岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构及施工方法与流程

本发明属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，尤其涉及一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构及施工方法。

背景技术：

进入21世纪以来，我国城市轨道交通步入了快速发展时期，轨道交通作为城市交通中的重要组成部分，其运行网络也逐渐形成。在线路建设过程中，遇到越来越多的换乘车站和枢纽，轨道交通的换乘方式与换乘效率对轨道交通系统运营的影响愈加明显。

地铁换乘站的建设，从站外换乘到站内换乘，目前正朝着综合化(多种交通工具换乘)、便捷化的方向发展。早期的站内换乘，不仅结构复杂，而且换乘不便，现在世界各国在地铁换乘站的建设中，都力争使两条换乘线路上的绝太多数客流横过站台即能换乘，最大限度地缩短换乘距离，平行换乘这种方式已应用于斯德哥尔摩地铁换乘站和巴黎德方斯及香港的地铁建设中，双线采用平行换乘方式一般需要建设三层车站。

当地面交通和管线等环境条件不允许采用明挖时，就需要采用暗挖法实施，暗挖三层换乘车站一般开挖跨度达24m，开挖高度达26m，如此大规模的浅埋暗挖地铁车站尚未见类似工程实例。目前超大断面隧道一般采用CRD法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法和洞桩法等施工方法，如英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m，开挖高度达15.4m；日本的第二布引隧道，在分叉段是从2车道（净空断面积59m²）变化到3～4车道的断面（最大开挖宽度24m，开挖断面积240m²），均采用双侧壁导坑法施工。国内修建的暗挖地铁车站如北京地铁宣武门站、崇文门站、黄庄站、沈阳地铁中街站等均是双层车站，且都是在第四系地层中建设，采用的洞桩法和中洞法居多。

对于三层暗挖地铁车站，结构跨度大，断面高度高，侧压力大，车站结构型式和施工方法的选择就显得尤为重要。车站拱部支护、立柱结构的形成和高直边墙的处理就是工程建设中的重点和难点部位，处置不当很容易引起诸如塌方、失稳等工程事故。CRD法和双侧壁导坑法一般适用于中型暗挖断面；侧洞法为两个侧导洞同步进行施工，然后施作中导洞，中柱系统建立较晚，断面高度高结构稳定性差，地面变形最大；中洞法为中导洞先进行施工，建立起梁、柱支撑体系，然后施作侧导洞，该工法的缺点是分块较多，而且中导洞形成后侧导洞开挖易形成不平衡推力，爆破施工对临时支撑影响太大；洞桩法控制变形能力较强，但需要设置多个导洞和施作边桩结构，废弃工程量大，导洞内空间小，施工环境恶劣，而且洞桩法一般需要分层逆作，大大降低了施工工效。

综上，上述传统的施工方法主要适用于第四系地层，采用步步成环人工挖掘施工。在岩质地层中需要采取爆破施工方法，过多的分块和大量的临时支撑在爆破条件下非常不利，甚至可能因为临时支撑失效引起不可接受的重大工程事故。因此，在岩质地层暗挖三层车站的结构型式和施工方案选择时，应立足保证安全的条件下，考虑岩质地层的地点，选择能够实现机械化快速高效的施工方法。

