城市地下工程淺埋暗挖技術

1、第一章 城市地下工程淺埋暗挖技術一、概述在城市軟弱圍巖地層中，在淺埋條件下修建地下工程，以改造地質條件為前提，以控制地表沉降為重點，以格柵（或其他鋼結構）和錨噴作為初期支護手段，遵循“新奧法”大部分原理，按照“十八字”原則（即管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測）進行隧道的設計和施工，謂之城市地下工程淺埋暗挖技術。二、淺埋暗挖與“新奧法”（natm）“新奧法”的核心是以維護和利用圍巖的自承能力為基點，使圍巖成為支護體系的組成部分，支護在與圍巖共同變形中承受的是形變應力，因此要求初期支護有一定柔度以利用和充分發(fā)揮圍巖的自承能力。而作用于淺埋隧道上的地層壓力是覆蓋層的全部或部分土柱重，其

2、地層壓力和支護的剛柔度關系不大，從減少地表沉陷的城市要求角度出發(fā)，還要求初期支護有一定剛度。設計時并沒有充分考慮利用圍巖的自承能力。這正是淺埋暗挖技術與“新奧法”的不同點。但是，淺埋暗挖技術仍然遵循了“新奧法”施工的大部分原則，如以錨噴作為初期支護手段；盡量減少圍巖擾動，要求周邊圓順避免棱角突變處應力集中；初支與圍巖密貼；量測信息反饋指導設計施工等。三、淺埋暗挖技術的特點淺埋暗挖技術從減少城市地表沉陷考慮，還必須輔之與其他配套技術，如地層加固、降水等。從工程條件出發(fā)，還必須熟悉在不同條件下的馬頭門開挖，斷面變化地段（諸如擴大、爬高、轉彎等）開挖，由明挖進入暗挖的破樁，分部開挖完成及自下而上的二

3、次襯砌前的“托梁換柱”以實現(xiàn)“力的轉換”以確保安全等諸多關鍵技術。淺埋暗挖的另一個特點是十分講究施工方法的選擇，尤其是地鐵車站多跨結構和大跨結構。一個合理的機構型式和正確的施工方法能起到事半功倍的作用。四、常用的單跨隧道淺埋暗挖方法1.開挖方法選擇根據(jù)開挖斷面大小，在一般條件下有如圖1所示的開挖方法。單跨隧道（洞）開挖寬12m開挖寬1216m開挖寬1622m臺階開挖法cd法crd法pba法雙側壁導坑法圖1 單跨隧道（洞）開挖方法（注：在地質條件較差和拱部弧度較平緩時情況，1012m斷面仍宜采用cd法）2.施工順序各種施工方法的施工順序如圖2所示3.臺階法施工臺階法是最基本、運用最廣泛的施工方法

4、，而且是實現(xiàn)其它施工方法的重要手段。當開挖斷面較高時可進行多臺階施工，每層臺階的高度常用3.54.5m，或以人站立方便操作選擇臺階高度。臺階長度的選擇參見圖3示：長臺階（l5b）：長臺階對掌子面的穩(wěn)定有利，但施工的干擾大；上臺階上設備、材料困難；上臺階向下臺階出碴困難；不能及時封閉成環(huán)，有時不得不在上臺階底板上作臨時仰拱，這種方法在一般情況下不宜采用。中臺階（l=1.55b）：中臺階的特點介于上臺階和短臺階之間，由于臺階有一定長度，當拱部錨桿和初期支護壁后注漿工作量大時可減少和上臺階開挖的施工干擾。由于上臺階的距離不長，噴砼和注漿設備仍可放在下臺階。短臺階（l=11.5b）:在土質隧道中上臺階

