（岩土工程专业论文）新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化.pdf

北京建筑工程学院硕士研究生学位论文 摘要 随着我国城市化进程的加快，为解决城市公共交通问题，地铁工程蓬勃发展。在繁华城市修建地铁 隧道工程，施工不可避免要近接或穿越地上或地下建( 构) 筑物，与此同时也涌现出大量的岩土工程和 施工技术问题需要解决。施工引起的地表沉降可能危及地上和地下建筑等的安全，造成严重的经济损失 甚至人员伤亡，引起不良的社会影响。因此在施工过程中，如何防止塌方，如何可靠地预计并有效地控 制施工所引起的地表沉降，从而保护工程沿线地上建筑和地下建筑的安全，已成为城市地铁工程建设中 必须解决的一个重要现实课题。 从我国目前的工程实践和学术研究来看，在地下工程开挖对近接建( 构) 筑物的损害及防治对策方 面，目前尚没有一个完整的地铁开挖引发的建筑损害评价标准，相关的学术性研究也较少。一般的做法 是给定一个沉降值极限，认为不超过该极限即可。例如，在北京和深圳等城市，一般规定地下工程开挖 造成的地表沉降上限值为3 0 m m ，地表隆起值控制在1 0 m m 内。但是这个值是根据经验制订出来的，没 有系统的理论研究根据。即便是在3 0 m m 的范围内，不同的结构就有不同的力学响应，损害程度也是 不一样的，对有的隧道工程可能过于保守，对有的隧道工程却是不安全的。因此根据这个标准来对建( 构) 筑物采取的加固措施不一定就是适当的，在技术经济上可能是不合理的。 本论文正是基于导师的“地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题，结合北京站至北京西站地下 直径线大断面、高水位和软弱围岩隧道工程的实际施工情况，对该阎题进行了较为深入的研究和探讨， 从地面沉降、洞顶和洞底沉降、洞侧水平变形、邻近既有建筑物沉降、既有线沉降、地f 管线沉降六个 方面对地表沉降变形等进行分类细化研究，更针对性地提出沉降控制值，为以后此类工程提供工程类比 经验，使此类施工控制更加适用、安全、经济。首先根据直径线工程实际采用的双侧壁导坑法，建立与 其施工步序相应的数值模拟模型，然后用试验段现场监测数据得出的地面沉降曲线、洞项沉降变形收敛 曲线、洞侧水平变形收敛曲线和既有建筑物沉降曲线验证数值模型，通过调整数值模型岩土和结构网格 单元参数耦合上述现场监测数据曲线，模拟出工程现场围岩的近似二维和真三维初始状态，在此基础上 平面模拟双侧壁导坑法、洞桩法、c r d 法、c d 法、单侧壁导坑法和台阶法3 5 种结构断面形式1 2 6 种 施工步序，分析其变形趋势初步得出施 优化的双侧壁导坑法、洞桩法、c r d 法对沉降控制有利，由 此三维模拟这三种典型工法对沉降变形细化分类控制作进一步研究，最后综合上述分析得出施工优化方 案为洞桩法，并相，藏提出各种细化分类控制指标。 “地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题需要大量工程类比案例支持。随着我国地铁隧道工程 大规模建设，地下近接工程的案例将会越来越多且越来越复杂，其研究町谓方兴未艾，希望能够抛砖引 玉深入此类问题的研究，本着继承与发展的原则将我国地f 空间资源的利用和地f 工程的发展引入可持 续发展的道路。 关键词：地铁工程；近接施工：施工优化；沉降分类；细化控制 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化 地下工程施工技术研究 6 北京建筑工程学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w 弛t h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o np 1 _ o c e $ $ i nc h 斌咖e n g i 删a gh a sd e v e l o p e dv i g o r o u s l yi n o r d e rt od e a lw i t h 妇p i l b l i c 也m 卿i 豁l 砖m o r ea n dm o s u b w a yu m n e l i n gp r o j e c t sa r eb u i l ti n f l o u r i s h i n ga n db u s t l i n gc i t i e s , w h o f 汜c o n s t r u c t i o ni sa d j a c e n tt o o f u n d e r c r o s s i n gt o w a r d su 把v i t a b l y o v e r g r o u n do ru n d e r g r o 眦ds 订u c t i l 懈a n db u i l d i n g s a n dm e a n w h i l et h e r ei sag r e a td e a lo fp r o b l e mo n g e o t e c h n i c a l 既喀i n 髓咖ga n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u et os p 血gu p g r o u n ds u r f a c es u b s i