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东北大学硕士学位论文摘要 沈阳市地铁一号线中街站逆作法施工的研究 摘要 地铁车站施工方法对地铁工程的造价、工期和地铁周围环境的保护具有决定 性的作用。目前常用的车站施工方法有明挖顺作法、逆作法、盾构法、新奥法等， 具体采用何种施工方法主要受其所在的工程地质和水文地质条件、周围环境条件 等多种因素的制约。本文以沈阳市地铁中街站为背景，从施工进度、工期、对地 面交通影响等方面，综合比较各种施工方法，对采用逆作法施工做一初步的可行 性分析并确定合理的主体围护结构。 逆作法基坑的开挖是一个非常复杂的施工工序，本文采用有限元软件a n s y s 对地铁中街站逆作法施工开挖过程进行了数值模拟。文中简要阐述了理想弹塑性 本构模型的基本原理，介绍了a n s y s 程序结构及其进行弹塑性分析的基本过程。 建立二维平面对称有限元模型，其中桩、土之间的作用以接触单元来模拟，用 单元的死活来模拟施工的每道工况。通过计算得出了不同开挖阶段围护桩的侧向 水平位移、桩后土体的地表沉降、支撑体系的轴力及围护桩的应力，并按一级安 全等级对上述变形、强度进行了分析，计算得到的结果，均在规范允许的范围， 满足设计要求。另外还计算了顺作法围护桩的水平位移和桩后土体地表沉降，和 逆作法进行比较认为：采用逆作法施工有较大的优越性。 关键词：地铁车站逆作法a n s y s 有限元 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e s t u d y o nt h er e v e r s e d i ga n d c o v e rm e t h o do f n o 1r o u t i n e sz h o n g j i es u b w a ys t a t i o ni ns h e n y a n g c i t y a b s t r a c t t h es u b w a ys t a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d sh a v ead e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h ec o s to f s u b w a yp r o j e c t ，c o n s t r u c t i o np e r i o da n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nn e a r l y a tp r e s e n t ， t h e r ea r eal o to fm e t h o d sf o rs u b w a ys t a t i o n ，s u c ha sd i ga n dc o v e rm e t h o d ，r e v e r s e d i g a n dc o v e r m e t h o d ，s h i e l dd r i v e nm e t h o d a n dn e wa u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d ，e t c b a s e do nz h o n g j i es u b w a ys t a t i o ni ns h e n y a n gc i t y , c o m p a r e dd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n m e t h o d sf r o mc o n s t r u c t i o np r o g r e s s ，p e r i o da n dt h ei n f l u e n c eo nt h eg r o u n dt r a f f i c ，e t c ， h a v i n g ap r e l i m i n a r yf e a s i b i l i t ys t u d yo nr e v e r s ed i ga n dc o v e rm e t h o da n d c o n f i r m i n g t h em a i ne x t e r i o r p r o t e c t i o np r o j e c t r e a s o n a b l y i n t h i s p a p e r t h ee x c a v a t i o no nr e v e r s ed i ga n dc o v e rm e t h o do fz h o n g j i es t a t i o ni sav e r y c o m p l i c a t e d c o n s t r u c t i o np r o g r e s s ，w h i c ht h i sp a p e rh a san u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yf e m s o f t w a r e - a n s y s t h i sp a p e rp r e s e n t st h ee s s e n t i a lf e mp r i n c i p l e so fp e r f e c t e l a s t i c - p l a s