5、不必上大型設備，而且從上臺階向下臺階運土的距離短，下半斷能在11.5b內封閉成環(huán)，也能保證圍巖開挖后的穩(wěn)定，這種臺階長度在城市地鐵的第四系地層中普遍采用。微臺階（lb）：在滿足掌子面開挖穩(wěn)定要求、滿足開挖下臺階時噴砼的強度和方便施工的原則下進行選擇，一般用34m。當使用反向挖掘機開挖裝碴時，上臺階大部分可利用該機進行挖、裝，可以提高施工速度。進行臺階開挖時的輔助施工方法環(huán)狀開挖留核心土并設鎖腳錨管：開挖上臺階時，類圍巖地段宜采用環(huán)狀開挖留核心土并做鎖腳錨管。上臺階開挖留核心土有利于掌子面的穩(wěn)定減少地表沉陷，同時方便架設鋼筋和噴砼，如圖4所示。 下臺階除可一次開挖外，根據(jù)地質條件又可分別選用圖5

6、所示的開挖方法： 下臺階先挖核心土施工速度較快，但有時施工不安全，一般不宜采用；留核心土施工較安全，但施工仍然不方便，僅在必要時使用；左右錯進同樣可以保證施工安全，而且施工方便，因此使用較廣泛。初次支護背后注漿：拱部部分噴砼常因重力下沉而在圍巖之間產生小的裂隙，在其壁后注漿有利于減少地表下沉。特殊不良地質條件在上臺階的底部設臨時仰拱，或者在上臺階的拱頂下設臨時立柱，有利于減少圍巖的收斂和拱頂?shù)南鲁痢?.cd法和crd法（中隔墻法和交叉中隔墻法）進入20世紀80年代，日本和西歐在經(jīng)歷眾多工法選擇和權衡后，熱衷于運用非掘進機方法處理淺埋軟弱地層的地下工程，并在技術、經(jīng)濟上有所突破。在cd法出現(xiàn)以前

7、，慣用的方法除臺階法外，在斷面較大和地質條件較差時，采用上半斷面臨時閉合法和眼鏡工法。最先采用cd法的工程是德國蘭茨貝格城地下停車場和慕尼黑地鐵工程以及日本的真米隧道。最先采用crd工法的工程是日本東葉高速線習志野臺隧道和北習志野臺隧道。cd法和crd法實際上都是左右分塊、上下分臺的開挖方法，將大斷面化成小斷面施工，步步封閉成環(huán)，每個施工階段都是一個完整的受力體系，結構受力均勻。而兩種方法的不同處，前者是先將一個半塊挖完后再挖另一個半塊；后者是是每層左、右開挖后再挖下層。cd法和crd法模筑砼施工方法，是先用支承替換法施工底板，即分段拆除中壁鋪設防水板和施工底板，再用支撐恢復中壁，最后分段拆除

8、中壁和臨時仰拱，由初期支護承受荷載，完成墻、拱襯砌。應當指出，當斷面的高、寬尺寸不大（例如小于1012m）、外形好（矢跨比大）的情況下采用cd法和crd法時對控制地表的作用并不大。由于分塊、分層多，對地層的多次擾動，對控制地表沉降反而不利。如果此時采用臺階法，把cd，crd中隔壁和臨時仰拱的數(shù)量用在臺階法初期支護加強上，不但增加了結構的安全度，有利于減少地表沉降，而且還減少了中隔壁和臨時仰拱施工和拆除的麻煩。根據(jù)日本試驗資料，在同等條件下開挖寬9m、隧道覆蓋層10m時，兩種方法施工效果比較如下(表1)表1 cd、crd法施工效果對比施工方法地表總沉陷(mm)地表沉降最大化傾斜率側向水平位移(m

9、m)cd7784620crd26302.39由表1可看出crd法比cd法的地表沉陷和結構側向水平位移小50%，因此在相同條件下推薦使用crd法。目前我國城市地下工程以30mm控制地表沉陷，以上試驗資料是主要參考因素。crd法是將原cd法先挖中壁一側改為兩側交叉開挖方式，并步步封閉成環(huán)(如圖6、7所示）。crd法即交叉中隔墻法，來源于英文“center cross diaphragm”。crd法的使用十分廣泛，淺埋暗挖地鐵車站三拱兩柱和雙拱單柱結構斷面，其中洞和側洞大斷面自上而下的開挖均用crd法實現(xiàn)。車站風道雙層大斷面及風道進入車站施工的抬高段，一般也是采用crd法。crd法的每個步序均采用最

