地铁隧道埋暗挖法施工工艺对地层变形的影响完整

1、地铁隧道埋暗挖法施工工艺对地层变形的影响完整（完整版资料，可直接使用可编辑，推荐下载）文章来源： 地下地铁技术文集 2003 原作者：黄 俊 张顶立 宋克志地铁隧道施工对地层变形的影响1。浅埋暗挖法简介 施工方法对地铁车站和区间隧道结构型式的确定以及地铁土建工 程造价有决定性影响。施工方法的选择，受沿线工程地质和水文地质 条件、周围环境条件、线路平面位置、隧道埋置深度等多种因素的制 约, 同时对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工 程的难易程度等产生直接影响。地铁区间隧道采用矿山法施工是近年来为适应城市浅埋隧道的需 要而发展起来的一种施工方法 ,也称浅埋暗挖法 . 目前在我国地

2、铁区间 隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工，工艺简单、灵活 , 并可根据 施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全 与经济的目的。浅埋暗挖法认为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，并提倡采用岩柱理论和太沙基公式进 行结构分析计算。隧道施工时，由于承载拱效应，原始地层应力并非 全部转化为作用在结构上的荷载，作用在隧道衬砌上的压力小于初始 应力（这已被大量的工程测试资料所验证 ） ，这是由于隧道开挖后洞室 周围地层应力释放 , 隧道的拱形形状及地层内部摩擦力等导致的承载 拱发挥作用，使周围地层应力重分布并产生两种变化 , 即一部分被释

3、放，另一部分向深部和其它方向转移。当施设衬砌支护后，地层应力 释放过程受到抑制，一部分释放荷载作用于衬砌结构上，这部分荷载 的大小正是需要计算的。2。浅埋暗挖施工技术2。1 地铁隧道的主要施工技术 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。随 着我国工程建设法规、法制的完善、对大型工程建设项目综合效益的 要求和环境保护意识的提高，在城市地下铁道的建设中，因埋深条件、 周边环境条件等因素的限制，在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地 形区段普遍要求采用暗挖法施工。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

4、法 , 是今后应推广的施工方法。2.2 浅埋暗挖设计理论 浅埋暗挖设计理论的特点是运用量测信息 , 反馈于设计和施工 , 同 时采取超前支护、改良地层、注浆加固等配套技术来完成隧道及地下 工程的设计与施工 . 隧道深埋或浅埋并非单纯指洞顶与地面之间的厚 度，还应结合上覆地层的水文地质与工程地质特征、松散状况，围岩 结构特征及风化、破碎程度 , 断层影响的程度 , 结构强度以及地下水等 因素综合判定。通常，深埋隧道荷载按塌落拱计算；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 .3。浅埋暗挖法的应用3.1 浅埋暗挖法的应用 近几年来随着城市轨道交通的发展，许多的地铁乘客

5、出入口与人 行地下通道规划在一起 , 但其施工方法大多采用明挖法 , 然而在既有道 路改造中，采用明挖法和盖挖法施工占地多、交通干扰大、地下管线 拆迁量大、容易造成环境污染。如果在上海引进浅埋暗挖法就克服了 上述缺点 ,减少了对环境的影响 , 能保证交通畅通和地下管线的正常使用。3.2 暗挖施工引起地层变形的影响因素分析 浅埋暗挖法最初应用北京地铁是在第四纪地层、无水、地表无建 筑物的条件下 , 采用了管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤 量测、速反馈的施工原则成功应用的。在超前小导管注浆加固等辅助 措施的配合下，不断完善得到一系列辅助施工措施 , 目前运用的广州、 深圳地铁都是非第四纪

6、地层， 且富含地下水 , 伴有砂层，地表密集民房、 埋深最小达0.8m、暗挖车站跨度达26m等复杂条件，因此，对暗挖法 的施工工艺和辅助工法提出了更高的要求，以此保证地铁施工对周边 环境的环保和安全要求。4。深圳地铁案例分析 本文选取深圳地铁 I 期工程 6 标段为例剖析不同施工工艺对地表 沉降的影响程度。 4.1 工程概况6 标为双线单洞隧道 , 马蹄形断面 ), 正台阶法开挖， 区 间隧道范围内上覆第四系全新统人工堆积层 , 海积冲积层及第四系中 统残积层，下伏燕山期花岗岩，地下水丰富；隧道埋深较浅，部分位 置上覆砂层，开挖面土质强度较低 , 上覆砂层地段条件极差 .4.2 超前预加固辅助

