摘 要 北京地铁某出入口,位于长安街快车道下,与既有长安街12m跨度过街道相接,结构最大净空(宽×高)=7.0m×5.1m,最小覆土厚1.14m。结构顶部穿过素填土层,中部为轻亚粘土层,底部为中砂层,为自稳能力很差的I类围岩。结构为平顶直墙,采用超浅埋暗挖法施工。因此,控制结构变位及地面沉降显得尤为重要。且结构又与既有结构相接,存在新旧结构衔接与防水问题。施工中对这些问题都得到了圆满解决。
1 工程概况与特点
北京地铁某站工程,位于长安街快车道下,车站中线距长安街道路永中线15m。西端北侧出入口与既有南北向地下过街道相接(该过街道于1991年完工),结构中线大致呈东西向。出入口结构净宽7m。该出入口1999年初开工,与地下过街道之间不可避免地存在结构及防水问题。所以,控制结构变位及地面沉降显得尤为重要,确定良好的施工方法成为本工程成败的关键。
既有地下过街道采用盖挖法施工,为净跨12m的箱形结构,覆土厚0.545m,结构顶板厚0.7m,净高3.1m,因此决定了与之相接的出入口结构净高只能为2.5m。由于既有过街道底板标高与本出入口底板标高相差5.5m,二者结构接口处需设置两台人行自动扶梯。这样出入口结构最大净高达到5.1m。
如前所述,本出入口位于长安街快车道下,其交通十分繁忙,因此,本出入口采用明挖或盖挖的方法施工都是不可能的,只能采用暗挖的方法。这样,既有过街道的0.545m覆土条件,就限制了与之相接的出入口覆土厚度,在考虑了支护参数的因素后尚不足1.2m。也就是说,本出入口只能采用暗挖的平顶直墙结构形式。
本出入口地处永定河冲、洪积扇的脊部,为第四纪地层,地层呈韵律分布。自上而下依次为:沥青混凝土路面、杂填土、素填土、轻亚粘土、中砂、砾砂层。出入口结构顶部为杂填土层,洞身穿过轻亚粘土层。此类围岩自稳能力很差,属I类围岩。
由于该工程所处的地理位置和工程地质、水文地质条件,决定了本工程有如下基本特点:
(1)地理位置环境特殊。本出入口位于地面交通十分繁忙的长安街下,暗挖施工几乎是在连续不断的活荷载作用下进行,增加了施工的难度和危险性。
(2)结构跨度大、覆土薄、净空高、施工难度大。本出入口开挖毛跨度8.6m,最大开挖高度6.68m,且为平顶直墙结构,开挖后覆土厚度不足1m,设计覆跨比仅为0.138,其施工难度十分罕见。特别是在第四纪地层中的施工,地层胶结不好,成拱能力差,围岩无明显塑性变形特征。一旦出现过量松动变形,地层随即失稳,迅速波及地表,直接危及地面行车的安全,后果不堪设想。在结构顶板位置,有一条地下管线南北向通过,因此必须严格控制地表下沉,以确保管线的安全。
(3)防水要求高。地铁工程防水等级按规范要求定为一级。在施工分步多的情况下,结构各个施工缝的施做必须严格要求,否则极易形成工程隐患,影响工程的成败。
(4)与既有过街道的衔接施工难度大。两个大跨度的结构进行衔接,在二者施工时间相距较大的情况下,要在既有12m大跨结构的边墙上开洞,如何确保使既有结构受到的损伤减到最小程度,成为本工程的又一关键环节。
2 施工方法
2.1 结构型式
根据施工设计图,出入口结构型式如图3所示(此处为说明特点的需要,取最大结构净高处)。
2.2 支护参数
如图3所示,本出入口结构超前支护采用32×3.25普通钢管注浆,钢插管单长2m,每榀钢拱架排管一排,浆液为改性水玻璃;初期支护为C20喷射混凝土,钢筋网钢筋为6,网格100mm×100mm;钢拱架为“8”字节框架格栅,主筋425,“8”字节框架14,钢拱架节间用角钢、螺栓联结;纵向联结筋22,顶部间距0.5m;二次衬砌C40防水钢筋混凝土。在初期支护表面固定PE衬垫,用EVA薄膜作为外防水层,防水层无钉铺设。
2.3 通道主体结构施工方法
理论及实践证明,在第四纪地层中修建浅埋、大跨地下结构,CRD工法是比较成熟、有效及可靠的施工方法。因为CRD工法具有“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的特点,将结构自上而下分块成环,化大跨为小跨,这样就抓住了跨度与地面变形成正比这个主要矛盾。将大跨变为小跨施工,可以有效的控制结构及地面的变形,保证施工安全,也符合“新奥法”所倡导的对地层扰动小、及时支护的精神。因此综合分析本工程的特点,首选方法应为CRD工法。
