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地鐵施工技術贅述
2020-03-31 08:09:35   來源:焦作新礦機械

焦作市新礦機械有限公司,是生產制造建筑隧道機械、地鐵鋼管片、聯絡通道鋼管片建筑施工機械鐵路、高鐵,地鐵隧道、工程機械的專業廠家。
進入21世紀,我國地鐵建設步入了快速發展的階段,各大城市地鐵建設項目競相開工。    實踐證明,地鐵具有高效、節能、環保、運量大、速度快、安全性好、占用城市道路面積少、防空好等優點,對解決城市交通堵塞,改變城市布局,實現城市環境和交通綜合治理,引導城市走可持續發展之路起到了很大的作用。地鐵所到之處交通壓力緩解、樓宇興旺、土地增值。隨著經濟的發展,地鐵必將有著越來越廣闊的 發展空間。但是,地鐵工程的造價也是十分昂貴的,一般在5億元/km左右,因此國家對地鐵工程建設有著嚴格的審批手續。
   目前,我國有10個城市正在修建地鐵,包括北京、天津、上海、南京、廣州、深圳等,已通車里程256km;正在規劃地鐵工程的城市有25個,正在深化設計的有38條線路。
   正確選擇有效的地鐵施工方法是地鐵建設快速、安全、有效的有力保障。
   2004年6月在上海舉辦的“中國隧道與地下空間發展研討會”上,國內外專家學者匯聚一堂,共同探討地鐵及地下空間建設。中國土木工程學會隧道及地下工程學會理事長、中鐵隧道集團有限公司董事長郭陜云先生和中國工程院院士王夢恕先生與會并做了精彩演講。   經過近40年的發展,我國地鐵修建方法已由最初單一的明挖法發展到現在的明挖、暗挖、淺埋暗挖、礦山法、盾構法等多種方法并存,施工技術不斷發展提高,已初步形成了專門的學科體系,極大地推動了地鐵建設事業的快速發展。這些方法各有優缺點,有各自適合的施工條件。
1 地鐵隧道施工的主要技術
    通常在地面條件允許的情況下,地鐵區間隧道宜采用明挖法,但對社會環境影響很大,僅適合在無人、無交通、管線較少之地應用,F在多采用盾構法和淺埋暗挖法。淺埋暗挖法是一種適合不同斷面、造價偏低、靈活多變的施工方法;盾構法在較軟弱、富含流砂之地、斷面不變的區間應用,設備一次性投入大,但施工速度 快,是今后應推廣的施工方法。 1.1 淺埋暗挖法   淺埋暗挖法又稱礦山法,起源于1986年北京地鐵復興門折返線工程,是中國人自己創造的適合中國國情的一種隧道修建方法。該法是在借鑒新奧法的某些理論基礎上,針對中國的具體工程條件開發出來的一整套完善的地鐵隧道修建理論和 操作方法。與新奧法的不同之處在于,它是適合于城市地區松散土介質圍巖條件下,隧道埋深小于或等于隧道直徑,以很小的地表沉降修筑隧道的技術方法。它的突出優勢在于不影響城市交通,無污染、無噪聲,而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。   顧名思義,淺埋暗挖法是一項邊開挖邊澆注的施工 技術。其原理是:利用土層在開挖過程中短時間的自穩能力,采取適當的支護措施,使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結構的不開槽施工方法,主要適用于粘性土層、砂層、砂卵層等地質。由于淺埋暗挖法省去了許多報批、拆遷、掘路等程序,現被施工單位普遍采納。   淺埋暗挖法的核心技術被概括為 18字方針:管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測。其主要的技術特點為:動態設計、動態施工的信息化施工方法,建立了一整套變位、應力監測系統;強調小導管超前支護在穩定工作面中的作用;研究、創新了劈裂注漿方法加固地層;發展了復合式襯砌技術,并開創性地設計應用了鋼筋網構拱架支護。
