一建市政教材解讀：1K413012 地鐵區(qū)間隧道結構與施工方法

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　　1K413012 地鐵區(qū)間隧道結構與施工方法

　　一、不同方法施工地鐵區(qū)間隧道的結構形式

　　(一)明挖法施工隧道

　　在場地開闊、建筑物稀少、交通及環(huán)境允許的地區(qū)，應優(yōu)先采用施工速度快、造價較低的明挖法施工。明挖法施工的地下鐵道區(qū)間隧道結構通常采用矩形斷面，一般為整體澆筑或裝配式結構，其優(yōu)點是其內輪廓與地下鐵道建筑限界接近，內部凈空可以得到充分利用，結構受力合理，頂板上便于敷設城市地下管網和設施。

　　1.整體式襯砌結構

　　明挖現(xiàn)澆隧道結構斷面分單跨、雙跨等形式，由于結構整體性好，防水性能容易得到保證，可適用于各種工程地質和水文地質條件;但是，施工工序較多，速度較慢。

　　2.預制裝配式襯砌

　　預制裝配式襯砌的結構形式應根據工業(yè)化生產水平、施工方法、起重運輸條件、場地條件等因地制宜選擇，目前以單跨和雙跨較為通用。關于裝配式襯砌各構件之問的接頭構造，除了要考慮強度、剛度、防水性等方面的要求外，還要求構造簡單、施丁方便。裝配式襯砌整體性較差，對于有特殊要求(如防護、抗震等)的地段要慎重選用。

　　(二)噴錨暗挖(礦山)法施工隧道

　　在城市區(qū)域、交通要道及地上地下構筑物復雜地區(qū)，隧道施工噴錨暗挖法通常是一種較好的選擇;隧道施工時，一般采用拱形結構，其基本斷面形式為單拱、雙拱和多跨連拱。前者多用于單線或雙線的區(qū)間隧道或聯(lián)絡通道，后兩者多用在停車線、折返線或喇叭口岔線上。采用噴錨暗挖法隧道襯砌又稱為支護結構或初期支護，其作用是加同同巖并與圍巖一起組成一個有足夠安全度的隧道結構體系，共同承受可能出現(xiàn)的各種荷載，保持隧道斷面的使用凈空，防止地表下沉，提供空氣流通的光滑表面，堵截或引排地下水。根據對隧道襯砌結構的基本要求以及隧道所處的圍巖條件、地下水狀況、地表下沉的控制、斷面大小和施工方法等，可以采用基本結構類型及其變化方案。

　　1.襯砌的基本結構類型一一復合式襯砌

　　這種襯砌結構是由初期支護、防水隔離層和二次襯砌所組成，復合式襯砌外層為初期支護，其作用是加固圍巖，控制圍巖變形，防止圍巖松動失穩(wěn)，是襯砌結構中的主要承載單元。一般應在開挖后立即施作，并應與圍巖密貼。所以，最適宜采用噴錨支護，根據具體情況，選用錨桿、噴混凝土、鋼筋網和鋼支撐等單一或并用而成。

　　2.襯砌結構的變化方案

　　在干燥無水的堅硬圍巖中，區(qū)間隧道襯砌亦可采用單層的噴錨支護，不做防水隔離層和二次襯砌，但此時對噴混凝土的施工工藝和抗風化性能都應有較高的要求，襯砌表面要平整，不允許出現(xiàn)大量的裂縫。

　　在防水要求不高，圍巖有一定的自穩(wěn)能力時，區(qū)間隧道亦可采用單層的模筑混凝土襯砌，不做初期支護和防水隔離層。施工時如有需要可設置用木料、鋼材或噴錨做成的臨時支撐。不同于受力單元，一般情況下，在澆筑混凝土時需將臨時支撐拆除，以供下次使用。單層模筑襯砌又稱為整體式襯砌，為適應不同的圍巖條件，整體式襯砌可做成等截面直墻式和等截面或變截面曲墻式，前者適用于堅硬圍巖，后者適用于軟弱同巖。

