采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站及施工方法与流程

本发明涉及地下工程，具体涉及一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站及施工方法。

背景技术：

当地下工程建造地铁车站时，需提前施做主体结构端头井部分，然后进行盾构隧道的过站施工形成地铁车站；但该种方法施工往往存在以下问题：

1、端头井必须首先施工，否则无法形成始发/接受条件，进而盾构隧道难以通过。

2、地铁车站形式单一，基本均为矩形框架结构体系。

3、主体结构施工前需先施做围护结构(不作为主体结构)，造成资源浪费。

为了克服上述地铁车站建造方法的不足之处，采用预制构件建造地铁车站的方法逐步发展起来，形成了以工厂化预制，然后拼装而成的矩形框架结构的地铁车站形式(长春地铁2号线袁家店车站)；但仍没有克服上述地铁车站的不足之处，因此，地铁车站的建造仍需要进行进一步的优化创新。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站的施工方法，该地铁车站可先行让盾构隧道过站，不必先行施做端头井，然后通过矩形顶管顶推形成地铁车站结构形式，缩短了地铁车站主体长度，减少了基坑开挖量；其次，在施工过程中通过调整圆形盾构隧道的位置可调整区间隧道与车站主体部分的相对位置，结构形式相对灵活；另外，该种方法可不必进行地铁车站主体结构施工之前的维护结构施工，大幅节约了建设成本，具有极强的经济效益和推广价值。

本发明的第二目的是提供一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站，该地铁车站的建造形式主要通过在相邻预制构件设有榫槽或者与榫槽配合的榫头，实现在横向方向通过榫接方式固定；榫接方式实现预制管片横向连接；在预制管片上设置楔形槽或者与楔形槽配合的楔形凸起形成楔形连接，在楔形槽内和/或楔形凸起处设置手孔，通过楔形连接和手孔连接的共同作用实现纵向预制管片连接。

本发明提供的第一个方案是：

一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站的施工方法，采用矩形顶管和盾构隧道结合的方法进行施工。

一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站的施工方法，具体步骤如下：

步骤1)采用盾构机进行下层车站的左端区域圆形盾构隧道施工，同时或者先后顺序依次进行，对下层车站的右端区域进行盾构隧道施工；

步骤2)首先测量确定地铁车站平面预定位置，打通上部交通道路两侧的矩形顶管始发通道和接收通道，形成矩形顶管施工空间，根据车站整体布局，确定首环预制构件施工的基准位置；

步骤3)用吊车下放预制构件，进行下层车站中间区域矩形顶管隧道的施工；

步骤4)施工完下层车站中间区域后，移动矩形顶管，进行上层车站中部区域的施工，后同时进行上层车站左端区域、右端区域的施工；

步骤5)预制构件横向方向通过隼槽和榫头连接，纵向方向通过手孔连接；

步骤6)拆除上层车站所有预制构件中的加劲肋钢结构，并将拼接而成的四合一型式混凝土结构柱用钢筋绑扎形成一个整体，然后在上层车站、下层车站底板处浇筑混凝土结构，进行楼梯施工；

步骤7)拆除预定的圆形盾构预制管片，进行扩挖，拆除下层车站中间区域预定的加劲肋钢结构，与两侧圆形盾构扩挖形成贯通区域Q，在贯通区域施作顶部钢筋混凝土梁，并浇筑底板；

步骤8)施工地铁站台、地面风亭及进站通道，完成车站施工。

本发明提供的第二方案是：

一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站，包括矩形顶管部分、圆形盾构隧道部分；矩形顶管部分由多环特定的预制构件拼装而成，同一层车站相邻预制构件开有楔形槽或者与楔形槽配合的楔形凸起，楔形槽内和/或楔形凸起处开有手孔，纵向方向上预制构件通过螺栓穿过手孔实现连接。圆形盾构隧道部分主要有常规的六块标准块组成的区间隧道。

进一步地，车站包括上层车站与下层车站，下层车站与上层车站的中间区域联通，下层车站左右两侧各设有站台。

进一步地，为了方便施工，所述上层车站和下层车站在横向方向均可分为左端区域、中部区域和右端区域；所述的上层车站、下层车站沿隧道横向中心线左右对称。

上层车站一跨范围内的左端区域由一块第一号预制构件管片、若干块第二号预制构件管片、一块第三号预制构件管片组成；沿纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固；中间区域由一块第四号预制构件管片、若干块第五号或第十三号预制构件管片、一块第六号预制构件管片组成，沿纵向方向通过楔形槽以及与楔形槽配合的楔形凸起的楔形连接，及手孔螺栓连 接牢固；所述的右端区域采用一块第七号预制构件管片、若干块第八号预制构件管片、一块第九号预制构件管片组成，沿隧道纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固；所述的左端区域、中间区域、右端区域相互之间均采用榫槽和榫头连接牢固。预制构件1-3，7-9尺寸相同，与预制构件4-6的高度相同，宽度可不同。

