城市地下工程施工毕业设计.docx

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城市地下工程施工毕业设计

摘要

本论文分析和评估城市地下工程施工新技术及工程应用，主要包括城市地下工程施工新技术的现状及发展趋势、城市地下工程施工新技术的应用条件及关键技术、地下工程施工新技术的应用案例分析与总结三个方面。

本文主要论述了地下工程施工的关键技术，如新奥法、盾构法、浅埋暗挖法等方法。

使用盾构法、新奥法施工作为一种施工理念已贯穿于各种施工技术之中。

而地下工程施工新技术的应用案例中，本论文以上海地铁为例，分别为上海地铁1号线为新奥法施工的案例，2号线以盾构法施工的案例进行了分析。

施工机械方面，隧道掘进机（TBM）得到了优先发展。

在隧洞快速开挖中，优先采用隧道掘进机已成为国际发展趋势。

近代掘进机的最大特点是广泛使用电子、信息技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。

隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。

城市环保方面的发展趋势，本论文在减少地面沉降、降低噪音、减少振动等方面（即地下工程施工对城市繁华街道的干扰如何减至最小）进行分析、综合。

关键词：

盾构法，新奥法，掘进机，上海地铁

Abstract

Thisthesisanalysisandassessmentofurbanundergroundengineeringconstructionofnewtechnologiesandengineeringapplications，includingthestatusquoanddevelopmenttrendsofthenewtechnologiesoftheurbanundergroundconstruction，conditionsoftheurbanundergroundconstructionapplicationofnewtechnologiesandkeytechnologies，undergroundconstructionapplicationofnewtechnologycaseanalysisandsummaryofthethreeaspects.

ThekeytechnologiesforundergroundconstructionofthisthesisismainlytalkedabouttheNewAustrianTunnelingMethod，Shield，miningmethod.Shieldmethod，NATMasaconstructionconceptthroughoutthevariousconstructiontechniques.Inthecaseoftheundergroundconstructionapplicationofnewtechnologies，thispapertakesShanghaiMetroasanexample，respectively，forShanghaiMetroLine1asthenewAustriantunnelingmethodconstructioncase，line2toshieldconstructioncaseanalysis.

Constructionmachinery，tunnelboringmachine（TBM）wasgivenprioritydevelopment.Intherapidtunnelexcavation，giveprioritytothetunnelboringmachinehasbecomethetrendofinternationaldevelopment.Moderntunnelingmachine’biggestcharacteristicisthewidelyuseofelectronicinformationtechnology，foralloperationguidanceandmonitoring，sothatthedevelopmentprocesshasalwaysbeeninthebestcondition.Tunnelboringmachineistheuseofrotarycuttingtoolandbrokensurroundingrockexcavation，tunnelandexcavation，formedtheentirecrosssectionofthetunnelisanew，advancedtunnelconstructionmachinery.

Cityenvironmentalprotectiontrendofdevelopment，thisthesisinthereductionofthegroundsettlement，reducednoise，reducedvibration，（i.e.，undergroundengineeringconstructionofcitybustlingstreethowtominimizeinterference），comprehensiveanalysis.

Keywords：

Shield，NewAustrianTunnelingMethod，TunnelBoringMachine，ShanghaiMetro

绪论

目前，人口压力、经济发展和城市化推进的需要使得交通拥挤已成为我国国情，所以解决交通问题成为我国刻不容缓的大事。

地下工程在很大程度上缓解了交通堵塞，尤其在上下班高峰期，城市交通地下工程的作用尤为显著，城市地铁作用越来越明显。

研究地下工程新技术成为我们新兴土木人义不容辞的责任。

工程意义：

本论文研究成果可用于指导城市地下工程施工如何选择新技术及应用新技术，并对城市地下工程的规划、设计及施工起到借鉴性的指导作用，同时具有较大的使用价值。

预期可以达到降低工程造价、减少工程风险、提高地下工程施工的安全性等目标，具有良好的经济效益与社会及环境效益。

从地下工程关键技术的发展趋势来说，盾构法和新奥法作为一种施工理念已贯穿于各种施工技术之中。

但由于土质地层条件、施工机械、地铁功能、投资成本、环境保护等方面的差异，使得施工方法和施工工艺方面也各具差异，总的趋势应该是更安全、更快捷、更省钱、更环保。

所以本论文从综合施工组织及信息化量测、衬砌制备和安设等内容出发，以新奥法、盾构法为主来浅谈地下工程施工方法，施工工艺方面的发展趋势当以隧道掘进机为主。

盾构法是一种较为先进的顶涵施工方法，是在保留传统顶涵施工，桥涵结构路侧预制工艺的基础上，对结构顶进支护方法进行了重大改革，将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护，暗挖推进减低了施工对行车的影响。

