地铁浅埋暗挖大断面隧道近距穿越楼房施工方法选择探讨.docx

1、地铁浅埋暗挖大断面隧道近距穿越楼房施工方法选择探讨地铁浅埋暗挖大断面隧道近距穿越楼房施工方法选择探讨地铁浅埋暗挖大断面隧道近距穿越楼房施工方法选择探讨-1- 地铁浅埋暗挖大断面隧道近距穿越楼房施工方法选择探讨1 摘 要：在隧道穿越既有房屋的施工中，核心目标是保证既有房屋的安全使用，主动地选择施工方法才是从根本上减小施工对环境影响的有效途径，本文首先对大量工程实例做了统计分析，并采用定性手段对常见的多种施工工法做了初步比较，而后重点对适合本文所提到工程实例的可能的两种工法做了对比，采用数值模拟手段，较为详细地分析对环境的影响程度，以期寻找一种特定工程形态下的理想隧道穿越施工方法。 关键词：地铁；

2、浅埋暗挖法；大断面隧道；施工方法 引 言 在隧道穿越既有房屋的施工中，核心目标是保证既有房屋的安全使用，即隧道开挖要尽量减少对既有房屋的影响，基于此，可采取的措施包括：加固既有房屋、在隧道和房屋之间打隔离结构等，选择适当的施工方法同时进行严密的施工监测等。其中，前几种均是被动防护，唯有主动地选择施工方法才是从根本上减小施工对环境影响的有效途径，实践经验证明若施工方法选择不当，会严重影响工程施工速度和造价，同时也影响施工安全。 关于普通隧道施工方法的选择问题，国内外专家、学者及工程人员都作了较为详细地研究，但对于大断面隧道尤其是近距大断面隧道施工工法的选择，则研究不够深入。事实上，空谈哪一种施工

3、方法更好是非常不科学的，施工方法的选择往往需要充分考虑施工现场地质条件、断面大小、地面环境条件、领近建筑物情况等自然因素，也需要考虑施工队伍的技术水平这一点恰恰是目前很多研究所没有考虑到的，本文首先对大量工程实例做了统计分析，并采用定性手段对常见的多种施工工法做了初步比较，而后重点对适合本文所提到工程实例的可能的两种工法做了对比，采用数值模拟手段，较为详细地分析对环境的影响程度，以期寻找一种特定工程形态下的理想隧道穿越施工方法。 1. 浅埋大断面隧道判定 铁路隧道设计规范(TB10003-2001)1规定，当单线或双线隧道拱顶埋深小于：级围岩3540m、级围岩1825m、围岩1014m、级围岩

4、57m，为浅埋隧道。也可以用实测压力P和垂直土柱重量 之比来确定，根据实测资料统计，当P/ >0.40.6时，均称为超浅埋。 城市地铁、地下工程结构断面变化很大，不能仅用拱顶埋深大小来确定深埋或浅埋，还必须考虑地下工程的跨度大小，跨度大时，对覆土的影响范围也大。拱顶覆土厚度(H)与结构跨度(D)之比，即H/D称为覆跨比。当0.6<H/D1.5时，均称为浅埋；当H/D0.6时，均称为超浅埋。 地下工程按照开挖断面大小，可划分为标准断面、大断面、超大断面等类型。表1是日 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“基于区间数学与支持向量机的建筑受地铁施工影响的风险评价研究”（2

5、0050004010）的资助。 -2- 本制定的隧道断面划分和开挖断面面积标准，表2是国际隧道协会制定的断面划分的建议标准。 表1 日本制定的隧道断面划分和开挖断面面积标准 划分 开挖断面面积(m2) 说明 标准断面 7080 双车道 大断面 100120 有人行道的双车道 超大断面 >120 与路面宽相同的三车道 表2 国际隧道协会制定的断面划分标准 划分 净空断面面积(m2) 超小断面 <3.0 小断面 3.010.0 中等断面 10.050.0 大断面 50.0100.0 超大断面 >100 2. 大断面地铁隧道穿越楼房常用工法统计分析 根据铁路隧道施工规范(TB102

6、04-2002)2 3，关于铁路隧道施工方法分为三种：全断面开挖法、台阶法和分步开挖法(包括环形开挖留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法、交叉中隔壁法等)。大断面隧道施工的特点决定了其一般只能化大为小，分部开挖，必要时在隧道断面中部设置永久支护梁柱。如：北京地铁崇文门站采用CRD工法施工，将地铁车站分为12块进行施工；地铁10号线各车站出入口均采用CD法或CRD法施工等。对于大断面隧道的开挖，国内外通常采用三种方法，包括分步开挖法、压缩空气法及机械预切槽法。其中后两种在国外工程实践中有应用，压缩空气法常用于有地下水且降水困难或者地层严重不稳定的情况，其可较好控制沉降，又能减少预加固和降水