t i cm o d e l i nb r i e f l ya n di n t r o d u c e st h ep r o g r a ms t r u c t u r ea n de l a s t i c - p l a s t i c a n a l y s i sp r o c e s so fa n s y s b y e r e c t i n g2 dp l a n es y m m e t r yf e mm o d e l ，o f w h i c ht h e a c t i o nb e t w e e np i l e sa n ds o i li ss i m u l a t e db yc o n t a c te l e m e n t ，t h ep r o g r e s so f c o n s t r u c t i o ni sr e a l i z e d b yd e a d - l i v ee l e m e mo fa n s y s ，t h er e s u l t s o fh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to fe x t e r i o r - p r o t e c t ，t h eg r o u n d s u r f a c es e t t l e m e n t ，t h ea x i sf o r c eo f b r a c i n g a n dt h es t r e s so f p i l e sa r et a k e n t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e n g t ha b o v e a r ea n a l y z e da n d c o n f o r mt ot h ep e r m i t t e dr e g u l a t i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ta n dg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n to fd i g a n dc o v e rm e t h o d c o m p a r e dw i t h r e v e r s ed i ga n dc o v e rm e t h o d ，t h er e v e r s ed i ga n dc o v e rm e t h o dt a k e st h e a d v a n t a g e a n dh a sar e f e r e n c eo fs u b w a ys t a t i o nc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ，r e v e r s ed i g a n dc o v e rm e t h o d ，a n s y s ，f e m 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名：轧令系 日期：2 a 。f - 、f 东北走学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景和研究意义 随着城市建设的发展，特别是大城市的发展和城市人口的膨胀，城市建筑用 地日趋紧张。为了更充分的利用土地。一座座高层建筑拔地雨起的同时，地下结 构作为一尚未充分利用的土地资源，已经引起人们的重视并不断的加以开发。城 市地下结构主要用于修建地下铁道、市政工程建设、地下商业街和地下停车场等。 自1 8 6 3 年世界上第一条地下铁道在英国轮渡开通以来，地铁作为一种强有力的 公共交通工具，已经成为各大城市交通发展客观规律的必然产物。世界各国为了 解决城市交通问题都对地铁建设寄予厚望。 近年来沈阳市城市建设发展迅速，如进行旧城调整改造、开发建设边缘组 团及副城等，并逐步向城近郊区发展。城市按“中心组团式”布置规划及实施， 解决这些地区及组团的交通问题，是保证沈阳市总体规划实施的重要条件。沈阳 地铁一号线的建设，不仅可以填补沈阳市轨道交通的空白，而且对于弥补地面交 通的不足，解决日益突出的公共交通矛盾，起着十分重要的作用，同时也对沿线 地区的开发建设和经济发展起着重要的促进作用。 地下铁道建设工期长，投资大，涉及面广，包含内容多总结起来一般包括 土建施工和设备安装两部分。在土建施工中，为了克服复杂的地质情况，满足多 种多样的环境要求，各国地铁建设者结合本国的特点创造了多种多样的施工方 法，开发了许多崭新的新工机具和工艺，它们各具特色，给地铁施工带来巨大的 经济效益和技术进步。 地铁建设的发展过程已经向人们证明：施工方法对结构形式的确定和地铁土 建工程的造价具有决定性的影响，这就要求确定出最合理的施工方法。施工方法的 确定，主要受沿线工程地质和水文地质条件、周围环境条件、地铁的功能要求、 隧道和车站的埋置深度和开挖宽度及工程造价等多种因素的制约，同时也会对施 工期间的地面交通和对城市的正常生活等发生直接的影响。 施工方法一旦确定，无论是高层建筑深基础的施工还是城市地下空间结构的 开发利用，都需要进行大规模的深基坑开挖。国外著名的地下工程如法国巴黎中 央商场、日本东京八重洲的地下街等。