下层车站一跨范围内的左端区域、右端区域为圆形盾构隧道体系，主要由6块标准块共同组成，相互之间采用手孔连接方式。所述的下层车站中间区域为仍矩形顶管体系，主要由第一号预制构件管片0、11/14、12共同拼装而成，沿纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固，与上层车站中间区域之间采用榫槽和榫头以及上下层车站贯通的螺栓孔连接牢固，管片尺寸与预制构件4-6的宽度相同，高度可不同。

以上地铁车站通过调整圆形盾构隧道与矩形顶管隧道之间的相对位置，调整区间隧道和地铁车站的远近、大小等，互不影响，整个结构布置更加灵活。

进一步地，所述预制构件为中空长方体结构，断面形式为矩形，预制构件包括预应力钢筋混凝土结构和可拆卸的加劲肋钢结构，加劲肋钢结构设于钢筋混凝土结构的上下侧。

预制构件10、11/14、12的顶板与预制构件4、5/13、6的底板设有贯通的螺栓孔，用于上层车站与下层车站的连接；

所述的预制构件单元除可拆卸加劲肋钢结构外为一体成型。

所述上层车站、下层车站各自的右端区域与左端区域为完全对称结构形式。

所述下层车站中部区域楼梯口位置包括若干个首尾相接的第第十四号预制构件管片单元替代相应的第十一号预制构件管片，所述的上层车站中部区域楼梯口位置包括若干个首尾相接的第第十三号预制构件管片单元替代第五号预制构件管片，其上留设上下贯通的螺栓孔，待车站安装完毕后进行上下层车站螺栓固定；所述的第十四号预制构件管片与第十三号预制构件管片之间施工时采用隼槽和榫头连接；所述的14、13、5、第十一号预制构件管片尺寸相同。

进一步地，所述榫槽为弧形槽，所述榫头为滚珠结构，在弧形槽内填充有润滑油，通过调整弧形槽的长度可加大预制管片在纵向方向的精度上限，润滑油的填充更加方便了预制管片的推进和连接，润滑油可以是黄油。

弧形槽与滚珠结构之间存在一定的竖向和横向冗余度，通过调整该冗余度的大小来控制预制管片在竖向、横向方向的推进精度；圆形滚珠结构外侧顶点可沿着弧形槽最内侧点推进，加上滚珠的滚动摩擦力的共同作用，减小了推进阻力，充分利用了预制管片中预应力钢筋混凝土结构的抗压强度。

本发明的有益效果是：

1)本发明的地铁车站采用了预制构件，施工质量好，实现了地铁车站建造的预制化、产业化，推动了地铁工程的工厂化、标准化。

2)本发明的地铁车站不必抢先施工端头井或直接取消端头井部分的建造，可直接使地铁车站区间隧道先行过站然后建造车站主体其他部分，大幅节约了建设成本。

3)本发明的地铁车站形式较为灵活，可通过调整盾构隧道与车站顶管部分的相对位置，调整车站结构断面形式。

4)本发明的地铁车站主体结构施工前无需先行施做围护结构，节约资源，减少浪费。

5)本发明克服了楔形方式榫接方式在纵向方向抗剪能力较小的缺陷，将衡量连接可靠度的指标由预应力钢筋混凝土的抗剪能力转化为其抗压能力，充分利用了预应力钢筋混凝土的抗压强度，保障了连接的可靠，通过调整圆弧形长度加大了纵向方向的精度上限。