技术实现要素：

本发明结合岩石地层和上软下硬地层中浅埋超大超高断面的力学特点和支护机理，同时保证在城市复杂环境下能够有效控制地层变形和结构稳定，减少爆破施工影响和提高施工效率，提出一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构及施工方法，实现大型机械化进行岩质地层暗挖三层地铁车站超大断面隧道的施工。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构，其特征在于：包括主体拱形结构、钢筋混凝土仰拱，所述钢筋混凝土仰拱位于主体拱形结构的下方，所述主体拱形结构、钢筋混凝土仰拱之间设有地下二层侧墙、地下三层侧墙，所述地下三层侧墙顶端与地下二层侧墙底端连接，所述主体拱形结构包括拱部二衬中段、拱部二衬侧段，所述拱部二衬侧段位于拱部二衬中段的两侧，所述拱部二衬侧段底端与地下二层侧墙顶端连接，所述钢筋混凝土仰拱包括仰拱二衬中段、仰拱二衬侧段，所述仰拱二衬侧段位于仰拱二衬中段的两侧，所述仰拱二衬侧段的顶端与地下三层侧墙的底端连接，所述仰拱二衬中段的顶部设有两个底纵梁，所述拱部二衬中段的底部设有两个顶纵梁，所述顶纵梁与底纵梁之间设有钢管柱，所述钢管柱上设有地下一层中板中段、地下二层中板，所述地下一层中板中段、地下二层中板均水平设置，且地下二层中板位于地下一层中板中段的下方，所述地下一层中板中段的两侧分别设有地下一层中板侧段，所述地下一层中板侧段与地下二层侧墙连接，所述地下二层中板的两端与地下三层侧墙连接，所述拱部二衬侧段的下底面设有拱脚纵梁，所述拱脚纵梁内设有纵梁预埋压浆钢管，所述地下二层侧墙、地下三层侧墙的侧面设有边墙钢管桩支护，所述边墙钢管桩支护侧面设有边墙预应力锚索、侧墙锚杆，所述最上方的边墙预应力锚索设置在拱脚纵梁和钢管桩顶部交接处，所述边墙钢管桩支护、边墙预应力锚索、侧墙锚杆均位于拱脚纵梁的下方，所述主体拱形结构外面设有初期支护，所述初期支护外面设有超前支护，初期支护包括中部导洞初期支护、拱部侧洞初期支护，所述拱部侧洞初期支护的两侧拱脚处设置有纵向布置的拱脚压浆钢管，。

所述中部导洞初期支护采用格栅钢筋喷射混凝土结构，沿其外缘全环设置超前小导管或者自进式管棚注浆超前支护。

所述拱脚纵梁为钢筋混凝土结构，所述内部预埋压浆钢管注浆保证纵梁底部密实。

所述地下二层侧墙、地下三层侧墙的外侧设置边墙钢管桩支护，所述边墙钢管桩支护上部锚入拱脚纵梁，下部插入深度超过结构底板下方，内部灌注水泥砂浆，开挖后钢管桩间和表面采用喷射混凝土封闭。

主体结构两排中柱采用钢管柱，分段采用法兰盘连接，内部灌注混凝土，与顶纵梁、底纵梁、地下一层中板中段、地下二层中板采用钢筋笼或焊接钢板连接固定。

所述拱部二衬中段和两侧拱部二衬侧段连接形成一个大跨拱形结构，尽端支撑于拱脚纵梁上，与两排钢管柱一起形成伞盖结构。

一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）测量放线出包含顶纵梁、底纵梁的上、下中间导洞的轮廓线，在待开挖的导洞初期支护外侧部位施做超前支护，进行超前注浆加固地层；

（2）进行上、下中间导洞开挖，开挖完成后立即在开挖断面外缘施作侧导洞拱部初期支护，采用格栅钢架和喷射混凝土形成，同时施作上导洞中部的临时支撑，底部采用临时仰拱喷射混凝土封闭，并在上导洞底部两侧设置锁脚锚杆或锁脚锚管注浆以固定初期支护和临时支撑；上部导洞采用分部开挖方法开挖，下导洞采用台阶法开挖；开挖导洞时，先开挖下导洞后开挖上导洞；

（3）下导洞施作一段距离后施作底板防水层，后退施作两排中间立柱下方的底纵梁和立柱之间的部分底板仰拱，底纵梁的中柱位置处预埋锚栓用于与钢管柱连接；

（4）在上导洞内放线定位中柱，施作中柱孔桩，孔桩直径稍大于中柱结构直径；孔桩的上下孔口设置钢筋环与导洞格栅钢筋连接；

（5）上导洞内吊装钢管，钢管柱与孔桩之间空隙采用填砂密实；分段拆除上导洞临时竖撑，上导洞内向上施作钢管柱内模筑混凝土，尔后铺设防水层、绑扎钢筋，立模浇筑顶纵梁和结构中间拱段，预留钢筋接头；顶纵梁间设置拉压杆；

（6）上导洞继续往下开挖至地下一层中板下方，施做地下一层中板的中间部分及中纵梁；

（7）采用超前小导管结合自进式管棚加固拱部两侧拱段外缘地层，对称开挖边跨拱部土体，采用"CRD"分步开挖工法，施做初期支护、临时支撑及大拱脚加固处理，拱脚初支焊接钢筋与底纵梁相连。两侧拱脚分别打设直径219mm钢管桩支护结构，钢管桩分别嵌入拱脚纵梁内和底板以下岩层，并确保钢管桩垂直度满足要求；

