城市地铁浅埋暗挖技术.docx

中国矿业大学力学与建筑工程学院地铁与轻轨课程报告 第 9 页城市地铁浅埋暗挖技术（中国矿业大学力学与建筑工程学院土木10-5班李旭高）摘 要：文章介绍了浅埋暗挖的技术特点，论述了地铁单跨隧道和城市地铁车站浅埋暗挖的施工技术和方法选择，以及相关的配套技术。最后指出了浅埋暗挖技术的误区和存在的问题，以及该技术与其他施工方法的比较。如今，这项技术已在全国各主要大城市，如广州地铁一号线、深圳地铁、北京地铁等普遍使用。这项技术之所以发展很快，主要是因为我国地铁的开发和利用历史不长。根据城市建设的飞速发展的前景判断，城市地铁建设中浅埋暗挖技术具有远大的发展空间，需要我们不断去探索研究，从实践中慢慢的去不断完善这项技术。关键词：城市地铁；地下工程；浅埋暗挖技术；相关的配套技术；存在问题1 前言随着城市化水平不断提高和扩大，在城市化发展的过程中，特别是要保障可持续的发展，突出的难题之一是交通问题，既要保证市民的出行率，又要节约出行的时间，仅依靠公共汽车、电车等地面交通已难以满足人们出行的要求。道路建设速度总是跟不上车辆激增速度。一条公交线路，其最大运送能力为4000人/h。同时随着人们生活水平的提高，市民购买轿车已不再是梦想，交通拥塞的现状，己严重影响着经济可持续发展，也严重影响了人民生活质量的提高。因此，如何缓解交通，给市政工作者提出了更高、更难、更新的一个课题。当然解决此难题，要从多方面采取措施，除了加强管理，疏通流量以外，还应重点考虑，增加新建路网，拓宽改造原有线路，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，尤其城市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。所以随着技术进步和环境的需要，浅埋暗挖技术迅速发展起来。2 浅埋暗挖技术的原理与特点2.1 浅埋暗挖技术的总体分析在工程设计中根据地铁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除上述特点外，浅埋暗挖技术是在松散的第四纪地层，在浅埋、有地下水、开挖断面复杂多变等条应用，要绝对防止塌方，严格控制地表沉陷(一般要求不超过30 mm)。本技术包括相适应的开挖方法和配套技术，其关键技术是加固和改造地层，以保证施工安全和地表建筑物的安全。2.2 浅埋暗挖法的原理 在新奥法的基础上，针对城市地下施工的特点而发展起来的。城市浅埋地下工程的特点主要是:覆土薄、地质条件差，多数是未固结的土砂、粘性土和粉细砂等，而且多少情况下地下水位都比较高，围岩自稳能力差、承载力小、变形大，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或出现过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来了严格的要求等等。浅埋暗挖法的原理是沿用新奥法的基本原理，建立量测信息反馈设计和施工程序;采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，考虑初次支护承担全部基本荷载，二次模筑衬砌作为安全储备，衬次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载;该法在施工中采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，充分调动围岩的自承能力;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体系;同时在施工全过程中，针对浅埋隧道的特点采取超前支护、改良地层和注浆加固等辅助施工技术，并用监控量测与信息反馈技术指导施工，优化设计等多种综合配套技术所组成。2.3 浅埋暗挖法的特点与其它施工方法(如明挖法、盾构法等)相比，浅埋暗挖法具有如下特点:(1) 适用于各种地质条件和地下水条件;(2) 具有适合各种断面形式(单线、双线及多线、车站等)和变化断面的高度灵活性;(3) 通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效地控制地表下沉和坍塌;(4) 与盾构法比较，在较短的开挖地段使用，也很经济(5) 与明挖法比较，可以极大地减轻对地面交通和商业活动的影响，避免大量的拆迁;(6) 从综合效益观点出发，是比较经济的一种方法。