10、基本的臺階法步驟。圖7 crd工法施工實例 5.pba法pba 法即洞樁法，該方法的施工順序是先在起拱線附近開挖導坑，利用導坑施工鉆孔樁和樁頂縱梁，開挖上半斷面（采用環(huán)形開挖）進行拱部襯砌，最后開挖其余部份完成底板和邊墻襯砌。如果條件允許，也可以用挖孔樁代替鉆孔樁。施工的方法是在邊墻腳附近增加下導坑，在下導坑內施工條形基礎，然后從上導坑向下施工孔樁和完成樁頂冠梁，以后的施工同前鉆孔樁。如基底地質條件較好，可用矩形挖孔樁下部擴樁的方法取消下導坑和條形基礎。該方法的特點是邊樁可起到部分隔離作用，即減少對樁外土體的擾動，地面沉槽范圍減少為左、右上導坑開挖高度的沉槽范圍，同時，開挖上臺階時進行初期支護

11、，拱腳有穩(wěn)固的樁作為支點，下沉量很小，也避免了以后開挖下臺階時引起的下沉。因此本方法對控制地表沉降和保護周邊建筑和地下管線有利。6.雙側壁導坑法雙側壁導坑法（如圖8所示）實際上是豎向分成3塊，上、下仍是分臺階的開挖方法，先開挖兩側導坑后再開挖中間塊。這種開挖斷面大，豎向三塊要求大致均勻，且側導內要加橫向撐，除非經(jīng)過計算和量測反饋證明初期支護強度足以滿足全斷面襯砌要求，否則建議盡量采用分部襯砌。圖8 雙側壁導坑法工程實例五、單跨隧道分部開挖完成及進行二次襯砌應遵循的原則跨度較大的單跨隧道采用cd法，crd法和雙側壁導坑法施工，適用于地鐵區(qū)間折返線、風道、出入口、橫向通道爬高段、人防段，以及特殊地

12、段的平頂直墻大跨結構和個別車站單洞大跨結構。這種由小跨組合成大跨的結構型式，一般情況圖形條件奇特（扁平或高墻平拱），受力條件差。在拆除中隔墻臨時支撐進行二襯時必須特別慎重，是重要風險源之所在，要有專項方案專題審查。二襯應遵循的原則是：分段跳槽，監(jiān)控量測，托梁換柱，先撐后拆，必須維持原結構受力狀況不變，完成力的轉換。這種特殊的斷面型式，一般情況應采用換撐分部襯砌。除非跨度不大，結構受力條件好，初次支護強，經(jīng)過檢算和量測反饋證明拆除中隔墻后能承受荷載，方可進行分倉 全斷面臺車襯砌。圖10 單跨平頂直墻施工步序示意圖六、城市地鐵車站暗挖施工用淺埋暗挖技術修建城市地鐵車站，因對地面交通和環(huán)境的影響方面

13、具有明顯優(yōu)勢而倍受推崇。北京、廣州、深圳、南京、沈陽、武漢、西安等大城市通過市區(qū)的地鐵車站，原則上都采用暗挖施工。其中，側洞法、pba法和中洞法常被用于修建三拱兩柱雙拱單柱雙層島式車站。一拱兩柱和一拱一柱斷面有利于拱頂防水，但拱頂較平緩，宜采用pba法或洞柱法。1.側洞法施工順序上是先同步開挖兩個側洞，而側洞往往又是采用“crd”法來完成。待側洞封閉后，在側洞內自下而上施作基礎、立柱、邊墻和邊拱，頂住兩側洞上部土體，再在中部用正臺階自上而下開挖并完成中拱、隔板和基礎。如圖11所示該法必須同步推進兩個較大跨度的側洞，以免產生不均勻推力，對地層擾動范圍較大。1、crd法開挖左、右洞包括初支和施工支

