地铁车站施工工法比选

#地铁车站施工工法比选摘要：目前国内外修建地铁车站的施工方法主要有明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法、盾构法和这几种方法的组合及变化形式，本文综合比较了各种工法的原理、施工流程、优缺点和适用的车站形式，为我国各大城市在设计地铁车站时选择合理的施工方案提供参考。关键词：地铁车站、施工方法、明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法、盾构法―、引言随着城市经济和建设事业的发展，城市地面交通的压力越来越大，单一的交通己经无法从根本上解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下快速轨道交通来从根本上解决交通拥挤的问题。1863年英国建成了世界上第一条地下铁道，其后相继在纽约、布达佩斯、维也纳、巴黎、柏林、雅典、马德里、东京莫斯科等21座城市修建了地下铁道。第二次世界大战后，由于盲目发展私人轿车，给城市交通带来了灾难，人们逐步认识到只有发展以地下铁道为骨干大运量快速快速公共交通系统才是解决城市客运交通问题的最根本的途径。20世纪50年代以来，特别是70年代以后，拥有地下铁道的城市迅速增多，全世界已成的地铁线路达520km。我国大城市交通紧张状况，在改革开放初期就已经呈现出来。目前各大城市道路交通条件严重恶化，车均道路面积每年以10%-30%的速度下跌，发达国家所经历的机动车剧增，道路交通严重阻塞的僵局在中国大城市重演。这些城市空气和噪声的污染严重超标，对居民的身心健康构成威胁。因此发展城市快速轨道交通，在市中心区修建地下铁道，不仅可以缓解地面交通阻塞和居民乘车难的问题，还有利于城市环境保护，而且也是唯一可行办法。目前我国大陆已经在北京、上海、广州建成了一定规模的地铁并投入了运营，目前许多城市也正在进行地铁工程的建设。地铁车站的施工是地铁建设的重要组成部分，其投资大、建设时间长，施工要求高。地铁车站的施工方法有很多种，选用何种施工方法直接关系到车站建设的造价、进度和安全。在深入分析建设方案、水文工程地质、周边环境的基础上，因地制宜，采用适合本城市、本地区的施工方法，可以收到良好的经济效益和社会效益。施工方法选择不当，将造成巨大的经济损失和不良的社会影响。地铁车站的结构断面型式比区间隧道复杂，断面尺寸比区间隧道大，同时该工程又对地表沉降控制相对更严，因此采用合理的支护技术和施工工艺相当重要。本文简要介绍了修建地铁车站各施工方法的原理、优缺点和适用条件，为地铁车站施工方法的选择提供一种科学合理、简便易行的方法。二、地铁车站施工工法选择明挖法明挖法是各国地下铁道施工的首选方法，在地面交通和环境允许的地方通常采用明挖法施工，明挖法具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量和工程造价低等优点，但因对城市生活干扰大，应用受到各种因素的限制，尤其是当地面交通和环境不允许时，只能采用盖挖法或新奥法。明挖法适用于浅埋车站、有宽阔的施工场地，可修建的空间比较大，如带有换乘站、地下商场、休息和娱乐场所及停车库等的地下综合体车站，如上海地铁徐家汇站⑴。明挖法适用条件为:在基坑开挖范围内无重要的市政管线或市政管线可以临时改移;城市道路交通流量不大或当需要封闭道路交通时有临时改道条件。若基坑所处地面空旷或建筑物间距很大，地面有足够空地能满足施工需要，又不影响周围环境，则采用敞口放坡(或土钉墙)施工⑵。明挖法施工主要分为围护结构施工、站内土方开挖、车站主体结构施作和回填上覆土和恢复管线四个部分。