7、工法 从最初的超前小导管注浆预加固到现在应用广泛的各种浅埋暗挖 辅助工法都以适用不同的地层条件及隧道周边环境要求为标准。从 6 标的工程实践来看，针对不同的地层条件，特别是在地下水丰富地区 施工地铁隧道(大部分标段不能采取前期降水处理) ，在不同的地质条 件下，超前预加固方法和参数的选择相当重要。6 标一般地层条件下， 隧道上覆粘土或粉质粘土 , 且土层较厚 , 故水量较小，因此采用超前小导管注浆预加固；一般地层到富水砂层地段 之间的过渡段水量逐渐变大，采用长短结合的小导管注浆预加固，达 到双层的加固效果，短导管外插角比长导管大 , 管径和间距增大；在富 水砂层地段采用长短结合的小导管注浆预加

8、固或小管棚加固，后者对 改善开挖面条件和控制地层变形效果显著。注浆压力及注浆量的控制 对预加固效果有影响，地层较好的情况下可以不注浆。4.3 开挖时空顺序 地铁隧道开挖在土中进行，开挖扰动使原始地层应力重分布，而 土的自稳能力较差 , 暗挖法开挖不像盾构法施工有足够的抗力支撑扰 动地层, 只能以超前预加固和“短开挖、早支护”保证地层的稳定。因 此掌握开挖和支护的时空效应对稳定地层 , 保证施工安全，控制地层变 形都有很大帮助，对于掌子面而言要把握开挖进尺、分步开挖顺序 ; 对 双线隧道则要确定左右线的间距。4。4 施工进度的基本情况分析 施工进度的快慢与开挖进尺及每一个开挖循环所用的时间有关

9、, 因此，考虑在预加固前提下土体的自稳时间及地层的塑性变形发展确 定工序。现场每个工序循环耗时如表 1, 每个班做 15 个循环，开挖进 尺为1mN循环，无支护时间为4小时；而当地层条件较差时，开挖进 尺减小为0. 75或0. 6m/循环，超前预支护长短结合需要更多时间， 而开挖土方减少开挖时间减少，即预支护强度提高和无支护时间减少， 地层变形减小。隧道通过含水砂层地段时 , 施工进度慢则掌子面裸露时间长， 而上 台阶没有施作临时横撑或临时仰拱，且上台阶拱脚容易积水，土的强 度又低 , 虽然用钢板或木板支撑，拱部结构仍产生整体下沉，隧道结构 不及时封闭成环，对沉降的发展不易控制 . 因此施工过

10、程中工程技术人 员应当及时做好超前的地质预报，随时改变顶支护参数，保证安全、 快速施工.六标一般情况上、下台阶23m/d（下台阶机械施工，相对进 尺快，有时隔天开挖）砂层地段开挖进尺小，开挖困难进度慢，甚至 不时停工 , 其沉降大 . 当然在地层条件极差位置， 土体易失稳， 6 标边墙 曾出现喷混凝土前大面积土体滑落，相当危险 , 现场采用三台阶开挖， 缩短每步开挖的时间 , 保证了施工的顺利进行。这也是对地层变形的有 效控制.5。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

11、。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。5。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 .5.2 组织力量对地铁

12、施工设备进行系统研制开发。5.3 加强地下工程施工辅助工法的研究开发和创新。5.4 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。5.5 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。城市地铁区间隧道浅埋暗挖穿越软流塑地层施工技内容提要：本文结合工程实例介绍了城市地铁区间隧道浅埋暗挖穿越软流塑地层施工技术。 从方案的比选到施工工艺、参数的选择和确定以及施工方案的实施效果做了较细 致介绍。关键词：浅埋暗挖 城市地铁软流塑地层1工程概况南京地铁南北线一期工程鼓楼站玄武门站区间隧道在

13、软流塑淤泥质粉质粘土层中采用矿山法修建隧道，在玄武门站南端(K11+225K11+401.3 )段，隧道穿过地层为软流塑状淤泥质粉质粘土，覆土厚度约 8m,地面上有2幢2层楼房、3幢5层楼房和一条$ 900污水 管。1。1结构设计设计结构为复合式衬砌结构，初期支护为锚喷支护，二次衬砌为模筑钢筋混凝土衬砌。软 流塑地层过楼房段初期支护为模筑混凝土衬砌。设计结构横断面如图1所示，结构内力图如图2 所示，初期支护和二次衬砌按刚度分担荷载根据工程特点，施工方案软流塑地层采用大管 棚+小导管超前预注浆+掌子面封闭注浆，采用短台阶开挖；软流塑地层过楼房段采用“冻结 法”施工。整个施工根据现场监控量测结果进