盾构法盾构由钢柱、钢梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六大部分组成，适合在松软含水地层，相对均质的地质条件。

在松软含水地层，相对均质的地质条件；盾构法施工隧道应有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m，隧道覆土太浅，盾构法施工难度较大；在水下修建隧道时，覆土太浅盾构施工安全风险较大；地面上必须有修建用于盾构进出洞和出土进料的工作井位置；隧道之间或隧道与其他建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m；从经济角度讲，连续的盾构施工长度不宜小于300m。

盾构设计符合施工要求，盾构性能良好，操作简便，平均日掘进速度达到8环，同时将隧道轴线（平面、高程）有效控制在±50mm以内，地面沉降控制在±10mm～-30mm以内。

所以，本论文以上海地铁2号线为例主要说明盾构法施工。

上海地铁2号线区间隧道，沿线主要穿越的地层有：

灰色砂质粉土层，易发生流砂；灰色淤泥质粉质粘土层，饱和、流塑，属高压缩性土；灰色淤泥质粘土层，饱和、流塑～软塑、夹少量薄层粉砂，属高压缩性土；灰色粘土层，很湿、软塑～可塑、受扰动后沉降大，属高偏中压缩性土；灰色粉质土层，很湿、软塑、受扰动后沉降大、局部夹薄层粉砂，属中压缩性土。

以上海地铁二号线工程为背景，介绍了盾构穿越地面密集建筑物及特殊地下管线等特殊技术措施，并针对隧道叠交工况提出了地面隆起变形计算公式，给出了隧道叠交穿越时地层移动的数学模型。

地铁2号线各区间隧道均采用盾构法施工，共使用10台φ6.34m土压平衡盾构。

地铁区间隧道包括上行线和下行线各一条，隧道衬砌外径为6.2m，内径为5.5m，衬砌为预制钢筋混凝土管片，每环宽度1m，每环由封顶块（F）、邻接块（L1及L2）、标准块（B1及B2）和落底块（D）6块管片拼装而成。

除杨高路站～东方路站区间隧道外，两相邻管片的纵向、环向均采用M30螺栓连接，管片设计强度等级为C50，抗渗为S8，接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶复合而成的弹性密封垫。

通过地铁2号线的盾构施工，明显可以看到随着市政建设的日益发展和城市地下空间的不断开发，今后隧道叠交穿越将成为盾构法隧道施工的一大主题，其施工技术还有待于更深入的探讨。

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnelingMethod简称NATM，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹（L.V.RABCEWICZ）教授于50年代提出的，它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起，作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。

之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。

六十年代NATM被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展。

至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM.新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

在我国常把新奥法称为”锚喷构筑法”。

采用该方法修建地下隧道时，对地面干扰小，工程投资也相对较小，已经积累了比较成熟的施工经验，工程质量也可以得到较好的保证。

使用此方法进行施工时，对于岩石地层，可采用分步或全断面一次开挖，锚喷支护和锚喷支护复合衬砌，必要时可做二次衬砌；对于土质地层，一般需对地层进行加固后再开挖支护、衬砌，在有地下水的条件下必须降水后方可施工。

新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程。

当前，世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。

如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站，车站位于城市道路下7～9m，开挖面积230m2，相当于17m（宽）×14m（高）；我国自1987年在北京地铁首次采用新奥法施工复兴门车站及折返线工程，车站跨度达26m。

针对我国城市地下工程的特点和地质条件，新奥法经过多年的完善与发展，又开发了”浅埋暗挖法”这一新方法，与明挖法、盾构法相比较，由于它可以避免明挖法对地表的干扰性，而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性，因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道、车站、地下过街道、地下停车场等工程，如根据新奥法的基本原理，采用”群洞”方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站，断面复杂多变的折返线工程、联络线工程也多采用新奥法。

在我国利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法，尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要。

