CN110469341A - 一种地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构及施工方法，包括管棚、拱顶、预制构件、中间承重钢柱、边墙、中板和底板；管棚由多个钢管紧密排列断面形成拱顶形状的组合件，组合件顶在土层中，拱顶紧贴其内壁设在管棚下方；预制构件包括两个第一导洞、两个定位导洞和两个第二导洞，六个预制构件分别通过顶管法固定；拱顶由多个管片拼装构成，包括中洞拱顶和边洞拱顶，中间承重钢柱为钢管混凝土结构，从中间承重钢柱上方的第一导洞向下至定位导洞实现固定安装；两侧边墙通过辅助钢管结构，从两侧边墙上方的第二导洞向下方顶进施工超过底板伸入地层中，中板、底板和中间承重钢柱以及边墙整体浇筑固定形成地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构。

Description

一种地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构及施工方法

技术领域

本发明属于地铁暗挖车站施工技术领域，具体涉及一种地铁车站暗挖组合集成结构及施工方法。

背景技术

面对目前城市地下空间开发力度加大和地铁建设规模的增大，地铁车站作为整个地铁线路中最重要的组成部分，也是投资、设计和施工难度最大的部位，是客流进出与换乘的主要结构物，同时也是涉及与施工难度最大的部位。图1和图2是典型的地铁车站断面示意图，一般为两层三跨型结构，也有两层两跨型和其他形式，车站的施工工法主要是明挖法、暗挖法和盖挖法。明挖和暗挖属于粗放型施工方法，缺点较多，对周围环境的影响大并且难以把握，如明挖造成交通拥堵。暗挖则导洞太多，临时支撑结构太多，内部施工环境差，拆换工序多，效率很低，浪费很大，投入大，工期长。

当前我国有40多个城市正在或即将建造地铁，车站的施工工艺和工法技术的选择直接影响整个线路建设工期、投资和部分路面的交通状况，并且在复杂地段还涉及到周边环境问题。为此，在保证施工安全和施工质量的前提下，提高施工效率、降低施工对环境的影响是各种施工工法的共同目标，车站的建造技术需要有高效快速的方法突破，因而研究新的高效快速施工工法工艺对提高目前地铁建设有很大的裨益。

发明内容

本发明的目的一方面提供一种地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构，采用“装配-浇筑-集成”工业化的思路，施工过程安全可靠、系统结构受力合理、产生的临时工程量少、工业化高、效率高，施工环境改善明显，节约工期、节省施工成本。

本发明另一方面提供上述组合集成结构的施工方法。

本发明的技术方案为：

地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构，包括管棚、拱顶、预制构件、两个中间承重钢柱、两侧边墙、中板和底板；

管棚是由多个钢管紧密排列断面形成拱顶形状的组合件，组合件顶在土层中，拱顶紧贴管棚内壁设在管棚下方；

预制构件包括位于两个中间承重钢柱上方的两个第一导洞和下方的两个定位导洞以及两侧边墙上方的两个第二导洞，六个预制构件分别通过顶管法固定；

拱顶由多个管片拼装构成，拱顶包括中洞拱顶和边洞拱顶，中洞拱顶位于相邻两个中间承重钢柱的上方，边洞拱顶位于相邻的一侧边墙和一个中间承重钢柱的上方；

中间承重钢柱为钢管混凝土材料，从中间承重钢柱上方的第一导洞向下至定位导洞通过人工挖孔或者接桩实现固定安装；

两侧边墙通过外侧支护辅助钢管结构和内侧衬砌浇筑结构，外侧支护钢管从两侧边墙上方的第二导洞向下顶进到超过底板的地层中，内侧衬砌浇筑结构及小边洞内部分别浇筑混凝土成型；

