86浅埋暗挖法讲课

浅谈浅埋暗挖法设计与施工肖广智2005.03提纲•浅埋暗挖法的历史•浅埋、超浅埋、深埋的确定•浅埋暗挖法的机理•浅埋暗挖法的支护及衬砌•浅埋暗挖法的施工工法•对浅埋暗挖法设计施工中几个问题的认识与建议•附：断面结构型式1.浅埋暗挖法的历史1．1浅埋暗挖法概念的提出•浅埋暗挖法的概念：新奥法（NewAustrianTunnellingMethod-NATM）是六十年代奥地利专家L.V.Rab-cewiz总结前人在隧道工程中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工新技术，它的核心是利用围岩支护隧道使围岩本身形成支承环。中国工程师在新奥法的基础上，结合中国国情，创立了浅埋暗挖法，它的特点是沿用新奥法原理分析体系，建立量测信息反馈设计和施工，同时采取超前支护和改良地层，注浆加固等配套技术来完成隧道的设计与施工。•浅埋暗挖法名称的确定：北京地铁首次采用浅埋暗挖法设计，建成了复兴门车站折返线工程。由于取得了很大的经济效益和社会效益，于1987年8月25日由北京市科委、铁道部科技司共同组织了国家级成果鉴定，与会专家和各级领导对该法进行了认真的讨论，最后否定了“软弱地层新奥法”、“中国特色新奥法”、“北京地铁浅埋暗挖法”等名称，确定采用“浅埋暗挖法”这个名称。它更能反映该方法的特点，说明该方法不仅可在北京地层中应用，而且也可以在全国类似的各种地下工程中应用。1．2浅埋暗挖法的应用及发展情况国外在70年代初开始将新奥法应用于浅埋地层的研究，到70年代末80年代初已基本形成一套完整技术并应用于城市地铁、市政工程等。目前，德国、日本、美国、法国、意大利、韩国、香港等国家和地区都有NATM法成功应用的实例。日本的城市地铁多修建在浅埋软弱地层中，过去大多采用明挖法施工，自1976年采用新奥法技术以后，就逐渐地把山岭隧道使用的新奥法技术转移到了城市地铁中来，目前用新奥法技术修建的城市地下工程越来越多，如粟山、大贯、第一原、旭丘、北四番丁等城市隧道和横滨市地铁区间及地铁车站等。德国是当今地下工程中应用新奥法技术最多的国家，他们不仅在地铁区间隧道应用，而且还在多层多线路大断面地铁车站中广泛应用，如慕尼黑、法兰克福、埃森、波鸿、纽伦堡地铁车站等，其施工技术已发展到了较高水平。国籍联邦德国联邦德国法国日本奥地利工程名称法兰克福地铁25号工区幕尼黑地铁9号区段里尔地铁一号线4工区北陆高速公路泊隧道维也那地铁U6-1工区施工年代1969-71年1975-78年1985年1983-85年1983-85年地质及水文地质条件粘土层、石灰岩和含水砂层、无水第三纪菱铁矿砂层和泥灰岩、遇水时其塑性和粘土一致粘土及砂等冲、洪积粘土第三纪流砂层、粘土层和砂卵石层、地下水位在拱顶附近埋深11-13m8-26m约15m5-15m8-20m断面形式(m)圆形直径6.68m最大跨度11.5最大高度7.5最大跨度6.8最大高度5.8最大跨度11.4最大高度8.6最大跨度8.5断面约60m2施工方法全断面台阶法施工，使用反铲挖掘机双侧导坑法，使用掘进机及反铲挖掘机和地面井点降水上下台阶分部开挖，两台掘进机，弃渣用泵输送至洞外超前侧壁导坑及分部开挖法，人工开挖环形部分反铲开挖核心土侧壁导坑法，使用掘进机及反铲挖掘机，必要时拱部插板支护。主要支护形式锚杆长3-4m，钢筋网喷厚15-18cm，钢拱架TH-48，钢筋砼内衬厚15-18cm。锚杆长3.5-5m，喷厚25cm，钢支撑TH-21或网构拱TH-21，钢筋砼内衬厚40cm钢支撑加背板，钢筋砼内衬厚50cm锚杆长4m，喷厚20cm，钢支撑H-200，衬砌60cm喷厚20cm，钢支撑钢筋砼内衬厚40cm长度420m60m1240m770m70-80m我国于70年代末80年代初开始将新奥法应用于地下工程施工，并于80年代中后期开始系统研究新奥法在浅埋软弱地层中的应用，1984年首先在大秦线军都山隧道进口黄土段研究实验成功，之后又成功地运用在北京地铁复兴门车站折返线工程，并首先在地铁复-西区间、西单车站、国家计委地下停车场、首钢地下运输廊道、城市地下热力、电力隧道、长安街地下过街通道、深圳地上过街通道等地下工程中推广应用，经过多年的不断总结、完善，这一方法已在城市地铁、市政、电力隧道、城市地下过街通道、地下停车场等工程中推广应用，并已形成一套完整的配套技术。