（岩土工程专业论文）西四车站暗挖段穿越施工方案研究.pdf

摘要 本文以北京地铁四号线西四车站暗挖段旌工为背景，结合具体工程地质条件，从优 化施工顺序的角度对如何减小暗挖段开挖对车站上方西四新华书店的影响进行了研究。 首先，根据目前车站施工的各种方法拟定了三种不同的开挖顺序，即方案i 先开挖 中洞后同时开挖两侧洞，方案右洞左洞中洞依次开挖，方案左洞右洞中洞依次开挖。 接着，利用a n s y s 建模并导入f l a c 3 d 中对三种方案进行数值模拟计算。根据计 算出的结果，结合书店关键测点位移、地表测点沉降、结构主体测点的位移以及主体结 构周围土体塑性区分布等项目指标进行方案评比选优，并考虑到新华书店位于车站上方 中线偏左位置，最终确定方案为最佳。接着针对方案不同开挖阶段，周围土体及衬 砌结构应力状态的变化过程和整个系统位移场的演变过程进行详细的分析。 最后，通过对模拟结果的类似工程验证，得出数值模拟结果能够较好地反映舡过 程中位移变化趋势的结论。因此，采用数值模拟方法进行开挖方案的优选是可行的。 所得结论主要有：( 1 ) 开挖顺序对地表整体平均沉降量的影响差异不大，无论采用 何种开挖顺序，地表最大沉降量均发生在车站中线开挖终了端；( 2 ) 对于中洞跨度较大 的车站开挖，左( 右) 洞开挖对右( 左) 洞上方地表沉降影响不大，为了评估这种影响 本文提出了“沉降贡献比值”的概念；( 3 ) 三种方案对控制局部区域变形各有优势，具 有“对同一项目指标，先开挖区域变形值小，后开挖区域变形值大”的规律，该规律适 用于地表沉降( 包括地表书店测点) 、结构拱项沉降、拱底隆起等指标的评估。 关键词：浅埋暗挖；穿越施工；施工顺序优化；f l a c 3 d 踟肼ro n 皿a v 职刚ge x o ns c 皿凇 o f 献m e t r o 刚隗o n 1 1 i i sp a p e rc o h l l e sf r o mi h ea c t u a lr , r o i c a , t h ex i s i - s t a l i o ao fb c 自吨m c l l - on o 4l i n e 嘶t h e v i e wo fo p t i m i z i n ge x c a v a t i o ns e q u e n c et h ea u t h o fe x p l o 惜h o wt ol _ c d e et l a e e f f e c to nt h ex i l l h l l l ab o o k s t o r ew h i e l al o c a t e dd b d v ct h ex i s i - s t a t i o w h e - 曲喀s l l l l i o l li s e x c a v a t i n g f i r s t l y b a s e d0 1 1t h ec t u r e n tv a r i e dm e t h o d so fm c t l os t a l i o l l le o m m l e t i o n , t h ea l l t t l l m s 蛐o u tt h r e ed i t i e r c l l te x c a v a t i o ns e q e n e e sw l a i c hi i i e 州c c ti ( c x c a v a 吨t h em i d d l eh o l o f i r s ta s x l t l a e n t h e t w os i d e h o l e s s i m d t a e 吣l y ) p r o j e c t 他啦懿c a v a t i n g t l a c i i 班h o l e , t h 髓 t h el e f th o l e , a 日df i n a l l yt h em i d d l ch o l o , l r o j e e t m ( r 璐tc x c a v a 衄l e f tb o l e , t h e l lt l a cr i g h t h o l e , a n df i n a l l yt l a cm i d d l eh o l e ) s e c o n d l y , a c c o r d i n gt 0t h c 吐瞳s c h e m e s , t l a ea l l t h o tb u i l d sc o r r e s l x 胤l i n gm o d e l s w i t ht i l e a n s y s s o f t w a r e , 砸证t h e nc a n i c s , o u tas e r i e so fn u m e r i c a lc a l e 1 a t i o u s i n gt h ef i a c 3 d s o 矗w a i 也t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t s 丘o mf o u rd i f f e r e n ti i s p c c l s ；曲曙d i s p l a , x - m to fk e y 比a 啪e dp o i n t so