城市地铁施工方法及风险分析

1,Part 城市地铁施工方法,2,隧道支护设计理念的发展,传统矿山法：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。,新奥法：围岩既是荷载的来源，又与支护结构共同承担荷载。必须选择合理的支护时机和支护刚度对围岩坍塌进行约束。,浅埋暗挖法：通过监控量测，采用新型支护结构、多种辅助工法，指导设计和施工。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。,浅埋暗挖法思想是北京地铁暗挖施工的指导性理念,3,一. 隧道施工基本概念,4,新奥法,新奥法（New Austria Tunneling Method，简称NATM）概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。之后该方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速的发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。 我国近40年来，在许多铁路隧道修建中成功应用了新奥法，取得了较多经验，积累了大量数据，现已进入推广应用阶段（在公路部门新奥法的应用仅为50%左右）。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法，技术经济效益是明显的。,5,新奥法施工要点,基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。两大特点光面爆破与喷锚支护 光面爆破、预裂爆破技术符合隧道开挖轮廓线的设计要求，能减轻对围岩的扰动，同时还能控制超挖。施工安全，工程造价也很低，是隧道采用喷锚支护的一项基本技术，是采用喷锚支护的必备前提。 喷射混凝土支护是一种施工速度快、操作简单、可快速形成支护能力的有效手段。当地质条件发生变化时能灵活改变喷射厚度及调整喷射混凝土硬化时间，保证施工安全。喷射混凝土是新奥法施工中的三大支柱之一。 锚杆种类很多，根据不同地质条件及应用场合来选用适合的锚杆。通过一定的施工操作，将锚杆安装在遂道或地下工程围岩中，即能承受荷载、阻止围岩的变形，因而锚杆也成为新奥法施工的三大之柱之一。,6,New Austrian Tunneling Method 新奥法施工程序,7,新奥法施工的另一个主要特点是通过多种量测手段，对开挖后隧道围岩进行动态监测，并以此指导隧道支护结构的设计与施工。 可以毫不夸张地说，新奥法的推行确实引起了传统矿山法修建技术在开挖方法、施工技术乃至隧道设计思想方面的重大变革。不仅在山岭隧道中，而且在城市松软地层隧道建设中也得到广泛应用。在城市浅埋地铁施工中，由于所采用的不仅仅是锚杆和喷射混凝土，还有地层注浆、格栅、管棚等手段，即用新奥法理念来改进矿山法使之适应地铁隧道的特点。这就是当前城市地铁隧道施工中“浅埋暗挖法”的由来。 浅埋隧道的最大特点是埋深浅，施工过程中由于地层损失而引起地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此对开挖、支护、衬砌、排水、注浆等方法提出更高要求，施工难度增加。当前，浅埋地下工程的施工方法主要包括明（盖）挖法、暗挖法、盾构法等。,8,新奥法与传统矿山法的对比,采用锚喷支护的新奥法与采用钢木支护的传统矿山法相比，不仅仅是支护手段上的革新，更重要的是工程概念的不同。,9,新奥法与传统矿山法的关键异同点,相同： 均属于钻爆法。 不相同：对围岩的认识和处理上不同。,10,浅埋地下工程施工方法对比,11,城市地下工程施工方法明挖法,明挖法是先从地表面向下开挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置由下而上修筑衬砌、建造主体结构及其防水措施，最后回填土并恢复路面。 施工基本流程：打桩(护坡桩)路面开挖埋设支承围护与开挖地下结构物的施工回填拔桩恢复地面(或路面)。,东单车站明挖基坑,12,明挖法特点,明挖法关键工序：降低地下水位；边坡支护；土方开挖；结构施工；防水工程等。由于明挖施工技术具有简单、快速、经济、安全的优点，各国地下工程(包括地铁)发展的初期都将其作为首选的施工方法。