d e n c ei n d u c e db yt h e e x c a v a t i o no ft h et u n n e l i n gm a ye n d a n g e rt h es a f e t yo fo v e r g r o u n da n du n d e r g r o u n ds t r u c t t u e sa n db u i l d i n g s ， w h i c hg i v e sr i s et og r a v el o s s e so fe c o n o m ya n de v e nc a l a m i t i e so fi n j u r i e sa n dd e a t h s ，a n dt h e nw h a tl e a d su p t oi sb a ds o c i a li n f l u e n c e a sar e s u l t , d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s s ，i t sa ni m p o r t a n tr e a l i s t i ci s s u eh o wt o k e e po f fl a n d s l i d ea n dg r o u ds u r f a c es e t t l e m e n ti n d u c e db yt u n n e l i n gi sf o r e c a s t e dr e l i a b l ya n dc o n t r o l l e d e f f e c t i v e l ys oa st oe n d u r et h es a f e t yo fs u p e r s t r u c t u r e sa n ds u b s m m t u r e sa l o n gt h ep r o j e c tl i n e ，w h i c hm u s tb e s o l v e di nt h eu r b a nm t rc o n s t r u c t i o n s e e nf r o mc u r r e n te n g i n e e r i n gp r a c t i c e sa n ds c h o l a r l yr e s e a r c h e si nc h i n a , i nt h ea s p e c t so nd a m a g e sa n d t h e i rc o u n t e r m e a s u r e so fa p p r o a c h i n gs l r u c t u r e sa n db u i l d i n g sp r o d u c e db yt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g e x c a v a t i o n , a tp r e s e n th o w e v e rt h e r ei s n tac o m p l e t ee v a l u a t i o nc r i t e r i o na b o u to 翻旺翻飘l c td a m a g e sa r o u s e db y m t re x c a v a t i o na n dr e l e v a n ta c a d e m i cr e s e r c h e sa l ea l s ol e s s g e n e r a ls o l u t i o ni st os u p p l yw i t has e t t l e m e n t l i m i tv a l u e i t ss a i dt h a tn o tt oe x c e e d i n gt h i sl i m i ti sw o r k a b l e f o re x a m p l e s u c ha sb e i j i n ga n ds h e n z h e n c i t i e s ，g e n e r a l l ys t i p u l a t i n gt h eu p p e rl i m i to ft h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t c o n t r o l sw i t h i n3 0 m ma n dt h e l o w e rl i m i to f t h es i l r f 2 w ：eu p h e a v a ll i m i ti sw i t h i n1 0 m m h o w e v e r , t h e s ev a l u e sa 他b a s e do ne x p e r i e n c e s a n d i 协w o r k i n go u th a sn o ts y s t e m a t i c a lt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n gb a s e e v e ni fw i t h i nt h er a n g eo f3 0 r a m , d i f f e r