地铁车站暗挖工法探讨

地铁车站暗挖工法探讨目录1.

国内外地铁发展现状2.

传统暗挖工法简介3.

拱盖法简介内容简要4.管幕工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介6.

日本地铁暗挖工法简介7.中国地铁设计和施工中的问题探讨1.国内外地铁发展现状1.1发展背景随着城市化进程不断加快，诸如交通堵塞、行车速度缓慢等一系列交通问题变得日趋严重。地铁是解决城市交通拥挤问题的有效方式之一。加之，地铁交通以其速度快、运能大、污染少的优点，越来越受到人们的青睐。很多国家均把地铁建设作为发展国民经济的重大战略。我国更是把“发展地铁交通”列入国民经济“十五”计划发展纲要。1.国内外地铁发展现状1.2国外现状英国伦敦于1863年建成世界上第一条地铁线路。随后，第二次世界大战战后短暂的经济恢复，其余各国的地铁建设也逐渐展开。据统计（2015年数据），目前世界上已有40多个国家和地区的127座城市都建造了地铁，线路总长度超过了7000公里。世界城市地铁按运营线路长度Top

10（截至2016年底）：上海（627）、北京（554）、伦敦（408）、纽约（370）、巴黎（315）、广州（308）、东京（304）、莫斯科（292）、深圳（285）、首尔（278）。1.国内外地铁发展现状1.3国内现状我国地铁建设起步较晚，第一条地铁线路于1969年10月在北京建成并通车。在20世纪80年代中期，国家推出在百万人口以上的大城市中逐步发展地铁交通的政策，随后中国逐步进入兴建地铁的热潮。截止2015年底，我国大陆已有北京、上海、沈阳等22个城市开通了地铁，拥有97条运营线路，总里程达2934km；在建126条线路、总里程3000多km。截至目前，大陆已有43个城市获批修建地铁，规划总里程达12000km。2.传统暗挖工法概述目前，在城市繁华地段因交通不能中断，故修建地铁车站常采用暗挖法，按开挖断面从简到繁顺序排列有：全断面法、台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法洞桩法、中洞法、洞桩法等。随着地铁承担的交通量不断增大，加之车站主体断面一般较大，因此目前暗挖车站设计首选洞桩法（PBA）和中洞法。2.传统暗挖工法概述2.1洞桩法PBA工法是在地下暗挖好的导洞内施作围护边桩、中柱、底梁和顶梁、顶拱共同构成桩、梁、拱的支撑框架体系，承受施工过程的外部荷载，然后在顶拱和边桩的保护下,逐层向下开挖土体,施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。特点：(1)对地面和周边环境影响较小；(2)结构受力条件也好,施工工艺也相对经济；(3)不受结构跨度和层数限制,适用范围较广。2.传统暗挖工法概述典型断面洞桩法暗挖车站断面图（一）洞桩法暗挖车站断面图（二）2.传统暗挖工法概述扣拱现场施工图扣拱示意图2.传统暗挖工法概述2.2中洞法中洞法施工就是先开挖中间部分（中洞），在中洞内施作梁、柱结构，然后再开挖两侧部分（侧洞），并逐渐将侧洞顶部荷载通过中洞初期支护转移到梁、柱结构上，常与CRD法结合使用。中洞法施工工序复杂，但两侧洞对称施工，比较容易解决侧压力从中洞初期支护转移到梁柱上时的不平衡侧压力问题。特点：安全性高、灵活性好、出土效率高、工序间干扰较少造价低。2.传统暗挖工法概述典型断面2.传统暗挖工法概述中洞法示意图中洞法现场施工图3.拱盖法简介拱盖法的基本思路：(1)利用下覆围岩承载力和稳定性，在不爆破或者弱爆破条件下进行扣拱施工；(2)二衬两端以大拱脚形式坐落在稳定基岩上，纵向形成纵梁；单拱单跨拱盖法(3)为减小扣拱中的沉降变形，扣拱过程中采用PBA小导洞形式；(4)下挖过程中采用格栅+预应力锚索。双拱单柱拱盖法3.拱盖法简介拱盖法在大连地铁工程中的应用主体侧导洞及冠梁施工扣拱施工主体开挖及支护3.拱盖法简介拱盖法在大连地铁工程中的应用4.管幕工法简介4.1传统管幕工法管幕角撑围檩垂直支撑密集的临时支撑体系传统的管幕结构是以单个钢管顶进为基础，各钢管间仅用锁扣连接，使管幕结构相邻钢管的连接处受力十分薄弱，当开挖管幕内部的土体修建主体结构时，需架设多道临时支撑以保证整体结构的稳定性。钢管间横向连接方式4.管幕工法简介4.2NTR工法NTR管幕工法(New