明挖隧道具有埋深陷、线路短、照明和通风代价小、工程造价和营运费用低、使用效益好等优点，比较符合地质原则、效益原则、技术原则和整体最优原则，但对周围环境扰动和影响较大。 关键技术的进步主要表现在： (1)大面积的深基坑降水技术。早期深井泵被潜水泵代替，用于无砂混凝土管井降水，便于施工、减少费用。目前多级轻型井点、喷射井点降水技术在深基坑降水中已普遍应用，电渗、辐射并降水技术也在一些工程中得到应用。成孔机械设备也在不断发展。 (2)边坡支护技术发展很快，主要经历以下发展阶段：钢桩（工字钢和止水的钢板桩 ）横撑土层锚杆钢绞线锚索连续墙加锚杆土钉墙，目前我国边坡支护技术已达到国际水平。,13,明挖法,明挖法施工中的基坑可分为敞口放坡基坑和有围护结构的基坑两类，又可采用不同的维护基坑边坡稳定的技术措施和围护结构。在选择基坑类型时，应根据隧道所处位置、隧道埋深、工程地质和水文地质条件因地制宜确定。,14,敞口放坡基坑,在城市地下工程采用明挖法施工时，为了防止塌方，保证施工安全，在基坑(槽)开挖深度超过一定限度时，土壁应做成有斜率的边坡，以保证土坡的稳定。工程中常称为放坡。,15,有围护结构基坑,由于地质条件，基坑深度，周围环境的约束，敞口放坡基坑往往不能满足要求，这样就必须采取有围护结构的基坑。目前，城市隧道明挖基坑所采用的围护结构种类很多，其施工方法、工艺和所用的施工机械也各异。因此，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、地面环境条件等，特别要考虑到城市施工这一特点，经综合比较后确定。,地下连续墙施工,16,明挖法围护结构形式,17,城市地下工程施工方法盖挖法,盖挖法是“先盖后挖”，即先以临时路面或结构顶板维持地面畅通再向下施工。先用连续墙、钻孔桩等形式做围护结构和中间桩，然后做钢筋混凝土盖板，在盖板、围护墙、中间桩保护下进行土方开挖和结构施工。 盖挖法有逆作与顺作两种施工方法。所谓逆作法是指按土方开挖顺序从上层开始往下进行结构施工；而正作法则是指在土方全部开挖完成后，从底板开始做结构。 盖挖法的主要优点是安全，占地少，对居民生活干扰小，采取措施合理甚至可做到基本不影响交通，但施工速度比明挖法要低。,18,盖挖法施工顺序,盖挖顺作法,盖挖逆作法,盖挖半逆作法,19,盖挖法施工,盖挖法顶板施工,盖挖法站台层施工（逆作）,在路面交通不能长期中断的道路下修建隧道时，可采用盖挖顺作法。若开挖面较大、覆土较浅、周围沿线建筑物过于靠近，为尽量防止因开挖基坑而引起邻近建筑物的沉陷，或需及早恢复路面交通，但又缺乏定型覆盖结构，可采用盖挖逆作法施工。目前以采用盖挖逆作法居多。,20,南,北,盖挖逆作法施工应用动物园车站主体施工步序图,21,城市地下工程施工方法暗挖法,城市地下工程浅埋暗挖法是一种综合施工技术，应用岩体力学理论，对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型支护结构，采用多种辅助施工措施加固围岩，尽量利用围岩自承能力指导设计和施工；开挖后即时支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效抑制围岩过大变形。 浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理，可具体归纳为： （1）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； （2）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； （3）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； （4）采用信息化设计与施工。,22,整个工艺流程从地质调查开始，包括设计、施工、监测反馈等过程，与新奥法的总原则相似，不过更强调地层的预支护和预加固。因为浅埋地下隧道在城区施工较多，对地表沉降的控制要求比较严格。 与一般深埋隧道新奥法施工不同的是，浅埋暗挖法支护衬砌的结构刚度比较大，初期支护允许变形且比较小。这对保护周围地层的自承作用和减少对地层的扰动是必须的。,浅埋暗挖法施工工艺流程,23,浅埋暗挖法施工特点,浅埋暗挖法施工主要特点： （1）围岩变形波及地表，通常须严格控制地中及地表的沉陷变形； （2）要求刚性支护或地层改良； （3）必要时通过试验段来指导设计及施工。 