四联拱PBA地铁车站扣拱施工技术研究

赵树林

北京市轨道交通建设管理有限公司

摘 要：北京地铁14号线安乐林站是国内首例全四联拱PBA地铁暗挖车站，在常规三联拱PBA车站的基础上增加一跨，作为风道及设备用房使用，此跨与车站主体结构同步施工，解决了后续风道施工另外占地、管线改拆、工期不可控等问题，是对传统的暗挖PBA工法进行了一次创新性改进。本文以北京地铁14号线安乐林站为例，主要对四联拱扣拱步序、初支扣拱、二衬扣拱技术要点和监测数据进行分析讨论。

关键词：四联拱；PBA地铁车站；扣拱、研究

一、工程概况

北京地铁14号线工程安乐林站原设计采用明挖法施工，但因征地拆迁困难，项目上场两年多仍未能进场施工，后论证研究决定变更为暗挖法施工，变更后安乐林站长215.8m、宽29.7m、高15.6m，为地下两层三柱四拱框架结构，分上下两层共10个小导洞，采用PBA工法施工，较常规暗挖PBA车站多出一跨（图示D-E跨），结构横剖面图见图1。

车站覆土厚度不足7m，地质情况从上至下依次为杂填土、粉土、粉质粘土、中粗砂及砂卵石地层，车站中部有一层间滞水。车站周边分布风险源众多，其中一级风险源10处（主要有老旧平房区、市政污水管线、居民楼及商铺等）、二级风险源9处、三级风险源5处。

图1 安乐林站结构横剖面图

二、研究目的及意义

暗挖PBA车站施工场地占地面积小，能够有效解决城区施工征地拆迁难的问题，实现尽快进场施工，工期可控。随着城市轨道交通的迅速发展，近些年来PBA工法在地铁施工中逐渐被广泛应用。现已较多地应用于地面交通繁华的城市地下工程建设中，创造了巨大的社会和经济效益。

据了解，目前国内的地铁暗挖PBA法施工车站基本为一柱两拱或两柱三拱结构，本工程是在常规三联拱PBA车站的基础上增加一跨，作为风道及设备用房使用，此跨与车站主体结构同步施工，使用车站施工竖井及横通道，解决了后续风道施工另外占地、管线改拆等前期工作量繁多、工期不可控等问题，是对传统的暗挖PBA工法进行的一次创新性改进，另根据不同工程实际，此增加跨可沿车站长度通长设置，也可根据风道及设备用房需求只在车站端头或中部设置，因此，该施工技术经验有着广阔的应用前景。

三、总体施工顺序

因本工程为四跨结构，车站宽度大，为有效控制地表、管线及周边建构筑物的沉降变形，在扣拱施工过程中应遵循最大限度减小施工面横向悬空长度、降低群洞效应对沉降的不利影响的原则进行，确保施工及周边环境安全。为此，在对常规三联拱暗挖PBA车站施工顺序进行研究、分析及综合比较的基础上，最初确定了三种扣拱施工顺序方案：

方案一：

先同步施工AB、CD跨初支扣拱，待其开挖完成15m后，再同步施工BC、DE跨初支扣拱，待初支扣拱全部施工完成，沉降变形稳定后，拆除小导洞初支结构，同步施工AB、CD跨二衬扣拱，再同步施工BC、DE跨二衬扣拱，其与AB、CD跨二衬扣拱错开距离不小于15m。

方案二：

先同步施工AB、CD跨初支扣拱，待其开挖完成15m后，再进行BC跨初支扣拱开挖施工，A~D跨初支扣拱完成后，依次错开15m安全距离进行A~D跨二衬扣拱施工；然后开始D~E跨初支扣拱开挖施工，与A~D跨二衬扣拱施工错开距离不小于15m，最后再进行D~E跨二衬扣拱施工。

方案三：

先同步施工AB、CD跨初支扣拱，错开15m安全距离后再施工BC跨初支扣拱，最后施工DE跨初支扣拱（DE跨为在常规三联拱工法基础上增加的一跨），DE跨与BC跨错开不小于15m安全距离；初支扣拱施工完成，沉降变形稳定后进行二衬扣拱施工：先同步施工AB、CD跨二衬扣拱，错开15m安全距离后再施工BC跨二衬扣拱，最后施工DE跨二衬扣拱，DE跨与BC跨错开不小于15m安全距离。

