分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化.doc

分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化摘要:结合实例对单跨三洞地下局部双层分离岛式车站群洞效应进行了分析。针对不同工况下的作用效应,指出合理组织主体群洞结构的施工,对加快施工进度的意义,进而对车站总体施工顺序作了优化。关键词:地铁分离岛式车站群洞效应施工优化0前言 随着北京地铁建设的深入,使得较多的地铁车站需要建在城市立交桥下,一来吸引客流,二来合理利用城市空间。但是由于桥桩的影响,使得在桥下修建地铁车站变得非常困难,而进行桥桩桩基托换加固等技术又会使建设成本大大提高。在这种情况下,一种新的结构形式出现了分离式站台形式(假岛式)。这种结构形式的主要思想是将车站结构纵向地一分为二,中间通过联络通道来实现客流连接和换乘,这样就能使桥桩位于车站结构两部分的中间,因此能够有效地避开桥桩的影响。分离岛式车站一般由三洞构成(特殊条件下也有两洞结构),由于三洞分离,结构侧向开口面积大,群洞效应突出,必须合理组织主体群洞结构的总体施工顺序,才能确保结构安全,加快施工进度。1工程概况 北京地铁光华路车站,位于东三环路京广桥引桥南侧规划的商务中心街与东三环路的交叉路口上。车站主体采用单跨三洞地下局部双层分离岛式结构,南北向布置,中间为双层结构,两侧站台为单层结构,三洞间以通道相连,详见图1所示。车站总长169.2m,总宽度46.7m,线间距40m。共设东南、东北、西南、西北四个出入口,两个风井和风道分别位于车站南北两端,并同时作为施工期间的施工通道。 中洞为单跨双层结构,埋深8m,开挖宽度14.4m,高15.5m,采用洞桩法施工。首先施作两侧小导洞,再在小导洞内施作8001200的钻孔灌注桩,桩顶设1600mm1650mm的纵梁;然后分两步施作中洞拱部初支,即小导洞内中洞拱部初支与回填和两个小导洞间的中洞拱部初支结构;最后施工中洞拱部二衬以及下部土方和结构。侧洞为单跨单层结构,埋深14m,开挖宽度10.810m,高度9.435m,采用CRD法(交叉中隔壁法)分为两层四个导洞施工。中洞与侧洞最小净间距仅为4.54m。2工况与群洞效应分析 光华路站主体中洞和近邻左右侧洞之间,呈现出复杂的群洞状态。为了取得较好的施工效应,有效地控制地表沉降和保证结构的稳定性,针对中洞和侧洞的既有设计施工参数,按照不同的工况进行群洞效应分析,以便更加安全高效的指导施工。 对于主体结构的总体施工组织,首要而又关键的就是确定中洞与侧洞的施工顺序。施工顺序不同,由此产生的时空效应、群洞效应也不同,因此会对结构的施工及其安全产生很大影响。 对中洞而言,两侧洞的开挖是对其拱脚抗力卸载的过程;对两侧洞而言,中洞的开挖支护会在其拱部一侧产生较大的偏压,同时在中洞向下开挖的过程中会释放侧洞边墙的部分被动土压力而加大边墙的侧向变形;另外,侧洞开挖产生的土体沉降会在中洞围护桩侧产生负摩阻力,加大围护桩的荷载作用。2.1中洞先行下的施工效应 为减小以上各种不良影响,必须合理组织各洞室的施工步序,充分利用地层的时间、空间效应,降低施工的相互影响。在中洞与侧洞的设计施工中,中洞对车站主体的影响较大,起主要控制作用;且按照群洞施工,先开大洞后开小洞的思想,设计总体思路为中洞先行。即先进入中洞导洞及其初支扣拱的施工,中洞的第一道预应力拉杆施作后才可进行侧洞的开挖,侧洞二次衬砌施作后才可拆除中洞的第一道拉杆,各工序之间步距应大于10m。另外,为减小侧洞开挖引起的桩侧负摩阻力,要求中洞下部土体的开挖应在侧洞开挖后进行。 根据有限元分析软件模拟计算,中洞初支扣拱后,拱脚处会产生1000kN/m左右的水平推力,在如此大的偏压作用下会给侧洞的施工带来很大风险。因此,设计要求在中洞拱脚处施作水平拉杆并预加450kN/根的拉力平衡对侧洞偏压。侧洞的二次衬砌封闭后拆除中洞第一道拉杆,拆除中洞第一道拉杆所释放的力经地层传至侧洞二衬,地层的被动土压力由侧洞二次衬砌承受,避免了侧洞初期支护在高应力的状态下施作二次衬砌的风险。2.2中洞先行的主要施工难点与问题 1)为平衡中洞拱脚水平推力,在桩顶纵梁处设置 一道水平钢拉杆,钢拉杆需预加450kN/根的拉应力,但预拉应力施加难度很大,目前国内无成功经验。2)中洞施工涉及风道侧向开口,由于侧向开口断面很大,而现场又不具备采取临时加强措施的条件,所以必须在风道二衬结构以及中洞加强环框的保护下才能进洞。如果待该段风道二衬施工完毕再开挖中洞,进而施工侧洞,工期较长。 