浅埋暗挖法隧道及地下工程

浅埋暗挖法隧道及地下工程主要内容一 、概述二、浅埋暗挖的设计与施工技术三、浅埋暗挖的监控量测技术四、浅埋暗挖工作面的稳定性分析五、浅埋暗挖隧道支护结构体系六、隧道及地下结构的防水体系七、几个问题的讨论一 概述1 隧道及地下工程（或地下空间）的几个概念1）隧道及地下工程（或地下空间）的定义 * 介质力学的角度处于千变万化的地质体之中，其结构本身与地层（围岩）紧密接触和相互传递作用的工程建筑物。 * 典型实例交通隧道、地下铁道、水电输水隧洞、城市共同沟、地下商场与车库、军用洞室、大型建筑物的地下室（深基坑）等等。2)隧道及地下工程施工的复杂力学过程 * 开挖* 地质体原始地应力体系被打破* 形成二次地应力发生变形* 初期支护* 抑制地层的变形* 变形收敛* 后期支护 * 形成三次地应力并达到力学平衡3) 隧道及地下工程结构物的技术特性 概括地说，有以下几点是需要特别关注的。 * 隐蔽性：地下结构与其他结构最大的不同就是它的隐蔽性；隐蔽性同时伴随巨大的风险性；* 力学状态的不确定性：它的力学状态受到施工方法的极大影响，也是其他工程结构物所不可比拟的；* 地下环境影响的严重性：其他结构物主要受自然条件的影响，而地下结构除自然条件外，还受到地下环境，主要指围岩和地下水条件的影响；* 可维修性差，这是不言而喻的；* 施工条件和环境条件的约束。4）与地面工程的基本区别* 作用体系A 地面工程： 一般只与地基相互作用，是空间自由状态的作用体系。B 地下工程： 与周围地层密切相关，是二者共同作用体系。* 外荷A 地面工程： 已知的，明确的。B 地下工程： 由于地质体和围岩的千变万化性，迄今仍是有待解决的不确定性问题。2 浅埋暗挖法（STCM）的概念与特点1）浅埋暗挖法的基本概念 浅埋暗挖法（国外多称软土隧道新奥法或浅埋隧道新奥法）是基于岩石隧道新奥法（NATM）的基本原理，针对城市地下工程的特点，于80年代在北京地铁第四纪软土中开创出的新方法 。(1) 浅埋暗挖法名称的确定在小导管超前支护技术、格栅拱架制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技术等基础上，在软弱地层必须快速施工的理念，突出时空效应对防塌的重要作用。并在军都山黄土隧道、北京地铁复兴门折返线、复八线、西单车站采用浅埋暗挖技术取得了巨大的成功。1987年8月，北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会，对浅埋暗挖技术进行评价，会上确定取名为：浅埋暗挖法，适用范围：各种软弱地层的地下工程设计与施工。浅埋暗挖法又经过十几年的广泛应用，形成了一套完整的配套技术，被评为国家级工法，并正式提出“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。 军都山隧道（1988）（第一次用小导管、网构钢架）北京地铁复兴门折返线（1987（国家科技进步二等奖）(2) 浅埋暗挖法施工原理浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理：采用复合衬砌，初期支护承担全部基本荷载，二衬作为安全储备，初支、二衬共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩自承能力；采用不同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支护体系；采用信息化设计与施工。浅埋暗挖法大多用于第四纪软弱地层的地下工程，围岩自承能力很差，为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时。特征曲线中C点尽量靠近A点，即尽量增大支护的承载，减少围岩的自承载。要做到这点，必须遵守十八字方针，初支必须从上向下施工，初支基本稳定后才能做二衬，且必须从下到上施工。 2）浅埋暗挖法的量值概念（深埋、浅埋、超浅埋）（1）按荷载等效高度值 先计算深、浅埋隧道分界深度HP（按TBJ10892和TBJ10032001），然后与隧道埋深H比较， H 0.40.6为浅埋； P/ (rH)0.61.0为超浅埋； 当围岩变形和地表下沉值相等时，即覆盖层整体下沉时为超浅埋； 覆土厚度H与隧道跨度D之比判别建议设计阶段：H/D小于等于0.4时为超浅埋。3）浅埋暗挖法的特点 与明挖法、盾构法相比较，浅埋暗挖法的特点如下：（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、多线、车站等）和变化断面（过渡段、多层断面等）的高度灵活性；（3）通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效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。3 几种工法的比较总之，囿于经济性、地层的复杂多变以及特殊的环境条件，在未来一个相当长时期内，对地层有较强适应性和高度灵活性的浅埋暗挖法仍会在城市地铁隧道中得到不断完善使用。 二、浅埋暗挖的设计与施工技术 相对而言，应用浅埋暗挖法具代表性，且占较大比重的国家有中国、英国、法国、德国、韩国、巴西等。日本、美国自进入90年代后，除在少数地层条件下应用浅埋暗挖法外，大部分都采用盾构法。但在90年代以前，日本则大量使用浅埋暗挖法。 