nt h eb o o k s t o r e , t h es e t t l e m e n to f m e a s u r e dp o i l l t s 帆t h ee a r t h ss 柚 f a c c 9t h e d i s p l a , x m 蹦to ft l a cs t n l c t u r em c , a s u r e dp o i n t sa n dt h ep l a s t i cf a i l u r et b g i o , la r o u n dt l a em a i n s t r u c t l 聪t h ea u t h o rr o e o m m c j d sm el r o j c al l ia st l a co l , t i l m l 文抽锄c a n dt h e nt h ea l t l l h ( 1 f l n n a l y z e st l a ce v o l u t i o np r o c e s so ft h ew h o l e $ y s t c l nd i s p l a , 蛐咖f i e l da n dt l a cs t r e s sc h a n g i n g p r o c e s s o f s m r o u n d i n g s o i l n n d t l a e l i n i n g i g d e t a t 3 f o r e v e r y s t a g e o f t l 地l r o j e e t 皿 f m a l l y , t h r o u g ht h ee o m l , a l i s o b e t w e e nr e s u l t sa n dt h ea c t u a lm o i t o r i n gd a t af r o mt h c s i m i l a rp r o j 比t , t h ea u t h o rc o l n c st ot l a cc o n c u l t i o nt h a t 曲曙e a l e u l a l i o 1 e s u l t s 咖r e t t e e tt h e a c t u a la e t i o l a s oi ti sr e a s o n a b l et oc h o o s et h eo p t i m a tm e t h o dw i t ht l a el l u m e r i c a lm o d e l i n g m e t h o d t l l r c cm a i nc o n c l u s i o n sa 把o b t a i n e d ：( 1 ) i nt h et h r e es c h e m e s ，t h ed i f f e r e n c eo ft h ew h o l e s u l - f l i c e sa v e r a g es e t t l e m e n ti sn o to b v i o u s 1 1 把l a r g e s ta m o u n to fs e t t l e m e n ta ts u r f a c et a k e s p l a c e a t t h e t e r m i n a l o f e x c a v a t i o n o f t h e m i d d l e l i n e ；( 2 ) i n t h e e x c a v a t i o n o f l o n g - s p a ns t a t i o n t u n n e l , t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dan e wc o n c e p to fs e t t l e m e n tc o n m b 妇gr a t i o w h i c h 锄b c u s e dt oe v a l u a t et l a ce f f e c to nd i s i , l a c e m ca tac e r t a i np o i n t , w h i e l ai sa r o n s e db yt h ee x c a v a t i o n o fd i f f e r e n tc a v c n l s ；( 3 ) t h et h r e es c h e m e sh a v et h e i ro w na d v 出l t a g c sa t c o n t r o l l i n g - 2 - , p l a c e m e n to fl o c a l 揽t h e ya l lf o l l o wt h el a wt h a tt h em a l l 锄o o n to fd i s p l 珈ti sa t t h e4 铷l i c l e x c a v a t i o ur e g i 佃w 陆t h el 觚寥a m o u n t 越t h el a t e r 旺c a v a t i o n 咒衄t h el a w a p p l i 嚣t ot h