中板和底板由混凝土浇筑而成。

本发明提供的一种地铁暗挖车站的施工方法，包括以下步骤：

第一步，采用顶管法将管棚固定；

第二步，施工上方的第一导洞、第二导洞以及下方的定位导洞；

第三步，施工中间承重钢柱和边墙支护钢管；

第四步，开挖第一层土体，开挖高度距离拱顶距离3.5～4m，施工拱顶管片；

第五步，依次逐层开挖土体，每开挖一次，对边墙进行逆作法施工，先防水施工再支模、浇筑混凝土，并在相应开挖段施工中板，直到最终施工底板，整体浇筑成型。

进一步地，第一步中，管棚采用外径不小于500mm的钢管；

当管棚与预制构件或顶拱管片一起施工时，管棚外径采用不小于150mm的钢管，水平仰角为3°，长度5～6m，间距不大于两倍管径；

对掌子面进行超前注浆时，超前注浆用管长度为不小于3～5m，相邻管间距为1m。

进一步地，第二步中，第一导洞、第二导洞、和定位导洞均为钢板预制构件，内部有加强肋，其壁厚均不小于20mm，每节长度为6～8m。

进一步地，第四步中，拱顶包括中洞拱顶和边洞拱顶，

中洞拱顶上的管片之间预留有手孔，相邻管片采用高强螺栓连接，管片的背后预留有用于回填注浆的注浆孔；

中洞拱顶的第一次最大开挖高度为2.5m；

边洞拱顶的拱顶处第一次最大开挖高度为2.5m。

进一步地，第五步中，依次逐层开挖土体具体包括：

继续开挖第二层土体，开挖高度3.0～4.0m，对边墙先施工防水再支模、浇筑上部混凝土；

开挖第三层土体，开挖高度至中板下边200mm～300mm，对边墙先施工防水再支模、浇筑第二段混凝土，施工中板；

开挖第四层土体，开挖高度3.0～4.5m，对边墙先施工防水再支模、浇筑第三段混凝土。

开挖第五层土体，开挖至设计底板以下垫层底部，对边墙继续先施工防水，再往下支模、浇筑第四段混凝土和底板施工防水、浇筑混凝土，之后整体浇筑成型。

进一步地，开挖土体包括：采用电机驱动的链刀对土体进行切割，

链刀装在集成区上方，由电动机驱动，通过轴承完成转动，类似于履带车轮，链刀来回切割轮廓边土体，通过人工或者传送带将切割下来的土体运走。

进一步地，开挖土体，开始时掘进两个管片长度，最后一块或者两块管片先放在前方拱顶，外圈有钢护盾，再把管片往后楔形嵌入成环，使拱顶形成受压体系，形成拱桥结构，如此循环施工，使整个中洞上方挖通并支护完毕。

进一步地，中间承重钢柱为钢管混凝土结构，柱网间距为6～8m；

施工中间承重钢柱时，从中间承重钢柱上方的两个第一导洞往下方的两个导洞采用人工挖孔或者接桩的方式进行；

施工边墙外侧支护钢管结构时，从边墙上方的第二导洞向下方顶进施工至超过底板的地层中，从边墙外侧支护钢管的侧面进行注浆，形成一道止水幕墙；

边墙外侧支护钢管结构采用钢管桩，桩外径300～500mm，桩距为不大于1倍桩径。

本发明公开的技术效果为：

(1)采用“装配-集成”工业化的思路，形成了“管棚-顶推构件-超前注浆-开挖顶拱土-油缸推进-装配管片-部件安装-开挖内部土-防水与现浇混凝土-回填注浆”的循环施工工艺，使得整个装配-集成施工安全可靠、系统结构受力合理、产生的临时工程量少、工业化高、节约工期、节省成本等特点，科学合理的解决高效集约的设计和施工技术难度，同时满足对环境保护的技术要求。

(2)通过对结构静力与动力计算，从弯矩、剪力分布特征知道，结构的底板两外端边角需要加强，顶拱和预制构件接触位置即边墙上墙角处刚度需要加强，两个边洞的顶拱和站厅层支承柱这些弯矩大的地方加强。

(3)从模拟开挖得知，整个开挖过程中围岩最大位移和最大应力变化均发生在开挖中洞上部土体和上部结构施工完大量开挖内部土体的这两个施工步，开挖中洞上部土体时发生的位移约占最后总位移的一半。车站的变形为底板上拱，侧墙最上端与两边洞衔接的拱脚位置发生向外的变形。

(4)与盾构法相比，避免了类似大型盾构的操作困难，没有类似大型盾构的刀盘，中盾、盾尾等的概念，机械方面只需拼装机即可。

(5)与暗挖法相比，避免了拆除初期临时支撑和临时仰拱等工程的中间过渡，既避免了浪费又节约工期，而且拱顶段都是预制，也避免了浇筑混凝土拱顶段振捣质量较差的特点。

(6)本发明提供的施工方法为低碳节能绿色施工，大幅提高了劳动生产率，集设计、施工、监测一体化，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1和图2为背景技术提供的目前典型地铁车站断面图；

