毕业设计（论文）-浅埋暗挖法施工技术研究.doc

毕业论文浅埋暗挖法施工技术研究摘要：地下工程浅埋暗挖法是于20世纪80年代中期创立的，并在北京市地铁工程中首次应用成功。经过近20多年的应用与实践，浅埋暗挖法从基本理论到适用范围及施工方法、工艺均有了进一步的拓展。本文阐述了浅埋暗挖法的基本原理及适用范围，指出了浅埋暗挖法的施工要求和施工原则，对浅埋暗挖各施工方法的施工要点、适用范围及优缺点进行了介绍和比较，并对浅埋暗挖法辅助施工方法的工艺原理及施工工艺加以分析研究，同时阐述了监控量测的目的和主要任务，总结了监控量测方法以及信息反馈技术，还通过工程实例对浅埋暗挖法施工技术进行了解析，最后对浅埋暗挖法施工技术的发展方向提出了完善之处。关键词：地下工程；浅埋暗挖法；施工方法；辅助工法；监控量测；信息反馈71目 录第一章 绪论11.1概述11.2地下工程常见施工技术21.2.1明挖法21.2.2暗挖法31.2.3地下工程常见施工方法优缺点比较41.3浅埋暗挖法施工技术61.3.1浅埋暗挖法施工原理61.3.2浅埋暗挖法适用范围71.3.3浅埋暗挖法施工方法71.4存在问题101.5本文研究内容10第二章 浅埋暗挖法施工技术112.1概述112.1.1浅埋暗挖法施工要求122.1.2浅埋暗挖法施工原则122.2施工方法132.2.1全断面开挖法施工132.2.2台阶法施工152.2.3 分部开挖法182.2.4特大断面施工方法262.3本章小结30第三章 浅埋暗挖法辅助施工方法313.1概述313.2超前锚杆或超前小导管支护施工323.2.1超前锚杆或超前小导管的布设333.2.2参数选择363.2.3超前锚杆或超前小导管的施工363.3注浆加固地层施工373.3.1小导管超前周边注浆加固围岩施工373.3.2注浆方式393.3.3深孔注浆加固围岩施工393.3.4长、短导管相结合注浆堵水加固地层法403.4长管棚超前支护地层施工413.4.1适用范围413.4.2长管棚的布设423.4.3长管棚施工长度的确定433.4.4参数选择433.4本章小结43第四章 监控量测和信息反馈454.1概述454.1.1监控量测的目的464.1.2监控量测的主要任务464.1.3监控量测项目的确定474.2监控量测方法484.2.1目测484.2.2水平净空周边收敛的监控量测494.2.3拱顶下沉的监控量测514.2.4地面沉降的监控量测524.2.5地中多点垂直位移的监控量测534.2.6地中水平位移的监控量测554.2.7围岩接触应力的监控量测574.2.8钢拱架应力的监控量测584.2.9孔隙水压力的监控量测594.3监控量测数据的反馈604.2.1监控量测数据对施工的反馈604.2.2监控量测数据对设计的反馈624.4本章小结63第五章 结论与展望645.1结论645.2展望64参考文献67致 谢69第一章 绪论1.1概述经济的发展，人口的增加，使城市的运行与发展受到土地与环境日益增多的制约。城市必须立体化。地下空间作为资源必须开发。地下工程大发展已是世界土木界的主流，地铁的建设是其重要组成部分。明挖法严重干扰交通，破坏环境，大量建筑物与管线的拆迁已不可能。即使拆迁，昂贵的拆迁费用也难以承受。盾构法解决了这些难题，但其灵活性差，特别是昂贵的盾构机械，会大大提高工程造价。浅埋暗挖法是一种在离地表很近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾构法不适应的条件下，如北京长安街下的地铁修建工程，浅埋暗挖法显示了巨大的优越性。浅埋暗挖法又称矿山法，起源于1986年北京地铁复兴折返线工程，是中国人自己创造的适合中国国情的一种隧道修建方法。浅埋暗挖技术是我们在借鉴外国成功经验，以及我国山岭隧道硬岩新奥法施工经验的基础上，结合中国国情和地质水文情况，由王梦恕先生主持创造的地下工程施工技术。它包括小导管超前支护技术、“8”字形网构钢拱架设计与制造技术、正台阶环形开挖留核心土施工方法以及相应的监测仪器、监测方法和用变位仪进行反分析计算方法。浅埋暗挖法施工步骤是：先将钢管打入地层，然后注入水泥或化学浆液，使地层加固。开挖面土体稳定是采用浅埋暗挖法的基本条件。地层加固后，进行短进尺开挖。一般每循环在0.51.0米左右。随后即作初期支护。第三步，施作防水层。开挖面的稳定性时刻受到水的危胁，严重时可导致塌方。处理好地下水是非常关键的环节。最后，完成二次支护。一般情况下，可注入混凝土，特殊情况下要进行钢筋设计。当然，浅埋暗挖法的施工需利用监控测量获得的信息进行指导，这对施工的安全与质量都是重要的。浅埋暗挖法强调了新的施工要点，突出时空效应对防塌的重要作用，提出来在软弱地层必须快速施工的理念，于20世纪80年代中期在大秦线军都山铁路隧道双口黄土试验段研究成功。之后，在1986年5月1987年5月，结合北京地区地质与水文地质情况，在北京地铁复兴门折返线工程设计与施工中，首次应用浅埋暗挖技术并获得成功。与明挖法相比，由于这项技术具有拆迁少、不扰民、不破坏交通及周围环境等优点，为城市修建地铁开辟了一条新路。例如北京地铁复兴门折返线，因不便明挖而停滞了8年，应用浅埋暗挖法技术后沿长安街下施工成功。