地铁施工的主要施工方法.doc

目前,国内外地铁施工方法主要有如下几种:一 ,地铁区间施工方法(一)明挖施工法通常在地面条件允许的情况下,地铁区间隧道宜采用明挖法,但对社会环境影响很大,仅适合在无人,无交通,管线较少之地应用,该方法现较少采用.明挖法是指挖开地面,由上向下开挖土石方至设计标高后,自基底由下向上顺作施工,完成隧道主体结构,最后回填基坑或恢复地面的施工方法.明挖法是各国地下铁道施工的首选方法,在地面交通和环境允许的地方通常采用明挖法施工.浅埋地铁车站和区间隧道经常采用明挖法,明挖法施工属于深基坑工程技术.由于地铁工程一般位于建筑物密集的城区,因此深基坑工程的主要技术难点在于对基坑周围原状土的保护,防止地表沉降,减少对既有建筑物的影响.明挖法的优点是施工技术简单,快速,经济,常被用为首选方案.但其缺点也是明显的,如阻断交通时间较长,噪声与震动等对环境的影响.(二)盖挖施工法埋深较浅,场地狭窄及地面交通不允许长期占道施工情况下采用盖挖法施工.依据主体结构施工顺序分为盖挖顺作法,盖挖逆作法,盖挖半逆作法.该法是在既有道路上先完成周边围护挡土结构及设置在挡土结构上代替原地表路面的纵横梁和路面板,在此遮盖下由上而下分层开挖基坑至设计标高,再依序由下而上施工结构物,最后覆土恢复为盖挖顺作法;反之先行构筑顶板并恢复交通,再由上而下施工结构物为盖挖逆作法.(三)暗挖施工法暗挖法是在特定条件下,不挖开地面,全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工办法.暗挖法主要包括:钻爆法,盾构法,掘进机法,浅埋暗挖法,顶管法,新奥法等.其中尤以浅埋暗挖法和盾构法应用较为广泛,目前北京地区的隧道施工当中亦以该两种方法居多.1.钻爆法我国地域广大,地质类型多样,重庆,青岛等城市处于坚硬岩石地层中,广州地铁也有部分区段处于坚硬岩石地层中,这种地质条件下修建地铁通常采用钻爆法开挖,喷锚支护(与通常的山岭隧道相当). 钻爆法施工的全过程可以概括为:钻爆,装运出碴,喷锚支护,灌注衬砌,再辅以通风,排水,供电等措施.在通过不良地质地段时,常采用注浆,钢架,管棚等一系列初期支护手段.根据隧道工程地质水文条件和断面尺寸,钻爆法隧道开挖可采用各种不同的开挖方法,例如:上导坑先拱后墙法,下导坑先墙后拱法,正台阶法,反台阶法,全断面开挖法,半断面开挖法,侧壁导坑法,cd法,crd法等.对于爆破,有光面爆破,预裂爆破等技术.对于隧道初期支护,有锚杆,喷混凝土,挂网,钢拱架,管棚等支护方法.及时的测量和信息反馈常用来监测施工安全并验证岩石支护措施是否合理.防水基本采用截,堵,排等几种方法,其中在喷射混凝土内表面张挂聚乙烯或聚氯乙烯板,然后再灌注二次混凝土衬砌被认为是一种效果良好的防渗漏措施.2.盾构法 我国应用盾构法修建隧道始于20世纪5060年代的上海.最初是用于修建城市地下排水隧道,采用的是比较老式的盾构机(如网格式,压气式,插板式等),80年代末,90年代初开始采用土压式,泥水式等现代盾构修筑地铁区间隧道.盾构法具有安全,可靠,快速,环保等优点,目前,该方法已经在我国的地铁建设中得到了迅速的发展.据不完全统计,我国各城市地铁采用的盾构机已有60多台,其中上海30台,广州20台,北京,南京,天津,深圳各4台,大多是土压平衡盾构机型. 盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法.盾构(shield )是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构.钢筒的前端设置有支撑和开挖土体的装置,钢筒的中段安装有顶进所需的千斤顶;钢筒的尾部可以拼装预制或现浇隧道衬砌环.盾构每推进一环距离,就在盾尾支护下拼装(或现浇)一环衬砌,并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆,以防止隧道及地面下沉.盾构推进的反力由衬砌环承担.盾构施工前应先修建一竖井,在竖井内安装盾构,盾构开挖出的土体由竖井通道送出地面.盾构法施工工艺见下图所示.按盾构断面形状不同可将其分为:圆形,拱形,矩形,马蹄形4种.圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好,衬砌拼装简便,可采用通用构件,易于更换,因而应用较为广泛;按开挖方式不同可将盾构分为:手工挖掘式,半机械挖掘式和机械挖掘式3种;按盾构前部构造不同可将盾构分为:敞胸式和闭胸式2种;按排除地下水与稳定开挖面的方式不同可将盾构分为:人工井点降水,泥水加压,土压平衡式,局部气压盾构,全气压盾构等.随着盾构法研究的深入,工程应用的增多,盾构法施工技术以及盾构机修造配套技术也得到了发展提高:上海地铁隧道基本全部采用盾构法修建,除区间单圆盾构外,目前正在使用双圆盾构一次施工两条平行的区间隧道,此外还试验采用了方形断面盾构修建地下通道;采用直径11.2m的泥水盾构建成了大连路越江道路隧道,这也是目前我国最大直径的盾构机.广州地铁采用具有土压平衡,气压平衡和半土压平衡模式的新型复合式盾构机成功应用于既有软土,又有坚硬岩石以及断裂破碎带的复杂地层的地铁区间隧道修筑,大大拓展了盾构法的应用范围.深圳,南京,北京,天津等城市虽然地质,水文条件各不相同,但采用盾构法修建区间隧道均取得了成功. 除了上述几点外,我国盾构技术的进步还表现在以下4个方面:掌握了盾构机的选型和配套技术,与外国合作设计生产盾构机,配套施工设备包括管片模具完全能够自行设计制造;掌握了盾构隧道的设计和结构计算技术以及防水技术;掌握了盾构掘进控制技术,如盾构掘进参数选择控制,碴土和压力管理,地表沉降控制,盾构机姿态和隧道轴线控制,管片防裂,同步注浆等,实现了信息化施工,可以确保盾构施工的安全,优质,高效和环保;掌握了不同地质条件和复杂环境条件下的施工及相关的施工技术. 我国盾构掘进速度最高已达到月进400m以上,平均进度一般为月进160200m,最高平均进度可达月进240m.地表沉降可控制在+10-30mm以内,可以在距既有建,构筑物不足1m的距离安全掘进隧道,既有建,构筑物的变形量可控制在25mm以下;隧道轴线误差可控制在3050mm以内.盾构法的主要优点:除竖井施工外,施工作业均在地下进行,既不影响地面交通,又可减少对附近居民的噪声和振动影响;盾构推进,出土,拼装衬砌等主要工序循环进行,施t易于管理,施工人员也比较少;土方量少;穿越河道时不影响航运;施工不受风雨等气候条件的影响;在地质条件差,地下水位高的地方建设埋深较大的隧道,盾构法有较高的技术经济优越性.工程实例:北京地铁五号线即采用了盾构法施工地铁五号线是一条贯穿北京市中心的南北向地下交通大动脉.南起丰台区宋家庄,向北经蒲黄榆,祟文门,东单,东四,雍和宫止于昌平区太平庄北站,全长27.7 km.由于该路段地上大型建筑物密集,交通流量大,地下管网复杂,为减少对城市经济和市民生活的影响,经专家论证,决定在雍和宫至北新桥约700 m长的试验段率先采用盾构施工方法.该盾构为大直径土压平衡盾构机.3.掘进机法在埋深较浅,但场地狭窄和地面交通环境不允许爆破震动扰动,又不适合盾构法的松软破碎岩层情况下采用.该法主要采用臂式掘进机开挖,受地质条件影响大.4.浅埋暗挖法浅埋暗挖法又称矿山法,起源于1986年北京地铁复兴门折返线工程,是中国人自己创造的适合中国国情的一种隧道修建方法.该法是在借鉴新奥法的某些理论基础上,针对中国的具体工程条件开发出来的一整套完善的地铁隧道修建理论和操作方法.与新奥法的不同之处在于,它是适合于城市地区松散土介质围岩条件下,隧道埋深小于或等于隧道直径,以很小的地表沉降修筑隧道的技术方法.它的突出优势在于不影响城市交通,无污染,无噪声,而且适合于各种尺寸与断面形式的隧道洞室. 顾名思义,浅埋暗挖法是一项边开挖边浇注的施工技术.其原理是:利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力,采取适当的支护措施,使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工方法,主要适用于粘性土层,砂层,砂卵层等地质.由于浅埋暗挖法省去了许多报批,拆迁,掘路等程序,现被施工单位普遍采纳. 浅埋暗挖法的核心技术被概括为18字方针:管超前,严注浆,短开挖,强支护,快封闭,勤量测.其主要的技术特点为:动态设计,动态施工的信息化施工方法,建立了一整套变位,应力监测系统;强调小导管超前支护在稳定工作面中的作用;研究,创新了劈裂注浆方法加固地层;发展了复合式衬砌技术,并开创性地设计应用了钢筋网构拱架支护. 