轻轨与地铁论文.doc

中国矿业大学力学与建筑工程学院地铁与轻轨课程报告 第 6 页 地铁工程施工技术（中国矿业大学力学与建筑工程学院交建08-3班 齐虎）摘要：随着我国城市建设的发展,隧道及地下工程,例如:地下铁道、 地下洞室、 地下商场、地下车库、地下影剧院以及高层、超高层建筑大量兴建,使我国地下工程施工技术不断发展和提高。我国地下工程施工中先后采用了明挖法、暗挖法、 盖挖法、盾构法、以及许多辅助工法等, 其施工技术的应用和研究已达到国际先进水平。本文将全面介绍这些施工技术和辅助工法。关键词： 地铁施工；明挖法； 暗挖法；盖挖法； 盾构法； 辅助工法经过近40 年的发展，我国地铁修建方法已由最初单一的明挖法发展到现在的明挖、暗挖、浅埋暗挖、矿山法、盾构法等多种方法并存，施工技术不断发展提高，已初步形成了专门的学科体系，极大地推动了地铁建设事业的快速发展。1 明挖法施工1.1 放坡开挖技术。在工程地质及水文地质条件允许的情况下,可采用放坡开挖的施工技术。边坡坡度根据地质、基坑挖深及参照当地同类土体边坡稳定值确定。基坑的开挖尺寸要保证满足结构施工的需要, 需要设排水沟、集水井的基坑, 其开挖尺寸可适当加宽。基坑应自上而下分层、分段依次开挖, 以防止掏底开挖发生事故,开挖应随挖随刷边坡。1.2 型钢支护技术。型钢支护一般是使用打桩机或沉拔桩机打入或沉入工字钢或钢板桩, 根据不同地区和地质条件设定桩距,桩间采用木背板、水泥土或钢丝网喷混凝土挡护。当基坑较深时, 可采用双排桩, 由拉杆或连梁连接共同受力。地铁施工也可采用多层钢横撑支护技术, 还可用单层或多层锚杆, 使其与型钢共同形成边坡支护体系。1.3 连续墙支护技术。连续墙支护一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽设备,也有用多头钻和切削轮式成槽设备的。槽段采用膨润土泥浆护壁, 灌注水下混凝土, 使其形成混凝土挡土墙结构。为加强支护能力,一般采用钢横撑和锚杆拉紧连续墙共同受力的方式。连续墙不仅能承受较大的荷载,同时具有隔水的作用。1.4 混凝土灌注桩支护技术。混凝土灌注桩的成孔方法有人工挖孔、机械钻孔两种。人工挖孔形状有圆形和矩形, 采取边挖边支护的方式; 机械钻机有冲击钻机、长短螺旋钻机、循环钻机和潜水钻机。根据地质和水文条件采用干法和浆液护壁法, 然后灌注普通混凝土和水下混凝土成桩,支护可采用双排桩加混凝土连梁共同作用形式,还可采用桩加横撑或锚杆形成的受力体系。1.5 土钉墙支护技术。土钉墙支护是在施工现场的原位土中用机械钻机成孔,插入排列间距较密的细长杆件, 通常还外裹水泥砂浆或注浆,并喷射混凝土, 使土体、钢筋、喷混凝土板面结合成深基坑土钉支护体系。2 暗挖法施工2.1 适用范围暗挖法是在地层下面进行施工的方法,它适用于铁路、 公路和水下隧道,也适合于城市中不能用明挖等其他方法施工的地下工程。暗挖法的优点是对人们生活干扰少, 但技术要求高,造价较高, 同时施工中存在不安全因素。2.2 浅埋暗挖施工技术浅埋暗挖法是按照新奥法的原理进行设计和施工的方法。新奥法的原理可以概括为: 保持岩石原有的性能,充分发挥岩体承载作用,采用锚喷支护控制围岩变形,根据实际情况分析确定最终支护, 支护越适时越好。最重要的是设计人员、 施工人员和监测人员互通情况, 及时采取适当的措施。其中, 最主要的是必须掌握被称为 新奥法三大支柱的锚杆支护、 喷混凝土支护和现场量测技术。然而若在实施过程由于预裂、 光爆、 锚喷技术不过硬, 监测预测不完善,就会在施工过程中出现诸如坍方、 初期支护变形等一些问题。因此,设计理论和施工实践的紧密结合是新奥法应用的关键。但在特殊情况下,要具体问题具体分析,如对粘性土用注浆法作为临时初期支护手段是难以奏效的, 必须加强超前支护。当隧洞穿越软塑、 膨胀性土层或洞顶壁应力集中和偏压过大且钢筋花拱架支护对安全不能保证时,必须及时进行衬砌,才能使岩体不致被破坏。