附图说明

图1为本发明地下车站施工位置平面布置示意图；

图2为下层车站左端区域(右端区域)圆形盾构隧道管片

图3为下层车站中间区域第一号预制构件管片断面图及A-A剖面图

图4为下层车站中间区域第二号预制构件管片断面图及B-B剖面图

图5为下层车站中间区域第三号预制构件管片断面图及C-C剖面图

图6为上层车站中间区域第四号预制构件管片断面图及D-D剖面图

图7为上层车站中间区域第五号预制构件管片断面图及E-E剖面图

图8为上层车站中间区域第六号预制构件管片断面图及F-F剖面图

图9为上层车站左端区域第七号预制构件管片断面图及G-G剖面图

图10为上层车站左端区域第八号预制构件管片断面图及H-H剖面图

图11为上层车站左端区域第九号预制构件管片断面图及J-J剖面图

图12为上层车站右端区域第十号预制构件管片断面图及K-K剖面图

图13为上层车站右端区域第十一号预制构件管片断面图及L-L剖面图

图14为上层车站右端区域第十二号预制构件管片断面图及M-M剖面图

图15为上层车站中间区域第十三号预制构件管片断面图及N-N剖面图

图16(a)为下层车站左端区域、右端区域圆形盾构施工示意图

图16(b)为下层车站中部矩形顶管施工示意图

图16(c)为上层车站中部顶管区域施工示意图

图16(d)为上层车站左端、右端区域矩形顶管施工示意图

图17为地铁车站施工步骤示意图

图18为楼梯口位置地铁车站完成图

图19为下层车站中间区域第十四号预制构件管片断面图及O-O剖面图

图中：1为车站位置；2为矩形顶管始发通道；3为矩形顶管接收通道；4为榫头；5为手孔螺栓孔；6为上下层车站贯通螺栓孔；7为楔形槽；8为加劲肋钢结构预埋件；9为加劲肋钢结构之间螺栓孔；10为加劲肋钢结构；11为预应力钢筋混凝土；12为楔形构造；13为隼槽结构；14为上层车站楼梯；15为上层车站楼梯；16为混凝土结构柱；17为混凝土底板浇筑；18为站台；19为地面风亭。

具体实施方式

下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

如图1至图15所示，一种采用矩形顶管结合区间盾构施工的地铁车站，包括上层车站与下层车站，部分车站由多环预制构件拼装而成，同一层车站相邻预制构件开有楔形槽或者与楔形槽配合的楔形凸起，楔形槽内或者楔形凸起处开有手孔，纵向方向上预制构件通过螺栓穿过手孔实现连接。

车站包括下层车站与上层车站，下层车站与上层车站的中间区域联通，下层车站左右两侧各设有站台，上层车站设有上下层联通的地面楼梯，下层车站设有两部扶梯，所述上层车站的左端区域的预制构件数量小于上层车站中间区域的预制构件数量且小于上层车站右端区域的预制构件数量，三个区域总的预制构件宽度相同。

上层车站一跨范围内的左端区域由一块第一号预制构件管片、若干块第二号预制构件管片、一块第三号预制构件管片组成；沿纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固；中间区域由一块第四号预制构件管片、若干块第五号或第十三号预制构件管片、一块第六号预制构件管片组成，沿纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固；所述的右端区域采用一块第七号预制构件管片、若干块第八号预制构件管片、一块第九号预制构件管片组成，沿隧道纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固；所述的左端区域、中间区域、右端区域相互之间均采用榫槽和榫头连接牢固。第一号至第三号预制构件，第七号至第九号预制构件尺寸相同，与预制构件四号到6号的高度相同，宽度可不同。

所述的矩形预制管片之间纵向方向通过手孔与楔形连接的方式共同连接，有效避免纵向方向上管片的楔形角度过大，可沿着矩形预制管片的矩形边长设置手孔，在矩形管片的一边 上设置至少两处手孔。

下层车站一跨范围内的左端区域、右端区域为圆形盾构隧道体系，主要有6块标准块共同组成，相互之间采用手孔连接方式。所述的下层车站中间区域为矩形顶管体系，主要由第一号预制构件管片、第十一/十四、十二共同拼装而成，沿纵向方向通过楔形槽及手孔螺栓连接牢固，与上层车站中间区域之间采用榫槽和榫头以及上下层车站贯通的螺栓孔连接牢固，管片尺寸与第四号至第六号预制构件管片的宽度相同，高度可不同。

进一步地，所述预制构件为中空长方体结构，断面形式为矩形，预制构件包括预应力钢筋混凝土结构和可拆卸的加劲肋钢结构，加劲肋钢结构设于钢筋混凝土结构的上下侧。

预制构件第十号、第十一/十四、十二的顶板与预制构件第四号、五号/十三号、六号的底板设有贯通的螺栓孔，用于上层车站与下层车站的连接；

所述的预制构件单元除可拆卸加劲肋钢结构外为一体成型。

所述上层车站、下层车站各自的右端区域与左端区域为完全对称结构形式。

所述下层车站的中部区域楼梯口位置包括若干个首尾相接的第第十四号预制构件管片单元替代相应的第十一号预制构件管片，所述的上层车站中部区域楼梯口位置包括若干个首尾相接的第第十三号预制构件管片单元替代第五号预制构件管片，其上留设上下贯通的螺栓孔，待车站安装完毕后进行上下层车站螺栓固定；所述的第十四号预制构件管片与第十三号预制构件管片之间施工时采用隼槽和榫头连接；第十四号、三号、五号和第十一号预制构件管片尺寸相同。