ef o l l o w i n sp r o j mi i k i j c t o l 瞎 t h es e t t l e m e n to fe a r t h ss u r f a c e ( i n c l u d i n gt h e m e a s u r e p o i n t s o f t h e b o o k s t o 把) , t h e s e t t l m e n t o f t h e c 瑚v n , t h e u p l h 丘o f t h e i n v e r ta n d s o o n k e yw o r d s ：s h a l 帖w - d e p t h - e x c a v a t i o n ；t r a v e r s i n ge x c a v a t i o n ；o p t i m i z a t i o n o f c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e ；f l a c 3 ds o f t w a r e - 3 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：盈建生日期：塑：! ：笙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，i i i - 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：猛篮! 日期： w 矗；弘 北京科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题来源于正在建设中的北京地铁四号线一期工程西四站。 西四地铁站位于西四东大街、西四南大街、西四北大街、阜成门内大街交会的十字 路口西侧，呈南北走向，全长2 0 4 8 m 。由于拟建车站上方存在西四新华书店、广济寺等 市级文物保护建筑，因此车站施工采用明暗挖相结合施工，即车站两端采用明挖法施工， 中间部分采用暗挖法施工。其中明挖段结构形式采用三跨两柱三层矩形框架结构，长约 1 4 4 m ，暗挖段采用三拱两柱单层复合式衬砌结构，长约6 0 m 。 由于车站暗挖施工过程中涉及到地下、地中、地表等各个方面，对车站暗挖施工过 程中，其周边土体的位移、应力和破坏区等的变化状况以及地中地表建( 构) 筑物的影 响进行研究是十分必要的，也为车站开挖支护设计提供理论依据。同时，为了旌工的安 全，有必要对开挖方案、支护方案等进行评比选优，以期得出在较短时间内进行稳定支 护的最佳方案。 1 2 选题意义 我国自改革开放以来，城市交通条件日趋恶化，车均道路面积每年以1 0 1 5 的 速度下降。城市空气和交通污染严重超标，对城市居民的身心健康构成了威胁。因此， 发展城市快速交通、减少城市交通污染成为城市交通的一个重大课题。在市中心区修建 地下铁道，不仅可以缓解地面道路阻塞和居民乘车难的问题，还有利于城市环境的保护， 实现可持续发展，这为解决城市日益恶化的交通问题提供了可靠的途径。 目前，地铁施工考虑到交通和环境方面的影响，通常采用暗挖法来进行施工。暗挖 法施工过程中对地表沉降的预测和控制是地铁隧道建设中的一个重要问题，过大的地表 沉降会引起地面建筑物的开裂和倾斜，尤其是对于大断面的车站开挖。如何预测并在施 工中控制地表沉降，保证上部结构的安全是地下隧道工程建设的重要任务。但由于影响 暗挖隧道开挖中地表沉降的原因十分复杂，受到隧道围岩种类、支护结构形式、隧道开 挖方式等多种因素的影响，当前实践中主要为依靠经验的施工方法。如何利用现有条件 采用合理的理论分析方法来研究和评价地铁车站开挖对其上部地表建筑物的影响是施工 中最为关心的问题。因此，对类似的地铁车站暗挖穿越问题，在工法一定的前提下，怎 样选择合理的开挖顺序以及具体的施工方法成为本论文着重要研究的问题。 北京科技大学硕士学位论文 1 3 工程背景 1 3 1 工程概况 北京地铁四号线主体为南北走向，纵贯北京市，穿越丰台、宣武、西城、海淀四个 行政区，沿途通过菜市口、宣武门，西单、新街口、西直门、中关村大街等北京市最繁 华的街区。四号线全长2 8 1 8 k m ，共设2 4 座车站，其中地下站2 3 座，地面站1 座，地 下站中采用暗挖法和明、暗挖法结合的车站为1 1 座。本线施工难度大，而且工期较紧， 预计土建工期为两年半。四号线建成后将成为北京市南北交通的主动脉。 西四地铁车站采用岛式站台，站台宽度1 4 m ，车站全长2 0 4 8 m 。车站采用两端明挖 中间段暗挖的旖工方案。拟建车站有效站台中心里程为i g 0 + 5 3 7 0 7 1 。暗挖段起迄里程 为k 1 0 + 5 2 2 5 7 l l 【1 0 + s 7 6 4 7 1 ，全长5 3 9 m 。车站总平面图如图1 1 所示 f j 二号 亭 ：? 一。 三j _ - 1l t t a 口, 隹三j 嘲 型壁：r l 娥 搴 站 眷 夤 里 程 吣、 2 、 占 出入口1 西四站 札一坠袋 一铲庐圹 雏鸶懈 平堂量皓 图1 1 车站总平面图 西四站为北京地铁四号线与六号线的换乘站，换乘采用六号线在上，四号线在下的 方式，所以本次工程为实现与六号线换乘，局部设抬高段作为换乘节点，并预留通道接 口。