轨道交通工程施工新技术及应用课件.ppt

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1、轨道交通工程施工新技术及应用,主要内容第一部分： 概述第二部分：各类工法的特点、适用条件及选择原则第三部分：各类工法对环境的影响与控制第四部分：工程案例,第一部分,概述,19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪, 21世纪可以说是地下工程资源开发和大发展的世纪.目前我国面临着人口、环境、资源、土地、水资源及气候变暖等六大难题。地下工程是我国唾手可得的资源，并且是一项重要的绿色工程，如何安全、优质、快速、经济与环保的建成，是我们需要研究解决的问题。,中国城市轨道交通60年代开始于北京地铁1号线，目前全国逾22个城市开通轨道交通，线网达91条线，总里程2677公里（不含成都成灌线）。 北京：

2、目前通车里程454.7km，2014年底正式开通后，北京轨道交通运营总里程将达到 527 km。 上海：地铁建设发展迅猛，1990年上海开始建设地铁1号线，就目前运营里程超过北京。 广州：1996年广州开始建设地铁1号线，预计到2017年，广州市的城市轨道交通通车里程超过500km。,中国地铁建设规划,城市轨道交通工程具有以下主要特点：（1）地质条件差（工程地质条件与水文地质条件）；（2）周边环境复杂；（3）结构埋深浅、与邻近结构相互影响；（4）围岩稳定性不易判断。 因此，城市轨道交通工程的关键是施工技术，它是决定城市地下工程成败的关键因素。 地下工程施工方法一般分类如图所示。在这些施工方法中

3、，对以第四纪地层为主的城市轨道交通工程，以明（盖挖）法、浅埋暗挖法和盾构法使用最为广泛。,新加坡地铁Nicholl Highway站(2004年4月),直接原因 地表下30m位置的第九道钢支撑的围囹破坏引起支撑失效，进而导致地下墙围护结构倒坍,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,由于钻孔桩间的涌水涌砂、造成了基坑被淹的事故（广州）。,围护结构施工质量低劣、形成涌水涌砂的事故,采用土钉墙支护的某基坑、深8m，西侧紧邻电缆沟，暴雨后大量雨水顺电缆沟渗入，使土钉墙突然垮塌近40m。,各类管线对围护结构安全的影响（广州）：对于桩、墙与内支撑组成的支护结构，处于基坑外侧的管线一般不

4、会对基坑的安全构成影响。但对于土钉及锚喷支护，基坑外侧的各类管线如果处理不好、常常是基坑安全的最大隐患。,广州琶琶区间事故现场的照片,长40米, 宽18米 , 坑深610米,台湾高雄地铁盾构施工地表沉陷,施工挖断消防栓水柱喷出,深圳地铁施工地表沉降过大造成的破坏现象,北京地铁5号线12标暗挖穿越北四环（干杨树车站）,北京地铁10号线与奥运支线换乘站熊猫环岛站基坑坍塌,北京地铁10号线京广桥附近路面坍塌（暗挖隧道）,2007年3月28日，位于北京市海淀南路的地铁10号线一施工工地发生塌陷，6名施工者被埋 。,第二部分,-各类工法的特点、适用条件及选择原则 轨道交通工程通常是在城镇中修建的，其施工

5、方法选择会受到建（构）筑物、道路、管线、城市交通、环境保护、地质条件、施工机具以及资金条件等因素影响。因此，施工方法的决定，不仅要从技术、经济、修建地区具体条件考虑，而且还要考虑施工方法对城市生活的影响。,第二部分 主要内容,一 、各工法概貌二、明（盖）挖法三、浅埋暗挖法（矿山法、新奥法、钻爆法）四、盾构、TBM与掘进机法五、辅助工法（冻结法）,一、各工法概貌 几种工法的比较,-明挖法,布置交通导行设施,-盖（铺盖）挖法,盖挖法,铺盖法,浅埋暗挖法,第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段,钻爆法、新奥法,盾构（TBM）法,辅助工法（地层改良与加固（冻结法）,一 、明（盖）挖法（一）明挖法明挖

