沈阳地铁青年大街站施工技术浅谈

黄 俊

(沈阳地铁有限公司,沈阳 110011)

1 工程概况

1.1 车站概况

沈阳地铁青年大街站位于十一纬路、大西路与青年大街交叉路口,为 1、2号线换乘车站,平面上呈“十”字形架构。1号线车站沿十一纬路、大西路呈东西向布置;2号线车站沿青年大街呈南北向布置。1号线车站在下,采用双层岛式车站,长 211m,宽 22.9m;2号线车站在上,采用双层侧式车站,长 141.2m,宽22 m。车站总建筑面积20419m2,共设 4个换乘通道、4个风道、4个出入口、7个疏散通道楼梯口。站体主要穿越粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾地层,围岩级别为Ⅰ ～Ⅱ级,顶板覆土厚度 6.6m。地下水丰富,为孔隙潜水,地层渗透系数可达 100m/d。

车站主体采用全暗挖法施工,其中 1号线车站两端为两层三跨三连拱结构,采用 PBA工法(洞桩法)逆筑施工,中间段为地下单层三跨三连拱结构,采用暗挖CRD工法(中柱法)施工;2号线车站采用 PBA工法(洞桩法)逆筑施工,为两层两跨两连拱结构。站体周围设管井封闭降水。车站结构总平面布置见图1,车站效果图见图2。

1.2 周边环境

青年大街站地处沈阳市繁华地带,地上设施主要有交通指示灯、路灯、路面等公共设施。车站周围建筑密布,西北角为中共沈阳市委、西南角为 32层高的住宅楼、东北角为圣世豪林超高层建筑在建项目、东南角为多栋 5～7层住宅楼,大多临近出入口通道或风道风井基坑或暗挖通道,对地层、地表变形控制要求高。

图1 车站结构总平面布置示意

图2 青年大街站效果图

车站场地内地下管网密集,给水、电信、电力、热力、煤气、排污、混凝土渠等数十条地下管线纵横交错,非常复杂,大部分与车站平行或正交,对地层变形控制要求高。其中,排水管线中 3条污水渠断面尺寸分别为 2.1m×1.9m(2条)、0.9m×2.1m(1条),为该区域排水干管,车站主体平行下穿污水管(渠),附属结构多达 20次交叉下穿污水管(渠),污水管(渠)为 20世纪 30年代和 50年代砖砌结构,渗水严重,管(渠)距结构顶板仅 4m左右,在砂层中下穿污水管难度极大。主要排水管线平面示意见图3。

图3 主要排水管线平面示意

2 工程施工总体安排

为尽可能降低对市民出行和市容环境的影响,本站采用全暗挖法施工,共设施工竖井 4座,其中 1号线车站设两个施工竖井,分别为 1号施工竖井(西北场地)、2号施工竖井(东北场地);2号线车站设两个施工竖井:3号风道竖井与 1号疏散通道竖井联合作为 3号施工竖井(东北场地),4号风道竖井与 3号紧急疏散通道竖井联合作为 4号施工竖井(西南场地)。

工程施工总体顺序安排:①施工降水;②竖井施工;③施工作为车站主体结构运输通道的横通道;④施作车站主体 PBA工法段结构;⑤施作车站主体 CRD工法段结构;⑥1、2号线车站主体结构贯通;⑦施作其余出入口、风道、疏散通道及换乘通道。竖井平面布置及车站结构施工顺序见图4。

1号线 PBA工法暗挖段,2号线 PBA工法暗挖段主体结构及 1号线与 2号线连接 CRD工法暗挖段主体结构施工完成后方可实现全部结构贯通。

图4 车站结构施工顺序示意

3 重大安全隐患治理

由于车站周边高层建筑众多,污水暗渠等地下管线密布,砂质地层稳定性差,施工难度及工程风险极大,此站被列为沈阳地铁 1号线土建施工重大风险源之一。为确保施工安全,业主多次组织召开青年大街站风险分析及安全控制专项会议,研究切实可行的风险控制措施,并组织实施了几项风险控制配套工程,对上述几条排水管渠的排水负荷进行减压,简要介绍如下。