2.4 浅埋暗挖法的适用条件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用途浅埋结构物的施工方法。主要适用于不宜明挖施工的土质或软弱无胶结的砂、卵石第四纪地层，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，采取堵水或降水、排水等措施后仍能适用。尤其对都市城区在地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管道密布且对地表沉陷要求严格的情况合采用浅埋暗挖法开挖隧道的地层。浅埋暗挖法自1987年产生以来，就以其灵活多变、勿需太多专用设备、不干扰地面交通及附近居民生活等优越性，得到了推广应用，取得了很大的社会经济效益，但相对其它方法施工速度较慢、应用范围存在局限性，因此，今后的发展方向应在拓宽应用范围方面，提高施工速度，进一步降低工程造价上下功夫。3 常用的单跨隧道浅埋暗挖方法3.1 台阶法施工台阶法是最基本、运用最广泛的施工方法，而且是实现其它施工方法的重要手段。3.1.1 台阶长度的选择长台阶(L5B)对掌子面的稳定有利，但施工的干扰大；上台阶上设备、材料困难；上台阶向下台阶出碴困难；不能及时封闭成环，有时不得不在上台阶底板上作临时仰拱，这种方法不宜采用。中台阶(L=l1.5B)同样存在长台阶的优缺点但在土质隧道中上台阶不必上大型设备，而且从上台阶向下台阶运土的距离短，下半断面能在l1.5B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。微台阶(L母)的台阶长度在满足掌子面开挖稳定要求、满足开挖下台阶时喷混凝土的要求强度和方便施工的原则下进行选择，一般用34 m。当使用反向挖掘机开挖装碴时，上台阶大部分可利用该机进行挖、装，可以提高施工速度。3.1.2 辅助施工方法(1) 在开挖上台阶时，类围岩地段宜采用环行开挖留核心土并做锁脚锚杆，上台阶开挖留核心土有利于掌子面的稳定，减少地表沉陷，同时可以方便架设钢筋和喷混凝土。(2) 下台阶除可一次性开挖外，根据地质条件又分别选用图5的开挖方法。下台阶先挖核心土的施工速度较快，但有时施工不安全，一般不宜采用；留核心土施工较安全，但施工仍然不方便，仅在必要时使用；左右错进同样可以保证施工安全，而且施工方便，因此使用较广泛。(3) 拱部部分的喷混凝土常因重力下沉而在围岩之间产生小的裂隙，在其壁后注浆有利于减少地表下沉。(4) 在开挖上台阶根据情况可在上台阶的底部设临时仰拱，或者在上台阶的拱顶下设临时立柱，有利于减少围岩的收敛和拱顶的下沉。3.2 CD法和CRD法CD法和CRD法实际上都是左右分块、上下分台的开挖方法，将大断面化成小断面施工，步步封闭成环，每个施工阶段都是一个完整的受力体系，结构受力均匀。而两种方法的不同处，前者是先将一个半块挖完后再挖另一个半块；后者是每层左、右开挖后再挖下一层。根据CRD法比CD法的地表沉陷小50，因此推荐使用CP,D法。3.3 双侧壁导坑法双侧壁导坑法实际上是将竖向分成3块，上、下仍是分台的开挖方法，先开挖两侧块后再开挖中间块。这种施工方法因为开挖的断面大，完成全部开挖、拆除双侧壁导坑的内壁，一般初期支护的强度不能满足要求，因此一般均采用在开挖完双侧壁导坑后先做边墙，完成拱部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施工支护的拆除等措施，以减少拱部初期支护受力。4 城市地铁车站暗挖施工用浅埋暗挖技术修建城市地铁车站，因对地面交通和对环境的影响方面具有明显优势而备受推崇。在即将开工的北京地铁5号线、4号线通过市区的车站，原则上都将采用暗挖施工，其中侧洞法、桩柱法和中洞法常被用于修建三拱两柱双层岛式车站。4.1 侧洞法施工顺序上是先同步开挖两个侧洞，而侧洞往往又是采用“CRD”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，再在中部用正台阶自上而下开挖并完成中拱、隔板和基础(图6，图7)。