轨道交通工程施工新技术及应用

轨道交通工程施工新技术及应用主要内容第一部分：概述第二部分：各类工法的特点、适用条件及选择原则第三部分：各类工法对环境的影响与控制第四部分：工程案例第一部分概述19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪可以说是地下工程资源开发和大发展的世纪.目前我国面临着人口、环境、资源、土地、水资源及气候变暖等六大难题。地下工程是我国唾手可得的资源，并且是一项重要的绿色工程，如何安全、优质、快速、经济与环保的建成，是我们需要研究解决的问题。中国城市轨道交通60年代开始于北京地铁1号线，目前全国逾22个城市开通轨道交通，线网达91条线，总里程2677公里（不含成都成灌线）。北京：目前通车里程454.7km，2014年底正式开通后，北京轨道交通运营总里程将达到527km。上海：地铁建设发展迅猛，1990年上海开始建设地铁1号线，就目前运营里程超过北京。广州：1996年广州开始建设地铁1号线，预计到2017年，广州市的城市轨道交通通车里程超过500km。中国地铁建设规划北京上海天津广州深圳南京重庆成都武汉沈阳长春杭州西安乌鲁木齐兰州合肥昆明哈尔滨佛山台北香港大连鞍山济南青岛高雄长沙苏州城市轨道交通工程具有以下主要特点：（1）地质条件差（工程地质条件与水文地质条件）；（2）周边环境复杂；（3）结构埋深浅、与邻近结构相互影响；（4）围岩稳定性不易判断。因此，城市轨道交通工程的关键是施工技术，它是决定城市地下工程成败的关键因素。地下工程施工方法一般分类如图所示。在这些施工方法中，对以第四纪地层为主的城市轨道交通工程，以明（盖挖）法、浅埋暗挖法和盾构法使用最为广泛。新加坡地铁NichollHighway站(2004年4月)直接原因地表下30m位置的第九道钢支撑的围囹破坏引起支撑失效，进而导致地下墙围护结构倒坍由于钻孔桩间的涌水涌砂、造成了基坑被淹的事故（广州）。围护结构施工质量低劣、形成涌水涌砂的事故采用土钉墙支护的某基坑、深8m，西侧紧邻电缆沟，暴雨后大量雨水顺电缆沟渗入，使土钉墙突然垮塌近40m。各类管线对围护结构安全的影响（广州）：对于桩、墙与内支撑组成的支护结构，处于基坑外侧的管线一般不会对基坑的安全构成影响。但对于土钉及锚喷支护，基坑外侧的各类管线如果处理不好、常常是基坑安全的最大隐患。广州琶琶区间事故现场的照片长40米,宽18米,坑深6~10米,台湾高雄地铁盾构施工地表沉陷施工挖断消防栓水柱喷出深圳地铁施工地表沉降过大造成的破坏现象北京地铁5号线12标暗挖穿越北四环（干杨树车站）北京地铁10号线与奥运支线换乘站熊猫环岛站基坑坍塌北京地铁10号线京广桥附近路面坍塌（暗挖隧道）2007年3月28日，位于北京市海淀南路的地铁10号线一施工工地发生塌陷，6名施工者被埋。第二部分----各类工法的特点、适用条件及选择原则轨道交通工程通常是在城镇中修建的，其施工方法选择会受到建（构）筑物、道路、管线、城市交通、环境保护、地质条件、施工机具以及资金条件等因素影响。因此，施工方法的决定，不仅要从技术、经济、修建地区具体条件考虑，而且还要考虑施工方法对城市生活的影响。第二部分主要内容一、各工法概貌二、明（盖）挖法三、浅埋暗挖法（矿山法、新奥法、钻爆法）四、盾构、TBM与掘进机法五、辅助工法（冻结法）一、各工法概貌几种工法的比较方法明（盖）挖法盾构法暗挖法地质各种地层均可各种地层均可有水地层需特殊处理占用场地占用街道路面较大占用街道路面较小不占用街道路面断面变化适用于不同断面不适用于不同断面适用于不同断面深度浅需要一定深度需要深度比盾构小防水较易较难有一定难度地面下沉小较小较小交通影响影响很大竖井影响大不影响大地下管线需拆迁和防护不需拆迁和防护不需拆迁和防护震动噪音大小小地面拆迁大较大小水处理降水、疏干堵、降水结合堵、降或堵排结合进度拆迁干扰大，总工期较短前期工程复杂，总工期正常开工快，总工期正常造价大中小-----明挖法布置交通导行设施-----盖（铺盖）挖法盖挖法铺盖法浅埋暗挖法第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段钻爆法、新奥法盾构（TBM）法辅助工法（地层改良与加固（冻结法））一、明（盖）挖法（一）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地建造主体结构及其防水措施，最后回填土并恢复路面。