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地铁施工技术

2010-07-27  郁郁12

地铁施工技术

进入21世纪,我国地铁建设步入了快速发展的阶段,各大城市地铁建设项目竞相开工。    实践证明,地铁具有高效、节能、环保、运量大、速度快、安全性好、占用城市道路面积少、防空好等优点,对解决城市交通堵塞,改变城市布局,实现城市环境和交通综合治理,引导城市走可持续发展之路起到了很大的作用。地铁所到之处交通压力缓解、楼宇兴旺、土地增值。随着经济的发展,地铁必将有着越来越广阔的 发展空间。但是,地铁工程的造价也是十分昂贵的,一般在5亿元/km左右,因此国家对地铁工程建设有着严格的审批手续。

   目前,我国有10个城市正在修建地铁,包括北京、天津、上海、南京、广州、深圳等,已通车里程256km;正在规划地铁工程的城市有25个,正在深化设计的有38条线路。

   正确选择有效的地铁施工方法是地铁建设快速、安全、有效的有力保障。

   20046月在上海举办的中国隧道与地下空间发展研讨会上,国内外专家学者汇聚一堂,共同探讨地铁及地下空间建设。中国土木工程学会隧道及地下工程学会理事长、中铁隧道集团有限公司董事长郭陕云先生和中国工程院院士王梦恕先生与会并做了精彩演讲。   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。这些方法各有优缺点,有各自适合的施工条件。

1 地铁隧道施工的主要技术

    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。 1.1 浅埋暗挖法   浅埋暗挖法又称矿山法,起源于1986年北京地铁复兴门折返线工程,是中国人自己创造的适合中国国情的一种隧道修建方法。该法是在借鉴新奥法的某些理论基础上,针对中国的具体工程条件开发出来的一整套完善的地铁隧道修建理论和 操作方法。与新奥法的不同之处在于,它是适合于城市地区松散土介质围岩条件下,隧道埋深小于或等于隧道直径,以很小的地表沉降修筑隧道的技术方法。它的突出优势在于不影响城市交通,无污染、无噪声,而且适合于各种尺寸与断面形式的隧道洞室。   顾名思义,浅埋暗挖法是一项边开挖边浇注的施工 技术。其原理是:利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力,采取适当的支护措施,使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工方法,主要适用于粘性土层、砂层、砂卵层等地质。由于浅埋暗挖法省去了许多报批、拆迁、掘路等程序,现被施工单位普遍采纳。   浅埋暗挖法的核心技术被概括为 18字方针:管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。其主要的技术特点为:动态设计、动态施工的信息化施工方法,建立了一整套变位、应力监测系统;强调小导管超前支护在稳定工作面中的作用;研究、创新了劈裂注浆方法加固地层;发展了复合式衬砌技术,并开创性地设计应用了钢筋网构拱架支护。

    由于该工法在有水条件的地层中可广泛运用,加之国内丰富的劳动力资源,在北京、广州、深圳、南京等地的地铁区间隧道修建中得到推广,已成功建成许多各具特点的地铁区间隧道,而且在大跨度车站的修筑中有相当的应用。此外,该方法也广泛应用于地下车库、过街人行道和城市道路隧道等工程的修筑。 1.2 盾构法    我国应用盾构法修建隧道始于20世纪5060年代的上海。最初是用于修建城市地下排水隧道,采用的是比较老式的盾构机(如网格式、压气式、插板式等),80年代末、90年代初开始采用土压式、泥水式等现代盾构修筑地铁区间隧道。盾构法具有安全、可靠、快速、环保等优点,目前,该方法已经在我国的地铁建设中得到了迅速的发展。据不完全统计,我国各城市地铁采用的盾构机已有60多台,其中上海30台,广州20台,北京、南京、天津、深圳各4台,大多是 土压平衡盾构机型。

   随着盾构法研究的深入、工程应用的增多,盾构法施工技术以及盾构机修造配套技术也得到了发展提高:上海地铁隧道基本 全部采用盾构法修建,除区间单圆盾构外,目前正在使用双圆盾构一次施工两条平行的区间隧道,此外还试验采用了方形断面盾构修建地下通道;采用直径 11.2m的泥水盾构建成了大连路越江道路隧道,这也是目前我国最大直径的盾构机。广州地铁采用具有土压平衡、气压平衡和半土压平衡模式的新型复合式盾构机成功应用于既有软土、又有坚硬岩石以及断裂破碎带的复杂地层的地铁区间隧道修筑,大大拓展了盾构法的应用范围。深圳、南京、北京、天津等城市虽然地质、 水文条件各不相同,但采用盾构法修建区间隧道均取得了成功。  除了上述几点外,我国盾构技术的进步还表现在以下4个方面:掌握了盾构机的选型和配套技术,与外国合作设计生产盾构机,配套施工设备包括管片模具完全能够自行设计制造;掌握了盾构隧道的设计和结构计算技术以及防水技术;掌 握了盾构掘进 控制技术,如盾构掘进参数选择控制、碴土和压力管理、地表沉降控制、盾构机姿态和隧道轴线控制、管片防裂、同步注浆等,实现了信息化施工,可以确保盾构施工的安全、优质、高效和环保;掌握了不同地质条件和复杂环境条件下的施工及相关的施工技术。

