中铁五局集团有限公司 湖南省长沙市 410007
摘要：在富水软弱地层、城市交通要道下方采用洞桩全逆作法修建浅埋暗挖大跨地铁车站,通过降水、导洞开挖、桩柱体系形成,二次衬砌全逆作, 有效控制沉降确保周边环境及施工过程安全,采用全包防水精细施工达到不渗不漏效果。本文以北京地铁劲松站为例结合富水软弱地层特点从方案优化到施工过程关键技术控制进行介绍。可为特殊环境下洞桩逆作法施工应用提供借鉴和参考。
关键词：富水软弱地层；大跨度；浅埋暗挖；地铁车站；洞桩逆作
1 前言
城市地铁施工周边环境复杂，车流人流密度大，周边建筑物及地下管线众多。在软弱地层下，对于大跨度浅埋暗挖地铁车站结构，传统方法是采用“双侧壁导坑法”、“中洞法”、或“CRD”工法等，北京地铁复-八线天安门西站在无水地层采用: “小导洞+挖孔灌注桩+半逆作施工”,王府井站在采用: “小导洞+钻孔桩+顺作施工”的 “洞桩法” 施工技术。北京地铁劲松站在总结北京地铁复-八线“洞桩法”设计和施工经验的基础上,结合现场地层富水、环境安全要求高的特点，经过多方论证,确定了方案,并在施工过程中得到了进一步的优化和完善。
2 工程概况
2.1工程环境及设计概况
劲松站位于东三环劲松桥东侧跨大郊亭路路口的地下，与规划地铁M7线在本站换乘。车站全长190m，为双柱三联拱双层岛式站台车站，上层为站厅层，下层为站台层，车站净宽19.5m。车站共设置四个出入口，两座风亭。地上车水马龙（单向高峰流量为7000辆/h），周边高大建筑物众多，共有三座12层以上居民楼离车站结构小于8m，地下管网密布，重点保护管线有8条，其中3000×1800mm雨水方沟紧贴车站结构顶部。
2.2工程地质及水文条件
1) 工程地质:车站通过地层由上至
下依次为杂填土、粉土层、粘土层、粉细砂、中粗砂、细砂和粉质粘土，车站拱部结构位于粉细砂层，中板以下结构位于粉土层和粉质粘土层。粉细砂层属于第四纪全新世冲洪积层，具有颗粒小、易透水、不可塑等特点，超前注浆可注性差，临空面暴露后极易发生流沙现象。粉土层和粉质粘土层为富水层，渗透系数小（透水系数小于0.025m/d），临空面暴露时间过长极易发生坍方。地质柱状图如下：
2) 水文条件:本站地下水丰富，第一层上层滞水在结构顶部，水量不大。第二层潜水在上层导洞的拱脚位置，含水层岩性为中粗砂、粉细砂层，透水性好，水量较大，施工中易发生涌水、流砂、涌土等现象。第三层层间潜水赋存于粉土层,遇扰动易液化，该层水分布在车站的中下部，疏干难度大，对施工影响很大。第四层水（弱承压水）水位高4.11～7.57m，低于结构底4.0m。
3 总体方案的优化调整
在方案设计之初,综合运用PBA支撑框架体系技术(PBA即桩Pile、梁Beam、拱Arc三个英文单词的首位字母组合)及浅埋暗挖理论,对主站体两侧采用钻孔桩防护,中间采用上下小导洞人工挖孔安装钢管柱,风道采用CRD施工,施工通道仅设西北、西南竖井。该方案结合地理环境和施工组织情况从安全、质量、工期方面经过充分论证，确定西北、西南风道均采用小导洞+钻孔桩形式,在东北出入口增设东北竖井。
4 施工过程关键技术
4.1 主要施工顺序
为了确保结构施工安全，必须尽快形成“桩(柱)、梁、拱”体系。首先施工上层导洞，接着在导洞内完成承载结构和传力结构，包括围护桩、底纵梁、钢管柱、顶纵梁等，然后由上至下逆筑车站结构，包括三跨顶拱的初期支护和二次衬砌、站厅层、站台层等。具体施工流程如下：降水 导洞开挖、支护→洞内钻孔桩→底纵梁、钢管柱和顶纵梁施工→三联拱初期支护→拱部二次衬砌→站厅板及以上侧墙浇注→站台层及以上侧墙浇注→站台板施做。（见下图）
