一种软土地层超大矩形连续沉井地下车站施工方法

技术领域

本发明属于地下空间工程施工技术领域，具体涉及一种软土地层超大矩形连续沉井地下车站施工方法。

背景技术

沉井结构整体性强、稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载。沉井既可为主体结构、又可为施工时围护结构，下沉过程中无需设置大量临时立柱、支撑及支护加固等，相较于传统明挖基坑，很大程度上简化了施工。现阶段，大型矩形沉井结构在我国市政、桥梁与水利等大型工程中广泛采用，如盾构始发井、顶管工作井、建筑物基础、桥梁桩基围堰、桥梁锚锭基础等。针对轨道地下车站方面，一是受限于车站长条形、大尺寸整体特点，二是目前连续沉井结构尚处于小尺寸或小规模阶段，三是大型矩形沉井研究多停留在理论阶段，对地下车站的应用存在着明显弊端。目前国内外对于单个矩形沉井研究相对充分，但对连续沉井的研究基本停滞在圆形沉井、小尺寸连续沉井或小规模连续沉井上，暂无对大型矩形连续沉井研究及其在地下车站建造上的使用。

发明内容

本发明旨在建立软土地层地下车站超大矩形连续沉井群的新型施工方法，为超大连续沉井施工，以及超大连续沉井在地下车站建造中的应用奠定坚实基础，提供理论、实践指导和依据，促进超大连续沉井工法向广泛性、系统性、科学性发展。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种软土地层超大矩形连续沉井地下车站施工方法，包括以下步骤：

第一阶段施工；同时施工其中一个端头井和与该端头井间隔为奇数个的沉井，且从自灌注桩一直施工到素砼封底；

第二阶段施工；对其余沉井同时进行施工，且一直施工到素砼封底，同时施工第一阶段中沉井内部结构；

连接段井施工；对沉井之间的连接段进行施工，同时施工第二阶段中沉井内部结构；在沉井施工时，每个沉井均采用矩形框架结构

作为上述方案中的优选，每个沉井的施工均包括以下步骤：

S1：沉井施工前准备；先钻孔灌注桩施工，待钻孔灌注桩检测合格后，放坡开挖工作面，然后施工沉井底垫层，待垫层达到设计强度后，再进行砖胎膜制作；

S2：第一、二节沉井制作及下沉；先依次完成第一节沉井的浇筑和第二节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，按要求顺序凿除垫层后，在减摩泥浆及助沉装置的作用下，采用排水法取土下沉；

S3：第三、四节沉井制作及下沉；先依次完成第三节沉井的浇筑和第四节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，在减摩泥浆及助沉装置的作用下，采用不排水法取土下沉至设计标高；

S4：完成施工；先水下浇筑封底素砼，然后从下到上依次施工车站各层楼板，最后回填并恢复路面至原状。

进一步优选，所述S2中包括以下步骤：将第一节沉井的钢筋和模板依次安装完成，然后完成第一节沉井的浇筑，再进行第二节沉井的钢筋和模板的依次安装，然后完成第二节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，安装助沉装置，然后拆除第一节和第二节沉井制作时使用的内部支架、模板，再按照先内后外分区域对称凿除混凝土垫层后，采用排水法取土下沉。

进一步优选，所述S3中包括以下步骤：先拆除助沉装置，再将第三节沉井的钢筋和模板依次安装完成，然后完成第三节沉井的浇筑，再进行第四节沉井的钢筋和模板的依次安装，然后完成第四节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，安装助沉装置，然后拆除第三节和第四节沉井制作时使用的内部支架、模板，再采用不排水法取土下沉。

进一步优选，在每节沉井浇筑前后对接缝处进行防水施工，同时在每节沉井结构达到设计强度后，对沉井外侧进行外防水施工。

进一步优选，所述助沉装置包括钢绞线、冠梁锚固端和牛腿，所述冠梁锚固端固定设置在沉井外的冠梁上，所述牛腿固定设置在沉井井壁外侧上端，所述牛腿上设置有空心千斤顶，所述钢绞线竖直设置在牛腿和冠梁锚固端之间，且钢绞线的上端向下依次穿过牛腿和空心千斤顶，钢绞线的下端固定在冠梁锚固端上。

