隧道与地铁浅埋暗挖工法.docx
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隧道与地铁浅埋暗挖工法
隧道与地铁浅埋暗挖工法
工法编号：
YJGF-09-91、TLEJGF-9l-09、GZSJGF07-90-01
铁道部隧道工程局：
罗琼刘招伟徐望新范国文
浅埋暗挖工法是依据新奥法（NewAustrianTunnelingMethod）的基本原理，开挖中采用多种辅助施工措施加固围岩，充分调动围岩的自承能力，开挖后及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形的一种综合施工技术。
这一新技术成果由铁道部隧道工程局和北京市地下铁道总公司在北京地铁复兴门折返线工程施工中共同研究开发，在北京地铁复兴门至西单区间及地铁车站试验段施工中推广应用并不断完善。
“北京地铁浅埋暗挖法施工技术”及“浅埋暗挖法修建地铁车站技术试验研究”分别荣获北京市科学技术进步一等奖和二等奖；“北京地铁浅埋暗挖法快速施工研究”实现并保持了地铁区间隧道施工平均月成洞50～60m，通过了北京市科委主持的技术鉴定。
浅埋暗挖施工技术属国内首创，它的成功使我国在第四纪浅埋软岩地层中采用暗挖法建设地下铁道与大跨度地下洞室的进程取得了一次实质性的飞跃，跨入了国际先进行列。
一、工法特点
1、独特的设计、施工和量测信息反馈一体化。
根据预设计组织施工，采用信息化施工技术，通过对各种变位及应变的监测信息来检验支护结构的强度、刚度、稳定性，不断修改设计参数，指导施工，直至形成一个经济、合理、安全、优质的结构体系。
2、初次支护与二次模筑混凝土组成的复合式衬砌结构，是浅埋、软弱地层控制地面沉陷，确保结构稳定较理想的支护模式。
3、工艺新、技术先进。
本工法综合应用了改性水玻璃（DW3）注浆加固地层（国家专利）、小导管超前护顶、新型网构钢架支撑、整套施工监控技术，并运用系统工程理论科学管理等先进技术，其施工方法与工艺技术符合我国国情。
4、就城市地铁施工而言，与明挖法相比，本工法具有拆迁占地少、影响交通小、投资少、扰民小等四大优点；与盾构法相比，本工法具有简单易行、勿需专用设备、灵活多变、适应不同跨度和多种断面形式、节省投资等优点。
二、适用范围
本工法主要适用于不宜明挖施工的无水土质和软弱无胶结的砂、卵石第四纪地层修建覆跨比大于0.5的浅埋地下洞室，尤其对都市城区在结构埋置浅、地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地面沉陷要求严格的情况下修建地下铁道更为适用，对于低水位的类似地层，采取堵水或降水等措施后本工法仍能适用。
三、施工工艺
（一）关键技术
1、正确应用和发展新奥法施工技术；
2、注浆加固软弱地层技术；
3、采用辅助措施加固围岩+钢筋网十网构钢架+锚杆+喷射混凝土所组成的联合支护体系为主要承载结构；
4、完整的施工安全监控技术；
5、受力合理的复合衬砌结构型式；
6、运用系统工程理论，优化劳动组合，合理配置设备，强化施工管理。
（二）施工原则
管超前，严注浆，短开挖，强支护，早封闭，勤量测，速反馈，控沉陷。
（三）施工程序（见图1）
（四）施工方案
1、单、双线山岭隧道一般采用正台阶法施工，见图2。
2、单、双线城市地铁一般采用上台阶分步开挖法或短台阶法施工，见图3、图4。
3、渡线大断面城市地铁与三线大跨度山岭隧道一般采用中隔墙台阶法、单侧壁导坑法及双侧壁导坑法施工，见图5～图7。
4、城市地铁车站一般采用柱洞法、侧洞法或中洞法施工，见图8～图10。