6、法是先从地表面向下开挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置由下而上地建造主体结构及其防水措施，最后回填土并恢复路面。明挖法是修建地铁车站的常用施工方法，具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等优点，因此，在地面交通和环境条件允许的地方，应尽可能采用。明挖法施工基坑据周边环境条件，可以放坡开挖，也可以设置围护结构。,（二）盖挖（铺盖）法施工盖挖法施工也是明挖的一种形式，主要区别在于施工方法和顺序不同：盖挖法是先盖后挖，即先以临时路面或结构顶板维持地面畅通，再向下施工。盖挖法具有诸多优点：围护结构变形小，能够有效控制周围土体的变形和地表沉降，有利于保护临近建筑物和构筑物；基

7、坑底部土体稳定，隆起小，施工安全；盖挖法也存在一些缺点：盖挖法施工时，混凝土结构的水平施工缝的处理较为困难；盖挖逆作法施工时，暗挖施工难度大、费用高。盖挖法可分为盖挖顺作法、盖挖逆作法及盖挖半逆作法。目前因盖挖逆作法可尽快恢复路面，对道路交通影响较小 ，城市中施工采用最多的是盖挖逆作法。,二、浅埋暗挖法（矿山法、新奥法、钻爆法）,1 浅埋暗挖法1）浅埋暗挖法的基本概念 浅埋暗挖法（国外多称软土隧道新奥法或浅埋隧道新奥法）是基于岩石隧道新奥法（NATM）的基本原理，针对城市地下工程的特点，于80年代在北京地铁第四纪软土中开创出的新方法 。(1) 浅埋暗挖法名称的确定 在小导管超前支护技术、格栅拱

8、架制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技术等基础上，在软弱地层必须快速施工的理念，突出时空效应对防塌的重要作用。并在军都山黄土隧道、北京地铁复兴门折返线、复八线、西单车站采用浅埋暗挖技术取得了巨大的成功。,1987年8月，北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会，对浅埋暗挖技术进行评价，会上确定取名为：浅埋暗挖法，适用范围：各种软弱地层的地下工程设计与施工。浅埋暗挖法又经过十几年的广泛应用，形成了一套完整的配套技术，被评为国家级工法，并正式提出“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。,(2) 浅埋暗挖法施工原理 浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理：采用复合衬砌，初期

9、支护承担全部基本荷载，二衬作为安全储备，初支、二衬共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩自承能力；采用不同开挖方法及时支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；采用信息化设计与施工。,第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段,第一次用浅埋暗挖法建成京珠高速乌龙岭双连拱隧道,2）浅埋暗挖法的量值概念（深埋、浅埋、超浅埋）（1）按荷载等效高度值 先计算深、浅埋隧道分界深度HP（按TBJ10892和TBJ10032001），然后与隧道埋深H比较， H 0.40.6为浅埋； P/ (rH)0.61.0为超浅埋； 当围岩变形和地表下沉值相等时，即覆盖层整体下沉时

10、为超浅埋； 覆土厚度H与隧道跨度D之比判别建议设计阶段：H/D小于等于0.4时为超浅埋。,3）浅埋暗挖法的特点 与明挖法、盾构法相比较，浅埋暗挖法的特点如下：（1）适用于各种地质条件和地下水条件；（2）具有适合各种断面形式（单线、双线、多线、车站等）和变化断面（过渡段、多层断面等）的高度灵活性；（3）通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效控制地表下沉和坍塌；（4）与盾构法比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；（5）与明挖法比较，可以极大地减轻对地面交通和商业活动的影响，避免大量的拆迁；（6）从综合效益观点出发，是比较经济的一种方法。 浅埋暗挖法具有很多优点，但其缺点是：施工速度慢，施工工艺受施工

11、队伍的技术水平限制等。,4 浅埋暗挖法的各种工法,1 ） 浅埋暗挖法的实质内涵18字方针（1）管超前：指采用超前导管注浆防护，实际上就是采用超前预加固支护的各种手段，提高工作面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；（2）严注浆：在超前预支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的结构体，以增强围岩的自稳能力；（3）短开挖：即限制1次进尺的长度，减少对围岩的松弛；（4）强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；（5）快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭

