一建市政教材解读：1K413012 地铁区间隧道结构与施工方法

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　　1K413012 地铁区间隧道结构与施工方法

　　一、不同方法施工地铁区间隧道的结构形式

　　(一)明挖法施工隧道

　　在场地开阔、建筑物稀少、交通及环境允许的地区，应优先采用施工速度快、造价较低的明挖法施工。明挖法施工的地下铁道区间隧道结构通常采用矩形断面，一般为整体浇筑或装配式结构，其优点是其内轮廓与地下铁道建筑限界接近，内部净空可以得到充分利用，结构受力合理，顶板上便于敷设城市地下管网和设施。

　　1.整体式衬砌结构

　　明挖现浇隧道结构断面分单跨、双跨等形式，由于结构整体性好，防水性能容易得到保证，可适用于各种工程地质和水文地质条件;但是，施工工序较多，速度较慢。

　　2.预制装配式衬砌

　　预制装配式衬砌的结构形式应根据工业化生产水平、施工方法、起重运输条件、场地条件等因地制宜选择，目前以单跨和双跨较为通用。关于装配式衬砌各构件之问的接头构造，除了要考虑强度、刚度、防水性等方面的要求外，还要求构造简单、施丁方便。装配式衬砌整体性较差，对于有特殊要求(如防护、抗震等)的地段要慎重选用。

　　(二)喷锚暗挖(矿山)法施工隧道

　　在城市区域、交通要道及地上地下构筑物复杂地区，隧道施工喷锚暗挖法通常是一种较好的选择;隧道施工时，一般采用拱形结构，其基本断面形式为单拱、双拱和多跨连拱。前者多用于单线或双线的区间隧道或联络通道，后两者多用在停车线、折返线或喇叭口岔线上。采用喷锚暗挖法隧道衬砌又称为支护结构或初期支护，其作用是加同同岩并与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，共同承受可能出现的各种荷载，保持隧道断面的使用净空，防止地表下沉，提供空气流通的光滑表面，堵截或引排地下水。根据对隧道衬砌结构的基本要求以及隧道所处的围岩条件、地下水状况、地表下沉的控制、断面大小和施工方法等，可以采用基本结构类型及其变化方案。

　　1.衬砌的基本结构类型一一复合式衬砌

　　这种衬砌结构是由初期支护、防水隔离层和二次衬砌所组成，复合式衬砌外层为初期支护，其作用是加固围岩，控制围岩变形，防止围岩松动失稳，是衬砌结构中的主要承载单元。一般应在开挖后立即施作，并应与围岩密贴。所以，最适宜采用喷锚支护，根据具体情况，选用锚杆、喷混凝土、钢筋网和钢支撑等单一或并用而成。

　　2.衬砌结构的变化方案

　　在干燥无水的坚硬围岩中，区间隧道衬砌亦可采用单层的喷锚支护，不做防水隔离层和二次衬砌，但此时对喷混凝土的施工工艺和抗风化性能都应有较高的要求，衬砌表面要平整，不允许出现大量的裂缝。

　　在防水要求不高，围岩有一定的自稳能力时，区间隧道亦可采用单层的模筑混凝土衬砌，不做初期支护和防水隔离层。施工时如有需要可设置用木料、钢材或喷锚做成的临时支撑。不同于受力单元，一般情况下，在浇筑混凝土时需将临时支撑拆除，以供下次使用。单层模筑衬砌又称为整体式衬砌，为适应不同的围岩条件，整体式衬砌可做成等截面直墙式和等截面或变截面曲墙式，前者适用于坚硬围岩，后者适用于软弱同岩。

　　(三)盾构法施工隧道

　　在松软含水地层、地面构筑物不允许拆迁，施工条件困难地段，采用盾构法施工隧道能显示其优越性：振动小、噪声低、施工速度快、安全可靠，对沿线居民生活、地下和地面构筑物及建筑物影响小等。盾构法修建的区间隧道衬砌有预制装配式衬砌、预制装配式衬砌和模筑钢筋混凝土整体式衬砌相结合的双层衬砌以及挤压混凝土整体式衬砌三大类。

　　见图1K413012-1 。

　　1.预制装配式衬砌

　　预制装配式衬砌是用工厂预制的构件，称为管片，在盾构尾部拼装而成的。管片种类

　　按材料可分为钢筋混凝土、钢、铸铁以及由几种材料组合而成的复合管片。

　　钢筋混凝土管片的耐压性和耐久性都比较好;目前已可生产抗压强度达60MPa、渗透系数小于10-11 cm/s的管片，而且，这几种管片刚度大，.由其组成的衬砌防水性能有保证。钢管片的强度高，具有良好的可焊接性，便于加工和维修，重量轻也便于施工。与混凝土管片相比，其刚度小、易变形，而且钢管片的抗锈性差，在不做二次衬砌时，必须有抗腐、抗锈措施。铸铁管片强度高，防水和防锈蚀性能好，易加工。和钢管片相比，刚度亦较大，故在早期的地下铁道区间隧道中得到广泛的应用。