（五）单、双线标准区间隧道施工方法
1、标准区间隧道施工顺序见图11。
2、小导管超前注浆作业，包括钻孔、布管、封面、注浆四道工序。
（1）打孔：
超前小导管孔用SF电钻或YT-28风钻钻孔。
（2）布管：
（a）超前小导管选用Ф32～40的钢管加工而成，顶部切削成尖靴，尾部焊接垫圈，其长度一般为3.0～3.5m；（b）超前小导管仅在起拱线以上沿拱边轮廓线设置，环向间距40～50cm不等，外插角一般为5°～7°；（c）超前小导管应从网构钢架腹部空间穿过，插入已钻好的孔中，尾端与钢架焊接，连为一体。
（3）封面：
注浆前,应喷射厚5～10cm混凝土封闭工作面，以防漏浆。
（4）注浆：
（a）可采用牛角泵（单液）或HFV-5D双液注浆泵压注，为缩短工序时间，可在注浆管前安设分浆器；（b）对于砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）大于1mm时，宜优先选用单液水泥浆和水泥——水玻璃浆；当裂隙宽度（或粒径）小于1mm时，宜优先选用改性水玻璃浆液；（c）注浆后的开挖时间一般为：
单液水泥浆8h左右，水泥——水玻璃浆4h左右，改性水玻璃浆10min。
3、上台阶环形开挖②部：
可选用小型机具开挖、人工沿拱弧轮廓线修整或人工开挖，预留核心土，核心土的断面应大于开挖断面的50％，每循环进尺一般为0.75～1.0m。
4、上半断面初次支护，包括立拱、挂网、安设锚杆和喷射混凝土四道工序。
（1）立拱：
（a）新型网构钢架由主筋（Ф22的16Mn钢筋）采用正方形或矩形截面焊接而成；（b）钢架安设应紧贴围岩，拱脚应设置在特制的基础或原状岩层上；（c）两排钢架间沿周边每隔lm用纵撑和斜撑联接，形成纵向连接系，使其成为一整体结构，以改善受力状态。
（2）挂网：
（a）钢筋网采用Ф6的A3钢筋编制，网块尺寸为100cm×200cm，网格间距一般为15cm×l5cm；（b）钢筋网应在初喷混凝土，安设锚杆和架立钢架后铺设，两片网块间搭接长度不得小于20cm。
一般地层，钢筋网应与初喷混凝土表面密贴；砂层地段，宜紧贴砂层面铺挂细网并用环向钢筋压紧，初喷混凝土后再铺第二层钢筋网。
（3）安设锚杆：
（a）锚杆选用Ф18～22的16Mn钢筋按设计长度（一般为2.5～3.5m）截取，其一端斜割成尖形，另一端切割平整；（b）本工法通常采用全长胶结型早强药包锚杆，药包可自制或选购定型产品；（c）锚杆的安设时间宜在初喷混凝土之后、复喷混凝土之前进行；（d）系统锚杆在拱趾以下边墙部分沿洞室周边径向布置，纵横向间距均为lm，呈梅花形排列。
（4）喷射混凝土：
（a）喷射混凝土一般选用525#普通硅酸盐水泥或早强水泥、细骨料（中砂或粗砂）、粗骨料（卵石或碎石）等原料；（b）喷射混凝土有干喷、潮喷和湿喷三种方式，目前一般选用转子Ⅱ型喷射机进行干喷或潮喷法施工；（c）喷射混凝土标号应为C18级，厚度一般为25～30cm，可分2～3次喷至设计厚度。
初喷3～5cm厚混凝土必须在开挖后2h内完成，复喷必须填实钢架与岩壁的间隙并将钢筋网和钢架覆盖至少2cm以上；（d）喷射混凝土时，拱部与边墙均采用自下而上、从工作面齐头向外推进的原则进行。
为提高早期强度，施工时一般需掺加一定量的速凝剂。
5、挖核心土：
可采用小型机具或人工开挖。
6、下台阶分步开挖⑤、⑦部：
宜左右错开、短进尺，以单边每次开挖长1～3m为宜，一般采用日产S-50单臂掘进机作业。
7、下半断面初次支护Ⅵ、Ⅶ部，同样包括立拱、挂网、安设锚杆和喷射混凝土四道工序，施工工艺同上半断面。
应当注意，网构钢架墙部接长应与开挖步骤相对应，单边交错进行，每次接长钢架1～3榀。