而当遇到一些围岩为极软弱的松散体时, 只靠锚喷支护还不足以控制围岩变形, 可增加一定数量的钢拱架,以满足工程需要。当隧洞穿越坚硬岩石地层时,常采用钻爆法开挖和喷锚支护。因此,在采用 新奥法!施工中,要做到灵活应用。施工原则是管超前, 严注浆, 短开挖, 强支护, 快封闭, 勤测量。一般情况下用 30 50 mm钢管做超前棚顶导管, 然后根据不同地质条件, 注入水泥浆或其他化学浆液,填充砂层孔隙,使其形成 结石体, 以增强围岩的自稳能力。每次开挖进尺为 0 . 75m左右,先进行环状开挖, 留核心土,预喷 5 8cm混凝土, 架设拱架和钢筋网后, 再喷 25 30cm混凝土,以形成初期支护结构。初期支护完成后,施做防水层,再用模板台车做二次衬砌。在施工中坚持通过测量反馈来指导施工。浅埋暗挖法目前已在松散地层中的地铁隧道及市政热力、 电力隧洞、 地下商场和地下车库中被广泛应用。2.3 多拱多跨暗挖法施工技术我国的多拱多跨暗挖法施工技术是在西单地铁建设中产生的,地铁车站断面为三连拱形式,施工中采用 双眼镜法，施工技术,两副 眼镜并列,依次分部开挖,每个眼镜的开挖支护均错开 10 20天,使初期支护达到一定强度并形成支护闭合体后,再逐步开挖上部。拱部的初期支护就落在眼镜的支护体上, 使边洞成为强大的支护闭合体后,再做二次衬砌, 然后开挖中洞上、下部。此后, 又出现柱洞法、侧洞法!以及 桩、梁、拱!法多种暗挖施工方法,先后完成了三连拱、四连拱、五连拱的地铁车站以及公路隧道和地下商场, 在连拱部位采用了防排结合的防水设计和施工技术。2.4 平顶直墙暗挖法施工技术国际上传统的暗挖法施工中, 其顶部都是采用拱型结构。我国的技术人员在吸收盖挖法、 暗挖法和房建临时支撑多项技术的基础上, 创造出了平顶直墙超浅埋暗挖法,这种方法的特点是:采用可重复使用的临时支撑,减小开挖工作面跨度,为二次衬砌施工创造通透的空间, 实现受力转换又没有废弃工程,杜绝了浪费, 施工方法简便,能有效地控制地面沉降。目前,这种技术已在北京长安街过街道，其他人行道和地铁出入口以及地铁区间隧道施工中大量采用, 效果良好3 盾构法施工3.1 适用范围盾构法是全断面推动圆筒状钢壳 (称为盾构 )开挖隧道的方法,从盾构前部的土层进行挖掘,挖掘方式可有人工、半机械化和全机械化 (用切削大刀盘)多种形式。在盾构后部, 将钢管片或混凝土管片组装成衬砌环,结构施工时顶进盾构需要数百吨、数千吨推力,由管片衬砌承受其反作用力,液压千斤顶将盾构向前推进。目前, 盾构施工技术能保证完成几十厘米至 10多米的各种直径的地铁、铁路、公路隧道及水工隧洞的施工,还能使用双联、三联、四联盾构完成地铁车站等大型地下工程的施工。在各种地质和水文地质条件下可应用不同构造的盾构,在含水不稳定地层中更适合采用盾构施工。盾构施工安全、快速, 其施工进度约为 10 m /d,但一次购买，设备投资大。3.1 隧道掘进机施工技术。隧道掘进机也称岩石盾构,工作部分由刀盘、带滑动支撑靴及稳定作用部件的刀盘支架、主轴承、动力传动装置、主梁、支腿及出渣皮带运输机等组成。水平支撑和支腿通过液压支承在隧道壁上, 使掘进机固定;液压推力油缸把固定部分和工作部分连接起来, 提供向前移动的动力, 迫使刀盘紧贴隧道掌子面的岩石表面进行切削开挖并出渣。一般岩石强度高的隧道不加衬砌, 岩石风化的地层采用钢拱架、 钢丝网、 喷混凝土衬砌。TBM 施工月进度一般在 1 000 m 以上, 速度快, 质量好,适用于铁路、 公路隧道及水工隧洞。3.2 泥水平衡盾构施工技术。泥水平衡盾构的特点是:在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封舱中, 由有适当压力的泥浆来支撑开挖面, 并由安装在正面的大刀盘切削土体, 进土与泥水混合成泥浆后, 通过泥浆泵和管道输送到隧道外的地面, 由泥浆分离设备除掉土砂后,再通过管道把合格的泥浆送到工作面。