浅埋暗挖法课件

1、现 代 岩 土 施 工 技 术 岩土工程教研室3 浅埋暗挖法与辅助施工技术本章内容新奥法 管棚法 顶管法 浅埋暗挖法是城市地下工程施工的主要方法之一。它适用于不宜明挖施工的含水量较小的各种地层，尤其对城市地区地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地面沉降要求严格的情况下，修建埋置较浅的地下结构工程更为合适。对于含水较大的松散地层，采取堵水或降水等措施后该法仍能适用。 浅埋暗挖法的技术核心是依据新奥法（New Austrian unneling Method）的基本原理，施工中采用多种辅助措施加固围岩，充分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

2、，是一种抑制围岩过大变形的综合配套施工技术。 3.1 新奥法 20个世纪60年代初奥地利学者LvRabcewicz等人总结出了新奥地利隧洞施工法，英文全名为New Austrian Tunneling Method，因而简称为NATM。 新奥法认为围岩本身具有“自承”能力，采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥围岩的“自承”能力，可以得到最好的经济效果。新奥法的要点是：尽可能地不要恶化围岩中的应力分布。开挖之后立即进行一次支护，防止围岩进一步松动；然后，视围岩变形情况再进行第二次支护。所有支护都具有相当的柔性，能适应围岩的变形。在施工过程中密切监测围岩变形、应力等情况，以便调整支护参数和支护时

3、机，控制围岩变形。3.1.1 新奥法的主要原则 1围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。支护的作用是保持围岩完整，与围岩共同作用形成稳定的承载环。 2尽量保持围岩原有的结构和强度，防止围岩的松动和破坏。宜采用控制爆破（预裂、光面爆破）或全断面掘进机等开挖方法。 3尽可能适时支护。通过工程类比，施工前的室内试验和施工过程中对洞室围岩收敛变形、锚杆应力及喷混凝土支护应力的监测，正确了解围岩的物理力学特性与空间和时间的关系，适时调整支护方案，过早或过迟支护均为不利。 4支护本身应具有薄、柔，与围岩密贴和早强等特性，支护的施工应能快速有效，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。

4、 锚杆、喷混凝土及钢丝网、钢筋与喷混凝土相结合的支护措施具有上述特点，应尽量采用，但必须作好排水，防止渗水对支护的破坏作用。 5. 洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，避免应力集中。围岩较差的情况下应尽快封闭底拱，使支护与围岩共同形成闭合的环状结构，以利稳定。 6. 合理安排防渗、排水、开挖、出碴、支护、封闭底拱，导洞进度等项工序，形成稳定合理的工作循环，也是新奥法施工所遵循的原则之一。 喷锚支护与新奥法具有密切联系的。正是由于发展了各种各样的喷锚支护和快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。但若不是按照新奥法的要求适时进行喷锚支护，不是把围岩看作自承结构，

5、不充分发挥围岩本身的作用，并考虑其它原则和手段，那么即使大量采用了喷锚支护，也不能认为是采用了新奥法。3.1.2新奥法适用条件及要求 适用条件 不同的地质条件不论是好岩石还是坏岩石，都可以采用，甚至可以在土层中采用。 各种不同埋深的条件下均可采用新奥法。最有利的是中等埋深，地应力不是很大，而围岩块体之间又能互相咬合，容易发挥“自承”作用的条件。 各种不同形状、不同大小的洞室均能采用新奥法。圆形、马蹄形洞形、卵形、矩形洞室均可采用新奥法。圆形、卵形洞室周围的应力分布状况最好，最有利于围岩自承稳定。马蹄形洞形稍差，矩形洞室最差。 新奥法要求 1)要求勘测、设计、施工、控制各环节密切配合，不断根据现

6、场情况，调整施工方法及支护措施。一环扣一环，时间性很强。因此，各项作业的操作人员必须受过专门的训练，工艺操作熟练，工艺作风严格，能够及时正确地处理各种问题。 2)要求尽可能地发挥围岩的“自承”作用，因此，要求尽可能减轻对围岩的破坏扰动。所以，开挖洞室时一定要采用控制爆破，即采用预裂爆破或光面爆破。在岩石条件较差时尤为重要。这对开挖钻眼工作虽然增加了一些工作量，但对围岩稳定、支护效果、施工安全、减少出渣量、较少混凝土衬砌量等各方面都是有利的，应该从全局出发，强调这一要求。 3.1.3 新奥法的优点1.经济、快速。2.第二个优点是安全、适应性强。3.可以成功地控制地表下陷量。 4. 施工具有较大的