8、仰拱⑨部采用反铲式挖掘机开挖，每次挖掘长度一般以3～4m为宜。
9、仰拱初次支护X部，包括：
网构钢架闭合成环、铺设钢筋网和喷射混凝土等工序，仰拱初次支护原则上应紧跟拱墙支护施作。
10、装碴运输
采用本工法时装碴运输有上下台阶不平行作业方案和上下台阶平行作业方案，见图12。
（1）上、下台阶不平行作业方案
上台阶采用手推车或其他小型机具将碴土倒至下台阶，在下台阶再由侧卸式装碴机或S-50单臂掘进机本身的输送带将碴土送上皮带运输机倒入碴车，由电瓶车牵引运出。
（2）上、下台阶平行作业方案
上台阶采用人工或其他小型机具将碴土送至过桥皮带输送机上，再通过下台阶的皮带运输机传递倒入碴车；下台阶可采用侧卸式装碴机或单臂掘进机本身的输送带将碴土送上皮带运输机倒入碴车，由电瓶车牵引运出。
11、初次支护与二次模筑衬砌之间设置防水隔离层（如聚乙烯和聚氯乙烯塑料防水板），应注意在洞室周边满铺并做好搭接接头，使其环向全封闭。
12、二次模筑衬砌须在洞室围岩和初次支护变形基本稳定后修筑。
二次衬砌为35～40cm厚的C18级混凝土，每次施作衬砌长度以6～12m为宜。
采用模板台车施工，强度达到2.5MPa后方准脱模。
（六）控沉防坍技术措施
1、坚持先护顶后开挖的原则组织施工。
一般情况下可采用超前管棚、超前小导管注浆或超前锚杆来加固工作面前方围岩。
在地表条件允许的情况下，也可采用地面注浆和地面锚杆预先加固地层。
2、采用合理的开挖方式，变大跨为中跨或小跨，边开挖边支护，步步为营。
当采用留核心土环形开挖法时，核心土的断面应大于开挖断面的50％，纵向长度应大于2m。
3、施工中应尽量减少对围岩的扰动，优先采用掘进机或人工开挖，非城市地区采用爆破开挖时，应采取短进尺、弱爆破的方式进行。
4、严格控制每循环进尺，一般不宜超过1.0m；严格控制台阶长度，单线洞室超过1.5倍洞径、双线洞室超过l倍洞径时，应进行临时仰拱封底。
认真做好钢架拱脚处理，必要时可在拱脚处安设加强锚杆或注浆锚管进行加固，
5、开挖成形后应及时进行初次支护，确保工序衔接，尽早施作仰拱，封闭成环。
当地层变坏时，应随时喷射早强混凝土封闭工作面或采用工作面正面锚杆来抑制围岩变形。
6、若初次支护变形过大又不宜加强支护时，可对洞周2～3m范围内围岩进行系统注浆加固，以改善支护的受力条件，限制其过大变形。
7、对于低水位软弱地层施工，应采用洞内井点降水和周边围岩填充注浆等措施来改善施工条件，在地表允许的情况下，也可结合深井降水和地面预注浆堵水等措施进行水的综合治理，以确保施工的安全和围岩的稳定。
8、施工过程中（包括竣工初期）应对围岩及支护结构进行变位及应力量测，以便监控其稳定状态，控制地面沉陷。
9、严肃施工纪律，加强施工管理，坚决执行标准施工工艺细则，保证施工质量。
（七）现场监控量测
现场监控量测是本工法的重要组成部分，是监视设计与施工是否正确、围岩与结构是否稳定的有效手段。
1、量测项目及内容
浅埋暗挖工法现场测试包括A类（必测）和B类（选测）量测项目，其相应的量测内容详见表1。
2、量测数据处理与应用
（1）现场量测数据应及时绘制成位移一时间曲线（或散点图），曲线的时间横坐标下注明施工工序和开挖工作面距量测断面的距离。
（2）当位移一时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算基本稳定时间、最终位移值，掌握位移变化规律。
（3）当位移一时间曲线出现反弯点，即位移数据出现反常的急骤增长现象时，表明围岩与支护已呈不稳定状态，应加强监测，并适当加强支护，必要时应立即停止开挖采取补强措施进行处理。