14、行调整。1臭由帥花杠剧廐巾閱1j mm出HEWETTS'厨.Ml彌电廉*中 .MMM 111L-iit'MMUM1类嗟都交思舰澜图1软流塑地层区间隧道横断面图弯矩图（单位：kN - m轴力图（单位：kN）图2软流塑地层区间隧道结构内力（K11+390图1。2软流塑状淤泥质粉质粘土地层情况和土体物理力学指标及分布n'LJ* U3 f、厂KUi/-i-Ji1贰n丿 /日J /0H松散稍密状杂填土 -b软塑状素填土可 软塑状粉质粘土-db4流塑状淤泥质 粉质粘土填土-b2可塑状粉质粘土打rb-2硬可塑状粉质粘土-ai-2硬可塑状粘土图3断面1的地质剖面图软流塑状淤泥质粉质粘土

15、土体物理力学指标见下表1:软流塑地层物理力学指标表1参数-2b34-2b4一1 2b3 4-2-2b34含水率W（ %）32.639。129.036.7湿密度p (g/cm3)1。811.821。911。87导热系数入（W/m k）1。6331.7621。8251.726比热容(KJ/Kg K)1。8041。8041.6411。77导温系数aX 10-3 (m2/h)1.781.932.091.88含水量( )37。533。536。9土重度 丫( KN/m 3)18.418.91& 4孔隙比e1.040.921。03塑性指数Ip10 2413.61425液性指数Il1。071。040.

16、98压缩系数a 1-2 (MPa)0.540.310。40压缩模量Es(MPa)3。776.195.08固快粘聚力C(Kpa)13.418.629.3固快内摩擦角0 (度)20.623.513.4泊松比卩0。340.310。350.33垂直渗透系数 Kv X 10 7(cm/s)61.281.15水平渗透系数 Kh X 10 7(cm/s)59。01.531。3软流塑地层暗挖隧道施工难点以上软流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土 ，具有高压缩性、高灵敏度、强度低，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差，易坍塌，地面沉降难以控制。在软流塑地层中施工浅埋暗挖城市 地铁区间隧道施工难点主要表现在以下几方面： 围

17、岩自稳能力极差，开挖后易产生坍方，严重时可能发生涌泥现象，使施工无法进行；地面沉降难以控制，在道路区，过大沉降易引起路面开裂，甚至坍陷，影响交通安全； 在管线和建筑物区，地面沉降过大，易造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物安全。2软流塑地层隧道施工方案2。1施工方案确定软流塑地层隧道施工拟采用台阶分步开挖法，但必须采用适当的辅助工法加固地层常用 的辅助工法有注浆加固(小导管超前注浆、大管棚+小导管超前预注浆、密排大管棚注浆)、软 弱围岩仰拱超前法、旋喷或搅拌加固、冻结加固等结合现场实际情况进行了方案比选如下表， 根据比较结果决定采用大管棚+小导管超前预注浆加固方案。为分析开挖过程中洞周塑性

18、区、开挖对地面沉降、地面既有建筑物的影响，采用平面有限元对开挖过程进行模拟分析分析及综合比较结果如表 2,施工中采用大管棚+小导管超前预 注浆方案项目施工方法一施工方法二施工方法三施工方法四工法名称大管棚+小导管超前预注浆+掌子面注浆加固软弱围岩仰拱超前法水平旋喷法冻结法工法 特点 与原理长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法， 是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对拱部 进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进 行注浆改良，然后在管棚和加固拱圈的保护下进 行开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧 道施工中能有效地控制地面沉降软弱围岩仰拱超前法是先开挖隧道的下部，在隧 道中部打设长管棚和