本次支护设计只涉及车站暗挖段标准段( 即不含局部拾高段) 。车站主体暗挖段标 准横断面如图1 2 所示。车站暗挖段采用三拱两柱单层复合式衬砌结构，拱顶上部覆土 约1 1 3 4 m ，暗挖段标准断面宽2 3 9 0 m 、高1 1 6 3 m 。 北京科技大学硕士学位论文 景 一 暑 一 8 暑 。 窝 图1 2 西四车站略挖段标准断面图 1 3 2 水文地质条件 本场区共发现三层地下水，分别为上层滞水、潜水和层间潜水。其中上层滞水仅在 粉土层中局部出现，潜水水位位于底扳附近，降低了围岩分级，对施工有直接影响； 层间潜水静止水位低于设计底板，因此目前可不考虑其对结构和开挖的影响。各地下水 特征见表1 1 。 表1 1 西四车站地下水分布表 上层滞水和层间潜水对混凝土结构无腐蚀性；在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的 钢筋具有弱腐蚀性，而在长期浸水的环境下对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构 具有弱腐蚀性。 1 3 3 工程地质条件 根据北京地铁四号线工程西四车站岩土工程勘察报告( 2 0 眠0 8 ) 中所提供的资 料，车站场区的地层可分为人工堆积层和第四纪沉积层，第四纪沉积层以晚更新世洪冲 击层为主，对暗挖段工程影响较大的地层分布见表1 2 。 表1 2 西四车站暗挖段地层岩性特征一览表 地层 沉积年代岩性名称密实度压缩性层底标高( m )分布情况 代号 人工填土 杂填土松散一稍密连续分布 4 3 2 5 4 6 3 5 一 l粉杂填土松散一稍密连续分布 粉土中密一密实中压缩连续分布 第四纪1 粉质粘土中压缩 4 1 3 7 4 4 3 5 连续分布 晚更新 粘土低压缩透镜体分布 世冲洪 粉质粘土中压缩连续分布 积层l 粉土密实中压缩连续分布 3 5 5 6 3 7 3 4 q 4 岬 b粉细砂密实低压缩连续分布 4中粗砂密实低压缩连续分布 卵石圆砾密实低压缩3 0 5 7 3 1 5 l连续分布 粉质粘土中压缩薄层连续分布 l 粘土中压缩2 8 2 口一2 9 傩连续分布 l 粉土密实中压缩连续分布 第四纪 卵石圆砾密实低压缩连续分布 晚更新 l中粗砂密实低压缩 1 8 9 伊一2 2 5 8 连续分布 世冲洪 | 粉细砂密实低压缩 透镜体分布 积层 q 岬 粉质粘土密实中压缩连续分布 1 3 8 7 1 5 册 l 粉土密实 中压缩连续分布 粉质粘土中压缩 1粘土中压缩 未穿透 2粉土密实中压缩 细中砂密实低压缩 - 4 - 北京科技大学硕士学位论文 车站轨顶标高约为3 0 7 9 1 m ，底板厚度按1 5 m 考虑，车站围岩稳定性分述如下： 结构顶板部位土层主要有粉质粘土层、粉土2 层、粉细砂层，围岩稳定性差， 无法形成自然应力拱，易发生坍落现象，围岩分级以级为主； 拱墙穿过的岩土层主要为粉土l 层、粉细砂b 层、卵石圆砾层、粉质粘土层： 围岩分类均属级围岩；边墙下部以砂土和碎石土为主，围岩土体的自稳能力差，易发 生坍塌现象。 车站结构底板以中租砂l 层为主，属级围岩； 地基持力层主要为粉质粘土层、粘土l 层、粉土l 层、中粗砂l 层及卵石圆砾 层。其中粉质粘土层、粘土l 层、粉土l 层呈薄层带状分布。该建筑场地的地基 土稳定性较好，无不良地质现象，建筑场地的稳定性和适宜性良好。 1 4 研究内容和方法 地铁车站隧道开挖过程其实是一个三维动态施工过程，采用平面有限元或有限差分 分析无法模拟空间效应。因此，本文将从动态施工力学的角度出发，采用f l a c 3 d 有限 差分程序，进行动态数值模拟，优化施工方法，并结合现场监测资料对车站施工提供指 导。 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 国内外地铁车站施工方法及近接施工的文献检索与综述； ( 2 ) 搜集站址工程地质资料、土体参数，以及周边控制性建筑物相对位置； ( 3 ) 地铁车站大断面旌工对地表建筑物的影响以及对地表造成的扰动变形分析； ( 4 ) 不同开挖顺序对车站和周围建筑物稳定性影响的数值模拟研究； ( 5 ) 同一开挖顺序不同开挖阶段对周围土体和环境以及车站自身的影响。 1 4 2 研究技术路线 采用数值模拟的方法，运用三维有限差分软件f l a c 3 d 对车站开挖拟定的几种不同 开挖顺序进行模拟和研究，综合地表建筑物变形、地表沉降以及车站本身稳定性等几个 个方面选出最优开挖，制定出最优的施工方案。同时，针对数值模拟开挖过程中出现的 问题对实际旌工进行预测，为实际施工提供指导和参考。 北京科技大学硕士学位论文 自1 9 8 6 年王梦恕院士首倡“浅埋暗挖法”并在北京地铁复兴门折返线施工中应用成 功以来，该法已经在北京、广州、深圳、南京等城市的地铁、地下停车场和地下通道等 工程建设中得到了广泛的应用，取得了很大的经济效益和社会效益。 然而，采用浅埋暗挖法施工不当可能导致地层失稳或过量变形等工程病害问题，这 将危及地面和周围建筑物以及交通、通讯、供水、供电、煤气管线等各种城市生命线的 安全。我国在广州、深圳、北京地铁中也遇到了类似的问题，如广州地铁2 号线海珠广 场地表塌陷、北京地铁五号线雍和富车站沉降引起燃气管线下沉超标等一系列事故。