根据不同的地质条件和车站结构的大小以及基坑深度，明挖法的围护结构可采用地下连续墙、锚杆、钻孔桩加旋喷桩止水、SMW水泥土加型钢等。采用地下连续做围护结构的明挖法修建地铁车站的施工流程为:地下连续墙围护结构施工-内井点降水或基坑底土体加固-开挖上层土体设置上层钢支撑-开挖中间层土体-设置中间层钢支撑-最后开挖底层土体-浇筑底板混凝土结构-拆除中间层支撑-浇筑车站混凝土结构-拆除顶层支撑-浇筑车站顶板混凝土结构-回填土体等。明挖法侧向水土压力的不确定性对结构设计的影响对中板(楼板)配筋设计的影响：各层板在侧向水土压力和竖向荷载的共同作用下，实际上处于偏压受力的状态。但是，由于侧向水土压力计算理论上的缺陷以及水压力的多变性，目前各层板的配筋大多按纯弯构件计算，按偏压进行验算，所得结果是偏于安全的。对车站侧墙设计的影响：水位的变化对侧墙剪力的大小影响很大，当水位取至抗浮设计水位时，由于底板所受水浮力很大，向上凸起，侧墙向外侧鼓出，导致侧墙外侧土体产生被动土压力，侧墙剪力最大。2.盖挖法盖挖法是利用围护结构和支撑体系，在较繁忙交通路段利用结构顶板或临时结构设施维持路面交通，在其下进行车站施工的方法。按结构施工的顺序，盖挖法可分盖挖逆作法和盖挖顺作法两种。盖挖逆作法一般对交通作短暂封锁，等结构顶板施工结束后恢复道路交通，利用竖井作出入口进行内部暗挖逆筑。盖挖逆作法具有占用场地时间短，对地面干扰小和施工安全等优点，适用于车站上面有高层建筑、埋深较大的地铁车站；缺点是施工工序复杂、交叉作业和施工条件差等。盖挖顺作法同样具有盖挖逆作法的优缺点，当地铁车站设在主干道上，交通不被中断且确保一定交通流量时，可选用明(盖)挖法。盖挖法施工期间只占用相当于基坑一半宽度的路面交通，通过道路改造和临时路面系统，基本保证原有通行能力。临时路面系统可以作为交通道路和施工场地使用，并可以在临时路面下方悬吊管线以减少管线搬迁。盖挖法的主要施工顺序如下：先施工车站基坑一半宽度范围内的围护结构、立柱桩和第一道支撑等，铺设临时路面系统。交通则利用外侧道路通行。将交通改移到已完成临时路面系统铺设的基坑一侧,施工基坑另一半宽度范围内的围护结构、立柱桩和第一道支撑等,铺设临时路面系统;并设置取土孔、进料孔及通风装置等。在一半基坑宽度范围内的临时路面下以顺作或逆作进行基坑开挖和主体结构施工。车站施工完成后，分幅拆除临时路面系统，恢复常规道路路面和交通⑶。盖挖法作为一种新的施工方法，其施工技术无疑是极具应用价值的。但软土基坑盖挖法施工中开挖及支撑、中间立柱与围护结构的差异沉降等关键技术与控制要点没有成熟经验，这些都给地下工程理论研究提出了新的课题。盖挖法施工的研究工作开展得相当有限，目前对盖挖法下基坑工程性状的认识主要建立在对一些工程经验的总结基础上，其理论分析尚不成熟，这客观上严重制约了盖挖法技术在施工过程中的应用［4］。明挖和盖挖相结合的方法：明盖挖结合法可以说是明挖法和盖挖法的发展。盖挖段以标准的铺盖板铺设路面(临时路面)，维持地面交通畅通，然后凭借各种标准临时支撑及支护，保证围岩稳定，并用标准地下构筑物(管线)保护构件保护管线，向下进行开挖施工。盖挖法已在国外，特别是日本和我国的台湾得到了广泛的应用。使用明盖挖结合法，不仅能解决前述的地铁车站施工中的交通环境，使铺盖板及临时构件标准化，降低临时构件及施工造价，而且可以带动标准化的地铁车站的结构设计、建筑布置设计以及地铁车站安全施工技术，同时可以解决地下管线的标准化临时保护等问题⑵。盖挖法结构受力特点：盖挖逆筑地铁车站的修建是一个分步施工的过程。