e n t s t r u c t u r e sh a v ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lr e s l x m s e 蝴e sa n dd i f f e r e n td a m a g ed e g r e e st o o t os o t l 圮t u n n e l i n g w o r k s , i tm a yb eo v e r c o n v e r s a t i v eb u tt oa n o t h e ri sn o ts a f e t h e r e f o r e t a k i n gr e i n f o r c e m e n tr l c a s u r c st o a d j a c e n tb u i l d i n g sa n ds t r u c t u r e sa c c o r d i n gt ot h i sc r i t e r i o ni sn o ta l w a y sa p p r o p r i a t ea n dm a y b en o t r e a s o n a b l ei ne n g i n e e r i n ge c o n o m i c s t h cp a p e rv e r yb a s e do nt u t o r st a s ko ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g u n d e r c r o s s i n ge x i s t i n gt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e sa n dc o m b i n e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o nr e a l i t ys i t u a t i o no f b e i j i n gu n d e r g r o u n dd i a m e t r i c a ll i n et u n n e l i n g w h i c hi sl a r g ec r o s s s e c t i o ni nh i g h - w a t e r - l e v e la n ds o f tw a l l r o c k f r o mb e i j i n gr a i l w a ys t a t i o nt ob e i j i n gw e s tr a i l w a ys t a t i o n i ns i xa s p e c t s ，s u c h 嬲t h es e t t l e m e n t so fe a r t h 鼠a - f a c e , t u n n e lr o o fa n df l o o r , c l o s e - t oe x i s t i n gb u i l d i n g sa n ds u b w a yl i n ea n du n d e r g r o u n dp i p e l i n ea n dt h e l e v e ld e f o r m a t i o no ft u n n e ls i d e s ，t h i sp a p e rg o e so v e ra n dt a l k so v e rm o r ed e e p g o i n g l yo na b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m s ，c l a s s i f i e st h es t u d i e so fg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ti nd e t a i l sa n dp u t sf o r w a r dr a f tf o u n d a t i o ns t r 懿$ m o r ep o i n t e d l y h e n c ei tc a np r o v i d e 谢me n g i n e e r i n ga n a l o g yr e f e r e n c ee v i d e n c ef o rt h i sk i n do f w o r k ss oa s t om a k es u c hc o n s t r u c t i o nc o n t r o lm o r ea p p l i c a b l e ，s e c u r ea n de c o n o m i c f i s to fa l l ，i nl i n ew i t hr e a l l ya d o p t e d d o u b l es i d ed r i f tm e t h o di nd i a m e t r i c a ll i n ee n g i n e e r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l sa l ep r e s e n t e dt om a t c h w i t hi t sc o