地下铁道施工方法的选择 及对周围环境的影响 主讲：刘 勇 博士教授

第一部分 施工方法的选择 第二部分　施工对周围环境的影响

第一部分 地铁施工方法选择

一 施工方法分类 地铁隧道施工方法选择主要受工程地质、水文地质、地形地貌、沿线环境的要求、施工单位的技术水平、施工进度、经济条件等因素限制。 明挖法 盖挖法 矿山法 新奥法 盾构法 沉管法 掘进机法 顶进法

二 明挖法 1、方法概述 开挖基坑 修筑衬砌 回填土石 恢复路面

二 明挖法 明挖顺作法施工步骤 演示 (a)基坑围护 (b)开挖及第一道撑 (c)开挖 (d) 结构施工 (e) 埋设物放置 (f) 回填 (g) 恢复路面

2、分类 二 明挖法 在选择基坑类型时，应根据隧道所处位置、隧道埋深、工程地质和水文地质条件，因地制宜地确定。 边坡面不加支护的基坑 无围护结 构的基坑 喷混凝土面和锚杆护坡基坑 有围护结 钢板桩围护基坑 钢筋混凝土钻孔灌注桩围护 工字钢桩围护基坑 人工挖孔桩围护基坑 地下连续墙围护基坑 土钉墙围护基坑 深层搅拌桩围护基坑 明挖法基坑类型 在选择基坑类型时，应根据隧道所处位置、隧道埋深、工程地质和水文地质条件，因地制宜地确定。

3 敞口放坡基坑 在城市地下工程采用明挖法施工时，为了防止塌方，保证施工安全，在基坑(槽)开挖深度超过一定限度时，土壁应做成有斜率的边坡，以保证土坡的稳定。工程中常称为放坡。

1．深层搅拌桩 4 具有围护结构的基坑 分湿法(喷浆)及干法(喷粉) 。 施工过程大致可分为： (1)桩架定位及保证垂直度 (2)预搅下沉 (3)制备水泥浆 (4)提升、喷浆并搅拌 (5)重复搅拌或重复喷浆 (6)移位

1 2 桩架定位 预搅下沉

3 4 下沉至底并压浆 喷浆搅拌上升

5 6 喷浆搅拌上升 重复搅拌下沉

7 8 重复搅拌下沉 重复搅拌上升

9 10 成桩 移机，重复前面过程

2 排桩支护 排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩、工字钢桩或钢板桩等。 排桩支护结构可分为：柱列式排桩支护，连续排桩支护，组合式排桩支护三种。 (1)柱列式排桩支护：当边坡土质较好、地下水位较低时，可利用土拱作用，以稀疏的钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡。

2 排桩支护 (2)连续排桩支护 ：在软土中支挡桩应该连续密排。 开挖侧 树根桩或注浆

2 排桩支护 b U形 2b (3)组合式排桩支护:在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注桩排桩与水泥土桩防渗墙组合的。 开挖侧

(1)板桩 2 排桩支护 常用的板桩类型有钢板桩和钢筋砼板桩。 ①钢板桩 截面形式：U形、Z形和直腹板式。 优 点：板桩材料质量可靠，在软弱土层中施工速度快，施工也较简单，并且有较好的挡水性，临时性结构的钢板桩可拔出多次重复使用，降低成本。

2 排桩支护 Z形 U形

2 排桩支护

2 排桩支护

2 排桩支护

2 排桩支护 (2)工字钢桩 工字钢 腰梁 横撑 桩 槽钢 橡木楔 横撑 支撑角钢 楔 衬木 木条 桩

3 钻孔咬合桩 桩的排列方式一般为一根素混凝土桩(A桩)和一根钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置，A桩采用超缓凝型混凝土(缓凝时间视施工需要而定)，B桩采用普通混凝土。先施工A桩，在A桩初凝前施工B桩，并利用套管钻机的切割能力切掉A桩相交部分的混凝土，使B桩嵌入A桩，形成相互咬合。 A B D d 钻孔咬合桩平面示意图

4 SMW桩 密插 三插二 二插一 (1)施工方法 采用三轴或多轴型旋转搅拌钻孔，一边钻进一边由钻头向外喷出水泥固化剂，经与地基土反复搅拌形成均一的水泥土混合体，并在其接硬前插入涂满“减摩剂”的型钢作为加劲材料，待水泥土硬化后便成为具有一定强度和刚度的基坑围护结构。

