CN101864959B - 一种地下车站主体结构的暗挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下车站主体结构的暗挖施工方法，所述方法先进行车站风井和风道的开挖，之后利用风井和风道作为施工通道进行车站主体结构的开挖，所述车站主体结构的暗挖施工方法包括步骤：采用复合初期支护在风道口形成加强环；采用一定顺序进行中洞土体开挖；进行中洞内部结构施工；进行侧洞土体开挖；进行侧洞内部结构施工。本方案顺利完成土体开挖及初期支护与永久结构之间的受力转换，避免永久结构施工期出现过多不利受力状态，方便了施工，提高了施工安全度和施工效率，改善了劳动件，保证了工程质量。

Description

一种地下车站主体结构的暗挖施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工领域，特别涉及一种地下工程的施工方法。

背景技术

随着我国城市经济的快速持续发展，城市道路交通条件日趋紧张，城市建设者们意识到只有发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统才是解决城市客运交通问题的根本途径。特别是近几年，在我国几个大城市，如北京、上海、广州、深圳等，地铁建设进入了空前高涨的时期。对于地下车站，通常采用的是明挖法，然而市中心区商业、企业、金融、民居等楼宇密集、交通繁忙、地价昂贵，加之密集的地下管线及地下构筑物的制约，使部分车站难以采用明挖施工，因此，近些年国内地铁建设中暗挖地铁车站的比例呈增长趋势。

采用全暗挖施工的地铁车站目前国内主要集中在北京，其工法可分为三大类，北京地铁西单车站站采用“双眼镜法”施工，在此基础上出现了洞桩法，先后施做完成了天安门西车站、东单车站和王府井车站。几种工法有不同的适用条件，其经济技术比较也依设计边界条件的不同而不同。

国外相关资料显示，德国、俄罗斯、日本等国家暗挖地铁车站的开挖多采用浅埋暗挖法和盾构法，或盾构法与矿山法相结合进行修建，但尚无成形的中洞法设计施工技术。

由于地铁车站本身结构复杂，当采用暗挖法时，永久结构不可能在洞体开挖完成后一次施工完成，必然存在初期支护与永久结构之间的诸多的受力转化环节、永久结构施工期的诸多不利受力状态的分析及应对、永久结构与洞体开挖的时序关系、各施工细节如何实现等问题，而对于中洞法施工的三拱两柱车站，以上问题更为突出，其相关技术研究也是在起步阶段，因此，研究并掌握该工法的设计施工综合技术是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下车站主体结构的暗挖施工方法，特别是提供一种针对于利用中洞法施工的三拱两柱式地下车站的暗挖施工方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种地下车站主体结构的暗挖施工方法，所述施工方法先进行车站风井和风道的开挖，之后利用风井和风道作为施工通道进行车站主体结构的开挖，所述车站主体结构的暗挖施工方法包括步骤：采用复合初期支护在风道口形成加强环；采用一定顺序进行中洞土体开挖；进行中洞内部结构施工；进行侧洞土体开挖；进行侧洞内部结构施工。

其中，所述在风道口形成加强环包括在风道初期支护的环向形成加强环，以及在风道侧墙正洞开口处形成沿主体初期支护的加强环。

其中，所述加强环与风道初期支护之间有径向连接钢筋以共同抵抗外载荷。

其中，在所述风道开口顶部增加横撑，并将所述横撑与加强环焊接连接。

其中，当正洞开口顶部位于风道起拱段时，采用明拱进行开口支护，以保证进洞段风道初期支护拱部受力合理。

其中，在进行中洞土体开挖之前还包括步骤：在地下车站主体结构的开挖轮廓外设置超前支护。

其中，所述超前支护为，在中洞的顶部轮廓线上方均匀布置管棚。

其中，所述相邻管棚之间布置有导管。

其中，所述管棚与所述导管均采用钢管。

其中，沿进洞方向将所述中洞所占空间分为左上、右上、左下、右下四个部分，所述中洞的土体开挖步序为：左上、右上、左下、右下；或者左上、右上、右下、左下；或者右上、左上、右下、左下；或者右上、左上、左下、右下。

其中，采用台阶法对中洞土体的每个部分进行开挖，台阶高3m-4m，开挖步距0.5m。

其中，所述的中洞内部结构施工包括：在中洞内铺设底部防水层；施做结构底板及底纵梁；施做立柱、中纵梁及中板层；施做顶纵梁及顶部结构。

其中，施工时底部防水层的上部依次铺设土工布、布毯和钢板作为保护层。

其中，在施做结构底板及底纵梁之后拆除施工过程中所架设的临时支撑隔墙。

其中，中洞内立柱及顶纵梁采用钢管混凝土柱。

其中，所述立柱和底纵梁之间采用预埋锚固螺栓及预埋接茬钢筋的方法进行连接。

其中，施做顶纵梁的工序为：预制及安装芯梁底板，铺设顶部防水层，绑扎芯梁部位钢筋，施工模版支架，浇筑混凝土。

其中，采用台阶法由上至下顺序对称开挖中洞两侧的边跨。

其中，在进行侧洞开挖之前，先施做侧洞的大管棚及小导管超前支护。

其中，所述侧洞内部结构施工包括：在侧洞内铺设底板及下部边墙防水层；浇筑底板及下部边墙结构；施工侧洞内中板，并与中洞内中板连接；施做两侧边墙及边跨拱部。

其中，所述主体结构的施工中采用安装在施工缝预留凹槽内的背贴止水带或止水条对主体施工缝进行防水处理，并在止水带或止水条中间预埋注浆管。

其中，所述主体结构的施工中采用背贴止水带、中埋式钢边橡胶止水带及密封胶嵌缝对结构变形缝进行防水处理。

本发明还提供一种利用上述施工方法开挖的地下车站，所述车站为多层岛式拱柱结构。

本发明还提供一种利用上述施工方法开挖的公路隧道、地下通道、地下车库或地下商场。

本发明所提供的技术方案通过采用复合衬砌加强环进洞方案、合理的中洞开挖分块步序以及侧洞开挖的施工要点，能够有效控制施工过程中所引起的地面沉降，顺利完成土体开挖及初期支护与永久结构之间的受力转换，避免永久结构施工期出现过多不利受力状态，大大方便了施工，提高了施工安全度和施工效率，改善了劳动件，保证了工程质量。