1 浅埋暗挖法的实质内涵18字方针1）管超前：指采用超前导管注浆防护，实际上就是采用超前预加固支护的各种手段，提高工作面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；2）严注浆：在超前预支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的结构体，以增强围岩的自稳能力；3）短开挖：即限制1次进尺的长度，减少对围岩的松弛；4）强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；5）快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载能力；6）勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。2、浅埋暗挖法设计与施工的选择浅埋暗挖法具有很多优点，但其缺点是：施工速度慢，施工工艺受施工队伍的技术水平限制等。 (1) 浅埋暗挖法应用范围拓宽的要求目前浅埋暗挖法已经推广到广州、深圳、北京、杭州等地特殊的流沙、淤泥、含水砂层、流塑、半流塑地层；埋深缩小到0.8m；暗挖施工的车站跨度达26m；穿越密集民房。随着建设项目的增多，还需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、埋深、跨度等方面的要求。(2) 以信息化设计法补充和丰富传统的经验类比设计法根据地表建筑物条件，选择合理的沉降值和结构刚度，并通过监控量测资料，及时调整、优化支护参数。对于地面无建筑物、地下无管线、对地面沉降要求不高时，可采用刚度较小的支护结构，以发挥围岩的自承能力；对于地面沉降要求比较严格的区段，应采用刚度较大、先柔后刚的网构钢拱架支护结构，以防止围岩过渡变形。(3) 选择适宜的辅助施工措施常用的有：环形开挖留核心土；喷混凝土封闭开挖工作面；超前锚杆或超前小导管支护；超前小导管周边注浆支护；设置上半断面临时仰拱；深孔注浆加固地层；长管棚超前支护；特殊地层冻结法；水平旋喷超前支护；地面锚杆或高压旋喷加固地层；降低洞内、洞外地下水位；洞内超前降排水。(4) 选择合理的支护参数和施工方法 (a) 支护要及时，不仅能减小支护结构的荷载，还能避免地层的过分变形。(b) 对浅埋软弱地层，锚杆作用降低，尤其顶部两侧30度范围内锚杆是承压的，可取消该区的锚杆。超前小导管是有效的，但至少要确保1m左右导管插入破裂面以外。(c) 作为初支的喷混凝土厚度要合理，太厚不利于混凝土材料力学性能的发挥，当厚度dD/40（D为洞径），喷混凝土支护接近无弯矩状态，支护结构性能较好。因此，用增喷混凝土厚度的方法来加强支护效果较差，应在采用合理的喷射方法、材料、配合比、外加剂上想办法，比如用湿喷、潮喷法，加聚丙烯纤维等。(d) 采用正确的施工方法，从工程造价和施工速度考虑：施工方法的选择顺序应为：正台阶台阶设临时仰拱CD工法CRD工法眼镜工法，从施工安全考虑，顺序正好反过来。(5) 富水地层的结构防水 目前的设计思路是：第一道防水线是初支和二衬之间铺设全包防水板；第二道防水线是二衬防水混凝土。实践证明：在无水或少水地层是有效的，在富水地层失败。原因：(a) 初支表面混凝土不平整，锚杆头也难于处理，难以保证防水板的完整性，特别是钢筋混凝土更易造成防水板破坏，这样封闭防水层结构的设计思想得不到落实。 (b) 防水板与初支之间容易形成水囊，一旦防水板破裂，水就会在薄弱环节寻找出路，造成施工缝漏水。(c) 采用全包防水板，水压直接作用在二衬上，容易造成衬砌开裂而漏水。 改进措施：(a) 加强初期支护的防水能力，提倡喷射防水混凝土，也可在初支与围岩之间进行填充注浆，把地下水拒之初支之外。 (b) 在初支表面布设一定数量的引水盲管，将少量初支渗漏水引排出去，防水板铺设到墙脚配合二衬防水混凝土防水，仰拱不铺设防水层，对进入初支结构和二衬之间的渗漏水应遵照以排为主的原则处理。 3 浅埋暗挖法的施工原则与基本施工方法1）浅埋暗挖法施工原则(1) 根据地层情况、地面建筑物特点等四个环境以及机械配备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断面大或地层较差：可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好：可用全断面开挖法。(2) 应重视辅助工法的选择，当地层较差、开挖面不能自稳时，采取辅助施工措施后，仍应优先采用大断面开挖法。(3) 应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二衬作业的配套机具，为快速施工创造条件，设备投入量一般不少于工程造价的10%。(4) 施工过程的监控量测与反馈非常重要，必须作为重要的工序。 (5) 工序安排要突出及时性，地层差时，应严格执行十八字方针。(6) 提高职工素质，组织综合工班进行作业，以提高质量和速度。(7) 应加强通风，洞内外都要处理好施工、人员、环境三者的关系。(8) 应采用网络技术进行工序时间调整，进行进度、安全、机械、监测、质量、材料、环境管理。2）基本施工方法与比较 从基本施工方法看，为有效地控制围岩松弛及由此引起的地表下沉，采用的基本施工方法有：（1）地铁区间或小跨度隧道的基本施工方法 a 全断面法 b 正台阶法 c 上半断面临时封闭正台阶法 d 正台阶环形开挖留核心土法 e 导坑法，包括单导坑法和双导坑法，其中双导坑法也称为眼镜法； f 中隔壁法（CD法，CRD法）。(2）地铁车站、地下商场、停车场等大跨度联拱结构的基本施工方法的施工次序为： a 柱洞法等（图）； b 多导坑法(侧洞法)（图）； c 中洞法（图）。 其中柱洞法、侧洞法应用较多，大断面施工应遵守变大洞为小洞的施工原则。 