浅埋暗挖松散地层复杂断面地铁隧道施工技术2010 年

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1、 浅埋暗挖松散地层浅埋暗挖松散地层复杂断面复杂断面地铁地铁隧道施工技术隧道施工技术 2010 年 - 1 - 目录目录 文件之一、 复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究文件之一、 复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究工作工作总总结结报报告告1 1 文件之文件之二、二、地铁三连拱浅埋隧道施工技术地铁三连拱浅埋隧道施工技术1010 文件之文件之三、软弱地层大断面三、软弱地层大断面隧道隧道施工工法转换技术施工工法转换技术3838 文件之文件之四四、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术水平定向钻进施工隧道长大管棚技术4949 文件之五、文件之五、主要经济、社会效益主要经济、社会效益证明证明5757 文件之

2、文件之六六、用户使用用户使用证明证明5 59 9 文件之文件之七、科技查新报告七、科技查新报告6161 附件附件、照片、照片及及资料资料6 67 7 1 复杂地质条件下大断面隧道施工复杂地质条件下大断面隧道施工 技术研究技术研究工作工作总总结结报告报告 2 一一、任务来源、任务来源 城市地铁作为一种方便快捷的交通方式， 逐渐成为解决城市交通问题的最好途径之一，很多大城市都在加大地铁建设的速度和力度。由于城市的发展，地铁隧道修建的环境条件复杂多变， 而且地铁隧道功能上的要求越来越高， 如何解决高标准要求的用户需要，是作为设计、施工方共同面临的问题。本课题针对北京地铁十号线第七合同段浅埋暗挖隧道断

3、面大、断面类型多且变化频繁、工程地质复杂、管棚施工数量大的特点，为实现安全快速建造的目的，中铁十二局集团公司 2005 年在年度科技计划中立项研究“复杂地质条件下大断面隧道施工技术” 。 二二、项目项目概述概述 1、工程简介、工程简介 北京地铁十号线第七合同段全长 1.834 公里。 由花园东路站八达岭高速站区间、八达岭高速站、八达岭高速站熊猫环岛站区间三部分组成。设施工竖井 3座。区间隧道均采用浅埋暗挖法施工，由于设计与 16 号线联络线、存车线和交叉渡线的需要，区间隧道断面复杂多变，共设计 12 种断面。其中花园东路站八达岭高速站区间右线 325m 范围内集中设计 11 种断面形式（见图

4、1-1 和表 1-1） ，有马蹄形加宽断面、不对称双连拱断面、对称双连拱断面、三连拱断面，根据断面跨度大小，分别采用台阶法、CRD 法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法、双侧洞法等施工。隧道采用复合式衬砌，大管棚和小导管超前支护，格栅钢架、钢筋网、喷混凝土初期支护，C30 钢筋混凝土二次衬砌。 区间隧道断面区间隧道断面形式统计表形式统计表 表 1-1 衬砌类型 断面形式 结构尺寸 (宽高 m) 施工工法 长度 (m) 标准断面 单跨标准断面 6.06.33 台阶法 左线 1601、右线 1210 1-1 断面 三连拱断面 22.5510.5 双侧洞法 16.88 2-2 断面 单跨大断面 13.4

5、9.11 双侧壁导坑法 13.98 3-3 断面 单跨大断面 12.29.34 双侧壁导坑法 49.03+58.92+19.20+51.29 4-4 断面 单跨大断面 12.49.54 双侧壁导坑法 7.08+4.00 5-5 断面 双层框架结构 2014.2 明挖 （竖井结构） 10.60 6-6 断面 不对称双连拱 17.69.79 侧洞法 24.45 7-7 断面 不对称双连拱 14.98.45 侧洞法 25.27 8-8 断面 对称双连拱 11.76.8 中洞法 16.10 9-9 断面 单跨大断面 7.37.1 CRD 法 13.19 10-10 断面 单跨大断面 6.86.89 C

