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1、城市地下空间建设新技术2016年7月全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材8.1 概述8.2 技术介绍8.3 工程应用（重庆轻轨佛图关大坪区间隧道及大坪车站隧道工程）第8章 特大跨超浅埋、特大断面、高边 墙、结构扁平车站隧道开挖和支护技术p 我国已有36个城市轨道交通规划获批。2014年我国城市轨道交通投资达到2200亿元，比去年增加400亿。我国城市轨道交通建设将呈现逐年增长的趋势。8.1 概述p 受环境的限制，修建特大跨度超浅埋扁平隧道是不可避免的。p 在建筑物密集和交通繁忙的城市中心区，如北京地铁西单车站、德国波鸿铁路的地下火车站等。p 特大跨超浅埋扁平隧道施工是必须面对的一个难题。
2、8.1 概述p核心问题问题 是开挖和支护护。p如何开挖? 才能更有利于围围岩的稳稳定性和便于支护护；p如何支护护? 才更有效保证证坑道稳稳定和便于开挖。p是两个相互促进进又相互制约约的问题问题 。p隧道和地下工程施工技术术，大部分已在我国开发发利用。8.2 技术介绍隧道的几种常见开挖方法p对于软弱岩土层均需经过适当的地层预加固处理，并采用双 侧壁导洞法、CD或CRD工法、台阶法、弧形导洞超前法或其中的组合方法开挖。p尽可能地借助于辅助施工方法改良土体，将大断面化大为小，并尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心部和仰拱。p大跨度扁平隧道往往长度较大，且岩性相差悬殊，施工时稳定性差
3、，而必须借助于辅助的预加固措施才能顺利施工。偏压不对称贵贵州省凯凯里市大阁阁山隧道p四车车道公路隧道，全长长496m，为单为单 洞双向四车车道，其最大开挖宽宽度达21.04m，高度11.5m，净净跨18m，为为国内尤其是在市区目前罕见见的大跨度隧道。p施工方法采用侧侧壁导导坑先墙墙后拱法，这这种方法又称顺顺作法，它通常是在隧道开挖成形后，再由下至上施作模筑混凝土衬衬砌。p先墙墙后拱法施工速度快，施工各工序及各工作面之间间相互干扰扰较较小，衬衬砌结结构的整体性较较好，受力状态态也比较较好。但是，在诸多工程中也不乏失败的实例。主要原因：（1）施工管理、质量控制和相关技术的掌握等；（2）隧道工程师们
4、对新奥法的实质缺乏正确的理解。从“新奥法”的保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力这一点出发，就可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破方案、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。（3）具体施工工艺含糊不清。如交叉中隔壁工法（CRD工法）都知道是先开挖两个侧壁，等初期支护形成一定的刚度之后，再开挖核心部分。但是，两个侧壁的形状和大小如何确定。p在保证安全的情况下，如何保证开挖的经济性和大型机械的使用上面都需要结合实际情况开展深入的研究。8.3 工程应用重庆轻轨佛图关大坪区间隧道及大坪车站 隧道工程重庆庆大坪隧道,全长长452.
5、7m。围围岩类别进类别进 口段30m为为、类类，其余为为类类，隧道涌水量129m3/d，为为基岩裂隙水。从进进口方向依次设设有双线线、风风机安装段及风风机安装渐变渐变 段、左右单线单线 、待备线备线 双线线、道岔区段，区间间隧道（包含出碴碴支洞）共设设有9种断面形式，其中最小开挖跨度4.5m，最大开挖跨度（道岔区与明挖车车站接口段）27.2 m，开挖断面340.3m2。车车站暗挖段全长长81.3m，车车站隧道覆盖层层厚425m区间间隧道及车车站隧道平面图图区间间隧道及车车站隧道纵纵断面图图技术难点（1）隧道特大跨、高边墙边墙 、拱部结结构扁平、超大断面，超浅埋隧道最大开挖跨度27.2m，拱部结
