地鐵車站施工豎井開辟多個(gè)工作面工序設(shè)計(jì)

張金偉，張美琴，董長明

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.中鐵隆工程有限公司，成都 610000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的日益加快，城市地鐵線網(wǎng)也在逐年擴(kuò)大，地鐵線路愈發(fā)密集，線路周邊的工程條件漸趨復(fù)雜，大多數(shù)地鐵車站修建于城市繁華地段。由于地面場地條件有限，無法大規(guī)模采用明挖法施工，只能采用暗挖法［1］。為了盡量減少對(duì)城區(qū)交通、商業(yè)運(yùn)營以及居民出行的影響，需通過設(shè)置施工豎井和橫通道的方式來滿足暗挖地鐵車站或區(qū)間的開挖要求。目前在有關(guān)地鐵車站施工豎井開辟工作面的文獻(xiàn)中:文獻(xiàn)［2］介紹了豎井施工和馬頭門進(jìn)洞施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)闡述了采用明挖法施工的豎井內(nèi)開辟2個(gè)工作面的加固與施工;文獻(xiàn)［3］針對(duì)城市地鐵豎井橫通道轉(zhuǎn)正洞施工難度大、工序繁雜的特點(diǎn)，通過方案比選提出豎井橫通道轉(zhuǎn)正洞采用“大包”施工工法，重點(diǎn)闡述了在橫通道內(nèi)轉(zhuǎn)正洞采用“大包法”開辟2個(gè)工作面的施工工序;文獻(xiàn)［4］重點(diǎn)闡述了豎井內(nèi)部開設(shè)馬頭門的施工方法和過程。在暗挖地鐵車站施工領(lǐng)域內(nèi)，通常意義的1個(gè)豎井開辟1個(gè)或2個(gè)工作面較為常見，開挖預(yù)支護(hù)方式也多種多樣;而在豎井內(nèi)開辟3個(gè)或者更多工作面的加固和工序轉(zhuǎn)換的相關(guān)設(shè)計(jì)和施工的研究并不多。本文以北京地鐵10號(hào)線某站為例，對(duì)施工豎井內(nèi)開辟多工作面進(jìn)行詳細(xì)的工序和結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，并從施工進(jìn)度、投資、安全方面進(jìn)行分析總結(jié)。

1 工程概況

工程為北京地鐵10號(hào)線的某站，鄰近三環(huán)路高架橋，為暗挖分離島式洞樁法施工車站。因受到場地和周邊用地條件的限制，用于暗挖施工的1座臨時(shí)豎井設(shè)置于西南風(fēng)道轉(zhuǎn)角處。該豎井采用倒掛井壁法施作，井深為28.017m，內(nèi)凈空為4.0m ×14.0m，初期支護(hù)厚0.35m，采用格柵鋼架和2道工字鋼臨時(shí)橫撐支護(hù)，格柵間距0.5 m。該豎井同時(shí)肩負(fù)車站主體、西南風(fēng)道和南端風(fēng)道3個(gè)部位的施工任務(wù)，需要在豎井3個(gè)面上分階段開設(shè)馬頭門，并且豎井的1個(gè)短邊需要完全破除;另外，該豎井還鄰近外電纜引入通道、西南出入口和區(qū)間隧道。

2 豎井及其周邊結(jié)構(gòu)間的關(guān)系

在該豎井上開設(shè)的3個(gè)工作面包括南端風(fēng)道東西2個(gè)方向洞室和西南風(fēng)道向南的洞室，其中南端風(fēng)道內(nèi)凈空為8.0 m×15.08 m(寬 × 高)，西南風(fēng)道內(nèi)凈空為8.0 m×10.3 m(寬×高)。豎井和周圍已建成結(jié)構(gòu)距離極近且相互關(guān)系復(fù)雜，與該豎井鄰近的建(構(gòu))筑物主要包括西南出入口、外電纜引入通道和區(qū)間隧道等，各結(jié)構(gòu)之間最近距離0.2 m，最遠(yuǎn)距離5.6 m。各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系見圖1。

圖1 各結(jié)構(gòu)之間關(guān)系平面圖(單位:mm)Fig.1 Plan layout shows the relationship between vertical shaft and surrounding structures(mm)

3 工程和水文地質(zhì)

該場區(qū)內(nèi)自上而下的地層為:人工堆積層，粉質(zhì)填土2.75 m;第四紀(jì)全新世沖洪積層，粉土5.2 m，粉質(zhì)黏土3.1 m，粉細(xì)砂 1.6 m，中粗砂 2.2 m;第四紀(jì)晚更新世沖洪積層，圓礫2.0 m，黏土3.1 m，粉土1.9 m。

