辽宁富水砂层三拱两柱大跨度双层地铁车站暗挖施工工法(附示意图)

1、.富水砂层三拱两柱大跨度双层地铁车站暗挖施工工法中铁xx局集团有限公司1、 前言近年来北京、上海、广州、南京等城市地铁工程的大规模建设，地下隧道暗挖工法进步明显，尤其在地下车站的施工中，成功实现了中洞法、洞柱法、双侧壁导洞法、PBA 工法等多种方法。而在使用中哪种工法最好，目前观点也不完全统一，各自还存在一些不足之处。PBA工法施工沉降量小，施工安全的优点，在近几年的地铁工程建设中得到越来越多的应用。中铁xx局集团承建的xx地铁一号线一期土建施工第八合同段xx站站为明、暗挖结合双层岛式车站，站台宽度为12.0m。车站暗挖段采用双柱三跨地下两层拱顶直墙框架结构，结构暗挖标准段总宽度20.7m，车

2、站东端盾构接收井结构总宽度为24.5m。水文条件为富水砂层，渗透系数70-140m/d。地上各种管线遍布，尤其暗挖段拱顶上方3.1m横向为1m混凝土污水暗渠，拱顶上方3m纵向为600混凝土污水管。暗挖段施工改进了PBA工法在富水砂层中施工，在洞桩施工改进桩机及除砂系统，成功试验使用JM-4型固砂剂代替单液浆、双液浆作为砂体固结材料等。关键技术审定结果：总体技术水平达到国际先进水平。组织评审单位为中国铁道建筑总公司。获奖情况：获得中铁xx局集团有限公司2009年企业级工法。2、 工法特点2.1、本工法在传统浅埋暗挖分部法的基础上吸收了盖挖法的特点，将明挖框架结构施工方法和暗挖法进行有机结合，有效

3、的控制地层沉降和变形。2.2、本工法施工方法也因主体结构步序调整、地表建筑物繁多和在富水砂层地质情况的不同而有所差异。2.3、本工法桩基改进洞桩法施工，采用新型JM-4型固砂剂进行小导管超前加固，采用定型拱架和可调模板用于拱顶二衬及边墙结构施工。3、 适用范围3.1、本工法适用于受交通、建筑物、管线等外部环境限制的地铁暗挖车站施工。3.2、本工法适用于沉降、变形等各项控制指标较高的地铁暗挖车站施工。4、 工艺原理该方法在传统浅埋暗挖分部法的基础上吸收了盖挖法的特点，将明挖框架结构施工方法和暗挖法进行有机结合，使导洞内围护桩、梁、中柱、顶拱共同构成桩(Pile)、梁(Beam)、拱(Arc)支撑

4、框架体系(简称PBA工法)，在边桩和顶拱、中柱的保护下，逐层向下开挖，施工内部结构，最终形成由边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。5、 施工工艺流程及操作要点5.1、施工步骤如下：提前降水，施工竖井及横通道由竖井横通道施工上、下层六个小导洞，错开开挖顺序，先两边后中间，中导洞架设水平临时支撑，在上层两个边导洞中打设洞桩施作桩顶冠梁及部分二次衬砌结构，预留钢筋接驳器，二衬背后回填注浆施作中导洞内底纵梁及底板，预留钢筋接驳器在上、下层中导洞施作钢管柱，再做顶纵梁及部分二次衬砌结构，二衬背后回填注浆，预留钢筋接驳器中拱扣拱初支和二衬施工边拱扣拱初支和二衬施工中板以上土方开挖施工中

5、板、中纵梁和中板以上边墙中板以下土方开挖，架设临时支撑，继续开挖至底板施工站台层底板及边墙站台板和轨顶风道等施工5.2、洞桩施工采用改造GSD-50型大口径液压钻机，重新设计制作钻机的底座和钻架系统，钻架结构由门形钻塔改为单塔，钻架高度3.5m，使其能满足标准导洞内施工的条件。泥浆分离系统为自行设计加工制作，泥浆分离系统见图5.2-1，施工工艺流程图见图5.2-2，洞桩施工见图5.2-3。钢筋笼主筋采用镦粗直螺纹连接，导管法灌注水下混凝土。新鲜泥浆配合比见表5.2-1图5.2-1 泥浆分离系统图 图5.2-2 洞桩施工工艺流程图采用膨润土孔内造泥浆，泥浆配置：膨润土：国产II级钙土水：自来水分