    由于該工法在有水條件的地層中可廣泛運用,加之國內豐富的勞動力資源,在北京、廣州、深圳、南京等地的地鐵區間隧道修建中得到推廣,已成功建成許多各具特點的地鐵區間隧道,而且在大跨度車站的修筑中有相當的應用。此外,該方法也廣泛應用于地下車庫、過街人行道和城市道路隧道等工程的修筑。1.2 盾構法    我國應用盾構法修建隧道始于20世紀50~60年代的上海。最初是用于修建城市地下排水隧道,采用的是比較老式的盾構機(如網格式、壓氣式、插板式等),80年代末、90年代初開始采用土壓式、泥水式等現代盾構修筑地鐵區間隧道。盾構法具有安全、可靠、快速、環保等優點,目前,該方法已經在我國的地鐵建設中得到了迅速的發展。據不完全統計,我國各城市地鐵采用的盾構機已有60多臺,其中上海30臺,廣州20臺,北京、南京、天津、深圳各4臺,大多是 土壓平衡盾構機型。
   隨著盾構法研究的深入、工程應用的增多,盾構法施工技術以及盾構機修造配套技術也得到了發展提高:上海地鐵隧道基本 全部采用盾構法修建,除區間單圓盾構外,目前正在使用雙圓盾構一次施工兩條平行的區間隧道,此外還試驗采用了方形斷面盾構修建地下通道;采用直徑 11.2m的泥水盾構建成了大連路越江道路隧道,這也是目前我國最大直徑的盾構機。廣州地鐵采用具有土壓平衡、氣壓平衡和半土壓平衡模式的新型復合式盾構機成功應用于既有軟土、又有堅硬巖石以及斷裂破碎帶的復雜地層的地鐵區間隧道修筑,大大拓展了盾構法的應用范圍。深圳、南京、北京、天津等城市雖然地質、 水文條件各不相同,但采用盾構法修建區間隧道均取得了成功! 〕松鲜鰩c外,我國盾構技術的進步還表現在以下4個方面:①掌握了盾構機的選型和配套技術,與外國合作設計生產盾構機,配套施工設備包括管片模具完全能夠自行設計制造;②掌握了盾構隧道的設計和結構計算技術以及防水技術;③掌 握了盾構掘進 控制技術,如盾構掘進參數選擇控制、碴土和壓力管理、地表沉降控制、盾構機姿態和隧道軸線控制、管片防裂、同步注漿等,實現了信息化施工,可以確保盾構施工的安全、優質、高效和環保;④掌握了不同地質條件和復雜環境條件下的施工及相關的施工技術。
   我國盾構掘進速度最高已達 到月進400m以上,平均進度一般為月進160~200m,最高平均進度可達月進240m。地表沉降可控制在+10~-30mm以內,可以在距既有建、構筑物不足1m的距離安全掘進隧道,既有建、構筑物的變形量可控制在2~5mm以下;隧道軸線誤差可控制在30~50mm以內。
1.3         新奧法
    新奧法(NATM)是新奧地利隧道施工方法的簡稱, 在我國常把新奧法稱為“錨噴構筑法”。 采用該方法修建地下隧道時,對地面干擾小,工程投資也相對 較小,已經積累了比較成熟的施工經驗,工程質量也可以得到較好的保證。使用此方法進行施工時,對于巖石地層,可采用分步或全斷面一次開挖,錨噴支護和錨噴支護復合襯砌,必要時可做二次襯砌;對于土質地層,一般需對地層進行加固后再開挖支護、襯砌,在有地下水的條件下必須降水后方可施工。新奧法廣泛應用于山 嶺隧道、城市地鐵、地下貯庫、地下廠房、礦山巷道等地下工程。
   當前,世界范圍內應用新奧法設計與施工城市地鐵工程取得了相當大的發展。 如智利的圣地亞哥新地鐵線采用新奧法施工地鐵車站,車站位于城市道路下7~9m, 開挖面積230m2,相當于17m(寬)×14m(高);我國自 1987 年在北京地鐵首次采用新奧法施工復興門車站及折返線工程,車站跨度達26m。針對我國城市地下工程的特點和地質條件, 新奧法經過多年的完善與發展,又開發了“淺埋暗挖法”這一新方法,與明挖法、盾構法相比較,由于它可以避免明挖法對地表的干擾性,而又較盾構法具有對地層較強的適應性和高度靈活 性,因此目前廣泛應用于城市地鐵區間隧道、車站、地下過街道、地下停車場等工程,如根據新奧法的基本原理,采用“群洞”方案修建的廣州地鐵二號線越秀公園 站及南京地鐵一期工程南京火車站站,斷面復雜多變的折返線工程、聯絡線工程也多采用新奧法。
在我國利用新奧法原理修建地鐵已成為一種主要施工方法,尤其在施工場地受限制、地層條件復雜多變、地下工程結構形式復雜等情況下用新奧法施工尤為重要。
1.4         鉆爆法
   我國地域廣大、地質類型多樣,重慶、青島等城市處于堅硬巖石地層中,廣州地鐵也有部分區段處于堅硬巖石地層中,這種地質條件下修建地鐵通常采用鉆爆法開挖、噴錨支護(與通常的山嶺隧道相當)。