因 此，在城市繁华地区修建城市地下结构物时，如何把对环境的影响减少到最低的限度是 一个不容忽视的问题，其中最主要的是施工中对既有结构物的影响和自身近接舡时的 相互影响问题。日本将这种情况定义为近接施工影响问题l 习。近接旌工中最极端的情况 就是直接穿越问题【3 】，如深圳地铁一期工程中区间隧道重叠，南京地铁穿越明城墙、北 京地铁五号线穿越地坛公园等。当采用浅埋暗挖法旌工时，隧道埋置深度较浅、地层松 散不稳定、岩层软弱破碎等苛刻的施工条件决定了在进行穿越施工更应给予高度的重视。 2 1 浅埋暗挖法概述 浅埋暗挖施工技术是一种在离地表很近的地下进行各种类型洞室暗挖施工的方法 旧。最早应用于北京地铁复兴门折返线工程，该工程于1 9 8 6 年8 月1 5 目开工，1 9 8 7 年 1 2 月2 8 日竣工。折返线位于繁华的长安街地下，再按照北京地铁一、二期所采用的明 挖敞口、切断交通的施工方法己不可能。于是，北京市地铁建设总指挥部和铁道部隧道 工程局结合实际情况，在“新奥法”原理基础上，研究了北京地表覆土6 1 0 m 以下暗 挖设计施工的技术，a l k l k 京“浅埋暗挖法” 随后建成通车的北京地铁“复八线”区间隧道，地铁西单站、天安门西站、天安 门东站、王府井站、东单站，以及广州地铁一号线、二号线、深圳地铁、南京地铁一号 线等部分区间隧道，均采用了“浅埋暗挖”技术施工。 浅埋暗挖法与其他方法相比，具有显著的优点。以城市地铁为例，浅埋暗挖法与明 挖法( 盏挖法) 相比，具有拆迁占地少、不扰民、不干扰交通、节省大量拆迁投资等优 点；与盾构法相比，它具有简单易行，不需太多专用设备，灵活方便，适用不同地层、 不同跨度、多种断面形式，可以多使用劳力，解决就业。这些特点使得浅埋暗挖法适合 在城市，尤其是在城市中心区、旧城改造、繁华地带、交通拥挤地段进行地下工程施工。 北京科技大学硕士学位论文 当然，浅埋暗挖法也存在缺点，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。 随着大量的工程实践和理论研究，浅埋暗挖技术不断完善，应用范围进一步扩大， 由原来只适用于第四纪地层、无水、地面无建筑物等简单条件，拓展到非第四纪地层， 超浅埋( 埋深己缩小到o 8 m ) 、大跨度、上软下硬、高水位等复杂地层和环境条件下的 地下工程同。由于该方法能够及时调整和优化支护参数，提高了施工质量和速度，因此 已成为地下工程建设中普遍采用的一种施工方法。现在，浅埋暗挖法已被确立为国家级 工法，形成了一套较为完善的理论体系和系统工法一中国隧道修建法。 目前已推广应用到广州地铁、深圳地铁、北京地铁、杭州市政、地下过街道等特殊 流砂、淤泥、流塑、半流塑及第四纪地层。北京的长安街过街通道结构顶板埋深已缩小 到0 s m ，暗挖施工的车站跨度达2 6 m ；广州地铁区间隧道采用微震动爆破技术，在上软 下硬、高水位地层也成功地应用了浅埋暗挖法旋工在广州地铁和深圳地铁及地下过街 通道工程中。由于采用注浆加固地层和止水等辅助工法，解决了含水砂层的浅埋暗挖施 工技术问题，并在广州地铁杨一体区间、林和村段开创了在密集楼房下采用浅埋暗挖施 工的先例，为浅埋暗挖法的进一步推广应用创造了条件。但是，随着我国基建规模的扩 大，地下工程建设也将进一步增多，因此，仍须进一步研究新的辅助工法和施工工艺， 以适应各种地层条件( 比如上海的软土地层) 、埋深、跨度等方面的要求。 实践表明，采用合理的支护技术和旌工工艺，浅埋暗挖法可以确保旖工过程和建成 运营后，地表、地中下沉量低于邻近建筑结构、管线规定的允许值。 2 2 浅埋暗挖施工原理 浅埋暗挖法吸收了新奥法施工中利用监测反馈来指导施工的施工理念，因此，界内 也称之为“松散地层的新奥法旌工”旧。但是浅埋暗挖法又不同于新奥法，新奥法要求 初期支护有一定的柔度，以利于充分发挥围岩的自承能力，这种旌工方法适用于深埋隧 道，而浅埋暗挖法的覆盖层相对而言较薄，为抑制地层的变形沉降，要求初期支护有一 定的刚度，并且没有充分考虑围岩的自承能力。 浅埋暗挖法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和 喷射混凝土结合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使 围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和围岩为一体的承载结构。 针对城市地铁埋深浅的特点，经常还要借助于地层注浆、隔栅和管棚等辅助加固措施。 通过现场测量及时反映“围岩一支护”复合体的受力与变形及其变化，为二次支护提供 合理的施作时机；通过监控量测及时反馈的信息来指导隧道和地下工程的设计和施工。 2 3 浅埋暗挖施工方法 浅埋暗挖法地铁隧道设计实际是确定开挖顺序、支护手段和衬砌结构于一体的过程， 这一点与地上建筑设计思路迥然不同。浅埋暗挖的核心问题是开挖和支护。 2 3 1 浅埋暗挖开挖方式 现行浅埋暗挖法开挖方式( 工法) 基本可分为全断面法、台阶法和分部开挖法三大 类及若干变化方案。 2 311 暗挖区间隧道开挖方式 浅埋暗挖隧道开挖方式有台阶法、中隔壁法( c e n t e rt ) i p m g m 简称c d 法) 、交 叉中隔壁法( c r o s sd i a p h r a g m ，简称c r d 法) 、双侧壁导坑法等毋。