我国近年来也兴建了大量的高层、超高层 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的建筑，以北京、上海、深圳、广州等地的高层建筑密度最大，由此产生了大量 的深基坑工程，且规模和深度在不断的加大。如上海8 8 层的金茂大厦，高度 4 2 0 5 m 地下最大开挖深度1 8 5 m ；北京5 l 层京广中心大厦，最大高度为2 0 9 o m ， 基坑最大开挖深度1 85 m 。此外如上海5 4 层港汇广场、北京5 0 层京城大厦、济 南4 1 层济南饮食服务大楼。基坑开挖深度均己超过1 7 o m 。其它如工业、采矿、 军事、航天等都会出现一些大中型深基坑工程，随之而来的就是深基坑的开挖问 题，深基坑的支护技术正越来越受到人们的重视。 深基坑支护结构理论的发展至今已经有上百年的历史，随着新型支护结构的 出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程支护 理论正在逐渐形成比较完善的学科。现代支护理论的形成与发展，首先是由于锚 喷支护等支护结构的大量使用，给人们积累了丰富的经验，到2 0 世纪8 0 年代又 将现场监测和理论分析结合起来，提出了现场监测设计方法。在数值方面，采用 有限元法、边界元法及离散元法等也取得了比较完善的解答。但是也存在一些问 题，如对岩土材料的本构模型及其破坏失稳准则等人们还认识不足，还需进一步 研究。本文将根据沈阳地区的地质情况，通过综合比较现有的几种施工方法，以 确定地铁车站中街站施工方法。 1 2 国内外研究地铁施工方法概述 1 2 1 国外的发展情况1 1 1 1 9 世纪中叶，伦敦经济和城市规模发展惊人，新房屋、商店、办公楼和工 厂密集起来，市区人口高度集中人们需要更好的运输工具。1 8 6 3 年1 月1 0 日，世界上第一条地铁采用明挖法施工在伦敦建成通车，虽然线路全长仅有 6 4 k m ，但非常成功，第一年就运载乘客9 5 0 万人。1 8 1 8 年英国工程布鲁诺在 蛀虫钻孑l 的启示下，最早提出了用盾构法修建地下隧道的方法。1 8 7 4 年，在伦 敦地下铁道南线粘土和含水砂砾地层中建造内径为3 1 2 m 的隧道时，格雷塞德 综合以往所有盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施 工工艺，并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾 构法的发展起到重大推动作用。 二十世纪初盾构法已在美、德、苏、法等国开始推广，苏联4 0 年代初开 始用直径为6 o 9 ，5 m 的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等城市修建地下铁道的 区问隧道和车站。从2 0 世纪6 0 年代起，盾构法在日本得到迅速发展，在东京、 大阪、名古屋等城市的地下铁道建设中，大量采用了盾构法。7 0 年代，只本、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前我国城市地铁车站大多采用明挖法施工，同时不断吸收国外先进的围 护结构施工方法，如s m w ( s o i l - m i x i n g w a l l 的简称) 法，并结合各自城市的 特点对传统施工方法，如地下连续墙法、旋喷注浆法、钻孔灌注桩法、冻结法、 喷锚法、管棚法等进行了改进，使得地下铁道土建施工方法种类繁多，各具特 色。 1 3 地铁施工方法研究现状 地下铁道施工虽然已有1 6 0 多年的历史，但由于工程地质、水文地质条件 十分复杂，环境条件多种多样，可供选择的施工方法较多，所以每个区间( 或 车站) 的施工方法选择难免出现一些偏差，造成旌工造价增加或者施工困难， 有时甚至会导致施工工程失败。由于未充分考虑工程地质、水文地质条件，选 择不当的施工方法，将导致建筑物渗漏水、地面产生过大的变形；未充分考虑 周围的环境，在闹市区采用明挖，对周围环境产生影响，并且占据了本己拥挤 的市区面积。这些都将大大增加造价，同时降低工程的安全性。 以上情况说明车站或区间土建埯工方法的选择和比较是至关重要的，目前 在地下铁道线路走向和站点确定之后，国内外很多城市根据以往类似的工程实 例和施工经验进行各车站( 区间) 的土建方法选择。这种分析方法首先分析本 城市的工程地质、水文地质条件，环境情况等因素，然后收集与本城市各种情 况类似的城市修建地下铁道的经验，并考虑目前施工人员水平、施工机械性能 等因素，选择个车站( 区间) 的施工方法，只是作定性的分析，即是在众多方 案中选择一种，但是由于各大城市的地质情况、环境条件、建筑地下铁道的目 的和等级也都不尽相同，如果照本宣科的采用其它城市的经验，必将出现造价 增加、工期延误、施工困难等难题。 1 4 逆作法施工的研究现状1 3 4 l 目前在我国，较浅的基坑多采用放坡开挖，但这种施工方法常因受施工场 地条件的限制而无法施工，而较多的基坑多采用支挡结构进行围护开挖。其施 工顺序一般为先进行围护结构的施工，然后是基坑的开挖，边挖边加支撑，直 至基底设计标高。再由下向上进行施工，如浇筑底板、中楼板和顶板等，这是 我们常说的顺作法。顺作法在基坑施工中存在很大的优势，但其不足也不应忽 视。般其工期较长，围护结构在整个施工中只是l 临时围护结构，施工完毕， 其作用也随之消失，为此支护费用是巨大的。这时当施工现场不适合时，我们 必须寻求新的施工方法，为此引进了逆作法施工技术。