城市地下工程施工技术在我国的现状.分类和发展

现代隧道技术２００８年增刊（２０－２６）

城市地下工程施工技术在我国的现状、分类和发展

梁

波１

洪开荣２梁庆国３

（１重庆交通大学土木建筑学院，重庆４０００７４；２中铁隧道集团有限公司广州指挥部，广州５１００８０；

３兰州交通大学土木工程学院，兰州７３００００）

摘要２ｌ世纪中国的城市化进程对城市地下空间的开发利用带来了空前的机遇和挑战，城市地铁建设尤其是施工技术将是其中最重要的课题之一。文章分析了目前我国城市地下工程施工方法的现状；重点讨论了应用于不同施工方法中的施工辅助技术，即岩土加固技术、防水技术、信息技术和环保技术；对城市地下工程施工技术进行了分类；展望了未来我国城市地下工程施工技术的发展趋势。

关键词城市地下工程施工技术辅助技术发展趋势

１

引言

系统、防空防灾系统和能源及物资储备系统等。城市地下空间的开发利用对于保护和改善城市环境、节约土地资源、缓解城市交通拥挤、建设城市地下市政管线公用隧道、治理和降低城市大气污染和酸雨区、消除垃圾围城现象、加强国防及防灾减灾能力，从而整体提高城市生产、生活质量，都具有十分重要的理论和现实意义¨’４’７

ｑ

ｏ。

中国是全球第一人口大国，改革开放以来，其经济发展速度和城市化速度目前位居世界之首。随着经济的发展，我国城市化水平进入了加速发展阶段，城镇人口近５亿…。城市化水平从１９９０年的１８．９６％提高到１９９８年底的３０．４％，预计到２０１０年及２１世纪中叶将达到４５％和６５％，我国的城市将由现在的６００多个增加到１０００多个，接近世界发达国家的城市化水平旧Ｊ。因此，国际上的专家曾预言，２１世纪世界上最具影响的事件是美国的高科技和中国的城市化ｐＪ。但经济的快速增长和城市化进程的加快却引起了一系列问题，诸如：人口爆炸、破坏性建设、环境污染、资源短缺、以及越来越严重的交通问题等ＨＪ。为解决上述问题，从集约化和可持续的经济发展战略以及国防战备需要出发，大城市向地下空间的开拓已成为２ｌ世纪的一个重要的发展方向，包括我国在内的世界各国都日益重视地下空间的开发利用。因此，国际上一种普遍流行的观点就是：“１９世纪是桥梁的世纪，２０世纪是高层建筑的世纪，２１世纪则是地下空间的世纪”Ｈ曲Ｊ。城市地下空间的开发利用主要是依托地下工程建设进行的，主要解决的应当是交通系统、市政公用设施

修改稿返回日期：２００８一０７—２０

基金项目：基金项目：广州市建设科技项目（ＤＸ（２００５）１３）资助作者简介：梁波，男。教授，博士，博士生导师．・２０・

目前，就我国的实际情况来看，首当其冲的问题是就是解决交通拥挤，其中尤以修建地铁和轻轨为主【７Ｊ。“十五”期间将是我国城市地铁建设与城市建设整合及高效、综合开发利用地下空间资源的重要历史时期”、８１。我国继六十年代在北京、七十年代在天津、八十年代在上海兴建地铁后，目前有ｌＯ个城市正在修建地铁，包括北京、天津、上海、南京、广州、深圳等，正在规划地铁工程的城市有２５个，正在深化设计的有３８条线路。据估计，在二十一世纪的前二十年间，我国的地铁线路将超过２

０００ｋｍ［７】。

城市地下工程的关键是施工技术［１０１，施工技术作为地下工程施工的前期环节和主要组成部分，是决定城市地下工程成败的关键因素。而目前应用的相关施工技术多达数十种，并且冠以了“技术、方