4.2 降水施工
由于该站水位高含水地层多水量丰富,降水的好坏是施工能否取得成功的关键。车站采用封闭式管井降水，沿结构外沿约5米布井, 由于粉土潜水层渗透系数小布井间距按加密设置,风道及出入口布井间距为6～8米，车站主体布井间距为8～10米。管井深度以进入⑦层卵石或⑧层粘性土2.0米为准，并≥38m，采用72m3/d潜水泵。降水井按一抽一渗设置。降水排入市政雨水、污水管道。
4.3 导洞施工
1)小导洞尺寸选择与适用条件:该站导洞形式有8种,其中4.0m×4.5m型导洞内主要从事洞内钻孔桩施工，根据钻机安放的尺寸要求，桩中心与导洞边墙的净距不得小于1.3m。3.5m×4.25m型导洞主要从事的工作有人工挖孔桩施工、条基施工、底纵梁施工和车站主体钢管柱安装。其它导洞型式主要根据结构需要和导洞转向开马头门的需要设置。另设计换乘段导洞底部与相临标准段导洞底面不在同一高度上，给施工运输带来较大的困难，经与设计沟通把换乘段导洞底面降平标准段导洞底面，方便了施工。
2) 小导洞开挖顺序优化
多导洞开挖考虑群洞效应和二次扰动对沉降的影响原本站考虑先施工下导洞，后施工上导洞。施工中因东北竖井开挖支护至上横通道底板以下1.5m处时，降水不能满足施工要求，先进行上横通道及主体上层导洞开挖支护施工。在施工下导洞之初上层导洞内钻孔也在施工,出现下导洞内渗水量大而且沉降速率较大,如此则暂停下导洞施工把主体围护桩先完成，通过沉降分析把主体围护桩先完成发挥隔离桩作用对控制沉降是非常有效的。
3) 小导洞开挖支护方法及注意事项
在软弱地层中，小导洞开挖应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则组织施工，导洞开挖采用台阶法开挖，上台阶留核心土，台阶长度控制在4～5m，每层台阶高度不宜超过2.5m，当台阶超过3层时应增设临时仰拱。在砂性地层中，开挖步距以0.5m为宜，粘性土无水状态下开挖步距可扩大到0.75m。超前支护采用φ32超前小导管，环向间距0.3m，长度2.0m，每榀打设，注改性水玻璃浆液，松散粉细砂地层环向间距应适当加密或采用双排小导管。支护采用格栅钢架，喷砼厚度30cm。
导洞开挖时，上层中导洞拱顶应注意预埋三联拱初支扣拱的节点板，要求施工精度高，严格控制好中线及标高。节点板采用16mm厚钢板，考虑导洞施工误差，节点板应适当放大。
4)小导洞挑高反向扩挖施工
作为施工关键线路的主体南端扣拱施工本应由西南风道工作面承担, 由于受西南竖井场地拆迁改移的影响迟迟不能开工。为扭转这种被动的局面，采用由主体上层南1导洞挑高进入加高段反向扩挖形成工作面的施工方案,提前完成西南风道挑高段框架梁体系，为主体扣拱增加一个工作面,在西南竖井晚开工18个月的情况下保证了工期。施工如下图示：
4.4 洞内钻孔桩施工
与地面作业不同，洞内钻孔桩施工受导洞空间的限制，需要解决设备选型和文明施工环境两个方面的问题。本站以细颗粒地层为主，选用ZWY50A型自行式反循环钻机，工作高度3.8m适应导洞空间要求。因存在粉细砂层必须采用膨润土造浆护壁,否则在灌注砼时易坍孔埋导管。洞内纵向采用砖砌矮墙隔离出运输通道，墙高以泥浆不溅出为宜（一般高为300mm）。在孔桩钻进过程中，泥浆循环利用，边钻进边及时清理泥渣，用手推车拉至竖井垂直运输至地面弃土场。在施钻的孔桩与蓄渣池之间设一块铁篦挡板以隔离沉渣，保证循环泥浆的质量。