    鉆爆法施工的全過程可以概括為:鉆爆、裝運出碴,噴錨支護,灌注襯砌,再輔以通風、排水、供電等措施。在通過不良地質地段時,常采用注漿、鋼架、管棚等一系列初期支護手段。根據隧道工程地質水文條件和斷面尺寸,鉆爆法隧道開挖可采用各種不同的開挖方法,例如:上導坑先拱后墻法、下導坑先墻后拱法、正臺階 法、反臺階法、全斷面開挖法、半斷面開挖法、側壁導坑法、CD法、CRD法等。對于爆破,有光面爆破、預裂爆破等技術。對于隧道初期支護,有錨桿、噴混凝土、掛網、鋼拱架、管棚等支護方法。及時的測量和信息反饋常用來監測施工安全并驗證巖石支護措施是否合理。防水基本采用截、堵、排等幾種方法,其中在噴射 混凝土內表面張掛聚乙烯或聚氯乙烯板,然后再灌注二次混凝土襯砌被認為是一種效果良好的防滲漏措施。
2                   地鐵車站施工方法的選擇
    車站既是地鐵工程亮點所在,更是一個難點問題。對于車站的施工方法而言,目前有明挖法、蓋挖順筑法、蓋挖逆筑法、蓋挖半逆筑法、明暗挖混合法、淺埋暗挖法。原則上優先采用明挖法,其次是蓋挖法,蓋挖法中應優選蓋挖逆筑法、蓋挖半逆筑法,最后則是淺埋暗挖法,因為該方法適用于交通要道、管線太多、不易開挖 的繁華市區。采用暗挖法施工的車站當中,柱洞法、側洞法應用較多,而大斷面施工應遵守大洞變小洞的施工原則,開挖方法應按以下次序優選:正臺階開挖、CD 法開挖、CRD法開挖、雙側壁導洞開挖(眼睛工法)進行,這樣可以節約投資。
   近年來,我國也在研究采用盾構法修建地鐵車站的技術,主要 集中在兩種方法上,一是采用多圓斷面盾構一次建成地鐵車站,另一種是采用區間盾構修建地鐵車站。它的優勢在于可以充分、有效地利用盾構設備,提高地鐵工程的建設質量、縮短建設周期,達到總體上降低工程造價的目的。
 2.1 明挖順筑法   明挖法是目前我國地鐵車站采用最多的一種修 建方法,主要有放坡明挖和維護結構內的明挖(即基坑開挖)兩種方法。明挖順筑法技術上的進步主要反映在基坑的開挖方法和維護結構上,適應于不同的土層,基坑的維護結構主要有地下連續墻、人工挖孔樁、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、工字鋼樁、加木背板和鋼板樁圍堰等。   在基坑開挖方面,有代表性的是時空效應理論。上海地鐵總結出在軟弱地層中開挖、支撐和結構施工的一套方法。首先采用大口井進行基坑降水,以提高基地被動土的強度,然后,對基坑實施 分段開挖,隨挖隨支撐,控制坑底暴露時間(或對底板地層進行預加固),適時地澆注底板結構。同時,對基坑、周邊管線和建筑進行嚴密監測,發現問題及時采取措施。
   在基坑維護方面的主要施工技術有3種:①地下連續墻。該結構適合于飽水沙層、飽和淤泥土層等飽水軟弱地層,既可以控制土壓力,又可以有效地阻隔地下水,同時還可以作為車站結構的一部分。②人工挖孔樁和鉆孔灌注樁。這兩種施工方法均是采用排樁樁墻來擋土和防水,實現基坑的維護。其中,人工挖孔樁適合于地下水位較深或無水的地層,要求地層強度較高,其斷面形式不受施工機具的限制,可以作成圓形和方形,而且其施工質量和強度要高于普通 的鉆孔灌注樁,但是,鉆孔灌注樁具有較廣的適用范圍,二者不能替代。③SMW工法樁。該方法是在水泥土攪拌樁內插入H型鋼或其它種類的勁性材料,以增強水泥土攪拌樁抗彎、抗剪能力。用這種方法作成的基坑支護結構同時具有較好的防水功能,在6~10m的基坑中具備較強的技術優勢,與地下連續墻相比,具有施工速度快、占地少、無污染、防水效果好和造價低廉等優點。
 2.2 蓋挖逆筑法   蓋挖逆筑法同樣適用于地鐵車站的修筑,與明挖法相比,其優勢在于減少交通封堵時間,減輕施工對于環境的干擾,其區別在于主體結構的施工順序上。
    該方法的主要施工技術措施為:①支撐樁采用以H型鋼為柱芯的鋼管或鉆孔灌注樁,滿足了沉降的控制要求;②采用地下連續墻低注漿的方法,增強基底持力層的 剛性,使地下連續墻與臨時支撐柱共同承受上部荷載,以減小差異沉降;③逆作法開挖支撐施工工藝中,利用混凝土板對地下連續墻的變形起約束作用,在暗挖過程 中采用一撐兩用的合理方法,大大減少了工程量,加快了工程進度,控制了墻體位移。 3 地鐵施工中的輔助工法   城市地鐵施工中,輔助工法是一項必不可少的重要技術,有時甚至涉及工程的成敗。采用輔助工法的主要目的是為工程主體順利施工創造條件,或出于工程安全考慮,或為保護建、構筑物等。