　　(三)盾構法施工隧道

　　在松軟含水地層、地面構筑物不允許拆遷，施工條件困難地段，采用盾構法施工隧道能顯示其優(yōu)越性：振動小、噪聲低、施工速度快、安全可靠，對沿線居民生活、地下和地面構筑物及建筑物影響小等。盾構法修建的區(qū)間隧道襯砌有預制裝配式襯砌、預制裝配式襯砌和模筑鋼筋混凝土整體式襯砌相結合的雙層襯砌以及擠壓混凝土整體式襯砌三大類。

　　見圖1K413012-1 。

　　1.預制裝配式襯砌

　　預制裝配式襯砌是用工廠預制的構件，稱為管片，在盾構尾部拼裝而成的。管片種類

　　按材料可分為鋼筋混凝土、鋼、鑄鐵以及由幾種材料組合而成的復合管片。

　　鋼筋混凝土管片的耐壓性和耐久性都比較好;目前已可生產抗壓強度達60MPa、滲透系數小于10-11 cm/s的管片，而且，這幾種管片剛度大，.由其組成的襯砌防水性能有保證。鋼管片的強度高，具有良好的可焊接性，便于加工和維修，重量輕也便于施工。與混凝土管片相比，其剛度小、易變形，而且鋼管片的抗銹性差，在不做二次襯砌時，必須有抗腐、抗銹措施。鑄鐵管片強度高，防水和防銹蝕性能好，易加工。和鋼管片相比，剛度亦較大，故在早期的地下鐵道區(qū)間隧道中得到廣泛的應用。

　　鋼和鑄鐵管片價格較貴，現(xiàn)在除了在需要開口的襯砌環(huán)或預計將承受特殊荷載的地段采用外，一般都采用鋼筋混凝土管片。

　　按管片螺栓手孔大小，可將管片分為箱型和平板型兩類。箱型管片是指因手孔較大而呈肋板型結構，手孔較大不僅方便了接頭螺栓的穿人和擰緊，而且也節(jié)省了材料，使單塊管片重量減輕，-便于運輸和拼裝。但因截面削弱較多，在盾構千斤頂推力作用下容易開裂，故只有強度較大的金屬管片才采用箱型結構。當然，直徑和厚度較大的鋼筋混凝土管片也有采用箱型結構的。在箱型管片中縱向加勁肋是傳遞千斤頂推力的關鍵部位，一般沿襯砌環(huán)向等距離布置，加勁肋的數量應大于盾構千斤頂的臺數，其形狀應根據管片拼裝和是否需要灌注二次襯砌的施工要求而定，見圖1K413012-2。平板型管片是指因螺栓手孔較小或無手孔而呈曲板型結構的管片，由于管片截面削弱少或無削弱，故對盾構千斤頂推力具有較大的抵抗力，對通風的阻力也較小。無手孔的管片也稱為砌塊，現(xiàn)代的鋼筋混凝土管片多采用平板型結構見圖1K413012-3 。

　　襯砌環(huán)內管片之間以及各襯砌環(huán)之間的連接方式，從其力學特性來看，可分為柔性連接和剛性連接，前者允許相鄰管片間產生微小的轉動和壓縮，使襯砌環(huán)能按內力分布狀態(tài)產生相應的變形，以改善襯砌環(huán)的受力狀態(tài)。后者則通過增加連接螺栓的排數，力圖在構造上使接縫處的剛度與管片本身相同。實踐證明，剛性連接不僅拼裝麻煩、造價高，而且會在襯砌環(huán)中產生較大的次應力，帶來不良后果，因此，目前較為通用的是柔性連接，常用的有：單排螺栓連接、銷釘連接及無連接件等。

　　2.雙層襯砌

　　為防止隧道滲水和襯砌腐蝕，提高襯砌結構剛度和輸水隧洞承受內水壓力的能力，修正隧道施工誤差，減少噪聲和振動以及作為內部裝飾，可以在裝配式襯砌內部再做一層整體式混凝土或鋼筋混凝土內襯。根據需要還可以在裝配式襯砌與內層之間鋪設防水隔離層。雙層襯砌主要用在輸水隧洞工程和含有腐蝕性地下水的地層中。