（8）清理拱脚虚渣，施作拱脚纵梁，预埋钢管压浆进行纵梁底部围岩加固，打设第一道拱脚纵梁锚索，分段拆除临时支撑，铺设防水层绑扎钢筋，模筑车站拱部两侧拱段混凝土与中间拱段连接成整体与中柱形成伞盖结构，施工时应根据监控量测严格控制临时支撑每次拆除长度；

（9）拉槽开挖车站下层岩体，注意加强对边墙和拱脚纵梁的保护，分层边开挖边施作边墙支护，包括预应力锚索、侧墙锚杆和喷射混凝土封闭，按照该步骤继续分层向下开挖岩体至结构底板标高处，注意对中柱结构的防护；

（10）开挖至基底后施作仰拱两侧边跨垫层混凝土，然后在仰拱混凝土垫层和侧墙初期支护的内表面上铺设一层仰拱及侧墙防水层，之后在仰拱防水层的上表面浇筑一层混凝土而形成仰拱二衬；

（11）向上铺设侧墙防水层，然后在二衬仰拱上浇筑混凝土形成上部侧墙和地下二层中板及中纵梁；

（12）继续向上铺设侧墙防水层，在地下二层中板上设置二衬模板台车，浇筑地下二层侧墙结构和地下一层中板剩余部分，与拱部二衬连接成整体；

（13）施做下部轨道和站台板结构，即可完成暗挖三层地铁车站伞盖结构。

本发明的有益效果为：

1、本发明的岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构及施工方法，可以实现软弱围岩暗挖三层车站的超大断面及其他大跨和超高的地下空间，结构设计合理、稳定性好，可以保证施工安全；

2、结构支护体系简单，初期支护拆除量小，导洞废弃工程量少；

3、中柱和拱部二衬伞盖结构形成后，结构安全稳定且控制地层变形能力强，施工期间能提供开阔的作业空间保证下部施工方便快捷，大大提高施工效率；

4、拱部采用圆顺拱形结构，没有连拱结构V型节点，结构防水质量好；

5、边墙采用钢管柱结合预应力锚索结构，没有任何临时支撑，便于施工且无拆除支撑工况，有效保证高边墙结构施工安全；

6、工法工艺简单、操作方便，良好控制地层变形，并可为整个地下结构工程施工实现大型机械化作业提供条件，提高工效，节省工程造价；

7、本发明提供了一种浅埋或软弱岩质地层暗挖三层地铁车站或大型地下空间的支护结构形式、施工方法多项技术的组合应用与创新，结构受力合理，施工步骤简单且实施进度快，解决了软弱岩质地层高边墙洞室稳定性差，传统的钢架和临时支护结构形式复杂，施工工效和环境条件差，开挖过程中地层变形较大，施工安全风险大和施工组织不方便等诸多难题，较好地拓展了地下超大空间暗挖结构和施工技术的应用空间。