由于该工法在有水条件的地层中可广泛运用,加之国内丰富的劳动力资源,在北京,广州,深圳,南京等地的地铁区间隧道修建中得到推广,已成功建成许多各具特点的地铁区间隧道,而且在大跨度车站的修筑中有相当的应用.此外,该方法也广泛应用于地下车库,过街人行道和城市道路隧道等工程的修筑.5.顶管法是直接在松软土层或富水松软地层中敷设中小型管道的一种施工方法.适用于富水松软地层等特殊地层和地表环境中中小型管道工程的施工.主要由顶进设备,工具管,中继环,工程管,吸泥设备等组成.6,新奥法新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测,监控,指导地下工程的设计施工.新奥法(natm)是新奥地利隧道施工方法的简称, 在我国常把新奥法称为锚喷构筑法.用该方法修建地下隧道时,对地面干扰小,工程投资也相对较小,已经积累了比较成熟的施工经验,工程质量也可以得到较好的保证.使用此方法进行施工时,对于岩石地层,可采用分步或全断面一次开挖,锚喷支护和锚喷支护复合衬砌,必要时可做二次衬砌;对于土质地层,一般需对地层进行加固后再开挖支护,衬砌,在有地下水的条件下必须降水后方可施工.新奥法广泛应用于山岭隧道,城市地铁,地下贮库,地下厂房,矿山巷道等地下工程. 当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展.如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站,车站位于城市道路下79m, 开挖面积230m2,相当于17m(宽)14m(高);我国自1987 年在北京地铁首次采用新奥法施工复兴门车站及折返线工程,车站跨度达26m.针对我国城市地下工程的特点和地质条件, 新奥法经过多年的完善与发展,又开发了浅埋暗挖法这一新方法,与明挖法,盾构法相比较,由于它可以避免明挖法对地表的干扰性,而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道,车站,地下过街道,地下停车场等工程,如根据新奥法的基本原理,采用群洞方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站,断面复杂多变的折返线工程,联络线工程也多采用新奥法. 在我国利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法,尤其在施工场地受限制,地层条件复杂多变,地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要.7,沉管法沉管法是将隧道管段分段预制,分段两端设临时止水头部,然后浮运至隧道轴线处,沉放在预先挖好的地槽内,完成管段间的水下连接,移去临时止水头部,回填基槽保护沉管,铺设隧道内部设施,从而形成一个完整的水下通道.沉管隧道对地基要求较低,特别适用于软土地基,河床或海岸较浅,易于水上疏浚设施进行基槽开外的工程特点.由于其埋深小,包括连接段在内的隧道线路总长较采用暗挖法和盾构法修建的隧道明显缩短.沉管断面形状可圆可方,选择灵活.基槽开挖,管段预制,浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业,彼此干扰相对较少,并且管段预制质量容易控制.基于上述的优点,在大江,大河等宽阔水域下构筑隧道,沉管法称为最经济的水下穿越方案.按照管身材料,沉管隧道可分为2类:钢壳沉管隧道(有可分为单层钢壳隧道和双层钢壳隧道)和钢筋馄凝土沉管隧道.钢壳沉管隧道在北美采用的较多,而钢筋混凝土沉管隧道则在欧亚采用较多.沉管隧道施工主要工序:管节预制基槽开挖管段浮运和沉放对接作业内部装饰.工程实例:广一州珠江隧道是我国第一条公路与地铁合用的越江隧道,公路隧道全长1 238.5 m.河中段隧道埋置在河床下.不影响水面通航,河中沉管段全长457 m.该沉管为多孔矩形钢筋混凝土结构,其中包括两个双车道机动车孔,一个地铁孔,一个电缆管廊.沉管断面为典型矩形断面,外形尺寸为33 mx7.956 m(宽x高),底板厚1.2 m,顶板厚1.0 m,两外侧墙分别为0.7 m和0.55 m,最长管节的混凝土量达12 000砰.管段的基底坐落在河床的风化花岗岩层上.开槽时采用了炸礁施工.基础处理采用灌砂法.