进一步优选，所述冠梁锚固端包括若干根预埋在冠梁内的竖向钢筋，所有竖向钢筋的上端固定设置有预埋在冠梁内的冠梁预埋板，所述冠梁预埋板上通过竖直支撑柱设置有下顶板，所述下顶板设置有供钢绞线通过的下通孔，且竖直支撑柱位于下通孔的左右两侧，所述下顶板的下方依次设置用于固定钢绞线的下工具锚和下工具夹片。

进一步优选，所述下顶板上设置有用于保护下顶板受压后不变形的第一保护组件，所述第一保护组件包括设置在钢绞线前后两侧的两个第一保护方钢，且两个第一保护方钢之间设置有位于钢绞线左右两侧的第一连接板。

进一步优选，所述下顶板与冠梁预埋板之间设置有用于放置下工具夹片掉落的防掉组件，所述防掉组件包括位于在下工具夹片下方的下挡板和位于在下顶板上方的上挡板，且上挡板与下挡板之间通过螺栓连接，所述上挡板与下挡板上均设置有供钢绞线通过的挡板通孔。

进一步优选，所述钢绞线间隔且平行设置有若干根，且钢绞线位于牛腿和冠梁锚固端之间的部分外套有用于保护的伸缩波纹管。

进一步优选，所述牛腿包括用于放置空心千斤顶的上顶板，所述上顶板上设置有供钢绞线通过的上通孔，所述上顶板通过左右间隔且对称设置的两个支撑组件设置在沉井井壁外侧上，所述两个支撑组件之间的距离能供钢绞线通过，所述空心千斤顶的上方向上依次设置用于固定钢绞线的上工具锚和上工具夹片。

进一步优选，所述支撑组件包括水平支撑柱和倾斜设置在水平支撑柱下方的斜向支撑柱，所述水平支撑柱的后端固设在预埋在沉井井壁内的井壁上预埋板上，所述斜向支撑柱的后下端固设在预埋在沉井井壁内的井壁下预埋板上，且井壁上预埋板和井壁下预埋板的后侧均对应设置有若干根预埋在沉井井壁内的横向钢筋。

进一步优选，所述水平支撑柱与井壁上预埋板之间设置有加强肋板。

进一步优选，所述上顶板上设置有用于上顶板受拉后不变形的第二保护组件，所述第二保护组件包括设置在空心千斤顶前后两侧的两个第二保护方钢，且两个第二保护方钢之间设置有位于空心千斤顶左右两侧的第二连接板。

进一步优选，所述空心千斤顶上方设置有用于保持上工具夹片状态的保持组件，所述保持组件包括位于上工具夹片上的上压板，所述上压板通过螺栓设置在上顶板上，且上压板上设置供钢绞线通过的压板通孔。

本发明的有益效果：

1)在多个沉井施工时，采用跳仓施工的方式进行，对于在富水软土地层的沉井施工中，能很好地保证施工的安全性，减少对环境的影响，降低围岩扰动，同时由于跳仓施工，在施工时能多个沉井一起施工，从而能有效提高施工进度，减少施工周期。