开挖方法应按以下次序优选：正台阶开挖、CD法开挖、CRD法开挖、双侧壁导洞开挖（眼镜工法）进行，这样可节约投资。施工方法比较汇总表新奥法的一般设计流程信息化设计 流程图浅埋暗挖法地下工程的一般施工程序图4 各种施工方法的开挖作业及问题1） 全断面开挖作业（一般岩石隧道）(1) 施工顺序全断面开挖法施工操作比较简单，主要工序：使用移动式钻孔台车，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车退后50m以外的安全地点，再起爆，一次爆破成型，出碴后钻孔台车再推移到开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时，施作初期支护，铺防水隔离层（或不铺），进行二次模筑衬砌。该流程突出两点：增加机械手进行复喷作业，先初喷后复喷，以利于稳定地层和加快施工进度；铺底混凝土必须提前施作，且不滞后200m，地层较差时铺底应紧跟，这是确保施工安全和质量的重要做法。（2）适用范围全断面法主要适用于III级围岩，当断面在50以下，隧道又处于IV级围岩地层时，为了减少对地层的扰动次数，在采取局部注浆等辅助施工措施加固地层后，也可采用全断面法施工。（3）优缺点 全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，便于施工组织和管理。但由于开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大。每次深孔爆破引起的震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计，并严格控制爆破作业。2）台阶法开挖台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，即分成上下两个断面或几个工作面，分步开挖，根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔墙台阶法等。该法在浅埋暗挖法中应用最广，可根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。（1）正台阶法开挖正台阶法开挖优点很多，能较早地使支护闭合，有利于控制其结构变形及由此引起的地面沉降，上台阶长度（L）一般控制在11.5倍洞径（D），根据地层情况，可选择两步或多步开挖。a 上下两部分步开挖法 采用此法，若地层较好（IIIIV级），可将断面分成上下两个台阶开挖，上台阶长度一般控制在11.5倍洞径（D）以内，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构；若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。 上下两部分步开挖法示意图b 多部分步开挖留核心土该法适用于较差的地层，围岩级别为V、VI级 ，上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土，用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面；用网钩钢拱架做初期支护；拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。从断面开挖到初期支护、仰拱封闭不能超过10d，以确保地面沉陷控制在50mm以内。多部分步开挖留核心土法示意图(2)有关台阶长度问题台阶长度之所以定为1倍洞径（D），主要因为：地面沉降不容许超过30mm，承载拱的跨度约为1倍洞径。 在1倍洞径区段周围地层产生横向和纵向两个承载拱的作用，这对开挖是有利的，台阶长度超过1倍洞径将失去纵向承载拱受力结构，仅有横向平面承载拱受力结构。上台阶若选用大于1.5倍洞径的长台阶，在开挖时纵向变位大，上台阶断面形状不利于受力，而且容易引起周围地层松动，塑性区增大，造成拱脚附近受力大而使其失去稳定性。上台阶若过短，小于1倍洞径，因洞内纵向破裂面超过工作面，易造成洞顶土体下滑，引起工作面不稳定，所以软弱地层不能采用短台阶法施工，但是若用硬岩爆破法施工时，为了便于风钻打眼，可设置超短台阶。 台阶长度过短易引起工作面失稳示意图从安全角度考虑，台阶长度定为1倍洞径是合理的，施工机械的配置也应遵守这个原则。因此，在采用正台阶法施工时，应树立一个概念，不要分长台阶、短台阶、微台阶，这是长期施工经验教训的总结，有关施工规范中也取消了这种说法，也不再提半断面法开挖。需要说明的是，在II类砂卵石地层中进行大断面正台阶开挖，必须同时实施深孔注浆和小导管超前支护、预注浆辅助工法。（3)正台阶法开挖优缺点 a 灵活多变，适用性强。凡是软弱围岩、第四纪沉积地层，必须采用正台阶法，尤其是各种不同方法中的基本方法。而且，当遇到地层变化（变好或变坏），都能及时更改、变换成其他方法，所以被称为浅埋暗挖施工方法之母。b 具有足够的作业空间和较快的施工速度，台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业则较为安全。当地层无水、洞跨小于10m时，均可采用该方法。c 台阶法开挖的缺点是上下部作业相互干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响，还应注意台阶开挖会增加围岩被扰动的次数等。 3) 单侧壁导坑超前导坑法开挖主要适用于地层较差、断面较大，采用台阶法开挖有困难的地层。采用该法可变大跨断面为小跨断面。