如上所述,本出入口结构开挖跨度8.6m,在如此敏感地区,采用CRD工法时,宜将结构施工分为三跨,以确保有效地限制地表下沉。
至于三跨结构的施工是采用“中洞法”,还是“侧洞法”,国内有关技术人员及学者早有实践及论述,在此不用赘述。我们在施工时采用国内观点比较一致、且较为推崇的“中洞法”。因为该法首先开挖及进行中跨的初期支护,中跨的初期支护完成后将形成一个巨大的刚体,对顶部及侧面围岩起到有效的变位约束,且对地层的扰动影响叠加最小。这样,选择了一个良好的施工方法就为保证施工的顺利进行奠定了坚实的基础。本出入口的施工方法见图4。
2.4 重点技术
通过本工程的成功实践表明,以下几个方面的技术是保证工程顺利进行的关键:
(1)结构顶部的小导管注浆及初期支护背后回填注浆,甚至必要时在每步钢拱架的脚部设置的锁脚注浆锚管,都是对控制地面下沉起到十分关键作用的重要工序,应结合相应工程特点加以选用。
(2)采用CRD工法进行浅埋大跨结构的暗挖施工时,顶部分块的大小将最终影响地面下沉量。实践证明,顶部施工所引起的地面下沉值占最终地面总下沉量的60%～70%。因此,进行施工方案设计时,应以快速掘进、快速封闭为原则。本工程上部分块高度取值较小,为1.65m,取得了较满意的效果。
(3)中洞先行所完成的稳定受力结构对控制地面变形和约束侧洞开挖产生的地面变形,有明显的效果。且先施工中洞、后施工两侧洞,还能减小施工的风险性,也能对处理突发事件提供有利的条件。
(4)二次衬砌背后的回填注浆工艺,以及浆液的配比及注浆参数应科学选择,这是平顶直墙结构施工中的重要一环。
2.5 与过街道接口段的施工
(1)结构处理
既有过街道净跨度12m,已于1991年完工,本出入口与之衔接时须在其东边墙上开洞。这样,既有的过街道平衡受力体系将遭到破坏。为了使过街道结构因出入口的施工所受到的影响减少到最小程度,在施工时采取了以下措施:
1在过街道拟开洞处靠东边墙2m范围内,架设带可调装置的临时立撑,上端通过型钢托住过街道顶板,下端通过钢垫板置于过街道底板上,临时立撑纵横联结形成刚性体。开洞前通过可调装置使过街道顶板预上挠一定的量。
2采用无损切割技术进行开洞作业。
3为使新、旧两个结构衔接良好,要求将接口处凿毛并冲洗干净,而且二者钢筋须保证有效搭接,模筑微膨胀混凝土,设置变形缝。
4模筑混凝土强度达100%后方能撤除临时立撑。
(2)新老结构防水衔接
新老结构防水的衔接,关键是两种防水材料的相容性及衔接的可靠性。同时,必须极力维护老结构防水系统的完全。衔接基面要求干燥、干净。在新结构施工时可向接口处以外开挖适当距离,以利二者防水材料有足够长度的衔接。鉴于过街道防水体系以沥青类材料为主,而出入口结构的防水材料为EVA薄膜,我们的衔接方案是,先在过街道防水材料上敷以SBS,再用ECB将EVA与SBS过渡连接。施工时注意保证防水材料有一定的变形富裕量及不同防水材料间的足够搭接长度。
2.6 施工监测
施工监测是施工中的重要环节,以监控量测信息指导施工是浅埋暗挖法施工必不可少的组成部分。及时对施工过程中的结构受力以周围土体在不同工作状态下的力学性能和收敛情况进行动态监测,结合本工程的特点,通过对地层及支护状况的观察、地表下沉、顶部下沉、隧道周边收敛等项目的监测,有效地控制了结构变位及地表沉降,确保工程施工的顺利进行和结构的稳定与安全。
3 结语
综上所述,通过该出入口的精心施工,实践并完善了在第四纪地层中超浅埋暗挖平顶直墙结构的控制地面变形技术,以及两个新老大跨结构的衔接技术。本工程的实施中,不但使地面变形在如此复杂的条件下得以有效控制,确保了地面交通及地下管线的稳定与安全,而且该结构在超浅埋的情况下还通过了国庆五十周年阅兵的成功检验。因此我们可以说,CRD工法、中洞先行、两侧洞先后错开跟进等具体施工工艺,是有效控制地面变形的重要技术之一。
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