图3为本发明提供的车站施工端面结构图；

图4为管棚施工端面图；

图5为在图4的基础上施工了预制导洞的结构示意图；

图6为在图5基础上施工了中间承重钢柱和边墙支护钢管的结构示意图；

图7为在图6的基础上开挖了第一层土体并施工的拱顶的结构示意图；

图8为在图7的基础上开挖了第二层土体并施工边墙的结构示意图；

图9为在图8基础上开挖了第三层土体、浇筑中板并施工边墙的结构示意图；

图10为在图9基础上开挖了第四层土体并施工边墙的结构示意图；

图11为在图10基础上开挖了第五层土体，边墙施工完毕并浇筑了底板的车站整体结构示意图。

附图说明：

1.中间承重钢柱，2.边墙，3.中洞拱顶，4.边洞拱顶，5.中板，6.底板，7.第一导洞，8.第二导洞，9.管棚，10.定位导洞，11.边墙支护钢管。

具体实施方式

下面将参考附图并结合具体实施方式来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

从模拟开挖得知，整个开挖过程中围岩最大位移和最大应力变化均发生在开挖中洞上部土体和上部结构施工完大量开挖内部土体的这两个施工步，开挖中洞上部土体时发生的位移约占最后总位移的一半。车站的变形为底板6上拱，侧墙最上端与两边洞衔接的拱脚位置发生向外的变形。

本发明拱顶采用装配式，其余部位采用现浇，即就是：局部装配，整体浇筑。大管棚超前支护-导洞顶进-超前注浆-开挖顶拱土体-油缸推进-轨道定位-装配部件-防水施工-现场浇筑-回填注浆-节点防水措施。

本发明提供的一种地铁车站暗挖集成结构，如图3所示，包括管棚9、拱顶、预制构件、两个中间承重钢柱1、两侧边墙2、中板5和底板6。管棚9是由多个钢管紧密排列断面形成拱顶形状的组合件，组合件顶在土层中，拱顶紧贴管棚9内壁设在管棚9下方。预制构件包括位于两个中间承重钢柱1上方的两个第一导洞7和下方的两个定位导洞10以及两侧边墙2上方的两个第二导洞8，六个导洞分别通过顶管法固定。拱顶由多个管片拼装构成，拱顶包括中洞拱顶3和边洞拱顶4，中洞拱顶3位于相邻两个中间承重钢柱1的上方，边洞拱顶4位于相邻的一侧边墙2和一个中间承重钢柱1的上方。中间承重钢柱1为钢管混凝土结构，从中间承重钢柱1上方的第一导洞7向下至定位导洞10通过人工挖孔或者接桩实现固定安装。两侧边墙通过辅助钢管结构，从两侧边墙上方的第二导洞8向下顶进到超过底板的地层中，中板5、底板6和中间承重钢柱1以及边墙整体浇筑固定形成所述地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构。

每个车站中共有六个预制导洞，导洞按照需要，在与其他构件或者现浇连接的部位处，设置可以容易拆装的钢板结构以保证连成整体结构，或者整体浇筑，满足有关规范要求的连接长度。对整个车站而言，拱顶为拱形结构，拱的特性是将板抗弯承载力转变为抗压承载力，符合材料的力学特长，拱顶为装配式结构。两边侧墙承受侧向土压力，弯矩较大，而且如有地震力发生，需要的刚度更大，因而两边的边墙2采用现浇结构。由于底板6承受抗浮，采用现浇结构，从而提高底板6的抗浮性能。

下面结合附图详细介绍本发明提供的地铁车站暗挖施工方法：

第一步，采用顶管法将上部一定范围内的管棚9顶完，结构如图4所示。

采用顶管法固定管棚9时，管棚9的钢管直径为300～500mm，钢管之间紧挨设置，构成拱顶的形状。管棚9的施工也可与上方的第一导洞7和第二导洞8一起施工，此时的管棚钢管直径相对会小很多，直径约为150～300mm。

第二步，施工上方的第一导洞7、第二导洞8以及下方的定位导洞10，结构如图5所示。

施工上方的两个第一导洞7和两个第二导洞8以及下方的两个定位导洞10。六个导洞均为预制构件，优先采用钢板，通过焊接、螺栓连接、内部加肋组成整体。采用顶管法将6个导洞顶入土层，每节预制导洞长度为一个轴间距，一般为6～8m。在顶入钢预制构件的同时，采用人工或小型机械将内部土体挖走运走，及时清理内部渣土。下方两个定位导洞10施工时，可采用小管棚配合施工，在上方和左右侧方采用小管棚超前支护，然后在其内部挖土，再顶进，再挖土，循环施工直至下方导洞施工完毕。