逆作法可以用来修建具 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有多层地下室的高层和超高层的建筑物、还可以用于深基坑工程等诸多建筑物， 如地下仓库、地下铁道及地下车站、地下商场及地下民防工事等地下民用和工 业建筑。 对逆作法施工方法的研究虽然有较深入的发展，但是还存在一定的问题。如 逆作法施工的工序较顺作法复杂，很难模拟其真实的旌工过程；由于地基土层 的复杂性及地面荷载分布的不均匀性，导致地表沉降的差异等。 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) 施工方法的确定 本文以沈阳市地铁一号线中街站为背景，根据中街站所处工程地质和水文 地质条件，综合比较给定的几种旌工方法，即进行定性的分析，确定合理的施 工方法。 ( 2 ) 地铁主体围护结构方案的比选 在选定施工方法的基础上，对目前国内几种常用的地铁车站主体围护结构 进行比选，得出采用钻孔咬合桩为沈阳市地铁中街站主体围护结构。 ( 3 ) 车站主体结构的数值计算 本文将通过有限元软件a n s y s 对车站基坑开挖进行模拟计算，按平面应 变问题考虑，采用理想的弹塑性本构模型，车站基坑开挖的每道工况采用 a n s y s 里单元生死实现，桩土之间的作用以接触单元来模拟，得出基坑围护结 构桩的侧向位移、桩后地表沉降等计算结果。 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的 选择 2 1 沈阳市地铁中街站工程概况 2 1 1 沈阳中街地铁车站概述 沈阳市地铁号线是沈阳市快速轨道交通线网规划中东西向最大的一条交通 走廊，西起张士经济开发区，沿沧海路、太湖街向北，过沈新路，黄河路转向建 设大路，过铁西广场向北至北三东路，下穿沈阳站站场，沿中华路、十一纬路、 大西路至怀远门，然后转入中街路，沿小东路、和睦路至终点黎明文化宫。线路 全长2 2 0 4 8 k i n ，全部为地下线路，设1 8 个车站。平均站间距1 2 5 3 m ，最大站间距 1 9 7 2 m ，最小站间距8 4 0 m 。设指挥控制中心、大东车辆段和综合基地各一处。 沈阳市地铁中街站位于朝阳街与中街的交叉处，沿中街步行街东西向布置。 站址范围地处繁华商业区，寸土寸金，两侧的商业、娱乐建筑极其密集，道路两 侧之间的距离仅有2 2 米，车站南北面分别为北方贸易大厦、女人世界、沈阳商业 城、金利来商厦等商用建筑。该站为1 号线与4 号线十字形换乘站，1 号线在下， 4 号线在上，设计安排1 号线先施工。车站设东南、西南和西北3 个通道及出入口， 东北、西南2 个风道及风井。车站的平面布置图如图2 1 所示： 本站为岛式站台车站，站台宽度1 0 m ，有效站台中心里程为c k l 2 + 9 0 2 ，车站 主体结构尺寸为：长2 2 9 1 m ，宽1 8 5 m ，高1 2 7 6 m ，车站底板埋深约1 6 6 6 m 。项 板覆土厚约3 9 m ，为地下两层框架结构。底层为站台层，岛式车站，净高5 9 6 m ， 二层为站厅层净高4 7 m 。底板厚0 9 m ，中板厚0 4 m ，顶板厚o 8 m 。车站结构 断面图如图2 2 所示。 2 1 2 工程地质条件1 5 l 地层岩性：中街站位于沈阳市沈河区，沈阳商业城附近。高程变化平缓，地 面标高介于5 0 5 l - - 5 0 8 1 米之间，最大地面高差o 3 0 米。中街站工程地质剖面图 见附图i 。本工程所处地层比较简单，地层主要由第四系全新统人工堆积层、高 河漫潍相冲积层、新冲洪积扇相冲洪积层及第四系上更新统老冲洪积扇组成。 葺o=暑曲h矗声。暑岩葡盘。直时jo置。譬=ol|_si弓暑墨i廿llilhn缸l 匦喇恬旧牛爝妪岳in陋 酱翠* 自ol_g田删葡目e蛊闻i兰盎苗目皇呐晨对吕-o目。口uuulhnn由冒 目蛊v函阻蔷蜒螺薄州娘年nn匠 昙l 蠕癌廿疆o 0 s 6 一蚓一一一l 苎 舞曲廿鼎 昙i o 卜鲁 一 i 一 曩=拿 肯嗣 n嗣= 一七 qq o oo一 一一 鼍 一 蒙 寸舟寸 幅 2?22 qqq吖 蝌2呈2 o 澳 n口 一 副 裔 襁 匿 囊窭 凰称 岳 瞻 辱 iio明-兰卫奇jo苫q苗罨苫。扫兽盆墨皇矗盘舢l：n三二盏 赫憾蝌毒g嗵书雄in僻 葺oi-5io盘ol：l嚣的一童嚣。一8勋pl，n暑苗 圃恒幕峰霉督朴n匝 、 _j j l - _ _ 、 一 、 。、 _ _ - 二 - 亡 一 。、 一 、 - 。、 _ ， _ 。、 _ 、 。、 。、 。、 一 。、 二 、 _ 。、 一 、 _ f 二 、 l b 、 ： 。| _ 、 一 碓、 东北大学东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 各土层具体分布地质剖面图见图2 - 3 。 人工堆积层主要为杂填土，成分较杂厚度不均。高河漫滩相、新扇相及老扇 相地层分别由一套由细粒逐渐变粗冲洪积层组成，一般为粘性土、粉土、中砂、 粗砂、砾砂、圆砾土、卵石土等粉砂、细砂少见，局部地段部分地层缺失。地层 由上而下分述如下： ( 1 ) 杂填土：主要由混凝土地面( 约o 5 米厚) 、砂卵石等组成，密实中密。 ( 2 ) 杂填土下部由可塑软塑状态的粉质粘土层组成。该层分布连续，层厚为 5 8 0 1 0 5 0 米。 ( 3 ) 中、粗砂：黄褐色，石英长石质，混粒结构，亚圆形，含少量圆砾，有砾 砂夹层。稍湿湿。水下饱和，密实很密。该层分布不连续，最大厚度6 5 0 米。 ( 4 ) 砾砂：黄褐色，石英长石质，混粒结构，亚圆形。含约3 0 5 0 圆砾， 有圆砾夹层，局部层位含粘性土薄夹层，饱和，中密密实。