7、灵活性。5. 新奥法宜于做防水层。 图3.1 新老方法对比图3.1左侧表示以往的老方法所需开挖的断面及衬砌量，右侧表示用新奥法所需开挖的断面及衬砌量。若以面积A为100，则设计衬砌量B，超挖量的面积c分别如表3.1所示。表3.1新老方法对比 由此可以看出，新奥法的开挖量为老方法的73，衬砌量为老方法的20。因此，有人统计认为，新奥法的造价可比老方法节省3050。我国冶金、煤炭、铁道、水电、军工等部门统计，认为新奥法比老方法可以节省20以上的开挖量，省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上。 新奥法施工顺序 新奥法施工方法 3.2 管棚法 管棚法（Pipe Roof）或称伞拱法，是地

8、下结构工程浅埋暗挖时的超前支护技术。管棚法即先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。这种方法，可以加固堆积层和断层破碎带等不稳定围岩，能有效防止开挖的围岩松动。 管棚法的实质是在拟开挖的地下隧道或结构工程的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作。 管棚施工技术适用于：在交通繁忙的城市公路，铁路或建筑物下修建横惯隧道或地下仓库、车场等结构工程；地下工程特殊或困难地段，如极破碎岩体、塌方体及岩堆地区等，管内辅以灌浆效果更好。北京地铁蒲黄榆车站管棚断面 (1)扇形布置,适用于隧道断面内地

9、层比较稳定,但拱部附近的地层不稳定的场合;(2)半圆形布置,用于隧道下半部地层是稳定的,但起拱线以上的地层不稳定的场合。此外,即使地层比较稳定,但地表、周围有结构物、埋深很浅时也多采用此种布置;(3)门形布置,隧道基础是稳定的,断面内地层及上部地层不稳定时采用;(4)全周布置,用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等围岩极差的场合;(5)上部一侧布置,隧道一侧有公路、铁路、重要结构物、需防护或斜坡地形可能形成偏压时采用;(6)双层布置,用于隧道上部有重要设施、拱部地层是坍塌性、不稳定或地铁车站等大断面隧道或穿越河海底段施工时;(7)一字形布置,在铁路、公路正下方施工或在某些结构物下方施工时采用。 北

10、京长安街过街通道施工步序与穿越地层如图1所示。北京长安街上(复兴门南池子)的十条过街通道,都处于人工回填及第四纪沉积的黏性土、砂类土之中,覆土厚度0.61.0m。采用3块6步的CRD工法开挖,超前支护采用32注浆小导管。竣工后最大地面沉降仅为26.08mm。 运用大管棚超前支护,结合注浆工艺,在福州成功地修建了五一路人行地下过街通道。该工程下穿五一路,长27.3m,地下水位离地面仅1.01.6m。地表以下413m分布有淤泥层(厚度7.88.9m,为饱和、流塑状态的高压缩性土),工程地质很差。通道净宽7.8m,覆土厚度仅1.261.34m,属于超浅埋隧道。施工时,为了有效地降低地下水位,对开挖井

11、、洞室周围土体进行预注浆,采用CRD工法分室分层开挖,初期支护108大管棚、超前小导管周壁预注浆、格栅钢拱架及纵向联接筋,并喷30cm厚C20早强混凝土。竣工后路中心地面最大累计下沉值仅为2.2cm。通道施工情况见图2。 华东地区由于淤泥质黏土分布广泛,地下水埋深浅,在城市隧道施工中多采用盾构法与顶管法施工。因此适合淤泥质地层的浅埋暗挖法施工起步较晚。1999年在江苏常州成功地采用了这种方法建成了常州市文化广场地下过街通道工程。该工程设计净空11.512m4.68m,通道全长41.683m,其中暗挖段长26.5m,覆盖层厚仅1.6m。属于超浅埋暗挖。与福州和北京地下通道不同的是该通道断面为矩形