结构的主要受力构件，常兼有临时结构和永久结构的双重功能。其结构型式、刚度、支承条件和荷载情况随开挖过程不断变化。结构受力不仅与施工方法、开挖步序和施工措施关系密切，而且荷载效应有继承性，即这一施工过程在结构中产生的内力和变形，是前面各施工过程受力的继续，使用阶段的受力是施工阶段受力的继续。边墙作为挡土结构主要承受横向荷载，同时也承受水平构件传来的竖向荷载，中柱主要承受竖向荷载。施工阶段竖向荷载在中柱和边墙之间分配，结构封底后，竖向荷载在中柱、边墙和底板间分配。盖挖逆筑法多以钻孔灌注桩或地下连续墙作为基坑的支护，成桩(墙)过程中对地层极少扰动，又以顶、楼板代替横撑，基坑开挖引起的墙体变形较小，与一般放坡开挖或用顺筑法施工的地下结构相比，当地层较稳定时，施工期间作用在坑底以上墙面的土压力更接近于静止土压力。盖挖逆筑地铁车站通常埋置较浅，地面车俩荷载对结构受力有较大影响，不仅使隧道结构的受力有一般公路桥梁的特点，而且车辆荷载在任何一个施工阶段都可能存在，一也可能消失。车俩荷载作用的结构在不断变化。3•浅埋暗挖法浅埋暗挖法即松散地层的新奥法施工，新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用的松弛和变形，，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，对围岩进行加固，约束围岩并通过对围岩和支护的量测、监控，指导地下工程的设计施工。浅埋暗挖法是针对埋置深度较浅、松散不稳定的上层和软弱破碎岩层施工而提出来的，如深圳地铁区间隧道大部分采用了浅埋暗挖法施工。浅埋暗挖法的施工技术特点:围岩变形波及地表;要求刚性支护或地层改良;通过试验段来指导设计和施工。浅埋暗挖法施工隧道时，应根据工程特点、围岩情况、环境要求以及施工单位的自身条件等，选择适宜的开挖方法及掘进方式。施工中区间隧道常用的开挖方法是台阶法、CRD工法、眼镜工法等;城市地铁车站、地下停车场等多跨隧道多采用柱洞法测洞法或中洞法等工法施工。选用浅埋暗挖法应考虑的基本适用条件有：不允许带水作业和要求开挖面具有一定的自立性和稳定性，而且是浅埋地铁车站。缺点是地下作业风险大、机械化程度低⑴。地下铁道是在城市区域内施工，对地表沉降的控制要求比较严格，所以更要强调地层的预支护和预加固，所采用的施工方法有超前小导管预注浆、开挖面深孔注浆、管棚超前支护。浅埋暗挖法的施工工艺可以概括为“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”18个字⑸。浅埋暗挖法包含有很多开挖方法，有常见的全断面法、台阶法、单侧壁导坑法、中隔壁法（CD法）、交叉隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法（眼镜工法），以及适用于修建特大断面隧道的中洞法、侧洞法、柱洞法、洞桩法（PBA法）等。对于城市暗挖地铁车站，常用的施工方法是中隔壁法、交叉隔壁法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法、柱洞法、桩柱法和洞桩法⑹。浅埋暗挖法修建隧道及地下工程的主要施工工法见表1：表1浅埋暗挖修建隧道及地下工程的主要开挖方法暗挖法的施工方法有很多种，施工方案对于结构形式的选择和地铁土建工程的造价有决定性的影响。施工方案的选定，一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件（地面建筑物和地下构筑物的现状、道路宽度、交通状况等）、地铁的功能要求、线路平面位置、隧道埋深及开挖宽度等多种因素的制约，同时也会对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、工期、工程的难易程度、城市规划的实施、地下空间的开发利用和运营效果产生直接影响。