该层连续分布，最 大揭露厚度为2 4 4 0 米。 ( 4 1 ) 中、粗砂：黄褐色，石英长石质，混粒结构，亚圆形，含少量圆砾，饱 和，密实很密。该层以透镜体形式存在，最大厚度为4 o o 米。 ( 4 - 2 ) 圆砾：主要由结晶岩等组成，亚圆形，坚硬，一般粒径5 2 0 m m ，最大粒 径7 0 m m ，充填3 0 4 5 混粒砂，饱和，密实很密。只在钻孔z c l 2 1 、z c l 2 4 号钻孔中出现该层，最大厚度6 4 0 m 。 2 1 3 水文地质特征 沈阳市区在地貌上属浑河冲洪积扇，主要含水位于冲洪积扇上部，岩性以砾 砂、圆砾为主。本区的地下水主要为孔隙潜水，含水层连续稳定，由东向西水层 厚度逐渐增加富水性逐渐增大。至市郊西部含水层粘性土夹层逐渐增多，含水层 由单层结构变为双层结构和多层结构。本站仅存在一层地下水，赋存于圆砾、砾 砂等强透水层中，局部有上层滞水，潜水水位一般在8 3 1 0 9 m ，补给来源主要 为大气降水与地表径流，水位随季节影响而有所变化，变幅1 o 2 o m 。地下水对 混凝土一般无腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性有弱腐蚀性：对钢 结构有弱腐蚀性。本工点处含水层主要为砂类土、圆砾土，其渗透系数为4 6 1 5 1 0 0 m d 。地铁底板埋深约为1 6 6 6 m 主体结构全部处于第四纪孔隙潜水中，含水 层渗透系数大，补给充分，对地铁施工和营运过程均有较大的影响。施工过程中 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 需采取降水措施，表2 1 是地基土的渗透系数表。 2 2 地铁车站常见施工方法概述 地下铁道在城市中修建，其施工方法受到地面建筑物、道路、城市交通、环 境保护、施工机具以及资金条件等因素的影响，因此比一般隧道、桥梁工程的施 工技术要求更高、难度更大、造价也更贵。自1 8 6 0 年以来，地下铁道经过1 3 0 多年的实践，在不断吸取科技成果的基础上，创造了适应各种围岩条件和环境要 求的施工方法，使城市地下铁道的建设得到了很大的发展。城市中修建地下铁道 最困难的部分就是地下铁道车站和区间隧道的施工。地下铁道车站一般为矩形工 程，区间隧道为线条形工程。前者断面较大，结构复杂；后者断面小，形状单一。 两者的施工方法有许多相同之处，但也有各自的特点。常见的国内施工方法有以 下几种，见表2 2 。此外还有沉管法、t b m 法等在一些地方也得到了一定应用f 6 】。 表2 2 地铁车站( 区间隧道) 常用的施工方法1 7 i 明挖顺作法基坑敞口放坡开挖：基坑支护开挖 明挖法 明挖覆盖施工方法一盖挖顺作法；逆作法：半逆作法 盾构法开敞式盾构；气压式盾构；泥水式盾构；土压平衡盾构机 新奥法全断面法；台阶法：分布开挖法 浅埋暗挖法中洞法：侧洞法；洞柱法 2 2 1 明挖法施工1 8 , 9 1 2 2 1 1 概述 明挖法是修建地下铁道的常见的施工方法，具有施工作业面多、速度快、工 期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，因此，在地面交通和环境条件允许 的地方，应尽可能采用。各国地下铁道施工都把明挖法作为首选技术，就是因为 其技术简单、快速、经济。按其主体结构的施作顺序，明挖法叉可分为：明挖顺 作法、盖挖顺作法、盖挖逆作法、盏挖半逆作法，后三种方法又可统称为明挖覆 盖施工法。 2 2 1 2 明挖顺作法 明挖顺做法是一种将地面挖开的施工方法，其基本施工步骤是从地面下开挖 至基底设计标高，然后从下往上施作地铁结构，结构施作完成后进行回填及恢复 路面。其旌工顺序流程图为： 东北大学硕士学位论文墨三芏盗堕些丛主塑苎垫墨垦垫三查盗塑垒鲎 图2 4 明挖顺作法施工工序图 f i g 2 4 t h eo r d e r o fc o n s t r u c t i o np r o c e d u r eo nd i ga n dc o v e rm e t h o d 明挖法具有施工工序简单、作业面宽敞、施工管理方便、便于使用高效率的 挖掘机和运输工具等优点，所以施工进度快。此法施工质量特别是防水施工质量 可以得到充分保证。排除征地、拆迁等因素，就土建造价而苦，在适合明挖的地 层中，明挖法是所有的施工方法中造价最低的。但是由于明挖法是沿城市道路进 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 行开挖，必然会影响城市正常交通，也会给居民生活带来很多不便，而且对环境 的污染也最大，所以限制了只有在各方面条件都许可的前提下才能采用明挖法。 2 2 1 3 明挖覆盖施工方法 明挖覆盖施工方法是一种既非完全明挖，也非完全暗挖的施工方法，一般使 用在城市交通繁忙的地段，它的主要宗旨是尽可能的减少对城市交通的干扰。因 此开挖到一定深度时，先以临时路面或结构顶板恢复路面畅通，然后继续向下开 挖，故称之为明挖覆盖施工方法。 ( 1 ) 盖挖顺作法：在路面交通不能长期中断的道路下修建地下铁道车站或者区间 隧道时，可以考虑采用盖挖顺作法。盖挖顺作法是在现有道路上，按所需的宽度， 由地表面完成挡土结构后，以定型的预制标准覆盖结构置于挡土结构上维持交通， 往下反复进行开挖和加设支撑，直至设计标高。其施工步骤是：是在围护结构施 工完成后，先完成临时路面交通系统，然后由上而下开挖土体，由下而上施作底 板一侧墙和中柱一中楼板一侧墙和中柱一顶板，主体完成后，再拆除临时路面交 通系统，恢复路面正常通行。 