隧道工程浅埋暗挖法施工要点_王梦恕
编者按:地下工程浅埋暗挖法是王梦恕院士在长期科研与实践的基础上, 于20世纪80年代中期创立的, 并在北京市地铁工程中首次应用成功。经过近20年的应用与实践, 浅埋暗挖法从基本理论到适用范围及施工方法、工艺均有了进一步的拓展。现王梦恕院士对拓展后的浅埋暗挖法要点进行总结, 以进一步推进其应用与发展。本刊拟分三期刊载该文, 以飨读者。
———本刊编辑部
隧道工程浅埋暗挖法施工要点
王梦恕
(1. 中铁隧道集团有限公司, 河南洛阳
471009; 2. 北京交通大学, 北京
100044)
摘要:明确了浅埋地下工程的基础概念, 阐述了浅埋暗挖法的基本原理及发展方向, 指出了浅埋暗挖法的施工原则。同时对浅埋暗挖各施工方法(全断面法、台阶法、中隔墙法和交叉中隔墙法、双侧壁导坑法、双CD 法及特大断面的施工方法包括中洞法、柱洞法、侧洞法和桩柱法) 的施工要点, 适用范围及条件, 优缺点进行了介绍和比较。最后总结强调了浅埋暗挖法施工要点。关键词:浅埋暗挖法; 原理; 发展方向; 施工原则; 施工方法; 适用范围及条件; 优缺点比较中图分类号:U 455
文献标识码:B
Outli ne of Tunnel Construction by m eans ofM et hod of
Undercutti ng w it h Shallo w O ver bur den
WANG M eng -shu
1, 2
(1. Ch i n a Rail w ay TunnelGroup Co . , Lt d . , Luoyang 471009, Henan , China ;
2. B eiji n g J iaot o ng U niversity , B eiji n g 100044, Ch i n a )
Abst ract :The paper clarifies t h e concept o f underground wo r ksw it h sha ll o w overbur den , expa tiates on t h e basic princi -ple and deve l o p m ent trend o fm ethod o f undercutting w ith shallo w ove r burden and p r esents t h e princip l e s o f constr uction
by m eans o fm ethod o f undercu tting w ith sha llo w over bur den . Fu rthe r m o r e , t h e paper m akes a desc ription and co m pari -son of the construc tion outline , app licable scope and conditi o n , advantages and disadvan tages of the diffe r ent constr uc -tion m e t h ods of undercu tting w ith shallo w overbur den , which incl u de f u ll cross -secti o n m ethod ,
t o p heading /bench
m e t h od , cen ter diaphrag m (CD ) m ethod , cr oss diaphragm (CRD ) m ethod , doub l e side d riftsm e t h od , asw ell as centr a l driftm ethod , column -d riftm ethod , side driftm e thod and pile -bea m -arch (PB A ) m e t h od su itable fo r t u nnels w ith su -per -lar ge cr oss -sections . Fina ll y , t h e paper summ arizes the outli n e of tunne l constr uction by m eans ofm ethod o f under -cutting w ith sha ll o w ove r burden so as to achieve e mphasis effec. t
K ey w ords :m e t h od of undercutting w it h shall o w ove r burden ; principle ; developm ent trend ; construc tion principle ; constr ucti o n m e t h od ; app licable scope and conditi o n ; co m parison of advantages and disadvan tages
1
1. 1
概述
浅埋地下工程基本概念
(1) 浅埋隧道定义
(2) 浅埋隧道特点
最大的特点是埋深浅, 施工过程中由于地层损失而引起地面移动明显, 对周边环境的影响较大。因此对开挖、支护、衬砌、排水、注浆等方法提出更高要求, 施工难度增加。
(3) 浅埋地下工程的施工方法
主要包括:明挖法(盖挖法)、盾构法、浅埋暗挖法。浅埋地下工程施工方法比较见表1。