Tubular

RoofMethod)，是我国从韩国引进的新型地下结构暗挖技术，首次应用于沈阳地铁二号线新乐遗址站主体结构与风道工程NTR工法是在地下结构施作部位密排顶进多个密排大直径钢管，并采用管间切割支护或利用环梁将钢管相互连接后，在相互连接的管内部空间内完成钢筋绑扎、混凝土浇筑等衬砌结构施工等操作，在形成永久结构后，开挖管幕下方土体的地下结构施工方法。车站暗挖断面图横向连接详图4.管幕工法简介N.T.R工法施工现场图N.T.R工法建成实物图4.管幕工法简介N.T.R工法修建拱北隧道N.T.R工法修建拱北隧道三维效果图现场施工图4.管幕工法简介4.3STS管幕工法及研究工作(1)STS(Steel

Tube

Slab)以带翼缘板的单管顶进为基础，各单管间依靠中间翼缘板、螺栓等连接构件形成管排。4.管幕工法简介4.3STS管幕工法及科研介绍4.管幕工法简介(2)顶管完成后，在钢管内和翼缘板间灌入混凝土，这样即形成管幕结构。4.管幕工法简介(3)随后在管幕结构的支护下，边开挖边架设临时支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体。4.管幕工法简介STS管幕工法结合洞桩法部分施工步序采用C20混凝土回填侧墙背后空隙，施作剩余顶板结构，部分侧墙结构及防水。施工钻孔桩及桩顶冠梁。4.管幕工法简介继续开挖土体至底板位置，施作垫层、防水层、底板结构。施作剩余侧墙及防水层，并施作内部结构。4.管幕工法简介部分研究工作1）STS管幕结构螺栓抗拔力学特性试验:12组;2）STS管幕结构整体力学特性试验：18组;3）

STS管幕结构关键参数优化：42组；4）带翼缘钢管的顶力理论推导；5）管节间顶力传递及顶进轴线偏移对顶力影响。4.管幕工法简介锚固力学特性试验结果锚螺杆破坏示意图纹钢被拔出D8组试件（

个螺纹钢筋，锚固长度分3别为200mm、250mm、300mm）的破坏形式为粘结破坏（拉拔极限力280kN、310kN、330kN），其余11组均为螺栓拉断（拉拔极限力250kN~280kN，锚固长度为300mm）,说螺栓被拉断

明设计螺栓的锚固长度满足要求。4.管幕工法简介整体力学特性试验结果标准件相关参数：下翼缘板焊接、混凝土等级C30、翼缘板厚度8mm、刚管间距250mm加载方式集中加载、上翼缘板不焊接、连接螺栓断开

、配筋率0.9%4.管幕工法简介c上翼缘板失稳试下翼缘板被拉断验现下翼缘板被拉断象混凝土被压碎下被下翼缘板被拉断4.管幕工法简介带翼缘钢管的顶力理论推导带翼缘钢管由于翼缘板和密集顶进时的既有顶管产生的遮挡作用，管周土压力分布和常规断面完全不同，不能简单的将翼缘和管身土压力分开计算后叠加。相反，应充分考虑上述因素，对管周土压力分区域讨论，应用不同的计算模型。因此，将管周土压力分为七个区域进行考虑，然后叠加求其顶力A区域为上翼缘上侧，引入压力拱模型分析；B区域为上翼缘下侧，引入有限土压力分析；C区域为下翼缘上侧，引入有限土压力分析；D区域为下翼缘下侧，引入弹性地基梁分析；E区域为管身顶部，引入压力拱模型分析；F区域为管身侧面，引入有限土压力分析；G区域为管身底部，引入弹性地基梁分析。4.管幕工法简介，顶推力计算根据提出的计算公式，分区域讨论顶推力的计算。在66m处最大顶推力实测值为2890kN,理论计算值为2700kN，两者相差6.5%，证明提出的理论公式可较好计算带翼缘钢管顶推力。以奥体中心站以H12钢管为例，初始顶力为870kN，随顶进距离增加，顶推力大致呈线性离的顶力曲线如下：4.管幕工法简介，管节间顶力传递及顶进轴线偏移对顶力影响通过简化建立顶管波状前进的顶管顶管顶进过程中，由于地层复杂及存在地下障碍物等因素，顶进轴线会发生偏移，对顶力会受力模型。顶管顶进是个动态过程，尽管顶进时会实时纠偏，但是后续管节还会按照顶管机的轨迹运动，所以偏移对顶力影响函数应该按照顶管机的运动轨迹进行计算。顶管偏移过程中单位长度摩阻力f相同。假设半个波长范围内每个顶管相对于上一个顶管偏移的角度相同。即第1节顶管偏转0度，第2节顶管偏移α，依次类推，第n节顶管偏移（n-1）α。假设第n节顶管达到最大偏转角度，即半波长的中间位置的两节顶管位置，此时整个半波长范围内，共有2个偏转0度的顶管，有2个偏转α的顶管，此次类推，有2个偏转（n-1）α的顶管。偏移部分波长的个数为λ，此时顶力4.管幕工法简介，偏移对顶力影响函数f