针对以上三种方案，本工程从结构稳定、沉降控制、施工工期、施工组织、施工投入等多方面进行了对比和分析（详见表1），

表1 安乐林站扣拱施工方案对比表

方案 因素	结构稳定性	沉降控制	施工工期	施工组织	施工投入	综合评定
一	一般	难	短	简单	大	较好
二	好	可控	长	困难	小	一般
三	较好	可控	较短	简单	较大	好

最终决定采取方案三所述施工顺序进行施工：初支扣拱及二衬扣拱施工顺序均为先同步施工AB、CD跨，错开15m安全距离后再施工BC跨，最后施工DE跨（DE跨为在常规三联拱工法基础上增加的一跨），即：将四联拱施工分解为“3+1”联拱，并在常规三联拱暗挖车站“先中间后两边”施工顺序的基础上演变为“2-1-1”顺序。目前安乐林站扣拱施工已顺利结束，施工引起的周边环境及风险源沉降变形控制在了预期范围内，保证了风险源的安全，经实践验证，选择此方案是正确的。

四、四联拱初支扣拱施工技术要点

1. 1. 1. 1. 开挖技术控制

1. 超前加固

由横通道进行初支扣拱开挖前，需对马头门处拱部土体进行超前注浆加固，因安乐林站拱部开挖面覆土厚度仅7m左右，且上方分布众多风险源，为保证开挖及风险源管线及道路的安全，综合各方面加固效果，决定在马头门处及下穿风险源段采用超前深孔注浆加固的措施，在其余段落采用超前小导管进行加固。

深孔注浆纵向12m为一循环，设置2m止浆墙，钻孔间距横向与竖向均为650mm，采用后退式注浆，注浆材料为水泥浆，注浆压力控制在0.5MPa~1.0Mpa。注浆加固范围见图2。

在风险源管线附近应控制注浆压力，防止压力过大对管线造成破坏。注浆结束评定标准为注浆压力逐步升高、当达到设计终压并继续注浆10min以上。注浆结束后，必须在分析资料的基础上进行注浆效果检查，采取钻孔取芯或实际开挖观察浆液填充情况，如未达到效果则进行重新调整注浆参数补孔加密注浆，注浆结束后注浆钻孔封填密实。

图2 安乐林站初支扣拱超前深孔注浆横断面图

2. 开挖

初支扣拱采用台阶法施工，因开挖空间限制，均采用人工开挖，机动三轮车配合出土，开挖速度慢，且开挖工费高。针对此问题，在对现场施工条件及对后续工序影响分析的基础上，通过调研、分析，最终决定采取对策为：在保证后续二衬扣拱施工空间需求的前提下，不一次开挖到导洞底部，仅开挖约3/5的土体高度，剩余土体在施工站厅层时采用机械开挖。这样既提高了初支扣拱开挖效率，又降低了开挖成本，取得了很好的效果。

常规开挖方式 创新后开挖方式

图3 安乐林站初支扣拱开挖横断面示意图

1. 1. 1. 2. 格栅连接

初支扣拱施工时，格栅安装的关键是将车站拱部扣拱格栅与相邻两导洞格栅连接在一起，一般设计采用角钢螺栓连接，而相邻两导洞施工时稍有偏差就会造成与扣拱格栅连接角钢螺栓孔无法准确对接，影响连接质量。本工程在施工中采取控制措施如下：

1、加工精度控制

严格控制导洞和扣拱格栅加工质量，尤其是预埋钢板焊接位置的精确度，从源头上保证安装质量。

2、导洞定位控制

小导洞施工时精确测量，每5m测放同步里程点，小导洞格栅安装时严格控制左右两侧里程同步，保证其在同一垂直面内，并在第一个施作的小导洞每榀格栅喷锚封闭前记录好其准确安装里程，后续施工小导洞每榀格栅严格按照先施工小导洞每榀格栅里程一一对应进行安装施工，以确保主体结构四跨初支扣拱格栅安装在同一垂直面内。另通过安装红外线激光指向仪严格控制每榀小导洞格栅的轴线及高程，从而保证初支扣拱接口位置的准确性。

