地铁区间隧道盾构施工设计

第二章 区间隧道施工方案比选 一 明挖法

1.概念 明挖法指的是先将隧道部位的岩（土）体全部挖除，然后修建洞身、 洞门，再进行回填的施工方法。

2.优缺点：明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，城市地下隧道式工程发展初期都把它作为首选的开挖技术。其缺点是对周围环境的影响较大。

3施工技术

明挖法的关键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。其中边坡支护是确保安全施工的关键技术。主要有：

放坡开挖技术 型钢支护技术 连续墙支护技术 混凝土灌注桩支护技术 土钉墙支护技术 锚杆(索)支护技术

二 暗挖法 1.概念 暗挖法是即不挖开地面，采用在地下挖洞的方式施工。矿山法和盾构法

等均属暗挖法。 2.特点 隧道及地下工程施工时有下列特点：①受工程地质和水文地质条件的影响较大；②工作条件差、工作面少而狭窄、工作环境差;③暗挖法施工对地面影

响较小,但埋置较浅时可能导致地面沉陷；④有大量废土、碎石须妥善处理。 3.施工方法

（一）全断面开挖法

1．全断面开挖法适用于土质稳定、断面较小的隧道施工，适宜人工开挖或小型机械作业。

2．全断面开挖法采取自上而下一次开挖成形，沿着轮廓开挖，按施工方案一次进尺并及时进行初期支护。

3．全断面开挖法的优点是可以减少开挖对围岩的扰动次数，有利于围岩天然承载拱的形成，工序简便；缺点是对地质条件要求严格，围岩必须有足够的自稳能力。

（二）台阶开挖法

1．台阶开挖法适用于土质较好的隧道施工，软弱围岩、第四纪沉积地层隧道。

2．台阶开挖法将结构断面分成两个以上部分，即分成上下两个工作面或几个工作面，分步开挖。根据地层条件和机械配套情况，台阶法又可分为正台阶法和中隔壁台阶法等。正台阶法能较早使支护闭合，有利于控制其结构变形及由此引起的地面沉降。

3．台阶开挖法优点是具有足够的作业空间和较快的施工速度，灵活多变，适用性强。

（三）环形开挖预留核心土法

1．环形开挖预留核心土法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩、断面较大的隧道施工。

2．一般情况下，将断面分成环形拱部、上部核心土、下部台阶等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5～1,Om．不宜过长。台阶长度一般以控制在1D内（D-般指隧道跨度）为宣。

3．施工作业流程：用人工或单臂掘进机开挖环形拱部一架立钢支撑，喷混凝土。在拱部初次支护保护下，为加快进度，宜采用挖掘机或单臂掘进机开挖核

心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。视初次支护的变形情况或施工步序，安排施工二次衬砌作业。

（四）单侧壁导坑法

1 单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中隧道施工。

2．单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块：侧壁导坑(1)、上台阶(2)、下台阶(3)，侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。

3．一般情况下侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，这样导坑可分二次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。

（五）双侧壁导坑法

1．双侧壁导坑法又称眼镜工法。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。

2．双侧壁导坑法一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑、上部核心土(2)、下台阶(3)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的l，3。左。、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

3．施工顺序：开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合。拆除导坑临空部分的初次支护。施作内层衬砌。

（六）中隔壁法和交叉中隔壁法

1．中隔壁法也称CD工法，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。

2．当CD工法不能满足要求时，可在CD工法基础上加设临时仰拱，即所谓的交叉中隔壁法(CRD工法)。

3．CD工法和CRD工法在大跨度隧道中应用普遍，在施工中应严格遵守正台阶法的施工要点，尤其要考虑时空效应，每一步开挖必须快速，必须及时步步成环，工作面留核心土或用喷混凝土封闭，消除由于工作面应力松弛而增大沉降值的现象。

（七）中洞法、侧洞法、柱洞法、洞桩法

当地层条件差、断面特大时，一般设计成多跨结构，跨与跨之间有梁、柱连接，一般采用中洞法、侧洞法、柱洞法及洞桩法等施工，其核心思想是变大断面为中小断面，提高施工安全度。

1．中洞法施工就是先开挖中间部分（中洞），在中洞内施作梁、柱结构，然后再开挖两侧部分（侧洞），并逐渐将侧洞顶部荷载通过中洞初期支护转移到梁、柱结构上。由于中洞的跨度较大，施工中一般采用CD、CRD或双侧壁导航法进行施工。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的不平衡侧压力问题，施工引起的地面沉降较易控制。中洞法的特点是初期支护自上而下，每一步封闭成环，环环相扣，二次衬砌自下而上施工，施工质量容易得到保证。

2．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，然后再开挖中间部分（中洞），并逐渐将中洞顶部荷载通过初期支护转移到梁、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、三角形或楔形土体，该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。 三 盾构法

1.概念

盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

指的是利用盾构进行隧道开挖，衬砌等作业的施工方法。用盾构在软质地基或破碎岩层中掘进隧洞的施工方法。盾构是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构是1874年发明，首先用的是气压盾构。开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。[1] 盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。