3)风道及中洞导洞初支施工完毕后,全部转入风道与主体结构相交段二衬施工,将造成大量隧道工闲置,劳动力组织不均匀,且由于工作面较少,整体工效不高。基于以上原因,中洞与侧洞的施工顺序调整为侧洞先行,即总体施工顺序为:施工两侧洞初期支护中洞初期支护扣拱两侧洞二次衬砌中洞下部土方开挖及衬砌。3施工优化3.1侧洞先行的必要性与可行性 为降低施工难度,加快工程进度,合理组织施工,侧洞必须先行进洞。侧洞先行,对中洞拱部初支而言,增大了上部土体的破裂面范围,对其初支施工可能不利。但由于中洞拱部为粉质粘土,且沿中洞拱部通长设置了159300长管棚作为超前支护,施工安全性是有保证的。对侧洞偏压受力以及开挖引起的桩侧负摩阻力问题,可以通过中洞下部开挖前对中、侧洞间土体注浆加固得到改善;此外,可以通过充分利用时空效应,合理安排施工工序,提高支护强度,在中洞下部土方开挖前就先施做侧洞二次衬砌来解决。这样调整工序后,通过有限元分析软件模拟计算,中、侧洞的受力状况大为改善,中洞第一道拉杆受力约100kN左右,可取消预拉应力,降低了施工难度。 对于施工组织,中、侧洞可以同时施工,便于劳动力与工序的组织,且风道临时中隔板可作为运输平台,施工影响小,安全有保障。工期上,由于中洞施工是关键线路,其施工进度对四个出入口及其他后续工程的施工有很大影响。经详细分析对比,采取侧洞先行的方法,中洞和侧洞施工的制约性减小,不仅中洞和侧洞可以提前两个月完成,四个出入口也可以提前开始施工,对局部和总体工期均有利。 然而,浅埋暗挖群洞施工的关键是处理好受力转换。亦即采取措施增加结构的整体性,促使土压力及结构受力分布的均匀,才能既保证施工安全,又能科学的加快施工进度。由于侧洞先行也要面临风道侧向开口,要想达到侧洞的快速进洞施工,就不能等到该段风道二衬结构施工完毕再进洞,而必须采取临时加强措施。3.2侧洞先行的主要技术保障措施 1)侧洞初支进洞加强环施工技术 光华路车站侧洞施工前,设计要求与其相交段风道二衬及其加强环应施工完毕,且中洞已开挖并施加了第一道水平拉杆。但考虑到中洞开挖较晚,侧洞尽早施工有利于施工安排和整体工期,必须先行进洞。因此,决定不做风道二衬结构,在风道与侧洞相交处风道回填部位施作侧洞初支加强环。加强环主环框采用截面为800mm800mm的C25喷射钢筋混凝土结构,其内皮与侧洞初支内皮齐平。拱部以上另用一层22200200钢筋网片+C25喷射混凝土加固到风道中隔墙。加强环框与风道边墙之间用胡子筋连接,并预留侧洞初支纵向连接筋,以保证风道开口处拱墙受力能传递到加强环框上,加强环框在风道的剖面及断面详见图2所示。这样,在初支加强环的保护下,风道侧向开口进入侧洞初支施工。 2)中、侧洞间土体加固技术 车站主体结构中洞与两侧洞之间均为4.56m宽的土体,其主要地层组成为粘土层和砂卵层。为了减小车站主体各洞开挖时对地层的扰动,提高土体自稳能力,改善车站的整体结构受力性能,需要对中、侧洞间土体进行径向加固注浆,详见图3阴影部分。注浆工艺采用后退式分段注浆(抽管分段设止浆塞)。开挖侧洞前在导洞内对桩顶纵梁后与侧洞间土体进行加固;侧洞开挖时对剩余土体加固;在风道横通道内对侧洞两端土体进行加固。压浆参数如下:中粗砂、卵石圆砾:注浆扩散半径R=0.8m;注浆有效压力:1.01.5MPa;浆液材料为普通42.5水泥浆,水灰比为0.81。粉细砂、粉土、粉质粘土:注浆扩散半径R=04m;注浆有效压力:1.020MPa;浆液材料为水泥水玻璃双液浆,配合比:水泥浆水灰比为0.61,双液体积比(水泥浆改性水玻璃浆)为11。 注浆参数需在施工前进行实验,采用有效方法检测浆液扩散半径,确保注浆效果。为控制地表沉陷,确保施工安全,要求土体加固完成后7d,再开挖中洞中间土体。 3)其他技术保障措施 中洞下部土方开挖前,应先施作完成相应里程处的侧洞二衬结构,保证侧洞二衬施工超前中洞下部土方开挖20m左右,以利于偏压受力。此外,应加强监控量测,及时反馈信息,由监测反馈信息指导施工。4施工效果 北京地铁光华路车站主体结构中、侧洞施工采取侧洞先行方案,工程进展顺利。从监测资料来看,中洞地表沉降平均值为21mm;中洞拱顶沉降平均值为20.23mm;侧洞洞室下部平均收敛值为3.59mm,洞室上部受偏压影响,收敛相对略大,平均值为6.7mm;侧洞拱顶沉降一般在2035mm左右。总之,采取侧洞先行,中洞开挖过程中,拱顶及地表沉降均在合理变化范围之内,中洞拱脚处产生的水平地应力未对侧洞初支结构造成较大影响,施工安全可靠。5结语 1)通过北京地铁光华路车站主体结构的施工实践可以看出,分离岛式车站采用侧洞先行的方案是可行的。通过采取一些措施,充分利用地层的时间、空间