附图说明

图1是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法涉及的地下车站主体结构横断面图；

图2是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法进洞加强大管棚及小导管打设位置图；

图3是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法进洞加强马头门明拱剖面图；

图4是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法进洞加强风道挑高段加强环剖面图；

图5是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中洞超前支护大管棚及小导管布置图；

图6a-6c是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中洞土体开挖的三种开挖步序示意图；

图7是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞拱顶注浆管布置图；

图8是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞底板及底纵梁施工与初期支护关系；

图9是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞底板横向施工缝位置图；

图10是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞底板纵向施工缝位置图；

图11是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞底板防水层设置图；

图12是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中竖向支撑恢复方法图；

图13是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中钢管柱安装位置图；

图14是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中钢管柱吊装示意图；

图15是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中钢管柱加固示意图；

图16是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中钢管柱与底纵梁连接构造图；

图17是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中上下节钢管柱连接图；

图18是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中纵梁、站厅板与临时支护结构关系图；

图19是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中顶芯梁型钢构造图；

图20是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中顶芯梁底板与钢管柱连接构造图；

图21是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中顶纵梁支架布置图；

图22是本发明地下车站主体结构的暗挖施工方法中中洞公布模板支架示意图。

其中，1、顶纵梁；2、钢管柱；3、站台板；4、底纵梁；5、车站马头门；6、大管棚；7、小导管；8、中洞；9、土体；10、明拱；11、挑高段；12、联接筋；13、型钢支撑；14、马头门开洞处加强环；15、挑高段加强环；16、中洞大管棚；17、中洞小导管；18、注浆管；19、水平工字钢梁；20、竖向支撑；21、钢管柱；22、连接法兰；23、施工缝；24、支撑；25、模板；26、初期支护；27、防水板；28、土工布；29、保护毯；30、钢板；31、钢管柱安装孔；32、临时仰拱加固工字钢；33、临时仰拱；34、双吊环导链；35、控制下放固定柱；36、底纵梁及底板；37、钢支撑；38、连接法兰；39、焊缝；40、接茬钢筋；41、顶钢管联接板；42、底钢管联接板；43、中纵梁拖板；44、中纵梁；45、临时隔壁；46、站厅板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下以北京瓷器口车站的暗挖施工方法为例来具体说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

磁器口站位于崇文门外大街与两广大街的交叉口下，是北京地铁5号线与规划北京地铁7号线的换乘站，车站主体与崇文门外大街走向一致。车站为双层岛式三拱两柱结构，车站长180m，宽21.87m，高度约15m，顶板覆土厚度约10m。考虑到地面交通条件和经济技术条件，该车站的主体结构采用中洞法全暗挖法施工。

首先进行完车站风井和风道的开挖，之后利用风井和风道作为施工通道进行车站主体结构的开挖，所述车站主体结构的暗挖施工方法包括步骤：采用复合初期支护在风道口形成加强环；采用一定顺序进行中洞土体开挖；进行中洞内部结构施工；进行侧洞土体开挖；进行侧洞内部结构施工。

下面逐一介绍上述各步骤的设计和施工要点。

一、进洞加强环施工

按施工总体筹划，先进行车站风井和风道的开挖，然后利用风井和风道作为施工通道进行车站主体开挖，此时面临的关键问题是如何保证从风道开口进入正洞后风道结构的安全性和稳定性，一种做法是将风道内的车站主体结构施做完成，对风道初期支护形成强有力的支撑后，再进行正洞开口；另一种做法时，采用复合初期支护在风道内形成开口加强环后，再进行正洞开口。如图1所示为地下车站主体结构横断面图，其中顶纵梁1、钢管柱2、站台板3以及底纵梁4的位置关系如图所示。

分析表明，第一种做法从加强风道初期支护的角度看，要更加安全可靠，其造价低，但这种做法至少需要4～5个月的工期；而第二种做法，由于采用了复合初期支护作为加强环，同样可以保证风道初期支护在正洞开口后的安全，并只需1个月的工期，造价略高。

根据现场的工期需要，设计中采用的是第二种做法，这种加强环的设计要点是：不但在风道初期支护的环向形成加强环，还要在风道侧墙正洞开口处形成沿主体初期支护的加强环；加强环与风道初支之间要有径向连接钢筋，二者能有效地共同抵抗外荷载；在风道开口顶部增加横撑，并与加强环焊接，以保证风道拱翘在风道侧墙开口后能保持稳定；当正洞开口顶部位于风道起拱段时，还应采用明拱进行开口支护，以保证进洞段风道初期支护拱部受力合理。

为了加快施工进度，采用了进中洞加强环施工方案，为使正洞开口有足够的工作面，并保证开洞安全，对与正洞相接处风道初期支护挑高约1.6m，在挑高段的内侧作了一个厚300mm的加强环，即除去开洞部位外，将挑高段的其它部位的初支厚度增加1倍。并且沿车站马头门5开洞的部位作一道300mm×800mm的加强梁，以保证开洞部位的结构稳定性。