6、散剂：工业纯碱（NaCO3）提供Na+对钙土改性处理。增粘剂：中粘度羧甲基纤维素（CMC）降低失水量。 表5.2-1 1M3新鲜泥浆的配比水膨润土NaCO3CMC1000Kg60 Kg2.5 Kg0-0.65 Kg图5.2-3 洞桩施工钢筋笼采用粗直径直螺纹连接工艺，分节制作试拼，钢筋笼下放时，采用自制井架吊装安放，为控制钢筋笼上浮，在钢筋笼顶设米字型钢板架固定。采用商品混凝土，自接地泵，泵送至桩位，导管法灌注。5.3、钢管柱施工： 5.3.1人工挖孔人工挖孔分上下两节，上节孔径为2.6米，下节孔径为1.8米。破除导洞底板格栅前用16A工字钢与边墙格栅焊接加固，采用喷射混凝土护壁。5.3.2定

7、位预埋钢管柱地脚螺栓在绑扎完底纵梁钢筋后通过定位法兰准确定位。定位法兰与钢管柱底法兰同厂加工，使用统一钻孔模具，并在对应同一位置设置十字交叉定位孔。5.3.3钢管柱运输、安装1钢管柱运输钢管柱分两节：上节长4000mm，下节长5360mm。在导洞口搭设吊装平台，吊装前进行试拼、编号，用两个自制分节的平板车运输，严防摩擦及碰撞，保证钢管柱不产生变形。 2钢管柱安装底纵梁混凝土浇筑完成后，检查预埋地脚螺栓的标高、位置，混凝土强度达到50%时可拆除定位法兰。 钢管柱安装采用手动葫芦和人工配合就位，用20A工字钢搭成吊装架体，挂上5吨的手动葫芦吊装。在完成下节吊装后，绑扎下节钢筋笼，然后放入主筋和箍筋

8、，主筋采用正反丝套筒机械连接。钢管柱吊装示意图见 图5.3.3-1吊装示意图 钢管柱运输及吊放见图5.3.3-2钢管柱的运输 图5.3.3-3钢管柱的吊放图5.3.3-1 吊装示意图 图5.3.3-3钢管柱的吊放图5.3.3-2钢管柱的运输3复核、固定钢管柱钢管柱在钢管柱混凝土浇筑、顶纵梁、扣拱及二衬施工过程中都有可能使其发生偏移，必须对钢管柱的定位进行复核并固定。4钢管柱混凝土浇筑混凝土浇筑采用地泵与串筒相结合的方式，用振捣棒振捣密实。采用C50微膨胀混凝土。5.3.4、扣拱初支的施工扣拱部位采用JM-4型固砂剂，解决地铁施工中对砂层的临时固结。1根据现场试验结果，选取合适的注浆配合比： 水

9、泥浆的配制：水:水泥=2.5:1（质量比）水泥浆与固砂剂：水泥浆:固砂剂=3:2（体积比）图5.3.4-1 JM-4型固沙剂固沙效果经试验，超前导管按该配合比固结砂层能形成明显棒状固体。见图5.3.4-1 JM-4型固沙剂固沙效果2适当加密注浆孔的间距，加大孔眼的直径：采用25×3超前小导管沿拱顶范围轮廓线布置，小导管环向间距为0.2m，外插角15°，同前榀格栅的小导管交错布置。小导管采用热轧钢管，长度为2m。注浆管一端为中空形式，钻孔沿管壁间隔150mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径8mm。3采用气压式注浆泵，注浆压力为0.5MPa，为保证注浆效果，适当增

10、加注浆压力，适量增大注浆量，保证小导管的注浆半径。此方法对扣拱初支的施工提供了重要保证，保证了工程的顺利进行。4拱部二衬定型拱架的采用拱部二次衬砌采用支撑钢架成型I14工字钢，现场组装，台架间距按照模板尺寸0.75m/组，台架支撑用钢管碗扣式脚手架、步距600mm配合方木(150mm×150mm)。模板采用1200×1500的自制可调模板。详见图5.3.4-1拱顶模板拱架图 图5.3.4-2拱部二次衬砌施工、图5.3.4-3自制可调模板1200mm×1500mm图5.3.4-1拱顶模板拱架图 此拱架和模板操作安全、灵活、方便，大大提高了混凝土表面质量。图5.3.4

11、-2拱部二次衬砌施工 图5.3.4-3自制可调模板1200mm×1500mm 5施工工序的调整原设计主体结构施工工序为半逆作法：先施工拱部二衬，依次为开挖土体（其中共设置3层钢支撑和一层倒撑）、施工站台层底板、站台层侧墙、站厅层底板和站厅层侧墙。调整工序为逆作法施工，具体工序详见第1项的“施工步骤”。6扣拱二衬结构施工的模板及拱架的设计形式1）中板施工中板在处理过的土体上铺设方木和竹胶板的施工方法，取得良好效果：机械开挖至方木底标高上30cm时，人工平整场地，采用100mm×100mm方木铺底，铺设间距为30cm，方木之间的空隙用中粗砂填塞密实，用水浸密实并采用铁锹等找平。