（4）量测管理基准值，参考本工法表4所列。
四、机械设备
本工法所需机械设备见表2。
五、劳动组织
（一）施工组织
采用直线职能机构形式为宜，见图13。
表1现场监控量测项目及内容
类别
量测项目名称
方法及工具
测点布设
量测频度
1～15天
16～30天
1～3个月
3个月以后
A
拱顶下沉
水平仪、水准尺、钢尺或测杆
每5～15m一个断面
1～2次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
周边位移
各类收敛计
每5～15m一个断面，每断面2～3对测点
l～2次／天
1次／2天
l～2次／周
1—3次／月
地表沉陷
水平仪、水准尺
每5～100m一个断面，每断面至少11个测点，每段隧道至少2个断面，中线每5～15m一个测点
开挖面距量测断面前后<2D时，1～2次／天；开挖面距量测断面前后<5D时，1次／2天；开挖面距量测断面前后>5D时，1次／周
B
围岩内部位移（地表设点）
地面钻孔中安设各类位移计
每代表性地段一个断面，每断面3—5个测孔，每孔2～4个测点。
开挖面距量测断面前后<2D时，1～2次／天；开挖面距量测断面前后<5D时，1次／2天；开挖面距量测断面前后>5D时，1次／周
围岩内部位移（洞内设点）
洞内钻孔中安设单点杆式、多点杆式或钢丝式位移计
每5～100m一个断面，每断面2—11个测点
l～2次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
围岩压力及两层支护间压力
各类压力盒
每代表性地段一个断面，每断面宜为15～20个测点
1次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
钢架内力及外力
支柱压力计、钢筋计或其他测力计
每10榀钢架一对测力计
1次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
支护衬砌内应力
各类混凝土内应变计、应力计
每代表性地段一个断面，每断面宜为9～11个测点
1次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
锚杆内力及抗拔力
各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拔器
每100根锚杆检测1根，每代表性断面设5根量测锚杆
1次／天
1次／2天
1～2次／周
1～3次／月
注：
D为开挖洞室最大跨度
表2机械设备
序号
设备名称及型号
生产能力
数量
备注
1
SF电钻或YT-28风钻
2.0m／min
2
开挖、注浆钻孔
2
S-50单臂掘进机
挖装能力80m3／h
1
3
ZC-2型侧卸式装载机
最大装碴能力90m3／h
1
4
HD8509反铲挖掘机
斗容量0.85m3
1
5
BX3-300-1电焊机
1
立拱挂网
6
ZPG-Ⅱ喷射机
5~7m3／h
3
7
模板台车
6~12m／循环
1
8
HFV-5D双液注浆泵或牛角泵
最大排量70×2L／min
1
9
XG-12-7／256电瓶车
2
10
2m3斗车
6
运输牵引
11
4L-20／8空压机
20m3／min
2
高压供气
12
BKJ66-11NO5.6风机
396m3／min
1
低压供气
13
JG400拌合机
10~14m3／h
1
（辅助班组）
（开挖工班）
工程队长
后勤财务
材料设备
安全质量
调
度
机电工程师
土木工程师
分队长
领工员
综合一班
综合二班