法、工法”等多种名称。因此，结合目前科学技术和

经济发展的实际水平，对目前地下工程施工有关的

城市地下工程施工技术在我国的现状、分类和发展

技术、方法、措施等相关问题，特别是针对我国特有的复杂多样的地质条件，进行系统的总结、分析和评价，就具有重要的理论和现实意义。

物，其设计和施工受到工程地质条件和周围环境条件等因素的控制，施工难度大，需要考虑但却不可预见的因素众多，而其中的关键问题则是施工方法和技术¨０’１２Ｊ。选择合理的施工技术和方法是决定地下工程成败的关键因素。通常需考虑的主要因素大

２城市地下工程施工方法现状

在对这个问题进行论述前，首先应明晰有关的基本概念。

“技术”有广义和狭义之分：狭义上，泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺

体上可归纳为：①工程的重要性，主要是工程投资规模和运营后的社会、经济和环境效益；②工程的断面

尺寸、埋深等；③工程所处的工程地质和水文地质条

件；④施工条件，包括技术条件、装备情况、安全状况、施工中动力和原材料供应情况等；⑤有关地面沉

降、环境污染等环境方面的要求和限制等¨３－ｔ４］。

其中，对地铁施工方法有决定影响的是地质水文条件和埋置深度¨２‘。我国城市的地质条件按其地质特性可分为四大类：一是软土为主，如上海市，隧道和地下车站修筑在软土层中；二是软弱地层与岩层（风化岩层）交变，如南京、广州等地：三是以岩层为主，如重庆、青岛等地；四是以砂卵层为主，如成都、北京等地¨５｜。表１给出了我国部分城市的工程地质类型分类¨２。。由于地质条件不同，所采用的施工方法也不尽相同。同时，隧道施工方法的选择是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对上述影响因素进行分析可以看出，地下工程施工及施工技术的选择应当牢固树立和坚持技术可行、安全可靠、经济合理、环境优好的理念和原则¨¨埔１。

操作方法与技能，如电工技术、焊接技术等；广义地

讲，还包括相应的生产工具和其它物质设备，以及生产的工艺过程或作业程序、方法等¨１１。从这个意义上讲，技术比方法的内涵和外延要丰富和广泛得多，但是在大量的文献资料中，却常常将技术与方法混用。一方面，施工方法是基础，包括施工的思想、原则等宏观和较高层次的内容；另一方面，技术是实现其思想、原则的手段，则更为具体地体现为相关的材料、设备、工艺等。因此，一套完整的地下工程施工技术应包括上述两个方面的所有要素和内容。

地铁修建过程中，主要涉及三种类型的土建工程：①深基坑工程，主要用于车站，地下停车场和地

下仓库；②隧道工程，主要用于地铁区间线路修建；③高架桥梁结构工程。其中，较为典型的地下工程

则是前两者。众所周知，地下工程是埋设在土体或岩体中的以土体或岩体为介质和环境的工程结构

表１

城市类型滨海型

城市亚类型滨海平原亚型滨海山地亚型冲积平原型内陆河谷盆地亚型

内陆河谷型

山前倾斜平原亚型

黄土高原岩溶河谷亚型

内陆干旱、半干旱季节冻十区亚殪Ｉ

高原河谷盆地型

深切割河谷亚型高原寒冻河谷盆地亚型

我国城市的工程地质类型划分【１２】

代表性城市

天津、上海、广州、福州、南通、温州等

大连、秦皇岛、烟台、青岛、连云港、厦门、湛江、香港等

沈阳、锦州、郑州、石家庄、合肥、成都等

重庆、宜昌、武汉、长沙、南昌、南京、太原、抚顺、本溪等

北京、呼和浩特等兰州、西安、太原南宁、桂林、贵阳

乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨等

渡口、下关拉萨、西宁

目前在城市地下工程中，以盾构法‘６１、新奥法¨３１和浅埋暗挖法‘２４３等应用较为广泛。其中盾构法是上海地铁和市政隧道采用的主要方法，已取得较好的效果，并具备自主创新的能力，处于国内领