大跨断面多不小于10m，可采用单侧壁导坑法，将导坑跨度定为34m，这样就可将大跨度变为34m跨和610m跨，这种施工方法简单可靠。采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上，为了稳定工作面，经常和超前小导管注浆等辅助施工措施配合适用，一般采用人工开挖，人工和机械混合出碴。单侧壁导坑超前导坑法开挖法示意图4) 中隔墙法（CD工法）和交叉中隔墙（CRD工法）开挖(1) 基本概念CD法（Center Diaphragm）主要适用于地层较差和不稳定岩体，且地面沉降要求严格的地下工程施工。当CD法仍不能满足要求时，可在CD工法的基础上加设临时仰拱，即 CRD法（Cross Diaphragm）。CD法首次在德国慕尼黑地铁工程的实践中获得了成功，CRD法是日本吸取欧洲CD法的经验，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环、改进发展的一种工法。其最大特点是将大断面施工化成小段面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期沉降好，每个步序受力体系完整。(2) 方法的比较 大量的施工实例资料的统计结果表明，CRD法优于CD法（CRD法比CD法减少地面沉降近50%），而CD法又优于眼镜法。但是CRD工法施工工序复杂，隔墙拆除困难，成本较高，进度较慢，一般在第四纪地层中修建大段面地下结构物（如停车场），且地面沉降要求严格时才使用。每步的台阶长度都应控制，一般为57m。 在市区软弱、松散的地层中，仅从控制地层位移的角度考虑，前述隧道浅埋暗挖施工方法择优的顺序为CRD工法眼睛工法CD工法上半断面临时闭合法正台阶法。而从进度和经济角度考虑，由于各工法的工序和临时支护不同，其顺序恰恰相反。5) 双侧壁导坑法开挖(1) 基本概念 双侧壁导坑法也称眼睛工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法，其实质是将大跨度（20m）分成三个小跨度进行作业，主要适用于地层较差、断面很大、单侧壁导坑超前台阶法无法满足要求的三线或多线大断面铁路隧道及地铁工程。该法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，有可能由于测量误差而引起钢架连接困难，从而加大了下沉值，而且成本较高，进度较慢。20世纪70年代至80年代初国内外多用此法，目前使用较少。双侧壁导坑法开挖法示意图6) 特大断面施工施工方法在修筑地下发电厂、地下仓库、地下商业街及地铁车站时，经常出现地下大空间的施工问题。这些建筑物若在埋深较浅、软弱不稳定的级围岩中，一般用浅埋暗挖法施工。当地质条件差、断面特大时，一般设计成多跨结构，跨与跨之间有梁、柱连接。比如常见的三跨两柱的大型地铁站、地下商业街、地下停车场等，一般采用中洞法、侧洞法、柱洞法及洞桩墙法（地下盖挖法）等方法施工，其核心思想是变大断面为中小断面，提高施工安全度。(1) 中洞法施工中洞法施工就是先开挖中间部分（中洞），中洞内施作梁、柱结构上。由于中洞的跨度较大，施工中一般采用CD法、CRD法或眼睛法等进行施作。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产生的不平衡侧压力问题，施工引起的地面沉降较易控制。该工法多在无水、地层相对较好的时应用。该工法空间大，施工方便，混凝土质量也能得到保证。当施工队伍水平较高时，多采用该工法施工。采用该工法施工，地面沉降均匀，两侧洞的沉降曲线不会在中洞施工的沉降曲线最大点叠加，应为优选方案。中洞法施工示意图(2) 柱洞法施工施工中，先在立柱位置施作一个小导洞，可用台阶法开挖。当小导洞做好后，在洞内再做底梁、立柱和顶梁，形成一个细而高的纵向结构。该工法的关键是如何确保两侧开挖后初期支护同步作用在顶纵梁上，而且柱子左右水平力要同时加上且保持相等，这是很困难的力的平衡和力的转换交织在一起的问题。在第步增设强有力的临时水平支撑是解决问题的一个办法，但工程量大，不易控制。另一个办法是在第步的空间用片石（间层用素混凝土或三合土）回填密实，使立柱在承受不平衡水平力时，依靠回填物给予支持，这样左边和右边施工就可以不同步地将水平荷载转移到立柱纵梁上。这样做虽能确保立柱的质量，但造价较高。 柱洞法施工示意图(4) 桩柱法桩柱法就是先开挖，在洞内制作挖孔桩。梁柱完成后，再施作顶部结构，然后在其保护下施工，实际上就是将盖挖法施工的挖孔桩梁柱等转入地下进行，因此也称做地下式盖挖法。该工法施工工序较多，且由于地下工作环境很差，施工质量较难保证。扣拱时由于跨度较大，安全性稍差。该工法是为民工队准备的低水平施工法，洞内挖孔环境破坏很大，是一种不宜过多提倡的方法。 桩柱法施工示意图(3) 侧洞法施工 侧洞法施工就是先开挖两侧部分（侧洞），在侧洞内做梁、柱结构，然后在开挖中间部分（中洞），并逐渐将中洞顶部荷载通过侧洞初期支护转移到梁、柱上。这种施工方法，在处理中洞顶部荷载转移时，相对于中洞法要困难一些。 两侧洞施工时，中洞上方土体经受多次扰动，形成危及中洞的上小下大的梯形、三角形。改土体直接压在中洞上，中洞施工若不够谨慎就可能发生坍塌。采用该工法施工引起的地面沉降较大，而中洞法则不会出现这种情况。土体扰动示意图5 几种大断面施工方法的发展单拱大跨的流畅弧线形 中洞法洞柱法侧洞法6 工程案例案例1 北京地铁五号线崇文门站施工技术（1）工程概况地铁五号线崇文门站位于崇文门路口下,采用“浅埋暗挖法”施工。车站与既有地铁二号线崇文门站东端喇叭口式过渡段区间立交，并从其下方穿过。