　　3.擠壓混凝土整體式襯砌

　　擠壓混凝土襯砌(Extrude Concrete Lining，簡稱ECL)就是隨著盾構向前掘進，用一套襯砌施工設備在盾尾同步灌注的混凝土或鋼筋混凝土整體式襯砌，因其灌注后即承受盾構千斤頂推力的擠壓作用，故有此稱謂。擠壓混凝土襯砌可以是素混凝土，也可以是鋼筋混凝土，但應用最多的是鋼纖維混凝土。

　　擠壓混凝土襯砌一次成型，內表面光滑，襯砌背后無空隙，故無須注漿，且對控制地層移動特別有效。但因擠壓混凝土襯砌需要較多的施工設備，其中包括混凝土成型用的框模，拼拆框模的系統(tǒng)，混凝土配制車、泵、閥、管等組成的混凝土配送系統(tǒng)。而且，混凝土制備、配送、鋼筋架立等工藝較為復雜，在滲漏性較大的土層中要達到防水要求尚有困難。故擠壓混凝土襯砌的應用尚不廣泛。

　　二、施工方法比較與選擇

　　(一)噴錨暗挖(礦山)法

　　1.噴錨暗挖法

　　施工基本流程見圖1K413012-4。

　　2.新奧法施工

　　新奧法施工隧道適用于穩(wěn)定地層，應根據地質、施工機具條件，盡量采用對同巖擾動少的支護方法。巖石地層當采用鉆爆法開挖時，應采用光面爆破、預裂爆破技術，盡量減少欠挖、超挖。

　　圍巖開挖后應立即進行必要的支護，并使支護與圍巖盡量密貼，以穩(wěn)定圍巖。圍巖條件比較好時可簡單支護或不支護。采用噴混凝土錨桿作為初期支護時的施工順序一般為先噴混凝土后打錨桿;圍巖條件惡劣時，則采用初噴混凝土一架鋼支撐一打錨桿一二次噴混凝土。錨桿桿位、孔

　　徑、孔深及布置形式應符合設計要求，錨桿桿體露出巖面的長度不宜大于噴混凝土層厚度，錨桿施工質量應符合有關規(guī)范要求。

　　3.淺埋暗挖法施工

　　淺埋暗挖法的工藝流程和技術要求主要是針對埋置深度較淺、松散不穩(wěn)定的土層和軟弱破碎巖層施工面而形成的。

　　淺埋暗挖法與新奧法相比，更強調地層的預支護和預加固。因為地鐵工程基本是在城鎮(zhèn)施工，對地表沉降的控制要求比較嚴格。淺埋暗挖法支護襯砌的結構剛度比較大，初期支護允許變形量比較小，有利于減少對地層的擾動及保護周邊環(huán)境。

　　(1)地層預加固和預支護

　　在城市地鐵隧道施工中，經常遇到砂礫土、砂性土、黏性土或強風化基巖等不穩(wěn)定地層。這類地層在隧道開挖過程中自穩(wěn)時間短暫，往往在初期支護尚未來得及施作，或噴射混凝土尚未獲得足夠強度時，拱墻的局部地層已開始坍塌。為此，需采用地層預加固、預支護的方法，以提高周圍地層的穩(wěn)定性。常用的預加固和預支護方法有：小導管超前預注漿、開挖面超前深孔注漿及管棚超前支護;詳見1K413044和1K413045。

　　(2)隧道土方開挖與支護

　　采用淺埋暗挖法開挖作業(yè)時，所選用的施工方法及工藝流程，應保證最大限度地減少對地層的擾動，提高周圍地層自承作用和減少地表沉降。根據不同的地質條件及隧道斷面，選用不同的開挖方法，但其總原則是：預支護、預加固一段，開挖一段;開挖一段，支護一段;支護一段，封閉成環(huán)一段。初期支護封閉成環(huán)后，隧道處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，通過監(jiān)控量測，確認達到基本穩(wěn)定狀態(tài)時，可以進行二次襯砌的混凝土灌注工作。如量測結果證明尚未穩(wěn)定，則需繼續(xù)監(jiān)測;如監(jiān)測結果證明支護有失穩(wěn)的趨勢時，則需及時通過設計部門共同協(xié)商，確定加固方案;詳見1K413041。

