试论城市地下工程浅埋暗挖技术OntheShallowU

试论城市地下工程浅埋暗挖技术刘昌用蒋中庸王梦恕【摘要】文章介绍了浅埋暗挖的技术特点，论述了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。根据城市建设的飞速发展的前景判断，城市浅埋暗挖技术具有远大的发展空间。【关键词】城市地下工程；浅埋暗挖技术；相关的配套技术；存在问题OntheShallowUrbanUndergroundMiningEngineeringTechnologyLiuChangyong,JiangZhongyong,WangMengshuAbstract:Thispaperdescribesthetechnicalcharacteristicsofshallowexcavation,discussesthesinglecross-citytunnelandsubwaystationshallowexcavationtechniquesandthemethodsofconstructionoptions,andtherelatedtechnology.Thepaperfinallypointsoutthemisunderstandingandtheexistingproblemsofshallowexcavationtechnology,aswellasthecomparisonofthistechnologywithotherconstructionmethods.Withtherapiddevelopmentofurbanconstruction,urbanshallowminingtechnologyhasgreatroomfordevelopment.Keywords:Urbanundergroundengineering,Shallowminingtechnology,Relatedtechniques,Existingproblems城市地下工程的一般特点是地面有建筑物，地下有管线路。由于城市地下工程埋深浅，地质条件差，而且有地下水，用一般的暗挖法施工开挖后容易发生坍塌，过去不得不采用明挖法施工，因此不得不面对地面建筑物拆迁、地面交通疏导、管网改移、环境污染诸多难题。1986~1987年在北京地铁复兴门折返线施工时，在开挖宽度14.5m、拱顶覆土5~9m的第四纪冲洪砂砾层中，首次成功进行浅埋暗挖施工，其成果通过了北京市和铁道部的科学成果鉴定，被正式命名为“北京浅埋暗挖技术”。该技术从城市地铁逐渐扩展到地下停车场、地下过街人行通道和城市电力、热力、排水、供水、电讯等市政建设，并在全国各大城市相继推广使用。刘昌用：（1940—）高级工程师，享受国务院特殊津贴，国家科技进步二等奖获得者。2002年以来任公司总工程师。蒋中庸：（1934—）教授级高工，毕业于唐山铁道学院。北京轨道交通建设技术顾问。王梦恕：（1938—）中国工程院院士。隧道及地下工程专家。毕业于唐山铁道学院。现任北京交通大学隧道及岩土研究所所长，北京、南京、厦门等城市地下工程专业顾问。1城市浅埋暗挖技术特点1.l浅埋地下工程的地层压力作用在地下工程上的荷载与覆盖层的厚度有关。属于浅埋地下工程，按TBJl08—92和TBl0003—200l的标准如表1所示。当h值ah时，作用在地下工程上的垂直压力为其上的土柱重。此时属超浅埋。h为深埋地下工程的垂直荷载计算土柱高度：1245.0sah式中——宽度影响系数，)5(1Bi；B——开挖宽度(m)；i——当B5m时取2.0i，B≥5m时取1.0i；S——围岩级别。不同B、S的ah值如表2所示。由表1、表2可看出，城市的地下工程绝大部分属于浅埋和超浅埋。1.2城市浅埋暗挖技术与新奥法(NATM)的比较根据新奥法指南，新奥法的核心是以维护和利用围岩的自承能力为基点，使围岩成为支护体系的组成部分。按新奥法理论，支护在与围岩共同变形中承受的是形变应力，因此要求初期支护有一定的柔度，以利于充分发挥围岩的自承能力。从前述分析可以看出，作用于浅埋地下工程上的地层压力是覆盖层的全部或部分土柱重，作用在支护上的地层压力和支护的刚、柔关系不大，从减少地表沉陷的角度出发，还要求初期支护有一定的刚度，并且没有充分考虑利用围岩的自承能力，因此浅埋暗挖技术不同于新奥法。但是，浅埋暗挖法仍然遵循了新奥法施工的部分原则指导施工，如尽量使周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；尽量减少对围岩的扰动；开挖成型好；以喷混凝土和锚杆作为主要的初期支护；初期支护和围岩密贴；用量测指导设计和施工；初期支护变形稳定后施工二次衬砌等。可以这样说浅埋暗挖施工技术仍应用了新奥法的主要原理，尽量使围岩保持稳定，不产生或少产生松动压力。1.3其它特点除上述特点外，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30mm)。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常用的单跨隧道浅埋暗挖方法2.l开挖方法选择根据开挖断面大小，选择如图1所示的开挖方法。附注：当地下水位很高或降水困难、洞内不能处于干燥状态时，12mm的跨度用台阶法施工困难，可选用CD法图1单跨隧道(洞)开挖方法2.2不同开挖方法施工顺序各种施工方法的施工顺序如图2所示。2.3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。(1)台阶长度的选择(参见图3)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=l～1.5B)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l～1.5B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3～4m。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。(2)辅助施工方法1）在开挖上台阶时，Ⅱ类围岩地段宜采用环行开挖留核心土并做锁脚锚杆，见图4。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。2.4CD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。根据日本经验，在开挖宽9m、隧道疆盖层10m时．两种施工方法效果比较见表3。由表3可看出，CRD法比CD法的地表沉陷小50％，因此推荐使用CP,D法。2.5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。3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。3.1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。3.2柱洞法如图8所示，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。3.3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(图9)。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(图10)。4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。4.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(图11)。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(图12)。图1l小导管双液注浆流程图图12长孔围岩劈裂注浆示意4.2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。4.2.1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。4.2.2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