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0 前言
隨著北京地鐵建設的深入,使得較多的地鐵車站需要建在城市立交橋下,一來吸引客流,二來合理利用城市空間。但是由于橋樁的影響,使得在橋下修建地鐵車站變得非常困難,而進行橋樁樁基托換加固等技術又會使建設成本大大提高。在這種情況下,一種新的結構形式出現了———分離式站臺形式(假島式)。這種結構形式的主要思想是將車站結構縱向地一分為二,中間通過聯絡通道來實現客流連接和換乘,這樣就能使橋樁位于車站結構兩部分的中間,因此能夠有效地避開橋樁的影響。分離島式車站一般由三洞構成(特殊條件下也有兩洞結構),由于三洞分離,結構側向開口面積大,群洞效應突出,必須合理組織主體群洞結構的總體施工順序,才能確保結構安全,加快施工進度。
1 工程概況
北京地鐵光華路車站,位于東三環路京廣橋引橋南側規劃的商務中心街與東三環路的交叉路口上。車站主體采用單跨三洞地下局部雙層分離島式結構,南北向布置,中間為雙層結構,兩側站臺為單層結構,三洞間以通道相連。車站總長169.2m,總寬度46.7m,線間距40m。共設東南、東北、西南、西北四個出入口,兩個風井和風道分別位于車站南北兩端,并同時作為施工期間的施工通道。
中洞為單跨雙層結構,埋深8m,開挖寬度14.4m,高15.5m,采用洞樁法施工。首先施作兩側小導洞,再在小導洞內施作Φ800@1200的鉆孔灌注樁,樁頂設1600mm×1650mm的縱梁;然后分兩步施作中洞拱部初支,即小導洞內中洞拱部初支與回填和兩個小導洞間的中洞拱部初支結構;zui后施工中洞拱部二襯以及下部土方和結構。側洞為單跨單層結構,埋深14m,開挖寬度10.810m,高度9.435m,采用CRD法(交叉中隔壁法)分為兩層四個導洞施工。中洞與側洞zui小凈間距僅為4.54m。
2 工況與群洞效應分析
光華路站主體中洞和近鄰左右側洞之間,呈現出復雜的群洞狀態。為了取得較好的施工效應,有效地控制地表沉降和保證結構的穩定性,針對中洞和側洞的既有設計施工參數,按照不同的工況進行群洞效應分析,以便更加安全的指導施工。
對于主體結構的總體施工組織,首要而又關鍵的就是確定中洞與側洞的施工順序。施工順序不同,由此產生的時空效應、群洞效應也不同,因此會對結構的施工及其安全產生很大影響。
對中洞而言,兩側洞的開挖是對其拱腳抗力卸載的過程;對兩側洞而言,中洞的開挖支護會在其拱部一側產生較大的偏壓,同時在中洞向下開挖的過程中會釋放側洞邊墻的部分被動土壓力而加大邊墻的側向變形;另外,側洞開挖產生的土體沉降會在中洞圍護樁側產生負摩阻力,加大圍護樁的荷載作用。
2.1 中洞先行下的施工效應
為減小以上各種不良影響,必須合理組織各洞室的施工步序,充分利用地層的時間、空間效應,降低施工的相互影響。在中洞與側洞的設計施工中,中洞對車站主體的影響較大,起主要控制作用;且按照群洞施工,先開大洞后開小洞的思想,設計總體思路為中洞先行。即*入中洞導洞及其初支扣拱的施工,中洞的*道預應力拉桿施作后才可進行側洞的開挖,側洞二次襯砌施作后才可拆除中洞的*道拉桿,各工序之間步距應大于10m。另外,為減小側洞開挖引起的樁側負摩阻力,要求中洞下部土體的開挖應在側洞開挖后進行。
根據有限元分析軟件模擬計算,中洞初支扣拱后,拱腳處會產生1000kN/m左右的水平推力,在如此大的偏壓作用下會給側洞的施工帶來很大風險。因此,設計要求在中洞拱腳處施作水平拉桿并預加450kN/根的拉力平衡對側洞偏壓。側洞的二次襯砌封閉后拆除中洞*道拉桿,拆除中洞*道拉桿所釋放的力經地層傳至側洞二襯,地層的被動土壓力由側洞二次襯砌承受,避免了側洞初期支護在高應力的狀態下施作二次襯砌的風險。