现分述如下： ( 1 ) 台阶法 台阶法是指正台阶二步开挖方法，它是全断面一次开挖法的变化方法。是最基本也 是应用最广泛的开挖方式，而且是实现其它开挖方式的重要手段。开挖宽度- - 般 5 b ，相对于全断面法，长台阶法一次开挖的断面要小些，对维持 开挖面的稳定有利。但施工干扰大，上台阶上设备、材料困难；上台阶向下台阶出渣困 难；不能及时封闭成环，有时不得不在上台阶底板上施作临时仰拱，在浅埋暗挖隧道施 工中一般不宜采用。 短台阶法：般l = i i s b ，此法具有长台阶的优缺点。但在土质隧道中上台阶不 必上大型设备，而且从e 台阶向下台阶运土的距离短；下台阶断面自害茁l 1 5 b 内封闭 成环，也能保证围岩开挖后的稳定，这种台阶长度在城市地铁的第四系地层中普遍采用。 超短台阶法：一般l b ，此法上台阶仅超前3 5 m ，上下断面相距较近，施工干扰 较大。当使用反向挖掘机装渣时，上台阶可利用该机进行挖装，以提高g c l _ z 效率。 实际旌工中究竟采用哪种方法，则要根据下面两个条件来决定： 、对初期支护形成闭合断面的时间要求，这取决于工程地质条件，条件越差，要 求闭合的时间越短； 、隧道的断面跨度。 约定：图中数字表示施工顺序，即1 表示第步，2 表示第2 步，依此类推。后续各图同此约定 北京科技大学硕士学位论文 图2 1 台阶法示意图 ( 2 ) c d 法与c r d 法 开挖宽度一般为1 2 1 6 m 。如图2 2 所示，二者均是将大跨分成两个小洞室，体现 了变大跨为小跨的指导思想。c d 法采取的是竖向开挖，先开挖一个半块，然后再开挖另 一个半块。c r d 工法是在c dt 法不能满足沉降控制要求时，在c d 工法的基础上加设 临时仰拱而成，是将原c dt 法先挖中壁侧改为两侧交叉开挖，步步封闭成环，改进 发展的工法。 根据日本经验，利用两种工法在未固结的相同地层条件下，先后各开挖3 0 m ，沿隧 道整个试验段中心线的地表下沉量，在c d 法施工区间下沉量为6 0 8 5 m m ，c r d 法施 工区间下沉量约3 0 r a m ，a l d 法只有c d 法的1 忍1 届的下沉量。 援精墙 a ) c d 法b ) c r d 法 图2 2 法与咖示意图 ( 3 ) 双侧壁导坑法 开挖宽度一般为1 6 2 2 m 。双侧壁导坑法，又称双眼镜工法，可分为导坑对称同时 开挖和导坑错开开挖同两种方式，如图2 3 所示，此法实际上是将开挖断面横向分成三块， 上、下仍是分台阶开挖，先开挖两侧块后再开挖中间块。采用这种旌工方法因为开挖的 断面大，若完成全部开挖再拆除双侧壁导坑的内壁，般初期支护的强度不能满足要求， 因此一般采用在开挖完双侧壁导坑后先做边墙，完成拱部开挖后再开挖中间块的下半断 面，并在做拱部衬砌前在边墙上端和未开挖的中间块间设临时支撑，并采用拱部衬砌紧 跟侧壁导坑内壁支护的拆除等措施，以减小拱部初期支护受力 圈圊 a ) 导坑对称开挖b ) 导坑错开开挖 图2 3 双侧壁导坑法示意图 此外，隧道开挖还有上台阶设临时仰拱闭合法、正台阶环形开挖法，单侧壁导坑法 等多种方案或其变化方案雎9 i 。 从国内外现有工程实际和实验研究的情况来看，基于经济性及工期考虑，其工法选 择的顺序为：正台阶法一上台阶设临时仰拱闭合法工法一l - r d 工法一眼镜工法。 从安全性角度考虑，顺序正好相反。在工程实践中，应根据地质条件、断面大小、地面 环境等因素从工法的可实现性、工期、安全性、适应性、技术性和经济性6 个方面综合 考虑，选择施工方法。一般情况下，当开挖宽度大于1 0m 以上时，应优先采用a l d 工 法或c d 工法，特殊条件下，可考虑眼镜法；当开挖断面宽度小于1 0m 时，应优先考虑 正台阶法。实践表明，在无水地层条件下，开挖断面跨度达1 2m 时，采用正台阶旋工也 是可行的。 2 3 1 2 浅埋暗挖车站开挖方式 采用浅埋暗挖法施工的地铁车站结构型式可分为：三拱两柱式( 三拱两柱双层、三拱 两柱单层) ，双拱单柱、单跨单层、单拱双柱或单柱式、分离式等等。 采用浅埋暗挖法修建地铁车站，其基本作业程序包括地层预加固、土石开挖、初期 支护、二次衬砌及监控测量知道设计与施工等，这些与区间隧道大体相仿，只是车站的 结构断面形式比区间隧道复杂，断面尺寸比区间隧道大，地表沉降控制要比区间隧道更 严格。因此，地铁车站采用浅埋暗挖法施工的一个关键环节是选择什么样的开挖支护顺 序，才能保证施工安全和减少地表沉降。 北京科技大学硕士学位论文 地铁车站开挖方式可以看作是在大断面内对隧道区间开挖方式的一个综合，车站开 挖方式可分为侧洞法、中洞法以及洞桩法，现分述如下： ( 1 ) 侧洞法 如图2 4 所示，施工顺序是先同步开挖两个侧洞，而两侧洞又采用的是c r d 工法来 完成。待侧洞封闭后，在侧洞内自下而上施作基础、立柱、边墙和边拱，顶住两侧洞上 部土体，再在中部用正台阶法自上而下开挖中洞并完成中拱、隔板和基础。 图2 4 侧洞法开挖示意图 ( 2 ) 中洞法 该法适用于在松散地层中修建地铁车站，因在开挖和初次支护过程中横向影响范围 小，沉降小，安全度高而在北京地铁五号线多座车站被推荐使用m 1 1 1 。 如图2 5 所示，先采用c r dt 法开挖中洞，完成中洞封闭后，在中洞较大空间内自 下而上完成基础、立柱、中隔板、顶梁和中拱，使之在中洞内形成一个庞大的刚体，顶 住两侧待挖土体。