随后，这项技术又在北京地铁复兴门至西单区间进行了三拱两柱跨度达21.7m的地下车站的设计、施工和试验，并获得成功，从而为后来西单地铁站采用三拱两柱双层结构设计和施工提供了重要的技术支持。由于浅埋暗挖法技术取得了巨大的经济效益和社会效益，北京市科委和铁道部科技司曾于1987年8月共同组织了成果鉴定会，与会专家和各级领导对这项技术进行了认真的讨论及评价，并对该技术方法的名称进行了讨论，否定了“软弱地层新奥法”、“中国特色新奥法”、“北京地铁浅埋暗挖法”等名称，最后确定取名“浅埋暗挖法”。与其他名称相比，这个名称定义准确，既反映了该技术方法的特点，又明确了它的普遍意义适用于各种软弱地层的地下工程设计与施工。之后，浅埋暗挖法经过十多年的广泛应用，不断改进和完善，现已在城市地铁、市政工程、城市热力和电力管道、城市地下过街道、地下停车场等工程中推广应用，形成的“隧道与地铁浅埋暗挖法”，已被国家建设部批准为国家级工法，并广泛应用于铁路、公路及其他城市地下工程。该工法正式提出的“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针，广为流传，推动了该工法的广泛应用。1.2地下工程常见施工技术浅埋地下工程施工地方法主要有明挖法（盖挖法）和暗挖法两大类，早期多采用明挖法施工。近年来，随着盾构技术和暗挖技术的发展以及城市生活与环境要求的提高，暗挖法已被广泛采用。1.2.1明挖法浅埋地下工程以往多采用传统的的明挖法施工。明挖法也称基坑法，主要包括敞口明挖法和基坑支护开挖法两类。其施工方法是首先从地面向下开挖出基坑，在基坑内进行结构施工，然后回填回复地面。明挖法简单易行，施工作业面宽敞，施工速度较快，在覆盖层薄、建筑物稀少、地面交通车量不多、地下各种管线少、周围环境要求不高的地区，采用这种方法最经济。我国最初的北京地铁北京站到苹果园站一期工程，就是在当时沿线两边没有建筑或少量建筑情况下，本着先修地铁，后带动两边建筑发展的原则，地下铁道采用明挖法修建的。然而随着城市的发展，地面交通、周围环境、地下管线也在增加。采用明挖法施工的最大缺点是破坏地面、中断交通、拆迁工作量大。同时施工产生的噪音、震动等也会严重干扰居民的生活和工作。为了尽可能地减少地下工程施工对地面交通和附近居民的干扰，盖挖法应运而生。盖挖法是一种先做钻孔灌注桩或连续墙作为维护结构和支撑结构，在该结构保护下再做桩顶纵梁、盖顶板，恢复路面，然后，在桩及钢筋混凝土顶板的支护下进行主体结构施工的方法。根据开挖和结构施工顺序的不同，盖挖法又可分为盖挖顺筑和盖挖逆筑两类。盖挖法是一种比较快速、经济、安全的施工方法。但是在主要交通干道上修建地下工程时，盖挖法施工还是不能彻底解决问题，因此研究开发新的地下工程设计与施工技术，成为工程技术人员孜孜以求的目标。浅埋暗挖法就是一种可以克服明挖法上述困难的创新技术和方法。1.2.2暗挖法随着地面交通运输量越来越大，以及人们环境保护意识的提高，地下工程暗挖法已经逐渐取代明挖法而广泛应用于城市地下施工。一、盾构法盾构是在有水地层、软弱不稳定岩层中修建地铁区间隧道和其他地下工程时，进行开挖支护和衬砌的一种专用机械设备。盾构的种类很多，目前广泛采用最先进的盾构有泥水加压复合式盾构和土压复合式盾构。由于盾构法施工具有施工速度快，不拆迁地面建筑物和地下管网，施工期间噪音小、震动小、不影响地面交通等优点，近年来在国内外地铁区间工程中被广泛采用。但是盾构法施工存在着随地层的变化而产生不适应、断面又不容许改变、制造盾构的成本较高、造价昂贵等缺点，因此，其优越性不如浅埋暗挖法。二、浅埋暗挖法在工程设计中，根据施工特点，地下工程可分为深埋、浅埋、超浅埋地下工程。按照铁路隧道设计规范（TB1003-2001）规定，当单线或双线隧道拱顶埋深小于：级围岩3540m、级围岩1825m、级围岩1014m、级围岩57m，为浅埋隧道。也可用实测压力P和垂直土柱重量h之比来确定，根据实测资料统计，当P/h0.40.6为浅埋隧道。城市地铁、地下工程结构断面变化很大，仅用拱顶深度来确定深埋或浅埋是不妥的，还必须考虑地下工程大跨度大小，跨度大时，对覆土的影响也大。拱顶覆土厚度（H）与结构跨度（D）之比，即H/D称为覆跨比。当0.6H/D1.5时，均称为浅埋；当H/D0.6时，称为超浅埋。对于浅埋地下工程而言，其显著特点是埋深浅。在施工过程中，由于地层损失而引起的地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此，在各种开挖、支护衬砌、排水注浆方法突出了更高的要求，施工难度增加。所以，如何有效控制浅埋地下工程施工扰动诱发的地面移动变形，成为浅埋地下工程设计与施工研究的重点、难点和热点问题。基于从控制地面变形、减少对环境的不利影响、降低施工成本等方面考虑，形成了各种适用于浅埋地下工程施工地方法。为了达到及时支护，防止地层沉降的目的，必须完全稳定后，再敷设防水隔离板，施加二次模筑混凝土衬砌，这是最符合地下工程受力特点的一种结构。浅埋暗挖法是在近十几年发展起来的一种新方法，该方法现在已经在城市地铁、市政地下管网及地下空间的其他浅埋地下结构物的工程设计与施工中广泛应用。该方法多应用于第四纪软弱地层，开挖方法有正台阶法、单侧壁导洞法、中隔壁法（CD法）、交叉隔壁法（CRD法）、双侧壁导洞法（眼镜工法）等。