19、小导管注浆，对下导坑拱部 进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进 行注浆改良，开挖、 施作下部初期支护；然后在隧 道拱部打设长管棚和小导管注浆，开挖、支护隧 道上部，主要是为了避免初期支护拱脚落拱产生 的沉降。水平旋喷是将钻杆水平钻进进行旋喷注浆.它利用钻机钻孔，然后把带有喷头的喷浆管放至地层预定的位置，用从喷嘴出口喷出的射流（浆或水）冲击和破坏地层。剥离的土颗粒的细小部 分随着浆液排除，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力、和重 力的作用下，与注入的浆液掺搅混合，并按一定的浆土比例和 质量大小有规律地重新排列，在土体中形成固结体.冻结法是在洞周土层中降温，形成一个封闭 的具有一定强度和稳定性

20、的冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行隧道开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧道中防塌、 防沉效果好。施工难点1.小导管和掌子面的注浆参数与工艺；2 .注浆加固效果；3.浆液的配比。1. 小导管和掌子面的注浆参数与工艺；2. 注浆加固效果；3. 浆液的配比；4. 施工组织。1 .水平旋喷机；2 .水平旋喷的施工工艺、参数；3. 浆液的配比；4. 高压旋喷跑浆和废浆的处理。1. 冻结的参数；2. 冻结管的施工精度；3. 后期低温混凝土结构施作困难 ；4. 解冻后对地层和结构影响。地面沉降计算最大值：37。7mm;最大值：14。 7mm ；最大值：10。7mm;最大值:18.9mm ；试验最大

21、值：136mm实测2530mm,最大 50mm 左右。拱顶下沉计算最大值：48。2mm最大值：15.73 mm最大值：45。3mm;试验实测2025mm掌子 面位 移计算最大值：154。 2mm最大值：85。 7mm试验实测塑性区域分布塑性区分布范围稍大塑性区分布范围稍小塑性区分布范围稍小塑性区分布范围稍小施工机械水平钻机、注浆机水平钻机、注浆机水平旋喷机、高压注浆机水平钻机、冻结机械施工工期每个掌子面每月综合成洞 15m （不包括二衬）每个掌子面每月综合成洞 810m （不包括二衬）每个掌子面每月综合成洞 m （不包括二衬）工期长，每个掌子面每月综合成洞施工造价每延米综合造价5.35元每延米

22、综合造价6.04万兀每延米综合造价5。39万元造价昂贵，每延米综合造价7.02万兀社会效益本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较 大外，基本不产生环境污染，造价低，工期短，社 会效益好本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较 大外，基本不产生环境污染， 造价低，工期稍长， 社会效益好。本工法除产生地面变形和引起周围构筑物变形较大外，基本不产生环境污染，造价低，工期短，社会效益好冷冻需要大量的氟立昂，会产生环境污染； 冻结施工时冻胀和融沉不良影响大，造价 高，工期长，社会效益差.综合评价对软流塑淤泥质粘土而言，本工法的关键是注浆，控制地面沉降和拱顶下沉的关键是注浆效果，控 制变形略差于其它

23、工法本工法施工简单，造价较 低。控制地面沉降和拱顶下沉效果好，但工期长，工 序复杂，施工组织难度大，工程造价较高。控制地面沉降和拱顶下沉效果好，但工法不很成熟，属新工法、 新工艺，水平旋喷机工效低 ，工程造价较高。本工法工期长、造价昂贵，施工期间控制地 面沉降和拱顶下沉较好。 但解冻对地层的影 响和对混凝土结构的影响较大 .2。 2大管棚+小导管超前预注浆方案长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法，是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆，对拱部进行加固和超前支护，并对隧道掌子面的地层进行注浆改良，然后在管棚和加固拱圈的保护下进行 开挖、支护与衬砌，该方法在软弱地层浅埋隧道施工中能有效地控制地面沉

24、降。设计拱部150。范围设立管棚支护，注浆加固范围1.5m，大管棚采用40m长$ 108钢管，钢管打孔注浆，大管棚搭接长度3m,环向间距0。35m.短导管3m长$ 32普通水煤气管，搭接长度1。5m , 环向间距0。35m。长导管采用13m长、直径$ 42PVC劈裂注浆管，搭接长度4m，间距0。5 X 0. 5m , 浆液采用水泥一水玻璃双液浆。边墙采用中空锚管注浆。开挖采用台阶法施工，台阶长度23m,上台阶施工时并设置临时仰拱封闭，临时仰拱采用1工字钢，喷20cm厚C20混凝土，两侧各设置2根$ 32普通水煤气管长 2.5m锁脚锚杆，锁脚锚杆置入角度 60° .下台阶施工时，对上部