場區(qū)內(nèi)地下水含量豐富，層間潛水水位標(biāo)高為15.83～18.21 m，含水層為粉土⑥2層、中粗砂⑦1層、圓礫⑤層、卵石⑦層。層間潛水主要接受上層潛水越流補(bǔ)給以及側(cè)向徑流補(bǔ)給，主要以側(cè)向徑流、向下越流補(bǔ)給下層水的方式排泄。施工期間需要進(jìn)行降水。

4 施工工序設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

該豎井位置特殊，施工時(shí)將會(huì)面臨諸多問題:1)豎井東、南、西3面開辟工作面、3面懸空，其周邊各類市政管線將會(huì)因開挖導(dǎo)致沉降;2)南端風(fēng)道與西南風(fēng)道開挖施工剩余工程時(shí)，將采取何種施工方法和工藝避免該處結(jié)構(gòu)以外的外電纜引入通道、西南出入口、區(qū)間隧道等已施工完成的結(jié)構(gòu)因開挖引起沉降及結(jié)構(gòu)變形、開裂等［5］;3)在西南風(fēng)道與西南豎井交叉口開挖施工時(shí)，因南側(cè)井壁的破除而引起的豎井偏壓會(huì)造成北側(cè)外電纜引入隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形等，將采取何種措施來保護(hù)在南側(cè)井壁破除時(shí)減少偏壓或無偏壓，從而保證北側(cè)外電纜引入隧道結(jié)構(gòu)安全。為此，安全、合理而高效的施工工序設(shè)計(jì)就成為重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.2 設(shè)計(jì)工序

總體工序?yàn)?設(shè)計(jì)測量放線、各監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及初始值收集—豎井內(nèi)各類導(dǎo)管打設(shè)—回填區(qū)導(dǎo)管地層預(yù)注漿—環(huán)框梁及加強(qiáng)梁施工—部分豎井回填—南端風(fēng)道豎井以西部分初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工—初期支護(hù)背后回填及注漿—西南風(fēng)道開挖前各項(xiàng)準(zhǔn)備—西南風(fēng)道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工—初期支護(hù)背后回填注漿—風(fēng)道內(nèi)豎井井壁破除—西南風(fēng)道變形縫以南仰拱施工—南端風(fēng)道仰拱施工—西南風(fēng)道側(cè)墻、中板及拱部二次襯砌施工—南端風(fēng)道側(cè)墻、中板及拱部二次襯砌施工—初期支護(hù)與二次襯砌之間充填注漿—豎井拆除或回填［6－7］。具體工序如下。

1)自西南豎井井身位置打設(shè)注漿管，對(duì)管線和既有結(jié)構(gòu)周邊土體進(jìn)行注漿加固。對(duì)豎井北側(cè)的外電纜引入通道周邊地層和豎井南、北兩側(cè)需要回填的區(qū)域外地層進(jìn)行注漿加固(見表1)，然后將南端風(fēng)道外和豎井南北側(cè)壁之間采用C20混凝土回填，在南端風(fēng)道開挖輪廓線以上豎井施作加強(qiáng)環(huán)梁，并進(jìn)行西南風(fēng)道部分明拱段的豎撐施工。回填和豎撐施工如圖2所示。

表1 注漿加固設(shè)計(jì)參數(shù)表［8］Table 1 Grouting parameters

圖2 回填和豎撐施工圖Fig.2 Backfilling and vertical supporting

2)采用CRD工法［2］進(jìn)行南端風(fēng)道西側(cè)的土方開挖和初期支護(hù)施工。南端風(fēng)道西側(cè)施工完成后，進(jìn)行西南風(fēng)道在南端風(fēng)道內(nèi)開馬頭門前的支撐代換加固，拱部打設(shè)超前小導(dǎo)管，然后采用CRD工法進(jìn)行西南風(fēng)道土方開挖及初期支護(hù)施工。由于此時(shí)施工方向?yàn)樽载Q井向西南風(fēng)道方向開挖，所以開挖步驟應(yīng)該與西南風(fēng)道已施工部分各分部之間緊密銜接，并充分利用“空間效應(yīng)”使得西南風(fēng)道在豎井兩側(cè)部位的同部位同時(shí)間卸載，以使得西南風(fēng)道順利貫通。在此道工序中，西南風(fēng)道交叉口的施工是控制整個(gè)過程的關(guān)鍵。交叉口的施工和轉(zhuǎn)換步序見表2。