该方法具有灵活多变，对地面建筑、道路和地下管网影响不大，拆迁占地少、不扰民、不污染城市环境，是目前较先进的施工方法。该方法在铁路、公路及软弱地层中也开始应用。1.2.3地下工程常见施工方法优缺点比较 浅埋暗挖法与其他的方法相比具有显著的优点。以城市地铁为例，浅埋暗挖法与明挖法（明挖法）相比，具有拆迁占地少、不扰民、不破坏交通及周围环境、节省大量拆迁投资等优点；与盾构法相比，具有简单易行，无需多种专用设备，灵活方便，适用于不同地层、不同跨度、多种断面，可以提供大量就业机会等优点，是适合我国国情的好方法。尤其对于区间隧道，浅埋暗挖法施工速度完全能满足总工期要求。当然，浅埋暗挖法也存在缺点，如速度较慢，喷射混凝土粉尘较多，劳动强度大，机械化程度不高，以及高水位地层结构防水比较困难等。浅埋暗挖法与明挖法、盾构法优缺点比较见表1-1。表1-1 浅埋地下工程常见施工方法优缺点比较方法明挖法盾构法暗挖法地质各种地层均可各种地层均可有水地层需做特殊处理占用场所占用街道路面较大占用街道路面较小不占用街道路面断面变化适用于不同断面不适用于不同断面适用于不同断面深度浅需要一定深度需要的深度比盾构法小防水较易较难有一定难度地面下沉小较小较小交通影响影响很大竖井影响大不影响地下管路需拆迁和防护不需拆迁和防护不需拆迁和防护震动噪音大小小地面拆迁大较大小水处理降水、疏干堵、降结合堵、降或堵、排结合进度拆迁干扰大，总工期较短前期工程复杂，总工期正常开工快，总工期正常造价（日本）4385亿日元/km46亿日元/km25亿日元/km，低于其他方法2-4倍注：造价仅是区间对比，是日本1988年的工程总结。在地下工程建设中，应根据工程的实际情况选择合适的施工方法。随着暗挖法技术的不断改善以及人们对环境保护的不断提高，上述施工方法的造价也在不断的提高，普及的程度也在不断的变化，图1-1为签联邦德国地铁建设采用上述三种方法建造成本随年代的变化情况，以及1984年交通隧道工程施工方法的普及程度，图中表明暗挖法施工成本逐年降低，1973年以后已低于其他方法。图1-1 前联邦德国地铁建造成本变化1.3浅埋暗挖法施工技术1.3.1浅埋暗挖法施工原理浅埋暗挖法沿用了新奥法（New Austrian Tunneling Method简称NATM）的基本原理，创建了信息化量测反馈设计和施工的新理念；采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。应用浅埋暗挖法进行设计和施工时，同时采用多种辅助工具，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全生产与施工。浅埋暗挖法大多应用于第四纪软弱地层中的地下工程，由于威严自承能力很差，为避免对地面建筑物和地中构筑物造成破坏，需要严格控制地表沉降量。因此，要求初期支护刚度要大，支护要及时。例如，图1-2所示的围岩特征曲线和支护的刚度曲线交点C（稳定点）应尽量靠近A点，即支护所承受的荷载（P0值）越大越好，以减小围岩的承载力，并作为支护和围岩共同作用的安全储备。这种设计思想的施工要点可概括为管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈。初期支护必须从上向下施工，二次模筑衬砌必须通过变位量测，当结构基本稳定时，才能施工，而且必须从下向上施工，决不容许先拱后墙施工。图1-2 围岩特征曲线和支护的刚度曲线示意图1.3.2浅埋暗挖法适用范围浅埋暗挖法是在软弱围岩浅埋地层中修建山岭隧道洞口段、城区地下铁道及其他适于浅埋结构物的施工方法。它主要用于不宜明挖施工的土质或软弱无胶结的砂、卵石等第四纪地层，修建覆跨比大于0.2的浅埋地下洞室。对于高水位的类似地层，采取堵水和降水等措施后也适用。尤其对于结构埋置浅、地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地面沉降要求严格的都市城区，如修建地下铁道、地下停车场、热力与电力管线，这项技术方法更为适用。1.3.3浅埋暗挖法施工方法采用浅埋暗挖法施工时，根据地表沉降要求、地层条件及开挖断面大小，常见的典型方法是全断面法、单侧壁导坑超前正台阶法、双侧壁导坑正台阶法（眼镜工法）、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）等。开挖根据围岩情况级地段采用CRD法或双侧壁导坑法施工，级采用CD法或弧型导坑预留核心土法施工，每循环进尺控制在1m以内，、级及横洞、级围岩采用台阶法施工，每循环进尺控制在2.5m以内。施工方法详见下表1-2。表1-2 浅埋暗挖法主要开挖方法比较施工方法示意图适用条件沉降工期防水初期支护拆除量造价全断面法地层好，跨度8m一般最短好无低正台阶法地层较差，跨度12m一般短好无低上半断面封闭正台阶法地层差，跨度12m一般短好小低正台阶环形开挖法一般短好无低单侧壁导坑正台阶法地层差，跨度14m较大较短好小低中隔壁法（CD法）地层差，跨度18m较大较短好小偏高交叉中隔壁法（CRD法）地层差，跨度20m较小长好大高双侧壁导坑法（眼镜工法）小跨度，连续使用可扩成大跨度大长差大高中洞法小长差大较高侧洞法大长差大高柱洞法多层多跨大长差大高1.