浅埋暗挖施工

第一章 城市地下工程浅埋暗挖技术 一、概述 在城市软弱围岩地层中，在浅埋条件下修建地下工程，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅（或其他钢结构）和锚喷作为初期支护手段，遵循“新奥法”大部分原理，按照“十八字”原则（即管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测）进行隧道的设计和施工，谓之城市地下工程浅埋暗挖技术。 二、浅埋暗挖与“新奥法”（NATM） “新奥法”的核心是以维护和运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，支护在与围岩共同变形中承受的是形变应力，因此规定初期支护有一定柔度以运用和充足发挥围岩的自承能力。而作用于浅埋隧道上的地层压力是覆盖层的所有或部分土柱重，其地层压力和支护的刚柔度关系不大，从减少地表沉陷的城市规定角度出发，还规定初期支护有一定刚度。设计时并没有充足考虑运用围岩的自承能力。这正是浅埋暗挖技术与“新奥法”的不同点。 但是，浅埋暗挖技术仍然遵循了“新奥法”施工的大部分原则，如以锚喷作为初期支护手段；尽量减少围岩扰动，规定周边圆顺避免棱角突变处应力集中；初支与围岩密贴；量测信息反馈指导设计施工等。 三、浅埋暗挖技术的特点 浅埋暗挖技术从减少城市地表沉陷考虑，还必须辅之与其他配套技术，如地层加固、降水等。从工程条件出发，还必须熟悉在不同条件下的马头门开挖，断面变化地段（诸如扩大、爬高、转弯等）开挖，由明挖进入暗挖的破桩，分部开挖完毕及自下而上的二次衬砌前的“托梁换柱”以实现“力的转换”以保证安全等诸多关键技术。 浅埋暗挖的另一个特点是十分讲究施工方法的选择，特别是地铁车站多跨结构和大跨结构。一个合理的机构型式和对的的施工方法能起到事半功倍的作用。 四、常用的单跨隧道浅埋暗挖方法 1.开挖方法选择 根据开挖断面大小，在一般条件下有如图1所示的开挖方法。 单跨隧道（洞） 开挖宽<12m 开挖宽12~16m 开挖宽16~22m 台阶开挖法 CD法 CRD法 PBA法 双侧壁导坑法 图1 单跨隧道（洞）开挖方法 （注：在地质条件较差和拱部弧度较平缓时情况，10~12m断面仍宜采用CD法） 2.施工顺序 各种施工方法的施工顺序如图2所示 3.台阶法施工 台阶法是最基本、运用最广泛的施工方法，并且是实现其它施工方法的重要手段。当开挖断面较高时可进行多台阶施工，每层台阶的高度常用3.5～4.5m，或以人站立方便操作选择台阶高度。台阶长度的选择参见图3示： 长台阶（L＞5B）：长台阶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，这种方法在一般情况下不宜采用。 中台阶（L=1.5～5B）：中台阶的特点介于上台阶和短台阶之间，由于台阶有一定长度，当拱部锚杆和初期支护壁后注浆工作量大时可减少和上台阶开挖的施工干扰。由于上台阶的距离不长，喷砼和注浆设备仍可放在下台阶。 短台阶（L=1～1.5B）:在土质隧道中上台阶不必上大型设备，并且从上台阶向下台阶运土的距离短，下半断能在1～1.5B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＜B）：在满足掌子面开挖稳定规定、满足开挖下台阶时喷砼的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，上台阶大部分可运用该机进行挖、装，可以提高施工速度。 进行台阶开挖时的辅助施工方法 ①环状开挖留核心土并设锁脚锚管：开挖上台阶时，Ⅱ类围岩地段宜采用环状开挖留核心土并做锁脚锚管。上台阶开挖留核心土有助于掌子面的稳定减少地表沉陷，同时方便架设钢筋和喷砼，如图4所示。 ②下台阶除可一次开挖外，根据地质条件又可分别选用图5所示的开挖方法： 下台阶先挖核心土施工速度较快，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，并且施工方便，因此使用较广泛。 ③初次支护背后注浆：拱部部分喷砼常因重力下沉而在围岩之间产生小的裂隙，在其壁后注浆有助于减少地表下沉。 ④特殊不良地质条件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，有助于减少围岩的收敛和拱顶的下沉。 4.CD法和CRD法（中隔墙法和交叉中隔墙法） 进入20世纪80年代，日本和西欧在经历众多工法选择和权衡后，热衷于运用非掘进机方法解决浅埋软弱地层的地下工程，并在技术、经济上有所突破。 在CD法出现以前，惯用的方法除台阶法外，在断面较大和地质条件较差时，采用上半断面临时闭合法和眼镜工法。 最先采用CD法的工程是德国兰茨贝格城地下停车场和慕尼黑地铁工程以及日本的真米隧道。 最先采用CRD工法的工程是日本东叶高速线习志野台隧道和北习志野台隧道。 CD法和CRD法事实上都是左右分块、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；后者是是每层左、右开挖后再挖下层。CD法和CRD法模筑砼施工方法，是先用支承替换法施工底板，即分段拆除中壁铺设防水板和施工底板，再用支撑恢复中壁，最后分段拆除中壁和临时仰拱，由初期支护承受荷载，完毕墙、拱衬砌。 应当指出，当断面的高、宽尺寸不大（例如小于10～12m）、外形好（矢跨比大）的情况下采用CD法和CRD法时对控制地表的作用并不大。由于分块、分层多，对地层的多次扰动，对控制地表沉降反而不利。假如此时采用台阶法，把CD，CRD中隔壁和临时仰拱的数量用在台阶法初期支护加强上，不仅增长了结构的安全度，有助于减少地表沉降，并且还减少了中隔壁和临时仰拱施工和拆除的麻烦。 根据日本实验资料，在同等条件下开挖宽9m、隧道覆盖层10m时，两种方法施工效果比较如下(表1) 表1 CD、CRD法施工效果对比 施工方法 地表总沉陷(mm) 地表沉降最大化倾斜率 侧向水平位移(mm) CD 77～84 6‰ 20 CRD 26～30 2.3‰ 9 由表1可看出CRD法比CD法的地表沉陷和结构侧向水平位移小50%，因此在相同条件下推荐使用CRD法。目前我国城市地下工程以30mm控制地表沉陷，以上实验资料是重要参考因素。 CRD法是将原CD法先挖中壁一侧改为两侧交叉开挖方式，并步步封闭成环(如图6、7所示）。CRD法即交叉中隔墙法，来源于英文“Center Cross Diaphragm”。CRD法的使用十分广泛，浅埋暗挖地铁车站三拱两柱和双拱单柱结构断面，其中洞和侧洞大断面自上而下的开挖均用CRD法实现。车站风道双层大断面及风道进入车站施工的抬高段，一般也是采用CRD法。CRD法的每个步序均采用最基本的台阶法环节。 图7 CRD工法施工实例 5.PBA法 PBA 法即洞桩法，该方法的施工顺序是先在起拱线附近开挖导坑，运用导坑施工钻孔桩和桩顶纵梁，开