盖挖顺作法主要依赖坚固的挡土结构，根据现场条件、地下水位高低、开挖 深度以及周围建筑物的临近程度，可以选择钢筋混凝士钻孔桩或者地下连续墙。 ( 2 ) 盖挖逆作法：如果开挖面较大、覆土较浅、周围沿线建筑物过于靠近，为防 止因基坑开挖而引起临近建筑物下沉，或者需及早恢复路面交通，可采用盖挖逆 作法。盖挖逆作法是采用刚度更大的围护结构( 多采用地下连续墙，或者钻孔灌 注桩或者人工挖孔桩等) ，用主体结构的顶板作为路面的支撑。结构施工顺序自上 而下施工，正好与顺作法的顺序相反，故称之为盖挖逆作法。 逆作法的结构特点： 结构型式与施工期间对地面交通的处置关系密切； 结构的主要受力构件常兼有临时结构与永久结构的双重功能； 多跨结构需设置中间临时支撑系统，与周围的维护结构共同承担竖向荷 载； 在基坑开挖过程中，由于垂直荷载的增加和土体卸载的影响，将会引起边、 中柱的沉降，比顺作法沉降厉害。 盖挖逆作法的施工步骤是：挖土一架设第一道支撑一再挖土，浇筑顶板一填 土，恢复路面交通一继续挖土、架设第二道支撑一挖土，浇筑中楼板一挖土、架 设第三道支撑一挖土，浇筑底板。当然中还要夹杂着第一道支撑、第二道支撑分 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 图2 5 盏挖逆作法施工工序图 f i g 2 5t h e o r d e rr e v e r s eo f c o n s t r u c t i o np r o c e d u r e 0 1 1d i ga n dc o v e rm e t h o d 别在顶板、中楼板浇筑并养护达到强度后拆除。图2 5 是逆作法的施工工序图。 ( 3 ) 盖挖半逆作法 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 类似盖挖逆作法，其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，再依次向上中楼板、顶板。在盖挖半逆作法施工过程中，一般 都需要设置横撑，并施加预应力。盖挖半逆作法的施工步骤是：围护结构一挖土、 浇筑顶板一回填一开挖及安装支撑一浇筑底板一浇筑中楼板一修建侧墙、防水施 工。 2 2 2 盾构法施工阳o i 盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩，不发生坍塌失稳， 一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不 扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构是一个既可以支撑地层压力又可以在地层中推 进和装配衬砌的钢筒状结构。盾构法是土质隧道中比较安全的施工方法，因为其 施工人员全在盾壳保护下作业，相对比较安全，在地铁隧道施工中应用广泛。盾 构法修建地下铁道已有1 6 0 多年的历史，目前盾构种类多种多样，外形千姿百态。 衬砌制造、接缝防水和堵漏、隧道内运输、衬砌与地层间的填充等辅助技术均飞 速发展，使盾构法成为常用的地下铁道施工方法。常见的盾构外型有圆形、矩形、 马蹄形、双圆形、多圆形。 盾构法适应范围比较广，目前国内土层区间隧道主要采用此法。其主要的优 缺点如下： 优点：1 穿越河道时不影响航运； 2 施工时不受风雨等气候条件影响： 3 对城市的正常功能及周围环境的影响很小，除盾构竖井处需要一定的施 工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁而对城市的商业、 交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流；在地下穿过各 种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下 水降水等措施，也无噪声、振动等施工污染。 4 隧道施工的费用和技术难度基本上不受覆土深浅的影响： 5 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，机械化程度高，施工 易于管理，旋工人员也较少： 6 土方量较少； 7 在土质差、水位高的地方修建埋深较大的隧道，盾构法有较好的经济技 术优越性。 缺点：1 隧道曲线半径过小时，施工较为困难： 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况厦施工方法的选择 2 在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，则盾构法施工困难大，安全性降 低： 3 盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别是在饱和含 水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的范围 内； 4 遇到坚硬地层、钢筋混凝土桩、障碍物通过困难； 5 遇到沼气、甲烷、有毒气体施工困难： 6 遇到流砂地层、施工困难： 7 盾构机液压系统、自动控制系统、自动监控系统操作复杂，要求施工人 员素质高： 8 盾构机基本要求进口，价格昂贵，造成区间施工一次性投资增加； 9 在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水 性能的技术要求较高。 