7、费用；机械预切槽法首先在法国巴黎开始应用，其适用于具有一定稳定性且能充分成槽的地层，优点是对地层扰动很小，几乎不改变地层的自然特性和应力分布规律，因而可大大减小地层沉降。 在国内，大断面隧道施工通常采用的分步开挖方法主要有：洞桩法(PBA工法)、上半断面超前短台阶法、中隔墙法(CD工法)、中隔壁法(CRD工法)、侧壁导坑法(单、双侧壁导坑法(眼镜工法)、洞柱法、墙洞法和TBM导坑掘进法等。下表为笔者统计的国内外典型大断面地铁隧道工程实例。 表3 国内外典型大断面地铁隧道工程实例一览 序号 隧道名称 线路名称 设计参数 地质条件 工艺描述 l 复兴门折返线 北 京 地 铁复八线 埋深1019m，

8、隧道宽11.46m，高11m 土层为永定河冲、洪积粉细砂层、砂砾层中隔墙法(CD工法)，双侧壁导坑法(眼镜法) 2 王府井一东单区间折返及渡线段 北 京 地 铁复八线 长518m，隧道断面最大 处 宽 14.2m, 高10.68m 土层为永定河冲、洪积粉细砂层、砂砾层 中部导坑先行法、四分部中隔墙法(CD工法)和双侧壁导坑法(眼镜法) / -3- 3 西单地铁站 北 京 地 铁复八线 埋深621m，最大跨度26m高135m长260m，为三拱两柱，岛式车站 第四纪粉细沙层，无地下水 双侧壁导坑法(眼镜法) 4 天安门西站 北 京 地 铁复八线 埋深5.7m，隧道长226.1m,宽25.2m，高1

9、4.25m，为三拱两柱岛式站台 土层为轻亚粘土、砂砾层、亚粘土层、圆砾层，地下水丰富 柱洞法 5 王府井车站 北 京 地 铁复八线 埋 深 7m 车 站 长241.4m，宽322m，高14 22m，三拱两柱岛式站台 永定河冲洪积层，粉细砂、砂砾层和亚粘土层洞桩法(PBA工法) 6 东单车站 北 京地 铁 复 八线 埋深9m车站长214 8m 净 宽212m，高1422m，三拱两柱岛式车站 永定河冲、洪积扇，土层为轻亚粘土、砂砾层、亚粘土层、圆砾层，地下水丰富 洞桩法(PBA工法) 7 临江门车站 重 庆 轻 轨较一新线 埋深lO51458m，长度198m，断面最大处宽 20 74m高16528

10、m，开挖面积421m2 上部地层为第四系全新统粉质粘土下部为侏罗纪砂岩与砂质泥岩互层 双侧壁导坑法(眼镜法)。导坑内分三个台阶开挖，核心部分四步开挖 8 越秀公园站主体隧洞 广 州 地 铁二号线 埋 深 14m ， 长190.7m，宽97m，高907m 上部为湖相淤积层、冲积层、残积土层，下部为风化花岗岩，富含地下水 车站采用两纵三横群洞结构，主体隧道采用四分部中隔壁法(CRD工法) 9 鼓楼一玄武门区间渡线段 南 京 地 铁一号线 埋深9m，渡线段长1035m。最大跨度7 358m ， 高 度72168183m 土层为粉质粘土、残积土、强弱风化安山岩中隔墙法(CD工法)、中隔壁法(CRD工法

11、)和侧壁导坑法(眼镜法) / -4- 10 呼家楼车站 北 京 地 铁十号线 车站主体为分离岛式车站，采用高平直墙结构(主通道为：12.62015.725 m，抬高段高为18.800m) 地质情况复杂，包括粉细砂和砂砾层等。地下水位高 洞桩法(PBA工法) 11 北京地铁光华路站 北 京 地 铁十号线 主体为单跨三洞地下局部双层分离岛式 结 构 开 挖 宽 度109 m，高度95 m车站主要通过第四系全新统冲洪积层和第四系晚更新统冲洪积层 中隔壁法(CRD工法)12 苏州街车站 北 京 地 铁1O号线 双 层 暗 挖 段 共 长1660m开挖宽度225m 主要地层从上至下为：粉质黏土层、粉土层