综合三班
综合四班
运碴班
运料班
机械班
测量组
图13施工组织系统图
整个施工组织系统，纵向是由队长、分队长和工班长为主线的施工生产组织，横向是由队长直接领导的各业务部门和成员为辅线的施工管理组织。
由于隧道或地铁施工是一项特殊的专业化施工作业，这就要求各部门必须听从集中的指挥和调度，各工班间要互相协作和配合。
（二）劳动组织
1、运碴班、运料班、机械班、测量组等辅助班组宜采用专业班组。
（1）运碴班（8人）：
负责洞内装、运机械设备的使用与管理、轨道的铺设与出碴。
（2）运料班（4人）：
负责施工用材料的制备与运送。
（3）机械班（10人）：
负责除装、运机械外的机械设备操作、使用、保养和管理。
（4）测量组（4人）：
负责开挖断面的放样及支护变位量测。
2、开挖、支护作业宜采用综合工班形式组织生产，按4班×6小时作业制，以作业项目来安排劳力（详见表3）。
表3综合工班人员配置
作业方式
作业项目
作业内容
人数
单线
双线
上下台阶平行作业
注浆
钻孔，布管，封面，注浆
10
12
开挖
上台阶破面，环形开挖、出碴；下台阶开挖、出碴
8
10
立拱挂网
钢架定位、联接，焊接纵向连接筋，挂钢筋网
8
10
锚喷
安设锚杆、喷射混凝土
5
6
二次模筑混凝土
模板台车定位，灌混凝土、捣固
⑧
⑧
综合工班人数
一般二次模筑混凝土滞后单独施工
12+⑧
15+⑧
上下台阶不平行作业
注浆
打孔，排管，封面，注浆
10
12
上台阶开挖
破面，环形开挖，拱脚开挖，出碴
6
8
上台阶立拱挂网
钢架定位、安装，焊接纵向连接筋，挂钢筋网
8
10
上台阶锚喷
安设锚杆、喷射混凝土
5
6
下台阶开挖
挖边墙、底板，出碴
6
8
下台阶立拱挂网
接长钢架、焊接纵向连接筋、挂钢筋网
8
10
下台阶锚喷
安设锚杆、喷射混凝土
5
6
二次模筑混凝土
模板台车定位、灌混凝土、捣固
⑧
⑧
综合工班人数
一般二次模筑混凝土滞后单独施工
10+⑧
12+⑧
六、质量标准
采用本工法施工，除洞室断面尺寸、初次支护外观、厚度、喷射混凝土强度、锚杆质量、二次模筑混凝土强度和衬砌厚度均应遵守《铁路隧道新奥法指南》第五章第一节的有关质量检验标准或《铁路隧道施工规范》（TBJ204—86）的有关章节和满足设计要求外，还作以下补充：
1、超前小导管注浆
（1）超前小导管的仰角应控制在5°～7°，孔位偏差不得超过10cm，顶入长度不应小于管长的90％，纵向两排小导管的搭接长度不小于两排钢架的间距。
（2）注浆孔口压力控制在0.4～0.5MPa，浆液扩散半径按0.3m考虑，单孔浆液注入量可由下式估算：
Q＝πR2Ln
式中R——浆液扩散半径（m）；
L——导管长度（m）；
n——地层孔隙率（％）。
当小导管长为3.0～3.5m时，一般每孔注入量为170L，采用定量注浆法施工。
（3）当每孔注浆量达到定量标准或达到定量标准的80％以上而注浆压力升至0.4～0.5MPa，且无漏浆、跑浆现象时，才能结束注浆。
注浆效果可采用加固范围内任一位置取岩芯检验，并观测其开挖后浆液的充填情况；也可采用压水试验检查注浆效果，其检查孔的吸水量（失水量）应小于0.2～0.4t／min·m；还可用声波探测仪测量岩体声速来判断注浆效果。
2、网构钢架制作及安设
（1）网构钢架—般在现场冷弯或热弯制作，要求做到尺寸准确，弧形圆顺。
焊接成型时，应沿钢架两侧对称进行，钢架主筋与轴线点重合，接头处要求相邻两节圆心重合。
试拼装时应无扭曲、翘曲现象，沿隧道周边轮廓误差不应大于±3cm。
（2）网构构架应按设计位置安设，各段在同一平面内，其平面翘曲应小于±2cm，整榀钢架应垂直于洞室轴线，其上下、左右偏差应小于±5cm，钢架倾斜度应小于2°。