(1)组织实施了十一纬路—南五经街降水排水工程。

为降低车站暗挖风险,保证地铁施工降水不直接排入车站结构上方既有污水管渠,结合市政排水总体规划,组织实施了十一纬路—南五经街排水管线工程。将青年大街站西侧相邻区间地铁施工降水通过该管线直接排入南运河。

(2)组织实施了青年大街西暗渠与十一纬路—南五经街排水管线连通工程。

由于青年大街西暗渠位于青年大街站上方,为降低施工风险,把十一纬路已经完成的降水排水管线(2根 φ1mHDPE排水管)向东延伸,与西暗渠接上,并对接口下游西暗渠管道进行临时封堵,使暗渠内水流进入新修的降水排水管线,流经十一纬路排至南运河。

(3)组织实施了大西路排水管线及泵站工程。

为降低车站暗挖风险,保证地铁施工降水不直接排入车站结构上方既有污水管渠,青年大街站东侧相邻区间地铁施工降水通过大西路排水管线及泵站,经奉天街暗渠,直接排入青年湖。

(4)组织实施了青年大街东暗渠截流临时封堵工程。

沿青年大街东侧的污水暗渠(宽 2.1m,高 1.9m)修建于 1955年,为砖砌结构,年久失修,渗漏严重。在深入研究现状排水管网的基础上,新建一条连接该暗渠与北二经街暗渠的排水管线,将暗渠内污水调流,并临时封堵。

(5)对既有污水暗渠实施防渗漏内衬工程。

在对既有暗渠截流、分流的基础上,组织施工单位对既有污雨水暗渠进行防渗漏内衬处理,最大限度地降低污雨水渗漏造成的施工风险。

通过以上配套工程的实施,有效地降低了青年大街站施工的外部环境风险,为施工单位安全施工提供了相应保证。

4 施工降水

4.1 水文地质情况

车站范围地下水赋存于圆砾、砾砂等强透水层中,属第四系孔隙潜水,稳定水位埋深在 4.5～6m,对暗挖车站的开挖顺利与否有较大影响。地层围岩全部是第四系松散堆积物,多为中粗砂、砾砂、圆砾、卵石,粒径较大,最大 100mm×230mm,黏聚力一般为 0,内摩擦角一般小于 35°,地层渗透系数可达 100m/d。

4.2 施工降水深度

本工程场区地下水位埋深 4.5～6m,车站开挖深度 23～26m,因而工程降水设计时考虑疏干施工范围内的孔隙潜水,采用混合抽取潜水和承压水的方法降水,使地下水位始终保持在车站底板埋深 1m以下,防止出现流砂、管涌、基坑突涌等现象。

4.3 降水井位布置及数量

经综合考虑,本工程采用管井坑外降水方案,对车站进行封闭降水,相邻降水井间距按 5～6m控制,降水井中心与围护桩间距一般按≥3m控制。先期共打设管井 205眼,井深 24～30m。在工程施工过程中,为保证车站局部加深段降水效果,又补设深孔降水井 6眼,井深 50m,有效地保证了开挖作业无水施工。

4.4 降水观测

降水期间对地下水动态进行观测,并对地下水动态变化情况及时进行分析。地下水动态监测提供的资料主要为:地下水位监测数据、排水量数据、排水含砂量数据等。

当地下水位急剧变化时须及时分析原因,以便采取相应的处理措施。同时,为了保证降水期间抽水持续作业,防止长时间停电造成水位回升,影响地下结构施工,必须配备发电机作为应急备用电源,并配有自动切换装置。

5 PBA工法施工

5.1 使用部位

1号线车站东、西两端主体结构;2号线车站主体结构。1号线车站 PBA段结构断面见图5,2号线车站结构断面见图6。

图5 1号线车站PBA段结构断面(单位:m)

图6 2号线车站结构断面(单位:m)