n s t r u c t i o nw a y s a n dt h e n , t h es e a l i n gc l l f v eo fg r o u n ds u r f a c ea n de x i s t i n gb u i l d i n g s ，t h es e t t l i n g c o n v e r g e n tc u r v eo f t u n n e lr o o f a n dt h el e v e lc o n v e r g e n tc u r v eo b t a i n e df r o mf i e l dm o n i t o r i n gd a t aa r ep u ti n t o u s ei nt e s t i n ga n dv e r i f y i n gt h en u m e r i c a lm o d e l su n t i lt h e yc o u p l ew i t ht h ea b o v em o n i t o r i n gd a t ac u r v eb y m e a n so fa d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fr o c ka n ds o i ls o l i de l e m e n t sa n ds t r u c t u r eg r i dc e l l si nm o d e l i n g a sa c o n s e q u e n c e ，t h ea p p r o x i m a t et w o - d i m e n s i o n a li n i t i a ls t a t eo rt h et r u et h r e e - d i m e n s i o n a lo fc o u n t r yr o c ka t 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程施工技术研究7 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gs i t ea r es i m u l a t e da n dp r e s e n t e d o nt h a tb a s i s , 3 5f o r m so fs t m c t m e 黜t i o na d d e dl l pt o1 2 6 k i n d so fc o n s m 戚o nw a y sf o rb o t hs i d eh e a d i n gm e t h o d , c a v e r n - p i l em e t h o d , c r dm e t h o d , c dm e t h o d , s i n g ks i d ed r i f tm e t h o da n db e n c hm e t h o d 躺s i m u l a l c di np l a n e a n a l y z 啦t h e i rd e f o r m a t i o nt e n d e n c yo ft h e m o i l i n ga h o y c , i t 加蚰。do u t 砒f i r s ts 唧t h a t 吣优蚓晌硎d o u b l es i d e 出i nm e t h o l d h o l e - p i l em e t h o da n d c r dm e t h o da l eb e n e f i c i a lt os e t t l e m e n tc o e t r o l l i n g 硼b e l e 0 哦3 ds i m u l a t i n gt h ea b o v et h r e et y p i c a lm e t h o d s i st of u r t h e rs t u d yd e t a i l e dc l a s s i f i c a t i o nc o n t r o lo fs e t t l e m e n td e f o r m a t i o n s f i n a l l yc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z i n gt h o s ec a s e sa b o v e ，i t 伽蜘燃钿c o n c l u s i o nt h a tt h e 啦l 打戳：曲no p t i m u mp l q 0 s a li sc a v e r n - p i l e m e t h o da n dd e t a i l e dc l a s s i f i c a t i o nc o n t r o li n d e x e sa r ep r o p o s e dc c 酊璐弘m d i n g 甄 t h e p r o j e c to ft e c h n i c a lr 烈l i l ：眠棚舢晒o nu n d e r g r o t m de n g i n e e r i n gu n d e r c r o s s i n ge x i s t i n g t