北京地铁浅埋暗挖双层风道设计

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摘 要：结合工程实例，介绍了双层风道的设计及施工方法，建立荷载—结构模型，使用SAP84程序软件取代框架进行平面计算，提出了设计中应注意的关键点，并利用监控量测获得信息指导施工，及时采取相应措施，确保施工安全。

　　关键词：地铁；荷载；结构自重；支护结构

　　1、工程概况

　　北京地铁四号线新街口站东南风道位于登禹路和西直门内大街交口，地面交通路况繁忙。地下市政管线众多，有污水、上水、市政管线等，因此风道采用矿山法施工，设计为双层拱顶直墙结构。风道埋深最深处约6m.风道结构底板穿过粉土⑥-2层，属于Ⅵ级围岩；结构顶板穿过的岩土层为粉细砂③-3层、粉质粘土④层、粉土③层，属Ⅴ级围岩，易发生坍落现象，稳定性低，无法形成自然应力拱。风道结构边墙穿过的岩土层为粉质粘土⑥层、卵石圆砾⑤层、中粗砂④-4层、粉细砂④-3层、粉质粉土③-2层，边墙下部以砂土和碎石土为主，围岩土体的自稳能力差，易发生坍塌现象。

　　2、施工方法

　　风道采用交叉中隔壁法（CRD法），分4层8个小导洞施工，施工时严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本原则。

　　1）施作拱部超前支护，在竖井进风道处和车站进风道处各施作一排大管棚护顶以及施作小导管超前支护并注浆加固地层。

　　2）分布开挖导洞土体，封闭导洞初期支护，上下台阶步长5m，上导坑掌子面应及时封闭。

　　3）拆除部分底部竖向临时支护（一次拆除长度小于6m），施作防水层，部分底板。

　　4）逐步拆除部分临时仰拱和临时支护（一次拆除长度小于6m），及时施做防水层及二衬。

　　5）最终拆除临时仰拱和竖向支撑，及时封闭防水层和二衬。

　　3、初期支护参数

　　初支采用C20早强喷射混凝土，小导管？42（3根/m）L=3.0m，打设角度10°-15°，纵向步距1.0m一环，钢格栅由4根25钢筋焊接而成，每榀格栅间距500mm，钢筋网为6@150mm×150mm，双层布置，格栅间布置22纵向拉结筋，环向间距0.7m沿主筋内外侧交错布置。

　　4、结构计算

　　4.1 荷载组合

　　1） 基本组合构件强度计算；

　　2）短期效应组合构件抗裂计算；

　　3）抗震偶然组合构件强度；

　　4）人防偶然组合构件强度验算。

　　经过试算，地震荷载和人防荷载作用下的结构产生的内力对结构断面配筋不起控制作用。这样地震与人防设计的重点是采取满足规范要求的一些构造措施。

　　4.2 主要荷载取值

　　1）结构自重，钢筋混凝土重度γ=25kN/m³.

　　2）地层竖向压力：本隧道覆土厚度为6m，为浅埋暗挖隧道，因此按计算截面以上全部土柱重量考虑；地层水平压力：采用朗肯土压力理论，施工阶段外侧取主动土压力，使用阶段取静止土压力。

　　3）活载：地面超载20kPa.

　　4）偶然荷载：8度地震荷载，5级人防荷载。

　　结构计算采用荷载—结构模型，使用SAP84程序软件取代框架进行平面计算。按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力，由于初支不考虑防水，因此由二次衬砌承受全部水压力，而土压力则作用在初支上，考虑到在长期作用下，初期支护材料性能会逐渐退化，刚度会下降，二次衬砌承担荷载70%，经过计算发现：底部墙脚外侧、底板跨中内侧、拱背外侧及拱顶内侧为最不利控制点，通过对该部分控制点进行配筋计算，可以确定二次衬砌结构断面所需的钢筋数量。

　　5、主要技术措施

　　施工方法只是根据断面形式、围岩级别、环境条件等关键因素确定，对于既有的结构跨度，基本工法选择是比较成熟的。但是决定着工程成败和施工技术质量高低的主要因素在于辅助工法的采用，以及各项控制地层变位措施的实施时机。本工程在设计中主要考虑以下几个关键点：

　　1）小导管注浆。小导管一般采用F42的钢花管，长度3m，其注浆加固体直径500mm左右，超前加固注浆，是行之有效地保证地层自稳的方法之一。根据地层性质，采用不同的浆液。对于小导洞开挖跨度不超过6m的结构来说，加固圈半径0.5m可以保证在初期支护完全达到承载力以前围岩的自稳。控制注浆压力或者控制注浆量为注浆技术重点。

　　2）锁脚锚杆。根据开挖跨度的大小，设置3m左右长度的锁脚锚杆并注浆，可以有效地保证支护结构不产生过度的整体下沉，特别是采用上下导洞施工的结构尤为重要。当上导洞施工时，不致使下导洞临空。

　　3）背后回填注浆。设计中考虑初支背后的空隙存在，对于控制地层变位是不利的。因此必须及时有效地进行回填。一般工序要求距离掌子面3m时，必须进行初支背后回填注浆，浆液为水泥砂浆。

　　4）台阶长度。每循环开挖长度为0.5m，与钢格栅间距相适应，并且留核心土，台阶长度不合适，可能造成地层变位过大，甚至地层失稳。设计中提出了上下导洞间开挖面距离为5m的要求。

　　5）一次拆除长度。对于采用CRD工法施工的结构来说，一次拆除长度，又是一个关键的技术指标。为了不致出现因改变结构受力状态而引起地层变位，理论及实践证明，一次拆除段长度必须小于1D（D为隧洞的直径），本设计采用较为稳妥数值，每次拆除6m.

　　6、监控量测

　　利用监控量测获得的信息指导施工，这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分。通过监测对地层的稳定性和支护系统的可靠性做出判断，及时采取相应措施，以确保施工的安全本工程将地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目定为监控量测的必测项目，将土压力、土体位移、支护应力等作为选测项目。当水平收敛变化率小于0.12mm/d，拱顶下沉变化率小于0.1mm/d，而且所测的位移值大于预计总位移值的80%时，可以认为隧道已达到基本稳定。

　　7、结语

　　通过对北京地铁新街口站东南风道设计，主要得到以下一些经验和体会：

　　1）由于风道结构施工对周边围岩存在着多次扰动，特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区，因此，在设计、施工时应特别重视中隔墙的受力平衡及其稳定。

　　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。

　　3）在施工二次衬砌时，应分段拆除临时支护，一次不宜超过6m，拆除过多会产生较大沉降变形。

　　4）每段格栅钢架长度一般宜控制在2m-4m，过长过重运输即造成安装困难，过短将导致钢架节点多且浪费大。