5.2 方法简述

该方法利用施工竖井横通道,在车站内开挖平行车站的上下层小导洞,在上层小导洞内施工边桩和中柱,边桩作为车站围护结构临时挡土,同时边桩和中柱共同组成车站拱部支护结构(扣拱)的支撑体系,然后在拱、桩、柱支护结构下开挖车站主体空间,边开挖边自上而下施作车站板、柱和侧墙等永久结构。

5.3 施工工序

现以 1号线车站两层三跨三连拱结构 PBA工法施工为例进行说明。

(1)自横通道进洞,施工下、上边导洞拱部超前小导管,并注浆加固地层,台阶法开挖导洞并施工初期支护,导洞贯通后,施工条形基础、挖孔桩及桩顶冠梁。挖孔桩完成后,施工上、下中导洞初期支护,导洞贯通后施工上下导洞间挖孔。见图7。

(2)施工中导洞底板梁、钢管混凝土柱,然后在上导洞内施工顶纵梁并预埋钢拉杆。见图8。

图7 导洞及围护结构施工

图8 钢管混凝土柱及顶纵梁施工

(3)进行拱部初期支护扣拱。中拱先行,两边拱跟进,前后错开不小于 6m,且不得拆除导洞中隔壁。见图9。

图9 初期支护扣拱

(4)沿车站纵向分段凿除上层小导洞初期支护,每段不大于一个柱跨(约 7m),施作顶拱防水层及结构二衬,中拱先行,两边拱对称及时跟进,并及时施工钢拉杆。见图10。

图10 二次衬砌扣拱

(5)逆作法分段施工车站中板、地下一层侧墙及车站底板、地下二层侧墙,完成车站主体结构施工。见图11。

图11 分段施工车站其余主体结构

5.4 施工难点及措施

5.4.1 导洞施工技术难点及措施

由横通道进入主洞施工时,合理确定上下 8个导洞的开挖顺序,避免群洞效应所引起的地面沉降,是本工程施工中的一大技术难点。

(1)难点分析

①车站主体 8个导洞上下左右相距仅有 6～7m,开挖时相互影响。

②车站主体 8个导洞发生群洞效应引起地面沉降。

(2)施工中采取的措施

①在横通道挑高段车站主体小导洞开口处须施工破口加强措施。

②在横通道挑高段沿小导洞开挖轮廓打双排水平超前注浆小导管以加固地层,并预埋加强环梁,改善此处受力情况。

③合理安排车站主体小导洞开口顺序,按照“先下后上,先边后中”的原则施工。

先施工下导洞,后施工上导洞,下导洞超前上导洞10～20m。上导洞侧洞与中洞之间纵向拉开一定距离,避免相互干扰。

④每个小导洞开口时,分步破除横通道挑高段小导洞内支护结构。按小导洞台阶法分步施作,先破除上半部分,进入 5～8m后再破除下半部分。小导洞开口 50cm范围内,并排施作初期支护格栅加强。小导洞分台阶人工快速开挖,减少对地层的扰动,加强初期支护,尽早封闭成环,限制导洞的沉降和变形。

⑤根据监控量测信息反馈、位移分析来调整支护参数,以此作为安全保证的主要手段。

5.4.2 初支及二衬扣拱施工技术难点及措施

(1)难点分析

①车站初支扣拱跨度较大且拱部地层为自稳性差的粉细砂、中粗砂,同时车站下穿多条污水管(渠)。污水管(渠)修建年代较久且大多为砖砌,整体性极差,有渗漏水现象,如何确保初支扣拱的施工安全是本工序的难点。

②PBA工法车站扣拱工序复杂且转换频繁,如何解决好扣拱施工过程中结构的力学转换及平衡,确保桩柱梁体系及拱部结构的稳定,防止结构变形、失稳和破坏是本工序的难点。

(2)施工中采取的措施

①扣拱施工前,对扣拱施工影响最大的两条污水管(渠)进行导流,见前文所述。

②开挖时严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针,并根据地层情况采取双层导管超前注浆、超前地质预报、封闭掌子面注浆、及时进行拱顶背后回填注浆及洞内跟踪补偿注浆等措施保证施工安全。