五号线崇文门车站结构为双柱三跨岛式暗挖车站，车站两端为双层结构（地下一层为站厅层，地下二层为站台层），中间为单层结构（系站台层），车站总长度208.9m，总宽度24.2m，站台宽度14m。车站顶板覆土：双层结构为89.3m，单层结构为13.5m。车站施工的难点主要集中在新建车站近距离（净距1.98m）暗挖施工下穿既有地铁环线结构。 车站平面布置图在建车站与既有地铁隧道的位置关系图（2）过既有线施工方案采用600咬合管幕，钢管管径600mm，壁厚16mm，长度为36m。管幕布置在既有环线区间隧道和车站拱顶之间，距离车站初支30cm，沿车站隧道单层断面拱部布设一环，钢管之间采用工字钢相互咬合，环向间距中中为725mm。在大管棚的施工过程中，考虑到开挖时管棚在一定的阶段是作为荷载存在的，同时管棚具有足够的刚度，所以在初支施工过程中暂时不进行管棚钢管的填充工作，在钢管支座施工完成后，钢管内再填充无收缩水泥砂浆，用来提高钢管刚度和防止管棚钢管腐蚀后造成地层空洞影响地铁结构安全。 超前600管幕采用水平液压钻孔顶管机施工，施工时水平螺旋钻超前成孔，600钢管同步顶进（成孔孔径小于钢管外径20mm），超前成孔钻头（580）和钢管之间距离保持在+5cm、-10cm之间，600钢管前端收缩至580。该施工工艺能够有效的控制地层沉降，其主施工设备为液压系统，施工中振动和噪音较小。案例2北京地铁十号线呼家楼车站施工技术（1）工程概况呼家楼车站是北京地铁十号线的中间站，车站位于东三环与朝阳北路的交叉路口, 呈南北走向，为分离岛式暗挖车站。东三环现状路宽80m，双向8车道，两侧为辅道；朝阳北路为新建城市道路，路宽60m，双向8车道。呼家楼站与规划的东西走向的M6线在本站形成“十”字换乘关系。车站受交叉路口朝阳路立交桥的影响，左右线结构分别位于桥梁两侧的辅路下，左右线两结构之间设联络通道、迂回风道，采用洞桩法施工。车站平面及地质剖面如下图。案例【3】侧洞法施工张自忠路车站北京地铁五号线张自忠路站位于平安大街与东四北大街十字路口偏东一侧，为地下岛式站台车站，车站总长179.8m，其中横跨平安大街部分长68.6m，宽23.86m，为暗挖单层三跨拱形结构，侧洞法施工；两端为三层三跨框架结构，南端长55.8m，北端长55.4m，宽均为26.2m，明挖法施工。明挖法施工段地下一层为站厅层，地下二层为设备层，地下三层为站台层。车站范围为第四系覆盖层，冲洪积成因的松散沉积物。其中暗挖段拱部为粉细砂层，开挖时自稳能力差，尤其遇到上层滞水容易产生流沙，开挖时保证拱部和掌子面的稳定，避免产生坍方是关键，施工难度较大；中部为卵石层；隧道仰拱坐落在粘土层。 施工步序第一步： 施作超前支护, 注浆加固地层,前后开挖两侧号洞室，环形开挖预留核心土施作初期支护,1号洞室两侧拱脚打设锁脚锚管，左右侧洞同号洞室纵向间距30m ；第二步：继续前后开挖两侧2号洞室，施作初期支护，2号洞室两侧拱脚打设锁脚锚管，1、2号洞室纵向间距5m左右；第三步：施作超前支护，前后开挖两侧3号洞室，施作初期支护，2号与3号洞室纵向间距15m;第四步：继续前后开挖两侧4号洞室，施作初期支护,左侧3号与4号洞室纵向间距5m，右侧3号与4号导洞纵向间距15m ；第五步：继续前后开挖两侧5号洞室，施作初期支护，5号洞室两侧拱脚打设锁脚锚管，4号与5号洞室纵向间距15m ；第六步：继续前后开挖两侧6号洞室，施作初期支护，5号与6号洞室纵向间距15m ；第七步：在临时仰拱上凿洞，施作底梁、中柱与顶梁（含防水），并预留施工缝；对梁进行临时支撑固定；第八步：根据监测情况纵向分段拆除中隔墙，临时支撑，逐步完成侧洞底板防水与二次衬砌，两侧导洞内作业纵向错开间距30m;第九步：根据监测情况纵向分段拆除中隔壁，临时仰拱及临时支撑，逐步完成侧洞防水与二次衬砌，两侧导洞内作业纵向错开间距30m第十步：中洞上台阶开挖，纵向紧跟施作拱顶初期支护，中隔壁穿孔及时架设顶梁水平钢支撑；第十一步：中洞纵向紧随中台阶开挖，视监测情况拉结中隔壁，凿除顶部中隔壁并施作顶板防水与二次衬砌；第十二步：短台阶紧随开挖下台阶土体，穿洞架设临时钢支撑，开挖至基底，封闭初期支护；（同时顶板达到强度后可拆除顶部临时支撑）第十三步：紧跟前步初期支护，分段拆除临时中隔壁和施作底板防水与二次衬砌结构；拆除临时钢支撑，完成暗挖段主体结构及站台板(主体结构全部形成之后).三、浅埋暗挖的监控量测技术（一） 国标中的规定（略）。（二）监控量测的重要意义与目的 1意义 对地铁工程和周边环境安全的全程监控； 对工程和环境安全及风险程度的预测和评估； 为今后的地铁设计与施工提供可靠类比依据。2监控量测的目的监视围岩变化状态，了解支护衬砌受力情况，确保施工安全；确定二次衬砌和仰拱施作时间； 掌握围岩变化规律，确认或修改支护设计参数及施工顺序，提供支护衬砌最终稳定信息，为以后隧道设计和施工积累资料。（三）现场量测项目：A类必测项目水平收敛（在拱脚附近和墙基面以上二米处）；（2）拱顶下沉或拱顶单点位移（位移计锚固点的深度单线隧道不小于3米，双线隧道不小于4米）；浅埋隧道地表下沉； 描述开挖后隧道地质情况，核对围岩分类，并观察支护衬砌受力状态。B类选测项目围岩内部位移；支护衬砌的应力和应变；支护衬砌的接触压力；锚杆轴力。（四）控制基准1）浅埋暗挖法控制基准2）盾构法控制基准3）地铁明（盖）挖法施工监控量测值控制标准4）管线沉降控制标准5）建（构）筑物沉降控制标准按不同结构情况确定： 沉降极限值 530mm 沉降速度极限值 23mm/d 差异沉降极限值 0.00150.0056）关于沉降控制标准的讨论（1）现行30mm控制标准问题:在某些地质 环境恶劣的隧道中用统一的30mm作为施工控制标准有一定难度。