　　钢和铸铁管片价格较贵，现在除了在需要开口的衬砌环或预计将承受特殊荷载的地段采用外，一般都采用钢筋混凝土管片。

　　按管片螺栓手孔大小，可将管片分为箱型和平板型两类。箱型管片是指因手孔较大而呈肋板型结构，手孔较大不仅方便了接头螺栓的穿人和拧紧，而且也节省了材料，使单块管片重量减轻，-便于运输和拼装。但因截面削弱较多，在盾构千斤顶推力作用下容易开裂，故只有强度较大的金属管片才采用箱型结构。当然，直径和厚度较大的钢筋混凝土管片也有采用箱型结构的。在箱型管片中纵向加劲肋是传递千斤顶推力的关键部位，一般沿衬砌环向等距离布置，加劲肋的数量应大于盾构千斤顶的台数，其形状应根据管片拼装和是否需要灌注二次衬砌的施工要求而定，见图1K413012-2。平板型管片是指因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板型结构的管片，由于管片截面削弱少或无削弱，故对盾构千斤顶推力具有较大的抵抗力，对通风的阻力也较小。无手孔的管片也称为砌块，现代的钢筋混凝土管片多采用平板型结构见图1K413012-3 。

　　衬砌环内管片之间以及各衬砌环之间的连接方式，从其力学特性来看，可分为柔性连接和刚性连接，前者允许相邻管片间产生微小的转动和压缩，使衬砌环能按内力分布状态产生相应的变形，以改善衬砌环的受力状态。后者则通过增加连接螺栓的排数，力图在构造上使接缝处的刚度与管片本身相同。实践证明，刚性连接不仅拼装麻烦、造价高，而且会在衬砌环中产生较大的次应力，带来不良后果，因此，目前较为通用的是柔性连接，常用的有：单排螺栓连接、销钉连接及无连接件等。

　　2.双层衬砌

　　为防止隧道渗水和衬砌腐蚀，提高衬砌结构刚度和输水隧洞承受内水压力的能力，修正隧道施工误差，减少噪声和振动以及作为内部装饰，可以在装配式衬砌内部再做一层整体式混凝土或钢筋混凝土内衬。根据需要还可以在装配式衬砌与内层之间铺设防水隔离层。双层衬砌主要用在输水隧洞工程和含有腐蚀性地下水的地层中。

　　3.挤压混凝土整体式衬砌

　　挤压混凝土衬砌(Extrude Concrete Lining，简称ECL)就是随着盾构向前掘进，用一套衬砌施工设备在盾尾同步灌注的混凝土或钢筋混凝土整体式衬砌，因其灌注后即承受盾构千斤顶推力的挤压作用，故有此称谓。挤压混凝土衬砌可以是素混凝土，也可以是钢筋混凝土，但应用最多的是钢纤维混凝土。

　　挤压混凝土衬砌一次成型，内表面光滑，衬砌背后无空隙，故无须注浆，且对控制地层移动特别有效。但因挤压混凝土衬砌需要较多的施工设备，其中包括混凝土成型用的框模，拼拆框模的系统，混凝土配制车、泵、阀、管等组成的混凝土配送系统。而且，混凝土制备、配送、钢筋架立等工艺较为复杂，在渗漏性较大的土层中要达到防水要求尚有困难。故挤压混凝土衬砌的应用尚不广泛。

　　二、施工方法比较与选择

　　(一)喷锚暗挖(矿山)法

　　1.喷锚暗挖法

　　施工基本流程见图1K413012-4。

　　2.新奥法施工

　　新奥法施工隧道适用于稳定地层，应根据地质、施工机具条件，尽量采用对同岩扰动少的支护方法。岩石地层当采用钻爆法开挖时，应采用光面爆破、预裂爆破技术，尽量减少欠挖、超挖。

　　围岩开挖后应立即进行必要的支护，并使支护与围岩尽量密贴，以稳定围岩。围岩条件比较好时可简单支护或不支护。采用喷混凝土锚杆作为初期支护时的施工顺序一般为先喷混凝土后打锚杆;围岩条件恶劣时，则采用初喷混凝土一架钢支撑一打锚杆一二次喷混凝土。锚杆杆位、孔