③严格按照设计施工步序和要求施工,初支扣拱施工时首先施工中洞,中洞扣拱 6m以上时开始两侧边洞扣拱,边洞扣拱必须同步;二衬扣拱施工时分段跳格施工,分段拆除小导洞初支,每段长度控制在 6～7 m,衬砌一段、拆除一段,并根据监控量测结果进行动态调整。

④初支扣拱及二衬扣拱施工前对顶纵梁和钢管混凝土柱进行加固处理,减少扣拱施工过程中对梁柱体系的影响。

6 CRD工法施工

6.1 使用部位

青年街车站 1号线单层段结构采用暗挖 CRD法(中柱法)施工,具体断面示意见图12。

图12 1号线车站CRD工法段结构断面(单位:m)

6.2 方法简述

1号线单层段车站开挖采用“中柱法”施工。该方法将整个断面开挖横向分为侧洞、有柱的柱洞和中洞共 5个洞。先自上而下施工柱洞初期支护,再由下而上施作柱洞二衬,建立起梁、柱支撑体系。柱洞完成后,施工两个柱洞中间的中洞的初期支护和二衬,形成整个大中洞稳定体系。再对称自上而下施工两侧洞的初期支护,最后纵向分段自下而上对称施作二衬,完成结构闭合。因本工程断面相对较高,在立面上要分 3个台阶开挖到位,以保证施工安全。

CRD段整个断面横向划分示意如图13所示。

图13 CRD工法断面划分示意(单位:m)

6.3 施工工序

鉴于篇幅原因,在此简要介绍 CRD工法段施工步序如下。

在 1号线车站主体 PBA段下中导洞施工完成后,先后错开 2m开挖支护柱洞①、②部土体,导洞贯通后,与 PBA段同步施工底纵梁。

在 PBA段土方开挖至中层板时,正台阶法先后错开 2m开挖支护柱洞③、④部土体,导洞贯通后,施工钢管柱及顶纵梁。

正台阶法开挖支护中洞⑤、⑥部土体,先后施工顶拱和底板二衬混凝土结构。

正台阶法先后错开 4m开挖侧洞⑦、⑧、⑨部土体,初衬贯通后,纵向分段拆除临时中隔板,施工侧洞二衬结构底板、侧墙及顶拱,CRD段结构封闭成环。

拆除剩余临时初支,并完成车站内部结构施工。

6.4 施工难点及措施

6.4.1 难点分析

CRD工法中洞施工是关键,侧洞施工在中洞完工后方可进行,由于中洞钢管柱为洞内作业,中洞形成经过多道工序,解决好中洞形成过程中的力学转换及平衡,确保钢管柱及中洞施工质量,防止中洞结构变形、失稳和破坏,避免出现地面及拱部的沉降超限和局部坍塌是贯穿 CRD工法的技术难点。

6.4.2 施工中采取的措施

(1)采用三维数值对各步序工况进行模拟分析,研究施工顺序、分块划分、施工步距对地层变形的影响,全过程进行信息化管理,加强过程监测,实施动态化施工。

(2)开挖前,拱部采取大管棚与小导管注浆超前加固地层,弧形开挖导坑、留核心土,并架设临时支撑、及时喷射混凝土等措施,保证开挖及支护安全。

(3)中洞分三跨六步开挖,先开挖两侧,遵循浅埋暗挖法“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针,在侧洞开挖的同时通过注浆小导管对中部夹持土柱进行径向注浆,以策安全。

(4)钢管柱安装就位并灌注钢筋混凝土后,钢管柱与柱孔之间空隙用细砂填密实。顶纵梁施工时对应下导洞满布架手脚,控制临时仰拱变形。

(5)严格控制相邻分部格栅同步情况,从而中洞拱部初支格栅能够与纵梁初支格栅连为一体,中洞拱部开挖前,在中洞两侧导坑与顶纵梁之间加设临时支撑,平衡水平推力与竖向压力。