因此合理的选用暗挖施工方法对于减低工程造价，更好地实现设计意图具有非常重要的意义［刀。暗挖与盖挖相结合的施工方法：暗挖与盖挖相结合的施工方法是一种新技术，是我国在使用暗挖法和盖挖法施工的基础上，经过研究总结而提出的具有盖挖法和暗挖法各自优点的一种新的施工方法。其关键是将地铁车站视为由桩、梁和拱组成的地下结构，如北京天安门西站。天安门西站的具体施工流程为：导洞开挖、支护—桩孔、柱孔开挖及护壁-条形基础施作-桩、柱吊装及灌注混凝土-桩、柱顶梁施作-三跨顶拱初期支护施作—花边墙施作—三跨顶拱二次衬砌施作—站厅层施作—站台层施作一站台板施作一建筑装修及设备安装。选择合理的支护参数和施工方法：①支护要及时，不仅能减小支护结构的荷载，还能避免地层的过分变形。对浅埋软弱地层，锚杆作用降低，尤其顶部两侧30°范围内锚杆是承压的，可取消该区的锚杆。超前小导管是有效的，第一台阶一般2.5〜2.7m,小导管长5~3.7m,以确保lm左右导管插入破裂面以外。作为初支的喷混凝土厚度要合理，太厚不利于混凝土材料力学性能的发挥，当厚度dv=D/40（D为洞径），喷混凝土支护接近无弯矩状态，支护结构性能较好。因此，用增喷混凝土厚度的方法来加强支护效果较差，应在采用合理的喷射方法、材料、配合比、外加剂上想办法，比如用湿喷、潮喷法，加聚丙烯纤维等。采用正确的施工方法，从工程造价和施工速度考虑施工方法的选择顺序应为：正台阶-台阶设临时仰拱-CD工法-CRD工法-眼镜工法，从施工安全考虑，顺序正好反过来。暗挖法新技术：暗挖法也有了新的进展，主要有预制块法、预切槽法和气压法。预制块法是把盾构管片的安装技术和暗挖技术融合在一起的一项新技术，先做两侧导洞及侧墙，然后注浆开挖并放置钢拱架、喷射混凝土、安装预制块、在背后注浆，跨度已达18m以上，该技术在法国已大量应用。预切糟法是按照结构尺寸制造一个台架，装有特制链条锯沿拱圈方向把地层切成一个高10-35cm、深4-5m的糟缝，然后放置钢筋网并喷射混凝土，形成钢筋混凝土拱，在其保护下开挖施工，效果很好，在法国、意大利等国家已开始应用。气压暗挖法是采用气压条件下的新奥法施工，因采用气压较低，一般对人体健康没有影响。压缩空气不仅可排除隧道中的地下水，还可减少地面沉降，防止地面结构损坏，减少加压隧道一次砌的荷载，对开挖面有支护作用，降低成本，对降低施工中的粉尘有显著作用，这种办法已在奥地利、德国、英国、日本等国家应用⑻。盾构法盾构法施工技术自1806年幼英国工程师布鲁诺原创，并应用于英国伦敦泰晤士河水隧道，至今已有200余年历史，该技术由于无需占用大量隧道沿线的施工场地，对城市的商业、交通、居住等影响很小，很快受到各国的推崇，经过数代技术人员的不懈努力，盾构法隧道施工技术由最初只能在极少数欧美发达国家应用，发展成为目前发展中国家在城市市政建设中逐步应用的施工技术［91。盾构的基本原理是基于一圆柱形的钢组件沿隧洞轴线被向前推进的同时开挖土壤。该钢组件总在防护着开挖出的空间，直到初步或最终隧洞衬砌建成。盾构必须承受周围地层的压力，而且要防止地下水的侵入。一般讲，盾构掘进隧道不应也不能取代其它方法，但在不良的地层条件下做长距离掘进，对进尺有较高的要求和对地面沉陷又有严格的要求时，它相对其它方法在技术上更合理更经济。其主要的优点和缺点如下。