6、RD 法 11.81 3 2、周边建（构）筑物、周边建（构）筑物 区间隧道埋深 810m，穿越土城遗址公园，隧道边界距小月河 0.58.0m，最大的 1-1 断面距离小月河 8 米。小月河为人工河流，深 3 米，采用明挖法放坡施工， 底板为钢筋混凝土， 地下土体常年受河流渗漏浸泡， 造成土质松散、 含水量大、自稳性差，而且一旦发生过大变形，极易破坏小月河，后果不堪设想。 隧道经过地段下穿 5 处建 （构） 筑物： 江南大夫第金榜梨园酒楼、 瑞洁加油站、河湖管理所办公楼、 大气物理研究所的索塔拉锚基础和小月河疏浚工程暗河， 另外1-1 断面隧道上方有一栋三层临时建筑。 3、地质情况、地质情况 区

7、间隧道地层主要为粉细砂层和粉质粘土层， 根据铁路隧道设计规范， 为级围岩，属于松土和普通土。 4、地下水情况、地下水情况 地下水有台地潜水和层间潜水，水位较高，接近自然地面。施工时采取降水措施，水位降至隧道底板 1.0m 以下，确保隧道在无水状态下施工。 三三、工程特点、工程特点及研究目的及研究目的 1、区间 11 断面为三连拱隧道，埋深浅，开挖面积 200m2，跨度达 22.5m，施工步序多， 施工难度大。 而且隧道上方有一栋三层临时建筑， 必须严格控制沉降，确保建筑物的安全。通过本课题的研究，确定最大的三联拱断面隧道的施工方法，解决三联拱隧道从两端施工均存在很大难度的问题。 2、 区间隧道

8、在 325 米长度内， 断面类型多达 12 种， 属典型的大断面洞群段落，采用 6 种施工方法，不同施工方法间转换多，断面间接口多。通过本课题的研究，研究如何进行不同类型隧道的施工转换。 3、区间大断面隧道超前支护以大管棚为主，数量巨大，达 15213 延米。管棚施工效率对工期影响明显；施工精度对隧道安全影响大。通过本课题的研究，彻底解决大管棚施工效率低、误差大、不可调节的问题。 4、区间下穿多处建筑物和管线，最大管线为与隧道垂直的电力管沟，内净空尺寸为 20002350mm，与区间隧道净距 1.76m，区间隧道上方还有一条600 污4 水管线。城市施工要求地面沉降量控制在 30mm 内，地表

9、沉降要求严格。通过本课题的研究实践，保证既有建筑物和管线的安全。 四四、关键技术、关键技术 1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术 区间 11 断面为三连拱隧道，结构扁平，拱顶处于浅埋粉细砂地层，施工中隧道结构所受荷载大，结构应力集中，比单拱隧道更趋复杂化，隧道成型和围岩稳定性控制的难度增大，稍有不慎，极易造成围岩过度变形，威胁区间管线和地表建筑物安全，甚至坍塌，严重影响施工进度和质量。因此选择合理的开挖方式和支护参数，保证围岩和结构的稳定极其关键。经比选，采用弹塑性有限单元法，对三连拱不同施工阶段、 不同荷载条件的受力特性和变形量进行模拟和

10、分析， 为确定合理的施工方案提供理论参考。 根据区间隧道地质情况，采用 FLAC 软件、显式有限差分方法进行分析。 2、三连拱浅埋隧道施工技术三连拱浅埋隧道施工技术 采用双侧洞法， 将整个隧道断面分为 3 个部分， 两侧的左右侧洞和中间的中洞，并分别采用 CRD 法开挖，该技术的核心在于按照先侧洞、后中洞的顺序开挖、衬砌，分块开挖，分块衬砌，具备条件时尽早闭合成环，初支二衬结合进行，能够合理利用两侧洞成环隧道承受围岩压力， 充分发挥二衬结构的支护作用， 降低初支承受荷载， 减小隧道沉降。 结合长导管超前加固地层、 跳段拆除临时支护等技术措施，提高施工安全系数。 3、不同大断面、不同大断面隧道施

11、工隧道施工工法转换技术工法转换技术 区间隧道共设计 10 种大断面，并且大断面集中于花园东路站八达岭高速站区间右线布置，属典型的大断面洞群段落。断面不同，采用的施工工法也不同。根据断面情况分别采用 CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法和双侧洞法等多种软弱地层隧道工法。相邻断面的施工工法转换是确保施工安全的关键环节，必须采用技术措施才能实现安全过渡。断面转换分为两种：大断面向小断面转换和小断面向大断面转换。 施工中重点研究断面转换中的分部开挖过渡技术和反向扩挖技术。 5 4、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术水平定向钻进施工隧道长大管棚技术 本标段区间隧道在大断面施工、穿越地表建筑物