14、護；、柱底縱梁和鋼管柱；、左右洞底板；、分邊墻和左、右洞樓板；、左、右洞其余邊墻和拱部； 6、中洞上臺階環(huán)形開挖；、中洞拱部；8、中洞樓板以上土方開挖；、中洞樓板；10、中洞其余部份開挖；、中洞底板。2.pba法如圖12所示，首先施工上下各四個導洞，在下導洞內作條形基礎并由上導洞向下開挖護壁樁孔和立柱孔，分別吊裝鋼管柱和澆注護壁樁，使之置于條形基礎之上，然后進行上層開挖和初次支護，實施二次襯砌的頂梁、拱部和上部邊墻，并用地模施作中隔板，再向下完成下部開挖和襯砌。在開挖左、右洞上臺階時，為平衡中洞拱腳向左、右的推力，在兩柱頂縱梁之間設置水平拉桿，也可以在中柱和孔樁間的空隙進行回填，并在中柱穿過上

15、、下導坑施工支護的缺口處，用塑料布包住鋼管柱后用低標號砼填充。為保證中柱兩條形基礎的整體性，在其下導坑間中柱位置，每隔一柱間距橫向開挖小導坑先施作部分窄條底板。如前所述，也可以用鉆孔樁法施工邊樁及中柱，并可取消下導坑，對控制地表沉降有利，但施工設備復雜，成本高，在有的地層中（例如漂石和直徑較大的砂卵石地層）鉆孔的速度慢，如果地質條件好邊樁可采用矩形挖孔樁底部擴樁的辦法，取消邊樁的下導坑和條形基礎。1、上下導坑錯開距離開挖（包括初支）；、孔樁開挖、底縱樁、中柱邊樁、頂縱梁；3、中洞上臺階開挖（包括初支）；4、左右洞上臺階開挖（包括初支）；、中洞拱部襯砌；、側洞拱部襯砌；7、樓板以上土體開挖；、樓

16、板澆砼；9、剩余部分土體開挖；、底板及底部邊墻襯砌；、站臺板澆筑。該法最大優(yōu)點是按照施工順序，可以再橫向擴大施作更大跨度結構，但因其需在兩側施作護壁樁而提高了造價，且在一個十分狹窄的小導洞內完成一系列的鋼筋、立模、澆注、吊裝等操作，作業(yè)環(huán)境惡劣。采用pba法地表沉降值比側洞法、中洞法小，因此適用于一拱兩柱等拱頂較平緩的斷面。3.中洞法中洞法在松散地層中修建地鐵車站，因其在開挖和初次支護過程中橫向影響范圍小、沉降小、安全且避免了側洞法施工時因施工誤差而造成安裝中洞拱部鋼架的困難，因此在北京地鐵多座車站被推薦采用。中洞開挖采用“crd”法，完成中洞（六部或八部）封閉后，在中洞較大空間內自下而上完成

17、基礎、立柱、中隔板、頂梁和中拱，使之在中洞內形成一個龐大的剛體頂住上部土體。用正臺階法或“crd”法完成兩側洞開挖支護和二次襯砌。在開挖側洞上臺階時，為平衡中洞拱腳向左右的推力，在兩柱頂縱梁之間設置水平拉桿。該法工序單純，中洞開挖充分利用各部分盡快封閉早成環(huán)，整體環(huán)套環(huán)特點，結構整體性好，具有廣泛使用前景。（圖13所示）1、用crd法開挖中洞（包括初期支護和施工支護）；、中洞底板底縱梁；、鋼管柱、樓板；、柱頂縱梁和中洞拱部；5、用臺階法開挖左、右洞；、左右洞底板；、左右洞部分邊墻和樓板；、左右洞其余邊墻和拱部。4.柱洞法本方法具有pba和中洞法的特點，即先挖柱洞完成中柱再開挖中洞。其它和壓力轉

18、換基原理和中洞法相洞。本方法主要用在一柱兩洞設計拱部弧度平緩，采用一般中洞法可能有大的地面沉降值使用。如圖14所示。1、臺階法開挖柱洞（包括初期支護和施工支護）；、底縱梁、中柱、頂縱梁；3、中洞上臺階開挖；、中洞拱部；5、用臺階法開挖中洞樓板以上部分；、中洞樓板；7、中洞其它部分開挖；、中洞底板；9、臺階開挖左右洞；、左右洞底板；、左右洞部分邊墻和樓板；、左右洞其余邊墻和拱部。5.分離島式車站施工方法隨著我國各大城市地鐵建設的快速發(fā)展，一種結構簡單而又不影響使用功能的車站形式，分離島式車站應運而生。為避開地鐵對城市立交橋梁樁基的影響，在選擇地鐵線路走向時，常將兩線路的線間距加大（例如北京地鐵十