(四)混合法可以根据地铁隧道的实际情况,在地铁隧道的施工过程中采用以上2种或2种以上的方法同时使用,称其为混合法.工程实例:北京地铁东四站位于朝阳门内大街与东四南大街交叉日上,处于繁华的市中心,有多路公交车经过.车站主体顺东四南大街,呈南北走向,东四南大街规划道路红线宽70 m,现状路宽为22 m,朝内大街已改造完,道路红线宽60 m,两方向客流均衡,交通十分繁忙;且远期六号线顺朝内大街,呈东西走向,在此站换乘.本车站两端为明挖段,结构形式为3层三跨框架结构;中间为暗挖段,结构形式为单层三拱两柱结构.车站总长度197 m,暗挖段长为96.80 m,明挖段长为100. 20m.二,地铁车站施工方法车站既是地铁工程亮点所在,更是一个难点问题.对于车站的施工方法而言,目前有明挖法,盖挖顺筑法,盖挖逆筑法,盖挖半逆筑法,明暗挖混合法,浅埋暗挖法.原则上优先采用明挖法,其次是盖挖法,盖挖法中应优选盖挖逆筑法,盖挖半逆筑法,最后则是浅埋暗挖法,因为该方法适用于交通要道,管线太多,不易开挖的繁华市区.(一)明挖施工法明挖法是目前我国地铁车站采用最多的一种修建方法,主要有放坡明挖和维护结构内的明挖(即基坑开挖)两种方法.明挖顺筑法技术上的进步主要反映在基坑的开挖方法和维护结构上,适应于不同的土层,基坑的维护结构主要有地下连续墙,人工挖孔桩,钻孔灌注桩,smw工法桩,工字钢桩,加木背板和钢板桩围堰等. 在基坑开挖方面,有代表性的是时空效应理论.上海地铁总结出在软弱地层中开挖,支撑和结构施工的一套方法.首先采用大口井进行基坑降水,以提高基地被动土的强度,然后,对基坑实施分段开挖,随挖随支撑,控制坑底暴露时间(或对底板地层进行预加固),适时地浇注底板结构.同时,对基坑,周边管线和建筑进行严密监测,发现问题及时采取措施. 在基坑维护方面的主要施工技术有3种:地下连续墙.该结构适合于饱水沙层,饱和淤泥土层等饱水软弱地层,既可以控制土压力,又可以有效地阻隔地下水,同时还可以作为车站结构的一部分.人工挖孔桩和钻孔灌注桩.这两种施工方法均是采用排桩桩墙来挡土和防水,实现基坑的维护.其中,人工挖孔桩适合于地下水位较深或无水的地层,要求地层强度较高,其断面形式不受施工机具的限制,可以作成圆形和方形,而且其施工质量和强度要高于普通的钻孔灌注桩,但是,钻孔灌注桩具有较广的适用范围,二者不能替代.smw工法桩.该方法是在水泥土搅拌桩内插入h型钢或其它种类的劲性材料,以增强水泥土搅拌桩抗弯,抗剪能力.用这种方法作成的基坑支护结构同时具有较好的防水功能,在610m的基坑中具备较强的技术优势,与地下连续墙相比,具有施工速度快,占地少,无污染,防水效果好和造价低廉等优点. 明挖法施工程序一般可以分为4大步:维护结构施工内部土方开挖工程结构施工管线恢复及覆土,如图1.上海地铁m8线黄兴路地铁车站位于上海市控江路,靖宇路交叉口东侧的控江路中心线下.该车站为地下2层岛式车站,长166.6 m,标准段宽17.2 m,南,北端头井宽21.4 m.标准段为单柱双跨钢筋混凝土结构,端头井部分为双柱双跨结构,共有2个风井及3个出人口.车站主体采用地下连续墙作为基坑的维护结构,地下连续墙在标准段深26.8m.墙体厚0.6m.车站出人口,风井采用smw桩作为基坑的维护结构.(二)盖挖施工法 盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后,将顶部封闭,其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工.主体结构可以顺作,也可以逆作.在城市繁忙地带修建地铁车站时,往往占用道路,影响交通当地铁车站设在主干道上,而交通不能中断,且需要确保一定交通流量要求时,可选用盖挖法.2.1盖挖顺作法盖挖顺作法是在地表作业完成挡土结构后,以定型的预制标准覆萧结构(包括纵,横梁和路面板)置于挡土结构上维持交通,往下反复进行开挖和加设横撑,直至设计标高.依序由下而上,施工主体结构和防水措施,回填土并恢复管线路或埋设新的管线路.最后,视需要拆除挡上结构外露部分并恢复道路.施工顺序如图2.在道路交通不能长期中断的情况下修建车站主体时,可考虑采用盖挖顺作法.工程实例:深圳地铁一期工程华强路站位于深圳市最繁华的深南中路与华强路交叉口西侧,深南中路行车道下.该地区市政道路密集,车流量大,最高车流量达3865辆/h.