12、时设计均采用108mm 大管棚超前支护， 累计数量达 15213 延米。 大管棚施工速度和质量的好坏直接影响着施工进展。受竖井口和洞内作业场地施工空间的制约，普通管棚钻机存在移位困难、洞内作业需先扩挖工作室等问题， 钻进过程中钻头的方向难于控制、 棚管偏位严重是普通钻机管棚作业中的通病， 并且在城市地铁扩挖工作室不利于对管线和建筑物的保护。 本项目在国内首次采用 HGT-100 水平钻机对隧道大管棚施工进行了研究和尝试。 该方法在钻头内安装特制的传感器， 钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向， 根据钻头在钻进过程中实测轨迹同设计轨迹的差异， 利用能进行调节方向的楔型钻头调整钻进方向， 从

13、而实现按设计要求的角度完成各种大管棚的施工。 具有一次连续钻进长、管棚精度高、水平钻机在同一断面中不需扩挖工作室等优点。 五、研究过程五、研究过程 该项目在集团公司立项后，项目部组成课题研究小组，制定试验研究大纲，将课题的研究分解为方案制定阶段、理论模拟分析阶段、试验实施阶段、总结阶段四个阶段。 在方案制定阶段， 我们查阅了国内外类似工程的有关资料， 结合自身实践经验，比选现有联拱隧道工程施工方法， 与本工程环境特点的异同点， 制定了双侧洞法开挖的施工方法，不同类型、断面隧道施工转换的经济安全的施工方法，分部开挖过渡技术和反向扩挖技术联合运用；同时比选大管棚施工机具，选用 HTG-100 型管

14、棚钻机。 在理论模拟分析阶段，采用 FLAC 软件、显式有限差分方法，对 11 断面拟采用的双侧洞法进行工况分析， 模拟分析不同的施工工序对围岩应力应变的影响及每步工序产生的地表沉降值， 找出关键工序， 理论分析双侧洞法在地铁三联拱隧道施工中的可行性。 2005 年 4 月2006 年 10 月，进行了现场试验实施和观测、分析，取得现场实测数据资料。 6 2006 年 11 月2006 年 12 月，进行了研究成果的分析、总结，形成本课题的研究报告。 六六、主要、主要研究研究成果成果 通过北京地铁的施工，复杂大断面施工技术取得了以下几方面研究成果： 1、开发了开发了地铁三连拱浅埋隧道施工地铁三

15、连拱浅埋隧道施工的新的新技术技术 明确了双侧洞法的施工步骤 采用双侧洞法， 将整个隧道断面分为 3 个部分， 两侧的左右侧洞和中间的中洞，并分别采用 CRD 法开挖，采用长导管超前加固地层，按照先侧洞、后中洞的顺序开挖、 衬砌，分块开挖，分块衬砌，初支二衬结合进行，衬砌前跳段拆除临时支护，具备条件时侧洞分段尽早闭合成环， 合理利用两侧洞成环隧道承受围岩压力， 充分发挥二衬结构的支护作用，降低初支承受荷载，减小隧道沉降。 侧洞先衬砌成环的意义明显 三联拱隧道施工过程中两侧侧洞衬砌对围岩体的支撑稳定具有非常显著的作用。连拱隧道由于跨度大的特点，其松弛塌落范围比单拱隧道要大得多，作用在支护衬砌结构上的荷载也要比单拱隧道大得多， 计算表明， 这些荷载施工过程中大部分由两侧侧洞衬砌承担。因此，施工过程中应尽可能加快侧洞衬砌的施工进度，侧洞衬砌尽早成环。 采用局部衬砌增强大断面隧道稳定性的思路对今后的三连拱隧道施工具有指导意义。 通过 FLAC 程序分析，找出了控制沉降的关键环节 经分析研究，取得以下成果： 经计算，隧道累计最大沉降为 29.2mm，该值不一定与现场实测完全吻合，但能代表施工实际沉降的趋势， 可以计算得出各步序的沉降值占沉降总量的权重。 各工序产生的