2)在沉井下沉中，通过设置助沉装置，其能对沉井施加一下向下的力，即增加超大矩形沉井下沉时的下沉力，便于下沉中克服水的浮力，从而保证超大矩形沉井的顺利下沉。

附图说明

图1为本发明的施工流程图。

图2为本实施例中沉井的施工流程图。

图3为本发明中第一阶段的施工示意图。

图4为本发明中第二阶段的施工示意图。

图5为本发明中连接段的施工示意图。

图6为本实施例施作钻孔灌注桩，放坡开挖工作面、浇筑沉井底垫层、施做冠梁上挡墙后的示意图。

图7为本实施例第一节和第二节沉井浇筑，且安装完成助沉装置后的示意图。

图8为本实施例破除底垫层，采用第一次排水法下沉时的示意图。

图9为本实施例第一次下沉到指定位置后，向井内注水的示意图。

图10为本实施例浇筑第三节和第四节沉井，且安装完成助沉装置后的示意图。

图11为本实施例第二次采用不排水法下沉时的示意图。

图12为本实施例浇筑封底混凝土后的示意图。

图13为本实施例抽排沉井内水后的示意图。

图14为本实施例底板、中板和顶板施工完成后的示意图。

图15为本实施例回填后的示意图。

图16为本实施例连接段的施工示意图。

图17为本发明中牛腿的结构示意图。

图18为图17中剖面线1-1剖视图。

图19为图17中剖面线2-2剖视图。

图20为图17中剖面线3-3剖视图。

图21为本发明中冠梁锚固端的示意图。

图22为图21中剖面线4-4剖视图。

图23为图21中剖面线5-5剖视图。

附图标记：钢绞线-1、空心千斤顶-2、竖向钢筋-3、冠梁预埋板-4、竖直支撑柱-5、下顶板-6、下工具锚-7、第一保护方钢-8、第一连接板-9、上顶板-10、水平支撑柱-11、斜向支撑柱-12、井壁上预埋板-13、井壁下预埋板-14、横向钢筋-15、加强肋板-16、第二保护方钢-17、第二连接板-18。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1-图23所示，一种软土地层超大矩形连续沉井地下车站施工方法，包括以下步骤：

第一阶段施工；同时施工其中一个端头井和与该端头井间隔为奇数个的沉井，且从自灌注桩一直施工到素砼封底。

第二阶段施工；对其余沉井同时进行施工，且一直施工到素砼封底，同时施工第一阶段中沉井内部结构。

连接段井施工；对沉井之间的连接段进行施工，同时施工第二阶段中沉井内部结构；在沉井施工时，每个沉井均采用矩形框架结构，即采用跳仓施工的方式进行。在具体实施时，由于每个阶段均有多个沉井，其可能因为因素(如工人不够，或者是材料没有准备齐全等)不能同时施工，只要满足跳仓施工均可。

每个沉井的施工均包括以下步骤：

第一步：沉井施工前准备；先钻孔灌注桩(抗拔桩)施工，待钻孔灌注桩检测合格后，放坡开挖工作面，然后施工沉井底垫层，待垫层达到设计强度后，再进行砖胎膜制作。其中垫层包括依次施工的砂垫层和混凝土垫层，砖胎膜制作包括冠梁等的制作。

第二步：第一、二节沉井制作及下沉；先依次完成第一节沉井的浇筑和第二节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，按要求顺序凿除垫层后，在减摩泥浆及助沉装置的作用下，采用排水法取土下沉。

将第一节沉井的钢筋和模板依次安装完成，然后完成第一节沉井的浇筑，再进行第二节沉井的钢筋和模板的依次安装，然后完成第二节沉井的浇筑。待沉井结构达到设计强度后，安装助沉装置，将助沉装置的牛腿安装在第二沉井井壁的外侧上端处。然后拆除第一节和第二节沉井制作时使用的内部支架、模板，再按照先内后外分区域对称凿除混凝土垫层后，凿断线与刃脚底边齐平，并且凿除的混凝土垫层应立即清除，同时用砂或砂加碎石回填空穴，采用排水法取土下沉。在沉井的钢筋模板安装包括架立内模、绑扎钢筋、架立外模，且在钢筋模板安装前，需要先搭设脚手架。在下沉时，下沉前首节的混凝土强度必须达到设计强度,其余各节不得低于设计强度的70％，即第一节沉井的强度必须达到设计强度，而第二节沉井强度不低于设计强度的70％。

第三步：第三、四节沉井制作及下沉；先依次完成第三节沉井的浇筑和第四节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，在减摩泥浆及助沉装置的作用下，采用不排水法取土下沉至设计标高。

先拆除助沉装置，再将第三节沉井的钢筋和模板依次安装完成，然后完成第三节沉井的浇筑，再进行第四节沉井的钢筋和模板的依次安装，然后完成第四节沉井的浇筑，待沉井结构达到设计强度后，安装助沉装置，然后拆除第三节和第四节沉井制作时使用的内部支架、模板，再采用不排水法取土下沉。

在每节沉井浇筑前后对接缝处进行防水施工，同时在每节沉井结构达到设计强度后，对沉井外侧进行外防水施工。在下沉取土时，通过挖机、水力冲泥配合抓斗吊取土，当然取土前已经处于淤泥状态时，不需要水力冲泥。在挖土下沉时，需要分层、均匀、对称进行，且先挖中间部分，保留刃脚周围土体，使沉井切土下沉。