1 0 盾构施工是不可后退的，盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于 管片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危险 的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问 题。所以，盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀头磨 损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压 力舱进行处理。 2 2 3 新奥法 传统的矿山法施工为地下铁道暗挖法施工技术奠定了基础。在本世纪6 0 年代，由于喷射混凝士和锚杆技术的出现，创造了新奥地利施工法，简称新奥法。 新奥法的基本思想是充分利用围岩的自承载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，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变 形，并通过对围岩和支护的测量、监控来指导地下工程的设计施工。施工方法根 据断面分块情况和开挖顺序分类，有全断面法、台阶法、分部开挖法。当采用台 阶法施工时，下部断面的落底和封闭应该在上部断面初期支护基本稳定后进行。 其施：亡的基本要点是： 1 隧道的承载部分主要是围岩： 2 应尽可能不破坏作为承载要素的围岩强度； 3 对围岩的变形要加以控制； 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 4 适时进行衬砌； 5 极力防止围岩松动： 6 衬砌要薄，防止产生弯矩； 7 衬砌不能有缺口，以保证圆环作用； 8 全面开挖比分部开挖要有利： 9 要用降水的方法降低岩体中水的渗透压力。 新奥法施工应根据地质、施工机具条件，尽量采用对围岩扰动少的开挖支护方法， 以达到最佳的效果。 2 2 4 浅埋暗挖法 浅埋暗挖法主要是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎岩层施 工提出的。1 9 8 7 年北京复兴门地铁折返线工程首先采用浅埋暗挖法，并获得成功。 该方法是按照新奥法原理进行设计和施工，以加固、处理软弱地层为前提，采用 足够刚性的复合衬砌为支护结构的一种用于修建软土地层近地表隧道的暗挖施工 方法。该方法以施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉 降。 与明挖法比较，浅埋暗挖法最大优点是避免沿线拆迁、改建工作，减少对环 境的影响。与盾构法比较，浅埋暗挖法可以灵活适应隧道断面变化，当隧道修建 长度较短时。经济效益较高。其基本适用条件如下：不允许带水作业，大范围的 淤泥质软土、粉细砂地层，降水困难或降水造价过高的地层，不宜采用此法；要 求开挖面具有一定的自立性和自稳性。我国在施工中总结了一套浅埋暗挖法的施 工技术原则，管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量。这1 8 个字基 本概括了浅埋暗挖法施工工艺的技术要求。 2 2 5 沉管法、t b m 法 沉管法是预制管段浮运沉放法的简称，是跨越江、河、湖、海水域修建隧道 的重要方法之一。施工时将拟建造隧道的水底段衬砌分成若干管段，先在于坞内 或船台上整体制成型，封闭两端后浮运到隧道所在位置，然后对管段增加配重， 使其下沉到预先挖好的沟槽中。沉管管段的结构外形分圆形和矩形两类，圆形在 早期使用较多，矩形管段较圆形管段经济，且适合多车道通行，故为最常用的断 面形式。由于沉管法和通常的掘进式隧道相比有可缩短工期、节省造价等优点， 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 我国在修建沉管隧道跨江河水域的方案不断提出，如京沪高速铁路在南京的跨长 江隧道。 沉管法修建隧道的主要工序是：地槽浚挖、管节制作、管节防水、管节驳运 沉放、地基处理等施工工序。施工技术受特定环境条件和工程要求影响很大，故 在进行环境调查与研究时必须特别注意。 全断面隧道掘进机( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e 简称t b m ) 适用于中等坚硬岩石 隧道的施工，体现高度的施工机械化、自动化。常见的盾构机主要适用于土层或 软弱围岩层，对盾构机刀盘和刀具不能提供切割岩体切削力和扭矩，其衬砌配套 设备与岩体隧道不相适应时，盾构不再适用，t b m 法成为可行施工方法。t b m 是岩石中进行隧道施工的专用工具，其一般用于区间隧道的施工。因为其造价高， 在我国隧道工程施工中应用不多。全断面隧道掘进机对周围的围岩破坏小，对圈 岩稳定有利，超挖也少；全断面隧道掘进机适宜打长隧洞，它对通风要求较低， 开挖的洞壁比较光滑，若能不做衬砌，其开挖面积和钻爆开挖面积相比，可以小 很多。 t b m 隧道施工的进度、机械化程度高是世界公认的，t b m 在中等坚硬的岩 石中施工，对周围的环境扰动小。在闹市区对环境保护要求严格的岩体中修建圆 形长大隧道，t b m 应是首选的方法。但是t b m 施工目前仍存在一些问题，需进 一步研究解决。如隧道造价高，t b m 对围岩的特性依赖性大，多适用圆形长隧 道施工，对椭圆形、长方形断面的隧道就不再适用等。 