全断面法施工 常用在级硬岩中，利于组织大型机械化作业，提高施工速度。该法可采用深孔爆破，例如大瑶山双线隧道用该法施工时，最深钻孔眼达5.15m，复合式衬砌单口月成洞达150240m。2.台阶法施工在松散地层中采用台阶法施工，一般都要用超前小导管对地层进行超前加固，对于一些特殊地段，如隧道埋深浅、地表有重要建筑物、隧道穿越公路或铁路线等，则需要对地层采用大管棚和小导管联合支护的方式。3.CD法施工围岩较差、跨度大、地表沉陷难控制是采用，此法单侧壁导坑超前，中部和另一侧的断面用正台阶法施工，故兼有正台阶法和双侧壁导坑法的优点，且洞跨可随机械设备等施工条件决定，此法已在北京地铁复兴门折返线，埋深与洞跨比为0.67、宽15m的渡线断面中应用并获得成功。4.CRD法施工当开挖断面较大时，为确保地层沉降在允许控制范围内，需要将整个开挖断面分为若干个小断面，并在断面中部设置一道临时支撑。在具体施工时，开挖一个小断面，进行一个小断面的初期支护，最终使整个大断面初期支护闭合成环，在二衬前，拆除中间“十字”支撑。5.双侧壁导坑法适用于浅埋大跨度隧道，地表下沉量要求严格，围岩条件特别差时，此法安全可靠，但速度慢，造价高。北京地铁西单车站施工采用了该方法，该处地层主要是粉细砂、中粗砂、砾砂等，埋深在6m左右，车站长、宽、高分别为270m，26.04m，13.5m。衡广复线上的香炉坑隧道，为双线铁路隧道，全长238m，隧道开挖宽度13.22m，高度10.47m，面积约120，随到最大埋深28m，洞口段覆盖层厚度在14m以内，最小埋深仅1.5m，该隧道采用双侧壁导坑法进洞获得了成功。1.4存在问题浅埋暗挖法虽然是一个成功的方法，获得了越来越多的应用，但也应该看到它的问题和不足。这主要表现在施工速度不快、施工步骤复杂，在困难条件下衬砌和防水施工质量难以控制，施工成本偏高等。因此，不断完善和提高浅埋暗挖法施工技术水平，是一项长期而重要的任务。目前, 采用浅埋暗挖法修建城市地铁主要受到地质条件、结构断面、地形条件等因素的影响, 应用范围受到一定限制。不能带水作业是浅埋暗挖法施工必须具备的基本条件。在含水地层暗挖施工中,必须进行先期降水。特别是城市地铁采用浅埋暗挖法基本是在无水条件下施工，通常情况下，城市地铁地下水位一般较高，水的影响往往是浅埋暗挖法施工成败的关键，而大深度、大范围降水可能会对周围环境造成破坏(如导致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造价偏高的一个原因。从目前效果看,在砂质地层中达到无水作业条件是完全可能的；在非砂质地层或含水层较薄的潜水或上层滞水疏干比较困难的情况下,可采用洞内轻型井点降水。浅埋暗挖法修建城市地铁的施工速度较慢，工程造价偏高，难以适应城市地铁的快速发展。目前浅埋暗挖法已经采用各项改进措施，虽然施工速度可能有所提高，工程造价得到降低，但挖潜、改进能力有限。1.5本文研究内容地下工程浅埋暗挖法于20世纪80年代中期创立的，并在北京市地铁工程中首次应用成功。它特别适用于我国北方地区地下水位较低条件下的浅埋隧道暗挖施工，不仅适用于地铁和公路隧道，而且适用于水利涵管、电力管线等其他浅埋隧道施工，为缺乏盾构等现代化掘进机械的浅埋暗挖隧道施工提供了强有力的支持，这对我国地下工程建设进一步推广和应用具有重大意义。本文主要研究内容包括浅埋暗挖法的定义和分类，浅埋暗挖法施工技术，浅埋暗挖法辅助施工方法，以及监控量测和信息反馈等， 对浅埋暗挖法施工要领进行了简要的论述。第二章 浅埋暗挖法施工技术2.1概述修建浅埋地段隧道时，往往因周围环境等要求必须采用暗挖法施工。浅埋暗挖法是一种综合施工技术，其特点是在开挖中采用多种辅助施工措施加固围岩，合理调动围岩的自承能力，开挖后及时支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形。施工中我们坚持“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针，这套施工要点是在施工实践中总结出来的，比较准确地概括了浅埋暗挖施工技术。其具体内容如下：“管超前”在工作面开挖前，沿隧道拱部周边按设计打入超前小导管起超前支护作用，开挖后管与管之间的围岩有成拱效应，管棚本身形成很多简支梁对围岩起支撑和抑制围岩变形作用，以便提供一个能完成初期支护的时间。“严注浆”在打设超前小导管后注浆加固地层，使松散的砂砾等能胶结起来，以便在开挖后不引起坍塌。在导管超前支护后，立即进行压注水泥或水泥水玻璃浆液，填充砂层孔隙，凝固后将砂砾胶结成为具有一定强度的“结石体”，使周围形成一个壳体，增强围岩自稳能力。此外，严注浆还包括初支背后注浆和二衬背后注浆。“短进尺”每个开挖循环距离要短，这样才能做到开挖和支护时间尽可能短，且由于嵌制作用和纵向围岩暴露得少，确保了施工完全。“强支护”采用格棚钢架和速凝混凝土进行较强的初期支护，以限制地层变形，浅埋暗挖法的网喷支护承载安全系数取得转大，一般不考虑二次支护承力。“早封闭”开挖后初期支护要尽早封闭成环，以便改变受力条件。“勤量测”施工量测指地表沉降量测和洞内拱顶下沉与收敛量测。