外还有其它的一些方法如：顶管法‘冽、沉管法‘矧、沉箱法‘圳、ＴＢＭ法‘２８１、非开挖技术‘别、盖挖法和明挖法‘１¨２３１等。从地下工程相对于地面工程的特点出发，可将其施工方法和技术总结为“一个中心，两个基本点”。～个中心就是岩土体和工程结构的稳

・２ｌ・

先、国际先进的水平㈨，其他城市也均有采用。此

现代隧道技术

定与和谐，两个基本点就是开挖和支护，这三者之间联系密切，复杂相关。因此，无论是何种特定的施工方法，除了必须包括最基本的开挖技术和支护技术外，还必须具有相应的辅助技术。

２００８年增刊

如：管棚支护技术‘１３、３３１、抗浮锚杆［３４１、桩基托换技术‘３５】、旋喷桩ｍ】、超前锚杆、地下连续墙、注浆技术‘１３，３７１及降水技术口引等，不一而足。３．２防水技术

防水技术是城市地下工程领域中的重要内容及关键技术之一，不但关系到工程的施工、运营状况、

３地下工程施工的辅助技术

目前我国城市地下工程的施工方法主要有９种，是由多种技术组成的，除了开挖技术和支护技术外，至少还包括下述几个方面的辅助技术。３．１岩土加固技术

主要是指在特殊地质条件和建筑环境下采用的用以加固围岩和地基的技术措施，如：

人工冻结技术（ＦｒｅｅｚｉｎｇＭｅｔｈｏｄ）：是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结并形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕来抵抗水土压力，以保证开挖顺利进行的施工方法。作为一种成熟的施工方法，冻结法在国际上已有１００多年的历史，我国采用此法已有４０多年的历史。确切地说，冻结法不是一种开挖方法，而是面向含水地层的一种加固技术，常作为辅助技术，配合着其他开挖方法使用ｍ。１｜。

ＳＭｗ技术：是采用特殊多轴搅拌钻机在原地层中切碎土体，同时由钻机前端注入水泥浆悬浊液与切碎土体搅拌充分混合而形成止水性较高的水泥土挡墙，并按挡墙功能插入加强芯材的一种地下施工技术。同其他围护结构形式相比，ＳＭＷ挡墙对周围地层影响小、施工噪音小、无振动、工期短；废土量少，基本无泥浆污染；施工占地少；围护结构刚度大；经济性好。ＳＭＷ技术起源于美国而成熟于日本‘引。

此外，还有许多其它的地层加固和预支护技术，

使用功能及使用寿命等，而且与人类生存的大环境

也息息相关ｍ］。国民经济可持续发展战略对环境保护特别是水资源保护提出了更高的要求，因此，我国已制定了许多相关的防水工程技术规范和标准。据不完全统计，防水工程有关规范及技术标准共计１０５项，其中与地下防水工程有关的专项规范２０项。在建筑防水材料国家和行业相关标准中，１５项与地下工程有关，如：地下工程防水技术规范（有关基础标准的２项、产品标准的６４项）、方法标准规范（ＧＢ５０１０８—２００１）、地下铁道设计规范（ＧＢ５０１５７—２００３）、地下工程防水工程质量验收规范（ＧＢ５０２０８—２００２）、混凝土外加剂均匀质试验方法（ＧＢ／鸭０７７—２０００）等。同时还规定了建筑防水工程专业承包企业的资质等级标准，规定专业承包企业资质分为二级和三级ⅢＪ。

我国隧道及地下工程防水按方法大致可分为二类：构造防水和材料防水口¨柚］，从形式上又可分为：水密型防水、泄水型防水和混合型防水。其中的相关防水技术有：结构自防水技术、复合衬砌防水技术、接缝防水技术、注浆堵水技术、结构外防水技术等Ｈ卜训。防水工程的分类及主要内容如图１所示ⅢＪ。在城市地下工程的防水技术中，应该坚持