铁路隧道:对于单线或双线隧道洞顶埋深小于:V I
级围岩35~40m 、V 级围岩18~25m 、I V 级围岩10~14m 、III 级围岩5~7m , 为浅埋隧道。
城市地铁:覆跨比H D /在0. 6~1. 5时为浅埋, H D /小于0. 6时为超浅埋。
收稿日期:2005-12-25
作者简介:王梦恕(1938-), 男, 河南温县人, 中国工程院院士, 隧道及地下工程专家。
表1
Table 1
方法地质占用场地断面变化深度防水地面下沉交通影响地下管线震动噪音地面拆迁水处理进度造价
浅埋地下工程施工方法比较
Co m parison o f different constructi on m e t hods for unde rground wo rks w ith shall ow ove rburden
明(盖) 挖法各种地层均可占用街道路面较大适用于不同断面
浅较易小影响很大需拆迁和防护
大大降水、疏干拆迁干扰大, 总工期较短
大
盾构法各种地层均可占用街道路面较小不适用于不同断面需要一定深度
较难较小竖井影响大不需拆迁和防护
小较大堵、降水结合
前期工程复杂, 总工期正常
中
暗挖法
有水地层需特殊处理不占用街道路面适用于不同断面需要深度比盾构小
有一定难度
较小影响不大不需拆迁和防护
小小
堵、降或堵排结合开工快, 总工期正常
小
前联邦德国地铁建造成本变化见图1
。与施工。
浅埋暗挖法大多用于第四纪软弱地层的地下工
程, 围岩自承能力很差, 为控制地表沉降, 初期支护刚度要大、要及时。特征曲线(见图3) 中C 点尽量靠近A 点, 即尽量增大支护的承载, 减少围岩的自承载。要做到这点, 必须遵守十八字方针, 初支必须从上向下施工, 初支基本稳定后才能做二衬, 且必须从下到上施工
。
图1
F ig . 1
ny
前联邦德国地铁建造成本的变化
V aria tions o f construc ti on costs ofM e tro W orks in G e r m a -
1. 2浅埋暗挖法基本原理(1) 浅埋暗挖法名称的确定
在小导管超前支护技术、格栅拱架制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技术等基础上, 在软弱地层必须快速施工的理念, 突出时空效应对防塌的重要作用, 先后在军都山黄土隧道、北京地铁复兴门折返线、复—八线、西单车站采用浅埋暗挖技术取得了巨大成功(见图2) 的基础上。1987年8月, 北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会, 对浅埋暗挖技术进行评价, 会上确定取名为“浅埋暗挖法”,适用范围:各种软弱地层的地下工程设计与施工。浅埋暗挖法又经过十几年的广泛应用, 形成了一套完整的配套技术, 被评为国家级工法, 并正式提出“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。
(2) 浅埋暗挖法施工原理
浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理:采用复合衬砌, 初期支护承担全部基本荷载, 二衬作为安全储备, 初支、二衬共同承担特殊荷载; 采用多种辅助工法, 超前支护, 改善加固围岩, 调动部分围岩自承能力; 采用不同开挖方法及时支护封闭成环, 使其与围岩共同作用形成联合支护体系; 采用信息化设计
第5期 王梦恕 隧道工程浅埋暗挖法施工要点3
究新的辅助工法和施工工艺, 以适应各种地层条件、埋深、跨度等方面的要求。
(2) 以信息化设计法补充和丰富传统的经验类比设计法
根据地表建筑物条件, 选择合理的沉降值和结构刚度, 并通过监控量测资料, 及时调整、优化支护参数。对于地面无建筑物、地下无管线、对地面沉降要求不高时, 可采用刚度较小的支护结构, 以发挥围岩的自承能力; 对于地面沉降要求比较严格的区段, 应采用刚度较大、先柔后刚的网构钢拱架支护结构, 以防止围岩过度变形。
(3) 选择适宜的辅助施工措施
常用的有:环形开挖留核心土; 喷混凝土封闭开挖工作面; 超前锚杆或超前小导管支护; 超前小导管周边注浆支护; 设置上半断面临时仰拱; 深孔注浆加固地层; 长管棚超前支护; 特殊地层冻结法; 水平旋喷超前支护; 地面锚杆或高压旋喷加固地层; 降低洞内、洞外地下水位; 洞内超前降排水。
(4) 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
图2
F ig . 2
浅埋暗挖法最初应用成功实例
避免地层的过分变形。
②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3. 5~3. 7m , 以确保1m 左右导管插入破裂面以外。
③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d ≤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。
④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。
(5) 富水地层的结构防水
目前的设计思路是:第一道防水线是初支和二衬之间铺设全包防水板; 第二道防水线是二衬防水混凝土。
实践证明在无水或少水地层是有效的, 在富水地层失败。