12、、圆砾卵石层、中粗砂层、粉细砂层、粉质黏土层、卵石圆砾层，基底位于卵石圆砾层。 洞桩法(PBA工法) 13 天坛东门站 北京地铁5号线 车站全长为1917 m，宽为239 m 位于永定河冲积扇中部地区，地层由上至下大致分为：人工填土层，粉质砂土层，粉质粘土与卵石层 中洞中隔壁法(CRD工法) 14 北京城市地铁东直门地下区间 双跨连拱隧道.典型断 面 开 挖 宽 度 为12.05m，开挖高度为7.397m 地层情况由上到下依次为人工填土层，粉细砂层，粘质粉土粉质粘土层，粉细砂层，以下为粘土层。 中洞法 15 公园前站至纪念堂站暗挖区间隧道 广 州 地 铁二号线 洞室宽1045 m最大拱高770

13、5 m平均埋探为14915 m围岩为全风化微风化粉砂岩、砂砾岩地表为杂填土和粉质粘土 中隔壁法(CRD工法)/ -5- 16 防护密闭门段 深 圳 地 铁科 学 馆 华 强 路 区间隧道 开挖断面737 m ，开挖最大宽936 m、高9385m。 土层为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，均属于类围岩的富水软弱地层 中隔壁法(CRD工法)17 慕尼黑地铁 慕 尼 黑 地铁渡线段 最 大 开 挖 断 面176m2，宽度13.2m，宽高比最小为0.5 土层为受承压水影响的砂层、粉土质层、粘土质和泥灰质地层。 中隔墙法(CD工法)，双侧壁导坑法(眼镜法) 18 横滨地铁车站 埋深2

14、0m，开挖面积146m2，宽16.8m，高10.97m，扁率0.347地层为暗蓝灰色粉砂质泥岩与中细粒砂岩互层 双侧壁导坑法(眼镜法) 19 第一武田尾隧道车站 国 铁 福 山线 埋深0100，开挖面积130m2，长120m，宽19m，高10.24m，扁率0.461 流纹石英鞍山岩，较破碎 侧壁导坑法，中央导坑先行 由表3并结合以上分析，可以看出大断面隧道施工中，各种施工方法都有比较成熟的应用，其中尤以CD法、CRD法、中洞法、眼镜法、洞桩法等应用最为广泛。 3. 常用工法的定性比较 以下是这几种常用施工方法的定性比较。 实践经验证明，台阶法控制地表沉降优于全断面法，中隔墙法(CD法)、眼镜法

15、(双侧壁导坑法)控制地表沉降优于台阶法，眼镜法(双侧壁导坑法)控制地表沉降优于中隔墙法(CD法)。因此一般全断面法适宜于地层稳定的隧道，台阶法适宜于地层较好、断面较小的隧道(70100m2)，中隔墙法(CD法)适宜于地层较好、断面稍大且为减少废弃工程，加快施工进度，减少开挖分块的隧道(90120m2)，CRD工法适宜于需要严格控制变形的松软围岩隧道，其工序较多、施工进度慢、废弃工程量大，投资偏高；眼镜法(双侧壁导坑法)适宜于地层较差、断面较大的隧道(>100m2)。 表4 几种暗挖施工方法的定性比较 项目 CD法 CRD法 中洞法 眼镜法 洞桩法 主 要 技术特点 利用中隔壁 (钢架喷混

16、凝土 )作为立柱承担竖向荷载 分步施工侧洞 先施作中洞，两边对称开挖侧洞 分块开挖，两侧壁(钢架喷混凝土)作为立柱承担竖向荷载 先施作小导洞，并在其中施作钻孔桩，再扣拱继续下挖，做二衬 控制 变形 较好 较好 很好 最好 较好 / -6- 施工 技术 成熟 成熟 成熟 成熟 较成熟 施工 难度 小 小 小 大 较大 施工 安全性 一般 较好 易于保证 较好 一般 施工 进度 较快 慢 最慢 慢 较快 作业 空间 较大 适中 狭小 小 小 工程 造价 偏高 高 高 高 较低 适用 地层 较稳定、浅埋，跨度小于等于18m 软弱、浅、偏，跨度小于等于20m 小跨度，连续使用可扩成大跨度 较弱、浅、偏