进一步地，所述榫槽为弧形槽，所述榫头为滚珠结构，在弧形槽内填充有润滑油，通过调整弧形槽的长度可加大预制管片在纵向方向的精度上限，润滑油的填充更加方便了预制管片的推进和连接，润滑油可以是黄油。

弧形槽与滚珠结构之间存在一定的竖向和横向冗余度，通过调整该冗余度的大小来控制预制管片在竖向、横向方向的推进精度；圆形滚珠结构外侧顶点可沿着弧形槽最内侧点推进，加上滚珠的滚动摩擦力的共同作用，减小了推进阻力，充分利用了预制管片中预应力钢筋混凝土结构的抗压强度。

滚珠结构安装在预应力钢筋混凝土或者加劲肋钢结构的侧面，通过有弧形凹槽的底座实现滚珠结构与这二者其中之一的连接，在底座内设有连接滚轴，连接滚轴内设有钢结构滚珠，钢结构滚珠与弧形槽配合时之间的空间为安装精度调控区。

实施例2

一种地铁车站预制管片安装的施工方法，具体步骤如下：见图16(a)-图16(d)，图17 和图18所示，

步骤1：如图1所示，在地铁车站建造之前，左线盾构机进行下层车站的左端区域圆形盾构隧道施工，连续顶进5环预制构件后进行轴线校准并对周围土体进行注浆加固；右线盾构机，进行下层车站右端区域圆形盾构隧道施工，每连续推进5环预制构件后进行轴线校准并对周围土体进行注浆加固；

步骤2：首先测量确定地下车站平面预定地铁车站位置1，打通上部交通道路两侧的矩形顶管始发通道2和接收通道3，形成矩形顶管施工空间，根据车站整体布局，确定首环预制构件施工的基准位置，在始发通道2和接收通道3内铺设条形轨道，用于前期运送预制构件；采用吊车吊装矩形顶管设备，并完成机械组装；

步骤3：进行下层车站中间区域矩形顶管隧道的施工，每连续推进5环预制构件后进行轴线校准并对周围土体进行注浆加固。

步骤4：施工完下层车站中间区域后，移动矩形顶管，进行上层车站中部区域的施工，连续顶进5环预制构件后进行轴线校准并对周围土体进行注浆加固；然后，移动矩形顶管，同时进行上层车站左端区域、右端区域的施工，且每连续顶进5环预制构件后进行轴线校准并对周围土体进行注浆加固；

步骤5：预制构件横向方向通过榫槽结构12中的弧形槽和榫头4连接，纵向方向通过楔形构造12的楔形槽7连接，待施工完毕后进行螺栓连接固定；在施工过程中在隼槽13内填充黄油等润滑剂，以利于连接；

步骤6：车站主体结构施工完成后，上层车站和下层车站之间采用高强度螺栓通过螺栓孔6进行连接，拆除所有预制构件中的加劲肋钢结构10，并将拼接而成的四合一型式混凝土结构柱16用钢筋绑扎形成一个整体，然后在上层车站、下层车站底板处浇筑混凝土结构，进行楼梯14、15施工；

步骤7：拆除预定的圆形盾构预制管片，进行扩挖，拆除下层车站中间区域预定的加劲肋钢结构，与两侧圆形盾构扩挖形成贯通区域Q。在贯通区域施作顶部钢筋混凝土梁，并浇筑底板17；

步骤8：施工地铁站台18、地面风亭19及进站通道，完成车站施工。

采用该方案建造地铁车站，可大幅增加预制构件在地铁建设过程中使用比率，确保了地铁施工质量，缩短了工期；减少了对既有交通的影响，确保了地铁建设过程中上部交通的正常通行。

采用本发明提出的施工方法，克服了楔形构造、手孔连接构造、榫接构造连接方式的传 统缺陷，增强了预制管片之间的连接可靠度，增大了施工过程中最大容许误差上下限，避免了传统地铁施工预制管片连接方式的应力损伤，保证了管片质量，大幅提高地铁正常使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。