洞桩钢筋笼分节预制、吊装，节间采用直螺纹机械连接。机械连接操作简单，安装速度快，可最大限度保持孔内泥浆浓度，预防坍孔，减少沉碴厚度，提高成桩质量。
在施工进度上通过合理组织和安排，平均每台钻机每天完成2根桩，达到了预期的效果。
4.5 底纵梁、钢管柱和顶纵梁施工
4.5.1 底纵梁的施工
下层导洞完工后，从端头向竖井口分段浇注底纵梁，分段长度以12～20m为宜，分段位置取钢管柱纵向柱间距的1/4处。底纵梁既是钢管柱的扩大基础，也是车站底板的一部分，梁内需要准确预埋底板的两层横向主筋，防水层预留搭接并做好保护措施。受导洞空间限制，横向预留筋采用直螺纹套筒连接，接头处于同一截面，螺纹接头刷防锈油上保护套，以防钢筋锈蚀。防水板的保护除紧贴导洞破除面采用钢板保护外，还应设10cm厚的泡沫缓冲层。底纵梁上准确预埋钢管柱柱脚板，固定牢靠，并按要求预埋柱内钢筋笼锚入筋。
4.5.2 钢管柱的施工
钢管柱的施工分吊装、固定、钢筋笼安装和混凝土浇注四道工序。钢管柱施工前，应及时安排上下导洞的人工挖孔，孔径较钢管柱大0.4m，便于吊装及固定。
钢管柱在上层导洞内分节吊装就位，各节之间采用高强螺栓连接，为确保螺栓的扭矩达到规范要求，应采用规定的扭矩扳手连接。分节长度应根据导洞高度预留足够的起吊富余量。本站导洞高度为4.25m，分节最大长度取3.0m。
钢管柱全部栓接完毕，将钢管柱落在柱脚钢板上，与柱脚板上的限位角钢密贴。柱脚就位后，调整柱顶位置，用经伟仪检查钢管柱垂直度。确认钢管柱位置及垂直度无误后，先焊接柱脚加劲板，然后在孔口上、下部50cm范围内灌注C20混凝土，填充孔桩护壁与钢管柱间空隙，中间部分填充砂子，防止钢管柱偏移。钢管柱的定位需特别注意柱脚和柱顶中心的定位方法，应使用同一定位导线网，一般采用上层导洞内的导线网。
柱内钢筋笼分两步完成，钢管柱吊装前，先人工绑扎至上层导洞底板以下约30cm，剩余钢筋笼预制成型，随最后一节钢管柱采用“套笼法”吊装，与绑扎成型的钢筋笼用直螺纹套筒连接。
钢管柱内混凝土采用C50微膨胀混凝土。在混凝土浇筑前应对钢管柱的垂直度进行复核。灌注中为保证管内混凝土的捣固质量，采用特制的12m长振捣器振捣。柱内混凝土灌注高度应超过柱顶法兰约50mm，浇注柱顶纵梁时，凿除多余的混凝土。
4.5.3 顶纵梁的施工
顶纵梁形状特殊，呈倒“T”形，操作空间小，能否一次性灌满混凝土成为施工的关键。先搭设多功能可调脚手架操作平台，底模采用15mm厚胶合板，侧模采用小块钢模，两侧倒角请专业厂家加工异型钢模。钢筋绑扎在平台上进行，两侧预留与三联拱二次衬砌相连的环向主筋，接头分布在同一截面上，采用10cm厚泡沫保护。分段长度除第一段外均取6m（纵向一跨），分段位置取钢管柱纵向柱间距的1/4处。混凝土采用C30防水混凝土，坍落度不小于220mm。每一浇注段自制一根长约5m的泵管，出浆口靠拱部距离上循环混凝土面约1.0m，通过泵压由内至外灌满混凝土。靠拱部每隔2m设一根回填注浆管，顶纵梁完工后，应对拱部进行系统的回填注浆，确保下阶段三联拱初支的稳定。
4.6 三联拱初支扣拱施工
三联拱初支扣拱施工在导洞间进行，由于中导洞拱部初支为非约束结构，所以扣拱施工应特别注意力学平衡。扣拱作业面从横通道和风道加高段开始，施工前应先完成拱部超前φ159mm管棚的施作及结构马头门的加固，并选择适当的施工顺序。
4.6.1 马头门加固方法