风道挑高段进车站施工，属于在曲面上施工马头门开洞，封闭成环的挑高段初支由于中洞马头门5部位的初支结构受到破坏，由于开挖断面尺寸大，将引起较大的地表沉降和收敛变形。而且车站开挖高度高，也给施工增加了难度。在风道挑高段进车站施工的过程中，采取了打设大管棚、马头门上层土体超前注浆加固、架设车站明拱、增加挑高段加强环及加强格栅等施工方法。

如图2所示为大管棚及小导管打设位置图。大管棚6长度18m间距33cm，大管棚6之间打设3.5m长的小导管7。大管棚6和小导管7注水泥浆超前加固地层。另外，为了保证马头门开挖时上台阶的土体稳定性，对中洞8的1、3部以及9部的上半断面打设了2.5m长的小导管7并注水泥浆超前加固土体，小导管7间距50cm。

如图3所示为马头门5明拱剖面图。马头门5开洞施工前，在马头门5初支混凝土破除之前在车站的外侧做5榀明拱格栅，且明拱格栅加密，联结筋12加密为间距50cm内外双排。其一可以保证挑高段11在车站马头门5的初支在进洞割除后能够保持结构的稳定性，其二，由于车站采用上下台阶法开挖，马头门5开挖后进洞初期的几榀格栅不能及时成环，无法承受过大的上层土体9的压力，而这几榀格栅通过与明拱10的连接，上层的部分土压力就能传到明拱10，以保证进洞格栅的稳定性，有效的控制马头门部位的沉降量。

如图4所示为风道挑高段加强环剖面图。在大管棚6及车站明拱格栅施工完毕之后，为了加强对挑高段11的支护强度，在挑高段11的内侧作了一个厚300mm的加强环15，即除去开洞部位外，将挑高段11的其它部位的初支厚度增加1倍。并且沿车站马头门开洞的部位作一道300mm×800mm的加强梁14，以保证开洞部位的结构稳定性。加强环采用纵向Φ25环向Φ22双层钢筋网片，网片间距125mm×125mm，两层网片之间设

钩筋相连，并通过在挑高段初支上植筋与挑高段初支连接为一体。

除此之外，在挑高段11内作了4道环向加强格栅，每道格栅加强环由两榀格栅组成，断面尺寸500mm×500mm即在挑高段格栅的里面又作了一道尺寸更大的格栅。Φ25环向Φ22双层钢筋网片均穿越加强格栅，加强环与加强格栅以及进洞格栅相互焊接，形成整体。加强环所有部位的混凝土均采用喷射C20混凝土，并预埋注浆管注浆以保证混凝土的密实度。

二、中洞开挖支护的设计与施工

1.超前支护的设计与施工

中洞大管棚16及小导管17布置如图5所示。先放出拱部开挖轮廓线，然后按每米3根布设大管棚16孔位，大管棚16孔中心高于开挖轮廓线10cm。为保证大管棚16施工，沿开挖线以外要保证有40～50cm高的工作室。大管棚16采用Φ108mm的热轧无缝钢管，大管棚16每一循环长度18m，大管棚16外插角1.5°～2°，纵向水平搭接3m。钢管每节6m，接头焊接。

每两根大管棚16之间设一小导管17。小导管17采用Φ32mm，长2.5m钢管，搭接1.5m，小导管17环向外插角为10°～15°，小导管17壁注浆孔间距33cm。小导管17从格栅钢架外缘穿过，尾端与钢架焊接成一体。在地质条件较差地段，适当加大小导管的密度和长度。注浆选用水泥水玻璃浆液或改性水玻璃浆。小导管17沿开挖线布设，施做超前大管棚16和超前小导管17时，封闭掌子面，喷射5cm厚的混凝土。并将注浆孔周边密封，注浆预支护。

2.中洞的土体开挖

按照“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，中洞采用CRD法施工。CRD法也称为中隔墙法施工，即把隧道开挖分为四部分来分别开挖，以减小开挖断面，减小施工跨度，同时分段分部位尽快完成初期支护以及临时支撑，使初期支护和临时支撑尽快闭合成环，达到最好的受力状态。

1)中洞最优开挖步序模拟分析

根据中洞的高度和跨度，综合考虑安全、工期、造价等因素，确定中洞需分四层、左右两洞室、共八部进行开挖比较合理。现对三种典型的开挖步序进行数值模拟分析。有限元分析模型采用MIDAS/GTS2.0软件进行，两侧及底部取2倍开挖轮廓外土体，顶部取至地面，土层及二衬材料的物理力学参数模型如表1所示(后续计算同)：

表1

所述三种开挖步序如图6a-6c所示。通过分析，三个开挖方案引起的地面沉降中间值及最终值如表2所示。

表2

从以上三种开挖步序的土体变形及初支变形比较来看，开挖方案1及开挖方案3地面及拱顶沉降要小于方案2，最终沉降相差约11％。可以看出开挖步序的不同地面沉降的有一定差异。

三种开挖步序最终初支内力计算结果如表3所示。

表3

通过内力图比较可以看出，方案1、方案3轴力与弯矩数值小、分布均匀，方案2内力大且分布不均匀。

从开挖跨度看，在施工前期，方案3要大于方案1，而在实际施工中更希望在对土层特性有一定了解和掌握后，再扩大断面，以避免可能的施工风险。因此，选择方案1做为中洞开挖支护方案。

2)中洞土体开挖的设计与施工要点

为确保衬砌不侵入净空限界，将开挖轮廓扩大，两侧边墙扩大5cm，拱部扩大5cm，底部扩大10cm，作为施工时模板拱架的预留变形量。1～8部采用人工依次开挖，各部开挖时均采用台阶法施工，台阶高3m～4m，上下台阶开挖相距3m～5m，开挖步距为0.5m。各部洞室步距控制8～10m左右，开挖过后立即喷射C20混凝土，喷射混凝土采用潮喷工艺。