25、钢架拱脚处， 应采用跳槽开挖，及时支撑开挖后的拱脚，先开挖一侧设置 2根$ 32普通水煤气管长2.5m锁脚锚杆， 锁脚锚杆置入角度60° .施工方法示意图如 3。MM!輛用图4大管棚+小导管施工方法示意图2。3施工工艺及参数2。3。1超前预支护大管棚施工2。3。1.1大管棚具体参数超前预支护采用108大管棚，长40米，环向间距0。35m拱部150°范围内布设，管棚搭接3 4m管棚采用花管注浆，浆液采用水泥一水玻璃双浆。2。3。1。2大管棚施工工艺及操作要点管棚的施工根据地质情况采用顶进施工方法开挖管棚工作室 在软弱围岩中开挖工作室，要加强支护，进行混凝土衬砌；管棚工作室长6

26、m.为便于架设钻机，安设钢管，工作室应挖至隧道开挖线以外0。8m.导向管是控制成孔方向使之不偏斜的主要手段，导向管长度不小于2.0m，经精确测量后焊接在钢拱架上并喷浆固定 由于I类围岩段隧道较长且为弧线，根据现有水平孔钻进技术条件，隧道分段施作管棚.首先施工第一段管棚工作室，施作第一段管棚，注浆后进行隧道掘进。第一段管棚段开挖31。6m后，进行第二段管棚工作室施工及钻孔，纵向管棚搭接长度3。0m。以此类推，完成管棚超前支护施工。搭设平台、安装钻机、测定孔位大管棚顶入法施工软流塑土管棚施工成孔困难，且在成孔过程中会造成土层的变形。根据软流塑土的力学特性，采用静压顶入法施工.大管棚采用40m长$

27、108钢管，钢管打孔注浆，浆液采用水泥 -水玻璃双液浆， 大管棚搭接长度3m，环向间距0。35m。大管棚静压顶入法施工，可以挤压软流塑土体 ，排出部分含 水，起到加固土体的目的。同时对土体的扰动较小，施工表明，大管棚施工地表基本无变形。静压顶入法施工示意图如下图6。图6大管棚静压顶入法施工示意图(4) 注浆 注浆采用前进式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备由出气管与 进浆管,由阀门来控制开关，如图 7所示。然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管 路，禾U用锚固剂加固掌子面与管碰见的孔隙，防止漏浆。20塑料管排气管E 阀门h_进浆管图8管棚注浆施工示意图 注浆

28、参数：水泥采用32.5 #普硅水泥水玻璃模数 2。 6, 2535Be°水灰比0.60.8水泥水玻璃体积比 1: 1注浆压力0.81.5MPa 关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压 注浆时，采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注10分钟，才结束注浆。(5)注浆结束标准及效果检查 单孔注浆结束标准：每段注浆都正常进行，符合P-QPT曲线，注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%,或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。 全段结束标准：设计的所有注浆孔均达到结

29、束标准，无漏注现象，注(压)水试验地层吸水率小于0.05L /min，粘土固结强度 (r> 0.4MPa。 注浆效果检查：采用分析法，注(压)水试验，开挖取样等方法进行. 达不到结束标准，应补充重新注浆直到满足要求为止。超前预支护小导管施工。1小导管参数32小导管长3m环向间距0。35m,拱部150°范围内布设，插入大管棚之间，每排小导管搭 接1.52。0m,采用水泥-水玻璃双浆液进行劈裂注浆。注浆参数如下：水泥采用32.5#普硅水泥水玻璃模数 2。 6,2535Be° 水泥浆水玻璃浆液体积比 1： 1 水灰比 0。 60。 8 注浆压力 0.8 1.5MPa2.3.3 掌子面加固施工2.3.3.1 掌子面加固施工参数掌子面采用L=10m小导管进行注浆加固，掌子面注浆加固如图7所示，导管间距1。0X 0.75m,梅花型布置，小导管为42PVC劈裂注浆管，采用水泥一水玻璃双浆液劈裂注浆，注浆参数如下：水泥采用 32.5# 普硅水泥水玻璃模数 2.6 , 2535BeO 水泥浆水玻璃浆液体积比 1 ： 1 水灰比 0。 60。 8 注浆压力 0.5 1。 0MPa。 止浆墙为25cm厚C20网喷砼。如注浆效果不理想,我