横通道及风道加高段为结构交叉部位，受力复杂，三联拱施工将破坏小导洞阶段的初支受力体系，故扣拱施工前应完成力学转换，通过施作护拱是比较安全的做法。本站横通道设计为双侧护拱，与出入口护拱、边导洞冠梁形成一体，横通道拱部导洞处设加强环内套拱。护拱为C30现浇钢筋混凝土，施工时预埋横通道内套拱格栅钢架，内套拱喷C25砼厚350mm（见图6）。风道加高段护拱做法类同。
4.6.2 三联拱初支施工
结构交叉口受力转换体系完成后，从横通道及风道加高段开辟4个掌子面施作三联拱初期支护。天安门西站采取的是“先中拱、后边拱，二次衬砌紧跟”的施工方法，监测数据显示，中拱初支及其二衬完成后，顶纵梁之间拉压杆承受最大拉力达80KN。借鉴天安门西站施工经验，经过专家多次讨论，本站采取“边拱先行，后中拱”的施工方法，初支拱完工再作二次衬砌。经监测，顶纵梁之间承受最大压力为10KN，为此顶纵梁间设I25工字钢，每3m一根。顶纵梁之间的约束力变拉力为压力，操作性更强，更容易控制，并实现了三联拱初支力学上最大限度的平衡，是本站工艺改进的成功经验。
总体施工方法确定后，在三联拱施工中，需要控制的重点是节点的连接质量和导洞破除的时间效应。原则上两边拱初支要求对称同步，超前中拱至少6m。在三联拱初支未封闭、力学未平衡前，应保持中导洞初支的完整性，扣拱下台阶的土方也不应与掌子面紧跟，以约束导洞的变形，避免三联拱初支产生失稳性破坏（见图7）。三跨中，除边跨与导洞回填的预埋钢架采用角钢栓接外，其余中间的节点采用搭接焊，与中导洞拱顶连接板的焊接采用“U”形筋帮焊。
4.7 三联拱二次衬砌施工
主体三联拱初支形成后，我们对中板以上二次衬砌浇注顺序进行了细致的研究和探讨。因当时北京地铁某站出现拱部二衬开裂,有专家认为二衬不宜过早受力，宜采用“半逆筑法”既开挖到中部把中板施工后再施工拱部砼，最后论证仍采用“全逆筑法”施工，与半逆筑法比较，全逆筑法有如下优点：
⑴ 在初衬状态下，围护桩和钢管柱暴露到中板，三联拱节点为非刚性连接，一旦失稳，就是灾难性事故，对周边环境将造成不可估量的损失。而逆筑法不存在此风险。
⑵ 逆筑法支架投入少，易加固，施工方便，较顺筑法可节省支架约200万，提前工期约1个月。
⑶ 受工序转换的约束，拱部二衬浇注时，初支拱变形已稳定，二衬拱设计上采取变断面，受力较大断面二衬加厚，成型后的拱部二衬完全可以承担中板以上桩体背后的土压力。
经过施工验证采用“全逆筑法”施工是正确的。其施工方法为:三联拱二次衬砌在小导洞破除后，以导洞底板为基础分段施工，分段长度为6～9m，除变形段外，分段位置与顶纵梁施工缝保持一致。三跨连续浇注，先对称浇注边拱，后浇注中拱，使顶纵梁之间的约束力为压力，混凝土强度达到80%后方可拆除支撑杆件（I25）。由于主体断面形式较多，从经济效益上考虑，一般不采取整体式衬砌台车，本站采用可拆卸式工字钢支架体系，拱部模板采用S3015可调钢模，直墙采用平模。与顶纵梁接茬部位用可调丝杆调整高程并施加一定的预应力，使施工缝接茬平顺。环向钢筋与顶纵梁预埋筋采用机械连接，与中板以上侧墙的预留钢筋接头错开，接茬面用砂浆抹成15°以上斜角，铺塑料模隔离层。以边跨为例，支架及施工方法如图8。
4.8 中层板及底板施工
1)土方开挖采用YC60-6挖掘机开挖及小型机动车运输出碴，余30cm土人工清理至设计标高。中层板采用土模法施工，每次浇注长度24m。底模利用原状土，铺3～5cm厚的M15号水泥砂浆。中纵梁沟槽人工挖，侧面砖砌抹砂浆，土模阳角采用2.5号角钢保护，使棱角分明；土模上覆不易褶皱的地板胶，确保中板以下土方开挖时能顺利脱模。中板以下侧墙的接茬部位预浇注20cm以上，接茬面用砂浆抹成15°以上斜角，铺塑料隔离层。