该法必须同步推进两个较大跨度的侧洞，以免产生不均匀水平推力，对地层扰动范围较大。4.2柱洞法首先施工上下各四个导洞，在下导洞内作条形基础，并由上导洞向下开挖护壁桩孔和立柱孔，分别吊装钢管柱和浇注护壁桩，使之置于条形基础之上，然后进行上层开挖和初次支护，实施二次衬砌的顶梁、拱部和上部边墙，并用地模施作中隔板，再向下完成下部开挖和衬砌。该法最大优点是按照施工顺序可以再横向扩大施作更大跨度结构，但因其需在两侧施作护壁桩而提高了造价，且在一个十分狭窄的小导洞内完成一系列的钢筋、立模、浇注、吊装等操作，作业环境恶劣。改良后的施工方法将中部的两小导洞连成一弧形成导坑（用CD法）使操作空间加大，施工环境得到改善，同事也简化了中拱的防水和拱部操作。4.3中洞法中洞法适用于在松散地层中修建地铁车站，因其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采用。中洞开挖采用“CRD”法，完成中洞(六部或八部)封闭后，在中洞较大空间内自下而上完成基础、立柱、中隔板、顶粱和中拱，使之在中洞内形成一个庞大的钢体顶住上部土体。用正台阶法或“CRD”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分部尽快封闭早成环，整体环套环特点，结构整体性好，具有广泛使用前景。5 相关配套技术城市浅埋暗挖技术不单是施工方法，必须有相关的配套技术才能保证施工正常进行，这里仅叙述主要的配套技术。5.l 超前防护和加固地层为防止在开挖上台阶时拱顶发生坍塌一般在顶部均应采用超前防护，常用超前小导管注浆或超前长管棚，两者均能有效的起到防坍作用。超前小导管注浆控制地表下沉的作用不如长管棚好，但长管棚施工速度慢、造价高，因此仅在地表临近有建筑物、地下有管线和地质条件很差时才采用。超前小导管固结注浆的浆液在地层中凝固胶结砂石，形成一定范围有一定强度的壳体。根据需要可选择单液注浆（纯水泥浆或水泥砂浆）和双液注浆（水泥浆和稀释水玻璃），也可根据对砂层的化学分析选用“改性水玻璃”浆液，能取得快速固结的效果。对双线或地铁车站大断面，在对地表下沉要求极严情况下，可选用长孔劈裂注浆，靠浆液挤压、填充地层缝隙或将软弱围岩压裂让浆液填充，以增加地层密实度，改变原物理力学性能。5.2 堵水、降水技术在第四系地层中，有地下水时不但影响机械作业，而且影响工程进度和工程质量。因此，必须杜绝带水作业，根据经济比较进行堵水或降水，做到无水施工。5.2.1 堵水(1) 洞内注浆堵水当地下水位在上台阶底面以下时，在开挖上台阶后可在其台阶底面进行短管注浆堵水，然后再开挖下台阶。这种堵水效果差，影响施工进度，故较少使用。(2) 地表堵水在距地下工程底部之下不远处如有隔水层则用地表帷幕注浆或旋喷桩形成帷幕以阻断在地下开挖范围内的水源补给。如果无隔水层（或隔水层距底部距离较大），除帷幕注浆外，还应在开挖范围内进行全断面注浆，以便在工程底部形成注浆的堵水带。5.2.2 降水(1) 洞内降水当地下水位在上台阶底面以下时采取洞内降水。开挖上台阶后，在其底面上进行真空降水再开挖下台阶。(2) 地表井点降水这是降水常用方法，根据地质水文条件井点设计得当，完全可以达到无水施工，以加快进度。在布置井点时应控制单井抽水量，在施工时作好反滤层(一般要求反滤层达到120目)，并且分段抽水，以减少因降水引起的地表沉陷和减少地下水的流失。5.2.3 截、降结合当地下工程底部之下无隔水层时，在开挖范围外做帷幕截水，在帷幕内采用井点降水，以起到减少地下水流失，同时又达到降水的目的。5.3 邻近地表建筑物的施工技术5.3.1 基础(包括桩基)托换在地下工程的顶部如有高层建筑物，则必然会加大地表沉陷和建筑物的不均匀沉陷，此时则应进行基础托换(托换方法略)。但这种方法费工费时、造价昂贵，且不宜长距离进行基础托换。5.3.2 开挖面外作围护结构在地下工程旁有建筑物(甚至是高层建筑)，其基础可能对地下工程产生一定侧压力，由于地下工程开挖破坏了其基础底原来的应力扩散角，改变了原来的平衡状态，必然引起土体的水平位移，从而引起建筑物的不均匀沉陷。