量测是对施工过程中围岩及结构变化情况进行动态跟踪的主要手段，是对威严和支护结构的变形监测，其信息及时而准确地反馈给设计施工主管部门，以便修改设计或采取特殊的施工措施。2.1.1浅埋暗挖法施工要求1.控制围岩变形波及地面浅埋隧道施工中开挖的影响将波及地面。为了避免破坏地面建筑物及地层内埋设的线路管网，保护地面自然景观，克服对地上交通的影响，更好地适应周围环境的需要，必须严格控制地中及地表沉陷变形量。变形量，不仅包括由于开挖直接引起的围岩的沉降变形，而且包括由于围岩作用引起的支护体系的柔性变形和各阶段施工中基础下沉变位而引起的结构整体位移。2.要求刚性支护或进行地层改良为了抑制地中及地面的变形沉陷，浅埋暗挖法施工时，其支护时间必须尽可能提前，支护的刚度也应适当加大；必须选用适当的开挖方法、支护方式及施工工艺。另外，还应经常采用对前方围岩条件进行改良及超前支护等基本措施。3.通过试验段来指导设计和施工由于周围环境及隧道所处地段地质的复杂性，在做出包括结构设计、施工方案、试验及量测计划的设计后，往往需要选取地质条件及结构情况有代表性的一段工程作为试验段，先期开工。施工过程中，对引起的地中及地面沉陷变形、支护结构及围岩应力状态、地面环境受影响程度等情况进行观察、量测、分析和研究。根据试验段施工中所取得数据，还可以用反分析法获得更多更符合实际的围岩力学参数，并在此基础上进行力学分析计算。通过对试验段施工的研究分析，对整体施工方案进行优化设计，对量测数据管理标准进行验证。2.1.2浅埋暗挖法施工原则1.根据地层情况、地面建筑物特点及机械配备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断面大或地层较差；可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好，可用全断面开挖法。2.应重视辅助工法的选择，当地层较差、开挖面不能自稳时，采取辅助施工措施后，仍应优先采用大断面开挖法。3.应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二次模筑衬砌作业的配套机具，使施工程序化，为快速施工创造条件。设备投入量一般不少于工程造价的10，否则难以满足工程质量和进度的要求。4.现场施工过程中的监控量测与反馈在浅埋暗挖法施工中非常重要，必须在施工组织设计中作为重要的工序进行规划和实施。必须采用先进的量测设备、方法和相应的处理量测资料的软件。5.工序安排要突出及时性，尤其在开挖后要认真做到及时喷射混凝土、及时量测、及时反馈、及时修正。地层较差时，应严格执行“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。6.提高职工素质，组织综合工班进行作业，以提高施工质量和速度。当前，许多施工队伍严重缺乏管理，施工质量差，极易造成塌方和大幅度沉降。7.在施工过程中，开挖、喷锚、装渣运输等工序将产生大量粉尘、噪音和有害气体，应加强通风、防尘措施及管理，并指定专人负责，做到文明施工，在洞内外都要处理好施工、人员、环境三者的关系。8.应采用网络技术进行工序时间调整，进行进度管理、安全技术组织措施管理、机械配套和维修管理、监控量测与反馈管理、质量检验管理、材料消耗管理、环境工程管理等，应配套容量较大的微机进行存储和分析。2.2施工方法2.2.1全断面开挖法施工 地下断面采用一次开挖成型（主要是爆破或机械开挖）的施工方法叫全断面开挖法。该法的优点是可以减少开挖对围岩的扰动次数，有利于围岩天然承载拱的形成；工序简单，便于组织大型机械化施工；施工速度快，防水处理简单。缺点是对地质条件要求严格，围岩必须有足够的自稳能力。另外，机械设备配套费用也较大。1.施工顺序全断面开挖法操作比较简单，主要工序：使用移动式钻孔台机，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点，再起爆，一次爆破成型，出渣后钻孔台车再推移至开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环。同时施做初期支护，铺设防水隔离层或不铺设，进行二次模筑衬砌。开挖顺序见下图2-1。全断面开挖 喷锚支护 灌注衬砌图2-1全段面法开挖施工顺序该施工工艺流程突出两点：增加操作手进行复喷作业，先初喷后复喷，以利于稳定地层和加快施工进度；铺底混凝土必须提前施作，且不滞后200m。当地层较差时铺底应紧跟，这是确保施工安全和质量的重要做法。2.适用范围全断面开挖法主要适用于级围岩。当断面在50以下，隧道又处于级围岩地层时，为了减少对地层的扰动次数，在采取局部注浆等辅助施工措施加固地层后，也可采用全断面法施工。但是第四纪地层中采用此施工方法时，断面一般均为20以下，且施工中仍需特别注意。山岭隧道及小断面城市地下电力、热力、电信管道施工多用此法。3.评价 （1）优点全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，便于施工组织和管理。 （2）缺点由于开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大。每次深孔爆破引起的震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计 ，并严格控制爆破作业。