2.2 中洞先行的主要施工難點與問題
1)為平衡中洞拱腳水平推力,在樁頂縱梁處設置
一道水平鋼拉桿,鋼拉桿需預加450kN/根的拉應力,但預拉應力施加難度很大,目前國內無成功經驗。2)中洞施工涉及風道側向開口,由于側向開口斷面很大,而現場又不具備采取臨時加強措施的條件,所以必須在風道二襯結構以及中洞加強環框的保護下才能進洞。如果待該段風道二襯施工完畢再開挖中洞,進而施工側洞,工期較長。
3)風道及中洞導洞初支施工完畢后,全部轉入風道與主體結構相交段二襯施工,將造成大量隧道工閑置,勞動力組織不均勻,且由于工作面較少,整體工效不高。
基于以上原因,中洞與側洞的施工順序調整為側洞先行,即總體施工順序為:施工兩側洞初期支護→中洞初期支護扣拱→兩側洞二次襯砌→中洞下部土方開挖及襯砌。
3 施工優化
3.1 側洞先行的必要性與可行性
為降低施工難度,加快工程進度,合理組織施工,側洞必須先行進洞。側洞先行,對中洞拱部初支而言,增大了上部土體的破裂面范圍,對其初支施工可能不利。但由于中洞拱部為粉質粘土,且沿中洞拱部通長設置了Φ159@300長管棚作為超前支護,施工安全性是有保證的。對側洞偏壓受力以及開挖引起的樁側負摩阻力問題,可以通過中洞下部開挖前對中、側洞間土體注漿加固得到改善;此外,可以通過充分利用時空效應,合理安排施工工序,提高支護強度,在中洞下部土方開挖前就先施做側洞二次襯砌來解決。這樣調整工序后,通過有限元分析軟件模擬計算,中、側洞的受力狀況大為改善,中洞*道拉桿受力約100kN左右,可取消預拉應力,降低了施工難度。
對于施工組織,中、側洞可以同時施工,便于勞動力與工序的組織,且風道臨時中隔板可作為運輸平臺,施工影響小,安全有保障。工期上,由于中洞施工是關鍵線路,其施工進度對四個出入口及其他后續工程的施工有很大影響。經詳細分析對比,采取側洞先行的方法,中洞和側洞施工的制約性減小,不僅中洞和側洞可以提前兩個月完成,四個出入口也可以提前開始施工,對局部和總體工期均有利。
然而,淺埋暗挖群洞施工的關鍵是處理好受力轉換。亦即采取措施增加結構的整體性,促使土壓力及結構受力分布的均勻,才能既保證施工安全,又能科學的加快施工進度。由于側洞先行也要面臨風道側向開口,要想達到側洞的快速進洞施工,就不能等到該段風道二襯結構施工完畢再進洞,而必須采取臨時加強措施。
3.2 側洞先行的主要技術保障措施
1)側洞初支進洞加強環施工技術
光華路車站側洞施工前,設計要求與其相交段風道二襯及其加強環應施工完畢,且中洞已開挖并施加了*道水平拉桿。但考慮到中洞開挖較晚,側洞盡早施工有利于施工安排和整體工期,必須先行進洞。因此,決定不做風道二襯結構,在風道與側洞相交處風道回填部位施作側洞初支加強環。加強環主環框采用截面為800mm×800mm的C25噴射鋼筋混凝土結構,其內皮與側洞初支內皮齊平。拱部以上另用一層Φ22@200×200鋼筋網片+C25噴射混凝土加固到風道中隔墻。加強環框與風道邊墻之間用胡子筋連接,并預留側洞初支縱向連接筋,以保證風道開口處拱墻受力能傳遞到加強環框上,加強環框在風道的剖面及斷面詳見圖2所示。這樣,在初支加強環的保護下,風道側向開口進入側洞初支施工。
2)中、側洞間土體加固技術