3、连接工艺改进

（1）扣拱格栅与导洞连接端采用开口可调模式进行连接，利用四根L型钢筋一端与导洞预埋钢板焊接，另一端再与初支扣拱格栅焊接，以此可以调整因预埋钢板位置偏差、安装精度偏差及格栅微小扭曲造成的误差，从而保证可以有效焊接牢固。

（2）加大预埋钢板尺寸，从而增大后续扣拱格栅焊接连接有效连接面积，消除因各方面加工及安装误差造成的连接不到位现象。

图4 初支扣拱格栅连接节点示意图

五、二衬扣拱施工技术要点

1. 1. 1. 3. 施工缝防水

在顶纵梁施工时需预先浇筑部分车站拱部二衬，不可避免会在顶纵梁两侧留下纵向施工缝，而受PBA工法施工工艺限制，二衬扣拱纵向施工缝处防水板施工时需将前期顶纵梁施工预留部分反折，且此部位防水板在导洞初支破除时极易损坏，因空间及反折角度限制，损坏部位容易遗漏和修补不到位，进而造成顶纵梁纵向施工缝成为PBA暗挖车站最易渗漏水部位，是防水重点同时也是最大难点部位，因此需采取多方面措施加以重点控制。

1. 防水板保护

因在导洞初支破除过程中极易对预留防水板接头造成破坏，因此在顶纵梁拱部导洞范围内防水板铺设时需预先采取保护措施，具体实施如下：

在导洞内顶纵梁上部防水板铺设施工前，由测量准确定位，在后期二衬扣拱施作需破除范围内安装1cm厚木板，并与导洞初支固定牢固，然后铺设土工布保护层及防水板，在顶纵梁上部回填混凝土施工时应将保护木板范围上部回填密实，达到加强固定木板的效果，防止后续混凝土破除及格栅割除施工时木板脱落，达不到保护防水板的目的。

后期破除施工凿至初支根部时，应采用电镐小心剔凿，慢慢凿至保护木板处，防止防水板受到破坏，然后将保护木板采用小型手持电锯进行割除，进行防水板施工。

图5 二衬扣拱预留防水板保护措施示意图

2. 细部防水措施设计

常规防水设计此施工缝部位为水泥基渗透结晶材料+遇水膨胀止水胶+注浆管，防水效果不理想，为保证防水效果，减少渗漏水的出现，本工程采用在保留原防水设计措施的基础上在二衬扣拱纵向施工缝部位增加一道防水效果较好钢边橡胶止水带，采取多重设防的方式来加强防水效果。实践证明，在二衬扣拱施工完成后，较其他相同条件PBA车站相比，二衬扣拱纵向施工缝渗漏水点大大减少了，取得了较好的效果。二衬扣拱纵向施工缝细部构造防水措施详见图6。

图6 顶纵梁纵向施工缝防水措施示意图

1. 1. 1. 4. 钢筋安装

二衬扣拱钢筋连接采用机械连接，中跨扣拱钢筋安装时为两端固定，采取一端正反丝扣，一端全丝方式进行连接，连接前应将预埋钢筋进行调直，以保证横断面钢筋的垂直度，二衬扣拱钢筋安装时采用红外线激光指向仪对钢筋进行定位，以保证扣拱弧度的精确度和保护层厚度的精确度。由于边跨跨度较大，且一端为连接侧墙的活动端，因此为保证钢筋排距及保护层大小，在钢筋绑扎过程中应及时进行支顶，防止安装到位钢筋骨架下沉，直至模板台车安装时方可拆除支撑杆件。

另因两侧边跨二衬扣拱钢筋施工时需施工部分车站主体侧墙钢筋，且要为下部站厅层侧墙施工预留接头，为保证后续站厅层侧墙施工钢筋的顺利连接、施工缝处处理方便及混凝土浇筑的密实性，采取控制措施如下：