“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”和“投资

节约、施工方便、效果良好”的原则ｍ－４４１。

盾构法隧道ＴＢＭ法隧道新奥法隧道

浅埋暗挖法地下工程

地下工程防水

注浆防水排水渗漏水防治

采用特殊施工技术的结构防水

沉管、沉箱、沉井顶管ＣＬ法隧道盖挖法、明挖法岩土加固技术防水

混凝土结构细部构造防水混凝土结构的主体防水

结构防水

图１

城市地下工程防水主要内容（据文献［１２６］，有修改）（在文中的出处？没看到）

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城市地Ｔ．Ｙ－程施工技术在我国的现状、分类和发展

地下工程防水技术的整体质量要求是要作到：不渗不漏，保证排水畅通，确保工程结构良好的防水和使用功能。因此，必须从四个环节作到精益求精，即优质的材料、科学的设计、精心的施工和规范的管理ⅢＪ。特别是要重视结构自防水技术，由专业队伍来完成防水工程施工【鲫】。同时应淡化附加防水层作用，重视自防水混凝土的开发和利用Ⅲ】。依靠技术进步，不断研究与开发新技术、新材料、新工艺，完善防水技术的规程与规范ｍ】，努力提高城市地下工程防水技术水平和质量。３．３信息技术

与地面建筑相比，地下构筑物处于岩土介质之中，其最大的特点就是地质环境复杂，影响因素众多，基础信息匮乏，是涉及岩土力学、结构力学、基础工程、原位测试和施工技术等多学科的复杂系统工程ｍＪ。这使得地下建筑在变形特性、结构特征、初始应力场分布、温度和地下水作用效应等众多方面都表现出明显的非均质性、非连续性、离散性和非线性等特点，致使地下建筑物在施工、运营阶段表现出相当独特和复杂的力学特征【６Ｊ，其变形规律和受力特点无论是理论分析、数值模拟或室内外试验，均难以准确把握。因此，通过将理论成果与试验、实测数据进行对照校验，采用相应的方法进行模拟、评价和预测［６．４７撞】，并修改和完善设计施工参数，实现动态施工和管理，已成为一种合理可行的方法，“信息化施工技术”应运而生。

目前在地下工程中最常见的提法和概念莫过于“信息化施工技术”，在许多文献中都有叙述【６川ｊ１’５３镬］。按有些学者的定义，所谓信息化施工，即在施工过程中，以质量控制为目标，通过对大

量施工及监测信息的采集、分解、分类以及处理，提

取施工参数中影响施工质量的控制变量及其对应的信息因子，通过渐进逼近的方法将控制变量进行全过程调整和优化，指导整个施工过程，同时依据前步施工监测信息及施工参数的变化规律，推断下一步施工工况及其对策，施工影响与控制贯穿于整个施工过程始终，它是一个动态跟踪的过程∞卜５４Ｉ。以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计，是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成一体的地

下工程设计方法”１ｌ。据此，凡是与信息采集、信息

处理和信息反馈这三个环节有关的所有技术和方法，如地下工程位移和应力的量测、地下水观测、地表位移和沉降观测、随机介质理论、时空效应原理

等，都应从属于信息化施工技术慨３７’１７朋铷＇５７嘲】。

但是仔细分析“信息化施工技术”的概念不难看出，起源于新奥法的信息化施工技术只是借助于现代量测技术、计算机技术、网络技术等方法和手段，对地下工程施工这一复杂的力学过程中所蕴涵的信息进行综合甄别、分析、处理，从而优化施工参数和进程，它是保证工程顺利施工和安全运营的一种辅助技术。同其他辅助技术一样，信息化施工技术可以贯穿于前述任何类型的地下工程施工技术当中，而在地表工程，如边坡工程、地基工程等施工中也有广泛应用啤。７１。反言之，若信息化施工技术成为独立的一门施工技术，那么诸如盾构法旧ｊ、新奥