如果这种影响较小，可在侧面施作长管棚和加强初期支护抵抗侧向应力的强度来平衡其影响。如果这种影响较大时，则应在地下建筑物旁施作围护结构来平衡其影响。5.3.3 基础加固注浆在地铁地下工程开挖前，对地表建筑物的基础进行加固注浆，可以减少建筑物的沉陷。在地下工程开挖后，建筑物的沉陷可能超限时进行分段跟踪注浆，还可以对沉陷量进行调整。例如，广州地铁越秀公园站的以太广场建筑物采用注浆加固地层，当个别点沉陷值超过25mm时，采用跟踪注浆使其累计沉陷值控制在30mm以内。5.4 结构防水在初期支护与二次模注衬砌之间铺设的柔性防水层，能起到很好的防水效果，同时也为二次衬砌应力变化产生的形变留有微量空间，避免二次衬砌产生裂缝。但对整个结构的防水而言，第一道防线应该是在初期支护与围岩之间进行的背后注浆，以此来填充两者之间的空隙，注浆浆液也能填充初次支护可能产生的裂缝，直至确认初次支护表面确实干燥无渗漏且基本平顺才能铺设防水层。北京地铁复一八线选用厚0.65mm的LDPE(低密度聚乙烯)或EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)作防水层，用厚4mm的PE(聚乙烯)泡沫塑料衬垫作缓冲层。其施工工艺实现了防水层无钉铺设。接缝依靠本身材料热台而成双焊缝，形成结构的关键性防水线。另一种防水板铺设方法悬挂铺设，这是近几年采用PVC复合防水板(土工布和防水板粘接成一整体)后才使用的新方法。在防水板的背后设有吊带，铺设时在其相应位置的喷混凝土面上，用电钻凿孔，埋入带有铁丝的小木桩，然后将防水板通过吊带小木桩固定在喷混凝土上，两幅防水板间仍用前法焊接。这种铺设方法也是无钉铺设，但比前面的无钉铺设法简单，有一定的推广价值。5.5 机械配套技术下台阶的挖、装虽使用单臂掘进机(图13)，进度很快，但受到上台阶人工挖、装速度限制，至今仍未解决好上半断面的机械配套。目前较多的挖、装、运的方法仍然是：斗容量0.61 m3的电动侧卸式装载机配合812m3的梭式矿车、电瓶车牵引轨道运输至竖井，将土体倾卸位于罐笼中的2m3矿车中由竖井用JJK一8提升机将矿车提至地面栈桥倾卸。做好井下运输轨道车场布置，尽可能多的使用大容量槽式列车在井下存土，以适应城市施工白天井下作业、夜间出土的要求。5.6 监控量测现场监控量测是实施浅埋暗挖的重要手段,其内容包括支护结构及土体的位移量测和支护应力量测两大类。在浅埋条件下，隧道开挖过程所引起的应变必将经覆盖层变化反映到地表，因此监控量测的对象将主要针对地面沉陷、洞内拱顶下沉及覆盖土不同深度的竖向和水平位移。因此，整个工程地表测试系统的平面布置和地表、洞内测试系统的横向布置，必须与施工过程同步进行。在地表有建筑物时还应进行建筑物沉陷和倾率量测，如果需要爆破时还应进行震动纵向波速量测。6 浅埋暗挖技术的误区和存在问题用浅埋暗挖法技术修建的不同跨度的地下工程遍及全国，如上海地铁地下施工等等。多数工程严格遵循浅埋暗挖规则,建成了不少精品工程，有的荣获了“鲁班奖”、“詹天佑大奖”。但也不可否认，一些工程步人误区，导致工程坍塌、漏水、开裂、底部隆起，严重影响正常使用。兹将浅埋暗挖法误区陈述于后。(1) 带水作业。不实施降水或实施降水不彻底，其结果必然影响初次支护强度和防水性能，严重者便是豆腐渣工程。(2) 未做整个工程的地表、地下测试系统设计，未把量测信息反馈用于修订设计、指导施工，必然导致施工方法的盲目性，坍方冒顶是必然的。(3) 设计水压考虑不当。以现时的水头高度作为依据，一旦水头高度发生变化，造成最为薄弱地段的底部隆起，难以补救。(4) 以“堆喷混凝土”代替“射喷混凝土”，又未能及时注浆填充与围岩间的孔隙，人为增大结构荷载，造成坍方、漏水。(5) 单线二次衬砌顶部的“月牙”孔隙、三拱两柱结构的拱部交叉点形成的凹陷，正是结构顶部的天然积水坑。对结构增加了荷载并通过此积水坑将出水段的水流至非出水段的防水板破损处形成漏水。(6) 违背“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字诀施工原则，洞体较长时间处于“开放”状态，未及时“闭合”，加速两侧收敛变形。(7) 误以为覆盖层厚度过小影响施工安全，实际上采用浅埋暗挖技术只要采取合理措施谨慎施工，并不会给施工带来困难