第三步，施工中间承重钢柱和边墙支护钢管，结构如图6所示。

施工中间承重钢柱1和边墙支护钢管11时，中间承重钢柱1为钢管混凝土，钢管直径为600～800mm。当采用顶进施工时，使用的钢管直径可为600mm，当采用人工挖孔施工时，使用的钢管直径为800mm。边墙支护钢管11采用顶推从上方第二导洞8采用千斤顶将钢管顶入土中，由于空间有限，钢管需采用接桩的方式一节一节往下顶入深层土层中。中间承重钢柱1中使用的钢管施工至下方定位导洞10的顶面时，将导洞10切割成圆形，使钢管能够放入下方定位导洞10中，同时在已经施工完毕的下方定位导洞10内部进行防水施工、钢筋绑扎，与钢管柱整体浇筑形成整体。同样，在钢管柱上方的两个第一导洞7内，也进行钢筋绑扎，和钢管整体浇筑在一起。

第四步，开挖第一层土体，开挖高度距离拱顶距离3.5～4m，施工拱顶管片，结构如图7所示。两个中间承重钢柱1和两个边墙支护钢管11之间有三个拱顶，施工三个拱顶的管片时，先施工中间后施工两侧，对称施工。

拱顶包括中洞拱顶3和边洞拱顶4，中洞拱顶3采用半盾构法施工，具体施工工序包括：

用管棚9作为超前支护，在中洞拱顶3处形成一个管幕，稳定上方土体，根据需要通过管幕对上方土体进行注浆加固。根据土质情况，对掌子面进行超前注浆，对掌子面进行加固，开挖土体，从边缘开挖，掘进距离为一个管片长度，挖土底面为预制的水平向支撑板，板的内部配筋，上面安装轨道，用于支撑上方的管棚、注浆、切削土体操作集成区以及管片安装机。

第五步，开挖第二层土体，开挖高度3.0～4.0m，对边墙11先施工防水再支模、浇筑上部混凝土。结构如图8所示。

第六步，开挖第三层土体，开挖高度至中板下边200mm～300mm，对边墙11先施工防水再支模、浇筑第二段混凝土，施工中板。施工中板时，采用浇筑施工。结构如图9所示。

第七步，开挖第四层土体，开挖高度3.0～4.5m，对边墙11先施工防水再支模、浇筑第三段混凝土。结构如图10所示。

第八步，开挖第五层土体，开挖至设计底板6以下垫层底部，边墙2继续逆作法施工，先施工防水，再往下支模、浇筑第四段混凝土。结构如图11所示。

开挖至垫层底部时，对下部的2个导洞钢板可以切掉，与先前内部已经浇筑的钢管下部混凝土需要衔接，原先的混凝土需要凿毛处理，以及钢筋相接等措施，施工底板防水及浇筑混凝土。最后整体浇筑成型。在有关导洞的空隙进行回填注浆，确保无空隙，整体性能好。

至此，整个车站由预制管片，现浇混凝土组成。采用顶管法(六个导洞预制构件，上部四个下部二个)，半盾构法(三个拱顶，管片拼接)，暗挖法(除拱顶和六个预制导洞外所有结构)综合施工成型。

整个施工过程中，掘进段是技术集成段，等待浆液凝固成硬壳层后，再用刀具切削土体，在前方布置链刀、滚刀或者切刀，可以旋转切削，也可环形切削，一边切削一边顶进一边出土，这三个过程需要协调配合，保证掌子面土体的稳定性。

掘进时采用千斤顶顶推，推进跟盾构相似，可以同步掘进，也可异步掘进。装配过程中，充分考虑防水的技术措施，部件之间的缝隙防水与内防水相互结合，确保装配后结构密封不漏水，这对地下工程来说是重中之重。

施工中主要对地表位移、地层深层位移、结构内力、结构收敛变形、围岩内部应力以及动力参数进行监测，做到信息化施工。

经有限元数据模拟：从整个开挖过程可以发现，围岩最大位移发生在开挖中洞上部土体和上部结构施工完大量开挖内部土体的施工步，开挖中洞上部土体时发生的位移约占最后总位移的一半。围岩最大应力变化也发生在这两个施工步中，开挖完毕后围岩位移，围岩应力以中洞拱顶3最大。地表的位移形成以中洞拱顶3为对称的沉降槽曲线，最后拱顶向下位移26mm，底板6向上位移22mm，计算下沉位移相对偏小。

车站的变形受到围岩的约束，由于底部土体开挖引起回弹导致底板6上拱；侧墙最上端与两边洞衔接的拱脚位置发生向外的变形；中间承重钢柱1上端与顶梁接触的位置发生向两侧边洞的变形，说明中洞顶拱的土压力较边洞的土压力大，土拱效应集中，偏压较大；中板5由于受到底板6向上的变形也发生向上的翘曲变形。应力方面，在车站的角部会发生应力集中现象，在设计中需采取构造措施降低应力集中。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构，其特征在于，包括管棚、拱顶、预制构件、两个中间承重钢柱、两侧边墙、中板和底板；