   我国盾构掘进速度最高已达 到月进400m以上,平均进度一般为月进160200m,最高平均进度可达月进240m。地表沉降可控制在+10~-30mm以内,可以在距既有建、构筑物不足1m的距离安全掘进隧道,既有建、构筑物的变形量可控制在25mm以下;隧道轴线误差可控制在3050mm以内。

1.3         新奥法

    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230m2,相当于17m(14m();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。

1.4         钻爆法

   我国地域广大、地质类型多样,重庆、青岛等城市处于坚硬岩石地层中,广州地铁也有部分区段处于坚硬岩石地层中,这种地质条件下修建地铁通常采用钻爆法开挖、喷锚支护(与通常的山岭隧道相当)。

    钻爆法施工的全过程可以概括为:钻爆、装运出碴,喷锚支护,灌注衬砌,再辅以通风、排水、供电等措施。在通过不良地质地段时,常采用注浆、钢架、管棚等一系列初期支护手段。根据隧道工程地质水文条件和断面尺寸,钻爆法隧道开挖可采用各种不同的开挖方法,例如:上导坑先拱后墙法、下导坑先墙后拱法、正台阶 法、反台阶法、全断面开挖法、半断面开挖法、侧壁导坑法、CD法、CRD法等。对于爆破,有光面爆破、预裂爆破等技术。对于隧道初期支护,有锚杆、喷混凝土、挂网、钢拱架、管棚等支护方法。及时的测量和信息反馈常用来监测施工安全并验证岩石支护措施是否合理。防水基本采用截、堵、排等几种方法,其中在喷射 混凝土内表面张挂聚乙烯或聚氯乙烯板,然后再灌注二次混凝土衬砌被认为是一种效果良好的防渗漏措施。

2                   地铁车站施工方法的选择

    车站既是地铁工程亮点所在,更是一个难点问题。对于车站的施工方法而言,目前有明挖法、盖挖顺筑法、盖挖逆筑法、盖挖半逆筑法、明暗挖混合法、浅埋暗挖法。原则上优先采用明挖法,其次是盖挖法,盖挖法中应优选盖挖逆筑法、盖挖半逆筑法,最后则是浅埋暗挖法,因为该方法适用于交通要道、管线太多、不易开挖 的繁华市区。采用暗挖法施工的车站当中,柱洞法、侧洞法应用较多,而大断面施工应遵守大洞变小洞的施工原则,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(眼睛工法)进行,这样可以节约投资。

   近年来,我国也在研究采用盾构法修建地铁车站的技术,主要 集中在两种方法上,一是采用多圆断面盾构一次建成地铁车站,另一种是采用区间盾构修建地铁车站。它的优势在于可以充分、有效地利用盾构设备,提高地铁工程的建设质量、缩短建设周期,达到总体上降低工程造价的目的。

 2.1 明挖顺筑法   明挖法是目前我国地铁车站采用最多的一种修 建方法,主要有放坡明挖和维护结构内的明挖(即基坑开挖)两种方法。明挖顺筑法技术上的进步主要反映在基坑的开挖方法和维护结构上,适应于不同的土层,基坑的维护结构主要有地下连续墙、人工挖孔桩、钻孔灌注桩、SMW工法桩、工字钢桩、加木背板和钢板桩围堰等。   在基坑开挖方面,有代表性的是时空效应理论。上海地铁总结出在软弱地层中开挖、支撑和结构施工的一套方法。首先采用大口井进行基坑降水,以提高基地被动土的强度,然后,对基坑实施 分段开挖,随挖随支撑,控制坑底暴露时间(或对底板地层进行预加固),适时地浇注底板结构。同时,对基坑、周边管线和建筑进行严密监测,发现问题及时采取措施。

   在基坑维护方面的主要施工技术有3种:地下连续墙。该结构适合于饱水沙层、饱和淤泥土层等饱水软弱地层,既可以控制土压力,又可以有效地阻隔地下水,同时还可以作为车站结构的一部分。人工挖孔桩和钻孔灌注桩。这两种施工方法均是采用排桩桩墙来挡土和防水,实现基坑的维护。其中,人工挖孔桩适合于地下水位较深或无水的地层,要求地层强度较高,其断面形式不受施工机具的限制,可以作成圆形和方形,而且其施工质量和强度要高于普通 的钻孔灌注桩,但是,钻孔灌注桩具有较广的适用范围,二者不能替代。③SMW工法桩。该方法是在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其它种类的劲性材料,以增强水泥土搅拌桩抗弯、抗剪能力。用这种方法作成的基坑支护结构同时具有较好的防水功能,在610m的基坑中具备较强的技术优势,与地下连续墙相比,具有施工速度快、占地少、无污染、防水效果好和造价低廉等优点。