为结合实际情况和便于管理，目前正在考虑通过数理统计方法适当放宽控制值（2）多值控制问题：目前用单一沉降值进行控制的习惯方法有很大弊病，应该用沉降值-速度值或沉降值-速度值-差异值的多值控制法（五）当前监测中的若干具体问题1）地表沉降测点问题2） 管线沉降测试问题地表沉降曲线与管线沉降曲线3）拱顶土体沉降与拱顶结构沉降问题4） 基坑横撑轴力测试问题5） 钢管柱受力测试问题钢弦式表面应变计（六）监控量测仪器与元件 1）监控量测技术中的若干基本概念和名词 -非电量的电测法 -一次、二次仪表 -传感器 -测试元件 -遥测 -率定 -误差 -精度 -灵敏度 -稳定性 -重复性 -非线性偏差测试元件的基本原理l -机械式原理 -液压式原理l -光弹式原理 -光纤传感原理l -电阻式原理 -振弦式原理l -电感式原理 -物探式原理电阻式元件原理惠斯顿电桥电阻式应变计（表面及埋入式）振弦式元件原理钢弦式压力盒常用机械式测试元件常用收敛计数显式收敛计钻孔式位移计多点式钻孔位移计的安设普通测斜仪钢筋测力计 （弦式及电阻式）弦式喷层压力计弦式渗压计锚杆拉拔检测仪锚杆预应力测力计锚索测力计磁感应分层沉降仪电子水平测斜仪电测水位计智能应变传感器激光挠度仪钢筋位置及保护层测试仪拔出式混凝土强度仪拔出式混凝土强度仪（国产）混凝土强度回弹仪激光测距仪手持式应变仪钻孔状况测定仪钻孔多点位移计钢弦式多点位移计可拆式多点位移计GPS 监测系统遥感自动光学扫描仪遥感自动光学扫描仪现场（沉降扫描）沉降遥测地表倾斜遥测隧道测试布置盾构隧道测试布置滑坡测试布置支承桩检测布置（七） 浅埋暗挖法隧道的监测与分析1 主观测断面的基本布置（1）地层变位测试包括以下5项测试研究内容：a地表（隧道）下沉；b地中下沉；c零距离拱顶下沉；d隧道开挖方向水平位移；e隧道横断面方向水平位移。（2）围岩应力测试包括以下5项测试研究内容：a超前小导管应变测试；b围岩与初支接触应力测试；c孔隙水压力测试；d初支结构内力测试；e初支钢格栅拱脚接触应力测试。2 工作面开挖的地层变位规律2.1 地层垂直位移的变化2.1.1 地表下沉1）隧道纵轴方向地表下沉变化特征（1）隧道纵向多测点地表下沉变化特征 （2）隧道纵轴方向单测点地表下沉的变化特征 隧道开挖引起的单点历时沉降可分为四个阶段：超前隆起或负下沉阶段尽管不同的地层条件有其特殊性，但基本上当工作面开挖到距测点距离相差-1.0D-3.0D时，开挖即对地表产生影响，对含水砂层地段其影响域甚至超过4D。沉降量约占总沉降量的515。急剧变形阶段对一般地层条件，当隧道工作面在-1D3D范围内时，地表变形速率增长，正加速度变化。该段沉降量约占总沉降量的5565。但对富水砂层条件，由图明显看出，其范围明显减小，速度的最大点在开挖工作面附近。缓慢变形阶段当隧道工作面在3D5D范围时，变形速率减缓，呈负加速度变化。该段沉降量约占总沉降量的1520。而富水砂层地段的负加速度范围明显缩小。稳定变形阶段不论是对何种地层条件，当隧道工作面超过5D后，沉降增长缓慢，时而下沉，时而上升，呈反复状态。但其值变小，趋于稳定。该段沉降量约占总沉降量的510。（3）隧道横向地表下沉变化特征 l 2.1.2 地中下沉2.1.3 拱顶下沉2.2 地层水平位移的变化2.2.1 隧道纵向水平位移 l 2.2.2 隧道横向水平位移（1）超前影响距离，背离隧道内空方向；（2）横向水平位最大值在滞后开挖1D范围内，然后又趋于减小；（3）隧道外侧的一定距离处，围岩由松弛状态转变为压挤趋势；（4）一般情况下，沿深度方向，横向水平位移皆表现为近地表隧道处相对较大，而其间范围内的水平位移都有减小的趋势。2.3 地层变位规律的认识2.3.1 地层反弹或隆起与地表下沉的关系与地表下沉正相关2.3.2 地表下沉与拱顶下沉的关系2.3.3 地层变位与地层条件的关系地表下沉最大值；沉降槽宽度参数i（沉降槽反弯点距离）。2.3.4 地层变位与施工方法的关系 台阶法中隔壁法双导坑法2.4 工作面开挖的围岩应力变化规律2.4.1 围岩径向接触应力 P仰拱 P拱部P边墙 2.4.2 孔隙水压力分布拱顶部位孔隙水压力为负值，表明该处土体处于松驰状态，为剪性拉张区（膨胀）；仰拱处的孔隙水压力为最大，其次为下台阶的右下侧和左下侧；孔隙水压力分布与围岩径向应力分布特征基本类似。l 2.4.3 初期支护格栅钢架结构内力2.4.4 超前支护体应力 l 2.5工作面围岩应力重分布的分区四、浅埋暗挖法隧道工作面的稳定性分析4.1 隧道工作面地层的分区（带）弯曲下沉带（）：该带近地表附近，无固定属性，随隧道施工方法以及下伏地层特性的变化而变化。从实测以及考虑地表活荷载的影响，该带不单独作为结构，分析时可将其作为均布荷载作用在下伏地层结构上。压密带（）：该带位于地层中部，一般在该带内，垂直下沉速度的表现特点是：下位土层的运动速度要小于其上方土层，即V下 V上。 因而，土层处于相对拉伸的松弛膨胀状态。该带也可作为力学上的结构存在，只是其稳定性与前述的相对易失稳区一样，具明显的时效性。其结构的稳定与否，取决于其上覆地层的关键结构以及下位隧道的施作体系（含施工和支护）。某种程度上后者起决定作用。工作面前方影响带（）：该带为因工作面开挖而影响的前方正面土体。该带的特点是以向隧道自由面移动的水平位移为主，它表征工作面正面土体的稳定性。该带的稳定与否，对松弛区所述地层结构的成立起关键作用。一般而言，对工作面影响带的特性以及力学作用，往往在分析中易被忽视。基底影响带（）：该带直接位于隧道拱顶之下，为隧道的地基土，其表现为仰拱的负下沉即上升。