盾构既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。

盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，适合在软土地基段施工。例如深圳地铁一期工程初步设计有三处采用盾构法施工，即罗湖-国贸区间，皇岗-福民区间，福民-金田区间。这几处均为软土地段，且具备盾构法施工的基本条件。

2.条件

在松软含水地层，或地下线路等设施埋深达到10m或更深时，可以采用盾构法，即，

（1）线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井；

（2）隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径； （3）相对均质的地质条件；

（4）如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（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；

（5）从经济角度讲，连续的施工长度不小于300m。 3.优点

（1）安全开挖和衬砌，掘进速度快；

（2）盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

（3）不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；

（4）穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；

（5）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

缺点

（1）断面尺寸多变的区段适应能力差；

（2）新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。 （3）工人的工作环境差，工作危险系数高。

4.施工步骤 盾构施工方法由以下几个步骤组成：

第一，在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混泥土墙进行加固； 第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶；

第三，用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道； 第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混泥土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混泥土衬砌。

盾构法施工中，其隧道一般采用以预制管片拼装的圆形衬砌，也可采用挤压混凝土圆形衬砌，必要时可再浇筑一层内衬砌，形成防水功能好的圆形双层衬砌。 综上，通过三种施工方案在技术、经济以及工期等方面的比选，确定使用盾构法施工方案

第三章 盾构机型选择 3.1选型依据和原则 3.1.1 盾构机的种类

盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状；盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘土体的方式；掘削面的挡土形式；稳定掘削面的加压方式；施工方法；适用土质的状况等多种方式分类。见表3.1。 1. 按挖掘土体的方式分类

按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。

① 手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。 ② 半机械盾构：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。

③ 机械式盾构：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。 2. 按加压稳定掘削面的形式分类

按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。

①压气式：即向掘削面施加压缩空气，用该气压稳定掘削面。 ②泥水加压式：即用外加泥水向掘削面加压稳定掘削面。

③削土加压式（也称土压平衡式）：即用掘削下来的土体的土压稳定掘削面。

④加水式：即向掘削面注入高压水，通过该水压稳定掘削面。

⑤泥浆式：即向掘削面注入高浓度泥浆（?＝1.4g/cm3）靠泥浆压力稳定掘削面。

⑥加泥式：即向掘削面注入润滑性泥土，使之与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加压稳定掘削面。 3. 组合分类法

这种分类方式是把2、3两种分类方式组合起来命名分类的方法（见表3.2）。这种分类法目前使用较为普遍，是隧道标准规范盾构篇中推荐的分类法。这种方式的实质是看盾构机中是否存在分隔掘削面和作业舱的隔板。

全开放式盾构不设隔板，其特点是掘削面敞开。掘削土体的形式可为手掘式、半机械式、机械式三种。这种盾构适于掘削面可以自立的地层中适用。掘削面缺乏自立性时，可用压气等辅助工法防止掘削面坍落稳定掘削面。

部分开放式盾构，即隔板上开有取出掘削土砂出口的盾构，即网格式盾构也称挤压式盾构。

封闭式盾构是一种设置封闭隔板的机械式盾构。掘削土砂是从位于掘削面和隔板之间的土舱内取出的，利用外加泥水压或者泥土压与掘削面上的土压平衡来维持掘削面的稳定，所以封闭式有泥水平衡式和土压平衡式两种。进而土压平衡式又可分为真正的土压平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分为加泥和加泥浆两种平衡方式。

4. 按盾构机的尺寸大小分类

按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。

超小型盾构系指D（直径）≤1m的盾构，

小型盾构系指1m＜D≤3.5m的盾构， 中型盾构系指3.5m＜D≤6m的盾构， 大型盾构系指6m＜D≤14m的盾构， 特大型盾构系指14m＜D≤17m的盾构， 超特大型盾构系指D＞17m的盾构 3.1.2全敞式盾构机

前面业已指出，全敞式盾构机的特点是掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干状态，所以出土效率高。这种形式的盾构可据其机械化程度的差异，进而分成人工式、半机械式、机械式三种。全敞开式盾构机适用于掘削面自稳性好的地层（如洪积层压砂、砂砾、固结粉砂及粘土）。对自稳性差的冲积地层（如冲积层中的砂层、粉砂层及粘土层）而言，应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。这里就这种盾构的三种形式（人工式、半机械式、机械式）分别作一简单介绍。 3.1.3人工式盾构机

因为手工掘削盾构机的前面是敞开的，所以盾构机的顶部装有防止掘削面顶端坍落的活动前檐和使其伸缩的千斤顶。掘削面上每隔2～3m设一道工作平台，即分割间隔为2～3m。另外，在支承环柱上安装有正面支承千斤顶。掘削从上往下，掘削时按顺序调换正面支承千斤顶，掘削下来的土砂从下部通过皮带传输机输给出土台车。掘削工具多为鹤嘴锄、风镐、铁锹等。 3.1.4 半机械式盾构机