   目前采用的輔助工法主要有:   1)降水(和回灌) 有井管降水、真空降水、電滲降水等,北京及北方地區多采用基坑外地面深井降水和回灌,也有采用洞內輕型井點降水;上海及南方地區則多采用基坑內井管降水,也有采用真空或電滲降水。
   2)注漿 主要用于止水或加固地層,以防坍陷沉或結構治水。注漿方式主要有軟土分層注漿、小導管注漿、TSS管注漿、帷幕注漿等,注漿材料有普通水泥、超細水泥、水泥水玻璃、改性水玻璃、化學漿等。
    3)高壓旋噴或攪拌加固 主要用于地層加固,如采用淺埋暗挖法或礦山法施工的隧道局部特別軟弱的地層或有重要建、構筑物需要特殊保護時采用,盾構法隧道的始發和到達端頭常用高壓旋噴或攪拌加固,聯絡通道也常用此法加固地層。近年來也開發了隧道內施作的水平旋噴或攪拌加固技術。
   4)鋼 管棚 用于暗挖隧道的超前加固,布置于隧道的拱部周邊,常用的規格主要有:42mm直徑、4~6m長,108/159mm、20~40m,前者采用風鎬頂進,后者則用鉆機施作。近幾年來也有采用300~600mm直徑的鋼管棚,采用定向鉆或夯錘施作。管棚一般都要進行注漿,以獲得更好的地層加固效果。
   5)錨索或土釘 預應力錨索主要用于基坑維護結構的穩定,以便提供較大的基坑內作業空間。
   6)冷凍法 主要用于止水和加固地層,多用在盾構隧道出發、到達端頭、聯絡通道和區間隧道局部具流塑或流沙地層的止水與加固。
4 努力方向
   我國已有近40年的地鐵修建史,尤其是近十多年來的快速發展,豐富和創新了我國地鐵規劃、設計、施工、管理運用、防災救災設備維修的技術方法及工作制度。由于我國地域廣大、地質情況多樣,地鐵修建技術也必然極具復雜性和高難度。就目前來講,我們已有的技術手段可以應付除西部和東北地區以外的大部分區域 的城市地鐵修建任務,更為可貴的是我們已經鍛煉和造就了一大批有經驗的、有高度責任感的地鐵建設工作者和能吃苦耐勞、有風險精神及創新智慧的設計、施工隊伍。
   展望未來,為使我國地鐵修建技術日臻完善,保證地鐵工程質量,實現地鐵的社會經濟效益最大化,我國尚需在以下幾個方面努力。   1) 盡快統一地鐵和輕軌修建的設計、技術標準、施工技術規范和工程驗收技術標準,以便使我國地鐵和輕軌工程設施和設備產品規范化、系列化,對國產化也十分有利。
    2) 組織力量對地鐵施工設備進行系統研制開發。國家應對研制企業單位給予政策扶持,這對地鐵的施工速度、安全、質量和成本影響重大,而我國在這方面顯得很落后。如盾構主機我們還不能自主生產,基本上依賴進口技術或產品,消耗大量外匯,成本昂貴,設備適應性差;再如淺埋暗挖法雖為地鐵施工的主要手段之 一,但機械化程度太低,基本上靠手工操作,速度慢、工效差,最終核算成本也很高。
   3)加強地下工程施工輔助工法的研究開發和創新。在地 鐵施工中,安全、質量事故往往是由于輔助工法不善而引起的。近些年,我國的地鐵施工工藝工法方面,雖然維護結構工程有了較大的進步,但是,改良地層實施疏水、止水的工法起色不大,有些工法由于使用條件難以掌握,風險很大,稍有不慎易釀成大禍。目前,地鐵施工隊伍普遍存在著專業不專、技術不精的問題,應該在 施工資質上嚴格限制和要求,以利于專業隊伍的組建和成長。
   4)在地下工程防水施工工藝、新材料、新技術方面加大研究的力度和進程。國產防水材料品種不多,品質不高,很難滿足地鐵工程的要求。地鐵襯砌結構防排水的研究和開發,特別是防裂、防滲的課題日漸突出,應在材料上下功夫。
    5)強化環保意識,地鐵的修建較大地改變了城市區域地層的地應力和水文地質的原始狀態,尤其是水土流失會造成生態環境的改變,甚至會形成災害隱患。國家應指定有關科研單位就地鐵修建的環保問題開展工作,制定相應的工程措施,以確保城市人居條件的不斷改善和地鐵設施的安全運營。

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