明挖法是修建地铁车站的常用施工方法，具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，因此，在地面交通和环境条件允许的地方，应尽可能采用。明挖法施工基坑据周边环境条件，可以放坡开挖，也可以设置围护结构。（二）盖挖（铺盖）法施工盖挖法施工也是明挖的一种形式，主要区别在于施工方法和顺序不同：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。盖挖法具有诸多优点：围护结构变形小，能够有效控制周围土体的变形和地表沉降，有利于保护临近建筑物和构筑物；基坑底部土体稳定，隆起小，施工安全；盖挖法也存在一些缺点：盖挖法施工时，混凝土结构的水平施工缝的处理较为困难；盖挖逆作法施工时，暗挖施工难度大、费用高。盖挖法可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法及盖挖半逆作法。目前因盖挖逆作法可尽快恢复路面，对道路交通影响较小，城市中施工采用最多的是盖挖逆作法。二、浅埋暗挖法（矿山法、新奥法、钻爆法）1浅埋暗挖法1）浅埋暗挖法的基本概念浅埋暗挖法（国外多称软土隧道新奥法或浅埋隧道新奥法）是基于岩石隧道新奥法（NATM）的基本原理，针对城市地下工程的特点，于80年代在北京地铁第四纪软土中开创出的新方法。(1)浅埋暗挖法名称的确定在小导管超前支护技术、格栅拱架制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技术等基础上，在软弱地层必须快速施工的理念，突出时空效应对防塌的重要作用。并在军都山黄土隧道、北京地铁复兴门折返线、复—八线、西单车站采用浅埋暗挖技术取得了巨大的成功。1987年8月，北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会，对浅埋暗挖技术进行评价，会上确定取名为：浅埋暗挖法，适用范围：各种软弱地层的地下工程设计与施工。浅埋暗挖法又经过十几年的广泛应用，形成了一套完整的配套技术，被评为国家级工法，并正式提出“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。军都山隧道（1988）（第一次用小导管、网构钢架）北京地铁复兴门折返线（1987（国家科技进步二等奖）(2)浅埋暗挖法施工原理浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理：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；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；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；采用信息化设计与施工。第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段第一次用浅埋暗挖法建成京珠高速乌龙岭双连拱隧道2）浅埋暗挖法的量值概念（深埋、浅埋、超浅埋）（1）按荷载等效高度值＃先计算深、浅埋隧道分界深度HP（按TBJ108－92和TBJ1003－2001），然后与隧道埋深H比较，HHP浅埋；＃应用实测应力p和垂直土柱重量rH之比判别P/(rH)0.4～0.6为浅埋；P/(rH)0.6～1.0为超浅埋；＃当围岩变形和地表下沉值相等时，即覆盖层整体下沉时为超浅埋；＃覆土厚度H与隧道跨度D之比判别建议设计阶段：H/D小于等于0.4时为超浅埋。3）浅埋暗挖法的特点与明挖法、盾构法相比较，浅埋暗挖法的特点如下：（1）适用于各种地质条件和地下水条件；（2）具有适合各种断面形式（单线、双线、多线、车站等）和变化断面（过渡段、多层断面等）的高度灵活性；（3）通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效控制地表下沉和坍塌；（4）与盾构法比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；（5）与明挖法比较，可以极大地减轻对地面交通和商业活动的影响，避免大量的拆迁；（6）从综合效益观点出发，是比较经济的一种方法。