该带主要对隧道的下沉有一定影响，反映在两方面，一方面是仰拱上抬造成的结构稳定性，另一方面是造成隧道的整体下沉。4.2 工作面上覆地层结构的稳定性分析 4.2.1上覆地层结构模型4.2.2 上覆地层结构模型的力学分析4.2.3 上覆地层结构的平衡条件 促使该结构形成并稳定的条件是：（1）减少工作面无支护距离或缩短工作面推进长度（开挖进尺）；（2）控制并减少下沉速度或下沉量；（3）保证结构土层具有一定的厚度。 # 揭示浅埋暗挖法隧道开挖的两个关键必须保证一定的水平推力。本身无法满足时，为促成土体稳定，必须要求有一定的预置结构提供水平推力；必须保证工作面范围内的竖向荷载能被分担或传递。工作面前方土体的上覆荷载显然可由其本身来承担并转移，而对工作面未支护段，显然为利于稳定，也要求必须有一预置结构来进行荷载的分担和传递。 4.3 隧道工作面上覆地层结构的失稳坍落的椭球体模式4.3.1工作面无支护长度与坍落高度的关系分析 4.3.2 上覆地层结构失稳坍落稳定性分析4.3.3椭球体模型的实践意义 （1）工作面无支护空间是影响坍落的重要因素。针对此空间，超前施作预支护结构，改善时空间效应影响，是浅埋暗挖法隧道施工的前提条件。 （2）上覆地层失稳坍落决定于地层物性参数，而与隧道埋深关系不大。 （3）可明确解释粘土和砂土隧道工作面失稳破坏机理。 （4）可对城市地铁浅埋暗挖隧道施工波及地表的坍方，出现的“下沉漏斗（盆）”现象给出合理解释。因此对极软弱地层，工程上必须实施地层改良，才能确保地表下沉的控制和工作面的稳定性。 （5）能有效说明并指导一旦隧道工作面坍方后，注浆量大的原因。五、浅埋暗挖法隧道支护结构体系 从根本上说，在隧道开挖过程中，都要回答一个关键性的问题，即：围岩具有多大的自支护能力？，是否需要人工支护？、用什么类型的人工支护结构和怎样支护？这样一个问题。因为在隧道工程中，如何保证隧道的暂时稳定（施工期间）和长期稳定（运营期间）始终是一个基本的、关键性的问题。而要做到这一点，就要从理论上、实践上解决隧道稳定性、围岩分级与支护结构之间的相互关系这样一个问题。1 根据铁路隧道施工实践，隧道开挖后的稳定状态分为以下4类：l 1) 隧道充分稳定（60MPa）l 2) 隧道稳定(30MPa)l 3) 隧道暂时稳定-不及时采取人工支护会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的人工支护措施。 4) 隧道不稳定-在这种情况下，需要采取专门的人工支护措施和特殊的施工方法来保证隧道的稳定。2 隧道支护从性质上看，主要分为自支护和人工支护两部分。自支护是指围岩自身所具有的支护能力。而人工支护则指在自支护能力不充分的条件下，人为地采取的支护措施。两者共同构成了坑道的永久支护体系。 人工支护通常又分为一次支护（初期支护）和二次支护两大类。在施工期间为了保证施工安全、减少隧道围岩松弛、及时地控制地压的发展，更主要的是为了控制围岩自支护能力的降低，从而更充分地利用围岩自身的自支护能力，常常需要对隧道进行初期支护，也就是所谓的一次支护。它是在施工过程中采用的支护措施，在这个意义上，也可以称谓施工支护。由于一次支护的力学特性，它不仅在施工期间能够维护隧道的稳定或暂时稳定，还能够与二次支护一起，发挥永久支护的作用。在现代的隧道施工中，一次支护主要采用了喷混凝土、锚杆等既能够在施工期间维护隧道的稳定，控制围岩自支护能力的降低，又能够作为永久支护结构一部分的支护方法 但是对城市地下工程，也要认识到：有时仅仅采用喷混凝土、锚杆及钢支撑等一般人工支护方法，还不能保证隧道的稳定时，还需要采取辅助的支护措施，来维护隧道的稳定。这种措施，在支护的意义上看，也是一种人工支护方式。如小导管注浆、管棚、锁脚锚杆、围岩注浆等超前支护。这是提高围岩自支护能力的重要措施。为强调起见，在城市地下工程中，辅助支护措施也称地层预加固或地层预支护。二次支护，也是人工支护的一种类型。在目前的设计原则中，主要是在运营期间和初期支护一起，维护隧道的长期稳定和耐久性的基本结构，又称为永久支护或衬砌。 一般说，在城市地下工程条件下，因二次支护时，隧道变形并未收敛，因此其应按承受一定荷载的情况进行设计和施工。3 隧道支护的“内实外美”概念 隧道一次支护和永久衬砌作到“内实外美”，是评价衬砌施工质量的重要指标。而“内实外美”主要决定于隧道一次支护和衬砌的施工质量。应该说，由于隧道施工条件和施工环境的限制，隧道内的施工条件比露天的施工条件要差，有一定的难度，但也有其特点。因此，隧道工程技术人员要经常想到这一点，是很重要的。 “内实”是衬砌内在质量的体现，“外美”是外观质量的体现。因此，深刻地理解“内实外美”的内涵是非常重要的。 所谓“内实”，一句话，就是隧道一次支护和衬砌应当具有在设计耐用期间内的强度，耐久性、使用性和可靠性外，要切实作到四密实，即：混凝土密实，喷混凝土密实，一次支护与围岩密实和二次衬砌与一次支护密实。4 地层预加固技术概述 一般地在隧道施工中常采用的预加固技术见下表 1） 锚杆 -城市地铁软土隧道 ，我国工程实例不是很多 2） 小导管-32mm60mm的钢管 ,长度一般为3m6m 3）管棚-100mm600mm，长度亦较长，一般都在20m40m左右 ，外插角不能过大（一般50） 4 ）水平旋喷注浆 5 ）机械预切槽衬砌法5 一、二次支护概述1）喷混凝土 喷混凝土的支护作用，简要归纳为以下几点：（1）首先，要认识到喷混凝土是唯一地能够与围岩大面积的、牢固接触的一种支护方式，是其它方式所不能代替的。从力学意义上说，它既能传递径向应力也能够传递切向应力；（2）喷混凝土与岩层的附着力可以把作用在喷混凝土上的外力分散到围岩上，同时也提供了隧道周边的裂隙和节理等以剪切阻力保持块体的平衡，防止局部掉块，在隧道壁面附近形成一承载环。