3)在西南風(fēng)道開挖完成后，進(jìn)行西南豎井井底和南端風(fēng)道仰拱以下部分回填，然后破除西南豎井南側(cè)井壁，施工西南風(fēng)道二次襯砌。西南風(fēng)道二次襯砌施工至變形縫后，進(jìn)行南端風(fēng)道的臨時(shí)支撐代換，并施作二次襯砌，二次襯砌施工完成后，進(jìn)行西南豎井的逐層回填，并恢復(fù)地面，此部位工程順利完工。

5 工序設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

5.1 從施工進(jìn)度和投資角度評(píng)價(jià)

整個(gè)項(xiàng)目自2007年7月開始，至2008年1月完成，歷時(shí)7個(gè)月。其中施工前準(zhǔn)備工作、測量放線、各監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及初始值采集7 d，豎井地層加固12 d，加強(qiáng)梁施工3 d，部分豎井回填5 d，南端風(fēng)道豎井以西部分初期支護(hù)施工62 d(每層施工約10 d，共6層)，西南風(fēng)道初期支護(hù)施工46 d，風(fēng)道內(nèi)豎井井壁破除2 d，西南風(fēng)道變形縫以南二次襯砌施工61 d，南端風(fēng)道二次襯砌施工55 d，初期支護(hù)與二次襯砌之間充填注漿3 d，豎井拆除或回填5 d。如此復(fù)雜的工程，在7個(gè)月內(nèi)共完成暗挖土方量3 424.9 m3，澆筑二次襯砌混凝土756.9 m3。

對(duì)于如此復(fù)雜的工程，既要保證安全，又要控制投資，工序設(shè)計(jì)就變得尤為重要，而本次工序設(shè)計(jì)并未產(chǎn)生多余的廢棄工程和其他浪費(fèi)，施工作業(yè)按暗挖操作流程嚴(yán)格組織，節(jié)約了工程投資。

5.2 從施工監(jiān)測角度評(píng)價(jià)

作為該車站的關(guān)鍵工序和部位，合理有效的監(jiān)控量測設(shè)計(jì)是不可少的。測點(diǎn)的布置根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法、埋置深度、鄰近建筑物與環(huán)境保護(hù)要求等綜合考慮，具體布設(shè)于鄰近建筑物、地表、豎井或隧道內(nèi)以及地中等有利于監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集的地方，并考慮部分測點(diǎn)作為竣工后跟蹤監(jiān)測測點(diǎn)。各監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)測周期和頻率結(jié)合環(huán)境條件、地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)工作安全狀況確定。施工期間通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)豎井周邊地表總沉降量為25.4 mm，污水管線總沉降量為9.2mm，風(fēng)道拱頂沉降23.1mm，豎井自身收斂15.5 mm，各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)沉降和變形都未超過變形控制指標(biāo)，監(jiān)測結(jié)果表明此工序設(shè)計(jì)是安全可靠的。

6 結(jié)論與建議

1)本工程現(xiàn)已竣工，現(xiàn)場施工情況和監(jiān)測結(jié)果表明:在周邊條件極為復(fù)雜的情況下，對(duì)施工豎井的3個(gè)側(cè)面開辟馬頭門工作面，進(jìn)行合理、有效的施工步序設(shè)計(jì)是必要的。

2)高度較大的通道和馬頭門采用分層、分段、分部施工，能有效減小開挖難度，而每一層臨時(shí)仰拱或中隔壁型鋼拆除后可繼續(xù)回收利用，能節(jié)約成本，減少投資。

3)施工期間豎井周邊地表總沉降、污水管線總沉降、風(fēng)道拱頂沉降、豎井自身收斂等均未超過變形控制指標(biāo)，施工處于安全可控狀態(tài)。

4)通過本工程的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此種工序設(shè)計(jì)不僅確保了豎井和風(fēng)道的施工進(jìn)度，也保證了周圍既有建、構(gòu)筑物的安全;但開挖過程中工序轉(zhuǎn)換頻繁，工序銜接緊密，過程控制復(fù)雜，在施工控制和組織方面存在一定的難度。

5)期望本文為本領(lǐng)域內(nèi)其他類似工程提供一定的借鑒，并從工序銜接和轉(zhuǎn)換以及施工組織等方面進(jìn)一步探討和優(yōu)化。

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