 2.2 盖挖逆筑法   盖挖逆筑法同样适用于地铁车站的修筑,与明挖法相比,其优势在于减少交通封堵时间,减轻施工对于环境的干扰,其区别在于主体结构的施工顺序上。

    该方法的主要施工技术措施为:支撑桩采用以H型钢为柱芯的钢管或钻孔灌注桩,满足了沉降的控制要求;采用地下连续墙低注浆的方法,增强基底持力层的 刚性,使地下连续墙与临时支撑柱共同承受上部荷载,以减小差异沉降;逆作法开挖支撑施工工艺中,利用混凝土板对地下连续墙的变形起约束作用,在暗挖过程 中采用一撑两用的合理方法,大大减少了工程量,加快了工程进度,控制了墙体位移。 3 地铁施工中的辅助工法   城市地铁施工中,辅助工法是一项必不可少的重要技术,有时甚至涉及工程的成败。采用辅助工法的主要目的是为工程主体顺利施工创造条件,或出于工程安全考虑,或为保护建、构筑物等。

   目前采用的辅助工法主要有:   1)降水(和回灌) 有井管降水、真空降水、电渗降水等,北京及北方地区多采用基坑外地面深井降水和回灌,也有采用洞内轻型井点降水;上海及南方地区则多采用基坑内井管降水,也有采用真空或电渗降水。

   2)注浆 主要用于止水或加固地层,以防坍陷沉或结构治水。注浆方式主要有软土分层注浆、小导管注浆、TSS管注浆、帷幕注浆等,注浆材料有普通水泥、超细水泥、水泥水玻璃、改性水玻璃、化学浆等。

    3)高压旋喷或搅拌加固 主要用于地层加固,如采用浅埋暗挖法或矿山法施工的隧道局部特别软弱的地层或有重要建、构筑物需要特殊保护时采用,盾构法隧道的始发和到达端头常用高压旋喷或搅拌加固,联络通道也常用此法加固地层。近年来也开发了隧道内施作的水平旋喷或搅拌加固技术。

   4)钢 管棚 用于暗挖隧道的超前加固,布置于隧道的拱部周边,常用的规格主要有:42mm直径、46m长,108/159mm2040m,前者采用风镐顶进,后者则用钻机施作。近几年来也有采用300600mm直径的钢管棚,采用定向钻或夯锤施作。管棚一般都要进行注浆,以获得更好的地层加固效果。

   5)锚索或土钉 预应力锚索主要用于基坑维护结构的稳定,以便提供较大的基坑内作业空间。

   6)冷冻法 主要用于止水和加固地层,多用在盾构隧道出发、到达端头、联络通道和区间隧道局部具流塑或流沙地层的止水与加固。

4 努力方向

   我国已有近40年的地铁修建史,尤其是近十多年来的快速发展,丰富和创新了我国地铁规划、设计、施工、管理运用、防灾救灾设备维修的技术方法及工作制度。由于我国地域广大、地质情况多样,地铁修建技术也必然极具复杂性和高难度。就目前来讲,我们已有的技术手段可以应付除西部和东北地区以外的大部分区域 的城市地铁修建任务,更为可贵的是我们已经锻炼和造就了一大批有经验的、有高度责任感的地铁建设工作者和能吃苦耐劳、有风险精神及创新智慧的设计、施工队伍。

   展望未来,为使我国地铁修建技术日臻完善,保证地铁工程质量,实现地铁的社会经济效益最大化,我国尚需在以下几个方面努力。   1) 尽快统一地铁和轻轨修建的设计、技术标准、施工技术规范和工程验收技术标准,以便使我国地铁和轻轨工程设施和设备产品规范化、系列化,对国产化也十分有利。

    2) 组织力量对地铁施工设备进行系统研制开发。国家应对研制企业单位给予政策扶持,这对地铁的施工速度、安全、质量和成本影响重大,而我国在这方面显得很落后。如盾构主机我们还不能自主生产,基本上依赖进口技术或产品,消耗大量外汇,成本昂贵,设备适应性差;再如浅埋暗挖法虽为地铁施工的主要手段之 一,但机械化程度太低,基本上靠手工操作,速度慢、工效差,最终核算成本也很高。

   3)加强地下工程施工辅助工法的研究开发和创新。在地 铁施工中,安全、质量事故往往是由于辅助工法不善而引起的。近些年,我国的地铁施工工艺工法方面,虽然维护结构工程有了较大的进步,但是,改良地层实施疏水、止水的工法起色不大,有些工法由于使用条件难以掌握,风险很大,稍有不慎易酿成大祸。目前,地铁施工队伍普遍存在着专业不专、技术不精的问题,应该在 施工资质上严格限制和要求,以利于专业队伍的组建和成长。

   4)在地下工程防水施工工艺、新材料、新技术方面加大研究的力度和进程。国产防水材料品种不多,品质不高,很难满足地铁工程的要求。地铁衬砌结构防排水的研究和开发,特别是防裂、防渗的课题日渐突出,应在材料上下功夫。

    5)强化环保意识,地铁的修建较大地改变了城市区域地层的地应力和水文地质的原始状态,尤其是水土流失会造成生态环境的改变,甚至会形成灾害隐患。国家应指定有关科研单位就地铁修建的环保问题开展工作,制定相应的工程措施,以确保城市人居条件的不断改善和地铁设施的安全运营。

 

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