　　径、孔深及布置形式应符合设计要求，锚杆杆体露出岩面的长度不宜大于喷混凝土层厚度，锚杆施工质量应符合有关规范要求。

　　3.浅埋暗挖法施工

　　浅埋暗挖法的工艺流程和技术要求主要是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎岩层施工面而形成的。

　　浅埋暗挖法与新奥法相比，更强调地层的预支护和预加固。因为地铁工程基本是在城镇施工，对地表沉降的控制要求比较严格。浅埋暗挖法支护衬砌的结构刚度比较大，初期支护允许变形量比较小，有利于减少对地层的扰动及保护周边环境。

　　(1)地层预加固和预支护

　　在城市地铁隧道施工中，经常遇到砂砾土、砂性土、黏性土或强风化基岩等不稳定地层。这类地层在隧道开挖过程中自稳时间短暂，往往在初期支护尚未来得及施作，或喷射混凝土尚未获得足够强度时，拱墙的局部地层已开始坍塌。为此，需采用地层预加固、预支护的方法，以提高周围地层的稳定性。常用的预加固和预支护方法有：小导管超前预注浆、开挖面超前深孔注浆及管棚超前支护;详见1K413044和1K413045。

　　(2)隧道土方开挖与支护

　　采用浅埋暗挖法开挖作业时，所选用的施工方法及工艺流程，应保证最大限度地减少对地层的扰动，提高周围地层自承作用和减少地表沉降。根据不同的地质条件及隧道断面，选用不同的开挖方法，但其总原则是：预支护、预加固一段，开挖一段;开挖一段，支护一段;支护一段，封闭成环一段。初期支护封闭成环后，隧道处于暂时稳定状态，通过监控量测，确认达到基本稳定状态时，可以进行二次衬砌的混凝土灌注工作。如量测结果证明尚未稳定，则需继续监测;如监测结果证明支护有失稳的趋势时，则需及时通过设计部门共同协商，确定加固方案;详见1K413041。

　　(3)初期支护形式

　　在软弱破碎及松散、不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时，除需对地层进行预加固和预支护外，隧道初期支护施作的及时性及支护的强度和刚度，对保证开挖后隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降，都具有决定性的影响。在诸多支护形式中，钢拱锚喷混凝土支护是满足上述要求的最佳支护形式;详见1K413042。

　　(4)二次衬砌

　　在浅埋暗挖法中，初期支护的变形达到基本稳定，且防水结构施工验收合格后，可以进行二次混凝土衬砌灌注工序。通过监控量测，掌握隧道动态，提供信息，指导二次衬砌施作时机。这是浅埋暗挖法中二次衬砌施工与一般隧道衬砌施工的主要区别。其他灌注工艺和机械设备与一般隧道衬砌施工基本相同。

　　二次衬砌模板可以采用临时木模板或金属定型模板，更多情况则使用模板台车，因为区间隧道的断面尺寸基本不变，有利于使用模板台车，加快立模及拆模速度。衬砌所用的模板、墙架，拱架均应式样简单、拆装方便、表面光滑、接缝严密。使用前应在样板台上校核;重复使用时，应随时检查并整修;详见1K413043。

　　(5)监控量测

　　利用监控量测信息指导设计与施工是浅埋暗挖施工工序的重要组成部分。在设计文件中应提出具体要求和内容，监控量测的费用应纳人工程成本。在实施过程中施工单位要有专门机构执行与管理，并由项目技术负责人统一掌握、统一领导。经验证明拱顶下沉是控制稳定较直观的和可靠的判断依据，水平收敛和地表下沉有时也是重要的判断依据。对于地铁隧道来讲，地表下沉测量显得尤为重要;详见1K420153。

　　(二)盾构法施工

　　(1)盾构法施工见图1K413012-5，其基本施工步骤：

　　1)在盾构法隧道的始发端和接收端各建一个工作(竖)井;

　　2)盾构机在始发端工作井内安装就位;

　　3)依靠盾构机千斤顶推力(作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上)将盾构机从始发工作井的墙壁预留洞门推出;

　　4)盾构机在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片;

　　5)及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置;

　　6)盾构机进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进。

　　(2)盾构法施工隧道具有以下优点：

　　1)除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响;

　　2)盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少

　　3)隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道;

　　4)施工不受风雨等气候条件影响;

　　5)当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工;

　　6)与明挖法相比，只要能使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响

　　施工的埋设物等越多，经济上、施工速度上就越有利。

　　(3)盾构法施工也存在以下一些问题：

　　1)当隧道曲线半径过小时，施工较为困难;

　　2)在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，则盾构法施工困难很大，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全;

　　3)盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差;

　　4)盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷控制在很小的限度内;

　　5)在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水的技术要求较高(详见1K413030有关内容)。