1、对预留钢筋接头直螺纹套筒采取胶带缠绕包裹严密，防止污染；

2、对钢筋精确定位工作完成后，下部采用砂土回填，回填至预留直螺纹套筒顶部约10cm，并形成斜坡，背水侧高，迎水侧低，坡度约15度；

3、在回填砂土表面再采用水泥砂浆抹面，厚度3cm左右，加强回填面平整度及表面强度，防止浇筑混凝土时冲击力较大，回填坡度破坏及砂土嵌入混凝土中，影响后续施工缝处理，详见图7。

图7 二衬扣拱施工边墙施工缝措施示意图

1. 1. 1. 5. 二衬扣拱简易台车

二衬扣拱传统施工方法为模板支架法，因施工空间狭小，支架搭设、拱架及模板安拆施工不便，效率极低，且每次拱架及模板定位程序较为繁琐，精度控制较难。本工程在总结各方面经验的基础上决定采用简易可移动定型台车，台车长度7.5m，主体结构采用I12a工字钢+1500×750钢模板组合而成，钢模板采用定型模板或可调模板均可，根据现场施工实际周转利用需要而定。双拼I20a工字钢作为台梁，I22a工字钢作为行走轨道，此台车操作定位简单、移动方便，采用定型模板，一次固定成型，拼缝严密，混凝土外观质量好，并且极大地提高了施工效率，且造价不高，节省了大量的人力，降低了施工总成本。二衬扣拱简易台车详见图8~图11。

图8 边跨台车模板支撑示意图

图9 中跨台车模板支撑示意图

图10 台车支撑平面图

图11 台车支撑纵剖面图

六、监控量测数据分析

1. 1. 1. 6. 扣拱施工期间沉降情况分析

根据初支扣拱及二衬扣拱施工过程中各监测项目数据的采集，选取了三个典型断面，每个断面在每一跨上各选取一个典型测点绘制了扣拱期间沉降变形动态曲线图（见图12-14）。根据曲线图分析，得出安乐林站扣拱期间沉降变形规律如下：

1、四联拱PBA暗挖车站扣拱施工期间各监测点累计沉降为-9.58mm ~ -14.63mm之间，其中初支扣拱阶段累计沉降为-5.87mm ~ -10.71mm之间，约占扣拱总沉降的60%~70%。

2、扣拱施工阶段沉降变形受开挖跨度影响，两个边跨沉降量最大。

3、受群洞效应影响，后开挖跨施工时，先开挖完成跨再次发生沉降。

4、二衬扣拱结束后整个车站大的沉降变形阶段已经过去，沉降变形已基本稳定。

	图12 K21+459断面沉降时程曲线图
	图13 K21+507断面沉降时程曲线图
	图14 K21+610断面沉降时程曲线图

1. 1. 1. 7. 横断面累积值沉降变化

二衬扣拱施工完后，选取车站两个横断面上的监测点绘制出横断面累积沉降曲线图，见图15。

图15 车站横断面累积沉降曲线图

从图15可以看出，因每道施工工序都会对其施工断面上方土体造成扰动，而中部受到两侧施工扰动次数最多，因此中部监测点累积沉降值大于两侧监测点沉降值。

七、不足及建议

1. 1. 1. 8. 不足

1、初支扣拱格栅连接时扩大预埋钢板的面积能够有效保证格栅连接的质量，但在后期二衬扣拱破除施工时，初支表面下部多余钢板需进行割除，方能进行防水施工，增加了工作量。

2、二衬扣拱施工缝处增加了钢边橡胶止水带，起到了较好地止水效果，但仍未能根治渗漏水，二衬扣拱施工结束后施工缝处仍有渗漏水点。

1. 1. 1. 9. 建议

1、在城区繁华地段如遇明挖地铁车站征地拆迁困难，进展缓慢时，应尽快变更为施工占地面积小的暗挖四联拱PBA法施工，以达到尽早进场施工的目的。

2、二衬扣拱纵向施工缝部位属于防水重点部位，除增加钢边橡胶止水带外，还应提前与设计沟通，采取防水与限量排水相结合的方式，或者再采取其他加强防水措施，以达到此处止水效果。

3、提前与设计沟通，尽量统一四联拱各跨宽度及拱部弧度，以减少模板台车的投入，提高模板台车周转利用率。

参考文献

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