初喷3～5cm喷射混凝土后，安设格栅钢架，格栅钢架纵向间距0.5m。格栅钢架与初喷混凝土间铺设Φ6、150mm×150mm钢筋网，网片搭接长度不少于15cm。

格栅的安装和联接是支护结构的关键，要保证各部的格栅在同一垂直面内，接头必须牢固，环与环连成整体。接头处采用角钢连接，角钢规格∠160×100×10mm。格栅钢架支立按设计要求，做到分块支撑，联接牢固，各部垂直、准确，各环格栅之间加焊Φ25纵向联接钢筋，联接筋沿环向按1米间距双层布置。

下面根据不同部位、不同地质情况，详述如下：

(1)粉细砂层开挖(车站的一、三洞室)

粉细砂虽较密实，但稳定性差，掌子面易失稳坍落，开挖不合理则会造成大面积塌方。施工中分上下两步台阶开挖，上台阶高度1.5～1.8m，不超过2m。根据早成环的原则，台阶不宜过长，为施工安全、方便，又不能太短，根据施工中实际情况台阶长度约2～3m左右。其中上台阶预留核心土，核心土宽度尽量大，以不影响安装格栅、喷砼等工序为宜。核心土长度约0.8～1.0m，坡度1/3左右。下台阶土体有一定坡度(1/6左右)。

(2)粘土层开挖车站(二、四、五、七洞室)

粘土层较密实，黏结性较好。掌子面开挖过程中比较稳定。但实际施工中有残留水，土体遇水软化，易块状或片状剥落。影响施工安全，易造成局部超挖。故施工中留高2～2.5m，长1.0m的核心土，掌子面顺坡(1/8～1/6)保证掌子面的稳定。

(3)上部为粘土层，下部为粗砂层的开挖(车站六、八洞室)：

车站的六、八断面上半部约2.5m为粘土，下半部主要为粗砂，粗砂特别松散，稳定性极差。尤其个别地段砂层含水量大，水面高出开挖地面30cm以上，给开挖带来很大困难。经过现场不断总结经验，采用如下开挖方法：视情况放缓掌子面开挖坡度，同时在掌子面上部中间开一高约1.5m、深0.8～1m的导坑，以减轻土对砂层的压力，同时避免因砂层失稳坍塌造成其上土体大块塌落。

隧道断面上在拱顶、拱腰、拱脚、墙中等部位各埋设一注浆管进行全断面周边注浆。注浆管18布置如图7所示。车站中洞顶部纵向每2～3m预埋注浆管18，开挖3～4m喷射混凝土强度达到设计强度的70％后进行回填注浆，注浆机械选用低压注浆泵，注浆压力控制在0.3～0.5Mpa。注浆材料为水泥浆，孔隙较大部位可注水泥砂浆。

洞室开挖4m左右后，对拱腰、拱脚、墙中、墙角等背后进行回填注浆，注浆管每隔4m左右布设一根，注浆时由上向下逐次注浆。

三、中洞二衬结构设计与施工

1.底板及底纵梁施工

精确测量结构中线，定出钢管柱的准确位置。检查结构的底标高，将水准点和水平收敛点布设好，拆除前做好初始数据的收集。钢筋计等在初支时预埋。

分段跳槽拆除临时中隔壁，第一次拆除长度为10m，底板及底纵梁施做9m，两端预留50cm作业空间。拆除高度高于临时仰拱顶部50cm。上部架设型号32a工字钢梁19，做法如图8所示。找平拆除临时隔壁的部位，铺设土工布缓冲层，铺设防水板，防水板间搭接不小于0.2m。防水板铺设质量合格后，然后铺设土工布保护层，再浇筑7cm C15细石混凝土保护层，强度达到要求后，在保护层面弹结构钢筋线，绑扎结构钢筋。钢筋与边洞仰拱和下段浇筑仰拱及底纵梁钢筋连接采用钢筋接驳器。接驳器内涂满黄油，预留接口采用胶布包裹，防止混凝土进入。

施工前制作与钢管柱法兰同样的定位钢板，位置偏差控制在2mm以内，混凝土浇筑完毕后拆除法兰。

1)横向施工缝的设置

横向施工缝23设置在梁受力最小的部位，钢管柱21及连接法兰22的位置关系如图9所示。

2)纵向施工缝的设置

为了方便支立侧模板25和拆除侧模作业，边侧预留一定作业空间，同时保证中洞与边洞防水搭接，纵缝设置如图10所示，其中支撑24为0.5m一道。

3)防水材料的保护

如图11所示，防水板27一般搭接长度短边为15cm，长边为10cm，施工时预留出20cm搭接部位，上部铺设土工布28，不浇筑细石混凝土，而是铺设2～3cm的布质保护毯29，然后用7mm的钢板30覆盖保护。下次施工时割除钢板30并清除保护毯29。

4)临时中隔墙恢复

浇筑完底板混凝土强度达到设计要求后，恢复竖向中隔壁支撑，水平工字钢梁19采用25a型号，竖向支撑20间距1m支在底板上，然后再拆除相邻段混凝土。支撑恢复方法如图12所示。

需要注意的是，中洞开挖完毕后，内部临时支撑的拆除与施做二衬的过程中，采用不同的施做顺序会对地面沉降及初支、二衬内力产生不同的影响，通过对先拆除下部支撑后施做底板二衬、先施做底板及底梁后拆除下部支撑的模拟分析。分别比较地面沉降、初支轴力及弯矩的变化，具体结果如表4所示。