2.2.2台阶法施工台阶法施工就是将结构断面分成两个和几个部分，即分成上下两个工作面或几个工作面，分部开挖。根据地层条件和机械配套情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔壁台阶法等。该方法在浅埋暗挖法中应用最广，可根据工程实际、地质条件和机械条件，选择合适的台阶方式。台阶法开挖顺序见图2-2。 1.上半部开挖 2.拱部喷锚支护 3.下半 1.上半部开挖 2.拱部喷锚支护 3中部中央部开挖 4.边墙部开挖 5.边墙锚 核开挖 4.下部开挖 5.边墙锚喷支护喷支护 6.二次衬砌仰拱 7.二次衬砌 6.二次衬砌仰拱 7.二次衬砌图2-2 台阶法开挖顺序 1.正台阶法开挖正台阶法开挖优点很多，能较早地使支护闭合，有利于控制围岩其结构变形及由此引起的地面沉降。上台阶长度（L）一般控制在11.5倍洞径（D），根据地层条件可选择两部或多部开挖法。（1）上下两部分步开挖采用此方法，若地层较好（、类），可将断面分成上下两个台阶开挖，上台阶长度（L）一般控制在11.5倍洞径（D）以内，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护后形成封闭结构。若地层较差，为了稳定工作面，也可以辅以小导管超前支护等措施。上下两部分步正台阶法开挖示意图见下图2-3。一般采用人工和机械混合开挖法，即上半断面采用人工开挖、机械出渣，下半断面采用机械开挖、机械出渣。有时为避免上半断面出渣对下半断面的影响，可用皮带运输机将上半断面渣土送到下半断面的运输车中。图2-3 上下两部分步正台阶法开挖（2）多部分开挖留核心土该方法适用于较差的地层，围岩级别是、类，上台阶取1倍洞径（D）左右环形开挖，留核心土。用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面；用网构拱架做初期支护；拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。从断面开挖到初期支护、仰拱封闭不能超过10d，以确保地面沉陷控制在50mm以内。当隧道断面较高时，可以分多层台阶开挖法，但台阶长度不容许超过1.5D。多部分开挖留核心土示意图见图2-3。 图2-3 多部分开挖留核心土示意图2.有关台阶长度问题台阶长度之所以定为1倍洞径(D)，主要因为地面沉降不容许超过30mm，另外，隧道在施工中纵向产生承载拱，承载拱的跨度约为1倍洞径（图2-4）。这样，在1倍洞径区段周围地层产生横向和纵向两个承载拱的作用，这对开挖是有利的。台阶长度超过1倍洞径将失去纵向承载拱受力结构，仅有横向平面承载拱受力结构。另外，上台阶若选用大于15倍洞径的长台阶，在开挖时纵向变位大，上台阶断面形状不利于受力，而且容易引起周围地层松动，塑性区增大，造成拱脚附近受力大而使其失去稳定性（图2-5）；在下台阶开挖时，也容易产生变位叠加而使其失去稳定性（图2-6）。 图2-4 纵向承载拱的作用 图2-5 上台阶过长引起松动荷载 图2-6 开挖过程纵向变位影响长度图 图2-7 上台阶过短引起工作面不稳定上台阶若过短，小于1倍洞径，因洞内纵向破裂面超过工作面，易造成洞顶土体下滑，引起工作面不稳定所以软弱地层不能采用短台阶法施工（图2-7），但是若用硬岩爆破法施工时，为了便于风钻打眼，可设置超短台阶。从安全角度考虑，台阶长度定为1倍洞径是合理的，施工机械的配置也应遵守这个原则。因此，在采用正台阶法施工时，应树立一个概念，不要分长台阶、短台阶、微台阶，这是长期施工经验教训的总结，有关施工规范中也取消了这种说法，也不再提半断面法开挖。需要说明的是，在类砂卵石地层中进行大断面正台阶开挖，必须同时实施深孔注浆和小导管超前支护、预注浆辅助工法。3.优缺点灵活多变，适用性强。凡是软弱围岩、第四纪沉积地层，必须采用正台阶法，尤其是各种不同方法中的基本方法。而且，当遇到地层变化(变好或变坏)，都能及时更改、变换成其他方法，所以被称为浅埋暗挖施工方法之母。具有足够的作业空间和较快的施工速度，台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业则较为安全。当地层无水、洞跨小于10m时，均可采用该方法。台阶法开挖的缺点是上下部作业相互干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响，还应注意台阶开挖会增加围岩被扰动的次数等。2.2.3 分部开挖法 分部开挖法主要适用于地层较差的大断面地下工程，尤其是限制地面沉降的城市地下工程，包括单侧壁导坑超前台阶法、中隔墙法（CD工法）、交叉中隔墙法(CRD工法）、双侧壁导坑超前中间台阶法（眼镜工法）和双隔墙中间预留核心土法等多种形式。一、 单侧壁导坑超前台阶法1. 基本概念单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定距离，再开挖隧道断面剩余部分的隧道开挖方法。单侧壁导坑超前导坑法开挖示意图见下图2-8。图2-8 单侧壁导坑超前台阶法采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上。