桩柱支承法修建浅埋暗挖大跨度地铁车站工法
一、前言
修建浅埋暗挖大跨度地铁车站选择合理、安全、可靠的施工方法至关重要。在修建北京地铁“复－八”线王府井车站时，遇到了砂类土层、地下水丰富等不良因素，如果采用“眼镜法”施工，极易因流砂引起洞体沉降量过大甚至造成坍塌，为此我们首次采用了桩柱支承法。桩柱支承法是利用水位线以上的地层开设小导洞，在小导洞内施工钻孔桩，然后经过一系列的受力转换进行其他部位的施工，因此也称为“洞桩法”。
二、工法特点
1．充分利用无水的地层进行有水部位地层的作业，避免因长期降水引起的费用增大和地表沉降，有利于保护地下水资源。
2．依靠钻孔桩作支护，稳妥、安全，确保沉降量控制在30mm以内，避免“眼镜法”大洞群、多方位、多层次开挖引起地面沉降量过大的缺陷。
3．可减少混凝土的拆除工程量(较“眼镜法”减少15％)，造价适中，经济合理。
4．有较大的施工空间，可利用机械开挖，增加平行作业工作面，有利于提高工效，加快施工进度。
5．可以做到结构外侧防水层全封闭，消除渗漏隐患。
三、适用范围
1．单拱跨度大于9m及多拱大跨度暗挖地下通道、车站、停车场、商场及类似工程。
2．地表沉降量控制较严、防渗漏要求较高的暗挖地下工程。
3．砂类土、淤泥质土、地下水位高等不良地层的施工。
4．水位线以上有开设小导洞的地层空间。
四、桩柱支承法施工原理
桩柱支承法由王府井地铁车站所处的特殊地理环境所促成：砂类土质，主体结构有9m在水位线以下，不利于“眼镜法”施工；“眼镜法”施工在长期的开挖过程中，进行大面积、深层次的降水，费用高昂，且不利于周围建筑物的稳定，也不利于保护水资源；如果采用“盖挖法”，长安街上不允许设围挡。如此就产生了把“盖挖法”的原理迁往地下的设想，即在小导洞内施工钻孔桩，在钻孔桩上做上弧初期支护(上弧初期支护类似变异后的“盖挖法”顶盖)，由钻孔桩来承受上弧荷载并抵抗侧壁压力，如此形成类似“盖挖法”的操作空间，施工过程中用类似“眼镜法”的原理进行受力转换。这样把两种工法结合起来运用，既吸取了“盖挖法”桩柱受力承重好、能开展大空间开挖的优点，克服其破坏路面及地下建筑物的缺点，又吸取了“眼镜法”防水层能全封闭的优点，克服其多洞室、易坍塌的缺点。由设想到进一步的分析、计算，逐步完善后形成了桩柱支承法这一工法。
五、桩柱支承法施工程序及施工要点
1．施工程序
施工从总体上可分为竖井、横通道及车站主体两大部分(不包括出入口、风道)，在施工顺序上有一部分是穿插进行的，见图1。
(1)竖井、横通道部分。竖井、横通道是为车站主体施工服务而设置的临时结构(主体结构完工后，一部分要破除、回填)，其作用：一是为人员、机械、材料、出土提供施工通道；二是为小导洞、上弧掘进等车站主体施工提供作业面。其设置需要考虑设备、净空、施工运距、工期、效益、环境等综合因素(在有条件时，可结合出入口、风道的设置综合考虑，综合利用)，以王府井站为例做法分三步：
1)竖井施工 竖井净空宽5.5m，长12.4m，深18m。采用钻孔桩、锚喷混凝土护壁，龙门提升架出土，模注钢筋混凝土衬砌(预留横通道开口位置)，井口设加强环，逆作法施工。井口及井内设出土提升架、电葫芦、步梯及风、水、电、通风、下料等管线。
2)横通道施工 横通道净空宽9m，高7m，长50m。在机横通道位置破除护壁桩后，打小导管注水玻璃浆固结地层，采用中隔壁四步法开挖，格栅网喷混凝土支护，初期支护施工完毕后破除中隔壁、临时仰拱(此时横通道仅做初期支护部分)，至此，可进行车站主体部分小导洞、钻孔桩、桩顶纵梁施工。