12、，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载能力；（6）勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。,2) 浅埋暗挖法的一般应用范围 目前浅埋暗挖法已经推广到广州、深圳、北京、杭州等地特殊的流沙、淤泥、含水砂层、流塑、半流塑地层；埋深缩小到0.8m；暗挖施工的车站跨度达26m；穿越密集民房。随着建设项目的增多，还需进一步研究新的辅助工法和施工工艺，以适应各种地层条件、埋深、跨度等方面的要求。,3 ） 浅埋暗挖法施工的一般选择原则 (1) 根据地层情况、地面建筑物特点等四个环境（地表、地中、地层及地下水）以及机械配备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的

13、开挖方法。若断面大或地层较差：可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好：可用全断面开挖法。 (2) 应重视辅助工法的选择，当地层较差、开挖面不能自稳时，采取辅助施工措施后，仍应优先采用大断面开挖法。 (3) 应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二衬作业的配套机具，为快速施工创造条件，设备投入量一般不少于工程造价的10%。 (4) 施工过程的监控量测与反馈非常重要，必须作为重要的工序。,(5) 工序安排要突出及时性，地层差时，应严格执行十八字方针。 (6) 提高职工素质，组织综合工班进行作业，以提高质量和速度。 (7) 应加强通风，洞内外都要

14、处理好施工、人员、环境三者的关系。 (8) 应采用网络技术进行工序时间调整，进行进度、安全、机械、监测、质量、材料、环境管理。,4）浅埋暗挖法的基本施工方法与比较 从基本施工方法看，为有效地控制围岩松弛及由此引起的地表下沉，常采用的基本施工方法有：（1）地铁区间或小跨度隧道的基本施工方法 a 全断面法 b 正台阶法 c 上半断面临时封闭正台阶法 d 正台阶环形开挖留核心土法 e 导坑法，包括单导坑法和双导坑法，其中双导坑法也称为眼镜法； f 中隔壁法（CD法，CRD法）。,(2）地铁车站、地下商场、停车场等大跨度联拱结构的基本施工方法的施工次序为： a 柱洞法等（图）； b 多导坑法(侧洞法)

15、（图）； c 中洞法（图）。 其中柱洞法、侧洞法应用较多，大断面施工应遵守变大洞为小洞的施工原则。 开挖方法应按以下次序优选： 正台阶开挖、CD法开挖、CRD法开挖、双侧壁导洞开挖（眼镜工法）进行，这样可节约投资。,施工方法比较汇总,浅埋暗挖法地下工程的一般施工程序图,4 各种施工方法的开挖作业及问题1） 全断面开挖作业（岩石隧道（钻爆法、新奥法） (1) 施工顺序 全断面开挖法施工操作比较简单，主要工序：使用移动式钻孔台车，首先全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车退后50m以外的安全地点，再起爆，一次爆破成型，出碴后钻孔台车再推移到开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时，施作初期

16、支护，铺防水隔离层（或不铺），进行二次模筑衬砌。 该流程突出两点：增加机械手进行复喷作业，先初喷后复喷，以利于稳定地层和加快施工进度；铺底混凝土必须提前施作，且不滞后200m，地层较差时铺底应紧跟，这是确保施工安全和质量的重要做法。,（2）适用范围 全断面法主要适用于III级围岩，当断面在50以下，隧道又处于IV级围岩地层时，为了减少对地层的扰动次数，在采取局部注浆等辅助施工措施加固地层后，也可采用全断面法施工。 （3）优缺点 全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，便于施工组织和管理。但由于开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大。每次深孔

17、爆破引起的震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计，并严格控制爆破作业。,2）台阶法开挖 台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，即分成上下两个断面或几个工作面，分步开挖，根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔墙台阶法等。该法在浅埋暗挖法中应用最广，可根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。（1）正台阶法开挖 正台阶法开挖优点很多，能较早地使支护闭合，有利于控制其结构变形及由此引起的地面沉降，上台阶长度（L）一般控制在11.5倍洞径（D），根据地层情况，可选择两步或多步开挖。,a 上下两部分步开挖法 采用此法，若地层较好（IIIIV级），可将断面分成上下两个台阶