法㈣、浅埋暗挖法‘２４Ｉ、顶管法‘引、沉管法‘２６１、沉箱

法‘冽、ＴＢＭ法‘驯、非开挖技术‘圳、盖挖法和明挖法【ｌ¨圳等各具特性的施工方法都应该称之为信息

化施工技术。因为在任何施工方法和技术中，信息

量测、分析和反馈依照国家有关规范都是必不可少的。因此，“信息化施工技术”宜改名为“信息技术”，并且在城市地下工程施工技术中，只能是作为辅助的一种技术手段，目的是提高施工质量和进度、降低成本、减少对环境的扰动和危害；而且，信息科学的思想、理念和现代信息技术应用要始终贯穿于整个工程勘察、设计、施工和运营的各个阶段。

一般地，地下工程项目投资昂贵，任何设计或施工参数取值的不合理都可能造成严重的安全隐患或巨大的投资浪费。目前对地下工程问题的研究主要集中在设计计算理论和施工技术方面，实际上这些

研究对确保地下工程的安全性还是不够的，还需要

有一种科学的安全评估体系指导设计和施工，才能保证工程设计的合理性和施工的安全性，以降低投资浪费Ⅲ】，并减少或避免运营阶段可能产生的安全隐患和损失，因此，信息技术还必须包含和承担地下工程安全评价的重任旧Ｊ。目前我国的城市地下工程主要是以解决地面交通拥挤为主要目的，这就决定了工程场址选择和线路展布方向是以地面交通和土地利用状况来决定的，地铁车站和区间隧道都是修建利用率最高效的地段，而非最易于施工的地段［５２｜。这样以来，一方面，工程所在区域往往是人Ｉ：１密度大、建筑设施集中，对拟建或改建工程可能带来的扰动和影响有严格的要求和控制；另一方面，工程场址附近的地质条件和施工条件，诸如岩土体类型及其工程性质、地下

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３。４环保技术

现代隧道技术

水状况、埋深及尺寸大小等也因已有工程建筑的影响而更趋复杂。因此，地铁与普通城市地下工程相比，对降低或消除工程建设对环境的不利影响方面要求更高。故而，地下工程环保技术在人口集中、经济发达的大中城市里，显得尤为重要。

城市地下工程对环境的不利影响，主要体现在施工过程中和施工完成后，扰动和改变了自然环境和社会环境因素ⅢＪ，如地质环境中原本处于平衡稳定状态的应力场（位移场）、渗流场等¨６ｌ。具体而言，可从以下四个方面来分析：①地下工程施工对地表已有建筑的影响，主要表现形式是地表沉降损害、地

２００８年增刊

工可能带来环境影响类型、因素和程度，通过采取适宜的新材料、新工艺、新设备等措施加以解决。

基于以上分析和认识，可以将地下工程环保技

术大致分为：①计算分析技术，如理论分析、数值分析和数理统计等ｍ埘驯；②试验监测技术，包括地

表移动和变形监测、地下水水质分析、水位和水压力

监测、现场和室内试验等哺灏’；③施工控制技术；④

污染防治技术，如污水和固体废弃物处治技术【鹋】、降低噪声和震动的控制爆破技术【ｌ３，驯等。前两者

是环保技术的基础，后者是其具体体现和最终目的。

应当说明的是，上述的技术分类是相辅相成和辨证统一的，如环保技术中的分析和监测技术等实质上也可以看作是信息技术的范围，控制技术中的一些方法也可看作是岩土加固技术和防排水技术的部分。其间的界限有时实难确切划分，但其共同的目的只有一个，那就是在规章制度的保证和科学规范的管理下，使城市地下工程安全、可靠、经济、“绿色”地顺利完成。

表倾斜损害和曲率损害∽梆埘罔１；②地下工程施工

对已有地下工程的交叉影响¨７＇咧；③地下工程施工引起地下水污染和径流条件的改变以及由此带来的

地质灾害问题【６卜删；④地下工程施工引起的地面震

动、噪声和固体废弃物污染等旧棚］。在不同的地质条件下，采用不同的施工技术，对不同结构类型和尺寸的地下工程进行施工时，上述四个方面的问题均有

可能出现，其中，①、②是因为改变了应力场和位移场

而引起，属于物理或力学范畴的问题，而③、④则包括物理和化学方面的问题。这就要求在选择地下工程施工技术和方法时，要根据城市地下工程区域性、时效性和针对性强的特点，充分认识和预测地下工程施