浅埋暗挖法主要是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎岩层施工而提出来的。对于含水的厚层粉细砂、流塑状或软塑状淤泥质粘土层应慎重选用。关于隧道施工方法和辅助施工方法 隧道施工方法包括隧道开挖方法、支护方法和支护方案等； 辅助施工方法，可以说隧道施工的配套方案，包括地层改良方法等，如管棚、连续墙、注浆加固及基坑维护结构等，旨在保持地层结构的稳定性。,24,常用施工方法,标准区间断面常见的施工方法是正台阶法，适用于特殊地层条件或特殊断面的其他施工方法有全断面法、双侧壁导坑法（眼镜工法）、中隔墙法（CD法）、交叉中隔墙法（CRD法）。车站大断面施工常采用中洞法、侧洞法、柱洞法等，尤其适用于不同情况下的北京地铁地下车站施工。,25,暗挖法标准断面,区间标准断面,车站标准断面,26,台阶法开挖,27,28,上下两部分步开挖法,多部分步开挖留核心土,29,核心土,工字钢,临时工作平台,30,CD工法（Center Diaphragm）,31,CRD工法（Cross Diaphragm）,CRD法施工国家计委地下停车场工程,32,双侧壁导坑法,33,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%），而眼镜工法对控制地表沉降更为有利。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。,34,特大断面施工方法,(1) 中洞法施工 核心思想：变大断面为中小断面，提高施工安全度。,35,中洞法,36,(2) 柱洞法施工,(3) 侧洞法施工,37,柱洞法,38,侧洞法,39,(4) 桩柱法施工,40,暗挖法施工各种工法比较,41,城市地下工程施工方法盾构法,盾构是在有水地层、软弱不稳定围岩中修建地铁区间隧道和其它地下工程时进行开挖支护和衬砌的一种专用机械设备，盾构选型与地层条件密切相关，种类很多： 全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构 半开敞式盾构：挤压式盾构 闭胸式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构国内施工应用较多,辐条式盾构,面板式盾构,42,盾构法,管片衬砌,管片,开口面板式刀盘,辐条式刀盘,43,盾构法施工,盾构法施工：在盾构机钢壳体的保护下，依据其前部的刀盘切削土体进行掘进，并在盾构机壳体内完成出土、管片拼装以及同步注浆等作业。施工要点为:由盾构作为临时支护形成开挖工作面，根据不同地层采用不同的刀具及水土平衡方式，在盾尾处拼装衬砌管片形成支护及防渗结构，自动挖掘、传送带或管道出料，为机械化连续作业。施工进度210m/d。 优点:埋深大，纵向洞线平直；施工方法先进，机械化程度高；无需施工降水、地下水位可保持；施工进度快、作业安全、噪音小；管片精度高、衬砌质量可靠、防水性能好；特别是引起的地表沉降小、不影响城市交通、对环境几乎无不良影响。 缺点：平面布置不能保证规划路由；围岩为砂卵石，为适应地质条件需设计先进的大型设备；设备一次性使用，因工期限制，设备潜力存在较大浪费；施工工艺要求较高、断面形式变化不灵活。,44,地铁施工工法的选择与穿越的地层条件存在着重要关系，通常需综合考虑地层条件、水文地质条件、隧道埋深、场地因素、覆土厚度等因素的影响。 （1）选择明挖法施工的主要影响因素是场地、地下水及覆盖土层厚度，一般在隧道埋深较浅、施工场地相对较为开阔或仅为一般民房、绿地等时采用。 （2）浅埋暗挖法施工时的主要问题是对场地土稳定性的影响，其中地下水对施工的影响最大，对于场地土稳定性较好、地下水相对简单、且地表环境复杂的情况，一般采用浅埋暗挖法。在城市地铁施工中，浅埋暗挖法与明挖法（盖挖法）相比，具有拆迁占地少、不扰民、不干扰交通、节省大量拆迁投资等优点；与盾构法相比，具有简单易行、勿需太多专用设备、灵活多变的优点，适用不同地层、不同跨度以及多种断面形式，可节约设备投资，适合我国国情。但同时也存在缺点，如施工速度慢，施工工艺受施工队伍的技术水平限制，施工中喷射混凝土带来的粉尘较多不利于身体健康、高水位地层结构防水困难等，有待改进。 （3）在隧道埋深较深、地下水情况较复杂、且地面建筑物及构筑物多，或拟建线路位于城市主干道下的情况，宜采用盾构法施工。,