表4

通过分析比较可以看出，两种情况顶拱的内力及地面变化基本接近，由于中隔壁的拆除，顶拱轴力显著增加，顶拱中部弯矩变化不大，这对拱顶初支受力反而更有利。在顶拱弯矩变化的同时，地面沉降较拆除前增加约10％；对于仰拱来说两种情况差别较大，由于中隔壁的拆除，不施做底板情况两边墙底弯矩相当于原来的3倍，但施做底板后弯矩变化不大。通过以上分析可以得出结论，中洞部分先施做底板及底纵梁后(通过纵向分小段拆除下部中隔墙基本上可以实现)，再拆除上下中隔壁，在不施做顶拱二衬的条件下，能够保证初支及二衬的安全。通过分析在拆除中隔壁时地面沉降变化较大，但由于地下工程各个工序转换土体应力释放不是瞬间完成，因此本处提出在施做底板并在底板未达到设计强度前先拆除下部中隔壁，待底板强度达到设计强度后恢复中隔壁的支撑，这样可以让地面的应力先释放一部分，待完全拆除中隔壁并施做顶拱后再释放剩余部分，这样可以分散释放并利用二衬的承载能力控制地面沉降。

2.钢管柱施工

1)钢管柱的制做

钢管柱分两节制做，底节长5.125米，顶节长3.80米，委托专业机械厂加工制做，经检验及无损探伤检测合格后，运输到工地现场进行安装。在洞内，底节钢管柱与底纵梁间采用预埋螺栓栓接的方法进行安装，底节和顶节钢管柱的连接则采用现场焊接的方式。钢管柱采用16mm厚的Q235钢板卷制、焊接而成，钢管柱外半径为800mm，内半径为768mm。

2)钢管柱运输及安装

钢管柱在运输过程中采取有效措施防止碰撞，装车和卸车采用吊机轻吊轻放，不允许随意抛掷。钢管柱在隧道运输过程中对临时仰拱进行支撑加固处理。运输采用架子炮车固定钢管柱向洞内运输。

钢管柱运至现场后，由电动葫芦吊至竖井下，再用架子炮车运至洞内钢管柱安装位置，人工用导链吊装钢管柱就位。

1)如图13所示，提前拆除钢管柱部位临时仰拱，拆除部位凿成长方形钢管柱安装孔31，便于将钢管柱倾斜吊放至下部洞室。钢管柱安装孔31的尺寸为2.5m×1.5m，凿除处须用气焊切割部分临时仰拱加固工字钢32(临时仰拱33)，为防止地面沉降和中洞收敛，在切割处用(I20a)工字钢纵向与割断的工字钢32(临时仰拱33)焊接成整体。

2)如图14所示，在钢管柱位置顶部临时仰拱33上焊接直径25mm的圆钢吊环，安设3吨双吊环导链34，通过控制下放固定柱35，人工用导链吊装钢管柱2就位。

3)钢管柱精确就位后，将钢管柱周边与临时仰拱间的空隙顶紧并喷混凝土填塞密实。用钢支撑37将钢管柱对称支顶在两侧临时隔墙上。加固图如图15所示。

钢管柱与底纵梁连接采用预埋锚固螺栓及预埋接茬钢筋40的方法进行连接，接茬钢筋40及锚固螺栓已在底纵梁36施工时精确预埋，连接结构如图16所示。

上、下节钢管柱的连接形式如图17所示，采用连接板41、42焊接(焊缝39)的形式进行连接，底节浇注混凝土时，预埋接茬钢筋40，顶节钢管柱准确就位后，两块连接板四周采用手工水平焊焊接牢固。

4)钢管柱混凝土灌注

钢管混凝土柱浇筑采用泵送混凝土入柱，人工振捣。钢管柱混凝土强度等级为C40，混凝土中加入微量膨胀剂，以消除钢管柱内因混凝土收缩产生的缝隙。

每灌注0.5m振捣一次，作业时使振动棒自然沉入混凝土，并插到下层混凝土中50mm～100mm，保证上下层之间的结合，振动过程中插点均匀，快插慢拔，充分振实混凝土。

顶部混凝土要注意加强振捣，充分排除顶部混凝土间的气泡，保证混凝土的整体密实。

3.站厅板及中纵梁施工

如图18所示，中纵梁44断面尺寸高为700mm，宽500mm，站厅板46厚400mm，图中可见中纵梁44、站厅板46与临时隔壁45的关系。中纵梁(板)底与临时仰拱面33的距离分别为70和370mm。

1)中隔壁拆除

拆除二号洞室和四号洞室之间临时中隔墙前，埋设观测点，由于施工底纵梁和仰拱时，七号洞室与八号洞室之间的隔壁已拆除，因此，采集拆除过程中中洞初期内力变化至关重要，拆除长度与底纵梁灌注长度相一致。做好拱部沉降观测，格栅应力变化监测，隧道净空收敛量测，根据量测数据变化确定是否恢复底板临时中隔壁及拆除的长度。中隔壁拆除高度高于站厅板顶30cm左右即可。

2)制作中纵梁与钢管柱相交部位模板

钢管柱已预设法兰，施工中只需制作侧模。侧模高300mm，拼成八角形，侧模采用木模，内包铁皮。站厅板距临时抑拱顶一般为370mm左右，站厅板的底模安装期间，灌注混凝土后无法拆除，因此模板选用价格低廉一次性使用的材料，如竹胶板等。底模与临时仰拱之间的空间用灰砖等找平后再铺设站厅板底模。为保证支撑稳定，沿中纵梁下方采用12cm×12cm方木设一排支撑，支撑下端撑在底纵梁上。