車站主體結構中洞與兩側洞之間均為4.5~6m寬的土體,其主要地層組成為粘土層和砂卵層。為了減小車站主體各洞開挖時對地層的擾動,提高土體自穩能力,改善車站的整體結構受力性能,需要對中、側洞間土體進行徑向加固注漿,詳見圖3陰影部分。注漿工藝采用后退式分段注漿(抽管分段設止漿塞)。開挖側洞前在導洞內對樁頂縱梁后與側洞間土體進行加固;側洞開挖時對剩余土體加固;在風道橫通道內對側洞兩端土體進行加固。壓漿參數如下:中粗砂、卵石圓礫:注漿擴散半徑R=0.8m;注漿有效壓力:1.0~1.5MPa;漿液材料為普通42.5水泥漿,水灰比為0.8∶1。粉細砂、粉土、粉質粘土:注漿擴散半徑R=0·4m;注漿有效壓力:1.0~2·0MPa;漿液材料為水泥水玻璃雙液漿,配合比:水泥漿水灰比為0.6∶1,雙液體積比(水泥漿∶改性水玻璃漿)為1∶1。
注漿參數需在施工前進行實驗,采用有效方法檢測漿液擴散半徑,確保注漿效果。為控制地表沉陷,確保施工安全,要求土體加固完成后7d,再開挖中洞中間土體。
3)其他技術保障措施
中洞下部土方開挖前,應先施作完成相應里程處的側洞二襯結構,保證側洞二襯施工超前中洞下部土方開挖20m左右,以利于偏壓受力。此外,應加強監控量測,及時反饋信息,由監測反饋信息指導施工。
4 施工效果
北京地鐵光華路車站主體結構中、側洞施工采取側洞先行方案,工程進展順利。從監測資料來看,中洞地表沉降平均值為21mm;中洞拱頂沉降平均值為20.23mm;側洞洞室下部平均收斂值為3.59mm,洞室上部受偏壓影響,收斂相對略大,平均值為6.7mm;側洞拱頂沉降一般在20~35mm左右。總之,采取側洞先行,中洞開挖過程中,拱頂及地表沉降均在合理變化范圍之內,中洞拱腳處產生的水平地應力未對側洞初支結構造成較大影響,施工安全可靠。
5 結語
1)通過北京地鐵光華路車站主體結構的施工實踐可以看出,分離島式車站采用側洞先行的方案是可行的。通過采取一些措施,充分利用地層的時間、空間效應,降低施工的相互影響,便于主體群洞結構的施工組織,加快了施工進度。
2)分離島式車站主體各洞室的力學效應及其相互影響的群洞效應問題,隨施工工況有很大不同,其對施工的影響機理還有待更深一步的研究。
隨著北京地鐵建設的深入,使得較多的地鐵車站需要建在城市立交橋下,一來吸引客流,二來合理利用城市空間。但是由于橋樁的影響,使得在橋下修建地鐵車站變得非常困難,而進行橋樁樁基托換加固等技術又會使建設成本大大提高。在這種情況下,一種新的結構形式出現了———分離式站臺形式(假島式)。這種結構形式的主要思想是將車站結構縱向地一分為二,中間通過聯絡通道來實現客流連接和換乘,這樣就能使橋樁位于車站結構兩部分的中間,因此能夠有效地避開橋樁的影響。分離島式車站一般由三洞構成(特殊條件下也有兩洞結構),由于三洞分離,結構側向開口面積大,群洞效應突出,必須合理組織主體群洞結構的總體施工順序,才能確保結構安全,加快施工進度。
1 工程概況
北京地鐵光華路車站,位于東三環路京廣橋引橋南側規劃的商務中心街與東三環路的交叉路口上。車站主體采用單跨三洞地下局部雙層分離島式結構,南北向布置,中間為雙層結構,兩側站臺為單層結構,三洞間以通道相連。車站總長169.2m,總寬度46.7m,線間距40m。共設東南、東北、西南、西北四個出入口,兩個風井和風道分別位于車站南北兩端,并同時作為施工期間的施工通道。
中洞為單跨雙層結構,埋深8m,開挖寬度14.4m,高15.5m,采用洞樁法施工。首先施作兩側小導洞,再在小導洞內施作Φ800@1200的鉆孔灌注樁,樁頂設1600mm×1650mm的縱梁;然后分兩步施作中洞拱部初支,即小導洞內中洞拱部初支與回填和兩個小導洞間的中洞拱部初支結構;zui后施工中洞拱部二襯以及下部土方和結構。側洞為單跨單層結構,埋深14m,開挖寬度10.810m,高度9.435m,采用CRD法(交叉中隔壁法)分為兩層四個導洞施工。中洞與側洞zui小凈間距僅為4.54m。
2 工況與群洞效應分析