上海地铁一号线处于软粘土地层中，土层含水率高，孔隙比大，压缩性高，强度低，渗透系数小.土层中的薄砂层含有承压水.土层上部为回填土，下部为枯土和淤泥质亚枯土，并夹有薄层粉砂.下部土层含水率43.1%－57.9%，呈流塑状，容重1.63-1.79t/m3，垂直渗透系数10-6-10-7cm/s。

地铁泵站（旁通道）大多处于该地层中。

所以，上海地铁一号线采用了新奥法的施工施法。

地铁一号线全长14.57km，沿线共设七座泵站，其中思南路、宁海西路（上、下行线）、长沙路和南苏州河路四座泵站由我单位负责施工。

这四座泵站地面环境极为复杂，其中有三座泵站位于交通干道及建筑物附近，一座紧靠苏州河边，且有很多地下管线纵横其间，这给泵站施工造成了极大困难。

由于泵站所处淤泥地层强度极低，且受地下水的影响，自稳性很差，几乎无自立能力为了充分利用土层自身的力学特性，最大限度地减少泵站施工对地表沉降及隧道变形的影响，将变形控制在允许的范围内，在泵站施工前，对其所处地层视具体情况分别进行了三重管旋喷、冻结和注浆等加固。

新奥法施工具有灵活多变的优点，特别是在淤泥质地层中施工遇突发事故（涌水、冒砂）时，便于及时处理，可大大减少地层的变形。

本论文重点研究新奥法的施工技术。

施工机械方面的发展趋势方面，在隧洞快速开挖中，优先采用隧道掘进机已成为国际发展趋势。

近代掘进机的最大特点是广泛使用电子、信息技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。

其速度一般为常规钻爆法的8～10倍，最佳日进尺可达150m。

除速度快以外，还有优质、安全、经济，有利于环境保护和劳动力保护的优点。

但不足在于对地质条件的适应程度不如钻爆法，而且造价高，对人员素质要求高。

应根据不同的水文地质、工程地质、岩体力学条件来研制、使用不同类型的掘进机。

隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。

隧道掘进机包含盾构和TBM。

一般来说，在欧洲，盾构也称为TBM；但在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。

其实，TBM就是隧道掘进机的英文”TunnelBoringMachine”的缩写，但通常定义中的TBM是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象，它与盾构的主要区别就是不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。

中国产品多为滚压式全断面掘进机，适于中硬岩至硬岩。

铣切式掘进机适用于煤层及软岩中。

在推进油缸的轴向压力作用下，电动机驱动滚刀盘旋转，将岩石切压破碎，其周围有勺斗，随转动而卸到运输带上。

硬岩不需支护，软岩支护时可喷射、浇灌混凝土或装配预制块。

该机在岩性均匀、巷道超过一定长度时使用，经济合理。

在施工机械方面的发展趋，本论文将在后面重点介绍隧道掘进机。

城市环保方面的新技术，地下工程环保技术大致分为：

①计算分析技术，如理论分析、数值分析和数理统计等；②试验监测技术，包括地表移动和变形监测、地下水水质分析、水位和水压力监测、现场和室内试验等；③施工控制技术；④污染防治技术，如污水和固体废弃物处治技术、降低噪声和震动的控制爆破技术叫等。

前两者是环保技术的基础，后者是其具体体现和最终目的。

上述的技术分类是相辅相成和辨证统一的，共同的目的只有一个，那就是在规章制度的保证和科学规范的管理下，使城市地下工程安全、可靠、经济、“绿色”地顺利完成。

目前我国的城市地下工程主要是以解决地面交通拥挤为主要目的，这就决定了工程场址选择和线路展布方向是以地面交通和土地利用状况来决定的，地铁车站和区间隧道都是修建利用率最高效的地段，而非最易于施工的地段。

这样以来，一方面，工程所在区域往往是人口密度大、建筑设施集中，对拟建或改建工程可能带来的扰动和影响有严格的要求和控制；另一方面，工程场址附近的地质条件和施工条件，诸如岩土体类型及其工程性质、地下水状况、埋深及尺寸大小等也因已有工程建筑的影响而更趋复杂。