2)主体中层板以下土方分三步开挖：第一步，开挖到导洞拱脚标高，破除导洞拱顶；第二步，开挖两导洞中间土体（拉槽），破除钢管柱间导洞侧墙；第三步，开挖导洞两侧到桩间的土体。
底板分三幅，先中间，后两边，分段长度为12m。中间浇注完后，及时对称施加两侧的支撑，腰梁和支撑均采用2I25，腰梁距离底板约3m，支撑每3m一根，利用千斤顶施加一定的预应力。两侧支撑安装好后，土方继续开挖到底板标高，对称施工两侧底板，强度达到80%后，拆除钢支撑，施作侧墙。
主体中板以下土方开挖到底板后，围护桩暴露长度达7.6m，其稳定是安全控制的重点。在设计阶段，共有三种方案：其一，采用φ600钢管撑，每3m 一根，需要约360t的钢构件，工程量浩大，在不能用吊装设备的条件下，安装及拆卸均非常困难；其二，采用预应力锚索，但因距离桥桩较近，无法实施；其三，采用小角度斜撑。经过讨论，本站采用小角度斜撑方案。该方法操作简单，成本投入低，成功解决了地下暗挖洞室大跨度临时支撑吊装难度大的问题（见图9）。
4.9 关键部位的防水施工
车站结构采用2mm厚ECB防水板进行全包防水处理，缓冲层、底板、仰拱和局部竖面保护层采用400g /m2土工布。车站三联拱4个“V”形节点和侧墙倒缝是防水的薄弱环节。顶纵梁施工时，应作好充分的防水板保护措施，为下步导洞破除打下基础，保护措施设钢板及缓冲层两道。由于该部位
结构特殊，纵向施工缝背贴式止水带取消，防止弯折拉裂防水板。二衬接茬面导洞破除前，泡沫先清除；导洞钢筋电熔烧断时，钢板下必须先垫隔热层，每烧断一根导洞主筋，随时浇水冷却，防止灼伤防水板。导洞破除完，基面先用砂浆找平，然后把保护钢板卷起，用水泥钉固定。
倒缝施工主要是解决其混凝土的接茬质量，传统的做法是设牛腿浇注，劲松站在此基础上增设了专门针对施工缝的回填注浆管，每3米1根，二衬达到强度后注纯水泥浆液。施工缝设双道嵌缝胶和一道可二次注浆的树脂骨架注浆管。
5 监测数据分析对降水及施工组织的有效性评价监测是施工的眼睛，降水对沉降的影响,降水对施工的影响和施工对沉降的影响均需通过监测数据来反应。监测数据的真实可靠和适当的监测频率能真实反映地层沉降情况，及时反馈分析后能对施工起到真正的指导作用。在车站施工前，对车站结构进行认真细致的研究，在地表布置足够的监测点，及时采集初始值，便于沉降分析，能准确反映沉降
规律。
1)监测数据反馈信息对降水措施的调整
在小导洞施工前先进行降水，保证导洞施工无水作业。因为劲松站水位高，水量大，并且在降水过程中，引起桥桩的不均匀沉降。下层导洞施工阶段大量启动降水井后，最大速率为0.24mm/d，在20天内速率达到最大值；这与粉质粘土层固结沉降持续时间长，比粉细砂稳定性强的特点相吻合。
统计数据显示，停工期间桥桩与地面沉降基本一致（桥桩稍微偏大），印证了水位降到车站地板以后，深层地层的固结和损失是桥桩沉降的主要原因。因降水井贯穿弱承压水层。抽吸承压水，一方面引起细颗粒流失，另一方面引起桩底以下地层的固结沉降，其对桥桩沉降的影响远大于负摩阻力的影响。受降水井集中布置的影响，主体西侧地表沉降大于东侧，西侧沉降影响区域宽，影响值较大。
为保证桥的安全，在导洞完成地段，桥桩的四周尽量少开泵，少降水，提高地下水位，对施工影响不大，却能对沉降起到控制作用。
2) 监测数据反馈信息对施工组织指导