3)横通道与正洞立体交叉结构施工 此处拱顶共做三次结构：横通道初期支护；立体交叉结构；车站主体防水、二衬。横通道的作用是为了施工小导洞、钻孔桩、桩顶纵梁。立体交叉结构是为上弧开口及车站主体施工受力转换而设置的特殊临时结构，它依靠钻孔桩、桩顶纵梁为基础进行支撑(见图2)。立体结构施工完毕后即可进行正洞主体部分的上弧掘进。
(2)车站主体部分。车站主体施工按自上而下(开挖、支护)、自下而上(防水、二衬)的顺序进行，共归纳为九个步骤(见图3)。
1)施工小导洞。在横通道侧壁按小导洞净空尺寸(小导洞宽4m，高5m，端部加长4m以利于钻孔桩施工)开口破除初期支护，洞口周边设钢筋混凝土加强环进行加固。小导洞；施工采用小导管注浆加固地层、上下台阶法开挖，格栅网喷混凝土支护。
2)施工钻孔桩。采用“洞桩法”施工，周边钻孔桩中0.6m，深17.6m，间距1.0m；中桩Φ1.25m，深26m，间距3.0m；中桩定位避开中层板横梁位置。
3)施工桩顶纵梁(中桩处桩顶纵梁底部应高出中层板面不小于0.3m，以利中层板施工)。桩顶纵梁上部预埋格栅(应考虑上弧管棚法施工抬高段的角度)，施工小导洞范围内的上弧初期支护，边导洞外侧回填，中导洞两拱脚之间设钢支撑。
4)上弧掘进。在此之前施工横通道与正洞立体交叉结构，以开创作业面。上弧掘进根据地质条件采用管棚法或小导管注浆法开挖，格栅网喷支护，要严格控制地表沉降。
5)土方开挖。提前进行地表井点降水，洞内剩余地下水采取抽、堵、排综合治理措施。用挖掘机开挖，锚杆、网喷混凝土支护，矿斗车轨道运输，上坡处采用卷扬机牵引。在上弧拱脚处设第一道钢支撑(钢支撑底部高出中层板1.2m，以利于中层板施工)，在第一道钢支撑与基底之间设第二道钢支撑。
6)基底封闭。对基底采用打管注浆、绑扎钢筋、灌注混凝土进行封闭。
7)防水板、二衬施工。结构外侧施做ECB柔性防水层，从下至上分别施工底板、边墙、下层钢管柱、中层板、上层钢管柱、芯梁、边拱。在施工边墙之前，第二道钢支撑割掉1.0m，边墙施工完毕后恢复第二道钢支撑。在中层板施工完毕后，拆除第一道、第二道钢支撑。底板、中层板遇中桩处进行预留。
8)中孔上弧掘进。采用小导管注浆后进行开挖，格栅网喷混凝土支护。架设中孔钢支撑，破除初期支沪及中桩，要严格控制地表沉降。
9)施作中拱防水和二衬。方法同边拱。拆除中孔钢支撑，进行底板、中层板堵补，施工站台墙、站台板、步梯，完成全部主体工程。
2．施工要点
(1)“洞桩法”施工(仅以中桩为例)。施工程序：在原导洞底板混凝土上开口→埋设护筒→钻机就位→钻孔斗清孔验收→下钢筋笼及导管→灌注水下混凝土。桩位置如图4。
1)开口及埋设护筒。经专业测量人员施测定位并放出护桩后用风镐破除原导洞底部钢筋混凝土，开挖尺寸合格后埋入钢护筒(护筒491.4m，厚10mm，长1.5m)，护筒外回填粘土、分层夯实，护筒高出地面10cm。也可以采用15cm厚现浇混凝土护筒，这样护筒可以连续施工，以提高施工进度，避免钢护筒拔不上来。
2)钻机就位。钻孔顺序为隔孔施钻，防止邻孔新灌混凝土受强力振动而破坏。钻头要严格对位，其对中误差要求小于10mm。钻架支撑要牢固，不允许摆动、偏斜。钻机选用62—22改进型冲击反循环钻机，钻头为专用配套笼式钻头。