（3）比较厚的喷混凝土是作为一个连续构件支护围岩的，给予约束围岩变形的支护力（内压），使围岩保持近于3轴的应力状态，控制了围岩的应力释放。同时，因早期铺设仰拱使断面临时封闭，更好地发挥了支护效果。这种效果在软岩和土砂围岩中效果显著；（4）具有能够将土压传递到钢支撑和锚杆上的作用；（5）填平围岩的凹面，覆盖弱层，而防止应力集中，而加强了软弱层；（6）开挖后，因立即被覆壁面，具有防止围岩风化、止水和微颗粒流出等的效果。 为了充分发挥喷混凝土的支护效果，最重要的是要解决好喷混凝土施工的4要素：强度：有足够的强度，特别是初期强度；厚度：要确保附着层的厚度，或者使喷射表面平滑；附着：与围岩牢固附着成为一体，相互间就能够传递力变形；密实：附着层密实、均质、耐久。2）喷混凝土的配比设计 在配比设计中，大家一定要分清楚从喷射口出来的混凝土配比和附着在围岩表面上的配比，是不一样的。前者可以称为喷射配比，后者称为附着配比。设计规定的喷混凝土标号，如C20、C25等，应该是由我们这里所谓的附着配比决定的。但因现场对附着配比管理比较困难，因此一般都按照设计配比进行配比的管理。一般说，为了满足附着配比（即设计配比）的要求，就不得不改变现场配比（喷射配比）的参数。3）金属网 金属网在软岩和土砂围岩中能够提高附着力，在膨胀性围岩中能够防止剥落、提高柔性，在节理和龟裂多的硬岩中能够提高抗剪性能和柔性。同时，在有腐蚀的场合，也有采用玻璃纤维、炭纤维和尼龙纤维等非金属系的高强度纤维网的施工例子。 金属网的网格尺寸通常采用100100mm150150mm，线径采用3.26.0mm。但在土砂围岩中也有采用11cm的金属网的例子。 应该指出：金属网的线径不宜过粗，以利于随喷混凝土表面铺设。同时，加快铺设速度，最好事先根据隧道尺寸，预制成网片，成片铺设。4）喷射面的事前处理喷射基面的成立对保证喷混凝土与围岩紧密接触（附着）是非常重要的。因此喷射的第1步是：为确保喷射作业的安全和喷混凝土与围岩成为一体，要事先把可能落下的浮石等仔细地清除。有涌水时不仅使喷混凝土的附着性降低，水混入后也会降低混凝土的品质，在硬化前，喷混凝土会流失，硬化后混凝土背后会产生水压作用等，也是造成开裂和剥离的原因之一。因此，要进行排水处理。在寒冷地区的洞口附近施工的场合，要注意冻结。 第2步是：对围岩表面凸凹显著的部位填平扑齐。为防水板的张挂创造良好的条件。 第3步是：设置金属网或钢筋时，要固定不好，喷射作业中会发生移动，也会因金属网振动而产生开裂，因此设置的金属网、钢筋等必须用混凝土钉、锚栓、锚杆、钢支撑等充分固定好。 喷混凝土与干喷或湿喷无关，因添加速凝剂而急剧硬化。因此，在速凝剂添加后尽早喷射是很重要的。 喷射前喷混凝土强度的对应关系表也就是说，现场配比应适当提高喷混凝土的强度等级，以确保附着在围岩表面的喷混凝土的设计强度。 日本在规范中明确规定：如喷混凝土的设计基准强度是18N/mm2（材龄28天）时，采取的试件强度应达到2436N/mm2。因此，设计配比与附着配比是完全不同的。设计必须注意这个问题。5）格栅与钢支撑 钢拱架系采用L、U、I型钢和旧钢轨等，加工成所需要的形状，用拼装方法使用于地下工程的一种刚性较大的支护结构。而格栅是由钢拱架支撑发展而来，它是由钢筋焊接而成的构架，是隧道及地下工程中有发展前景的支撑形式。格栅喷混凝土支护的应用也越来越广泛。成为在软弱地层中重要的支护手段之一。 格栅与钢支撑，我们都归为构件支撑一类，但两者的力学作用是完全不同的。前者，只有与喷混凝土并用，才能发挥其支护作用。而且不能立即发挥承载作用。而后者可以立即地、独立地发挥承载作用。因此，需要采用钢支撑的，决不能用格栅代替。 在钢支撑和格栅的设计中必须坚持4个原则。即： 1接头要尽量少，并有足够的强度； 2必须用垫块与围岩贴紧； 3必须有纵向联系，成为一个支护体系； 4必须使底脚有足够的承载力。钢支撑与格栅的比较表6）混凝土衬砌 在衬砌施工中有2种方法是经常采用的。这2种方法就是先墙后拱法和先拱后墙法。前者是目前大多数隧道施工中采用的。后者是在软弱围岩的隧道中，采用台阶法（包括上半断面分部开挖法）中采用的。从施工实践看，在先拱后墙法中出的问题不少。如：边墙与拱脚的连接质量控制不好；拱部悬臂过长引起的纵向下沉；边墙施工时引起的拱脚下沉等而造成衬砌开裂等，都是施工方法自身的缺点所形成的，也是很难避免的。目前，铁路隧道设计规范已规定，原则上不容许采用先拱后墙法，“衬砌作业宜采用先修仰拱，后修边墙和拱圈的由下而上的修筑方法”。2种方法力学动态的比较7）自充填混凝土 目前自充填混凝土，作为特殊混凝土越来越获得人们的关注。所谓自充填混凝土就是灌注时不需要捣固、施工工程不受人为因素的影响，可靠性高的混凝土。水粉体比在30%左右，灌注后产生下沉及开裂的可能性小，可以控制炭化和盐分浸透的超导，具有长期的耐久性。采用这种混凝土的结构物，能够排除施工的一次缺陷，从而降低维修管理的费用也是比较经济的混凝土。在配比上由于需增加单位粉体量，为控制水化热要采用粉煤灰和高炉矿碴、石粉等混合材。 目前在隧道施工中，采用的普通混凝土的水/水泥比约在64%，单位水量175kg，单位水泥量约273kg，塌落度15cm，粗骨料最大尺寸40mm。因要在模板和围岩的狭小空间内灌注，塌落度要大，从拱顶灌注孔灌注的混凝土，以最大10m程度移动。加上粗骨料尺寸大，常常产生混凝土充填不足、材料离析等现象。特别是在拱顶易于秘浆形成空隙。采用自充填混凝土可以：因粘性高，不易产生出来离析，可获得稳定品质的衬砌；新鲜时流动性大，能够确实充填凸凹不平的