19、號東三環(huán)地段地鐵的線間距為45.5m），線路的左右線分別位于地面主干線橋梁的兩側，從而把對橋梁樁基的影響降至最低。此車站由分離的兩個雙層（或單層）單洞組成，由中間橫通道將兩洞相連，單洞的一半與通道共同組成站臺，如附圖1所示。分離島式隧道一般寬度為12.5m，雙層高度15m左右。這種新穎的車站組合型式，大大化解了暗挖車站多跨結構施工風險但又不致影響車站使用功能。目前北京地鐵十號線的工體北路站、呼家樓站、國貿站等均采用分離島式車站，其施工方法的選擇大都是pba法，在距樁基較近時采用洞內施工作圍護樁固然有保護橋樁和控制地面沉降作用，但畢竟污染大，施工環(huán)境差。實際上對于分離島式車站這種單跨12m左右的

20、地下結構，可以選擇一些更簡單的施工方法，把中隔板以上部位作為一個單獨的結構來完成，采用cd法完成中隔板以上部位土體開挖，用地模兩側留槽，將邊墻防水板和鋼筋下埋回填，完成中隔板及拱部襯砌，再開挖中隔板下邊墻條形土體預留下部核心土完成邊墻襯砌，開挖核心土及施作仰拱封底。七、淺埋暗挖二十問一問：“十八字方針”是什么？“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，勤量測”的十八字方針，是在任何條件下進行淺埋暗挖施工必須遵循的原則，每三個字，都可以寫一本書。不了解、不研究、不遵循“十八字方針”，就不懂得淺埋暗挖。與此同時，還要了解淺埋暗挖中“先注漿，后開挖，注漿一段，開挖一段，封閉一段，段段推進”的警句。二

21、問：超前小導管注漿的作用是什么？超前小導管注漿的作用，一是改良工作面前方的地層在開挖工作面以外（尤其是頂部）形成厚度為0.51m的加固圈；二是超前小導管與地層形成超前支護結構，從而保證開挖工作面的穩(wěn)定，防止工作面坍塌，控制地表沉降。三問：關于地下水的問題，在地下工程施工中，“成也是水，敗也是水”的含義是什么？淺埋暗挖必須無水作業(yè)，帶水操作，必然是豆腐渣工程。十次坍塌九次與地下水有關。因此，一般情況必須事前進行地表井點降水。同時探明地質構造內有無地下水囊，從而采取相應措施，防止水囊內積水流入洞內，危及施工安全。四問：初支格柵節(jié)點螺栓，都能擰緊嗎？擰不緊怎么辦？一般來說，在地下施工環(huán)境里格柵螺栓是

22、不容易都擰緊的，一榀格柵若干個松動的節(jié)點會給工程留下無窮隱患。首先初支結構會沿著節(jié)點處留下一道縱向裂縫并不斷擴大，這是十分可怕的。因此，用與格柵主筋相同的鋼筋豎向按規(guī)范進行梆焊，是一項不可或缺的工序。五問：上半斷面臺階有多長？何時封閉成環(huán)？根據(jù)北京地質處在第四紀永定河沖洪積扇的地質條件，應以短臺階最為適宜，即臺階長度為11.5倍洞徑，以區(qū)間隧道為例。例：6m的跨度，臺階長度以69m為好。下半斷面開挖，也就初支封閉成環(huán)了。但倘若是極端的不良地質條件，收斂值大時建議在上半斷面臺階上設臨時仰拱提前封閉。須知：淺埋暗挖的十八字方針中，“快封閉”是個關鍵詞。六問：工程周邊管網(wǎng)調查清楚了嗎？有何對策？調查