5 地下连续墙施工 1、施工方法简述

5 地下连续墙施工 修筑导墙 泥浆护壁 开挖沟槽 钢筋笼制作 放入接头管 下放钢筋笼 水下浇注砼 拔出接头管 动画演示 形成一个单元墙段 3.放入钢筋笼 开挖沟槽 放入接头管 下放钢筋笼 水下浇注砼 拔出接头管 形成一个单元墙段 泥浆护壁 钢筋笼制作 修筑导墙 4.浇筑混凝土 1.成槽 5.拔管成墙 2.放入接头管 动画演示

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

5 地下连续墙施工

6 土钉墙围护结构 土钉和锚杆有相似之处，但是作用机理却不同。除锚固段外，锚杆沿全长受到同样的拉力，并将这些拉力通过锚座传给面部的挡土墙或桩。但土钉受力沿其长是不均匀的，土钉支护中的混凝土面层不属主要受力构件。土钉间距小而数量多，锚杆间距大而数量少。 土压分布 墙 锚杆 沿钉长拉力分布 T0 面层 主动区 抗力区 土钉

5、优点 二 明挖法 ①施工方法简单，技术成熟。 ②工程进度快，工作面大， 便于机械和大量劳动力投 入，根据需要可以分段同 时作业。 ②工程进度快，工作面大， 便于机械和大量劳动力投 入，根据需要可以分段同 时作业。 ③浅埋时工程造价和运营费 用均较低，且能耗较少。

6、缺点 二 明挖法 ①外界气象条件对施工影响较大。 ②施工对城市地面交通和居民的正常生活有较大影响，且易造成噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染。 ③需要拆除工程影响范围内的建筑物和地下管线。 ④在饱和的软土地层中，深基坑开挖引起的地面沉降较难控制，且坑内土坡的纵向稳定成为威胁工程安全的重大问题。

第一部分 施工方法选择 二 明挖法

二 明挖法 7、适用范围 敞口明挖适用于地面开阔，周围建筑物稀少，地质条件好，土质稳定且在基坑周围无较大荷载，对基坑周围的位移和沉降无严格要求的情况。 具有围护结构的明挖适用于施工场地狭窄，土质自立性较差，地层松软，地下水丰富，建筑物密集的地区。

第一部分 施工方法选择 三 盖挖法 1、方法概述 修筑边墙 开挖顶部土体 修筑顶盖 回填并恢复路面 开挖下部土体 修筑底板及内部结构

第一部分 施工方法选择 2、优点 三 盖挖法 ①简化施工程序，降低工程造价。可靠近地面建筑物的基础施工。 第一部分 施工方法选择 三 盖挖法 2、优点 ①简化施工程序，降低工程造价。可靠近地面建筑物的基础施工。 ②占地宽度比一般明挖法小，且无振动和噪音。 ③可最大限度地减少地面交通的干扰。 ④可免去或减少施工时的水平支撑系统。 ⑤在松软地层中修建地下多层建筑物的好方法。

第一部分 施工方法选择 3、缺点 三 盖挖法 ①施工工序复杂，交叉作业多。 ②出土不方便。 ③板墙柱接头多，防水困难。 ④工效低，速度慢。 第一部分 施工方法选择 三 盖挖法 3、缺点 ①施工工序复杂，交叉作业多。 ②出土不方便。 ③板墙柱接头多，防水困难。 ④工效低，速度慢。 ⑤结构完成前，中间立柱承受荷载有限。

第一部分 施工方法选择 三 盖挖法 4、分类 盖挖顺作法 盖挖逆作法 盖挖半逆作法 顺作与逆作组合 盖挖与暗挖组合 盖挖与盾构组合

一 概述 早期的盖挖法是在支护基坑的钢桩上架设钢梁、铺设临时路面维持地面交通。开挖到基坑底后，浇筑底板至浇筑顶板的盖挖顺作法。 后来大多使用盖挖逆作法，用刚度 更大的围护结构取代了钢桩，用结构 顶板作为路面系统和支撑，结构施作 顺序是自上而下挖土后浇筑侧墙楼板 至底板完成。也有采用盖挖半逆作法。