第四步：先水下浇筑封底素砼，然后从下到上依次施工车站各层楼板，最后回填并恢复路面至原状。

先水下浇筑封底素砼，再拆除助沉装置和临时立柱，然后施工顶圈梁，且连接钻孔灌注桩和沉井侧壁，待封底到达设计强度后，进行沉井排水。再依次施工底板、中板和顶板，其中中板和顶板可采用现浇或者是拼装预制方式，然后施工车站各层楼板的后浇层，再敷设结构防水层，最后回填并恢复路面至原状。

沉井下沉中使用的助沉装置主要由钢绞线1、空心千斤顶2、冠梁锚固端和牛腿组成，其中冠梁锚固端固定设置在沉井外的冠梁上，牛腿固定设置在沉井井壁外侧上端，空心千斤顶2设置在牛腿上，钢绞线1竖直设置在牛腿和冠梁锚固端之间，且钢绞线的上端向下依次穿过牛腿和空心千斤顶2，钢绞线的下端固定在冠梁锚固端上。当空心千斤顶向上拉拔钢绞线时，由于钢绞线的另一端固定设置在冠梁上，对沉井施加一下向下的力，就能增加超大矩形沉井下沉时的下沉力。

为防止钢绞线拉断，钢绞线1间隔且平行设置有若干根，且钢绞线1位于牛腿和冠梁锚固端之间的部分外套有用于保护的伸缩波纹管。当然钢绞线也可根据需要设置为能承受住拉拔力其它材质的绳索结构。

冠梁锚固端包括若干根预埋在冠梁内的竖向钢筋3，所有竖向钢筋3的上端固定设置有预埋在冠梁内的冠梁预埋板4，且冠梁预埋板的外表面与冠梁顶面齐平，冠梁预埋板4上通过竖直支撑柱5设置有下顶板6，在下顶板6设置有供钢绞线1通过的下通孔，且竖直支撑柱5位于下通孔的左右两侧。为方便钢绞线的固定，在下顶板6的下方依次设置用于固定钢绞线1的下工具锚7和下工具夹片，工具锚为现有技术。竖直支撑柱5可以左右间隔设置有两根，竖直支撑柱5也可以是设置在下顶板6与冠梁预埋板4之间呈矩形分布的至少四根方钢，为方便下工具锚的安装，可在两个竖直支撑柱的内侧设置有能支撑工具锚的支撑凸起，支撑凸起可设置为两根钢筋，安装时，下工具锚直接滑入到指定位置。

在下顶板6上设置有用于保护下顶板6受压后不变形的第一保护组件。第一保护组件包括设置在钢绞线1前后两侧的两个第一保护方钢8，且两个第一保护方钢8之间设置有位于钢绞线1左右两侧的第一连接板9。

在下顶板6与冠梁预埋板4之间设置有用于放置下工具夹片掉落的防掉组件。防掉组件包括位于在下工具夹片下方的下挡板和位于在下顶板上方的上挡板，且上挡板与下挡板之间通过螺栓连接，在上挡板与下挡板上均设置有供钢绞线1通过的挡板通孔，当然也可只设置下挡板，下挡板固定在冠梁锚固端上。

牛腿包括用于放置空心千斤顶2的上顶板10，在上顶板10上设置有供钢绞线1通过的上通孔。为方便上顶板的支撑，在上顶板10通过左右间隔且对称设置的两个支撑组件设置在沉井井壁外侧上，且两个支撑组件之间的距离能供钢绞线1通过。为实现钢绞线的固定，在空心千斤顶2的上方向上依次设置用于固定钢绞线1的上工具锚和上工具夹片。

支撑组件包括水平支撑柱11和倾斜设置在水平支撑柱11下方的斜向支撑柱12，水平支撑柱11的后端固设在预埋在沉井井壁内的井壁上预埋板13上，斜向支撑柱12的后下端固设在预埋在沉井井壁内的井壁下预埋板14上，且井壁上预埋板13和井壁下预埋板14的后侧均对应设置有若干根预埋在沉井井壁内的横向钢筋15，井壁上预埋板和井壁下预埋板的外表面与井壁外表面齐平。