反复循环地切割地层、推进并安装管片以形成隧道结构, 这种开挖方式适用于多种复杂的地层, 特别是地下水位较高的地层, 上海、广州都有成功案例。泥水盾构对地层扰动最小,地面沉降小, 但盾构及与其配套的泥浆制造、分离设备造价高、占地面积大。3.3 土压平衡盾构施工技术。土压平衡盾构的前端设有一个全断面大刀盘, 切削刀盘后是密封舱, 在密封舱的下部装置长筒形螺旋输送机,输送机一头设有出入口。所谓土压平衡就是刀盘切削下来的土体和泥水充满密封舱, 具有适当压力, 与开挖面保持土体的相对平衡。3.4 气压盾构施工技术穿越饱和含水地层所采用的压缩气体防漏水的盾构称为气压盾构,气压盾构要设一个闸室来保证工作面跟隧道隔断, 以确保工作面的压力。工作人员进入工作室时,要通过闸室增压或减压,管片和其他材料进出也必经闸室。气压盾构的气压, 容易对施工人员产生不良影响, 长期在这种条件下工作容易得气压病!,故应尽量减少这种方法。3.5 插刀盾构施工技术插刀盾构是根据盾构和浅埋暗挖法特点研制的人工盾构,已在北京复八线地铁区间隧道中应用。插刀盾构由插刀机架、挡土结构、推进油缸、液压泵站、电控系统、支撑和出土机构等组成, 有 21把插刀(拱部 13把, 底部 8把 )。每把插刀与推进机构的每个油压千斤顶相连,并控制伸缩,盾构推进靠插刀与土的摩擦力,盾构插刀靠共同或局部插刀推进来控制方向和坡度。出土靠人工开挖送到螺旋输送机, 盾构推进后采取浅埋暗挖法施做喷混凝土衬砌。这种盾构构造简单、经济, 比浅埋暗挖法安全, 但必须在降水条件下应用。3.6 混合盾构施工技术混合盾构是目前世界上最先进的盾构,适合于复杂多变的地层。混合盾构的特点是:在大刀盘上安装适合各种地层的多种刀具, 其在辐条上安装刀头的方法和角度的不同使之能适应不同松散的土质, 同时在大刀盘上还要安装有能粉碎大石块和岩石的圆盘式切削刀头。这种具有特殊大刀盘的盾构, 已在广州地铁工程中应用并获得成功4 盖挖法施工4.1 适用范围盖挖法的特点是: 根据不同的地质和水文地质条件, 设计以连续墙、 混凝土灌注桩做为边坡支护结构,然后施作盖板, 形成框架结构后, 在其保护下开挖土方, 并完成结构施工。盖挖法是一种快速、经济、安全的施工方法,对人们生活干扰少, 采取措施后可以做到基本不影响交通, 较暗挖法要经济。盖挖法已成为地铁车站的主要施工方法之一, 这种施工方法对周围环境影响小, 可同时向地下和地上施工,速度快, 质量好、施工安全, 在上海、北京及其他许多城市的高层建筑中已有不少成功的范例。4.2 施工技术盖挖法先施工边墙,可采用连续墙,也可采用混凝土灌注桩。混凝土灌注桩可用机械和人工成桩为提高承载能力可用扩底灌注桩或十字基础桩,利用钢管桩可以减小桩的直径。采用混凝土灌注桩时在板的位置预灌砂层, 当挖土挖到板的部位后清除砂子, 穿钢筋、 施作板桩结合部位。盖挖逆作法施工, 即在桩、盖板保护下逐层开挖土方, 施做结构,直到底层。但也有的盖挖顺做法是在桩、盖板保护下,开挖土方到底后, 打垫层做防水等, 按一般结构施工顺序施工。5 新奥法施工新奥法（NATM）是新奥地利隧道施工方法的简称, 在我国常把新奥法称为“锚喷构筑法”。采用该方法修建地下隧道时，对地面干扰小，工程投资也相对较小，已经积累了比较成熟的施工经验，工程质量也可以得到较好的保证。使用此方法进行施工时，对于岩石地层，可采用分步或全断面一次开挖，锚喷支护和锚喷支护复合衬砌，必要时可做二次衬砌；对于土质地层，一般需对地层进行加固后再开挖支护、衬砌，在有地下水的条件下必须降水后方可施工。新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程。当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站,车站位于城市道路下79m, 开挖面积230m,相当于17m宽14m高;我国自1987 年在北京地铁首次采用新奥法施工复兴门车站及折返线工程,车站跨度达26m。