一 概述 施工期间的地面处理 ①部分或全部占用地面； ②分条施工临时路面和结构顶板，维持部分交通； ③夜间施工、白天恢复交通。

二 盖挖顺作法施工 步骤1 构筑连续墙和中间支撑桩 步骤3 构筑连续墙及覆盖板 步骤4 开挖及支撑安装 步骤2 构筑中间支撑桩

二 盖挖顺作法施工 步骤6 步骤5 构筑底板 构筑侧墙、柱及楼板 步骤7 步骤8 构筑侧墙及顶板 构筑内部结构及路面恢复

三 盖挖逆作法施工 如果开挖面较大、覆土较浅、沿线建筑物过于靠近，为尽量防止因开挖基坑而引起邻近建筑物沉陷，或需及早恢复路面交通，但又缺乏定型覆盖结构时，可采用盖挖逆作法施工。 回弹量。

三 盖挖逆作法施工 步骤1 步骤2 构筑围护结构 构筑主体结构中间桩柱 步骤3 步骤4 构筑顶板 回填土，恢复路面

三 盖挖逆作法施工 步骤5 步骤6 开挖中层土 构筑上层结构 步骤7 步骤8 开挖下层土 构筑下层主体结构

三 盖挖逆作法施工 应用实例 防水层 挖孔桩 钢管柱 天安门东站施工方法

三 盖挖逆作法施工 优点 ①围护结构变形减少，减少了临时支撑的工程量，提高了工程施工的安全性，也减少了对周边环境的影响。 ②地下、地上结构施工可以并行，缩短了整个工程的工期。 ③减少了开挖时卸载对持力层的影响，降低了地基

三 盖挖逆作法施工 缺点 ①需要设临时立柱和立柱桩，增加了施工费用，且由于支撑为建筑结构本身，自重大，为防止不均匀沉降，要求立柱具有足够的承载力。 ②为便于出土，需要在顶板处设置临时出土口，因此需对顶板采取加强措施。 ③地下结构的土方开挖和结构施工在顶板覆盖下进行，因此大型施工机械难于展开，降低了施工效率。 ④混凝土的浇注在逆作施工的各个阶段都有先后之分，这不仅给施工带来不便，而且给结构的稳定性及结构防水带来一些问题。

三 盖挖逆作法施工 适用条件 施工的难点 (1)大平面地下工程 (2)大深度的地下工程 (3)复杂结构地下工程 (4)周边状况苛刻，对环境要求较高 (5)作业空间狭小 (6)工期要求紧迫 (7)要求尽快恢复地面交通的工程。 施工的难点 节点的连接形式、节点连接的操作程序

四 盖挖半逆作法施工 类似逆作法，其区别仅在于顶板完成及恢复路面后，向下挖土至设计标高后先修筑底板，再依次序向上逐层建筑侧墙、楼板。 在半逆作法中，一般必须设置横撑并施加预应力。

四 盖挖半逆作法施工 步骤1 步骤2 构筑连续墙 中间支撑桩 构筑顶板(Ⅰ) 及临时性挡土设备 步骤3 步骤4 打设中间桩、临时性挡土 构筑连续墙 中间支撑桩 及临时性挡土设备 构筑顶板(Ⅰ) 步骤3 步骤4 打设中间桩、临时性挡土 设备及构筑顶板(Ⅱ) 构筑连续墙及顶板(Ⅲ)

四 盖挖半逆作法施工 步骤6 步骤5 依序向下开挖及逐层 安装水平支撑 向下开挖、构筑底板 步骤8 步骤7 构筑侧墙及内部之 其余结构物 构筑侧墙、柱及楼板

三 盖挖法 适用范围 适用于施工地段交通繁忙，要求阻断交通时间短，多用于松软地层中修建地下多层建筑物。

四 新奥法及浅埋暗挖法 1、方法概述 超前支护(必要时) 钻爆、小型机械或人工开挖 钢架、喷锚联合支护 防水层 模筑混凝土

第一部分 施工方法选择 2、优点 3、缺点 四 新奥法及浅埋暗挖法 对地面干扰小，工程投资也相对较小。 第一部分 施工方法选择 四 新奥法及浅埋暗挖法 2、优点 对地面干扰小，工程投资也相对较小。 3、缺点 不方便机械化作业， 工人劳动强度高，工 作条件恶劣，风险大。

第一部分 施工方法选择 四 新奥法及浅埋暗挖法 4、分类 全断面法 台阶法 中隔壁法 交叉中隔壁法 双侧壁导坑法 洞桩法 中洞法

《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》把新奥法基本要点简化为4点: 合理地利用围岩的自承能力，保护围岩稳定； 以喷混凝土、锚杆为主要支护手段，及时支护、封闭，使围岩成为支护体系的重要组成部分； 开挖作业应减少对围岩的扰动，保持隧道开挖轮廓圆顺； 施工中必须对围岩和支护进行观察、量测，并根据反馈信息进行动态设计。