23、對象應該是管網(wǎng)名稱、直徑、材質、接口、年代、流量與結構的關系。以便采取改移、導流、加固周邊土體等措施。七問：天天都量測，然而你重視分析量測成果嗎？即時采取對策嗎？每天必須審閱內拱頂和對應的地面沉降值和洞內兩側收斂值，對照預警值分析。注意周邊結構的差異沉降分析，及時采取注漿加固，縮小步距，地面注漿，修改設計等對應措施。八問：二次襯砌的保護層有何作用？迎水面的保護層也重要嗎？按規(guī)范要求確保保護層的厚度是防止結構鋼筋不被銹蝕的百年大計。常常被忽略的迎水面保護層也是同樣作用。九問：正臺階分層開挖，臺階有坡度嗎？臺階縱向必須有坡度，以確保臺階穩(wěn)定。在亞粘土地區(qū)，通常采用1：0.3，砂層應更緩些。接近90

24、o直立是不允許的，挖神仙土是絕對違章。臺階過陡土體滑落傷人屢見不鮮。十問：初支背后和二襯背后都注漿嗎？何時注漿？注什么漿液？初支背后有空洞是公認的事實，因此必須梅花形布置注漿孔注漿填充，一般注普通水泥砂漿即可，也有注水泥、白灰和粉煤灰漿液的。初支在封閉成環(huán)后，背后注漿應予跟上。二襯背后也需注漿，因為泵送二襯混凝土，收縮后拱背是平的，與初支有縫隙，需用同等級沙漿填充使之密貼。十一問：二襯導墻是怎么回事？為什么要與仰拱同時澆注？二次導墻俗稱矮邊墻，要求與仰拱連在一起不留工作縫是因為該處承受負彎矩之故，導者，引導也，是模板臺車緊靠的地方。因此，對其立模的平整度和垂直度標高都有較高要求。十二問：你在乎

25、豎井周邊堆土的荷載和動載影響嗎？豎井周邊的堆土應以不影響豎井結構安全為原則，同時要有一定安全距離，每晚及時把當日棄土裝運外卸。裝載機、載重汽車也要遠離豎井結構。十三問：開馬頭門有什么原則？淺埋暗挖施工，常見的有豎井馬頭門開挖和通道進入?yún)^(qū)間隧道的馬頭門開挖。茲舉豎井馬頭門的開挖為例：豎井馬頭門開挖在豎井井壁開挖通道的馬頭門一般采用與豎井下挖同步進行，即在豎井挖至通道拱部時，先排管注漿加固地層并按預先計算好的在豎井上下兩榀格柵之間嵌入相應的兩榀并列通道格柵作為加強環(huán)。豎井繼續(xù)下挖，通道弧形格柵繼續(xù)下接，豎井到底，通道格柵也封閉成環(huán)。值得注意的是，此時通道剛開門尚未形成一個完整的受力體系，通道繼續(xù)開

26、挖時只能通過豎井的格柵空隙“掏洞”而入，且通道的格柵和縱向連接筋必須與豎井格柵焊牢，進入馬頭門先開挖上半斷面，在鄰近豎井35m內在上臺階底用臨時橫撐加強，待上半斷面進810m后再開挖下半斷面。待下半斷面進入了5m以上（馬頭門的格柵間距一般不得大于0.5m），全部封閉成環(huán)形成一個完整受力體系，方可破除豎井橫向格柵，形成真正通道空間，如圖所示。1、馬頭門加固環(huán) 2、超前管棚 3、上半斷面開挖 4、下半斷面開挖十四問：大斷面采用crd或雙側壁導坑施工，完成初次支護后，是采用分部二襯還是使用臺車進行全斷面襯砌？如前面所述，在跨度不大，結構受力條件好，初次支護強，背后注漿效果好，經(jīng)計算和量測反饋證明拆除臨時中隔墻后能承受全部荷載，方可進行全斷面臺車襯砌。一般情況二襯都應采取分部襯砌。十五問：掌子面都需要封閉嗎？封閉掌子面是為了避免超前注漿時漿液外泄，在中、粗砂，細砂，砂礫層等可注性好地層常