车站主体为单柱双层双跨结构,车站全长224.3 m,标准断面宽18.9 m,基坑深约18.9 m,西端盾构并处宽22.5 m,基坑深约18.7 m.南侧绿地内东西端各布置一个风道.主体结构施工工期为2年,其中围护结构及临时路面施工期为7个月.为保证深南中路在地铁站施工期间的正常行车,该路段主体结构施工采用盖挖顺作法施工方案.2.2盖挖逆作法盖挖逆筑法同样适用于地铁车站的修筑,与明挖法相比,其优势在于减少交通封堵时间,减轻施工对于环境的干扰,其区别在于主体结构的施工顺序上. 该方法的主要施工技术措施为:支撑桩采用以h型钢为柱芯的钢管或钻孔灌注桩,满足了沉降的控制要求;采用地下连续墙低注浆的方法,增强基底持力层的刚性,使地下连续墙与临时支撑柱共同承受上部荷载,以减小差异沉降;逆作法开挖支撑施工工艺中,利用混凝土板对地下连续墙的变形起约束作用,在暗挖过程中采用一撑两用的合理方法,大大减少了工程量,加快了工程进度,控制了墙体位移.盖挖逆作法是先在地表面向下做基坑的维护结构和中间桩柱,和盖挖顺作法一样,基坑维护结构多采用地下连续墙或帷幕桩,中间支撑多利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价.随后即可开挖表层土体至主体结构顶板地面标高,利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板.顶板可以作为一道强有力的横撑,以防止维护结构向基坑内变形,待回填土后将道路复原,恢复交通.以后的工作都是在顶板覆盖下进行,即自上而下逐层开挖并建造主体结构直至底板,如图3.如果开挖面积较大,覆土较浅,周围沿线建筑物过于靠近,为尽量防止因开挖基坑而引起临近建筑物的沉陷,或需及早恢复路面交通,但又缺乏定型覆盖结构,常采用盖挖逆作法施工.工程实例:南京地铁南北线一期工程的区间隧道在地质条件和周围环境允许的情况下,以造价,工期,安全为目标,经过分析,比较,选择了全线区间施工方法.其中,三山街站,位于秦淮河古河道部位,位于粉土,粉细砂,淤泥质粘土土层中.因为是第1个车站,又位于十字路口,因此采用地下连续墙作围护结构.除人口结构采用顺作法外,其余均为盖挖逆作法.2.3盖挖半逆作法盖挖半逆作法与逆作法的区别仅在于顶板完成及恢复路面后,向下挖土至设计标高后先浇筑底板,再依次向上逐层浇筑侧墙,楼板.在半逆作法施工中,一般都必须设置横撑并施加预应力,如图4.(三)暗挖施工法1.钻爆法我国地域广大,地质类型多样,像重庆,青岛等城市的坚硬岩石地层,广州地铁也有部分区段处在坚硬岩石地层中,修建地铁隧道通常采用钻爆法开挖,喷锚支护(与通常的山岭隧道相当).在建的重庆轻轨地下部分的区间和车站基本采用隧道形式,最大开挖断面积超过420m2,采用微震控制爆破,分步开挖,喷混凝土和锚杆支护,现浇混凝土衬砌,已成功建成了临江门车站隧道等.已建成的青岛地铁试验段轻纺医院站,开挖断面积已超过300m2,也是采用钻爆法施工,但没有二次衬砌;广州地铁1,2,3号线的某些区段,某些区间或车站下部的坚硬岩石地层也采用了微震控制爆破来辅助开挖.南京地铁一期tal标段处于岩石地层中的3座隧道,均采用钻爆法施工.2.盾构法近年来,我国也在研究采用盾构法修建地铁车站的技术,主要集中在两种方法上,一是采用多圆断面盾构一次建成地铁车站,另一种是采用区间盾构修建地铁车站.它的优势在于可以充分,有效地利用盾构设备,提高地铁工程的建设质量,缩短建设周期,达到总体上降低工程造价的目的.3.浅埋(超浅埋)暗挖法浅埋暗挖法即松散地层的新奥法施工,新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测,监控,指导地下工程的设计施工.浅埋暗挖法是针对埋置深度较浅,松散不稳定的上层和软弱破碎岩层施工而提出来的,如深圳地铁区间隧道大部分采用了浅埋暗挖法施工.浅埋暗挖法的施工技术特点:围岩变形波及地表;要求刚性支护或地层改良;通过试验段来指导设计和施工.浅埋暗挖法施工隧道时,应根据工程特点,围岩情况,环境要求以及施工单位的自身条件等,选择适宜的开挖方法及掘进方式.施工中区间隧道常用的开挖方法是台阶法,crd工法,眼镜工法等;城市地铁车站,地下停车场等多跨隧道多采用柱洞法测洞法或中洞法等工法施工.地下铁道是在城市区域