光華路站主體中洞和近鄰左右側洞之間,呈現出復雜的群洞狀態。為了取得較好的施工效應,有效地控制地表沉降和保證結構的穩定性,針對中洞和側洞的既有設計施工參數,按照不同的工況進行群洞效應分析,以便更加安全的指導施工。
對于主體結構的總體施工組織,首要而又關鍵的就是確定中洞與側洞的施工順序。施工順序不同,由此產生的時空效應、群洞效應也不同,因此會對結構的施工及其安全產生很大影響。
對中洞而言,兩側洞的開挖是對其拱腳抗力卸載的過程;對兩側洞而言,中洞的開挖支護會在其拱部一側產生較大的偏壓,同時在中洞向下開挖的過程中會釋放側洞邊墻的部分被動土壓力而加大邊墻的側向變形;另外,側洞開挖產生的土體沉降會在中洞圍護樁側產生負摩阻力,加大圍護樁的荷載作用。
2.1 中洞先行下的施工效應
為減小以上各種不良影響,必須合理組織各洞室的施工步序,充分利用地層的時間、空間效應,降低施工的相互影響。在中洞與側洞的設計施工中,中洞對車站主體的影響較大,起主要控制作用;且按照群洞施工,先開大洞后開小洞的思想,設計總體思路為中洞先行。即*入中洞導洞及其初支扣拱的施工,中洞的*道預應力拉桿施作后才可進行側洞的開挖,側洞二次襯砌施作后才可拆除中洞的*道拉桿,各工序之間步距應大于10m。另外,為減小側洞開挖引起的樁側負摩阻力,要求中洞下部土體的開挖應在側洞開挖后進行。
根據有限元分析軟件模擬計算,中洞初支扣拱后,拱腳處會產生1000kN/m左右的水平推力,在如此大的偏壓作用下會給側洞的施工帶來很大風險。因此,設計要求在中洞拱腳處施作水平拉桿并預加450kN/根的拉力平衡對側洞偏壓。側洞的二次襯砌封閉后拆除中洞*道拉桿,拆除中洞*道拉桿所釋放的力經地層傳至側洞二襯,地層的被動土壓力由側洞二次襯砌承受,避免了側洞初期支護在高應力的狀態下施作二次襯砌的風險。
2.2 中洞先行的主要施工難點與問題
1)為平衡中洞拱腳水平推力,在樁頂縱梁處設置
一道水平鋼拉桿,鋼拉桿需預加450kN/根的拉應力,但預拉應力施加難度很大,目前國內無成功經驗。2)中洞施工涉及風道側向開口,由于側向開口斷面很大,而現場又不具備采取臨時加強措施的條件,所以必須在風道二襯結構以及中洞加強環框的保護下才能進洞。如果待該段風道二襯施工完畢再開挖中洞,進而施工側洞,工期較長。
3)風道及中洞導洞初支施工完畢后,全部轉入風道與主體結構相交段二襯施工,將造成大量隧道工閑置,勞動力組織不均勻,且由于工作面較少,整體工效不高。
基于以上原因,中洞與側洞的施工順序調整為側洞先行,即總體施工順序為:施工兩側洞初期支護→中洞初期支護扣拱→兩側洞二次襯砌→中洞下部土方開挖及襯砌。
3 施工優化
3.1 側洞先行的必要性與可行性
為降低施工難度,加快工程進度,合理組織施工,側洞必須先行進洞。側洞先行,對中洞拱部初支而言,增大了上部土體的破裂面范圍,對其初支施工可能不利。但由于中洞拱部為粉質粘土,且沿中洞拱部通長設置了Φ159@300長管棚作為超前支護,施工安全性是有保證的。對側洞偏壓受力以及開挖引起的樁側負摩阻力問題,可以通過中洞下部開挖前對中、側洞間土體注漿加固得到改善;此外,可以通過充分利用時空效應,合理安排施工工序,提高支護強度,在中洞下部土方開挖前就先施做側洞二次襯砌來解決。這樣調整工序后,通過有限元分析軟件模擬計算,中、側洞的受力狀況大為改善,中洞*道拉桿受力約100kN左右,可取消預拉應力,降低了施工難度。
對于施工組織,中、側洞可以同時施工,便于勞動力與工序的組織,且風道臨時中隔板可作為運輸平臺,施工影響小,安全有保障。工期上,由于中洞施工是關鍵線路,其施工進度對四個出入口及其他后續工程的施工有很大影響。經詳細分析對比,采取側洞先行的方法,中洞和側洞施工的制約性減小,不僅中洞和側洞可以提前兩個月完成,四個出入口也可以提前開始施工,對局部和總體工期均有利。
