暗挖洞桩法在地铁呼家楼车站的应用研究
摘 要:针对北京地铁十号线呼家楼站主体结构施工风险,通过对车站施工方案进行比选,确定采用洞桩法(PBA工法)施工,工程实践表明车站主体结构的施工方案是合理的,确保了邻近桥桩和地铁车站施工的安全。
关键词: 地铁车站, 施工方案, 洞桩法(PBA工法)
1 工程概况
北京地铁十号线呼家楼车站位于东三环京广桥两侧辅路下,呈南北走向。受京广桥桥桩位置制约,车站主体为两个分离的单洞形式,每个分离的结构断面为单拱单跨双层结构,标准断面宽度12. 62 m,高度15. 72 m,车站平面布置见图1。车站位于京广桥19号~26号桥墩之间。京广桥跨朝阳北路,主跨(21号~24号墩)为连续梁结构,桥墩为钢筋混凝土墩柱和带预应力混凝土盖梁的预制墩柱,承台5. 5 m×5. 5 m,支座为球形支座和盆式支座。桥面宽28. 0 m,双向六车道,设中央隔离带。基础均为桩基础,桩型按端承摩擦桩考虑,桩长20 m~29 m,超过地铁结构底板3. 3 m~6. 3 m,桩径1. 2 m, 4根为一组。车站主体结构与桥桩水平距离为4. 3 m~6. 0 m,车站北端横向设置的迂回风道距离桥桩结构的距离约为2. 16 m~10. 0 m。
2 车站施工方案的比选
适合呼家楼车站的施工方法有“CRD”工法和“PBA”工法。呼家楼车站是高平直墙结构,侧压力大;桥桩是摩擦桩,距离桥桩近,而且地下水位高,降水困难,施工方案的选择应考虑这些特点。
“CRD”法对于环境影响控制不够理想,在初期支护形成以前容易引起较大的侧向变形。这个问题对于比较高的直墙结构来说存在比较危险的因素。而“PBA工法(PBA)”施工在主体洞室开挖以前已经形成了围护结构,施工过程中又边挖边加横撑,能够有效的减小侧压力的影响。
呼家楼车站施工力学特点是侧压力比较大,容易对桥桩造成不利影响;各个洞室立体交叉相互影响大,容易造成变形叠加。“CRD”工法难以保证施工中环境安全,“PBA工法”施工因为采用内支撑的支护形式,使得结构本身受力对称,不容易形成偏压力,安全性好。且开挖以前已经形成了侧向强大的预支护体系,能够有效的控制变形。另外,“PBA工法(PBA)”施工的超前导洞可以起到超前地质预报作用,也起到排导地下残留水的作用,减少因为地下水不易疏干的因素造成的地层损失和环境破坏。
综上所述,在呼家楼车站这样复杂的环境条件下,特别是邻近桥桩,宜采用PBA工法施工,其中导洞内的灌注桩不但起到隔离桩作用(隔离车站施工造成的地层沉降槽对邻近桥桩的影响),而且也有利于提高主体结构的稳定性。
3 PBA工法不同施工方案
3.1 整体顺作
1)开挖上部的两个导洞,创造施工钻孔桩的空间。2)在导洞内施工边桩,在桩顶施作桩顶纵梁。3)在导洞内施作车站顶部格栅支护(局部);在两个边洞中立模回填混凝土,形成扣拱拱脚;开挖导洞之间的土体并施工拱部的初期支护。4)向下开挖,对边桩及其间的土体网喷混凝土进行支护;开挖到中层板高度,设置第一道横撑。5)洞内降水,继续向下开挖,对边桩及其间土体网喷混凝土进行支护;在底板标高上方设置第二道横撑;开挖到车站底板标高后,素混凝土铺底,施工底板防水层。6)灌注结构底板混凝土;待混凝土达到设计强度至少70%后,拆除第二道横撑;施工站台层边墙防水层和灌注该部分混凝土。7)施作中板。待中板强度达到设计强度的70%后,拆除第一道支撑。8)施工站厅层边墙、拱部防水层、拱部衬砌。9)对施工缝进行必要的压浆处理;施工站台板、楼梯及其他附属工程。
3.2 整体逆作
导洞施工及导洞内钻孔灌注桩施工与顺作法相同,拱部初期支护完成后进行扣拱,然后自上而下开挖土方,施作二衬。
3.3 站厅层和站台层分别顺作,整体逆作
导洞施工及导洞内钻孔灌注桩施工与顺作法相同,拱部初期支护完成后,开挖土方至中层板,施工中层板、站厅层侧墙、顶拱(扣拱)。然后自中板位置向下分层开挖土方、架设支撑、土方开挖至基坑底部后,再自下而上施作底板和站台层侧墙。
考虑到逆作法施工的难度及存在的诸多问题,比较适合本站的施工方法有“整体顺作”和“站厅层顺作,站台层顺作,整体逆作”两种做法。前者施工方便,结构防水连续,缺点是:在施工阶段,初期支护结构要求承担全部外荷载,不利于初期支护的稳定性;后者的做法有利于拱顶初期支护的稳定,缺点是:由于中板以上的结构先完成,给站台层土方的开挖、支撑架设等带来一定的困难。同时,二衬结构尚未全部完成,可能会造成拱顶二衬的开裂。
对此,我们也考虑过先完成拱部二衬,再采用顺作法施工的方案。如果先做拱部二衬,则拱部荷载通过拱脚传递到两侧的边桩上,这样拱脚和侧墙的防水层是不连续的。因此,先做拱部二衬的方案从结构防水角度来考虑是存在缺陷的。
4 呼家楼车站临近桥桩段不同施工方案的三维模型数
值模拟分析本计算对施工过程的力学模拟通过FLAC3D程序来实现。计算模型见图2。
不同施工方案的地表沉降、桥桩变形和车站拱部初期支护最大弯矩的计算值见表1。
5 呼家楼车站最终采用的施工方案
通过对CRD和PBA工法施工引起的地表沉降、对邻近桥桩的影响以及初期支护结构强度的计算,最后确定本站采取“站厅层顺作,站台层顺作、整体逆作”的PBA工法。即:土方开挖至中板位置后,先施工中板结构,然后向上施工侧墙二衬、拱脚二衬和顶拱二衬。这样不但可以保证拱脚处的防水层是连续的,而且可以尽快使中板以上的主体结构闭合。
站厅层施工结束后,自上而下开挖站台层基坑土方,并架设支撑,开挖到坑底后,再施作底板和站台层侧墙。即:将整个结构分为两个“顺作”,但整体顺序是逆作(先做站厅层,再做站台层)。
6 结语
1)通过对“CRD”工法与“PBA工法”的安全、工期、经济、技术比较,认为在呼家楼车站施工中应选用“PBA工法”进行车站主体结构的施工。2)采用PBA工法施工,根据二衬浇筑顺序的不同,可以分为“整体顺作”“整体逆作”和“站厅层、站台层顺作,整体逆作”三种不同的方案。为确保车站邻近桥桩等构筑物的安全,通过对PBA工法施工的二衬不同施工顺序的力学机理研究,确定二衬施工顺序为“站厅层、站台层顺作,整体逆作”。即:拱部初期支护完成后,开挖土方至中层板,施工中层板、站厅层侧墙、顶拱(扣拱)。然后自中板位置向下分层开挖土方、架设支撑、施作底板和站台层侧墙。
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