为了稳定工作面，须采取超前锚杆、超前小管管、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合开挖、人工和机械配合出碴。断面剩余部分开挖时，可适当采用控制爆破以免破坏已完成导坑的临时支护。侧壁导坑尺寸通常根据机械设备和施工条件来确定，而侧壁导坑的正台阶高度，一般规定为台阶底部至拱线的位置，这主要是为施工方便而规定的，范围在2.53.5m。下台阶落底、封闭要及时，以减少地面沉降。2.适用范围单侧壁导坑超前台阶法主要适用于地层较差、断面较大，采用台阶法开挖有困难的地层。采用该法可变大跨断面为小跨断面。大跨断面多不小于10 m，可采用单侧壁导坑法，将导坑跨度定为34m，这样就可将大跨度变为34m跨和610m跨，这种施工方法简单可靠。 二、中隔墙法(CD工法)1.基本概念CD工法（Center Diaphragm）是指是在软弱围岩大跨度隧道中，将隧道断面左右一分为二，先开挖一侧，并在隧道断面中部架设一临时支撑隔，待先开挖的一侧超前一定距离后，再开挖另一侧隧道的施工方法。通过隧道断面中部的临时支撑隔墙，将断面跨度一分为二，减小了开挖断面跨度，使断面受力更合理，从而使隧道开挖更安全、可靠。CD工法是在20世纪80年代以来，随着修建城市地下工程实例日益增多，尤其是非掘进机方法运用于软弱、松散地层中浅埋暗挖隧道工程后，在原正台阶法的基础上发展起来的一种工法。它更有效地解决了将大跨、中跨的洞室开挖转变为中、小跨洞室开挖问题。CD工法首次在德国慕尼黑地铁工程的实践中获得了成功，并在技术和经济上去的突破。2.适用范围CD工法主要适用于地层较差的、可采用人工或人工配合机械开挖的、V级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段，且地面沉降要求严格的地下工程施工。3.施工方法采用CD工法施工时，每步的台阶长度都应控制，一般为57m。为了稳定工作面，往往与预注浆等辅助施工措施配合使用，采用人工开挖、人工出渣方式。CD工法的开挖方式与施工顺序分别见下图2-9和图2-10。图2-9 CD工法开挖方式图2-10 CD工法施工顺序三、交叉中隔墙法(CRD工法) 1.基本概念当CD工法仍不能保证围岩稳定和隧道施工安全要求时，可在CD工法的基础上对各分部加设临时仰拱，即CRD工法(Center Cross Diaphragm)。CRD工法是在软弱围岩大跨度隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工的施工方法。CRD工法是日本在真米隧道建设中吸取欧洲CD工法的经验，在冬叶高速线习志野台隧道施工中，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环、改进发展的一种工法。其最大特点是将大断面施工化成小段面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期沉降好，每个步序受力体系完整。因此结构受力均匀，形变小。另外，由于支护刚度大，施工时随到整体下沉微弱，地层沉降量不大，而且容易控制。2.适用范围CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土及黄上组成的V级围岩和软朗状粘性土、潮湿的粉细砂组成的级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等。3.施工方法CRD工法以台阶法为基础，将隧道断面从中间分成46部分，使上下台阶左右各分成23部分，每一部分开挖并支护后形成独立闭合单元。各部分开挖时，纵向间隔的距离可根据具体情况按台阶法确定。CRD工法的开挖方式与施工流程分别见下图2-11和图2-12。图2-11 CRD工法开挖方式 （a）横向施工示意图（b）纵向施工示意图图2-12CRD工法施工流程四、双侧壁导坑超前中间台阶法1.基本概念双侧壁导坑法也称眼镜工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法，其实质是将大跨度(20m)分成三个小跨度进行作业。该法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，有可能由于测量误差而引起钢架连接困难，从而加大了下沉值，而且成本较高，进度较慢。20世纪70年代至80年代初国内外多用此法，目前使用较少。但是，当断面很大时也经常采用，有时还采用连续眼镜工法，即三眼镜法、四眼镜法。采用该法开挖时，双侧壁导坑超前的距离相等或不等。为了稳定工作面，经常和超前预注浆等辅助施工措施配合使用。一般采用人工和机械混合开挖，人工和机械混合出渣，开挖方式见下图2-13。图2-13 双侧壁导坑超前中间台阶法开挖方式双侧壁导坑超前中间台阶法以台阶法为基础，将隧道断面分成三部分，即双侧壁导洞和中部，其双侧壁导洞尺寸以满足机械设备和施工条件为标准加以确定。施工时，应先开挖两侧的侧壁导洞，在导洞内按正台阶法施工，当隧道跨度较大且地质情况较差时，上台阶也可采用中隔墙法或环形留核心土法开挖，并及时施作初期支护结构，在初期支护的保护下，逐层开挖下台阶至基底，并进行仰拱或底板的施工。