12、,通道顶部为无自稳能力的杂填土层,洞身穿越粉质黏土层、粉砂质黏土层,地下水埋深浅,路面交通繁忙,管线密布。该工程采用了108大管棚辅以小导管超前注浆进行超前支护,在159钢管支撑下采用上下台阶法分步开挖,支护体系见图3。 韩国仁川地铁穿越汉城仁川高速公路段采用具有连接键的搭扣式管棚。施工中超前支护采用26根钢管施作管棚,管棚之间采用搭扣连接。当时的目的仅仅是为了提高施工的精度,以方便采用气动夯锤施工。在第一根棚管精确定位之后,其余的棚管就可以在连接键的导向下保证顺直(如图4所示)。3.2.1 管棚的布置形式图3.8 管棚的布置形式注：一字形布置适用于洞室跨度不大，仅上部土层易坍塌的地段；门形布

13、置适用于大型洞室工程上部土层不稳定地段；半圆拱形适用于地铁、地下隧道土层不稳定段；正方形布置适用于大型洞室工程松软土层段。3.2.2 管棚的基本设计要点 1管棚长度应按地质条件选用，但应保证开挖后管棚有足够的超前长度。钢管长度一般为l045m，当采用分段连接时，选用长46m的钢管，纵向以丝扣连接，丝扣长度不应小于15cm。 2管棚钢管宜采用厚壁钢管，其间距按管棚用途（防塌、防水等）合理设计。常用管径为 80500mm，钢管中心间距100550mm。 3管棚宜采取沿隧道或洞室开挖轮廓纵向近水平方向设置。为增加管棚刚度，通常要在钢管内注入水泥砂浆、混凝土或设置钢筋笼后注入水泥砂浆。 4纵向两组管棚

14、间应有不小于1.5m的水平搭接段，管棚搭接处应设计钢支架。3.2.3 管棚法的施工 管棚法施工的主要工序包括：开挖工作室、钻孔、安装管棚，管棚钢管注浆以及掘砌施工等。1开挖工作室 在采用管棚法施工的地下隧道或旧室的开端开挖工作室，工作室的开挖尺寸应根据钻机和钢管推进机的规格确定，一般要超出隧道或洞室轮廓线外0.51.0m。开挖工作室采用普通施工方法，但加强支护，一船需设受力钢支架。2钻 孔 管棚钻孔基本为水平钻进，孔径根据棚管直径确定，一般比设计的棚管直径大20mm30mm，以便于顶进。3安装管棚 根据钻孔深度大小可选用适宜的安装钢管技术。对于坍孔严重地段，可直接将管棚钢管钻入，使钻孔与安装一

15、次完成。一般对于孔长小于15m的短孔，可用人工安装或用卷扬机顶进。深孔则用钻机顶进，在顶进过程中必须用测斜仪严格控制上仰角度，一般为12度。接长管棚钢管时，接头要采用厚壁管箍，上满丝扣，确保连接可靠。4管棚钢管注浆 钢管就位后，可用水泥砂浆或水泥水玻璃（Cement Sodium- Silicate）浆液进行管内注桨充填，一般以浆液注满钢管为止。当围岩或土层松软破碎时，可在管栅钢管上事先钻小孔使浆液能扩散至钢管周围。为了增加管棚强度，可于钢管内加钢筋笼后再注浆。 图3.9 单侧臂导洞法5掘砌施工 掘砌施工在管棚注桨结束48h后方可进行。用管棚法施工的地下隧道或洞室断面都比较大，所处地段的岩土层

16、软弱破碎，多选用单侧壁导洞或双侧壁导洞掘进技术；图3.9 为单侧臂导洞法开挖顺序示意图。开挖时，工作面I与II的距离应保持在46m间，不应过大，工作面III与I间要大于10m，以确保施工安全。图3.10 管棚施工的隧道支护结构1管棚（管内灌注水泥砂浆）；2混凝土喷层3钢拱；4防水层；5混凝土 钢架纵向间距一般不大于1.2m，两钢架之间应设置直径2022mm的钢撑杆。钢架设置好后，应及时喷射混凝土。管棚钢管和钢撑的间距为1525cm，填塞固定。通常在混凝土喷层外敷设防水层后再进行二次模筑衬砌。二次模筑衬须在围岩和初次支护变形基本稳定后进行，混凝土衬砌厚3545cm，每次施工衬砌长度612m，可用

