地鐵施工的主要方法

  通常在地面條件允許的情況下，地鐵區(qū)間隧道宜采用明挖法，但對社會環(huán)境影響很大。明挖法是指挖開地面，由上向下開挖土石方至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，自基底由下向上順作施工，完成隧道主體結(jié)構(gòu)，最后回填基坑或恢復(fù)地面的施工方法。

  明挖法是各國地下鐵道施工的首選方法，在地面交通和環(huán)境允許的地方通常采用明挖法施工。淺埋地鐵車站和區(qū)間隧道經(jīng)常采用明挖法，明挖法施工屬于深基坑工程技術(shù)。由于地鐵工程一般位于建筑物密集的城區(qū)，因此深基坑工程的主要技術(shù)難點(diǎn)在于對基坑周圍原狀土的保護(hù)，防止地表沉降，減少對既有建筑物的影響。明挖法的優(yōu)點(diǎn)是施工技術(shù)簡單、快速、經(jīng)濟(jì)，常被用為首選方案。但其缺點(diǎn)也是明顯的，如阻斷交通時(shí)間較長，噪聲與震動等對環(huán)境的影響。

  明挖法包括敞口明挖法、基坑設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的明挖法和蓋挖法。

（1）敞口明挖法。在地面建筑物稀少、交通不繁忙、施工場地較大、結(jié)構(gòu)物埋深較淺的地段及城市軌道交通出入地面的區(qū)段采用敞口明挖法。

（2）基坑設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的明挖法。在施工場地較小、土質(zhì)自立性差、地下水豐富、建筑物密集、埋深大時(shí)采用明挖法時(shí)基坑要加設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（3）蓋挖法。埋深較淺、場地狹窄及地面交通不允許長期占道施工情況下可采用蓋挖法施工。即在短期封閉地面交通期間，進(jìn)行連續(xù)墻和鉆孔灌注樁作業(yè)，開挖和修筑結(jié)構(gòu)頂板，隨即回填，恢復(fù)地面交通，然后轉(zhuǎn)入地下作業(yè)，開挖基坑，修筑樓板和底板，利用隧道兩側(cè)的出入口和通風(fēng)道出土、進(jìn)料。

  依據(jù)主體結(jié)構(gòu)施工順序分為蓋挖順作法、蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法。該法是在既有道路上先完成周邊圍護(hù)擋土結(jié)構(gòu)及設(shè)置在擋土結(jié)構(gòu)上代替原地表路面的縱橫梁和路面板,在此遮蓋下由上而下分層開挖基坑至設(shè)計(jì)標(biāo)高,再依序由下而上施工結(jié)構(gòu)物，最后覆土恢復(fù)為蓋挖順作法；反之先行構(gòu)筑頂板并恢復(fù)交通、再由上而下施工結(jié)構(gòu)物為蓋挖逆作法。

  暗挖法是在特定條件下，不挖開地面，全部在地下進(jìn)行開挖和修筑襯砌結(jié)構(gòu)的隧道施工辦法。暗挖法主要包括:鉆爆法、盾構(gòu)法、掘進(jìn)機(jī)法、淺埋暗挖法、頂管法、新奧法等。其中尤以淺埋暗挖法和盾構(gòu)法應(yīng)用較為廣泛，目前我國的隧道施工當(dāng)中以盾構(gòu)法和淺埋暗挖法該兩種方法居多。

1．鉆爆法

  我國地域廣大、地質(zhì)類型多樣，重慶、青島等城市處于堅(jiān)硬巖石地層中，廣州地鐵也有部分區(qū)段處于堅(jiān)硬巖石地層中，這種地質(zhì)條件下修建地鐵通常采用鉆爆法開挖、噴錨支護(hù)（與通常的山嶺隧道相當(dāng)）。 

  鉆爆法施工的全過程可以概括為：鉆爆、裝運(yùn)出碴，噴錨支護(hù)，灌注襯砌，再輔以通風(fēng)、排水、供電等措施。在通過不良地質(zhì)地段時(shí)，常采用注漿、鋼架、管棚等一系列初期支護(hù)手段。根據(jù)隧道工程地質(zhì)水文條件和斷面尺寸，鉆爆法隧道開挖可采用各種不同的開挖方法，例如：上導(dǎo)坑先拱后墻法、下導(dǎo)坑先墻后拱法、正臺階法、反臺階法、全斷面開挖法、半斷面開挖法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等。對于爆破，有光面爆破、預(yù)裂爆破等技術(shù)。對于隧道初期支護(hù)，有錨桿、噴混凝土、掛網(wǎng)、鋼拱架、管棚等支護(hù)方法。及時(shí)的測量和信息反饋常用來監(jiān)測施工安全并驗(yàn)證巖石支護(hù)措施是否合理。