并形成各地域各城市的特色如南京地铁软流塑地层暗挖施工工法，广州地铁含水砂层暗挖施工工法等。以北京地铁工程为实例形成的“隧道与地铁浅埋暗挖工法”已被建设部批准为国家级工法。2深埋、浅埋、超浅埋的判定目前深埋、浅埋、超浅埋的提法很多，但都不太确切，有必要进行区分，二种埋置深度隧道的设计和施工方法都有区别。通常深埋隧道荷载按塌落拱计算,可按新奥法原则设计,可利用围岩自身承载力,主要问题是隧道本身的施工安全；浅埋隧道按松散荷载计算,超浅埋隧道则按全土柱加地面动、静换算荷载计算,主要问题是控制地层位移,环境保护。目前，根据工程类比、参照国内外工程实践和理论计算，进行了一系列现场试验、模型试验和有限元电算分析，并对全国己运营隧道衬砌裂缝100多公里隧道进行了调查，结合围岩测定和坍方的调查资料进行分析，现提出深埋、浅埋、超浅埋隧道分界深度的建议值。2.1.对己建成隧道裂缝的调查分析隧道衬砌裂缝约有2/3发生在浅埋段，裂缝发生的规律是:拱腰多、拱顶少；衬砌与地层不密贴多、密贴地层少；无防水隔离层多、有防水隔离层少；先拱后墙法施工多、先墙后拱法施工少；全断面一次模筑衬砌多、全断面间隙灌注少；养护不好多、养护适当少；刚性大衬砌厚多、刚性柔衬砌薄少；按矿山法施工多、按新奥法施工少；小断面开挖施工多、大断面、全断面开挖施土少。从以上规律看出裂缝的产生与埋深的关系很大，是判断隧道合理埋深的重要考虑条件。二.分界判别标准根据隧道所处位置的特点有三种判别方法。2.2分界判别标准1.应用埋深等于坍方统计平均高度两倍的方法。因围岩变形过大时隧道上方会形成塌落拱(压力拱)，见图3——2-1。而坍方是围岩失稳破坏最直观的形式，大量统计资料证明，当埋深大于两倍塌方高度时，才能用塌落拱公式计算。塌落拱高度与围岩类别有很大关系，根据我国铁路隧道调查资料，Ⅲ级以上围岩岩体强度较高，一般未出现由于浅埋而失稳破坏的情况，因此，通常在Ⅲ～Ⅵ级围岩中才考虑浅埋隧道的设计问题，铁路隧道新奥法指南规定:当埋深大于:Ⅵ级围岩4D～6D、Ⅴ级围岩2.0D～3.0D、Ⅳ级围岩1.OD～2.OD、Ⅲ级围岩0.5～1.OD；铁路隧道设计规范规定:当埋深大于:Ⅵ级围岩35～40m、Ⅴ级围岩18～25m、Ⅳ级围岩10～l2m、Ⅲ级围岩5～6m为深埋隧道，反之为浅埋隧道。2.应用实测压力P和垂直土柱重量γH之比来确定深埋、浅埋、超浅埋的判别方法。根据国内外近50个试验段图3——2-1资料得出:当P/γH≤0.4为深埋：P/γH＞0.4～0.6为浅埋；P/γH＞0.6～1.0为超浅埋。例如北京复兴门折返线隧道，在双线隧道处应用机械式支柱压力计进行拱脚径向压力量测，得出P/YH＞0.43～0.46，按以上判式属于浅埋。见图3——2-2。3.在初期支护作用下，围岩塑性区达到地表（图3——2-3），地中围岩变形和地表下沉值相等时，即覆盖整体位移下沉时为超浅埋，荷载计算除按γH全部土柱外，还应计算地面交通冲击荷载。图3——2-2图3——2-33.1浅埋暗挖法的原理及特点新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性和岩石的三向压缩应力，应变特性以及莫尔学说基础上的，并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应提出的新理论。这一理论集中在支护结构种类、支护结构构筑时机，岩压、围岩变位这四者的关系上，贯穿在不断变更的设计施工过程中。浅埋暗挖法理论源于新奥法，但强调预支护，及时支护，控制地面沉降，保证施工和地面地下建筑物的安全，十八字方针“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”是其精髓。