附图说明

图1为本发明的暗挖三层地铁车站伞盖结构示意图；

图2为本发明中上下中部导洞的施工示意图；

图3为本发明中中部梁柱结构的施工示意图；

图4为本发明中地下一层侧洞开挖支护的施工示意图；

图5为本发明中拱部二衬施工示意图；

图6为本发明中下层开挖支护施工示意图；

图7为本发明中地下三层二衬结构施工示意图；

图8为本发明岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构施工完成示意图。

图中，1-超前支护，2-中部导洞初期支护，3-中部导洞临时竖撑，4-锁脚锚管，5-拉压杆钢管，6-拱部侧洞初期支护，7-临时支撑，8-拱脚压浆钢管，9-边墙钢管桩支护，10-边墙预应力锚索，11-底纵梁，12-仰拱二衬中段，13-钢管柱，14-顶纵梁，15-拱部二衬中段，16-中纵梁，17-地下一层中板中段，18-拱部二衬侧段，19-仰拱二衬侧段，20-地下三层侧墙，21-地下二层中板，22-地下二层侧墙，23-地下一层中板侧段，24-站台板内部结构，25-拱脚纵梁，26-纵梁预埋压浆钢管，27-侧墙锚杆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构，包括主体拱形结构、钢筋混凝土仰拱，钢筋混凝土仰拱位于主体拱形结构的下方，主体拱形结构、钢筋混凝土仰拱之间设有地下二层侧墙22、地下三层侧墙20，地下三层侧墙20顶端与地下二层侧墙22底端连接，主体拱形结构包括拱部二衬中段15、拱部二衬侧段18，拱部二衬侧段18位于拱部二衬中段15的两侧，拱部二衬侧段18底端与地下二层侧墙22顶端连接，钢筋混凝土仰拱包括仰拱二衬中段12、仰拱二衬侧段19，仰拱二衬侧段19位于仰拱二衬中段12的两侧，仰拱二衬侧段19的顶端与地下三层侧墙20的底端连接，仰拱二衬中段12的顶部设有两个底纵梁11，拱部二衬中段15的底部设有两个顶纵梁14，顶纵梁11与底纵梁14之间设有钢管柱13，钢管柱13上设有地下一层中板中段17、地下二层中板21、中纵梁16，地下一层中板中段17、地下二层中板21均水平设置，且地下二层中板21位于地下一层中板中段17的下方，地下一层中板中段17的两侧分别设有地下一层中板侧段23，地下一层中板侧段23与地下二层侧墙22连接，地下二层中板21的两端与地下三层侧墙20连接，拱部二衬侧段18的下底面设有拱脚纵梁25，拱脚纵梁25内设有纵梁预埋压浆钢管26，地下二层侧墙22、地下三层侧墙20的侧面设有边墙钢管桩支护9，边墙钢管桩支护9侧面设有边墙预应力锚索10、侧墙锚杆27，所述最上方的边墙预应力锚索10设置在拱脚纵梁25和钢管桩9顶部交接处，边墙钢管桩支护9、边墙预应力锚索10、侧墙锚杆27均位于拱脚纵梁25的下方，主体拱形结构外面设有初期支护，所述初期支护外面设有超前支护1，初期支护包括中部导洞初期支护2、拱部侧洞初期支护6，拱部侧洞初期支护6的两侧拱脚处设置有纵向布置的拱脚压浆钢管8，钢筋混凝土仰拱、地下二层侧墙22、地下三层侧墙20、地下一层中板中段17、地下二层中板21、地下一层中板侧段23、两排钢管柱13、主体拱形结构连接形成一个整体式车站二次衬砌结构。

所述中部导洞初期支护采用格栅钢筋喷射混凝土结构，沿其外缘全环设置超前小导管或者自进式管棚注浆超前支护。

所述拱脚纵梁25为钢筋混凝土结构，内部预埋压浆钢管26注浆保证纵梁底部密实。

地下二层侧墙22、地下三层侧墙20的外侧设置边墙钢管桩支护9，边墙钢管桩支护9上部锚入拱脚纵梁25，下部插入深度超过结构底板下方，内部灌注水泥砂浆，开挖后钢管桩间和表面采用喷射混凝土封闭。

主体结构两排中柱采用钢管柱13，分段采用法兰盘连接，内部灌注混凝土，与顶纵梁14、底纵梁11、地下一层中板中段17、地下二层中板21采用钢筋笼或焊接钢板连接固定。

拱部二衬中段15和两侧拱部二衬侧段18连接形成一个大跨拱形结构，尽端支撑于拱脚纵梁25上，与两排钢管柱13一起形成伞盖结构。

一种岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）测量放线出包含顶纵梁14、底纵梁11的上、下中间导洞的轮廓线，在待开挖的导洞初期支护外侧部位施做超前支护1，进行超前注浆加固地层；上导洞超前支护采用支架32mm小导管，下导洞可根据地层情况采用超前小导管或超前锚杆；

（2）进行上、下中间导洞开挖，开挖跨度约10m，包住两道纵梁范围，开挖完成后立即在开挖断面外缘施作侧导洞拱部初期支护2，采用250～300mm厚格栅钢架和喷射混凝土形成，同时施作上导洞中部的临时支撑3，底部采用临时仰拱喷射混凝土封闭，并在上导洞底部两侧设置直径32mm锁脚锚管4注浆以固定初期支护2和临时支撑3；上部导洞采用分部开挖方法开挖，下导洞采用台阶法开挖；开挖导洞时，先开挖下导洞后开挖上导洞；