水平支撑柱11与井壁上预埋板13之间设置有加强肋板16，当然斜向支撑柱与井壁下预埋板之间也可设置加强肋板，由于水平支撑柱与斜向支撑柱采用工字钢，因此加强肋板设置在对应支撑柱的上下两侧。

上顶板10上设置有用于上顶板受拉后不变形的第二保护组件。第二保护组件包括设置在空心千斤顶2前后两侧的两个第二保护方钢17，且两个第二保护方钢17之间设置有位于空心千斤顶2左右两侧的第二连接板18。

空心千斤顶2上方设置有用于保持上工具夹片状态的保持组件。保持组件包括位于上工具夹片上的上压板，上压板通过螺栓设置在上顶板上，且上压板上设置供钢绞线1通过的压板通孔，当然上压板也可通过方钢焊接在牛腿上。

在本实施例中，上压板、下顶板、冠梁预埋板、上挡板、下挡板、上顶板均采用钢板，竖直支撑柱采用H型钢，水平支撑柱和斜向支撑柱均采用前后延伸设置的工字钢，其中竖直支撑柱和水平支撑柱位于中间肋板的左右两侧均竖直设置有加强肋板，且两个水平支撑柱的内侧也设置有连接上下两端的加强板，斜向支撑柱位于中间肋板的左右两侧均斜向设置有加强板。竖向钢筋的下端和横向钢筋朝向沉井内的一端均设置有折弯。

本辅助装置在使用时，配备有能控制所有空心千斤顶压力的控制系统，通过控制系统保证沉井下沉的精度和准确度，即在沉井下沉时实现加压下沉。

本申请已进行实地施工，根据设计图纸和用地审批，将车站分为7个沉井且分别命名为1#-7#沉井，其中1#和7#沉井结构和尺寸相同为23.4m×33.1m，2#-6#均为24.8m×44.86m的沉井，且每个沉井之间的间距为2.5m，即连接段的距离为2.5m。

在施工时，由于外界原因，在第一阶段施工时，先施工7#沉井，并且自灌注桩开始至素砼封底施工；然后再施工1#、3#、5#沉井，也是自灌注桩开始至素砼封底施工，同时施工7#沉井的内部结构；第三阶段施工2#、4#、6#沉井，也是自灌注桩开始至素砼封底施工，同时施工1#、3#、5#沉井的内部结构；最后再施工剩余连接段，同时施工2#、4#、6#沉井的内部结构，从而完成整个车站的施工。整体也是采用跳仓施工的方式进行。由于该车站需要与整个车道进行连接，因此在施工完成后的车站需要具备盾构始发条件，即在两侧的端头井外侧需要预留供盾构机通过的通道，也就是形成该通道的钢环需要在浇筑井壁时提前埋入到井壁内。其中1#、7#第一次下沉到10m，第二次下沉到15.085m，其余沉井第一次下沉到7.1mm，第二次下沉到15.085m。在1#和7#沉井的前后两侧面的每个侧面上均间隔设置6个助沉装置，在其余沉井的前后两侧面的每个侧面上均间隔设置10个助沉装置，同时在1#和7#的左侧面上，也间隔设置有3个助沉装置，且在实际使用，发现竖向钢筋和横向钢筋均需要选择超过直径25mm的螺纹钢。

每个沉井施工的步骤如图6-16所示，其中图6为施作钻孔灌注桩，放坡开挖工作面、浇筑沉井底垫层、施做冠梁上挡墙后的示意图，图7为第一节和第二节沉井浇筑，且安装完成助沉装置后的示意图，图8为破除底垫层，采用第一次排水法下沉时的示意图，图9为第一次下沉到指定位置后，向井内注水的示意图，图10为浇筑第三节和第四节沉井，且安装完成助沉装置后的示意图，图11为第二次采用不排水法下沉时的示意图，图12为浇筑封底混凝土后的示意图，图13为抽排沉井内水后的示意图，图14为底板、中板和顶板施工完成后的示意图，其中顶板和中板均采用预制顶板和中板，图15为回填后的示意图。连接段采用现有技术中的N-jet工法进行施工，如图16所示。

该车站采用上述施工方法后，与传统明挖法相比，优化土建费用约1600万元，节约工期2.5个月，减少水泥土加固2.4万立方米，减少钢筋1700吨、混凝土4600立方米、减少弃渣3.96万立方米。