所述管棚是由多个钢管紧密排列断面形成所述拱顶形状的组合件，所述组合件顶在土层中，所述拱顶紧贴所述管棚内壁设在所述管棚下方；

所述预制构件均为钢板预制构件，包括位于两个所述中间承重钢柱上方的两个第一导洞和下方的两个定位导洞以及两侧所述边墙上方的两个第二导洞，六个所述预制构件分别通过顶管法固定；

所述拱顶由多个管片拼装构成，所述拱顶包括中洞拱顶和边洞拱顶，所述中洞拱顶位于相邻两个所述中间承重钢柱的上方，所述边洞拱顶位于相邻的一侧边墙和一个中间承重钢柱的上方；

所述中间承重钢柱为钢管混凝土材料，从所述中间承重钢柱上方的第一导洞向下至所述定位导洞通过人工挖孔或者接桩实现固定安装；

所述两侧边墙通过外侧支护辅助钢管结构和内侧衬砌浇筑结构，外侧支护钢管从所述两侧边墙上方的第二导洞向下顶进到超过底板的地层中；

所述中板、底板和所述中间承重钢柱以及边墙整体浇筑固定形成所述地铁暗挖车站装配与浇筑组合集成结构。

2.一种地铁车站暗挖施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，采用顶管法将管棚固定；

第二步，施工上方的第一导洞、第二导洞以及下方的定位导洞；

第三步，施工中间承重钢柱和边墙支护钢管；

第四步，开挖第一层土体，开挖高度距离拱顶距离3.5～4m，施工拱顶管片；

第五步，依次逐层开挖土体，每开挖一次，对所述边墙进行逆作法施工，先施工防水再支模、浇筑混凝土，并在相应开挖段施工中板，直到最终施工底板，整体浇筑成型。

3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，

第一步中，所述管棚采用外径不小于500mm的钢管；

当管棚与预制构件或顶拱管片一起施工时，管棚外径采用不小于150mm的钢管，水平仰角为3°，长度5～6m，间距不大于两倍管径；

对掌子面进行超前注浆时，超前注浆用管长度为不小于3～5m，相邻管间距为1m。

4.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，

第二步中，所述第一导洞、第二导洞、和定位导洞均为钢板预制构件，内部有加强肋，其壁厚均不小于20mm，每节长度为6～8m。

5.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，

第四步中，所述拱顶包括中洞拱顶和边洞拱顶，

所述中洞拱顶上的管片之间预留有手孔，相邻管片采用高强螺栓连接，所述管片的背后预留有用于回填注浆的注浆孔；

所述中洞拱顶的第一次最大开挖高度为2.5m；

所述边洞拱顶的拱顶处第一次最大开挖高度为2.5m。

6.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，

所述第五步中，所述依次逐层开挖土体具体包括：

继续开挖第二层土体，开挖高度3.0～4.0m，对所述边墙先施工防水再支模、浇筑上部混凝土；

开挖第三层土体，开挖高度至中板下边200mm～300mm，对所述边墙先施工防水再支模、浇筑第二段混凝土，施工中板；

开挖第四层土体，开挖高度3.0～4.5m，对所述边墙先防水施工再支模、浇筑第三段混凝土。

开挖第五层土体，开挖至设计底板以下垫层底部，对所述边墙继续先施工防水，再往下支模、浇筑第四段混凝土和底板施工防水、浇筑混凝土，之后整体浇筑成型。

7.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，

开挖所述土体包括：采用电机驱动的链刀对土体进行切割，

链刀装在集成区上方，由电动机驱动，通过轴承完成转动，类似于履带车轮，链刀来回切割轮廓边土体，通过人工或者传送带将切割下来的土体运走。

8.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，

开挖所述土体，开始时掘进两个管片长度，最后一块或者两块管片先放在前方拱顶，外圈有钢护盾，再把管片往后楔形嵌入成环，使拱顶形成受压体系，形成拱桥结构，如此循环施工，使整个中洞上方挖通并支护完毕。

9.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，

所述中间承重钢柱为钢管混凝土结构，柱网间距为6～8m；

施工所述中间承重钢柱时，从所述中间承重钢柱上方的两个第一导洞往下方的两个导洞采用人工挖孔或者接桩的方式进行；

施工所述边墙外侧支护钢管结构时，从所述边墙上方的第二导洞向下方顶进施工至超过底板的，从所述边墙外侧支护钢管的侧面进行注浆，形成一道止水幕墙；

所述边墙外侧支护钢管结构采用钢管桩，桩外径300～500mm，桩距为不大于1倍桩径。