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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（NewAustrianunnelingMethod）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，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L．v．Rabcewicz等人总结出了新奥地利隧洞施工法，英文全名为NewAustrianTunnelingMethod，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。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，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30％～50％。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（PipeRoof）或称伞拱法，是地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0.6～1.0m。采用3块6步的CRD工法开挖,Φ32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1.0～1.6m。地表以下4～13m分布有淤泥层(厚度7.8～8.9m,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1.26～1.34m,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、洞室周围土体进行预注浆,采用CRD工法分室分层开挖,Φ108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11.512m×4.68m,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,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Φ108大管棚辅以小导管超前注浆进行超前支护,在Φ159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l0～45m，当采用分段连接时，选用长4～6m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80～500mm，钢管中心间距100～550mm。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0.5～1.0m。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20mm～30mm，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1～2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4～8h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4～6m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20～22mm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15～25cm，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35～45cm，每次施工衬砌长度6～12m，可用模板台车施工，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1～0.8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