17、，小跨度，可扩成大跨 4. 施工方法判定指标 隧道的开挖必然会造成洞室周围土体的塑性破坏，引起土体沉降，从而导致既有房屋产生差异沉降，影响其安全使用。从维护既有房屋安全使用角度出发，必须采取措施，把施工的影响限定在既有房屋使用安全许可范围内，因此，开挖引起的土体沉降(房屋沉降)可作为评价开挖方法优劣的指标。此外，长期以来施工方法的优劣往往仅从技术指标来考虑，而忽视技术控制标准和技术控制水平的相关性，殊不知技术指标的完成有赖于当今的技术水平，因此本文也将两者是否匹配作为一个指标来考虑。 总之，以房屋安全使用为根本目标，至少可以选取如下几个指标来衡量施工方法优劣： 1、房屋最大累计沉降量 2、技术

18、水平与控制指标是否匹配 5. 工程实例 1、某居民楼与地铁线关系概况4 某居民楼楼为砖混结构，建于二十世纪七十年代。据调查，I段地上5层，地下一层，长度为47.7米，宽度为9米，I段埋深为5米。承重墙体距隧道外轮廓仅2.8m，隧道顶部距基础底面最小垂直距离为6.32m；居民楼与地铁线隧道平面关系及典型横断面如图1示： / -7- 图1 某楼与隧道剖面关系图 2、地质概况 区段隧道结构顶穿越地层主要以砂层、卵石、圆砾层为主，洞身穿越地层以卵石、圆砾层夹粉质粘土层、粉土层透镜体或薄层为主，隧道穿越地层岩层分级为级围岩，自稳能力差，难以形成自然拱，在地下水作用下易发生涌水、涌砂及坍塌。隧道地基持力层

19、主要以卵石层、圆砾层为主，设计均采用天然地基。隧道顶板及边墙均在潜水水位以上，其中DK7+072DK7+1 3 7段部分底板在潜水位以下，地下水位标高在267m(地表高程为462m，地下水埋深为195米左右)。具体地质见下区段地质纵剖面图2： 图2 区段地质纵剖面图 对于本文工程实例来说，根据浅埋暗挖大断面施工特点及设计书对比可以排除全断面法、CD法、眼镜法、中洞法和台阶法，而重点比较CRD法和洞桩法。 6. 洞桩法和 CRD 工法介绍 1、洞桩法(PBA工法)原理 / -8- 洞桩法是在综合了以往地下工程中已广泛应用的浅埋暗挖分部法和盖挖法的特点的基础上出现的，其核心思想则是采用先支护后开挖

20、的施工模式。实际上是一个“将断面化大为小、先完成受力框架结构”的典型思路的具体应用。其原理就是将传统的地面框架结构施工方法(即在地面先做基坑围护桩。然后从上向下进行基坑土方开挖。必要时加撑防止基坑变形。开挖到底后从下向上施工框架结构)和暗挖法进行有机结合，即在地面上不具备施工基坑围护结构条件时。改在地下提前暗挖好的导洞内施作围护边桩、中柱、底梁和顶梁、顶拱共同构成桩、梁、拱(PBA即为桩Pile、梁Beam、拱Arc三个英文字母的简称)支撑框架体系，承受施工过程的外部荷载，然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖土体，施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载

21、体系。 2、CRD工法 CRD法施工，即在隧道断面中部设置中隔墙，将断面分块，达到降低开挖跨度和开挖高度的效果，进行分部开挖，分块成环，化大为小，步步封闭，环环相扣形成全断面初期支护封闭结构；同时在施工中，加强监控量测，依靠量测数据进行支护与施工。 可以分为“四步法”开挖和“六步法”开挖，若开挖宽度大于10m则采用六步法开挖，若开挖宽度小于10m则采用四步法开挖。 7. 洞桩法和 CRD 工法的分析比较 (一)CRD工法施工 根据本工程实际情况,初始拟采用以下施工流程,由于开挖宽度大于10m，因此采用“六步法”开挖，简图3如下: 各洞室开挖采用台阶法施工，台阶长度控制在35m以内，在遇水开挖困

22、难地段台阶长度适当缩短。开挖循环进尺严格控制为0.5m。 结合现场情况分析可知，控制标准要求差异沉降小于1012mm，亦即绝对沉降小于1520mm，而从数值模拟预测可知，采用CRD工法施工，要保证这一要求，对施工技术提出非常高的要求，就现有施工水平而言，可谓难度极大，况且在洞内采用三层小导管技术并不成熟，长期的实践也证明隔离桩最多能提供2030的作用，寄希望于依靠隔离桩大幅减小沉降不现实。因此对于本工程采用CRD工法是不适当的。 (二)洞桩法施工 有鉴于本工程采用CRD工法施工的风险，结合前述分析拟确定采用洞桩法施工，但为了图3 CRD法施工工序简图 / -9- 第一步：两侧小导洞施工 第二步