，定义

f

为发生

通过简化建立顶管波状前进的顶管kk偏移后的顶力F与未发生偏移的顶力F1

受力模型。顶管顶进是个动态过程的比值：，尽管顶进时会实时纠偏，但是后续管节还会按照顶管机的轨迹运动，所以偏移对顶力影响函数应该按照顶管机的运动轨迹进行计算。相同张角α条件下fk随着最大偏角的增加。相同最大偏移角度条件下，α越大，

f

越大。f

随着最大kk偏角的增加，最大偏移角从10°增加到30°时，平均fk从1.0增加到1.05，增加4.5％。顶管最大偏移角很难达到30°，fk取1.05。顶管最大偏移角度很难达到30°fk

取1.054.管幕工法简介STS管幕工法研究成果1）通过STS管幕整体力学特性试验，得到下翼缘板不焊接时，承载力下降85%左右，翼缘版厚度、混凝土强度及配筋率等参数对承载力影响在10%以内；2）通过42组数值模型计算，得出STS管幕结构的翼缘板厚度与钢管壁厚之比在1.0-1.3之间。这样不仅充分发挥了二者的材料性能，还能改善STS管幕构件的延性；3）建立了既考虑土拱效应又考虑夹持作用的砂土地层顶管拱顶竖向土压力理论，改进了顶管掌子面支护压力计算方法，解决了施工过程中掌子面稳定性的问题；4）中密砂核心土应至少留1D-1.5D的长度(D为顶管直径)；4.管幕工法简介5）基于压力拱理论、弹性地基梁理论和有限土压力理论，提出了根据土压力产生原因分区域讨论STS管周摩阻力的理念，推导出带翼缘钢管的顶力计算公式；6）带翼缘板钢管顶进过程中，管底摩阻力占总摩阻力的72.8%，管顶摩阻力占总摩阻力的25.4%，管侧摩阻力由于上下翼缘板的原因仅占1.8%。7）根据现场顶管试验，采用螺旋钻工艺进行顶管时钢管的平均阻力约为38kN/m，注浆时则降低至16kN/m，先挖后顶段的平均阻力为19.4kN/m；故配置相应的减阻浆液，能够有效的减小钢管阻力；8）导洞开挖面两侧1倍洞径范围内，地表沉降变形较大，沉降量占总沉降量的70%左右；横向的影响范围大概是导洞左右两侧5倍洞径左右。5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.1单拱车站(1)先挖两侧隧道，在隧道内做支撑基础，然后架顶梁，挖土，最后做仰拱；(2)跨度一般9-12米，最大可以到30米；(3)上部开槽宽度3米，高度2.8米。5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介单拱车站开挖拱部断面图5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.2柱式车站(1)先开挖两侧两条平行隧道，中间隧道拱顶适当提高，架设钢组合支架，纵向支撑；(2)两侧隧道开挖有两种方式，即盾构法和矿山法;(3)比较适合围岩比较好的情况。柱式站5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介柱式车站两种开挖方式5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.3塔柱式车站(1)可以用于开挖跨度较大的车站；(2)先开挖三条平行的隧道(多用盾构)，外径8.5米，错开30-50米，采用钢管片，管片宽0.75，后500mm，采用8片。5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介5.俄罗斯地铁暗挖工法简介俄罗斯地铁车站钢管片5.俄罗斯地铁暗挖工法简介莫斯科地铁5.俄罗斯地铁暗挖工法简介6.日本地铁暗挖工法简介近年来，日本为了改善交通拥堵，大力发展地下空间的建设，并积极推行“平改立”工程，从而暗挖施工方法也大量涌现。今天，为大家介绍一下以管幕法和盾构法衍生出来的修建地铁暗挖车站的新型工法。(1)HEP&JES工法(2)土体切削JES工法(3)MMST工法(4)盾构法6.日本地铁暗挖工法简介6.1HEP&JES工法HEP&JES工法是将HEP（HighSpeedPull，高速管节牵引）技术与JES（JointedElement