　　(3)初期支護形式

　　在軟弱破碎及松散、不穩(wěn)定的地層中采用淺埋暗挖法施工時，除需對地層進行預加固和預支護外，隧道初期支護施作的及時性及支護的強度和剛度，對保證開挖后隧道的穩(wěn)定性、減少地層擾動和地表沉降，都具有決定性的影響。在諸多支護形式中，鋼拱錨噴混凝土支護是滿足上述要求的最佳支護形式;詳見1K413042。

　　(4)二次襯砌

　　在淺埋暗挖法中，初期支護的變形達到基本穩(wěn)定，且防水結構施工驗收合格后，可以進行二次混凝土襯砌灌注工序。通過監(jiān)控量測，掌握隧道動態(tài)，提供信息，指導二次襯砌施作時機。這是淺埋暗挖法中二次襯砌施工與一般隧道襯砌施工的主要區(qū)別。其他灌注工藝和機械設備與一般隧道襯砌施工基本相同。

　　二次襯砌模板可以采用臨時木模板或金屬定型模板，更多情況則使用模板臺車，因為區(qū)間隧道的斷面尺寸基本不變，有利于使用模板臺車，加快立模及拆模速度。襯砌所用的模板、墻架，拱架均應式樣簡單、拆裝方便、表面光滑、接縫嚴密。使用前應在樣板臺上校核;重復使用時，應隨時檢查并整修;詳見1K413043。

　　(5)監(jiān)控量測

　　利用監(jiān)控量測信息指導設計與施工是淺埋暗挖施工工序的重要組成部分。在設計文件中應提出具體要求和內容，監(jiān)控量測的費用應納人工程成本。在實施過程中施工單位要有專門機構執(zhí)行與管理，并由項目技術負責人統(tǒng)一掌握、統(tǒng)一領導。經驗證明拱頂下沉是控制穩(wěn)定較直觀的和可靠的判斷依據，水平收斂和地表下沉有時也是重要的判斷依據。對于地鐵隧道來講，地表下沉測量顯得尤為重要;詳見1K420153。

　　(二)盾構法施工

　　(1)盾構法施工見圖1K413012-5，其基本施工步驟：

　　1)在盾構法隧道的始發(fā)端和接收端各建一個工作(豎)井;

　　2)盾構機在始發(fā)端工作井內安裝就位;

　　3)依靠盾構機千斤頂推力(作用在已拼裝好的襯砌環(huán)和工作井后壁上)將盾構機從始發(fā)工作井的墻壁預留洞門推出;

　　4)盾構機在地層中沿著設計軸線推進，在推進的同時不斷出土和安裝襯砌管片;

　　5)及時地向襯砌背后的空隙注漿，防止地層移動和固定襯砌環(huán)位置;

　　6)盾構機進入接收工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推進。

　　(2)盾構法施工隧道具有以下優(yōu)點：

　　1)除豎井施工外，施工作業(yè)均在地下進行，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;

　　2)盾構推進、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進行，施工易于管理，施工人員也較少

　　3)隧道的施工費用不受覆土量多少影響，適宜于建造覆土較深的隧道;

　　4)施工不受風雨等氣候條件影響;

　　5)當隧道穿過河底或其他建筑物時，不影響施工;

　　6)與明挖法相比，只要能使盾構的開挖面穩(wěn)定，則隧道越深、地基越差、土中影響

　　施工的埋設物等越多，經濟上、施工速度上就越有利。

　　(3)盾構法施工也存在以下一些問題：

　　1)當隧道曲線半徑過小時，施工較為困難;

　　2)在陸地建造隧道時，如隧道覆土太淺，則盾構法施工困難很大，而在水下時，如覆土太淺則盾構法施工不夠安全;

　　3)盾構施工中采用全氣壓方法以疏干和穩(wěn)定地層時，對勞動保護要求較高，施工條件差;

　　4)盾構法隧道上方一定范圍內的地表沉陷尚難完全防止，特別在飽和含水松軟的土層中，要采取嚴密的技術措施才能把沉陷控制在很小的限度內;

　　5)在飽和含水地層中，盾構法施工所用的拼裝襯砌，對達到整體結構防水的技術要求較高(詳見1K413030有關內容)。