2、盾構(gòu)法

  在地鐵線路穿越河道地段，圍巖結(jié)構(gòu)松散、飽水、呈流塑或軟塑狀態(tài)，工程地質(zhì)條件較差的地段，采用盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)(shield)是一個(gè)既可以支承地層壓力又可以在地層中推進(jìn)的活動鋼筒結(jié)構(gòu)。鋼筒的前端設(shè)置有支撐和開挖土體的裝置，鋼筒的中段安裝有頂進(jìn)所需的千斤頂；鋼筒的尾部可以拼裝預(yù)制或現(xiàn)澆隧道襯砌環(huán)。盾構(gòu)每推進(jìn)一環(huán)距離，就在盾尾支護(hù)下拼裝(或現(xiàn)澆)一環(huán)襯砌，并向襯砌環(huán)外圍的空隙中壓注水泥砂漿，以防止隧道及地面下沉。盾構(gòu)推進(jìn)的反力由襯砌環(huán)承擔(dān)。盾構(gòu)施工前應(yīng)先修建一豎井，在豎井內(nèi)安裝盾構(gòu)，盾構(gòu)開挖出的土體由豎井通道送出地面。

我國應(yīng)用盾構(gòu)法修建隧道始于20世紀(jì)50～60年代的上海。最初是用于修建城市地下排水隧道，采用的是比較老式的盾構(gòu)機(jī)（如網(wǎng)格式、壓氣式、插板式等），80年代末、90年代初開始采用土壓式、泥水式等現(xiàn)代盾構(gòu)修筑地鐵區(qū)間隧道。盾構(gòu)法具有安全、可靠、快速、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前，該方法已經(jīng)在我國的地鐵建設(shè)中得到了迅速的發(fā)展。我國各城市地鐵采用的盾構(gòu)機(jī)大多是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)型。

  隨著盾構(gòu)法研究的深入、工程應(yīng)用的增多，盾構(gòu)法施工技術(shù)以及盾構(gòu)機(jī)修造配套技術(shù)也得到了發(fā)展提高：上海地鐵隧道基本全部采用盾構(gòu)法修建，除區(qū)間單圓盾構(gòu)外，目前正在使用雙圓盾構(gòu)一次施工兩條平行的區(qū)間隧道，此外還試驗(yàn)采用了方形斷面盾構(gòu)修建地下通道；采用直徑11.2m的泥水盾構(gòu)建成了大連路越江道路隧道，這也是目前我國最大直徑的盾構(gòu)機(jī)。廣州地鐵采用具有土壓平衡、氣壓平衡和半土壓平衡模式的新型復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)成功應(yīng)用于既有軟土、又有堅(jiān)硬巖石以及斷裂破碎帶的復(fù)雜地層的地鐵區(qū)間隧道修筑，大大拓展了盾構(gòu)法的應(yīng)用范圍。深圳、南京、北京、天津等城市雖然地質(zhì)、水文條件各不相同，但采用盾構(gòu)法修建區(qū)間隧道均取得了成功。 

  盾構(gòu)法的主要優(yōu)點(diǎn):除豎井施工外，施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，既不影響地面交通，又可減少對附近居民的噪聲和振動影響;盾構(gòu)推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進(jìn)行，施工易于管理，施工人員也比較少;土方量少;穿越河道時(shí)不影響航運(yùn);施工不受風(fēng)雨等氣候條件的影響;在地質(zhì)條件差、地下水位高的地方建設(shè)埋深較大的隧道，盾構(gòu)法有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

3、掘進(jìn)機(jī)法

  在埋深較淺、但場地狹窄和地面交通環(huán)境不允許爆破震動擾動,又不適合盾構(gòu)法的松軟破碎巖層情況下采用。該法主要采用臂式掘進(jìn)機(jī)開挖,受地質(zhì)條件影響大。

4、新奧法

  城市軌道交通線路穿越基巖地段時(shí)，圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，一般采用新奧法施工，即以噴射混凝土和錨桿作為主要支護(hù)手段，同時(shí)發(fā)揮圍巖的自身承載作用，使其和支護(hù)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)完整的隧道支護(hù)體系，并可采用信息設(shè)計(jì)，即根據(jù)施工監(jiān)測的數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整原設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更趨合理。