（3）下导洞施作一段距离后施作底板防水层，后退施作两排中间立柱13下方的底纵梁11和立柱之间的部分底板仰拱12，底纵梁的中柱位置处预埋锚栓用于与钢管柱连接，底纵梁的外侧预留钢筋接驳器与两侧仰拱连接；

（4）在上导洞内放线定位中柱13，施作中柱孔桩，孔桩直径稍大于中柱结构直径采用1200mm；孔桩施工采用人工爆破施工，岩质条件较差时可采用护壁进行防护；孔桩的上下孔口设置钢筋环与导洞格栅钢筋连接；

（5）上导洞内吊装钢管，钢管分段之间采用法兰盘连接，钢管柱13与孔桩桩壁之间空隙采用填砂密实；分段拆除中部导洞临时竖撑3，拆除长度不大于6m，上导洞内向上施作钢管柱内模筑混凝土，而后铺设防水层、绑扎钢筋，立模浇筑顶纵梁14和结构中间拱段15，预留钢筋接头；顶纵梁间设置拉压杆钢管5，采用直径108mm钢管制成，纵向间距1.5m；

（6）上导洞继续往下开挖至地下一层中板17下方约1.25m处，施做地下一层中板的中间部分17及中纵梁16；两排中柱间可根据情况设置临时支撑连接；

（7）采用直径32mm超前小导管结合自进式管棚加固拱部两侧拱段外缘地层，对称开挖边跨拱部土体，采用"CRD"分步开挖工法，施做初期支护6、临时支撑7及大拱脚加固处理，临时支撑采用I22型钢结合喷射混凝土结构，拱脚处设置直径60mm压浆钢管8，对拱脚进行注浆加固，拱脚初支焊接钢筋与拱脚纵梁相连。两侧拱脚分别打设直径219mm、壁厚8mm钢管桩支护结构9，纵向间距800mm，钢管桩分别嵌入拱脚纵梁内和底板以下岩层1.2m和2.5m，并确保钢管桩垂直度满足要求；

（8）清理拱脚虚渣，施作拱脚纵梁25，预埋钢管26压浆进行纵梁底部围岩加固，打设第一道拱脚纵梁锚索10。分段拆除临时支撑7，铺设防水层绑扎钢筋，模筑车站拱部两侧拱段18混凝土与中间拱段15连接成整体与中柱形成伞盖结构，模筑混凝土沿纵向分段进行，施工时应根据监控量测严格控制临时支撑每次拆除长度，一般每段长度不大于6m；临时支护拆除时应施作一环拆除一环，另一环拆除应在模筑结构达到设计强度70%以上方可进行；

（9）拉槽开挖车站下层岩体，注意加强对边墙和拱脚纵梁25的保护，靠近边墙不小于1.5m范围内岩体采用光面爆破或非爆破开挖。分层边开挖边施作边墙支护，包括多道预应力锚索10、侧墙锚杆27和喷射混凝土封闭，分层高度不超过2.0m。按照该步骤继续分层向下开挖岩体至结构底板标高处，施工过程中对既有中柱结构进行围蔽防护；

（10）开挖至基底后施作仰拱两侧边跨垫层混凝土，然后在仰拱混凝土垫层和侧墙初期支护的内表面上铺设一层仰拱及侧墙防水层，之后在仰拱防水层的上表面浇筑一层混凝土而形成仰拱二衬19；

（11）向上铺设侧墙防水层，对边墙锚索的锚头进行处理，然后在二衬仰拱19上浇筑混凝土形成上部侧墙20和地下二层中板21及中纵梁16；

（12）继续向上铺设侧墙防水层，在地下二层中板上设置二衬模板台车，浇筑地下二层侧墙结构22和地下一层中板剩余部分23，与拱部二衬连接成整体；

（13）施做下部轨道和站台板结构24，即可完成暗挖三层地铁车站伞盖结构。

本发明结构及工法适用于岩质地层暗挖三层地铁车站伞盖结构和其他超大型地下空间结构的建设，施工中应严格控制开挖高度，弱爆破，加强拱顶沉降和边墙水平变形监测。

以上对本发明的1个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。