3)钢筋绑扎

纵梁钢筋和站厅板钢筋，施工时不能中断，遇钢管柱时，站厅板钢筋绕行通过，中纵梁钢筋与钢管柱相交部位，两侧边筋绕行通过，内侧钢筋断开与钢管柱焊接。

站厅板、中纵梁与边洞站厅板和下段施工的站厅板及中纵梁的接茬面选用木模并设预留孔，接茬筋从预留孔眼穿过。

4)站厅板施工缝设置

站厅板施工缝设置在距钢管柱中心距950mm处。

5)砼浇筑

钢筋检查合格后，进行混凝土施工，灌注使用商品砼泵送施工，人工振捣密实。砼浇筑后按规范进行养护，强度达到70％后，方可施工上部顶纵梁和拱部混凝土。

4.顶纵梁施工

顶纵梁即钢管混凝土柱上的纵梁，也是车站主体结构的主要承载结构，纵梁底部钢板通过钢管柱顶部的预埋锚固螺栓与钢管柱连接。顶梁结构的施工顺序为：芯梁底板预制；芯梁底板安装；顶部防水层铺设；芯梁部位钢筋绑扎；模板支架施工；混凝土浇注。

顶梁分段施工长度为18米。为使拱部结构与顶纵梁相接的施工缝便于处理，将顶纵梁一次浇筑范围向拱部延伸。

1)芯梁底板制做

磁器口车站设计共31跨顶芯梁，顶芯梁分端跨和中间跨，标准中间跨为6米，共23跨，南端跨5.15米，北端跨5米，4.4米的中间跨为2跨，5米中间跨2跨，6.3米中间跨1跨，5.15米中间跨1跨，每跨顶芯梁由两片18mm厚钢板焊接及钢筋连接而成，由于制作精度要求较高，故采用专业厂家制做的方法进行加工制作，运到现场进行安装。工厂制做部分为钢板裁制，坡口加工，各种连接孔洞及连接板件的加工，角钢及焊钉的焊接。现场工作主要为芯梁与钢管柱的栓接，两片芯梁的俯焊焊接。钢筋的焊接及绑扎，顶芯梁的构造如图19所示。

顶芯梁底板预制技术要求：每跨顶芯梁由两片芯梁结合而成，两片芯梁用Φ12mm的钢筋横向连接而成；角钢及钢板下料长度应留有足够的因焊接而引起的收缩量；角钢与钢板焊接后须校变形，当产生侧向变形垂直弯曲时宜采用压力机冷矫，扭转变形时宜采用加热方法矫正；由于芯梁与钢管柱连接，每片芯梁底均有螺栓孔，为保证螺栓孔的边距正确，应先焊，待矫正变形后再钻孔；圆柱头焊钉，柱头与柱身采用热镦工艺制作；芯梁外露钢件表面要彻底清除氧化铁皮、铁锈及焊渣并做防腐及防火处理。

2)芯梁底板安装

钢管柱顶部施工时，准确定位安装钢管柱盖板及精确预埋与顶芯梁连接螺栓，预制加工顶芯梁时，在顶芯梁端部，精确钻设Φ42螺栓孔洞，以便运到现场后进行准确安装，连接结构图见图20。

顶芯梁底板长6m，宽0.6m，板厚18mm，每片底板重754kg。顶芯梁底板从预制厂运到工地现场，在钢管柱外侧，用两个1.5t手动拉链葫芦(两端各一个)同时吊起，吊起过程中(两个葫芦)要尽量保持一致，吊装梁底板钢板下严禁站人，梁底钢板基本与钢管柱顶面一致后，迅速在梁底钢板两端及中心处进行支撑，支撑采用脚手架纵横向步距为0.6m，基本支撑完后在梁底钢板位置下进行满堂搭设，脚手架纵横向步距为0.6m，搭设完后脚手架宽度及长度为2.4m×9m，脚手架顶面纵横向采用12cm×12cm方木与顶芯梁接触，方木横向长3.5m，纵向长10m，钢板移动采用人工撬滑方法，横向推移到钢管柱顶面位置处，然后用抄手楔子进行调整标高。如图21所示。

3)芯梁顶部防水层铺设

施工前搭设脚手架，脚手架的纵横向步距为90cm，每次搭设长度为9m，宽度为3.6m。

缓冲层及塑料防水板铺设前，要认真检查防水基面，其平整度应符合D/L＝1/6～1/10(D为即面相邻两凸面间凹进去的深度，L为基面相邻两凸面之间的距离)。防水基面不得有渗漏水，若有渗漏水要先进行堵渗漏水作业。防水基面要做到清洁、坚实、平整、无水。防水材料按铺设长度及宽度下料，下料后在干净的顶芯梁上部防水基面上先铺土工布，土工布(褐色)面朝下，铺设从一端开始，用水泥钉及压条进行固定，铺设要注意直顺不能发生褶皱现象，然后再铺塑料防水板，四周要与土工布对齐，防水板要与土工布粘结牢固。

防水层的保护采用0.5mm-1mm厚的钢板内外侧夹住土工布及塑料防水板。

4)芯梁部位钢筋绑扎

钢筋安装时，做好预留钢筋的设置。顶芯梁与中跨及边跨拱部钢筋接茬连接采用正反丝扣型钢筋接驳器连接，采用I级接头。

5)芯梁模板支架施工及混凝土浇注

顶芯梁为钢筋混凝土梁，支模采用Φ50钢管支撑，模板采用3015组合钢模板配合异型钢角模。

灌注使用商品混凝土，经导料管送至风道的混凝土输送泵，泵送至工作面模型内，振捣棒振捣密实。

5.中洞拱部衬砌施工

顶芯梁的混凝土达到强度要求后，中洞拱顶施工前，分段拆除顶部中隔墙，分段拆除长度为18米。进行中隔墙拆除时，严格做好监控量测。拆除到顶部后，用防水砂浆把凸凹不平处涂抹圆顺，铺设防水层。

顶拱与顶芯梁连接处拱圈主筋在顶芯梁钢筋施工时，已进行了接茬钢筋的预留，采用正反丝扣型钢筋接驳器或套筒冷挤压机械连接方式。

自制钢拱架及模板体系，特制大块钢模板。在拱顶中央部位纵向每隔1.5米预留混凝土灌注孔，利用输送泵泵送混凝土入模浇筑中部拱顶混凝土。拱部预埋注浆管，结构达到强度后进行回填注浆，保证拱顶密实，拱部模板支架如图22所示。