23、：洞内灌注桩施工第三步：冠梁、导洞内初支及初支拱背回填施工第四步:拱部土体超前加固、开挖，破除导洞内壁初支，完成拱部初支施工（形成扣拱）。第五步：开挖至导洞底板位置并安设横撑第六步：施作拱部二次衬砌第七步：开挖下断面土方至底板第八步：施作底板部分边墙衬砌 第九步：完成剩余边墙衬砌有效降低最终沉降，就需要较为精确地掌握施工过程各步序对隧道围岩与邻近房屋的扰动程度上的区别,以期把风险降到最低，本文采用三维有限差分程序，模拟现场土层条件和施工条件，对洞桩法施工方案建模计算，分析各种步序下的沉降，与实测数据进行对比，及时调整施工手段，模拟过程中利用拟定的评价指标对施工方案优劣进行判定，以便及时总结出适

24、合某一特定施工条件下较为通用的方法，利于推广使用。 具体施工流程如下图4所示： 图4 施工流程图 1模型基本假定及建模基本说明 1）土体采用摩尔-库仑本构关系作为屈服准则、采用大应变变形模型计算； 2）假定土层均成层水平分布，土层参数按地勘资料选取； 4）约束除地表外其它五个方向的法向位移； 5）假定土体和结构的应力应变均在弹塑性范围内变化； 6）由于隧道埋深较浅，初始应力由土地自重产生； 7）不考虑地下水在开挖过程中的影响； / -10- 8）计算建模时，加密隧道周边的网格剖分； 9）由于时间关系，只对导洞的施工情况进行模拟分析； 10）为了较为准确反映建筑物的特征，建筑物采用实体单元进行模

25、拟，用interface接触面单元模拟建筑物和地层间的接触关系，用pile单元模拟中洞的钢拉杆； 11）模拟时对分别对某小区10号楼段进行建模分析，模型纵向尺寸由建筑物的长度决定。 2对以下不同施工阶段的地表沉降和房屋沉降情况进行模拟分析： 南导洞开挖完;北导洞开挖进尺18m;北导洞开挖进尺36m;北导洞开挖完；中洞进尺18m;中洞进尺36m;中洞开挖完成；中洞开挖至第二开挖面；开挖剩余部分土体并封闭基底； 3洞桩法穿越建筑物段施工模拟分析 某小区10号楼段计算模型网格划分如图5所示，共计27568个单元，整个模型计算范围为100m80m48m(宽高长)。 图5 10号楼段模型网格划分 建筑物

26、监测点随上文提到施工步序的沉降值如下图所示 -18-16-14-12-10-8-6-4-200 2 4 6 8 10沉降值(mm)施工步序 南侧北侧 图6 某小区10号楼段建筑物监测点沉降曲线 / -11- 4.监测数据分析 直径线浅埋暗挖隧道在DK7+429.45DK7+060施工段的南导洞因远离建筑优先施工，通过监控量测，得到以下某小区10号楼的相关数据。 根据设计书，最大绝对沉降值要求小于40mm，对比模拟和监测数据可以看出，预测和实测数据比较吻合，表明所建立的三维模型是合理的，而且目前的施工(导洞完成)完全可以保证其绝对沉降值在可控范围内，显示施工方法及施工步序的安排也是合理的。未来施

27、工可通过加固措施来保证沉降。 8. 结论 本文首先对大断面隧道分类做了总结，并结合大断面隧道工程实例，从定性和定量角度研究了特定条件下施工方法选择问题，提出了如下观点： (1)认为泛谈某种工法优劣是没有意义的，工法的选择和特定的工程环境是密切相关的。 (2)提出了工法的选择应该特别考虑施工技术水平的可达性，仅从理论、模拟计算、经济性等角度去考虑工法的可行性、优劣性有失偏颇。 (3)提出评价工法选择的优劣，应该从定性和定量两方面入手；定量方面，应尽可能选用三维模型，这样能较为准确地反映隧道长度、埋深及隧道开挖面支护力等因素对土体的扰动影响以及建筑物受力和变形的空间效应；定性方面，应从工程安全、技

28、术、经济等全面进行比较，二者结合才能确定施工方法是否最优。 / -12- BY10J3-6.00-5.50-5.00-4.50-4.00-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.004-224-274-284-294-305-15-25-35-45-55-65-75-85-95-105-115-125-135-145-155-175-185-195-205-215-235-245-255-265-275-285-295-305-316-16-26-36-46-56-66-76-86-96-106-116-126-136-146-156-166-176-186-196-206-216-226-236-246-256-276-29