因此，地铁与普通城市地下工程相比，对降低或消除工程建设对环境的不利影响方面要求更高。

故而，地下工程环保技术在人口集中、经济发达的大中城市里，显得尤为重要。

总之，本论文重点明确，中心突出，从盾构法、新奥法、浅埋暗挖法等施工方法以及掘进机等机械多方面来说明了城市地下工程施工新技术的发展及其工程应用。

1城市地下工程施工的现状

1.1城市地下工程施工新技术的现状

在对这个问题进行论述前，首先应明晰有关的基本概念。

“技术”有广义和狭义之分狭义上，泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能，如电工技术、焊接技术等；广义地讲，还包括相应的生产工具和其它物质设备，以及生产的工艺过程或作业程序、方法等汇川。

从这个意义上讲，技术比方法的内涵和外延要丰富和广泛得多，但是在大量的文献资料中，却常常将技术与方法混用。

一方面，施工方法是基础，包括施工的思想、原则等宏观和较高层次的内容；另一方面，技术是实现其思想、原则的手段，则更为具体地体现为相关的材料、设备、工艺等。

因此，一套完整的地下工程施工技术应包括上述两个方面的所有要素和内容。

1.2城市地下工程施工方法现状

地铁修建过程中，主要涉及三种类型的土建工程：

①深基坑工程，主要用于车站，地下停车场和地下仓库；②隧道工程，主要用于地铁区间线路修建；③高架桥梁结构工程。

其中，较为典型的地下工程则是前两者。

众所周知，地下工程是埋设在土体或岩体中的以土体或岩体为介质和环境的工程结构物，其设计和施工受到工程地质条件和周围环境条件等因素的控制，施工难度大，需要考虑但却不可预见的因素众多，而其中的关键问题则是施工方法和技术。

选择合理的施工技术和方法是决定地下工程成败的关键因素。

通常需考虑的主要因素大体上可归纳为：

①工程的重要性，主要是工程投资规模和运营后的社会、经济和环境效益；②工程的断面尺寸、埋深等；③工程所处的工程地质和水文地质条件；④施工条件，包括技术条件、装备情况、安全状况、施工中动力和原材料供应情况等；⑤有关地面沉降、环境污染等环境方面的要求和限制等。

其中，对地铁施工方法有决定影响的是地质水文条件和埋置深度。

我国城市的地质条件按其地质特性可分为四大类：

一是软土为主，如上海市，隧道和地下车站修筑在软土层中；二是软弱地层与岩层（风化岩层）交变，如南京、广州等地；三是以岩层为主，如重庆、青岛等地；四是以砂卵层为主，如成都、北京等地。

由于地质条件不同，所采用的施工方法也不尽相同。

同时，隧道施工方法的选择是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。

对上述影响因素进行分析可以看出，地下工程施工及施工技术的选择应当牢固树立和坚持技术可行、安全可靠、经济合理、环境优好的理念和原则。

目前在城市地下工程中，以盾构法、新奥法和浅埋暗挖法等应用较为广泛。

其中盾构法是上海地铁和市政隧道采用的主要方法，已取得较好的效果，并具备自主创新的能力，处于国内领先、国际先进的水平，其他城市也均有采用。

此外还有其它的一些方法如：

顶管法、沉管法、沉箱法、TBM法、非开挖技术、盖挖法和明挖法等。

从地下工程相对于地面工程的特点出发，可将其施工方法和技术总结为“一个中心，两个基本点”。

一个中心就是岩土体和工程结构的稳定与和谐，两个基本点就是开挖和支护，这三者之间联系密切，复杂相关。

因此，无论是何种特定的施工方法，除了必须包括最基本的开挖技术和支护技术外，还必须具有相应的辅助技术。

如：

管棚支护技术、抗浮锚杆、桩基托换技术、旋喷桩、超前锚杆、地下连续墙、注浆技术及降水技术等。

1.3施工方法和施工工艺方面的新技术及发展趋势

目前我国城市地下工程的施工方法主要有9种，是由多种技术组成的，除了开挖技术和支护技术外，至少还包括下述几个方面的辅助技术。

1.3.1岩土加固技术

主要是指在特殊地质条件和建筑环境下采用的用以加固围岩和地基的技术措施，如：

人工冻结技术（FreezingMethod）：

是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结并形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕来抵抗水土压力，以保证开挖顺利进行的施工方法。