17、模板台车施工，强度达到2.5MPa后方可脱模。3.2.4 管棚变位及控沉防坍技术措施 管棚法开挖施工中，开挖面一经形成，其前方地表将出现下沉，一般在开挖面前方10.8倍开挖直径距离上方的地表开始下沉，下沉发生的顺序是管棚、围岩及地表。因此，为使管棚变位和地表下沉值控制在容许范围内，施工中要有以下技术措施： 1加强检测，及时反馈管棚下沉信息以指导施工。通常都将周边位移量测和拱顶下沉量测作为检测项目。 2采用合理的开挖方式，变大跨为中跨和小跨，边开挖，边支护，步步为营。施工中应尽量减少围岩的扰动，优先采用掘进机械或人工开挖。 3严格控制循环进尺，一般不宜超过1.0m。开挖成形后应及时进行初次支护，

18、扣紧工作衔接，尽早进行仰拱封底的施作。为了获取各开挖段地表下沉和围岩内部位移的施工安全管理基准值。施工前，应根据地下工程结构特征和地层条件进行数值模拟汁算，以指导安全施工。3.3 顶管法 顶管法施工管道是采用油压千斤顶或其他方法，将管子按设计方位、倾角顶入土层中，直至另一个设计位置。顶管法施工管道既能在地下水位以上的土层中进行，也能在水位以下的土层中施工。 理论上说，顶管法施工可不受管径、顶进距离和土质条件的限制。但实际上，由于管子前端的正面阻力，管外壁的摩擦阻力，管材的强度和地下水压力等因素的影响，致使该施工方法还存在许多技术问题。异型顶管掘进机 顶管掘进机一般适用于口径较小的隧道施工，广泛

19、运用于自来水管道、排污管道、输气管道、电缆管道、地下人行道等各种隧道施工。公司专业生产顶管掘进机，直径从0.6米3.5米。 按切削原理可分为：网格挤压式、大刀盘土压平衡式、泥水平衡式、反铲式、多刀盘式等。 按隧道形状分为：圆形、矩形、异性等。 工程施工中达到了一次掘进2.05公里的距离. 顶管施工的优点 在城区内施工如果地下水不是十分丰富以及管道埋深较浅的情况下采用开挖式敷设管道比较经济。但是也存在一些问题如下：施工噪音较大，容易阻碍交通，容易引起地盘沉降等。 非开挖顶管施工采用油压驱动，施工时噪音远远小于开槽式敷设管道，几乎没有地盘沉降的现象，对周遭的影响降低到最小程度。而且在较深的埋深情况

20、下施工成本要小于开槽式敷设管道。1. 无需隔断交通 2. 可以安全的穿越铁路 3. 可以穿越障碍物 4. 可以在很深的地下敷设管道 5. 噪音以及震动都很小 6.对施工周遭的影响很小 3.3.2 顶管施工方法分类 目前，国内对顶管施工法尚无统一分类。上海基础工程公司在工程实践和研究中，从顶管技术到顶管设备等方面形成了独立的系统，简称SFEC顶管系统。1按顶进管子直径分 （1）顶管直径大于2m为大口径顶管； （2）直径0.82.0m为中口径顶管； （3）直径小于0.8m为小口径顶管。 2按顶进距离分 （1）顶进距离0100m为短距离顶管； （2）距离100300m为中距离顶管； （3）大于300

21、m为长距离顶管。3按工程地质条件分 （1）在地下水位以上的土层中顶管，称为水上顶管； （2）在地下水位以下的土层中和江河湖泊、港湾水下地层中顶管，称为水下顶管。3.3.3 顶管施工中的破土方法 根据破土工具和破土工艺，破土方法分为人工挖土、机械破土、射流破土和挤压破土四类: 1人工挖土 一般的人工挖土顶混凝土管道要先把管子下到工作井内的导轨上就位。顶进时，首先用千斤顶将管子顶入土内；然后进行管前开挖，同时将土运送出去。在千斤顶顶头加入顶铁将管子顶入土内，然后进行挖运土后，将管子顶进。如此循环作业，直到管子的后端与千斤顶之间满足一节管子就位长度后，就可以下第二根管子，继续作业，直至顶到下一个接收井管线端点。管前纵向开挖量一般不超过50cm，径向超挖量不大于1.5 cm，且在不允许土壤下沉的顶管地段，径向一律不得超挖。 2机械破土。 机械破土是利用刀齿向工作面土层施加压力，实现切削破土。常用的有：伞式掘进机破土、水平螺旋式钻机破