r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e sc a n sf o rag r e a tn u m b e ro fe n g i n e e r i n ga n a l o g yc a s s w i t hn 瓷舡dt u n n e l i n g e n g i n e e r i n gc o n s t m c t e d i nl a r g es c a l ei no u gc o u n t r y , t h e r ew i l lb em o r ea n dl l t o f ea n dc o m p l e xm o r ec a s e so f u n d e r g r o u n da d j a c e n te n g i n e e r i n g s ，s oo l l em a yw e l ls a yt h e i rr e s e a r c hi si nt h ea s c e n d a n t i th o p e st ot h r o wa m i n n o wt oc a t c haw h a l es ot h a ts c h o l a r sc a l lg od e e pi n t or e s e a r c hs u c hp r o b l e m si nt h ef h t u r e ，d r a w i n go u r c o u n l r y su t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c er s o u r c 髂a n dd e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n de n o n e e r m gi n t ot h e w a yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fi n h e r i t a n c ea n dd e v e l o p m e n t k e y w o r d st u n n e l i n ge n g i n e e r i n g ；a p p r o a c h i n gc o n s t r u c t i o n ；o p t i c o n s t r u c t i o n ； s e t t l e m e n tc l a s s i f i c a t i o n ；d e t a i l e dc o n 仃o h n g 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化 地下工程施工技术研究8 授权书 本人同意将所著硕士学位论文 新建地铁 基于沉降控制的近接施工工法优化 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北 塞建篁王猩堂院婴塞生处行使。上述授权的范围包括：j 壁塞建筮 王猩堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j 垦塞建篁王猩堂瞳须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期年。 敝储：廖俊喁黼 ( 签章) 2 0 1 0 年3 月1 5 日 作者联系方式： 地址：北京市西城区展览馆路1 号邮编：1 0 0 0 4 4 电话：1 5 1 2 0 0 1 5 8 7 9 传真： 手机：1 3 4 8 8 7 5 2 2 5 7 电子信箱：1 9 h 0 2 4 1 0 8 1 6 3 t o m 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：廖俊海 谚黼 日期：2 0 1 0 年3 月1 5 日 北京建筑工程学院硕上研究生学位论文 1 1 课题背景及意义 1 1 1 选题背景 第一章绪论 随着我国城市化进程的加快，为解决城市公共交通问题，地铁工程蓬勃发展。在繁华城市修建地铁 隧道工程，施工不可避免要近接或穿越地上或地下建( 构) 筑物，与此同时也涌现出大量的岩土工程和 施工技术问题需要解决。地铁施上隧道开挖将不可避免扰动地下岩土体，破坏其既有平衡状态，继而引 起地表沉降和变形，地表沉降达一定程度，将影响周围既有地下及地面建( 构) 筑物的安全和正常使用， 造成严重的经济损失甚至人员伤亡，引起不良的社会影响，所以隧道开挖引起地面沉降以及由此对周围 既有建( 构) 筑物安全性和稳定性的影响研究引起世界各国建筑及岩土工程界广泛关注。特别是城市地 下工程施工引起的地表沉降可能危及周边建( 构) 筑物和近接地下既有管线的安全，造成严重的经济损 失和社会影响。 因此，地铁开挖引起的危害及评价受到了国内外工程界与学术界的关注，如何在设计和施工中确定 一些参数( 如围岩力学参数、支护结构参数等) ，可靠地预测和有效地抑制施工引起的过大地层位移或 沉降，以及在施工中如何防止坍塌，确保工程沿线周边建( 构) 筑物和地下管线的安全，已成为城市地 铁及其他地下工程建设中必须解决的一项重要课题。目前普遍的作法是根据经验给定一个地表沉降上限 值和地表隆起控制值，认为不超过该极限即可。