半机械式盾构是在敞开式人工式盾构机的基础上安装掘土机械和出土装置，以替代人工作业。掘土装置有铲斗、掘削头及两者兼备等三种形式。具体装备形式如下：

（1）铲斗、掘削头等装置设在掘削面的下部。

（2）铲斗装在掘削面的上半部，掘削头装在下半部。 （3）掘削头装在掘削面的中心。 （4）铲斗装在掘削面的中心。

选择哪种形式可据土质状况、掘削面的自立程度、保证操作人员安全等条件选择。

山肩邦男近似解法计算简图如图4-4。

-x地平线N1N2hokh1kN3h2kh3kN4h4kyh5kN5o-yxmx 图4.4 山肩邦男近似解法计算简图

Y?0得： 由挡土结构前后侧合力为零?k?11212 N??h??hx?N??x?x?k0k0kmim?m221M0得： 由挡土结构底端自由?A?k?1k?1??111?1?322 ????x?h??hx?h?h?x?Nh?hN?hh?h?0????m0kkkm0kkkmiikkki0kkk0k??322?3?11?????????计算单位长度（即1m）墙体的弯矩：

计算桩墙后的静止土压力：

式中：——静止土压力，单位

；

——静止土压力系数，K0 =0.647；

——距离地表面的深度(）；

——竖向土压力转换为侧向土压力的转换系数，即侧压力系数。

得 ??11.6 5

式中：

——被动土压力系数；

——距坑底的深度，m；

?x???18?2.093x?2?13.5?2.093?11.65x?26.02x?39.06

则

??26.02,??39.06

4.9 基坑稳定性验算

4.9.1 基坑底部土体的抗隆起稳定性验算

qγγ(H+D)+q

同时考虑c、?的抗隆起计算示意图

同时考虑c,?的抗隆起，并按普朗特尔(Prandtl)地基承载力公式进行验算。 公式为：KL??2DNq?cNc，如图所示。

?1(H?D)?q式中?1－坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值（18kN/m3）；

?2－坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值（kN/m3）；

Nq、

Nc－地基极限承载力的计算系数；

Nq?tan2(45??)?e?tan?

2?Nc?(Nq?1)1 tan?KL－抗隆起稳定安全系数。

则有：

?2?5.6?18.1?1.8?18.7?12?18.1?3.1?18.1?18.12kN/m2 22.5020.70Nq?tan(45?)?e?tan20.7?6.82

2201?45.81 0tan20.718.12?22?6.82?13.5?45.81?4.03 KL?18?46 Nc?(18.31?1)一般采用KL?1.2~1.3

因此地下连续墙埋深D?22m满足要求。

4.9.2 基坑抗渗流验算

如图所示，作用在惯用范围B上的全部渗流压力J为： J??whB

式中 h－在B范围内从墙底到基坑地面的水头损失，一般可取h?hw/2； ?w－水的重度；

B—流砂发生的范围，根据试验结果，首先发生在离坑壁大约等于挡墙插入深度一半范围内，即B?D/2。

抵抗渗透压力的土体水肿重量W为

W??'DB 式中 ?'—土的浮重度； D—地下墙的插入深度。

若满足W?J的条件，则管涌就不会发生，即必须满足下列条件：

Ks??'D2?'D ??wh?whw式中 Ks—抗管涌的安全系数，一般取Ks?1.5

J??whB??whwB/2?10?23/2?22/2?1265

W??'DB?8.0?22?22/2?1936

满足W?J

2?8?22?1.53?1.5符合要求 则Ks?10?23hwBDWγWJ

图3 管涌验算示意图

4.9.3围护墙的抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性又称踢脚稳定性，本工程围护结构在水平荷载作用下，基坑土体有可能在围护结构底部因产生踢脚破坏而出现不稳定现象。通常是绕最下一道支撑转动而失稳，其抗倾覆稳定性安全系数应满足：

KQ?MRC MOC式中 MRC—抗倾覆力矩（kN-m）。取基坑开挖面以下围护墙入土部分坑内侧压力，对最下一道支撑或锚碇点的力矩。坑内侧压力按下式计算：p ??hK?2cK?pii?pph

式中 pp—计算点处的被动土压力强度；

?i—计算点以上各层土的天然重度（kN/m3），地下水位以下取水下重度；

hi—计算点以上各土层的厚度（m）； Kp，Kph—计算点处的被动土压力系数，按下式计算：

2cos?22cos??cos? Kp?，； K?ph22????1?sin?????sin?????sin??1???cos???式中 c，?—计算点处土的粘聚力（kPa）和内摩擦角（）；

??—计算点处地基土与墙面间的摩擦角（），取????~??。

??2?334? MOC—倾覆力矩（kN-m）。取最下一道支撑或锚碇点以下围护墙坑外侧压力，对最下一道支撑或锚碇点的力矩。

KQ—抗倾覆稳定性安全系数，一级基坑取1.20。

qea,bAhtZpEaEpBea,b

图 抗倾覆稳定性验算

20.6?15?1.8?17c??15.2kPa

1.8?20.6

hdh

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