全断面法

台阶法

台阶法

中隔壁法

交叉中隔壁法

双侧壁导坑法

洞桩法

中洞法

5、松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法) 我国将新奥法原理用在地铁区间和车站施工中，逐渐形成一套“浅埋暗挖”工法。 这种方法在我国地铁和隧道工程中发挥了很大作用，目前已经成为地铁施工的主要方法之一。

（1）城市浅埋地下工程的特点 覆土浅、地质条件差(多数是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等)、自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来严格的要求等. （2）浅埋暗挖法的主要思想 浅埋暗挖法是以超前加固、处理软弱地层为前提,采用足够刚性的复合衬砌（由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成）为基本支护结构,用于软土地层近地表(浅埋)隧道的暗挖施工方法。它以施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。

（3）浅埋暗挖法的应用范围 ②多跨、多层大型车站的修建。 （4）浅埋暗挖法的结构形式 ①圆拱曲墙形式； （5）浅埋暗挖法与其它方法的结合 ①区间、大跨度渡线段、通风道、出入口和竖井的修建； ②多跨、多层大型车站的修建。 （4）浅埋暗挖法的结构形式 ①圆拱曲墙形式； ②大跨度平拱直墙形式； ③平顶直墙等形式。 （5）浅埋暗挖法与其它方法的结合 ①浅埋暗挖法与盖挖法的结合 ； ②浅埋暗挖法与半断面插刀盾构的结合 ； “浅埋暗挖法”建成的北京复兴门地铁折返线

（6）浅埋暗挖法的特点 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、双线及多线、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，能有效地控制地表下沉和坍塌； ④与盾构法相比，在较短的开挖地段使用，比较经济； ⑤与明挖法相比，可以减轻对地面交通的干扰和对商业活动的影响，避免大量的拆迁； ⑥从综合效益观点出发，是比较经济的一种施工方法。

施工的基本原则 ①管超前：指采用超前管棚或小导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌； ②严注浆：指在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力； ③短开挖：指一次注浆，多次开挖，即限制一次进尺的长度，减少对围岩的松弛。

④强支护：指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：指在分部开挖施工中，必须采用临时仰拱封闭，开挖一环，封闭一环，提高初期支护的承载能力； ⑥勤量测：指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．地层预加固和预支护技术 (1)小导管超前注浆

(2)开挖面深孔注浆 正注浆区域 已注浆区域

(3)管棚超前支护 所谓管棚，就是把一系列直径为70~250mm的钢管，沿隧道外轮廓线或部分外轮廓线，顺隧道轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。 管棚的纵向加固作用是明显的，为了实现“纵向成梁、横向成拱”的理想空间加固效果，也避免泥水从管棚之间的空隙流入坑道，一般都要在管棚内注浆加固地层。

(4)水平旋喷超前预支护 ①水平旋喷原理 以高压泵为动力源，通过水平钻机钻杆前的喷嘴把配制好的有固结作用的浆液高压喷射到土体内，喷嘴边喷射边旋转强制土颗粒与浆液搅拌混合。待浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥土固结体，即水平旋喷桩，当旋喷桩相互咬合后，便以同心圆在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。 150° 旋喷加固体

②水平旋喷超前预支护的应用 ●由竖直旋喷技术发展而来; ●日本和意大利是研究开发水平旋喷技术较早的国家，意大利于1983年首次将水平旋喷技术用于隧道预支护。日本先后在软弱松散不良地层的多座隧道中成功地进行预支护和预加固; ●欧美等国也先后使用了此项技术。 ●我国在神延铁路两座隧道、深圳地铁一期工程大剧院--科学馆区间隧道成功运用了水平旋喷超前支护。

③水平旋喷超前预支护的作用 a、隔水防渗作用； b、加固围岩作用； c、开挖预支护作用。 150° 旋喷加固体

④水平旋喷在隧道中的应用 150° 旋喷加固体 水平旋喷桩 水平旋喷桩加固边墙或掌子面 水平旋喷桩拱部超前预加固

旋喷桩加固 斜向水平旋喷桩加固边墙

5、适用范围 6、发展方向 四 新奥法及浅埋暗挖法 结合有效的超前支护措施，基本可适用于各种地层条件。 1)发展可靠的浅层地基处理技术； 2)小型灵活的地下开挖机械； 3)可靠的临时支护措施和机具。