3)钻孔。钻孔前，应将护筒内泥浆调至适当稠度，开孔时钻头对准孔中心，采用紧大绳、小冲程、不间断冲击，以确保开孔垂直、圆顺，待钻头冲击平稳后再加大冲程，连续冲凿。造孔作业时，严格操作，经常检查、测孔，按规定取样；及时补水、投泥，保持泥浆面标高及适当的稠度，以防出现掉钻、卡钻、塌孔、斜孔等故障。
4)护壁泥浆及钻碴处理。造孔用泥浆采用孔内填粘土，利用冲击钻头的往复冲击作用进行造浆。反循环钻头中间设有Φ12cm抽浆管，并配套砂石泵，边钻孔边抽泥浆，抽出的含碴泥浆采用JHB—100改进型泥浆净化处理机进行分离，净化后立即返回孔内，不间断循环，废碴集中排出洞外。
5)清孔。钻孔深度达设计标高后，立即进行清孔，清孔采用与钻机配套的抽浆管、砂石泵将孔底淤积物直接抽至泥浆净化处理机进行分离净化，泥浆稠度为1.05、粘度为19S、含砂率小于4％、沉碴厚度小于30cm后为清孔合格。
6)钢筋笼的制作与安装。钢筋笼在地面按每节3.3m长加工，主筋接头错开50％，错开长度35d(d为钢筋直径)。下钢筋笼时，采用钻架吊装，上、下节钢筋接头密贴后，焊接10d(焊缝按规范要求)。接头所有钢筋焊接完毕，经现场技术人员检查合格后，再继续下一循环的操作。
7)下导管、浇注水下混凝土。各节导管的连接应牢固、紧密，导管放入孔内必须垂直，导管底标高控制在距桩底0.4m处。混凝土用拌合机拌合，输送泵配合输送管将混凝土送入料斗。首盘应拌合一定数量的高强度等级砂浆，以免堵塞混凝土输送管。第一次灌注混凝土数量应经计算，确保钻孔桩内的混凝土埋住导管下口0.3m以上。灌注采用球内胎法排除导管内泥水。浇注过程中应经常测量混凝土面的标高，使导管保持埋入混凝土深度0.8～1.5m，核对混凝土面的上升速度与实际浇注混凝土量是否一致。浇注应连续施工，不得中断，发现问题及时分析原因，采取相应的措施。最后一斗混凝土应有足够的压力和数量，使其挤出表面泥浆及含泥混凝土，露出新混凝土。浇注结束后，及时取出钢护筒，清除桩顶表面泥浆。
(2)车站主体与出入口、风道交叉处结构施工。出入口、风道结构宽度为10～12m。在施工南、北导洞内桩顶纵梁、预埋格栅、导洞回填时，要考虑车站主体与出入口、风道交叉处的施工方法。
1)设交叉处结构的目的是：在出入口、风道拆迁不到位、车站主体未进行防水、二衬的情况下，从车站内向外开挖出入口、风道；减少不必要的导洞内回填、破除。假如在二衬上部做一次平顶支护结构：一是导洞上部净空尺寸不够；二是结构伸进上弧拱部近三分之一，不安全；三是跨度大，耗费资金太大，所以还是施作交叉结构为好。
2)需要考虑的因素：防水板必须全封闭；保证正洞上弧拱脚有牢固的支承点；出入口、风道开挖后，车站支护结构稳定，不引起位移。
3)施工方法(以出入口为例)。采用平板跨越法施工，即在施工顶板纵梁、预埋格栅、导洞回填时，预留出入口结构宽度(仅在预留处桩顶做0.3m高的纵梁)，提前施工出入口二衬顶板，靠二衬顶板来支承上部荷载。在导洞外侧出入口外轮廓线打管注浆以利下步开挖。顶板两端各加长2m，坐落在两端的桩顶纵梁支座上，板底跨度内适当设钢支撑。顶板与拱、边墙接茬处预留甩筋。顶板外侧周边及支座处采用EVA柔性防水卷材全封闭，接茬处预留0.5～1.0m宽。顶板防水层上部内侧预埋短格栅、外侧绑扎1.0×1.0m圈梁钢筋、回填C20混凝土，通过短格栅来连接并支承上弧拱脚的压力，通过圈梁钢筋混凝土将开挖出入口后上弧产生的侧压力传递到支座上，以保持结构的稳定。待车站主体防水、二衬及出入口开挖完毕后施工出入口底板、边墙。