优点:(1)机械化程度高;(2)隧洞形状准确;(3)对地面结构影响可能性最小；(4)对工作人员较安全,劳动强度低,进度快；(5)对环境无不良影响，地下水位可保持:(6)质量高，衬砌经济。缺点：(1)盾构的规划、设计、制造和组装时间长;(2)施工工艺复杂，熟练操作机器需要时间长；(3)准备困难且费用高,只有长距离掘进时才较经济;(4)当地层条件变化时，实施有风险;(5)隧道断面变化的可能性小，断面如需变化时，费用较高。盾构法施工技术大大减少了施工时周围土层的扰动，使得作用在衬砌上的荷载变得更加稳定与均匀。在上海地区盾构法隧道建设中，大量实测资料表明，作用在隧道衬砌上的土压力是比较均匀的，施工阶段土侧压系数一般在0.8以上;使用阶段也在0.7以上，在这种荷载条件下，大部分的隧道衬砌断面处于小偏心受压状态,这对衬砌结构的受力是十分有利的［10。盾构是隧道施工时进行地层开挖及衬砌拼装时起支护作用的施工设备，由于开挖方法及开挖面支护方法的不同，种类很多，但基本构造由盾构壳体、推进系统、衬砌拼装系统三大部分组成。盾构按其构造和开挖方法可分为以下几种：手掘式盾构多用于地质条件较好的小型隧道开挖，其构造简单，配套设备较少，可根据工作面的地质条件或全面敞开开挖，或正面支撑开挖，随挖随撑，其优点是：开挖面是开放性的，施工人员可随时观察地层的变化情况；遇到各种地下障碍物时，比较容易排除处理；容易做到需要方向的超挖，对盾构纠偏有利，便于隧道曲线段施工；设备简单，造价低。缺点是施工人员劳动强度大，施工速度慢；用于含水不稳定地层易产生流砂及涌土现象，施工安全性差。挤压式盾构可分为全挤压式和半挤压式两种，前者将开挖工作面用胸板封闭，把土层挡在胸板外面，避免水土的涌入，并省去出土工序；后者则在封闭胸板上局部开洞，当盾构推进时，土体从孔中挤入盾构，装车外运。挤压式盾构靠强大推力将前方土层挤入盾构四周外侧而向前推进，适于松软可塑的粘性土层。该方法对地层扰动较大，应尽量避开在地面建筑物下施工。网格式盾构是一种介于半挤压与手掘式之间的盾构形式，它的前部不是胸板，而是钢制的开口网格，当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进入盾构后运出；当盾构停止推进时，网格起到挡土作用，可有效防止开挖面的坍塌。机械化盾构有半机械化与全机械化之分，半机械化盾构由挖土机械代替人工开挖，因造价相对全机械化盾构低得多，又可减轻劳动强度，效率较高，因此地下工程中应用较多。全机械化盾构于切口环部位装有与盾购直径相仿的的全断面旋转切削切盘，配以运土机械设备，可使土方从开挖到装车全部实现机械化。全机械化盾构分为开胸式、机械切削盾构和闭胸式机械化盾构，各国在闭胸式机械化盾构施工技术方面发展很快，目前闭胸式机械化盾构又分为以下几种：局部气压盾构在开胸式盾构的切口环与支撑环之间装有隔板，使切口环部分形成密封舱，舱内通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，维持其稳定。泥水加压盾构在盾构密封隔舱内注入泥水，由泥水压力平衡正面土压，用全断面机械化切削及管道输送泥水出土方式完成盾构开挖掘进的全过程。土压平衡盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构，是在局部气压及泥水加压盾构基础上发展起来的一种适用于含水饱和软弱地层的新型盾构。土压平衡盾构在切口环与支撑环间设有密封隔板，用“作浆材料”压注于切削下的土中盾构是隧道施工时进行地层开挖及衬砌拼装时起支护作用的施工设备，由于开挖方法及开挖面支护方法的不同，种类很多，但基本构造由盾构壳体、推进系使之成为可流动又不透水的浆化泥土，使其充满开挖面密封舱及相连的长筒形螺旋输送机。