18、开挖，上台阶长度一般控制在11.5倍洞径（D）以内，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构；若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。,b 多部分步开挖留核心土 该法适用于较差的地层，围岩级别为V、VI级 ，上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土，用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面；用网钩钢拱架做初期支护；拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。从断面开挖到初期支护、仰拱封闭不能超过10d，以确保地面沉陷控制在50mm以内。,(2)有关台阶长度问题 台阶长度之所以定为1倍洞径（D），主要因为：地面沉降不容许超过30mm，承载拱的跨度约为1倍洞径。 在1倍洞径区段周围地

19、层产生横向和纵向两个承载拱的作用，这对开挖是有利的，台阶长度超过1倍洞径将失去纵向承载拱受力结构，仅有横向平面承载拱受力结构。 上台阶若选用大于1.5倍洞径的长台阶，在开挖时纵向变位大，上台阶断面形状不利于受力，而且容易引起周围地层松动，塑性区增大，造成拱脚附近受力大而使其失去稳定性。 上台阶若过短，小于1倍洞径，因洞内纵向破裂面超过工作面，易造成洞顶土体下滑，引起工作面不稳定，所以软弱地层不能采用短台阶法施工，但是若用硬岩爆破法施工时，为了便于风钻打眼，可设置超短台阶。,从安全角度考虑，台阶长度定为1倍洞径是合理的，施工机械的配置也应遵守这个原则。因此，在采用正台阶法施工时，应树立一个概念，

20、不要分长台阶、短台阶、微台阶，这是长期施工经验教训的总结，有关施工规范中也取消了这种说法，也不再提半断面法开挖。需要说明的是，在II类砂卵石地层中进行大断面正台阶开挖，必须同时实施深孔注浆和小导管超前支护、预注浆辅助工法。 （3)正台阶法开挖优缺点 a 灵活多变，适用性强。凡是软弱围岩、第四纪沉积地层，必须采用正台阶法，尤其是各种不同方法中的基本方法。而且，当遇到地层变化（变好或变坏），都能及时更改、变换成其他方法，所以被称为浅埋暗挖施工方法之母。,b 具有足够的作业空间和较快的施工速度，台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业则较为安全。当地层无水、洞跨小于10m时，均可采用该

21、方法。 c 台阶法开挖的缺点是上下部作业相互干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响，还应注意台阶开挖会增加围岩被扰动的次数等。,3) 单侧壁导坑超前导坑法开挖 主要适用于地层较差、断面较大，采用台阶法开挖有困难的地层。采用该法可变大跨断面为小跨断面。大跨断面多不小于10m，可采用单侧壁导坑法，将导坑跨度定为34m，这样就可将大跨度变为34m跨和610m跨，这种施工方法简单可靠。 采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上，为了稳定工作面，经常和超前小导管注浆等辅助施工措施配合适用，一般采用人工开挖，人工和机械混合出碴。,4) 中隔墙法（CD工法）和交叉中隔墙（CRD工法）开挖 (

22、1) 基本概念 CD法（Center Diaphragm）主要适用于地层较差和不稳定岩体，且地面沉降要求严格的地下工程施工。当CD法仍不能满足要求时，可在CD工法的基础上加设临时仰拱，即CRD法（Cross Diaphragm）。 CD法首次在德国慕尼黑地铁工程的实践中获得了成功，CRD法是日本吸取欧洲CD法的经验，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环、改进发展的一种工法。其最大特点是将大断面施工化成小段面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期沉降好，每个步序受力体系完整。,(2) 方法的比较 大量的施工实例资料的统计结果表明，CRD法优于CD法（CRD法比CD法减少地面

23、沉降近50%），而CD法又优于眼镜法。但是CRD工法施工工序复杂，隔墙拆除困难，成本较高，进度较慢，一般在第四纪地层中修建大段面地下结构物（如停车场），且地面沉降要求严格时才使用。每步的台阶长度都应控制，一般为57m。 在市区软弱、松散的地层中，仅从控制地层位移的角度考虑，前述隧道浅埋暗挖施工方法择优的顺序为CRD工法眼睛工法CD工法上半断面临时闭合法正台阶法。而从进度和经济角度考虑，由于各工法的工序和临时支护不同，其顺序恰恰相反。,5) 双侧壁导坑法开挖 (1) 基本概念 双侧壁导坑法也称眼睛工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法，其实质是将大跨度（20m）分成三个小跨度进行作业，主要适用于地