针对我国城市地下工程的特点和地质条件, 新奥法经过多年的完善与发展,又开发了“浅埋暗挖法” 这一新方法,与明挖法、盾构法相比较,由于它可以避免明挖法对地表的干扰性,而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道、车站、地下过街道、地下停车场等工程,如根据新奥法的基本原理,采用“群洞”方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站,断面复杂多变的折返线工程、联络线工程也多采用新奥法。在我国利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法，尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要6 辅助施工6.1 高压旋喷注浆技术高压旋喷主要用于地层加固,如:采用浅埋暗挖法和矿山法施工的隧道局部特别软弱的地层或有重要建筑物、 构筑物需要特殊保护时,通常采用高压旋喷注浆进行加固;盾构法隧道的始发和到达端头也常用高压旋喷注浆加固; 还有地铁隧道的联络通道6.2 冷冻法施工技术冷冻法施工是将施工的地层周围予以冷冻而使其形成保护层,以确保地层的稳定并起到隔水作用。这种方法可以在竖井、 隧道及其他地下工程中应用。我国主要在煤矿的竖井中应用这种方法, 已有数百个井筒用冷冻法施工, 最大深度达 500 m以上。上海地铁两个盾构隧道之间已有多处都用冷冻法修建了联络通道,延安东路隧道的盾构浦西出洞段,覆土仅 4 m,管线较多,无法拆迁, 亦采用冻结法形成保护层, 保证了管网的安全。此外,大连路越江隧道和复兴路越江隧道的江中联络通道施工均用了冷冻法,并且均取得了成功。6.3 锚杆支护技术锚杆支护是配合各种桩、墙挡土护坡的有效办法, 锚杆施工技术是采用人工倒孔或钻孔,在孔内放入钢筋或钢丝索向后在孔内注浆, 达到强度后与桩墙进行拉锚并加预应力锚固后使其共同受力。这种方法可大大减少桩的直径和墙的厚度,节约材料和资金。锚杆施工技术发展较快,出现了扩大头锚杆、可拆式锚杆、 打入式锚杆等, 为各种地质和水文地质的施工创造了条件。6.4 支撑支护技术由于城市建设的不断发展,在高层建筑物密集区已无法使用锚杆支护技术, 外加有些在软土淤泥地层中使用锚杆在技术、 经济上都不合理,从而出现了多层混凝土内支撑和钢结构内支撑的支护形式。随着土方的开挖过程,根据设计计算在不同位置上灌注混凝土内支撑体系和安装钢结构内支撑体系,与灌注桩连续形成一个框架支撑体系,使其承受侧向土压力。混凝土内支撑体系在做结构工程时需要拆除,钢结构内支撑可以重复使用。总结、不断研究和发展新的施工技术,以满足城市地下工程建设进一步发展的需要。通常在地面条件允许的情况下，地铁区间隧道宜采用明挖法，但对社会环境影响很大，仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。现在多采用盾构法和浅埋暗挖法。浅埋暗挖法是一种适合不同断面、造价偏低、灵活多变的施工方法；盾构法在较软弱、富含流砂之地、断面不变的区间应用，设备一次性投入大，但施工速度快，是今后应推广的施工方法。参考文献1 刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道M . 中国铁道出版社.2 王毅才. 隧道工程 M .北京: 人民出版社, 20023 李晓红.隧道新奥法及其测量技术 M . 北京:科学出版社, 2002- 114 陶龙光, 巴肇伦.城市地下工程 M . 北京:科学出版社, 19955 于晨昀, 白海卫. 施工降水引起单桩沉降的计标 J . 山西建筑, 2007, 6 李晓红. 隧道新奥法及其量测技术 M .北京: 科学出版社, 2002- 01