Structure，联合分节结构）技术相结合的工法。即是指在掘削装置到达端安装了牵引千斤顶，利用PC钢索将掘削装置从始发端高速牵引至到达端。然后将一个个构件通过JES接头连接，注浆后形成一个大断面箱涵结构。迄今为止已有100多个工程中得到实际应用。掘土装置管段牵引示意图顶进方向工法掘进装置6.日本地铁暗挖工法简介此工法采用矩形管顶进，纵向刚管间采用焊接形式，横向连接采用JES接头，又称“握手接头”，管内以及管间灌注混凝土，保证横向钢管之间拥有很强的承载力，开挖刚管幕内部土体时，无需架设任何支撑。此工法的特点如下：(1)与人工挖掘相比掘进速度快；(2)对轨道面和路面的影响较小；(3)施工安全性和精度更高。6.日本地铁暗挖工法简介施工工序上部水平管施工水平管灌注及竖向管施工竖向管混凝土灌注管段牵引示意图开挖期间无需任何支撑钢管幕内部开挖下部水平管施工及灌注6.日本地铁暗挖工法简介6.2土体切削JES工法则土体切削JES工法则是对HEP&JES工法的一种改良。在暗挖施工中采用HEP&JES工法，其掘削装置势必会遭遇障碍物，若强行挤推障碍物或取出障碍物都将造成地表隆起或沉降。为克服这个缺点，将挖掘机头的上檐部加设一“特制钢缆”，通过刀头内部的驱动装置（电动机）控制钢缆使其在施工中直接切割障碍物，降低了对上部地层的扰动，提高施工工效。改良的切削管特制钢缆头水平管灌注及竖向管施工6.日本地铁暗挖工法简介为了缩短工期，该掘削设备采用了2倍宽度的管段施工（宽度约2.07～2.28m），同时配备了排土用皮带机等设备配合施工。由

工

程

实

践

证

明

，

此

工

法

比工法相比，增加了施工安HEP&JES全性，工期节省将近一半，并且施工后沉降一般控制在4mm以内。水平管灌注及竖向管施工水平管灌注及竖向管施工6.日本地铁暗挖工法简介6.3MMST工法MMST工法(Multi—MicroShield

Tunnel)是采用多台小型矩形盾构机安全地施工小型矩形隧道空间，形成口琴一样格子状的结构，再将格子之间的墙壁打通，形成大跨径地下空间的工法。因此，该工法也称之为轮廓切削构筑法。该工法与以往的大断面工法相比，具有对周围地层变形影响小的特点，所以是一种适合市内大断面隧道施工的新方法。小型矩形盾构机盾构机始发6.日本地铁暗挖工法简介施工工序①小断面矩形单体盾构隧道的施工(盾构掘进、MMST钢衬砌的设置)；②单体盾构隧道间的并接(小隧道间掘削、装配并接部位的配筋)；③外轮廓躯体的构筑(向钢衬砌内浇注混凝土)；④内部土砂的掘削(掘削机械掘削内部土砂)；⑤内部构筑(作内衬、浇筑中间隔板和底板)。6.日本地铁暗挖工法简介施工工序：竖井构筑施工后，使单体小盾构进发，掘进后插入钢衬砌。当大隧道外轮廓上邻近单体盾构施工结束时，将钢衬砌的一部分折除；掘削面小隧道间的土砂；设置配筋，向钢衬内部浇注混凝土，即实现单体盾构间的并接。在竖井内用掘削机械掘削包围在大隧道外轮廓内的土砂，然后再构筑内衬、中间隔板及底板。6.日本地铁暗挖工法简介6.4盾构法多年以来，盾构法修建车站在日本得到了大量的