①原因:1) 初支表面混凝土不平整, 锚杆头也难于处理, 难以保证防水板的完整性, 特别是钢筋混凝土更易造成防水板破坏, 这样封闭防水层结构的设计思想得不到落实; 2) 防水板与初支之间容易形成水囊,
P ict u res o fw orks case sw he re m e t hod of unde rcutti ng w ith sha ll ow overburden is pre li m ina ril y appli ed w it h
success
图3
F ig . 3
围岩特征曲线与支护刚度曲线示意图
Curve o f characteristi c behav iors of s u rrounding rock m ass and cu rve of rigidit y o f reinforce m ent
1. 3浅埋暗挖法的发展方向
浅埋暗挖法具有很多优点, 但其缺点是:施工速度
慢, 施工工艺受施工队伍的技术水平限制等。
(1) 拓宽浅埋暗挖法的应用范围
目前浅埋暗挖法已经推广到广州、深圳、北京、杭州等地特殊的流沙、淤泥、含水砂层、流塑、半流塑地层; 埋深缩小到0. 8m ; 暗挖施工的车站跨度达26m ; 穿越密集民房。随着建设项目的增多, 还需进一步研
4隧道建设 2006年10月 第26卷
一旦防水板破裂, 水就会在薄弱环节寻找出路, 造成施工缝漏水; 3) 采用全包防水板, 水压直接作用在二衬上, 容易造成衬砌开裂而漏水。
②改进措施:1) 加强初期支护的防水能力, 提倡喷射防水混凝土, 也可在初支与围岩之间进行填充注浆, 把地下水拒之初支之外; 2) 在初支表面布设一定数量的引水盲管, 将少量初支渗漏水引排出去, 防水板铺设到墙脚配合二衬防水混凝土防水, 仰拱不铺设防水层, 对进入初支结构和二衬之间的渗漏水应遵照以排为主的原则处理。
能自稳时, 采取辅助施工措施后, 仍应优先采用大断面开挖法。
③应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二衬作业的配套机具, 为快速施工创造条件, 设备投入量一般不少于工程造价的10%。
④施工过程的监控量测与反馈非常重要, 必须作为重要的工序。
⑤工序安排要突出及时性, 地层差时, 应严格执行十八字方针。
⑥提高职工素质, 组织综合工班进行作业, 以提高质量和速度。
⑦应加强通风, 洞内外都要处理好施工、人员、环境三者的关系。
⑧应采用网络技术进行工序时间调整, 进行进度、安全、机械、监测、质量、材料、环境管理。2. 2浅埋暗挖施工方法的比较
浅埋暗挖各施工方法的比较见表2。
2
2. 1
浅埋暗挖法施工原则及方法的比较
浅埋暗挖法施工原则
①根据地层情况、地面建筑物特点及机械配备情
况, 选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断
面大或地层较差; 可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法; 若断面小或地层较好, 可用全断面开挖法。
②应重视辅助工法的选择, 当地层较差、开挖面不
表2
Table 2
施工方法全断面法正台阶法
上半断面临时封闭正台阶法
正台阶环形开挖法单侧壁导坑正台阶法中隔壁法(CD 法) 交叉中隔壁法(CRD 法) 双侧壁导坑法(眼镜法)
中洞法侧洞法柱洞法盖挖逆筑法
浅埋暗挖各施工方法的比较
Co m parison o f different constructi on m ehtods o f unde rcutti ng w ith shall ow ove rburden
适用条件地层好, 跨度≤8m 地层较差, 跨度≤12m 地层差, 跨度≤12m 地层差, 跨度≤12m 地层差, 跨度≤14m 地层差, 跨度≤18m 地层差, 跨度≤20m 小跨度, 可扩成大跨小跨度, 可扩成大跨小跨度, 可扩成大跨
多层多跨多跨
2
沉降一般一般一般一般较大较大较小大小大大小
工期最短短短短较短较短长长长长长短
防水好好好好好好好差差差差好
拆初支无无小无小小大大大大大小
造价低低低低低偏高高高较高高高低
3全断面开挖作业
(1) 施工顺序
m 以下, 隧道又处于I V 级围岩地层时, 为了减少对地层的扰动次数, 在采取局部注浆等辅助施工措施加固
地层后, 也可采用全断面法施工, 但在第四纪地层中采用此施工方法时, 断面一般均在20m 以下, 且施工中仍须特别注意, 山岭隧道及小断面城市地下电力、热力、电信等管道工程施工多用此法。
(3) 优缺点
全断面开挖法有较大的作业空间, 有利于采用大型配套机械化作业, 提高施工速度, 且工序少, 便于施工组织和管理。但由于开挖面较大, 围岩稳定性降低, 且每个循环工作量较大。每次深孔爆破引起的震动较大, 因此要求进行精心的钻爆设计, 并严格控制爆破作业。
(待续)
2
全断面开挖法施工操作比较简单, 主要工序:使用
移动式钻孔台车, 首先全断面一次钻孔, 并进行装药连线, 然后将钻孔台车退后50m 以外的安全地点, 再起爆, 一次爆破成型, 出碴后钻孔台车再推移到开挖面就位, 开始下一个钻爆作业循环, 同时, 施作初期支护, 铺防水隔离层(或不铺), 进行二次模筑衬砌。
该流程突出两点:增加机械手进行复喷作业, 先初喷后复喷, 以利于稳定地层和加快施工进度; 铺底混凝土必须提前施作, 且不滞后200m , 地层较差时铺底应紧跟, 这是确保施工安全和质量的重要做法。
(2) 适用范围
全断面法主要适用于I ~II 级围岩, 当断面在50