但是不同的结构有不同的力学响应，损害程度也是不一 样的，根据这个笼统标准来对建( 构) 筑物的加固措施不一定就是适当的，在技术经济上可能是不合理 的，所以很有必要对地表沉降变形等进行分类细化研究，更针对性地提出沉降控制值，为以后此类工程 提供工程类比经验，使此类施工控制更加适用、安全、经济。 1 1 2 研究意义 本论文正是基于“地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题，结合北京站至北京西站地下直径线 工程施工，对城市地铁近接或穿越施工问题进行了较为深入的研究和探讨，从地面沉降、洞顶和洞底沉 降、洞侧水平变形、邻近既有建筑物沉降、既有线沉降、地下管线沉降六个方面对地表沉降变形等进行 分类细化研究，更针对性地提出沉降控制值，为以后此类工程提供工程类比经验，使此类施工控制更加 适用、安全、经济。根据国内外文献资料，就隧道开挖引起地表沉降及由此对近接既有工程安全性的影 响的研究历史及现状进行了分析，总结了此方面的经验与不足。简要论述了存在的问题和今后的研究方 向，并提出进一步需要研究的问题。若地层条件很差，可通过注浆加固来减少地面变形，若地面变形容 许值很小时。要投入的注浆昔和造价是很高的。如何确定合理而经济的地面变形控制值，这个问题一直 困扰着工程界。只有通过大量的量测数据和上程实践，对不同类型建筑物、不同位置分别加以确定。各 种不同的管线也应有不同的沉降要求，若各种管线均处于不同的地下共同管廊中，沉降问题就很好处理。 “地下工程穿越既有交通设施技术要求”课题需要大量工程类比案例支持，随着我国地铁隧道工程 大规模建设，地下近接工程的案例将会越来越多且越来越复杂，其研究可谓方兴未艾，希望能够抛砖引 玉深入研究此类问题，本着继承与发展的原则将我国地下空间资源的利用和地下工程的发展引入可持续 发展的道路。 1 2 地铁工程的施工工法 由于地铁工程般位于建筑物密集的地区，因此施工工法的主要技术难点在于对隧道周围原状土体 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程施工技术研究9 第一章绪论 的保护，防止地表沉降，减少对既有建( 构) 筑物的影响。而地面变形一般取决于地基类型、施工工法 和辅助工法等。地基类型影响施工工法，而广义的施工工法包括了辅助工法。另外从影响地面变形的各 个方面的因素看，都可归结为与施工工法相互影响，相互联系，或者说它们影响了施工工法的选择。还 有从近接施工的变形看，施工工法或者施i t 顺序对近接施工带来的沉降变形影响很大。所以，从一定程 度上，可以认为施工工法或施工技术的合理选择与运用可以有效地控制沉降等地面变形。 1 2 1 地铁施工的主要工法 1 2 1 1 地铁区间隧道施工的主要工法 地铁区间隧道是连接相邻车站的构筑物，在地铁线路的长度与工程量方面均占有较大的比重，一般 采取暗挖法施工。暗挖法是在特定条件下，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施 工方法。暗挖法主要包括：新奥法、浅埋暗挖法、盾构法、钻爆法、掘进机法、顶管法、沉管法、混合 法等。其中尤以浅埋暗挖法、盾构法或混合法应用较为广泛，并形成一些广为接受认可的通用施工流程， 例如浅埋暗挖法施工工艺流程图，见图1 1 ；盾构法施工示意图，见图1 2 。 浅埋暗挖法是在软弱围岩浅埋地层中边开挖边浇注不开槽的综合施工方法，在开挖过程中应用岩体 力学原理，采用多种辅助施工方法加固围岩，维护和利用围岩的自稳能力，将注浆管等和喷射混凝土结 合在一起作为主要支护手段，开挖后及时进行支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成复合型衬砌支 护体系，有效地控制围岩的变形与松弛，常见的典型方法有正台阶法、全断面法、单侧壁导坑法、c d 法、c r d 法、双侧壁导坑法和洞桩法等。 圈1 - 1 浅埋暗挖法施工工艺流程图 盾构法是使用盾构机在地表以下土层或松软岩层中一边采用刀盘和盾壳控制开挖面及围岩不发生 坍塌失稳，一边采用刀盘转动进行隧道掘进，用出土器进行出渣，并在盾尾内拼装管片形成衬砌，并实 施壁后注浆州填盾尾与管片衬砌间的空隙，从而不影响地面交通而建成隧道的施工方法 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程旎工技术研究i o 北京建筑工程学院硕士研究生学位论文 l 盾构；2 - 盾构千斤顶：3 - 盾构正面网格；4 - 出土转盘：出土皮带运输机；6 - 管片拼装机：7 - 管片；8 压浆泵；9 压浆孔； l o - 出土机；l l - 由管片组成的隧道衬砌结构 1 2 在盾尾空隙中的压浆l1 3 盾构进洞反力支撑管片；1 4 竖井 图l - 2 盾构法施工示意图 1 2 1 2 地铁车站施工的主要工法 地铁车站地铁车站作为供乘客上下车的地方，是客流最集中的场所，还是管理各种设施和控制行车 的场所。作为地铁系统最复杂的部分，地铁车站施工是是施工的一个难点，同时展现一个城市风貌的一 个亮点。地铁车站的施工方法主要包括明挖法、盖挖法( 包括盖挖顺作法、盖挖逆作法和盖挖半逆作法) 盾构综合法、明暗挖混合法、浅埋暗挖法等。其中尤以明挖法、盖挖法和综合法应用较为广泛，和地铁 区间隧道施工一样，地铁车站施工也形成一些广为接受认可的通用施工流程。