在两顶芯梁内侧设置纵向间距3米拉、撑顶芯梁，分担由中部拱跨传递的内侧拱脚受力确保施工安全，然后施作拱部剩余部分中跨混凝土衬砌。

为防止边洞开挖引起中洞拱部不平衡受力，设计采取了在顶纵梁上设置Φ219mm钢管，钢管端部设置钢板，钢板通过加强钢筋与天梁内钢筋连接牢固。

四、侧洞开挖支护

1.边跨开挖在中洞结构完成且强度达到设计强度后施做，先施作大管棚及小导管超前支护，大管棚Φ108mm，环向间距300mm，钢管每节6m，每一循环长18m。施工工艺同中洞管棚支护工艺。施工时处理好与中洞相邻部分的设施，避免破坏已做好的中洞衬砌，管棚管间布设小导管注浆，小导管Φ32mm，长2.5m，注浆采用改性水玻璃浆液。

2.开挖时，两侧导坑同时采用人工对称开挖。开挖时遵循“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则。按照由上至下的顺序对称开挖两侧边跨，开挖时及时施作初期支护。初期支护同中洞初期支护施工工艺。

中拱二衬施工完成后，由于侧洞的开挖必然会对已施做中拱的内力及变形产生影响，且一般拱脚会发生不同的变形及引起中拱内力的变化，为了分析中拱的受力，分别分析中拱施做后直接开挖及两中拱之间设置直径219mm(t＝12mm)钢杆件连接后开挖两种方案，以分析二衬的不同受力及变形情况。

通过计算发现，在中洞内施做完二衬对称开挖两侧侧洞过程中，中拱两拱脚有相对远离趋势，在设置钢拉杆前，中洞两拱脚之间最大相对位移为6.5mm(远离)，设置钢拉杆后，最大相对位移变为4mm。且在设置拉杆前中拱二衬跨中随着侧洞的开挖由小偏心受压逐渐变为大偏心受压，受力变得不利。在两个拱脚之间设置钢拉杆后通过计算发现，钢拉杆一直受拉，且在两侧洞分别开挖到第三步时达到最大值(本工程中为304.5KN)，之后到初支全部开挖完成后变化很小，待分部拆除侧洞及中洞中隔壁并施做侧洞底板及中板过程中，钢拉杆轴力逐渐减少，等到二衬完全封闭成环后，钢拉杆拉力变为227KN，分析原因应该是由于中洞中板已经施工完成，因此两侧下部两侧洞开挖对中洞上部的拱顶影响就很小，待两侧边拱施工完成后有向内推中拱拱脚的趋势，因此轴力变小；同时设置钢拉杆后可以看出显著的改善了中拱的受力，使中拱的弯矩大大降低，当然如果调整中拱的起拱高度后对中拱的受力也会有很大影响。

完成中洞内二衬施工后，需要对两侧洞初支分块开挖，侧洞开挖分对称开挖及不对称开挖两种情况，不同的开挖方式会对中洞二衬结构产生不同的影响，本处通过不同的开挖步序分析中洞内二衬的水平变形从而分析二衬的受力情况，从计算结果可以看出，在侧洞开挖前，中洞两拱脚变形基本对称，且水平位移很小。当进行不对称开挖时，在左侧洞开挖完毕后，中拱及两拱脚明显被推向未开挖侧，左右两拱脚水平位移分别为3.6mm及8.1mm(差值为4.5mm)，从位移分析来看，由于侧洞的不对称开挖，不但整个中拱及立柱受到偏压，且两拱脚之间距离加大，中拱受力不利，两拱脚拉杆受到拉力；在右侧洞开挖完毕后，两拱脚有向左回移的趋势，最后左右两拱脚的水平位移为1.8mm及6.7mm(差值为4.9mm)，可见右侧开挖能够减少一部分中洞的偏压，且两拱脚之间距离进一步增大；当进行对衬开挖时，左右两拱脚水平位移分别为-0.3mm及4mm(差值为4.3mm)，特别是从左拱脚位移仍未负值，可以基本断定对称开挖，不会引起中洞结构的偏移。需要说明的是，即使对称开挖，两拱脚水平位移也不一样，这是由于中洞初期支护本身就没有对称开挖而导致的，这一点应不难理解。

可见，由于两侧洞的开挖，使中洞顶拱拱脚能提供的水平反力降低，导致拱脚产生向外位移，顶拱受力趋于不利，这也证明了设置钢拉杆的重要性。

一般认为，当某一侧侧洞开挖时，由于侧面土压力的卸除，中洞结构会向这一侧偏移，但计算结果恰恰相反，事实上，这是由于侧洞开挖后，其初支所承受土压力远大于原初支的土压力，并能将这个压力转化为推力作用于中洞顶拱拱脚以上的初期支护连接处。

另外，不对衬开挖，对中洞结构的偏压影响是明显的，因此施工时，应尽量做到对称开挖，以减小这种影响。

五、侧洞内部结构施工

1.开挖侧洞土体至设计底板标高后，拆除中洞下部临时支护之前，先加设临时支撑。

2.地基整平后铺设底层防水板，做好与既有中洞防水板的连接，并预留边墙防水板接头。钢筋绑扎牢固预留连接筋，保护防水层，模板支护牢固稳定，无松动、变形现象。模板拼装平整严密，安装后及时浇注混凝土，每环衬砌长度与中洞施工一致，商品混凝土泵送入模。