施工顺序：⑴导洞外侧打小导管、注浆；⑵施工桩顶纵梁及支座；⑶支座及支座以上做防水层、保护层；⑷施工底板钢支撑：⑸立模板、安设顶板外侧止水带；⑹绑扎及预埋钢筋；⑺灌注顶板混凝土；⑻顶板上部做防水层、保护层；⑼顶板预埋短格栅、绑扎圈梁钢筋；⑽顶板上部回填C20混凝土，采用输送泵输入；⑾车站主体防水、二衬施工及出入口开挖；⑿施工出入口底板及边墙防水、二衬，详见图5。
(3)土方开挖施工。土方开挖施工重点解决以下问题：
1)井点降水。在车站两侧(长安街两侧绿地内)设滤井、抽水井，井深30m，直径0.6m，间距15m。滤井、抽水井交错布置，滤井内设滤管、填碎石，抽水井内设滤管、潜水泵。另外每隔100～150m设一回灌井，井深以穿透地层深处的隔水层为原则，隔水层以下设滤管，隔水层以上设普通混凝土管。滤水井周边的地下水集中渗入降水层，通过抽水井集中抽出后排入回灌井内，压入地下深层(见图6)，以利保护水资源。
2)开挖。采用挖掘机分两步进行开挖，顺序由西向东，采用矿斗车运输，设斜坡道卷扬机牵引。边挖边进行边墙支护、架立钢支撑。在开挖过程中，地层中有部分剩余地下水顺边墙流出，处理方法：挖深坑抽水；在边墙渗水处埋Φ15mm塑料软管引流，并在该处基底以下设Φ50cm深2m滤井；渗水量较小处采用网喷混凝土封堵。
3)边墙支护。沿边墙设Φ14mm、间距0.7m×0.7m钢筋骨架并焊在扩壁桩上凿出的主筋上，然后挂Φ4mm、间距0.1m×0.1m的钢筋网，喷10cm厚混凝土进行护壁，以防止桩与桩之间的土体掉落，并为下一步的防水层施作提供整齐的基面。另外，上部每隔3m，下部每隔6m设两排临时钢支撑，钢支撑端部在钻孔桩上用冲击钻打眼，每处锚两排(4根)Φ28钢筋固定钢支撑(支撑截面通过计算确定)，钢支撑位置见图3。
(4)封端墙施工。车站东、西端宽24.4m，高14.22m，在施工钻孔桩之前，就要考虑封端墙的施工方法。
1)设封端墙目的。顶住车站端部的土压力，使主体土方开挖后端墙保持稳定；墙面平整，有利于防水、二衬施工。
2)需要考虑的问题：①防水层必须全封闭；②端墙整体稳定，结构能承受正应力，受力转换简便、可靠；③如果采用打管注浆、格栅喷锚支护、打大管棚法施工，则土体坡率过大，管棚承受拉力不够；如果采用锚索法施工，则因型钢带梁突出墙面过大，不利于边墙防水、二衬施工；④如果在内侧设钢支撑，架立困难，不利于机械开挖土方、防水全封闭，二衬、受力转换也很繁琐。
3)施工方法。采用封端桩法施工，即先在端部南北开设小导洞，在小导洞内施工钻孔桩，桩顶设横梁，横梁与南、中、北桩顶纵梁联成整体。梁上部内侧设30cm厚钢筋混凝土墙，墙外进行导洞回填。土方开挖后，钻孔桩表面挂网喷5～10cm厚C20混凝土进行封闭。此法主要由钻孔桩抵抗土体侧压力，由桩顶将侧压力传到横梁，再由横梁传到南、中、北孔桩顶纵梁上，结构安全可靠。
施工顺序：①施工端部小导洞；②施工钻孔桩；③施工横梁；④施工横梁上部封端墙；⑤导洞回填；⑥开挖土方，网喷混凝土封闭端墙土体；⑦施作端墙防水、二衬，做法同主体，详见图7。
(5)边拱与中拱交界处施工。边拱与中拱交界处位置低，又是二衬的接缝处，其作业；面狭窄，施工难度大，特别是破除初期支护时极易损坏防水板，引起渗漏。
在该处4m范围内铺两层ECB防水板(施工边拱时预留1m宽搭接长度)。在防水板上铺1m宽、3mm厚石棉板，在石棉板上铺0.5m宽、1.2mm厚钢板两块(钢板搭接0.1m，靠近中拱一侧的钢板在上，便于拆除)。在防水板下面混凝土伸出Φ22钢筋接头。在钢筋头上套塑料帽，以防扎破防水板。用此法在初期支护破除时，保护防水板接头，详见图8。