上导洞施工阶段地表沉降较小;在下导洞开挖及主体水位进一步降低后，从桥桩沉降曲线可以看出，沉降一直以非常均衡的变化速率沉降，两次主要降水时间沉降速率偏大（约0.3mm/d）持续时间较长（约60天），土建施工对沉降的影响无明显的速率变化点。北端桥墩总沉降速率大于南端各桥桩的沉降速率，其影响因素我们认为与北端桥墩的降（渗）水井布置，封闭降水有关。受封闭降水的影响，劲松桥1、2、3、4号桥墩4号测点虽远离主体导洞（距离大于25m），也发生了较大沉降（-28.20mm）。2号和7号墩与站体位置关系一致，施工方法相同，唯一不同的是7号墩在封闭降水区域以外，且附近开泵的降水井少，其最大累计沉降为-9.78mm。从7号墩的沉降可看出土建对桥桩沉降的影响较小。
3) 降水效果对施工组织的影响
降水是保证施工顺利进行的前提条件，要达到施工所要求的“隧道内、洞顶及两侧不形成水流，洞底不冒水”的目标，必须保证地下水位在施工底板下1m，才能满足施工的要求。
从降水效果分析，第一和第二层水能完全疏干，第三层层间潜水层降水效果差，中板以下土方开挖均呈带水作业，对施工影响较大。主体K24+145～+175断面在下导洞施工阶段平均沉降较大（平均沉降速率达0.5mm/d）,在施工该段下层导洞时，渗水非常大，有的位置还成股流出，严重影响了下层小导洞的施工，且造成拱背回填注浆浆液流失是沉降过大的原因。在施工过程中有明水出现，对防水板的施工质量存在严重影响,施工过程采用塑料薄膜对拱墙进行全遮蔽后施作防水板焊接作业来保证施工质量。
劲松站地质情况特殊，砂层中含粘性土夹层，使粘土与砂层的分界面富含残留水。粉细砂层和粘土层因颗粒细，孔隙率小，层间水的渗透速度慢，以及受粘性土夹层的影响，层间潜水渗透非常慢，也是残留水难以疏干的原因。
施工过程中采用了洞内降排水措施,洞内降水虽然可弥补降水效果的不足，但只能起到补充降水的作用，无法达到超前降水而做到无水施工。
6 几点体会
1) 环境安全一直是城市地下工程施工研究和控制的重点，“洞桩(柱)全逆筑法”的指导思想是在导洞内完成车站主要的承重及围护体系后，先逆筑二衬结构，通过优先确保结构安全，从而达到确保环境安全的目的。与传统的“浅埋暗挖法”相比，具有对环境影响小，结构安全，废弃工程量少，作业条件好等特点。该方法不仅适用于大跨度双层暗挖地铁车站，也可适用于任何跨度的地下工程结构，本站风道即采用此方法。
2) 为保护建（构）筑物的安全，本站在西南、西北、东北竖井有高大建筑侧和风道及主体结构外侧采用钻孔灌注隔离桩发挥了很好的保护效果。
3)另通过实践证明风道与主站体均采用钻孔桩防护有利于施工组织, 增设东北竖井对确保施工任务完成发挥主要作用。
4) 拱背回填注浆后地表沉降一般在2天内趋于稳定。初支背后注浆，其工艺、操作简单是控制地面沉降确保建（构）筑物安全的有效措施。对在开挖中存在坍塌的部位，要施行二次甚至三次补充注浆，确保拱背空隙填充密实，有效控制地表沉降。
5)降水先行和掌握降水深度与施工的配合控制沉降是在富水软弱地层修筑浅埋暗挖大跨地铁车站确保环境安全、施工安全的关键因素。
参考文献
[1] 《北京地铁复-八线土建工程施工技术》（彭泽瑞）.
[2] 《隧道与地下工程修建技术》崔玖江.北京：科学出版社，2005.
作者简介:
李永毅 1970年3月生 男 汉族 高级工程师 主要从事铁道工程建筑施工,时任劲松站项目总工程师
论文作者:李永毅
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/21
标签：钢管论文; 车站论文; 桥桩论文; 结构论文; 地层论文; 风道论文; 底板论文; 《基层建设》2017年5期论文;