱二襯，中跨領先10 m，兩邊拱對稱澆筑，見圖2(d)。?開挖中跨土體，每次開挖一榀土方至基底，架設格柵噴混凝土封底，見圖2(e)。?鋪設中跨防水層，澆筑中跨底板的混凝土，實現(xiàn)中跨封底。?開挖邊跨土體，每次開挖一榀土方至基底，架設格柵噴混凝土封底，見圖2(f)。?鋪設邊跨防水層，澆筑混凝土二襯，完成結構封閉，參見圖1。

圖2 施工步序

3 主要工程措施

3.1 施工降水

車站拱頂處于粉質黏土層，拱頂以下基本處于潛水層，施工期間，需采用降水工藝，疏干開挖范圍內的地下水，提高土體抗剪強度，保持掌子面的穩(wěn)定和控制地面沉降。暗挖下穿污水、雨水管，地下管線滲漏是施工期間需要重點處理的問題。

3.2 支護方案

根據(jù)本站的施工步序，暗挖初期支護方案見圖3。1)小導洞設計

結構受力和施工空間是小導洞設計主要考慮的兩個因素。中導洞設計凈寬為4 m，保證開挖期間掌子面的穩(wěn)定，同時滿足施工機械、土方材料運輸?shù)目臻g。邊導洞設計凈寬3 m，滿足施工機械的最小要求。小導洞分為上下兩層，上導洞高4.7 m，下導洞高4.8 m。每個導洞采用臺階法開挖，保留核心土。4個小導洞橫向進尺錯開，每個小導洞的上下導洞進尺錯開，以減小導洞開挖的相互影響。

2)超前支護

在小導洞開挖范圍內，采用拱部φ42 mm厚3.25 mm@300 mm的小導管超前注漿。注漿管長2 m，外插角10°～15°，一榀一打。根據(jù)地層情況，采用水泥或水泥、水玻璃雙液漿。

圖3 初期支護方案(單位:mm)

在初支扣拱部位，施工風險較大，易出現(xiàn)土體坍塌，設計中采用了φ108 mm厚5 mm@300 mm大管棚+φ42 mm厚3.25 mm@300 mm小導管超前支護，大管棚內注水泥漿。

3)扣拱設計

初支扣拱設計需考慮初支扣拱時土體的穩(wěn)定和二襯扣拱時初支的穩(wěn)定兩個方面。初支扣拱時，土體的穩(wěn)定采用大管棚+小導管超前注漿支護。二襯扣拱時，需鑿除小導洞初支側壁，為防止扣拱初支腳部出現(xiàn)脫落，在小導洞側壁上預埋好插筋，通過插筋使小導洞內外的初支扣拱形成環(huán)，直接支撐在另一側小導洞側壁上(預埋鋼板)，使初支形成一個獨立的穩(wěn)定體系，見圖3?？蓽p小鑿除側壁的影響，保證二襯扣拱安全。

3.3 主體結構設計

1)底縱梁設計

中間兩個小導洞施工完成，從末端往豎井后退式澆筑底縱梁。底縱梁既是鋼管柱擴大基礎，也是車站底板的一部分，梁內預埋底板的兩層橫向主筋，同時防水層預留搭接并做好保護措施。底縱梁分段澆筑長度以12～20 m為宜，橫向預留的底板鋼筋采用直螺紋套筒連接。底縱梁上預埋地腳螺栓，鋼管柱通過地腳螺栓固定在底縱梁上。同時，鋼管柱內插鋼筋錨入底縱梁，形成鋼筋混凝土芯柱，提高承載力和穩(wěn)定性。底板梁柱節(jié)點設計見圖4。

圖4 底板梁柱節(jié)點設計

2)頂縱梁設計

頂縱梁在導洞內澆筑，操作空間狹小。受導洞形狀控制，頂縱梁設計成倒T形。頂縱梁分6 m一段澆筑，分段位置取縱向柱距的1/3位置。

鋼管柱頂部內插鋼筋，錨入頂縱梁，形成鋼筋混凝土芯柱。為提高抗剪能力，在頂縱梁下焊接一個環(huán)形抗剪鋼牛腿，并通過涂刷防火防腐涂料解決銹蝕和防火問題，提高結構耐久性。

3)頂?shù)装逶O計

本工法通過將大跨度斷面分塊施工，剖分成若干個小斷面，以減小暗挖風險，提高可實施性。這也導致主體結構分塊澆筑，產(chǎn)生多道縱向施工縫，對結構受力和防水產(chǎn)生一定的影響。二襯扣拱完成后，頂板與側墻、梁柱形成了一個豎向受力的穩(wěn)定體系，但此時底板未封閉，繼續(xù)往下開挖，將形成倒C形結構，造成水平向受力的不穩(wěn)定。為解決該問題，土方開挖時，采用縱向臺階式開挖，一次僅開挖一榀范圍內的土方至基坑底，并及時架設格柵噴混凝土封底，保證整個結構在水平向受力的穩(wěn)定。

4 結論

本文以北京地鐵14號線朝陽公園站的工程實例為背景，提出單層多跨拱頂直墻的斷面形式，安全、如期完成了地鐵車站施工，得出以下結論:

1)該方法結合了平頂直墻斷面和三聯(lián)拱斷面的優(yōu)點，有效實現(xiàn)了單層暗挖與兩側明挖箱形框架結構的對接，適用于跨越交通流量大或者地下管線多的區(qū)域。

2)通過將多跨大斷面結構分割為若干個小跨度斷面施工，減小了暗挖風險，可推廣至四跨、五跨甚至更多跨，在公路隧道、地下空間開發(fā)中具備應用前景。

3)目前朝陽公園站已通車，施工實踐證明該方法有效地控制了地面沉降，既保證了地下管線安全，又保證了通車工期。

［1］王夢恕.隧道工程淺埋暗挖法施工要點［J］.隧道建設，2006，26(5):1-4.

［2］張國亮，張振剛.單層大跨度暗挖地鐵車站柱洞法施工探討［J］.鐵道建筑，2005(3):38-40.

［3］田海波.大跨平頂直墻暗挖通道二次襯砌技術探析［J］.隧道建設，2015，35(3):268-273.

［4］徐振，任志亮.淺埋暗挖單拱大跨結構在地鐵車站的應用［J］.鐵道標準設計，2011(10):93-95.

［5］杜建華，杜華林.單拱暗挖車站上穿既有地鐵線施工技術［J］.鐵道建筑，2010(5):64-68.

［6］杜建華，彭彥彬，杜華林.淺埋暗挖大跨三聯(lián)拱隧道施工技術［J］.鐵道建筑，2010(4):44-47.

［7］李峰，楊威虎，李連玉.大斷面平頂直墻地鐵風道二襯施工受力轉換技術［J］.都市快軌交通，2009，22(2):83-86.

［8］黃美群.一次扣拱暗挖逆作法修建地鐵車站新技術［J］.都市快軌交通，2009，22(6):66-71.

［9］劉濤，張瑾，閆楠.巖石地區(qū)淺埋暗挖地鐵車站支護結構設計初步研究［J］.巖土工程學報，2010，32(增2):347-350.

(責任審編趙其文)

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.20

1003-1995(2015)12-0074-03

2015-08-21;

2015-10-21

周燦朗(1977—)，男，高級工程師。