浅埋暗挖法具有很多优点，但其缺点是：施工速度慢，施工工艺受施工队伍的技术水平限制等。4浅埋暗挖法的各种工法1）浅埋暗挖法的实质内涵－－18字方针（1）管超前：指采用超前导管注浆防护，实际上就是采用超前预加固支护的各种手段，提高工作面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；（2）严注浆：在超前预支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的结构体，以增强围岩的自稳能力；（3）短开挖：即限制1次进尺的长度，减少对围岩的松弛；（4）强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；（5）快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载能力；（6）勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。2)浅埋暗挖法的一般应用范围目前浅埋暗挖法已经推广到广州、深圳、北京、杭州等地特殊的流沙、淤泥、含水砂层、流塑、半流塑地层；埋深缩小到0.8m；暗挖施工的车站跨度达26m；穿越密集民房。随着建设项目的增多，还需进一步研究新的辅助工法和施工工艺，以适应各种地层条件、埋深、跨度等方面的要求。3）浅埋暗挖法施工的一般选择原则(1)根据地层情况、地面建筑物特点等四个环境（地表、地中、地层及地下水）以及机械配备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断面大或地层较差：可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好：可用全断面开挖法。(2)应重视辅助工法的选择，当地层较差、开挖面不能自稳时，采取辅助施工措施后，仍应优先采用大断面开挖法。(3)应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二衬作业的配套机具，为快速施工创造条件，设备投入量一般不少于工程造价的10%。(4)施工过程的监控量测与反馈非常重要，必须作为重要的工序。(5)工序安排要突出及时性，地层差时，应严格执行十八字方针。(6)提高职工素质，组织综合工班进行作业，以提高质量和速度。(7)应加强通风，洞内外都要处理好施工、人员、环境三者的关系。(8)应采用网络技术进行工序时间调整，进行进度、安全、机械、监测、质量、材料、环境管理。4）浅埋暗挖法的基本施工方法与比较从基本施工方法看，为有效地控制围岩松弛及由此引起的地表下沉，常采用的基本施工方法有：（1）地铁区间或小跨度隧道的基本施工方法a全断面法b正台阶法c上半断面临时封闭正台阶法d正台阶环形开挖留核心土法e导坑法，包括单导坑法和双导坑法，其中双导坑法也称为眼镜法；f中隔壁法（CD法，CRD法）。(2）地铁车站、地下商场、停车场等大跨度联拱结构的基本施工方法的施工次序为：a柱洞法等（图）；b多导坑法(侧洞法)（图）；c中洞法（图）。其中柱洞法、侧洞法应用较多，大断面施工应遵守变大洞为小洞的施工原则。开挖方法应按以下次序优选：正台阶开挖、CD法开挖、CRD法开挖、双侧壁导洞开挖（眼镜工法）进行，这样可节约投资。施工方法比较汇总施工方法适用条件沉降工期防水拆初支造价全断面法地层好，跨度8m一般最短好无低正台阶法地层较差，跨度12m一般短好无低上半断面临时封闭正台阶法地层差，跨度12m一般短好小低正台阶环形开挖法地层差，跨度12m一般短好无低单侧壁导坑正台阶法地层差，跨度14m较大较短好小低中隔壁法（CD法）地层差，跨度18m较大较短好小偏高交叉中隔壁法（CRD法）地层差，跨度20m较小长好大高双侧壁导坑法（眼镜法）小跨度，可扩成大跨大长差大高中洞法小跨度，可扩成大跨小长差大较高侧洞法小跨度，可扩成大跨大长差大高柱洞法多层多跨大长差大高盖挖逆筑法多跨小短好小低浅埋暗挖法地下工程的一般施工程序图4各种施工方法的开挖作业及问题1）全断面开挖作业（岩石隧道（钻爆法、新奥法））(1)施工顺序全断面开挖法施工操作比较简单，主要工序：使用移动式钻孔台车，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车退后50m以外的安全地点，再起爆，一次爆破成型，出碴后