6、结构扁平，最大开挖面积积430m2，最大开挖高度20.6m，最小埋深4.0m，典型隧道断面见图见图 8.5所示。由于浅埋大跨扁平隧道的特殊受力条件，隧道结结构所受荷载载非常复杂杂，因此对对开挖及初期支护护要求极高。（2）周边环边环 境差，对对施工要求严严格工程地处处重庆庆市闹闹市区，洞顶顶地表建筑物林立，多为为八至九层层居民房和交通干道，居民房抗震能力差，并有一栋栋七层层居民楼嵌入隧道拱腰，对对沉降和爆破震动动要求严严格，重庆庆市公安局要求地表质质点爆破振速不超过过2cm/s，环环保局要求噪声不大于70db，夜间间施工时间时间 受到严严重的限制。（3）成洞条件差车站隧道洞顶覆盖层厚410m，为
7、类泥岩，中等偏弱，洞口最薄处仅4m。顶跨比为0.150.5，顶板岩体薄，成洞条件极差。围岩不均匀变化大，左侧围岩比右侧围岩破碎，风化严重，自稳能力差，施工难度大。 （4）断面结结构形式多共设设有9种断面形式，其中最小开挖跨度4.5m，最大开挖跨度27.2 m，各种断面交错错分布转换频转换频 繁，多次变变截面。相邻邻隧道净净距小，相邻邻隧道的最大净净距为为6.5 m，双线线地段隧道最小净净距只有3.8m，相邻邻洞室施工影响大。需解决的关键问题（1）进洞方案的选择周边环境条件恶劣，施工场地狭窄，对沉降和爆破震 动要求严格。工期十分紧张。 （2）超浅埋、特大跨、特大断面、高边墙、结构扁平 隧道的开挖
8、和支护技术 特别是车站隧道，选择合理的分步开挖方法、分步开 挖的尺寸和相互错开的距离以及超前支护方法，优化施 工方案；在开挖实施过程中如何通过监控量测等信息化 施工手段，对开挖尺寸相互错开的距离和支护参数进行 调整，以确定最优参数。（3）大拱脚围围岩保护护和拱墙结墙结 合部位防水层铺设层铺设 、钢钢筋连连接方法的确定采用薄边墙边墙 、大拱脚结结构，先拱后墙衬墙衬 砌。在上半断面开挖后，大拱脚处应处应 力集中，在开挖大拱脚时时，尽量减小对对大拱脚围围岩的扰动扰动 ，避免大拱脚受水浸泡，使围围岩软软化；对对大拱脚拱墙结墙结 合处处防水层层施工和钢钢筋连连接严严格要求，而衬衬砌采用先拱后墙墙，使得防
9、水层铺设层铺设 和钢钢筋连连接施工变变得十分困难难，所以必须须找到可行方法来解决这这个矛盾。（4）区间间隧道平行施工对对相邻邻洞室的影响先开挖小断面隧道还还是先开挖大断面隧道对对相互之间间影响的程度也不一样样，因此，必须结须结 合工期要求和隧道力学原理来选择选择 合适的开挖方案。（5）大断面衬衬砌台车车的制作和大体积积混凝土施工车车站隧道和区间间隧道道岔区拱部二衬衬混凝土体积积大，跨度大，衬衬砌台车车承受的施工荷载载大，需要解决衬衬砌台车刚车刚 度问题问题 和保证证台车车在施工过过程中的整体稳稳定问题问题 ，因此必须须研制合适的衬衬砌台车车和研究出保证证大体积积混凝土浇浇筑质质量的施工方法。（
10、6）地表环环境复杂杂情况下特大断面、特大跨、超浅埋隧道地表沉降控制措施根据规规范要求，地表沉降不得大于3cm，本工程特别别是车车站隧道，埋深浅，超大断面、特大跨，如果施工方法不当，地表下沉很难难控制，因此必须选择须选择 合理的开挖方法、支护护手段以及支护护和衬衬砌施作时间时间 ，采取多种施工手段控制地表下沉。（7）地表环环境复杂杂情况下浅埋隧道爆破震动动的控制佛图图关至大坪区间间隧道及车车站隧道位于重庆庆市主城区内，地面上人口密集，建筑物林立，特别别是车车站暗挖隧道，开挖断面和跨度大，覆盖层层薄，地表情况复杂杂，多为为抗震性能差的楼房和交通干道公路路面，重庆庆市公安局要求地面质质点的震动动速度
11、不得超过过2.0cm/s。因此，必须选择须选择 合理的开挖方案、爆破方案来保证证地面建筑的安全。（8）信息化施工技术术本工程施工难难度极大，特别别是车车站隧道和区间间隧道道岔区，为为了保证证施工安全，必须对须对 施工过过程进进行动态动态 控制，进进行信息化施工，对对于地表环环境复杂杂情况下特大断面、特大跨、超浅埋隧道，从变变形动态动态 来看，初期变变形很快，而且绝对值绝对值 大，采用常规规量测测手段不完全可靠，因此，需要制定出一套完整、安全可靠的监监控量测测方案。进洞方案选取（1）区间隧道进洞方案隧道进进口在公园内山坡上，公园内不准施工车辆车辆 通行，如果在此开设设工作面，只能主要依靠人工出碴
