地下空间施工新技术

2地下空间施工新技术

随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨 许多城市都不同程度地出现了建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施落后、 生态失衡、环境恶化等城市病，给人们的居住生活带来很大影响，也严重制约了城市经济与 社会的进一步发展，成为我国现代城市可持续发展的障碍。因此，地下空间在城市可持续发 展中的作用与地位日益凸显，越来越得到人们的重视。在国际上，1991年，《东京宣言》 提出“21世纪是人类地下空间开发利用的世纪”，国际隧道协会也提出了“为了城市的可 持续发展，更好地利用地下空间”的口号。

目前，我国已经开始大规模地利用地下空间进行地下铁道、地下停车场、地下仓库、地下商 场等地下结构的建设及热力管道、电力管道、通信电缆、给排水管道、燃气管道各种管道的 铺设。

在地下空间的开发利用过程中，地下结构施工技术也得到了长足的发展。其中具有代表性的 是：

(1)明挖技术。即各种形式的基坑支护开挖技术。

(2)暗挖技术。暗挖技术是与明挖法相对的、各种非敞开或小部分敞开的开挖技术。

(3)托换技术。托换技术是解决对原有建筑的地基需要处理和基础要加固的问题，以及解 决在原有建筑基础下需要修建地下工程和邻近需要建造新工程而影响到原有建筑物的安全等问题的技术总称。

本章主要对目前采用的各种新型的地下空间结构施工新技术作简单介绍。

2.1暗挖法

2. 1.1新奥法

1．概述

所谓新奥法，即“新奥地利隧道施工法”（New Austrian Tunnelling Method），国际上简称为NATM，是一种在岩质、土砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支撑环结构为目的的隧道设计施工方法。新奥法采用的主要支护手段是喷射混凝土结构和打锚杆。

新奥法基本原理：施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行喷锚支护（初期），使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。

新奥法适用于具有较长自稳时间的中等岩体、弱胶结的砂和砾石以及不稳定的砾岩、强风化的岩石、刚塑性的黏土泥质灰岩和泥质灰岩、坚硬黏土及在很高的初应力场条件下的坚硬和可变坚硬的岩石。

新奥法与传统施工方法的区别：传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩；而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。

2．新奥法施工技术

(1)施工工序

新奥法施工工序可以概括为：开挖→ 一次支护→二次支护。

1)开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。

2)开挖作业的方法有：①全断面开挖法，即一次完成设计断面开挖，再修筑衬砌，是在稳定的围岩中采用的方法；②台阶开挖法，即将设计开挖断面分上半部断面和下半部断面两次进行开挖，或采用上弧形导坑超前开挖和中核开挖及下部开挖；③侧壁导坑环型开挖 法，多用于不良地质条件下，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。

3)第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土。

(2)技术要点

1)开挖作业宜多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大断面开挖，以减 少对围岩的扰动。

2)隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用。

3)根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土 和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛。

4)适时进行衬砌，衬砌要薄，以防止产生弯矩，用钢筋网、锚杆加强衬砌而不要增加 厚度。

5)在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道 稳定。

6)二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结 构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。

7)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中。

8)通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序，进行设计变更及 日常施工管理。

9)采用排水的方法降低岩体中水的渗透压力。

3．技术特点

新奥法施工具有以下特点：

(1)及时性。新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业 面施工，及时支护，有效地限制支护前的变形发展，阻止围岩松动。在必要的情况下 可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和 有效性。

(2)封闭性。由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地 防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体 强度。

巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有 可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好地充填围岩的裂隙、 节理和凹穴，大大提高了围岩的强度（提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起 到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂 隙张开，导致围岩失去稳定。

(3)粘结性。喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：

1)连锁作用。即将被裂隙分害4的岩块粘结在一起，若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的连锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后，如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别危岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。

2)复合作用。喷锚支护结构在提高围岩的稳定性和自身的支撑能力的同时，与围岩形成了一个共同工作的力学系统，共同支护围岩。

3)增加作用。开巷后及时进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因 岩面不平引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力，提高了围岩的粘结力C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。

(4)柔性。喷锚支护属于柔性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适

度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。