用正台阶法或c r d 法完成两侧洞开挖支护和二次衬砌。 该法工序单纯，中洞开挖充分利用各部分尽快封闭早成环、环套环，稳扎稳打、步 步为营的特点，结构整体性好，具有广泛使用前景。 图2 5 中洞法示意图 ( 3 ) 洞桩法 又称柱洞法、柱桩法，该法是在传统浅埋暗挖法的基础匕创新地吸收盖挖法的技术 成果形成的新工法。该工法首次出现是在北京地铁东单站东南风道的修建中加以应用。 北京地铁十号线国贸站即采用了该工i 去i 竭。 如图2 6 所示，首先开挖竖井和横通道( 般利用车站通风井和风道) ，再在横通 道内开挖平行车站的小导洞，然后在小导洞内施工钻孔灌注桩，边桩作为车站维护结构 临时挡土和车站边墙永久结构的一部分，中拱与边桩共同组成车站拱部支护结构( 扣拱) 的支撑体系，以便在拱桩支护结构下开挖车站主体空间。开挖完成后施作车站梁、板、 柱和侧墙等永久结构。 图2 6 洞桩法示意图 洞桩法的核心是设法形成由侧壁支撑结构和拱部初期支护组成的整体支护体系，代 替传统的预支护和初期支护结构，以保证在进行洞室主体部分开挖时具有足够的安全度， 并有效地控制地层沉降。 侧洞法是修建大跨度隧道的常用方法，在国内有北京地铁西单车站采用侧洞法建成 的实例。中洞法修建地铁车站在国外应用较普遍。中洞法的优点是施工安全度高，地面 沉降较小，对地面影响范围小。侧洞法与中洞法相比，钢支撑连接困难，而且由于初次 揭露的是两个侧洞，其跨度大，且要同步，对地层扰动较大，安全度稍差。洞桩法适合 于地面交通繁忙，地下管线密布，车站附近有大型建( 构) 筑物需要保护的条件，尤其 在车站所处的地下水位较高，不宜大面积长期降水的情况下宜采用。实际中视具体情况 选择【b 1 4 j ，有时可能会在同一工程的不同标段转换不同的方法【堋，或在同一车站内联合 使用多种开挖方式【1 6 j 。 北京科技大学硕士学位论文 2 3 2 浅埋暗挖法施工要点 浅埋暗挖法施工的原m l j e p2 1 字要领：“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封 闭、勤量测、速反馈”m ，以保证支护时间选择合理，支护类型选择科学，支护参数合 理经济的目的。从这一原则出发，可以根据地下工程的具体条件，灵活选择开挖方法、 支护形式、喷锚技术、施作时机和辅助工法等。具体的施工技术要点如下： ( 1 ) 地层预加固和预支护 在城市地下铁道浅埋暗挖法施工中，经常遇到砂砾土、砂性土、粘性土或强风化基 岩等不稳定地层。这类地层在开挖隧道过程中自稳时间短暂，往往在初期支护尚未来得 及施作或喷混凝土尚未获得足够强度时，拱墙的局部地层己开始坍塌。为此需采用地层 预加固或预支护技术，以稳定地层、改造地层和提高地层的自稳能力。稳定地层的主要 手段一般有三种：小导管超前预注浆；开挖面深孔注浆；管棚超前支护加固拱部地层。 要根据地质和旌工的具体情况确定合理的预支护方式，达到改善地层的物理力学参数( e 、 c 、由，1 1 ) ，提高地层的自稳能力。 ( 2 ) 初期支护 在软弱破碎地层及松散、不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时，除需对地层进行 预加固和预支护时外，隧道初期支护施作的及时性及支护的强度和刚度，对保证开挖后 隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降，都具有决定性的影响。在诸多支护形式中， 钢拱锚喷混凝土支护是满足匕述要求的最佳支护形式。 钢拱锚喷混凝土支护是由钢拱支撑( 包括型钢拱架支撑和格栅拱架支撑) 、挂网喷 混凝土构成。钢拱支撑的作用是在喷射混凝土尚未达到必要强度以前，承担地层压力及 约束地层变形。钢拱支撑既是临时支撑，又是永久支护的一部分。格栅的制作及布设， 必须保证刚度和工艺要求。应强调架立上台阶格栅时，要加大拱脚或拱脚锚固的力度， 以防下沉。上下台阶格栅连接时，要注意连接部位的拱脚，必须保持干净，清理回弹料。 拱部环状开挖、钢筋挂网喷混凝土作为初期支护，要求承受全部荷载。同时，应重视回 填注浆，即初期支护和二次衬砌完成后，应紧跟拱部回填注浆，填实拱部土层、初期支 护与二次衬砌的间隙，对确保结构安全和控制地表沉降十分重要。 还要指出的是，初期支护中，锚杆是被广泛应用的一种围岩支护加固的形式。因此， 锚杆的布设和安装质量，也直接影响围岩支护稳定的作用。 ( 3 ) 监控量测 围岩的监控量测是暗挖施工中必不可少的保证措施。因为暗挖法施工时要全力掌握 整个施工过程的力学变化状态，并力求全面掌握其规律。根据围岩支护衬砌的力学变化 特性曲线，评价开挖和支护的安全度，在开挖步骤、支护参数、旅工程序等方面及时进 行调整，为整体工程的调控提供科学依据，使开挖和支护处于最佳的受控状态。 监控量测就是在隧道施工过程中通过对围岩变位，支护结构交位，周围建( 构) 筑 物的变位监测以及支护结构内应力、应变的监测，及时了解施工对围岩、支护结构以及 周围建( 构) 筑物的影响。常规的做法是利用精密水准仪监测支护结构的拱顶下沉，地 表下沉等，利用坑道收敛仪监测支护结构的水平收敛等。近年来，在部分重点工程中应 用了全站仪监测支护结构的变形( 无尺监测技术) ，以提高效率和可靠度。 