４城市地下工程施工技术分类

基于对以上各种地下工程施工方法和技术的论述和分析，可将城市地下工程施工方法和技术进行简要的总结、分类，如图２所示。

开挖技术

盾构法｛蓁菱季蓁重篓

新奥法浅埋暗挖法

支护技术

ｒ人工冻结技术

岩土加固技术２ＳＭＷ技术

【管棚支护技术、注浆技术…ｒ水密型防水技术

防水技术

｛泄水型防水技术

Ｌ混合型防水技术，信息识别技术

城市地下工程施工方法沉管、沉箱、沉井法

辅助技术

非开挖施工

撇术激雾筹麓技术

【安全评价技术，计算分析技术

环保技术

顶管法

ＥＣＬ法

｛蓑兰墓雾蓑案

【污染防治技术

盖挖法、明挖法

城市地下工程施工方法＝开挖技术＋支护技术＋辅助技术

图２城市地下工程施工方法和技术分类

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城市地下工程施工技术在我国的现状、分类和发展

术，重视隧道动态设计与动态施工，提高施工技术水平。充分利用先进的监测技术和方法，特别是三“Ｓ”技术等，建立对地表及地下产生形变、位移的数

５城市地下工程施工技术发展趋势

目前，城市地下工程施工技术发展迅速，各种方法和技术屡有创新和突破。结合已有资料和我们对该问题的认识，从我国的实际情况出发，主要的发展趋势是‘３曲，１６埘’４１’４３’６卜眠６６１：①重视ＴＢＭ和盾构机的引进、消化、应用和开发。开发的方向应当是降低成本、提高质量、施工速度快、使用寿命长等。此外，要使盾构技术产品化、系列化，盾构管片设计和施工

据库，并开发有关自动评判分析系统；进行有关地表

荷载及地下空间开拓的仿真模拟试验，以探索自然及人工开拓的复合因素作用下，地下工程施工一地质一生态环境的相互作用机理与耦合效应，为地下工程安全评价提供依据。通过不断积累和总结，及时修订相关规范和技术标准。⑦制定相应的有关城市地下工程规划、勘察、设计、施工等技术和经济方面的法规、标准等，以保证有法可依，有章可循；引进、消化、吸收国外先进管理方法和经验，进行本土化改造和自主创新研发，从制度上给予科学合理的

符合自动化、省力化、高速化以及经济化的方向。②

ＴＢＭ隧道掘进机和混合型盾构掘进机的研制和应用。通过研发，使其更好地适应于复杂地质条件，使掘进机向着机械、电气、液压和自动控制一体化、智能化设备方向发展。③异形断面盾构掘进机的研究，如双圆盾构、自由断面盾构、局部扩大盾构、ＭＭＳＦ盾构（Ｍｕｌｔｉ—Ｍｉｃｒｏ

Ｓｈｉｅｌｄ

保证。⑧牢固树立和坚持技术可行、安全可靠、经济

合理、环境优好的理念和原则，综合、灵活地运用各种可能技术手段，适应于城市地下工程未来的大型化、深层化、综合化、复杂化等发展趋势。努力实现城市地下工程施工新技术（新材料、新机械、新工艺）与规划勘察技术、设计计算技术、环境保护技术、安全防灾与管理技术等的配套化、系列化、规范化和国际化。

Ｔｕｎｎｅｌ）等，推广应

用ＥＣＬ施工技术。④大力发展浅埋暗挖技术、沉管

技术、沉井技术、非开挖技术，促进中小口径顶管掘进机的标准化、系列化和推广应用。⑤开发多媒体监控和仿真系统、三维仿真计算机管理系统，实现管理信息化和智能化。⑥深入研究和充分利用信息技

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