例如明挖法施工步骤示意 图，见图l - 3 l 盖挖顺作法施工步骤示意图，见图l - 4 ；盖挖逆作法施工步骤示意图，见图1 5 ；盖挖半 逆作法施工示意图，见图l - 6 。 明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后自基底由下向上顺作施工，完成隧道主 体结构，最后回填基坑或恢复地面的施工方法，主要包括敞口放坡开挖法、基坑支护( 挡) 开挖法、土 锚支护开挖法、冻结开挖法和地下连续墙法等。 盆醯 飞，冬刍皇。 一 一 f j u l 旦口 - 一l | 目 目u k l 一 l 馏螭争髫挖鬃嚣挖黼滤觥瀚麓施工j 5 c 撑交= 悖麓凝士i 耍缀躐琵t 绢掰谨阪 圈1 3 明挖法施工步骤示意图 盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，利用围护结构和支撑体系将项部封闭，在较繁忙交通路段 利用结构项板或临时结构设施维持路面交通，其余的f 部工程在封闭的顶盖下进行施工的车站施工工 法，按结构施j ：的顺序分为盖挖逆作法、盖挖顺作法和盖挖半逆作法三种。 盖挖逆作法是先在地表面向下做基坑的维护结构和中间桩柱，和盖挖顺作法一样，基坑维护结构多 采用地下连续墙或帷幕桩，中间支撑多利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价。随后即可开挖表 层土体至主体结构项板地面标高，利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板。顶板可以作为一道强有力的横 撑，以防止维护结构向摹坑内变形，待回填土后将道路复原，恢复交通。以后的工作都是在顶板覆盖下 进行，即自上而下逐层开挖并建造主体结构直至底板 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程施工技术研究1 i 第一章绪论 正吏髓皿0 il ll il r 一 寓蜜意窥 穗爰和觚簟 寰藿馐黻删髑鞭 磊蠢鋈弱一 丌市市 宰麓篓蝴 绷艇翰填。懒疆 甫甫甫甫 l ，| 矿丽 闻闻阍闻 圈i 6 盖挖半逆作法施工示意图 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程施工技术研究1 2 北京建筑工程学院硕士研究生学位论文 1 2 2 地铁施工的辅助工法 在隧道及地下工程施工中，软弱围岩会导致开挖面的不稳定从而出现围岩松动和坍塌等问题，由 此引起地表过大下沉，破坏地面结构物或埋设物等。当隧道下穿河底或海底时，因开挖面的涌水会导致 整个工程难以完成。针对上述软弱不良围岩提出辅助工法，其选择的正确与否直接关系到工程的成败和 造价的高低，是衡量施j 应交能力的重要标志。因此，采用必要的辅助工法是保证隧道及地下工程施工 安全的又一关键。辅助工法主要分两类：稳定地层的辅助工法和保护环境的辅助工法，即洞内外降低地 下水位、地两加固地层、洞内加固地层( 或工作面) 、洞内防捧水等。 目前的辅助工法有超前锚杆或超前小导管支护施工、长管棚超前支护地层施工、注浆加固地层施工、 地面加固地层施工、降低地下水位方法、施工防排水方法、水平钻孔高压旋喷注浆堵水加固地层以及冻 结施工技术等，常用的有压气工法、降水工法、冻结工法、注浆工法和换填法等。 1 2 2 1 压气工法 压气工法，即对整条隧道或隧道的局部区段施加气压( 气压等于或稍大于地下水压) ，以此稳定开挖 面，防止地下水涌入和开挖面土体的坍塌，从而确保施工正常进行的辅助施工方法。压气王法多用于以 盾构法为主的地下水位高隧道施工中。压气工法有以下作用： ( 1 ) 利用气压阻止开挖面涌水，防止开挖面坍塌。 ( 2 ) 气压自身具有较好的挡土作用，可使开挖面稳定。压气可使地层脱水，充分发挥土体的固有 强度，使土体的抗剪强度提高，从而提高开挖面土体的自稳性。 由于覆土厚度、土质、地下水等条件的不同，有时压气工法达不到预期的效果。因此，采用压气法 工法时，事先必须充分研究防止压气施工法造成特有灾害的问题。压气工法的气压不能过大，以免对作 业人员的身体造成伤害。设备规模大、工序复杂、成本高、工作效率低。有时只用压气工法稳定开挖面 较为困难，必须辅以其他工法( 如注浆、降水等工法) - 一起使用才能稳定开挖面。压气工法的适用范围为： ( 1 ) 对于长距离掘进必须人工更换刀具的隧道。必须人工进入舱室拆除障碍物的隧道。 ( 2 ) 河底、湖底、海底覆盖土层较薄和土质复杂等风险性大的隧道。大深度和高水压盾构隧道。 在采用压气工法时，应注意以下几个方面： ( 1 ) 考虑到压气空气的喷发和对水井的污染，需要调查隧道周围的水井和地下室。 ( 2 ) 施上地区附近有其他隧道及地下，工程正在施工时，气压压力有可能会影响到这些工程，所 以互相要密切配合协商，采取必要的措施。 ( 3 ) 开挖面附近有既建的建筑物时，事前应充分调查，特别是在已完工的工程中，由于施工造成 地基松动，有可能产生漏气和喷发现象，因此，必须采取相应的措施。 ( 4 ) 停气不要急速进行，应在停气过程中仔细观察围岩的动态，特别是地表的下沉等。 ( 5 ) 如果发现不良现象，则需重新压气并采取必要的措施，再慢慢降低气压来停气。 ( 6 ) 已经预测到由于停气会造成开挖面涌水时，应在实施其他加固措施后方能降压停气。 1 2 2 2 降水工法 降水工法是指为了防止涌水引起开挖面坍塌，把地下水位降低的施工措施。