然而,淺埋暗挖群洞施工的關鍵是處理好受力轉換。亦即采取措施增加結構的整體性,促使土壓力及結構受力分布的均勻,才能既保證施工安全,又能科學的加快施工進度。由于側洞先行也要面臨風道側向開口,要想達到側洞的快速進洞施工,就不能等到該段風道二襯結構施工完畢再進洞,而必須采取臨時加強措施。
3.2 側洞先行的主要技術保障措施
1)側洞初支進洞加強環施工技術
光華路車站側洞施工前,設計要求與其相交段風道二襯及其加強環應施工完畢,且中洞已開挖并施加了*道水平拉桿。但考慮到中洞開挖較晚,側洞盡早施工有利于施工安排和整體工期,必須先行進洞。因此,決定不做風道二襯結構,在風道與側洞相交處風道回填部位施作側洞初支加強環。加強環主環框采用截面為800mm×800mm的C25噴射鋼筋混凝土結構,其內皮與側洞初支內皮齊平。拱部以上另用一層Φ22@200×200鋼筋網片+C25噴射混凝土加固到風道中隔墻。加強環框與風道邊墻之間用胡子筋連接,并預留側洞初支縱向連接筋,以保證風道開口處拱墻受力能傳遞到加強環框上,加強環框在風道的剖面及斷面詳見圖2所示。這樣,在初支加強環的保護下,風道側向開口進入側洞初支施工。
2)中、側洞間土體加固技術
車站主體結構中洞與兩側洞之間均為4.5~6m寬的土體,其主要地層組成為粘土層和砂卵層。為了減小車站主體各洞開挖時對地層的擾動,提高土體自穩能力,改善車站的整體結構受力性能,需要對中、側洞間土體進行徑向加固注漿,詳見圖3陰影部分。注漿工藝采用后退式分段注漿(抽管分段設止漿塞)。開挖側洞前在導洞內對樁頂縱梁后與側洞間土體進行加固;側洞開挖時對剩余土體加固;在風道橫通道內對側洞兩端土體進行加固。壓漿參數如下:中粗砂、卵石圓礫:注漿擴散半徑R=0.8m;注漿有效壓力:1.0~1.5MPa;漿液材料為普通42.5水泥漿,水灰比為0.8∶1。粉細砂、粉土、粉質粘土:注漿擴散半徑R=0·4m;注漿有效壓力:1.0~2·0MPa;漿液材料為水泥水玻璃雙液漿,配合比:水泥漿水灰比為0.6∶1,雙液體積比(水泥漿∶改性水玻璃漿)為1∶1。
注漿參數需在施工前進行實驗,采用有效方法檢測漿液擴散半徑,確保注漿效果。為控制地表沉陷,確保施工安全,要求土體加固完成后7d,再開挖中洞中間土體。
3)其他技術保障措施
中洞下部土方開挖前,應先施作完成相應里程處的側洞二襯結構,保證側洞二襯施工超前中洞下部土方開挖20m左右,以利于偏壓受力。此外,應加強監控量測,及時反饋信息,由監測反饋信息指導施工。
4 施工效果
北京地鐵光華路車站主體結構中、側洞施工采取側洞先行方案,工程進展順利。從監測資料來看,中洞地表沉降平均值為21mm;中洞拱頂沉降平均值為20.23mm;側洞洞室下部平均收斂值為3.59mm,洞室上部受偏壓影響,收斂相對略大,平均值為6.7mm;側洞拱頂沉降一般在20~35mm左右。總之,采取側洞先行,中洞開挖過程中,拱頂及地表沉降均在合理變化范圍之內,中洞拱腳處產生的水平地應力未對側洞初支結構造成較大影響,施工安全可靠。
5 結語
1)通過北京地鐵光華路車站主體結構的施工實踐可以看出,分離島式車站采用側洞先行的方案是可行的。通過采取一些措施,充分利用地層的時間、空間效應,降低施工的相互影響,便于主體群洞結構的施工組織,加快了施工進度。
2)分離島式車站主體各洞室的力學效應及其相互影響的群洞效應問題,隨施工工況有很大不同,其對施工的影響機理還有待更深一步的研究。
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