浆化泥土的压力作用于开挖面实现与土体静压与水压的平衡。土压平衡盾构避免了局部气压盾构的主要缺点，又省略了泥水盾构中的处理设备，是最有前途的地下工程施工设备之一。微型盾构指直径小于2.0m的小直径盾构，在大城市中地下管线密集，开草埋管无法施工时，用微型盾构暗挖更能显示其优越性。微型盾构一般覆盖层较薄，不及2.0m，衬砌结构受集中荷载影响［11。盾构法施工引起地表变形的基本原因可归纳为：开挖面土体的移动。当隧道掘进时，开挖面土体受水平支护应力可能小于或大于原始侧压力，开挖面上前方土体会产生下沉或隆起。土体挤入盾尾空隙。盾构法隧道的初始衬砌脱离盾尾后，在隧道开挖壁面和衬砌外周围形成一环形空隙，土体将向这一空隙产生位移，从而引起地面沉降。土体与衬砌的相互作用。在周围土体压力作用下，衬砌要产生变形，同时衬砌对周围地层也产生相反方向的作用力，地层变形是土体与衬砌的相互作用的综合表现。改变推进方向。掘进机向上或向下倾斜，使多余的土体被挖去，盾尾空隙增大，它与施工质量有关。受扰动土体的再固结是地层变形的另一主要原因，尤其是在饱和软土地层中。可见，地表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件等。三、施工工法比选以上几种地铁车站施工工法的适用条件，优、缺点比较见表2表2地铁车站主要施工工法一览表序号施工工法适用条件优点缺点1明挖法适合多种不同类别的地质条件，周边环境具备明挖施工条件工艺简单技术成熟看，施工安全质量易保证、便于大型机械化施工长时间中断地面交通，对周围环境影响大2盖挖法在路面父通不能占用场地时间施工工序复杂，

长期中断的道路下修建地铁车站时，则可米用盖挖法短，对地面干扰小,安全交叉作业，施工条件差3浅埋暗挖法在城市中心地区，由于地面父通不允许中断，地面建筑物众多，或者管线错综复杂，不易改移，不易采用明挖和盖挖法施工的地铁车站避免大量拆改移工作，该法工艺简单、灵活，无需大型设备，在变截面地段尤为适应，施工对道路父通基本无干扰施工风险大、机械化程度低4盾构法在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以米用盾构法安全开挖和衬砌，掘进速度快；不影响地面父通和设施，也不影响地下管线等设施，施工不受气候条件影响，施工中没有噪音和扰动断面尺寸多变的区段适应能力差；新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济从表2的比较中，可得出如下结论：地铁车站施工的原则上应首选明挖法，其次是盖挖法，最后才是浅埋暗挖法,该工法适用在交通要道、管线太多、不易采用明、盖挖的繁华城区；采用暗挖法施工车站大断面时应遵循变大洞为小洞的施工原则，开挖方法应按以下次序选择：正台阶开挖、CD法开挖、CRD法开挖、双侧壁导坑法开挖进行,这样可节约投资并可加快施工进度。应重视施工方案和施工方法的优化目前由于规划、设计的深度不够，尤其是初步设计的时间很短，造成管线及周边环境调查不细，开工后因个别管线无法拆迁等原因而改变设计推迟工期，给施工组织造成很大影响，且施工方案和工法也经常不能确定，造成重新设计，使得设计单位和施工单位都相当被动。因此科学地决策优化施工工法是一个重要而又严肃的问题。应选择合理的辅助工法地下工程首先解决的难题是水的处理，有降水和堵水两大类，当地层为砂砾石层时，可以考虑在施工中采用以降水为主、堵水为辅的方案，这样效果较好，地表也不会因降水而产生大的沉陷；但对软塑、含水、流砂地层降水则会带来大的沉降，为此可采用以