作为一种成熟的施工方法，冻结法在国际上已有100多年的历史，我国采用此法已有40多年的历史。

确切地说，冻结法不是一种开挖方法，而是面向含水地层的一种加固技术，常作为辅助技术，配合着其他开挖方法使用。

SMW技术：

是采用特殊多轴搅拌钻机在原地层中切碎土体，同时由钻机前端注人水泥浆悬浊液与切碎土体搅拌充分混合而形成止水性较高的水泥土挡墙，并按挡墙功能插人加强芯材的一种地下施工技术。

同其他围护结构形式相比，SMW连续墙施工步骤如下片图1－1到1－9所示，SMW挡墙对周围地层影响小、施工噪音小、无振动、工期短；废土量少，基本无泥浆污染；施工占地少；围护结构刚度大；经济性好。

图1-1导沟开挖确定是否有障碍物及嫩泥水沟图1-2罢放导轨

图1-3设定施工标志图1-4SMW钻拌钻掘搅拌程序

图1-5罢放应力补强材图1-6固定应力补强材

图1-7施工完成SMW图1-8废土运出

图1-9型钢顶端连续梁施工浇筑钢筋混凝土

SMW技术起源于美国而成熟于日本。

此外，还有许多其它的地层加固和预支护技术，如：

管棚支护技术、抗浮锚杆、桩基托换技术、旋喷桩、超前锚杆、地下连续墙、注浆技术及降水技术等。

1.3.2防水技术

防水技术是城市地下工程领域中的重要内容及关键技术之一，不但关系到工程的施工、运营状况、使用功能及使用寿命等，而且与人类生存的大环境也息息相关。

国民经济可持续发展战略对环境保护特别是水资源保护提出了更高的要求，因此，我国已制定了许多相关的防水工程技术规范和标准。

据不完全统计，防水工程有关规范及技术标准共计105项，其中与地下防水工程有关的专项规范20项。

地下工程防水的主要方法有：

结构防水、注浆防水、排水、渗漏水防治等。

其中结构防水为主要的防水措施，其又包括混凝土结构的主体防水、混凝土细部构造防水以及采用特殊施工技术结构防水。

而特殊施工技术结构防水包括盾构法隧道、TBM法隧道、新奥法隧道、浅埋暗挖法地下工程、沉管、沉箱、沉井顶管、CL法隧道、盖挖法、明挖法、岩土加固技术防水等。

地下工程防水技术的整体质量要求是要作到：

不渗不漏，保证排水畅通，确保工程结构良好的防水和使用功能。

因此，必须从四个环节作到精益求精，即优质的材料、科学的设计、精心的施工和规范的管理。

特别是要重视结构自防水技术，由专业队伍来完成防水工程施工。

同时应淡化附加防水层作用，重视自防水混凝土的开发和利用。

依靠技术进步，不断研究与开发新技术、新材料、新工艺，完善防水技术的规程与规范网，努力提高城市地下工程防水技术水平和质量。

1.3.3信息技术

与地面建筑相比，地下构筑物处于岩土介质之中，其最大的特点就是地质环境复杂，影响因素众多，基础信息匾乏，是涉及岩土力学、结构力学、基础工程、原位测试和施工技术等多学科的复杂系统工程。

这使得地下建筑在变形特性、结构特征、初始应力场分布、温度和地下水作用效应等众多方面都表现出明显的非均质性、非连续性、离散性和非线性等特点，致使地下建筑物在施工、运营阶段表现出相当独特和复杂的力学特征，其变形规律和受力特点无论是理论分析、数值模拟或室内外试验，均难以准确把握。

因此，通过将理论成果与试验、实测数据进行对照校验，采用相应的方法进行模拟、评价和预测，并修改和完善设计施工参数，实现动态施工和管理，已成为一种合理可行的方法，“信息化施工技术”应运而生。

目前在地下工程中最常见的提法和概念莫过于“信息化施工技术”，在许多文献中都有叙述。

按有些学者的定义，所谓信息化施工，即在施工过程中，以质量控制为目标，通过对大量施工及监测信息的采集、分解、分类以及处理，提取施工参数中影响施工质量的控制变量及其对应的信息因子，通过渐进逼近的方法将控制变量进行全过程调整和优化，指导整个施工过程，同时依据前步施工监测信息及施工参数的变化规律，推断下一步施工工况及其对策，施工影