六、施工组织和劳力安排
根据施工程序、部位进行劳力安排，其主要工序劳力安排如下：
1．小导洞施工。南、北、中孔分三个作业面安排三个土建施工队，每个队45人，分三个作业班组实行三班倒作业，主要工作内容包括打管、注浆、开挖、出土、安装格栅、喷混凝土等，小导洞施工工期240d。
2．钻孔桩施工。南、中、北孔各安排一个钻孔桩施工队。南、北孔各布置4套钻机，每个队60人，三班倒作业，主要工作内容包括埋设护筒、钻机就位、钻孔、下钢筋笼、灌注混凝土等，每个队平均每天完成一根桩。中孔布置2套钻机，40人，三班倒作业，平均2d完成一根桩。钻孔桩施工工期270d。
3．上弧开挖。南、北拱两个作业面各安排一个施工队，每个队60人，三班倒作业，工作内容包括打管注浆、开挖、出土、格栅安装、喷混凝土、破除初期支护等，上弧掘进每个队每天平均进尺1.0m，上弧开挖过程中，由1个管棚队配合进行管棚作业。上弧开挖工期240d。
4．主体开挖、防水、二衬。施工人数610人，分六个土建队、一个防水队，三班倒作业，其中一、二队各配一台挖掘机进行主体开挖、底板、边墙二衬施工；三队进行中层板施工；四队安装钢支撑、钢管柱、芯梁及机械配合；五、六队施工南北边拱；防水队配合施工防水层。三、五队负责中拱开挖、二衬作业，其他各队交叉进行风道、出人口等部位施工。主体开挖、防水、二衬施工工期510d。
本施工组织为设计只有一个施工竖井且设在车站一端的情况下，从开挖竖井到主体结构完工总工期4年。如设有两个施工竖井或只有一个施工竖井但竖井设在车站中部时，则主体结构施工工期约为3年。
七、主要机械设备(见表1)
表1 主要机械设备
八、质量控制
1。质量标准：《铁路隧道施工规范》(TBJ 204—96)；《铁路隧道工程质量评定验收标准》(TBJ417—87)；《铁路隧道工程质量检验评定标准》(TBl0417—98)；《铁路桥涵施工规范》(TBJ203—96)第三章；《铁路桥涵工程质量评定验收标准》(TBJ414—87)；《铁路桥涵工程质量检验评定标准》(TB 10415—98)第五章。
2．质量控制措施。
(1)边桩定位时预留15cm富余量，防止因施工误差侵入二衬混凝土内。在施工中重点控制桩的垂直度，要求孔底沉碴小于30cm，不坍孔、不断桩、不侵限。成桩后采用浅埋地震反射法进行检测。
(2)上弧控制线拱顶外放7cm，拱脚外放5cm，防止沉降、变形后侵A-衬混凝土内。上弧跨度大，承受压力大，要重点控制钢格栅连接质量、喷混凝土的早期强度、厚度、拱顶密实度，要求尺寸准确，表面平整，不允许前一榀格栅混凝土未凝固时开挖第二榀，防止拱部受压变形。
(3)初期支护期间严格进行监控量测，重点控制地表沉降、净空收敛、拱顶沉降，将总沉降量控制在30mm以内。
(4)做好施工防水以及结构防水层施工。对于初衬后的渗漏水，采取打管注浆、埋管引流、抹防水砂浆、挖渗井的办法综合治理，防水板施工焊缝要牢固、密贴，不得出现烧伤、砂眼、悬空等不良现象，同时要进行冲气试验，加压0．1MPa一分钟内无压降即为合格。底部防水板要做5cm厚豆石混凝土保护层，混凝土接茬处要铺钢板进行防护。
(5)二衬净空外放5em，站台板、中层板标高控制在 cm范围内，防止侵限。混凝土分段灌注长度：底板、中层板24m，边墙、边拱、中拱12m。拱顶预留注浆管作为排气、注浆用。二衬重点控制混凝土强度、表面平整度，不允许出现空洞错台、蜂窝麻面现象。