施工过程中，左右侧壁导洞错开应不小于15m，确定这个数值的前提是，在开挖中引起的导洞周边围岩的应力重新分布不影响已完成的导洞。关于上、下台阶之间的距离，可视具体情况，按台阶法确定。2.工艺原理采用双侧壁导坑超前中间台阶法施作大跨度隧道，其机理是将大跨度洞室首先分割成几个小洞室分步施工，合理转化工序。以岩体力学理论为基础，以监控量测为依据，采用新奥法原理和控制爆破技术，及时喷锚进行初期支护。针对围岩软弱的特点，经监控数据反馈，合理确定工序间的关系。利用监控位移反分析法和初期支护的钢筋轴力、围岩应力、二衬钢筋轴力、二衬接触压应力的量测结果指导施工。图2-14是双侧壁导坑超前中间台阶法施工顺序示意图。（a）横向施工示意图 （b）纵向施工示意图图2-14 双侧壁导坑超前中间台阶法施工顺序3.适用范围该工法主要适用于地层较差的、可采用人工或人工配合机械开挖的、V级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段,以及断面很大、单侧壁导坑超前台阶法无法满足要求的三线或多线大断面铁路隧道及地铁工程,。4.工艺流程工艺流程框图如下图2-15所示。图2-15 双侧壁导坑超前中间台阶法施工工艺流程五、双隔墙中间预留核心土法1.基本概念双隔墙中间预留核心土法也称留土柱法，主要适用于地层较差、断面较大（跨度大于10m），而且采用CD工法、CRD工法和眼镜工法开挖有困难的地层，该法也是将大跨变为小跨的施工方法。该方法是以台阶法为基础，用预留核心土将隧道断面从中间分成四个部分，使上、下台阶左右各分成两部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。同时，中间预留土柱能支撑拱顶，有效减少拱顶下沉，充分发挥土体的支护作用。而且，该施工方法比CRD工法和眼镜工法工艺简单，进度更快，由于减少了支护，可降低成本。采用该工法开挖时，双隔墙超前的距离相等或不等。预留土柱的各部分开挖时，纵向间隔距离可根据具体情况按台阶法确定。2.施工方法采用双隔墙中间预留核心土法施工时，每步的台阶长度都应控制，一般为57m。为稳定工作面，往往与长期预注浆等辅助施工措施配合使用，采用人工开挖、人工出渣方式。开挖方式与开挖顺序分别见下图2-16和图2-17。 图2-16双隔墙中间预留核心土法开挖方式 图 2-17双隔墙中间预留核心土法开挖顺序3.特点适用范围广。适用于地层地质条件很差、跨度大、地面沉降要求严格的隧道开挖。减小地面沉降。预留土柱起到支撑作用，当两侧封闭后，开挖中部可以实现快速封闭，使得支护结构更合理，从而有效减小拱顶下沉，减少沉降曲线叠加。工艺简单。拆除临时支护工作量小，从而简化了工艺。成本低。支护体系与CD工法、眼镜工法比较，需要的支护材料少，工作量小，因而施工成本降低。六、方法比较1. CD工法与CRD工法比较大量的施工实例资料的统计结果表明，CRD工法优于CD工法(CRD工法比CD工法减少地面沉降近50)，而CD工法又优于眼镜工法。但是CRD工法施工工序复杂，隔墙拆除困难，成本较高，进度较慢，一般在第四纪地层中修建大段面地下结构物(如停车场)，且地面沉降要求严格时才使用。日本的工程研究人员在习志野台隧道施工过程中，对这两种工法在同样的地层条件和支护刚度下进行比较发现：采用CD工法时地面沉降为7784mm，采用CRD工法时地面沉降为2630mm，前者为后者的2.8倍以上，且CD工法的地面沉降量难以控制在为70mm之内。采用CD工法时地面最大下沉坡度为6%，而采用CRD工法时地面最大下沉坡度为2.3%，前者为后者的2.6倍以上。采用CD工法时侧向水平位移为20mm，而采用CRD工法时侧向水平位移为9mm，前者为后者的2倍以上。2.CRD工法与眼镜工法比较。据分析，当仅为单洞施工时，两种方法都可以将地面沉降控制在30mm以内，但采用CRD工法土体水平位移仅为采用眼镜工法时的66%左右。而且两洞交互施工时，就克服相互干扰而言，CRD工法优于眼镜工法。采用眼镜工法时顶部弧形导坑开挖具有一定风险性，而采用CRD工法步步封闭成环，各施工阶段风险较小。相对而言，采用CRD工法时各工作面可同时作业，有利于安排工序和劳力，相互干扰小。采用眼镜工法时两侧弧形导洞内的钢支撑往往难以控制在同一断面内，顶部弧形导坑开挖后，钢支撑若无法连接成整体，则支护承载能力大为降低，而采用CRD工法不存在此类问题。两者所需费用基本相当。3.双隔墙中间预留核心土法与CD工法比较CD工法交叉中壁受力不太合理，拱顶不易稳定，大量施工实例资料统计结果表明，CD工法地面沉降比较大。双隔墙中间预留核心土法利用了中部预留核心土柱对拱顶的支撑作用，明显减少了拱顶沉降。根据数值模拟结果，CD工法引起地面沉降为29.03mm，而双隔墙中间预留核心土法为22.75mm。4.双隔墙中间预留核心土法与眼镜工法比较眼镜工法两侧弧形导洞内的钢支撑往往难以控制在同一断面内，顶部弧形导坑开挖后，钢支撑若无法连接成整体，则支护承载能力大为降低，且有可能由于测量误差而引起钢架连接困难，从而加大下沉值。双隔墙中间预留核心土法开挖不存在此类问题，而且工序较简单，支护拆除容易，进度较快。2.2.4