12、边墙斜角侧模采用砖砌墙+竹胶板。见图5.3.4-4 中板模板方木支顶示意图、图5.3.4- 5中板施工。图5.3.4-4 中板模板方木支顶示意图2）侧墙施工图5.3.4- 5中板施工采用顶拱拱架当作三角支架使用，长度满足站厅层侧墙的施工需要。拱架的上下设置拉筋，中板和底板预留预埋件方便拱架的支顶，支顶采用千斤顶。站台层采用原拱架，专门加工了一部分下节通过螺栓同上节联在一起。确定该拱架的加工方法和模板拱架的支顶方法。见图5.3.4-6 模板拱架支顶示意图、图5.3.4-7 模板拱架支顶现场照片所示 。 图5.3.4-7 模板拱架支顶现场照片图5.3.4-6 模板拱架支顶示意图经过现场施工证明该支

13、模方式简单、经济、实用，施工满足质量验收的标准。7监控量测以理论结合经验，对施工过程进行全程监控，并用监控数据指导施工。采用定量化、精确化和科学化方向发展，由理论-经验-量测三者相结合的“信息化设计法”形成比较完善的量测体系与计算体系。xx站站暗挖段主要监控量测控制值如下,见表 5.3.5-1 监控量测一览表：表 5.3.5-1 监控量测一览表名称控制值(mm)先进设备备注地表沉降+10，-30精密水准+铟钢尺净空收敛-30收敛仪拱顶下沉-30精密水准+铟钢尺桩基01H%，且30测斜仪6、 设备、材料及人员6.1、本工程投入的主要设备见表6.1-1 主要施工机械表，表6.2-2 主要的测量监测

14、仪器设备表：表6.1-1 主要施工机械表序号设备名称数量规格型号主要工作性能指标1泥浆搅拌机12L-Z4007.5KW2泥浆泵2BW-906kW3改装循环钻机4 4除砂系统2自制（见系统图）5混凝土喷射机4TK96-17.5kW6液压灌浆泵3YGB5-1010KW7混凝土输送泵2HBT4040m3/h8半自动锯床2G50254KW9摇臂钻床2Z30252.4KW10小型挖掘机21.0m311风镐20G10表6.2-2 主要的测量监测仪器设备表序号仪器设备名称规格型号单位数量1全站仪天宝台12精密水准仪宾得台13测微器宾得台14压力传感器KYJ30个3005数据采集仪台66频率接收仪台27应变仪

15、个68收敛计把19空合气压表DYM3个210轴力计个1646.2、材料计划见表 6.2-1 本合同段主要材料需用数量表表 6.2-1 本合同段主要材料需用数量表序号名称单位数量备注1商品混凝土m339110包括结构混凝土和防水层保护层混凝土2水泥t2200自拌喷射混凝土和注浆所用水泥3钢材t8140包括结构用钢筋、钢材4防水材料m228630包括无纺布、防水板、纸胎油毡6.3、人员计划见表6.3-1主要作业人员数量表表6.3-1主要作业人员数量表人员名称数量工作范围附注初支开挖48-80人初期支护6-8人/洞/班洞桩施工40人洞桩施工6人/机二次衬砌80人二次衬砌30-40人/班支撑支架20支

16、撑安装、拆除配套20洞内外机械、修理龙门架、挖掘机、装载机等电工4洞内、外施工用电7、 质量控制使用PDCA循环法，分析质量管理与工程质量情况，找出影响工程质量的主要因素，采取改进措施，并付诸实施，以确保达到既定的质量目标。关键工序及关键部位重要质量控制点如下：7.1、导洞及顶拱扣拱7.1.1测量、投点、导向要准确，内外业必须专人计算测量，换人复核。7.1.2固砂剂配合比专人负责，计量经常检查，砂层内注固砂剂后控制开挖时间，宜在注浆后0.5-4小时内完成。7.1.3格栅必须预拼装，确保尺寸，焊接牢固，尤其是格栅连接板部位安装。7.1.4吊钩、拉钩等预埋件提前做好台帐，专项检查，为后期钢管柱等的

17、安装提供条件。7.1.5顶拱破拱前先支撑后破除，先注浆后开挖，遵守开挖十八字方针。7.1.6及时安装轴力计、应力计等监测设备，定人定时进行监测。7.2、洞桩施工7.2.1严格控制洞桩的垂直度，采用米字架板固定钻杆并随时校正垂直度。7.2.2宜采用膨润土造浆，控制指标如表6泥浆技术指标表，清孔符合下列规定：孔底0.21.0m范围内的泥浆相对密度控制在1.151.25，含砂率10，粘度28s，灌注混凝土前，孔底沉碴厚度不大于150mm。泥浆技术指标见表7.2.2-1泥浆技术指标表表7.2.2-1泥浆技术指标表序号项目技术指标1比重1.15，排除泥浆指标：1.302粘度1822S，排除泥浆指标：20