2 3 中街站施工方法的选择 目前，在市区内修建地铁线路时应考虑采用逆作法、半逆作法、盾构法、矿 山法、t b m 法( 岩石地层) 和浅埋暗挖法。逆作法和半逆作法多用于修建闹市区 的地铁车站，以噪音低、对地面影响小、施工工期短等占优势：在软土地层，修 建区间隧道及地铁车站时，盾构法以噪音低、易管理、对地面影响小占优势：矿 山法工艺成熟、适应不同断面、施工操作较简单：在岩石土层，t b m 法以易管理、 对地面影响小，机械化程度高占优，而浅埋暗挖法则以造价较低、速度快、施工 操作简单占优势。在郊区，基本上采用造价较低的明挖顺作法和高架法。这两种 方法造价较低、施工速度快，但对地面的影响较大。无论采用何种方法，都应该 根据当地的地质勘察资料，并类比其它城市类似的地铁施工方法，确定当地合理 的施工方法。对于中街站究竟采用何种方式进行施工，要综合考虑经济、施工难 度、时间、及对周围环境的影响等因素。 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 表2 3 几种施工方法的综合比较 t a b l e 2 3t h e g e n e r a lc o m p a r i s o n o fs e v e r a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d so f 、逊工方法 比较项目 明挖法逆作法暗挖法 施工速度快开挖限施工速度适中，开施工速度慢，开挖速度 施： 速度制小，机械化程度高挖速度受出土口受出土口提升能力限 提升能力限制制 整个施工期间均对地对地面交通有影对地面交通无影响 对地面交通影响面交通有影响，对中响，但封顶以后就 街站不适合可以恢复交通 对地下管线影响大，对地下管线影响对地下管线影响小，管 所有在站区范围内的大，所有在站区范线不需改移，但施工中 对地下管线影响 管线均需进行改移或围内的管线均需必须控制好地表下沉， 保护进行改移或保护防止管线损坏。 对地表沉降、建筑物对地表沉降、建筑对地表沉降、建筑物倾 对地表及建筑物影 倾斜影响适中物倾斜影响小。斜影响大，中街站两侧 建筑物密集施工过程 响 中控制难度大 施工工艺 抛一【。上己伺旱施工工艺较复杂施工工艺复杂 适应于任何地质条件适应于任何地质适应于任何条件，对于 条件砂层。软流塑地层，注 适用地质条件 浆量大，临时支护量 大。施工要求高 周围环境较空旷地周边环境较复杂周边环境复杂，如采用 面交通易组织地面交通不易组明挖法或盖挖法地面 对周边环境的要求 织交通无法组织易引起 交通堵塞 防水质量易控制，防防水质量较易控防水质量较难控制 防水效果 水效果好制 一f 程造价 低适中高 ： 序转换较少，工期工序转换适中，工工序转换频繁，工期较 工期 较短期适中 长 综合评价 注：表示“优”，表示“良”表示“一般”。 1 9 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方a - e j 选择 从工程本身的造价和施工技术难度和时间三个方面考虑。选择施工方法的顺 序为明挖顺作法一逆作法一暗挖。从对周围环境的影响出发，选择施工方法的 顺序为暗挖一逆作法一明挖顺作法。 中街站位于沈阳市著名的步行街一中街商业街，本街商业繁荣、人流密集。 两侧建筑物距车站边缘不足3 m ，因此本车站在施工方法的选择上，很大程度要 考虑周围环境的要求。分析施工方法如下： 明挖法顺作法施工：如中街站采用明挖顺作法施工，则必须对步行街进行封 闭，两侧商业区则停业，这将严重影响中街两侧商业的发展。另外，为不影响朝 阳路交通，明挖车站要做临时栈桥，本工点管线没有改移的位置，对地下管线必 须做临时悬吊保护，由于有众多地下管线的存在，无法展开大规模的机械作业， 明挖法的优点不自& 体现而且对周围环境影响太大，在中街寸土寸金之地，经济 损失不可估量，因此明挖顺作法施工是行不通的。 暗挖法施工：( 1 ) 从施工工期和对周围环境影响方面来考虑：暗挖法施工技 术复杂、施工时间较长，而且必须在车站周围寻找施工场地、施工竖井作为车站 的施工通道，分析本车站的周边环境，两侧建筑物密集，若作为施工场地，必将 大量拆迁居民民房，这样工期将很长。( 2 ) 从中街站的水文地质条件方面考虑： 浅埋暗挖法要求无水作业，带水作业是非常困难的。开挖面的稳定性时刻受到水 的威胁，甚至发生塌方。中街站地下水位很高，且地下水非常丰富，在基坑开挖 深度范围内要穿过砾砂含水层，在上面还有一层上层滞水，这将直接关系到暗挖 法施工的成败。因此必须要有较好的防水，暗挖法施工防水效果很难保证。因此 暗挖法施工也是不适宜的。 逆作法施工：通常在下列条件下宜优先考虑采用逆作法施工。 ( 1 ) 地下工程较深、层数较多的工程； ( 2 ) 环境保护要求较高的深基坑开挖，逆作法与其它支护方式相结合，可使深基 坑对周围环境减小到最小程度； ( 3 ) 繁忙路段施工、交通封锁有严格限制的深基坑开挖工程： ( 4 ) 高层建筑并附有多层地下室的并需加快施工进度的工程 另外逆作法施工具有明挖法与暗挖法的部分优点，即造价较低，对周边环境 影响较小，工期易保证等。采用逆作法对于沈阳市地铁中街站施工将具有以下的 优势： ( 1 )由于中街站地面狭窄且地面交通繁忙，采用逆作法在顶板施工完成后即可 东北大学硕士学位论文第二章沈阳地铁中街站概况及施工方法的选择 恢复路面交通，大大缩短了封路时问： ( 2 ) 中街站步行街两侧建筑物密集，采用逆作法和其它支护方式相结合，以防 止两侧的建筑物倾斜和基础，可以大大减少对周围环境的影响。 由此可以得出：沈阳市地铁中街站采用逆作法施工是