12、碴，出口端人口密集、建筑物林立，地面标标高与隧底标标高相差近27m，设计设计 在此设设出碴碴支道进进入道岔区，可供选择选择 的进进洞方案有三种： 方案一：进进口采用人工出碴碴，出口利用出碴碴支洞进进洞，中小型施工车辆车辆 出碴碴。方案二：进进口施作大管棚超前支护进护进 洞，在进进口类围类围 岩地段施作一个 4.55m的长导长导 洞，采用人工出碴碴，在区间间隧道贯贯通后，再进进行扩扩挖，利 用出口出碴碴支道出碴碴。出口采用出碴碴支道进进洞。方案三：进进口只施作大管棚超前支护护和洞口防护护工程，出口前期采用出 碴碴支道进进洞，待综综合楼基础础挖到道岔区拱部设计标设计标 高后，利用综综合楼基础础 施
13、工便道和既有出碴碴支道出碴碴。第一种方案进口人工出碴费时费力，掘进速度太慢，不可取；第二种方案虽可加快进度，但进口类围岩地段导洞需作施工支护，费用较大，且极不安全，也不可取；第三种方案安全、合理，保证工期。选择方案三。车车站暗挖隧道进进洞方案（2）车车站暗挖隧道进进洞方案车车站暗挖隧道与大坪控制中心综综合楼相邻邻，无施工工作面，车车站隧道拱脚 与地面高差达18m，进进洞方案主要为为采用竖竖井进进洞和利用便道进进洞两种。 方案一：采用竖竖井进进洞 采用竖竖井进进洞较较快，但竖竖井提升量较较小，掘进进速度慢，施工干扰扰大。 方案二：利用便道进进洞 根据施工现场现场 条件，在控制中心综综合 楼基坑中
14、作环环形便道，利用环环形便道施工 车车站隧道拱部开挖和衬衬砌工作，环环形出碴碴 道路长长177.58m。同时时施工基坑内土石方 ，基坑开挖至道岔区隧道拱部后，打通区 间间隧道出口，以便于通风风和区间间隧道出碴碴 ，车车站隧道下半断面利用区间间隧道出碴碴支 洞出碴碴。 方案二虽虽然前期较较慢，但环环形便道形 成后，就能很快打开施工局面，有利于车车 站隧道和综综合楼基础础土石方施工，如右图图 所示。上半断面双侧侧壁导导坑开挖下半断面拉中槽开挖序号施工方法示意图施工方法安全性施工难度预测地表沉降施工速度工程造价适用范围1 上下半断面台阶开挖法极不安全小大快低岩层非常好，埋深较大2上下半断面台阶法+中
15、隔壁法不安全较小较大较快较低岩层好，埋深较大3上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法较安全较大较小较慢较高岩层一般，埋深较大4上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法+小导管注浆埋深大，安全，洞口超浅埋不安全大小慢高岩层较差，埋深较大5上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法+大管棚预注浆安全大小慢高岩层差，超浅埋施工方法比较表从上表可以看出：前两种虽虽然造价较较低，施工快，但不能保证证安全，故不予采用。后三种基本方法均为为台阶阶法+双侧侧壁坑法，但采用哪种方法更为为合理，通过组织专过组织专 家评审评审 ，然后根据专专家意见对见对 确定的施工方法，分成4种工况，利用ANSYS有限元分析软软件
16、模拟拟各工况的施工过过程，通过对过对 施工过过程中力学行为为的计计算结结果进进行分析，采用表中第5种施工方法最为为合理。即在洞口超浅埋段采用大管栅预栅预 注浆浆加强支护护，在大管棚保护护下进进洞，正台阶阶开挖，上台阶阶采用双侧侧壁导导坑开挖，导导坑之间间间间 距15m，下台阶阶左右两侧边墙错侧边墙错 开，中间间先拉中槽，边边墙墙开挖采用短台阶阶开挖，共将开挖分成9个部分（下页图页图 ），开挖后立即进进行初期支护护。 车车站隧道双侧侧壁导导洞法施工程序图图大拱脚围岩保护和大拱脚拱墙接合部防水板铺设和钢筋连接方法车车站隧道和区间间隧道道岔区均采用了大拱脚、薄边墙结边墙结构，先拱后墙衬墙衬 砌，这这种结结构施工时时有两点需要解决。一是上半断面开挖后，大拱脚处应处应 力集中，必须须采取措施保护护大拱脚。二是拱墙墙接合部是施工薄弱点，防水钢钢筋连连接十分困难难。大拱脚保护护采用预预留光爆层层，特别别困难难地段（例如隧道上方为为抗震性差的楼房）采用预预裂爆破，大拱脚处严处严禁积积水，防止围围岩软软化。相邻洞室平行施工相互影响相邻邻洞室先施工大断面隧道还还是先施工小断面