(6)中洞拱部混凝土浇筑完成后,及时在中洞安装临时支撑,以平衡两边跨的侧向推力。

7 施工监测

青年大街站主体为暗挖法施工,主要有 PBA工法(洞桩法)和 CRD工法(中柱法),均为多跨暗挖大断面,结构上方地下管线密布。施工过程中保证暗挖车站结构稳定,控制地层变形,确保地下管线安全是施工重点。

因此全过程实施信息化管理,加强过程监测,实施动态化施工,根据监控量测、信息反馈、位移反分析来调整支护参数,以此作为保证安全的主要手段。青年大街站共布设地面沉降监测点 263个,工程实施过程中有 94个点累计沉降超过 30mm,超标点主要分布于1号竖井横通道、2号竖井横通道附近地表。

7.1 超标原因分析

(1)上述施工通道负责 1号线车站主体双层段的施工,横通道高度达 19.6m,分 5层施工到位,对地层多次扰动,故影响较大;

(2)1号、2号竖井横通道在施工完成后,需在侧壁陆续开设 16个导洞,是群洞效应较明显的地方;

(3)横通道覆土只有 6m左右,拱部所处地层为自稳性极差的粉细砂层,开挖中的超挖或小坍塌极易发生且极易反应到地面上;

(4)结构上方电力、通讯等管线套管内有积水且有渗漏水现象。

7.2 施工过程中采取的措施

(1)严格按照设计图纸施工,做到“管超前,严注浆,强支护、快封闭、勤量测、速反馈”,并根据现场情况进一步加强参数,尤其要尽量控制坍塌,确保施工安全。

(2)将回填注浆作为暗挖施工必需工序,施工过程及时采用固结迅速的水泥-水玻璃双液浆或改性水玻璃浆液进行初支背后回填注浆。

(3)施工完成后对拱部进行径向注浆,一方面堵水一方面进一步填充地层空隙。

(4)在有条件的地方进行地面填充注浆。

(5)加强监测,并成立专门的科研小组,及时采取应对措施。

通过以上措施,所有超标点沉降速率都收敛趋于安全稳定状态。目前,青年大街站主体结构已经全部完成,正在进行设备安装和车站装饰施工。

8 小结

由于本工程为全暗挖法施工,技术复杂,且沈阳地区尚为第一次施工地铁,无成功经验可以借鉴。因此,为了确保本工程的顺利实施,工程参建各方均本着“安全第一、质量至上”的原则,认真排查各种风险源,从各个方面努力为工程顺利实施创造条件。

(1)业主方加大投入,对车站上方年代久远的砖砌混凝土排水暗渠等重大风险源组织专家进行论证,现场实施截流、导流、改移等措施,直接降低工程施工安全风险。

(2)由于是在砂砾层中暗挖法施工地铁,能否成功实施降水为本工程顺利施工的前提,业主方委托熟悉沈阳地区水文地质情况的专业勘察单位对地铁 1号线工程实际和工程所处的水文地质环境条件进行专题研究,提交了《沈阳地铁 1号线工程降水专题研究报告》,为青年大街站降水工程顺利实施提供了可靠的第一手资料。

(3)工程原设计围护结构为钻孔灌注桩,因车站地层主要为卵石、圆砾地层,导洞内钻孔灌注桩施工难度大、工效低,参建各方经过认真研究,优化设计,在确保降水效果的前提下,增加下层边导洞,变更钻孔灌注桩为人工挖孔桩,为 PBA工法在本工程成功实施提供了工期保证。

(4)工程施工过程中,针对每个重要工序,施工单位均本着科学严谨的精神编制工程专项施工方案,然后召开专家论证会对施工方案进行评审,审查通过后方可组织现场施工。

城市地铁暗挖车站开挖断面大,为了控制地表沉降、保证周边建筑物安全,施工时必须将开挖断面化大为小。PBA工法在沈阳地铁青年大街站的成功实施,为我们解决了在全断面砂层中控制地表沉降、保证周边建筑物安全的同时实现地下大断面暗挖结构形成的施工难题,是类似地层城市地铁工程施工值得尝试的好思路。

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