3、量测数据管理基准
本工法主要采用位移量测数据作为信息化管理目标，管理基准值应根据现场的特定条件来制定，其推荐基准参考值如表4所示。
表4量测数据管理基准参考值
指标内容
日本、法国、西德
规范综合值
推荐基准值
城市地铁
山岭隧道
地面最大沉陷
50mm
30mm
60mm
地面沉陷槽拐点曲率
1／300
1／500
1／300
地层损失系数
5％
5％
5％
洞内边墙水平收敛
20~40mm
20mm
（0.1～0.2）D％
洞内拱顶下沉
75~229mm
50mm
（0.3～0.4）D％
注：
D——开挖洞室最大跨度（m）。
七、安全技术措施
本工法施工除严格遵循《铁路隧道新奥法指南》第四章第十一节的有关条文外，尚需采取以下安全技术措施：
1、施工机械应定期维修检查，施工作业时应有专人操作和指挥，各类管线接头必须接好扎牢，对洞内机械的迂回转动部件应予以覆盖，以免卷夹伤人，电器设备应由专人使用和管理。
2、洞内监控量测仪器设备应置于安全稳定地带，需登高测试时，观测人员应站在平稳、牢固的脚手架上。
在交通繁忙的公路上时进行地表位移量测时，量测人员应身穿黄色显眼的标志服，量测位置前后均应放红色路标和红白相间的标志栏栅；夜间进行量测作业时，要配备足够的照明设施，迎车方向应设置路面警报灯，并由专人执旗指挥车辆，令其慢速绕行。
八、效益分析
本工法有着显著的经济效益和社会效益。
就城市地铁施工而言，与明挖法、盾构法相比，都有显著的优点。
以北京地铁复兴门折返线工程为例，其经济效益和社会效益主要表现在以下几个方面：
1、节省投资。
采用明挖法施工土建工程费加上拆迁费共计需3237万元且不包死，而采用浅埋暗挖法施工总计仅1703万元包死，节省投资1534万元。
2、保证长安街交通畅通无阻。
浅埋暗挖法施工避免了明挖法施工所造成的运输能力下降而使车辆停车次数增加、阻塞时间延长带来的经济损失，按1年半工期计算避免损失达3163万元。
3、浅埋暗挖法施工避免了对长安街公路路面的破坏及地下各种管线、地面通讯电缆、灯杆和民房的拆迁，减少了绿地占用，保持了市容美观，节省了高达千万元的拆迁费，使施工工期也相应地缩短了半年。
4、浅埋暗挖法施工不干扰市民的正常生活，避免了因明挖法施工而产生的噪声、尘土、震动等公害，保证了长安街迎宾大道的畅通，深受各级领导的赞扬和北京市民的欢迎。
5、浅埋暗挖法施工技术使已停顿多年的北京地铁建设事业重新得以发展，为建设现代化城市交通开创了一条新路，为实现北京地铁的远景规划提供了技术保证。
九、工程实例
北京地铁复兴门折返线工程位于复兴门内大街正下方，包括2条正线和1条折返线，用交叉渡线联接。
折返线长234.46m，渡线长101.58m，最大跨度14.46m，最小覆土层厚10m，穿越第四纪粉细砂、砾石或砾砂地层。
其中，正线断面采用正台阶法施工，渡线段大跨度断面采用单侧壁导坑正台阶法施工。
国内外对浅埋山岭隧道及城市地铁隧道施工技术水平的评价，主要以支护结构在稳定条件下的地面沉陷量的大小、范围及洞周位移量等指标来判断，复兴门折返线工程量测结果见表5。
表5北京地铁复兴门折返线技术指标量测结果
地面最大沉陷量
沉陷槽拐点曲率
地层损失系数
洞内边墙水平收敛
洞内拱顶下沉
<30mm
1／589
4.13％
<±10mm
<45mm
可见全部量测技术指标均低于量测数据管理基准参考值，说明工程结构是安全的，施工方法是稳妥的。
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