  新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱， 原文是New Austrian Tunnelling Method 簡稱 NATM，新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲（L. V. RABCEW ICZ） 教授于 50 年代提出的，它是以隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)過一些國家的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標(biāo)志之一。六十年代NATM 被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說在所有重點(diǎn)難點(diǎn)的地下工程中都離不開NATM。新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。

  在我國常把新奧法稱為“錨噴構(gòu)筑法”。用該方法修建地下隧道時(shí)，對地面干擾小，工程投資也相對較小，已經(jīng)積累了比較成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，工程質(zhì)量也可以得到較好的保證。使用此方法進(jìn)行施工時(shí)，對于巖石地層，可采用分步或全斷面一次開挖，錨噴支護(hù)和錨噴支護(hù)復(fù)合襯砌，必要時(shí)可做二次襯砌；對于土質(zhì)地層，一般需對地層進(jìn)行加固后再開挖支護(hù)、襯砌，在有地下水的條件下必須降水后方可施工。新奧法廣泛應(yīng)用于山嶺隧道、城市地鐵、地下貯庫、地下廠房、礦山巷道等地下工程。 

  在我國利用新奧法原理修建地鐵已成為一種主要施工方法，尤其在施工場地受限制、地層條件復(fù)雜多變、地下工程結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等情況下用新奧法施工尤為重要。

  新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu)；圍巖承載圈和支護(hù)體組成隧道的統(tǒng)一體，是一個(gè)力學(xué)體系；隧道的開挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)。

  新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。

  施工順序可以概括為：開挖→一次支護(hù)→二次支護(hù)。

  開挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等。開挖作業(yè)與一次支護(hù)作業(yè)同時(shí)交叉進(jìn)行。第一次支護(hù)作業(yè)包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土。一次支護(hù)后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行第二次支護(hù)和封底，即永久性的支護(hù)（或是補(bǔ)噴射混凝土，或是澆注混凝土內(nèi)拱），起到提高安全度和整個(gè)支護(hù)承載能力增強(qiáng)的作用，而此支護(hù)時(shí)機(jī)可以由監(jiān)測結(jié)果得到。 

5、淺埋暗挖法

  針對我國城市地下工程的特點(diǎn)和地質(zhì)條件, 新奧法經(jīng)過多年的完善與發(fā)展,又開發(fā)了“淺埋暗挖法”這一新方法,與明挖法、盾構(gòu)法相比較,由于它可以避免明挖法對地表的干擾性,而又較盾構(gòu)法具有對地層較強(qiáng)的適應(yīng)性和高度靈活性,因此目前廣泛應(yīng)用于城市地鐵區(qū)間隧道、車站、地下過街道、地下停車場等工程。

  用小導(dǎo)管注漿加固土層，分部開挖，架鋼筋格柵拱、噴混凝土法施工初次襯砌，然后做防水層，最后用模注混凝土做二次襯砌。

  淺埋暗挖法又稱礦山法，起源于1986年北京地鐵復(fù)興門折返線工程，是中國人自己創(chuàng)造的適合中國國情的一種隧道修建方法。該法是在借鑒新奧法的某些理論基礎(chǔ)上，針對中國的具體工程條件開發(fā)出來的一整套完善的地鐵隧道修建理論和操作方法。與新奧法的不同之處在于，它是適合于城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下，隧道埋深小于或等于隧道直徑，以很小的地表沉降修筑隧道的技術(shù)方法。它的突出優(yōu)勢在于不影響城市交通，無污染、無噪聲，而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。

  顧名思義，淺埋暗挖法是一項(xiàng)邊開挖邊澆注的施工技術(shù)。其原理是：利用土層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的不開槽施工方法，主要適用于粘性土層、砂層、砂卵層等地質(zhì)。由于淺埋暗挖法省去了許多報(bào)批、拆遷、掘路等程序，現(xiàn)被施工單位普遍采納。

  淺埋暗挖法的核心技術(shù)被概括為18字方針：管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測。其主要的技術(shù)特點(diǎn)為：動態(tài)設(shè)計(jì)、動態(tài)施工的信息化施工方法，建立了一整套變位、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)；強(qiáng)調(diào)小導(dǎo)管超前支護(hù)在穩(wěn)定工作面中的作用；研究、創(chuàng)新了劈裂注漿方法加固地層；發(fā)展了復(fù)合式襯砌技術(shù)，并開創(chuàng)性地設(shè)計(jì)應(yīng)用了鋼筋網(wǎng)構(gòu)拱架支護(hù)。