九、安全措施
1．洞内要保持良好照明，导洞内必须使用安全电压，防止漏电伤人。
2．施工竖井、中层板、运输通道周边必须设防护栏杆，防止意外摔落伤人。
3．凡是下井人员必须佩戴安全帽，高空作业必须拴安全绳、设安全网。
4．现场各种材料应堆放整齐，特别是结构物上突出的钢筋、铁丝应清理整齐，以防人员碰伤。
5．提升土方、竖井下料时，井下必须有值班调度与井上司机保持联系，防止信号不清意外伤人。
6．非电工、非司机严禁动用各种机电设备。
7．钢支撑支点必须牢固可靠，并监控量测，防止支撑掉落伤人。
8．设2～3名专职安全员，监督、落实各项安全制度，随时检查，消除各种事故隐患。
十、效益分析
1．社会效益。桩柱支承法是我局继西单地铁车站施工以来，在施工技术上的又一次革新，采用此法施工，安全、稳妥、可靠，保证了国宾大道正常的政治活动，为国家赢得了荣誉，为企业赢得了信誉。
2．技术效益。在地质差、水位高的情况下，“眼镜法”已不再适应，“明挖法”、“盖挖法”受地面条件的限制不允许使用。采用“桩柱支承法”思路新颖，有针对性地解决了施工难题，填补了国内外的一项空白，为今后类似工程提供了切实可行的依据。
3．经济效益。桩柱支承法所创造的经济效益是其他工法不能比拟的，其较明显的有以下几点：
(1)缩短降水时间31个月，节约降水费用552万元，即90.62(元/台班) ×3(台班天) ×30(天/月) ×(31个月) ×16(口井) ×1.3665(综合取费) =552万元；
(2)采用挖掘机开挖土方，比人工开挖提高工效3倍，节约施工费用203万元，即51.16(元/m3) ×5.3(万m3) ÷4×3 = 203万元；
(3)桩柱支承法在洞内施工钻孔桩的难度、所投人的费用、总工期等与“眼镜法”初期支护相比基本持衡，略有节余，即减少破除钢筋混凝土数量1058.8m3，节约投资298.46(元/m3) ×1058.8×1.3665(综合取费) = 43万元。但桩柱支承法所提供的安全、稳妥、可靠的施工环境及较大的作业空间所创造的效益是无法计算的。
十一、工程实例
北京地铁“复 – 八”线王府井车站位于长安街与王府井大街十字路口交叉处，车站主体为三拱两柱双层结构，全长241.40m，宽24.40m，高14.22m，覆土厚6～7m，设4个出入口，2个通风道，1个施工竖井。该站地处繁华闹市，两侧高楼林立，地面交通繁忙，地下管网密布，其中拱顶要穿过两座过街通道，一处1.8m×l.5m的污水管线，该管年久失修，长年漏水，另外还要穿过1处古河床淤泥质土层段，以上建筑物及淤泥质土层离拱顶仅有0.5～1.0m。车站所处地质为永定河冲、洪积扇的脊部，属于第四系冲、洪积层，出入口通道和车站洞身穿过的土层依次为杂填土、砂粘土、圆粒土及砂粘土，结构高度的三分之二在地下水位以下。建设单位对该站的施工提出如下要求：①采取暗挖法施工；②地表最大沉陷量控制在30mm以内；③各种地下建筑物及管路不断、不裂、不渗、不漏，确保正常使用；④施工过程中必须做到“稳妥可靠，万无一失，绝对安全”；⑤车站建成后不渗不漏。我单位通过多种方案比选，决定采用桩柱支承法施工，于1993年3月15日开工，1999年9月28日建成通车(施工期间因客观原因，有过多次停工)，各项指标均达到要求。
我局同期承建的地铁“复－八”线东单车站，其地质、环境、规模类似王府井车站，采用桩柱支承法施工，同样获得了成功。
转载自：隧道网