24、层较差、断面很大、单侧壁导坑超前台阶法无法满足要求的三线或多线大断面铁路隧道及地铁工程。该法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，有可能由于测量误差而引起钢架连接困难，从而加大了下沉值，而且成本较高，进度较慢。20世纪70年代至80年代初国内外多用此法，目前使用较少。,6) 特大断面施工施工方法 在修筑地下发电厂、地下仓库、地下商业街及地铁车站时，经常出现地下大空间的施工问题。这些建筑物若在埋深较浅、软弱不稳定的级围岩中，一般用浅埋暗挖法施工。 当地质条件差、断面特大时，一般设计成多跨结构，跨与跨之间有梁、柱连接。比如常见的三跨两柱的大型地铁站、地下商业街、地下停车场等，一般采用中洞法、侧洞法、柱洞

25、法及洞桩墙法（地下盖挖法）等方法施工，其核心思想是变大断面为中小断面，提高施工安全度。,(1) 中洞法施工 中洞法施工就是先开挖中间部分（中洞），中洞内施作梁、柱结构上。由于中洞的跨度较大，施工中一般采用CD法、CRD法或眼睛法等进行施作。中洞法施工工序复杂，但两侧洞对称施工，比较容易解决侧压力从中洞初期支护转移到梁柱上时产生的不平衡侧压力问题，施工引起的地面沉降较易控制。该工法多在无水、地层相对较好的时应用。该工法空间大，施工方便，混凝土质量也能得到保证。当施工队伍水平较高时，多采用该工法施工。采用该工法施工，地面沉降均匀，两侧洞的沉降曲线不会在中洞施工的沉降曲线最大点叠加，应为优选方案。,

26、(2) 柱洞法施工 施工中，先在立柱位置施作一个小导洞，可用台阶法开挖。当小导洞做好后，在洞内再做底梁、立柱和顶梁，形成一个细而高的纵向结构。该工法的关键是如何确保两侧开挖后初期支护同步作用在顶纵梁上，而且柱子左右水平力要同时加上且保持相等，这是很困难的力的平衡和力的转换交织在一起的问题。在第步增设强有力的临时水平支撑是解决问题的一个办法，但工程量大，不易控制。另一个办法是在第步的空间用片石（间层用素混凝土或三合土）回填密实，使立柱在承受不平衡水平力时，依靠回填物给予支持，这样左边和右边施工就可以不同步地将水平荷载转移到立柱纵梁上。这样做虽能确保立柱的质量，但造价较高。,(3) 桩柱法 桩柱法

27、就是先开挖，在洞内制作挖孔桩。梁柱完成后，再施作顶部结构，然后在其保护下施工，实际上就是将盖挖法施工的挖孔桩梁柱等转入地下进行，因此也称做地下式盖挖法。该工法施工工序较多，且由于地下工作环境很差，施工质量较难保证。扣拱时由于跨度较大，安全性稍差。该工法是为民工队准备的低水平施工法，洞内挖孔环境破坏很大，是一种不宜过多提倡的方法。,各种基本施工方法的比较,(4) 侧洞法施工 侧洞法施工就是先开挖两侧部分（侧洞），在侧洞内做梁、柱结构，然后在开挖中间部分（中洞），并逐渐将中洞顶部荷载通过侧洞初期支护转移到梁、柱上。这种施工方法，在处理中洞顶部荷载转移时，相对于中洞法要困难一些。 两侧洞施工时，中洞上方土体经受多次扰动，形成危及中洞的上小下大的梯形、三角形。改土体直接压在中洞上，中洞施工若不够谨慎就可能发生坍塌。采用该工法施工引起的地面沉降较大，而中洞法则不会出现这种情况。,5 几种大断面施工方法的发展单拱大跨的流畅弧线形 中洞法,洞柱法,侧洞法,