3.底板砼达到设计强度后，拆除下部横向临时支撑，敷设边墙防水层，预留防水板接头，绑扎边墙钢筋，先绑扎外侧钢筋再绑扎内侧钢筋，并按设计要求预留连接筋接头，绑扎钢筋时搭设钢管架作业平台，支立模板体系，采用组合钢拱架，大模板，Φ50钢管作支撑，施作边墙钢筋混凝土。

4.拆除中横向支撑，然后施作中层板及部分边墙混凝土。中层板的钢筋及边墙的预留钢筋用接驳器连接牢固。中层板支摸采用Φ50钢管支撑、组合钢拱架，钢模在灌注中层板混凝土前涂脱模剂，灌注混凝土，振捣密实。

5.拆除剩余的临时支撑，敷设剩余边墙及拱部防水板，施作上层剩余两侧边墙及拱部二次衬砌。

6.在边洞拱部二衬混凝土浇筑前，在拱部预埋注浆管，直径为40mm，二次衬砌模板体系为组合型钢拱墙架，大块模板，每环衬砌长度与中洞结构相同，商品混凝土泵送入模。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用对在横通道内施做永久结构后进中洞和在横通道内施做复合初期支护后进洞的分析比较，确定采用安全、高效的复合衬砌加强环进洞方案；通过仿真数值模拟分析，为减小地面、拱顶沉降，并确保初期支护受力安全，确定中洞开挖分块步序；中洞底板先行施工，再拆除中隔壁可以大大改善中洞初期支护的受力状态；中洞天梁间设置刚拉杆，可有效控制侧洞开挖时中洞顶拱向外变形；当拱形较好时，可先行拆除中洞顶层中隔壁，再进行天梁和顶拱的施工；施工中应尽量做到对称开挖，以消除对中洞结构的明显偏压；侧洞临时仰拱拆除前，应先施做侧洞底板，以改善侧洞初期支护受力状态。此外，本发明给出进洞加强环及马头门明拱的施工方法及具体工艺；针对中洞法的特点，给出土体开挖的超前支护措施、具体参数、不同土质的开挖参数等。通过研究给出了型钢梁的焊接工艺、架设方法、芯梁底座安装、混凝土浇筑等施工要点；给出了大体量钢管在狭小空间的运输方法、初期支护最小开孔尺寸、人工导链下管、钢管柱固定、与顶梁、底梁的连接等施工要点；给出了刚拉杆安装的施工要点。

根据本发明设计与施工的北京地铁五号线磁器口车站，与其他暗挖工法施工方案相比，节约投资约400万元，约占土建投资总额的3％；提前工期约1个月，约占土建总工期的3％，经济效益、社会效益较为明显。该成果为国内地铁车站的建设提供了较好的新技术、新工艺，提高了国内地铁建设的科技含量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种地下车站主体结构的暗挖施工方法，所述方法先进行车站风井和风道的开挖，之后利用风井和风道作为施工通道进行车站主体结构的开挖，其特征在于，所述方法包括步骤：

（1）采用复合初期支护在风道口形成加强环；

（2）进行中洞土体开挖；

（3）进行中洞内部结构施工；

（4）进行侧洞土体开挖；

（5）进行侧洞内部结构施工；

在步骤（1）和（2）之间还包括步骤：在地下车站主体结构的开挖轮廓外设置超前支护。

2.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：在风道初期支护的环向形成加强环，以及在风道侧墙正洞开口处形成沿主体初期支护的加强环。

3.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述超前支护为，在中洞的顶部轮廓线上方均匀布置管棚。

4.如权利要求3所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，相邻管棚之间布置有导管。

5.如权利要求4所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述管棚与所述导管均采用钢管。

6.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，采用中隔墙法对中洞土体由上而下分部顺序开挖。

7.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，采用台阶法对中洞土体的每个部分进行开挖，台阶高3m-4m，开挖步距0.5m。

8.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述的步骤（3）包括：在中洞内铺设底部防水层；施做结构底板及底纵梁；施做立柱、中纵梁及中板层；施做顶纵梁及顶部结构。

9.如权利要求8所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，施工时底部防水层的上部依次铺设土工布、布毯和钢板作为保护层。

10.如权利要求8所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，在施做结构底板及底纵梁之后拆除施工过程中所架设的临时支撑隔墙。

11.如权利要求8所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，中洞内立柱及顶纵梁采用钢管混凝土柱。

12.如权利要求8所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述立柱和底纵梁之间采用预埋锚固螺栓及预埋接茬钢筋的方法进行连接。

13.如权利要求8所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，施做顶纵梁的工序为：预制及安装芯梁底板，铺设顶部防水层，绑扎芯梁部位钢筋，施工模版支架，浇筑混凝土。

14.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，采用台阶法由上至下顺序对称开挖中洞两侧的边跨。

15.如权利要求14所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，在进行侧洞开挖之前，先施做侧洞的大管棚及小导管超前支护。

16.如权利要求1所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述步骤（5）包括：在侧洞内铺设底板及下部边墙防水层；浇筑底板及下部边墙结构；施工侧洞内中板，并与中洞内中板连接；施做两侧边墙及边跨拱部。

17.如权利要求1-16中的任一项所述的地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述主体结构的施工中采用安装在施工缝预留凹槽内的背贴止水带或止水条对主体施工缝进行防水处理，并在止水带或止水条中间预埋注浆管。

18.如权利要求1-16中任一项所述地下车站主体结构的暗挖施工方法，其特征在于，所述主体结构的施工中采用背贴止水带、中埋式钢边橡胶止水带及密封胶嵌缝对结构变形缝进行防水处理。

19.一种利用权利要求1-18项中任一项所述施工方法开挖的地下车站，其特征在于，所述车站为多层岛式拱柱结构。

20.一种利用权利要求1-18项中任一项所述施工方法开挖的公路隧道、地下通道、地下车库或地下商场。

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