浅埋暗挖法机械化程度低，主要靠人工施工，机动灵活，对工程的适应性强，可作成各种结构型式，在地质情况较差的情况下要采取辅助施工措施。3.浅埋暗挖法的机理浅埋暗挖法的支护原则是：由于该法多在松软第四纪地层中修建，所以围岩自身承载能力很差，为避免对地表建筑物和地中构筑物造成破坏，地表沉降量要严格控制，为此要求一次支护刚度要大、支护要及时，从图1-1的围岩和支护的刚度曲线中可以看出，交点C（稳定点）应尽量靠近A点工作，尽量避免较大的地层损失。图1-1隧道支护特征曲线本人结合工程实践提出浅埋暗挖法应遵循的原则:1.应结合工程环境条件、隧道本身的安全综合制定地表下沉控制基准值。2.综合环保要求、施工安全、工期、造价等因素选择施工工法。3.强调采用预加固措施(超前管棚、锚杆、注浆、冷冻等)。4.隧道支护应考虑时间和空间效应。5.隧道开挖后应尽早提供具有足够刚度和早强的初期支护，以控制围岩变形。6.尽早施作仰拱、封闭成环，仰拱距工作面的距离越近越好，最大不宜大于一倍洞径。7.一般情况下二次衬砌在围岩和初期支护变形基本稳定后施作，但在采取辅助措施后，尚未满足稳定性要求的，则可提前施作二次衬砌(由于浅埋隧道荷载较明确，提前施作二衬是可能的)。8.加强监控量测及时信息反馈，及时调整支护参数。9.衬砌形式应采用复合式衬砌形式。3．2浅埋暗挖法的适用条件一是掌子面能够自稳如不能自稳创造条件自稳——冷冻、注浆加固、水平旋喷二是无水如有水则降（洞内轻型井点、地表深井）、堵（扬体区间、深圳向西路过街道、结论）、排应用范围：地域性举例：上海地铁上海地铁浦三路站浅埋暗挖出入口3.3暗挖矿山法修建广州地铁综合配套技术通过广州地铁一号线扬箕—体育西区间形成了以下技术：1软弱富水地层、地面有密集民房区的暗挖施工技术2饱和流沙层固砂堵水暗挖施工技术3浅埋暗挖上软下硬地层控制爆破技术通过二号线和三号线又形成了以下技术：1冻结法地铁区间暗挖施工技术2采用“CRD”工法施工的暗挖站台隧道施工技术3采用“CRD”工法或眼镜工法施工的渡线大断面暗挖施工技术4采用“中洞法”和“侧洞法”施工的双联拱单层暗挖车站大断面施工技术（林和西站）5采用平顶直墙“CRD”工法过暗河暗挖施工技术（番隅广场站）4.浅埋暗挖法的支护及衬砌■设计规范强制性条文：10.5.1第10条暗挖法施工的结构，应及时向其衬砌背后压注结硬性浆液，保证围岩与结构的共同作用。■需要注意的条文：初期支护应按主要承载结构设计，初期支护和二次衬砌共同承担永久荷载，应考虑在长期使用过程中外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌的转移，作用在不排水型结构上的水压力由二次衬砌承担。浅埋暗挖法支护设计特点1.工程类比是浅埋暗挖设计的主要依据，工程设计前，首先要把本段的地质条件和类似的工程地质条件以及结构形式进行充分分析对比，以便确定出本工程的预选设计方案。2.按荷载结构模式进行结构计算，其计算结果和结构实际受力情况比较接近。3.控制围岩变形是浅埋暗挖法设计施工的核心问题。4.设计和施工应紧密结合，设计应充分考虑施工措施可行性、可操作性。5.由于浅埋隧道地质条件较明确，予设计应尽量准确，对施工组织和支护结构进行大规模的变更会造成工期和工程费用的变动，应尽量避免。浅埋暗挖法支护设计方法根据有关设计规范和工程实际情况，目前浅埋暗挖法支护结构设计仍比工程类比法为主，辅以量测为手段的现场监控设计法和计算为依据的理论分析设计法。地下工程支护结构设计是一门经验性很强的学科。长期以来地下工程都是凭借经验进行设计和施工的。这些经验来自大量工程实践，有一定科学依据。此外，工程类比法本身也在不断地发展。除了日益增多的经验积累之外，还要使经验愈来愈符合理论观点和不断地使经验的处理科学化。如在经验设计法中引用各种量测数据，以及采用统计数学，模糊数学及电算工具等现代手段。5.浅埋暗挖法的施工工法5.1施工工法单跨断面：全断面法--Ⅰ、Ⅱ级围岩台阶法—跨度小于6米临时仰拱法—高度大于5米或沉降要求高“CD”工法（中隔墙法centrediagram）--跨度6-12米“CRD”工法（交叉中隔墙法crosscentredi