该工法在确保面稳定效 果方面较好，特别是砂性地层。降水工法有从地表降水和从隧道内降水两种方法。 地表降水又分为浅井点和深井点两种方法。当隧道距地表面浅于6 7 m 时，采用从地表面进行的 浅井点降水效果比较好。当隧道距地表面l o m 左右时，可采用路下式井点施工方法。当隧道埋深大于 l o r e 时，采用浅井点降水，其抽水效果不好，应采用深井点降水法。 受地表条件的限制，有时不可能从地面进行降水作业时，应采用从隧道内施工的井点降水法，或利 用水平钻孔、导洞等采降低地下水位。从隧道内部实施井点降水施工时，向隧道下方或斜前方设置井点 进行降水。 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化 地下工程施工技术研究 1 3 第一章绪论 采用降水工法时，应注意以下事项： ( 1 ) 降低地下水位施工中，必须注意围岩条件和施工环境等因素，而且要充分考虑该工法的特点， 以满足加固地层的目的。 ( 2 ) 由于地层的不同，有时会发生地层下沉或水井水位下降等现象所以事先必须就地下水位下 降对周围地层等产生的影响进行研究。 ( 3 ) 在城市中采用该工法时冈排水晕大且无法隔离处理，所以易发生地层脱水而引起压密沉降和 水井枯竭等问题，造成环境变化，故需引起注意，并提出保护处理措施。 1 2 2 3 冻结工法 冻结工法是在地层中埋设冻结管并通入冷却液在管道周围形成冻土，使邻近的冻土柱连接在一起形 成加固圈，从而保证施工顺利进行的一种辅助工法。冻结工法有盐水式和低温液化气式两种，从经济方 面考虑，采用盐水式的较多。冻结工法在隧道及地下工程中的适用范围如下： ( 1 ) 用于盾构始发或到达竖井时竖井外侧的地层加固。 ( 2 ) 两条平行隧道问连接横通道施工时的地层加固 ( 3 ) 盾构隧道中异型断面隧道施工时的地层加固。 ( 4 ) 两台盾构对接施工时的地层加固。 ( 5 ) 盾构隧道掘进路线旁结构物的保护施工。 采用冻结工法旅工有以下特点： ( 1 ) 冻结工法的止水性较好，且无公害。当施工在深度大、水压土压较大且存在漏水塌方等条件 下进行施工而其他辅助工法不能发挥作用时，冻结法仍然有效。 ( 2 ) 其设备体积小，不受环境条件限制，与其他加固方法相比，冻结法加固范围小，对施工有利。 ( 3 ) 地下水流速大于l m d 时、含水率小于3 0 时失效。成本较高，且冻结期内地层膨胀，解冻 后地层沉降较大。地中温度过高和地f 水中盐分浓度过大时效果差。 采用冻结法加固同岩时，应注意以下几个方面： ( 1 ) 必须根据地中温度的测定来确定地层的冻结状态，必要时，需要对冻结地面采取保冷措施。 ( 2 ) 必须注意由冻结管损坏等引起的盐水泄漏。地下水的流动会妨碍地层冻结的效果，地下水丰 富且透水性好的砂及砂砾层中，要注意地下水流的存在。 ( 3 ) 冻土接触地中结构物时，地中结构物成了妨碍冻结的热源，所以必须研究地中结构物的冷却 措施。冻土的强度随着温度下降而增大，但是围岩的含水率小时，不可指望冻土会有较高的强度。 ( 4 ) 冻结时，地层会隆起、膨胀；解冻时，地层会下沉、收缩，故在可采用循环温水解冻时，需 用化学加固等辅助措施。采用冻结工法时，必须充分研究邻近已设结构物或埋设物的防护对策。 1 2 2 4 注浆工法 注浆工法是指以增加地层的强度或不透水性为目的，将生成的凝胶或固结体浆液压入到地层的间隙 里，从而改善地层的物理力学性质，保证施工顺利进行的一种工法。注浆工法在隧道及地f 工程中的适 用范围如下： ( 1 ) 在浅覆土、地中接合或刀头更换以及地中扩挖段，为了加固围岩，防止压气施工时的漏气， 防止施工带来的嗣岩松动等，需进行注浆加固。 ( 2 ) 盾构掘进中需从重要的结构物或埋设物的附近或下面穿过时，近接或穿越河流湖海时以及近 接其他地下工程而危及其工程安全使用时，需进行注浆加固。 ( 3 ) 盾构出发及到达时，由于切除竖井挡土墙而使开挖处于暴露状态，也需进行注浆加固来增加 围岩的强度和止水性。 注浆加固工法不仅在隧道工程中应用较多，此外，在建筑、市政工程、水利电力、交通能源、地下 铁道、矿井、地下建筑等许多领域中也有着广泛的应用。注浆工法是隧道及地下：程施工中使用最多的 新建地铁基于沉降控制的近接施工工法优化地下工程施工技术研究1 4 北京建筑工程学院硕士研究生学位论文 辅助工法，与其他辅助工法相比，它主要有以下优点： ( 1 ) 施工设备简单，规模小、耗资少，加固深度可深可浅，易于控制。 ( 2 ) 占地面积小，对交通影响小，工期短、见效快。 ( 3 ) 施工中产生的噪声和振动小，对环境影响小，狭窄的场地、矮小的空间均可施工。 注浆浆液的种类极其繁多，目前在工程中应用较多的有水泥浆液、水玻璃浆液和高分子浆液等。水 玻璃浆液又分为溶液型和悬浊型两种浆液：水泥浆又包括普通水泥浆液、膨润土水泥浆浆液、带填料的 水泥浆液、特殊水泥浆液以及超细水泥浆液等 1 3 沉降变形规律的研究现状 隧道开挖将不可避免扰动地下岩土体，破坏其原有平衡状态，进而引起地表沉降及变形。当地表沉 降及变形达到一定程度时，将影响周围既有地面及地下建( 构) 筑物的安全和正常使用。因此各国建筑 界，尤其是岩土工程界，对隧道开挖引起的地面沉降以及由此对周围既有建( 构) 筑物安全性和稳定性 的影响进行了研究。 随着国内外对隧道开挖造成沉降变形这个问题认识与研究的深入，对沉降和变形规律研究方法趋于 多元化，涌现大量