18、26S3含砂率新制泥浆不大于4%7.2.3钢筋笼分节制作，采用粗直径直螺纹连接技术，严格控制端头平整度，质量控制技术要求见表7.2.3-1粗直径直螺纹套筒施工技术要求。表7.2.3-1粗直径直螺纹套筒施工技术要求钢筋直径套丝长度扭矩备注2531mm-31mm+2P（P为螺距）80Nm符合JGJ107-2003规定的“I”级性能要求2834mm-34mm+2P（P为螺距）80Nm7.3、钢管柱施工质量控制7.3.1法兰盘均统一打孔，相互匹配，螺栓定位准确固定并保护。7.3.2钢管柱就位定位后，采用井字架固定。7.3.3钢管柱内采用C50微膨胀混凝土。灌注完成后柱周用砂填补空隙。7.3.4钢管柱的

19、施工专人负责，逐项验收。8、 安全措施施工现场的安全设施主要包括围挡、安全网、防护栏、防护罩等，各种限制装置配备齐全、有效，并不得擅自拆除或移动，制订施工临时用电方案，并派专人进行落实安装工作等。主要危险源的主要安全措施如下：8.1导洞开挖8.1.1遵守暗挖十八字方针，严格控制开挖进尺，格栅架立位置正确，焊接牢固。8.1.2测量准确，换人复核，杜绝欠挖现象，防止破除扰动原状土。8.1.3施工和结构预埋件提前布设，尽量减小破除，保护好原状土。8.1.4使用24V以下低压照明。8.2洞桩施工8.2.1施工用电派专人布设并管理，尤其是带水作业的部位。8.2.2泥浆管道安装要严密，防止渗漏，容易造成滑

20、倒。8.2.3钢筋笼连接时吊钩要牢固，套筒连接要牢固，尽量缩短连接时间。8.3扣拱施工8.3.1必须先支撑后破除。8.3.2风镐破除顶拱初支前准备应急物资。8.3.3确认JM-4型固砂剂的配合比及注浆压力等。8.3.4开挖完成后尽快安装格栅，喷射混凝土。8.4二次衬砌8.4.1钢支撑架设好后，轴力应力等监测及时紧跟。8.4.2拱架支架必须牢固，尤其地锚部位逐个检查。9、 文明施工及环保、节能措施9.1施工现场安置挂五牌一图，即：工程概况牌、安全纪律牌、安全标语牌、安全记录牌、文明施工制度牌和施工平面图。9.2合理安排工序，地面不断交，夜间不扰民。9.3施工中所有出入口均设置洗车槽，对所有出场车

21、辆均进行清洗，保障所有车辆不带泥上道，并派专人对出入口道路及所有围挡进行洒水清扫。9.4围挡采用规定的样式及规格，警示标志及亮化统一整齐，每天派专人负责巡视。9.5对周边建筑物均进行监测，直至施工结束。9.6所有出土车辆一律带盖；所有施工场地均进行硬化和绿化，并有专人洒水降尘，泥浆采用铁罐存放，泥浆车直接外运。9.7施工中使用罐装水泥和商品混凝土，减少空气污染和噪音排放。9.8空压机房等噪音较大的设备均设隔音棚。9.9机械设备均设专人看管，严格控制空载运行。10、 经济、社会效益分析10.1经济效益：10.1.1、洞桩采用改装钻机施工，自行设计泥浆造浆存放、分离、回浆等系统，不仅解决了施工难题

22、，而且改善施工环境，解决洞内造浆、存浆、回浆问题；钢筋笼采用粗直径直螺纹连接，下钢筋笼时间由4小时缩短为1小时，成本未增加。10.1.2、施工中科学的制定钢管柱运输、安装方案，克服了钢管柱的安装精度要求高、洞内运输难的问题，保证整体施工正常进行。10.1.3、扣拱初支的施工中JM-4型固砂剂的使用，利用超前导管按照多次试验总结的配合比固结砂层能形成明显棒状固体，对扣拱初支的安全施工提供了重要保证，每循环缩短2小时时间。10.1.4、拱部二衬采用定型拱架，操作安全、灵活、方便，拱部二衬施工完成后再加工部分配节通过螺栓连接，利用既有拱顶拱架当作侧墙三角支架使用。有效的提高了混凝土表面质量，节省支架费用229784元。10.1.5、施工工序的调整。原设计主体结构施工工序为半逆作法施工，调整后为全逆作法施工。缩短工期40天，节省周转材料费用912133元。调整前后工序比较见表10.1.5-1调整前后两个施工工序比较表10.1.5-1调整前后两个施工工序比较项目半逆作法逆作法结构拱顶二衬完成后不做中板及中板侧墙，结构整体性差拱顶二衬完