根据工程性质及工程h 鱼质条件，监测项目懒分为a 类( 必测) 项目和b 类( 选 浏) 项目，其中a 类项目是为保证施工安全及确保施工对周围环境的影响降至最低所必 须监测的项目，一般有支护的变位、地表沉降、建( 构) 筑物变位等；b 类项目是在一 些重、难工程中，为了了解支护结构的受力情况、围岩变位的规律以便更好地分析、判 断设计施工的合理性而增设的监测项目，带有一定的科研性质。一般有初次支护的应力、 应变、围岩的地中位移等。 ( 4 ) - - - 0 ：衬砌 在浅埋暗挖法中，初期支护的变形达到基本稳定后，可进行二次混凝土衬砌灌注工 序。通过监控量测，掌握隧道动态，提供信息，指导- p ：表i 砌施作的时机，这是浅埋暗 挖法中二次衬砌施工与_ 般隧道衬砌施工的区别。 二次衬砌旅工前应做好以下几点： 核对中线、水平、断面尺寸，所有检测数据均应符合设计要求； 为确保衬砌不侵入限界，允许放样时，将设计衬砌轮廓尺寸扩大3 锄5 锄，作 为旌工误差及模板拱架的预留沉降量； 隧道断面变化和地质条件变化交界处，应设沉降缝；洞1 3 附近及根据设计要求的 部位应设伸缩缝。对以上各种缝及旌工缝，均应进行防水处理。 另外，关于“二次衬砌是否受力、受多大力、该不该受力”这是复合衬砌专题研究 的内容，比较流行的观点是，二次衬砌基本上不受力，衬砌基本上是不受力的，所受的 作用力是流变作用力，衬砌是安全储备和保持美观的作用。但现在可以肯定在软岩隧道 中，二次衬砌是受力的，一般认为内衬所受的荷载为总荷载的3 0 5 0 。 2 4 浅埋暗挖地表沉降控制研究 浅埋暗挖法施工时由于埋置深度小，随着地层物质被挖出，自洞室临空面向地层深 处一定范围内地层应力将做出调整，宏观表现为地层物质的移动。旅工引起的地层变位 将波及地表，产生沉降，形成施工沉降槽，过大的地面沉降和地层变位将直接危及地面 建筑物和地中管线的正常使用及地下工程结构的稳定，进而危及施工安全，因此施工中 必须对有害沉降进行控制。 暗挖隧道的地层变形主要受到地层性质及施工工艺和方法的影响，主要有：地层 土体特征；地下水；地层应力释放；隧道相互作用的叠加；施工方法；开挖 进尺；施工进度；衬砌等。吕勤等1 1 8 】结合深圳地铁一期工程的某些暗挖标段工程及 地质条件，在土层性质试验研究的基础上，深入分析了地层大变形机理及其主要影响因 素，并由此确定了地层大变形控制的原财和技术措施。 2 4 1 地层变形控制原理 控制地表大变形的基本思路一是改良地层条件，如注浆加固地层等，以提高地层的 抗变形能力；另一个则是完善施工技术和工艺参数，以有效地减少地层变形以及由此带 来的地表沉降。 控制地层变形及= 嗵表下沉的基本原理就是增加土体的刚度，有效减少水土的流失， 同时增大石斛刚度并减少暴露的时间。增加土体完整性、减小流水流砂以及选择合理的 施工方案可以有效地控制地层变形和地表下沉，以避免对建( g g ) 筑物造成危害。 2 4 2 地层变形控制研究现状 2 4 2 1 经验公式法 1 9 6 9 年在当时大量隧道开挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上，p e c k 系统地提 出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法。即p e c k 公式印。它已成为目 前应用最为广泛地预计隧道施工地表沉降的方法。 式中：距隧道中线处的地面沉降量( m ) ； 岛矿髓道中心线处( 即x = o 处) 的地面沉降量( m ) r 咂隧道中心线的距离( m ) ； 卜- 沉降槽宽度系数，即沉降血线反弯点的横坐标( m ) ； 圩隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ； 酽地面至隧道中心深度( m ) ； ( 公式z 1 ) ( 公式2 2 ) ( 公式2 3 ) ? 墨神 。 一伽磊赤 地层内摩擦角( 。) 。 隧道施工时，沿与隧道纵向轴线垂直的方向上会出现沉降槽( 如图2 7 所示) 。所 谓地层损失，是指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工体积之差。p e c k 假定地表沉 降槽似正态分布，认为地层移动由地层损失引起，并认为施工引起的沉降是在不排水条 件下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层损失的体积。 对于地表沉降槽宽度系数i ，国内外研究的较多。继p e c k 之后，c l o u g h & s d a m i d t ( 1 9 7 4 ) 提出饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数的求取公式： 素。喙) o j ( 从式2 4 ) 式中；j 卜憷道半径( m ) 。 图2 , 7 浅部隧道开挖引起隧道沉降的p e e k 法预测曲线 a t t w e l l 等( 1 9 8 1 ) 也假定沉降槽曲线为正态分布，并给出了地层沉降的经验公式： z - k r 白2 r ( 公式2 5 )、，、， v - 纠。f + s 。忪式2 回 式中：垆呻鲞道沉降槽体积( m 3 ) ； ，| 隧道开挖的断面面积( m