  由于該工法在有水條件的地層中可廣泛運(yùn)用，加之國內(nèi)豐富的勞動力資源，在北京、廣州、深圳、南京等地的地鐵區(qū)間隧道修建中得到推廣，已成功建成許多各具特點(diǎn)的地鐵區(qū)間隧道，而且在大跨度車站的修筑中有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。此外，該方法也廣泛應(yīng)用于地下車庫、過街人行道和城市道路隧道等工程的修筑。

  淺埋暗挖法是一種在離地表很近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾構(gòu)法不適應(yīng)的條件下，淺埋暗挖法顯示了巨大的優(yōu)越性。

  淺埋暗挖法施工步驟是：先將鋼管打入地層，然后注入水泥或化學(xué)漿液，使地層加固。開挖面土體穩(wěn)定是采用淺埋暗挖法的基本條件。地層加固后，進(jìn)行短進(jìn)尺開挖。一般每循環(huán)在0.5-1.0米左右。隨后即作初期支護(hù)。第三步，施作防水層。開挖面的穩(wěn)定性時(shí)刻受到水的危脅，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致塌方。處理好地下水是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。最后，完成二次支護(hù)。一般情況下，可注入混凝土，特殊情況下要進(jìn)行鋼筋設(shè)計(jì)。

  淺埋暗挖法作為建設(shè)部命名的國家級工法，不僅在地鐵修建中顯示了它的優(yōu)越性，為國家取得重大經(jīng)濟(jì)、社會效益，它在地下停車場、地下街道、地下商業(yè)街及市政地下管網(wǎng)的建設(shè)中注入了前所未有的活力，為現(xiàn)代城市地下空間的開發(fā)作出了貢獻(xiàn)。

6、頂管法

  是直接在松軟土層或富水松軟地層中敷設(shè)中小型管道的一種施工方法。適用于富水松軟地層等特殊地層和地表環(huán)境中中小型管道工程的施工。主要由頂進(jìn)設(shè)備、工具管、中繼環(huán)、工程管、吸泥設(shè)備等組成。

7、沉管法

  沉管法是將隧道管段分段預(yù)制，分段兩端設(shè)臨時(shí)止水頭部，然后浮運(yùn)至隧道軸線處，沉放在預(yù)先挖好的地槽內(nèi)，完成管段間的水下連接，移去臨時(shí)止水頭部，回填基槽保護(hù)沉管，鋪設(shè)隧道內(nèi)部設(shè)施，從而形成一個(gè)完整的水下通道。

  沉管隧道對地基要求較低，特別適用于軟土地基、河床或海岸較淺，易于水上疏浚設(shè)施進(jìn)行基槽開外的工程特點(diǎn)。由于其埋深小，包括連接段在內(nèi)的隧道線路總長較采用暗挖法和盾構(gòu)法修建的隧道明顯縮短。沉管斷面形狀可圓可方，選擇靈活�；�槽開挖、管段預(yù)制、浮運(yùn)沉放和內(nèi)部鋪裝等各工序可平行作業(yè)，彼此干擾相對較少，并且管段預(yù)制質(zhì)量容易控制�；�于上述的優(yōu)點(diǎn)，在大江、大河等寬闊水域下構(gòu)筑隧道，沉管法稱為最經(jīng)濟(jì)的水下穿越方案。

  按照管身材料，沉管隧道可分為2類:鋼殼沉管隧道(有可分為單層鋼殼隧道和雙層鋼殼隧道)和鋼筋餛凝土沉管隧道。鋼殼沉管隧道在北美采用的較多，而鋼筋混凝土沉管隧道則在歐亞采用較多。

  沉管隧道施工主要工序:管節(jié)預(yù)制→基槽開挖→管段浮運(yùn)和沉放→對接作業(yè)→內(nèi)部裝飾。

  由于科技水平不斷提高，設(shè)備不斷完善，在一些特殊地段采用凍結(jié)法、化學(xué)注漿等方法加固圍巖，當(dāng)隧道穿過建筑物時(shí)采用基底托換等方法，為處理好地下水采用降水深層回灌等施工技術(shù)，在全國地鐵施工中也得到應(yīng)用，并取得了一定的效果。

  對于大跨度車站及折返線隧道工程，一般采用分部開挖法施工，分布開挖法包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、中隔壁法等，這些方法都取得了良好的施工效果。