浅埋暗挖法简介

浅埋暗挖法简介
随着城市化水平的进一步提高，城市人口的增加，轨道交通的发展会越来越快。

郑州轨道交通目前属于起步阶段，基本以明挖法施工，随着线网的逐渐加密以及公众对交通水平的要求，暗挖施工的车站及附属结构会出现并逐渐增多。

在其他市政工程如热力、电力管廊及过街通道等也将越来越多的采用浅埋暗挖法施工。

强调预支护，及时支护，控制地面沉降，保证施工和地面地下建筑物的安全，十八字方针“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”是其精髓。

浅埋暗挖法机械化程度低，主要靠人工施工，机动灵活，对工程的适应性强，可作成各种结构型式，在地质情况较差的情况下要采取辅助施工措施。

下面从浅埋暗挖法的基本思想、初支及二衬结构的拟定和防水设计等方面对浅埋暗挖法做一简单的介绍。

一.新奥法是考虑到隧道掘进时的空间效应利时间效应所提出的新理论。

这一理论集中在支护结构种类、支护结构构筑时机、岩压、围岩变位这四者的关系上，贯穿在不断变更的设计施工过程中。

这一理论提出了与传统方法完全不同的新概念和新观点，它指导着喷锚支护的设计和施工，指导着构筑隧道的全过程。

围岩与支护共同工作，最大限度地发挥围岩本身原有的支承能力，是新奥法的核心。

浅埋暗挖法的理论源于新奥法，是在新奥法的基础上结合中国国情和浅埋的特点发展起来的一种设计施工方法，其特点是沿用新奥法原理分析体系，建立量测信息，反馈设计和施工，同时采取超前支护和改良地层，注浆加固等配套技术来完成隧道及地下工程的设计与施工。

它和软岩新奥法有很多相同的原则。

浅埋暗挖法应遵循的原则:
1.应结合工程环境条件、隧道本身的安全等级综合制定地表沉降控制基准值。

2.综合地表沉降、施工安全、工期、造价等因素选定开挖工法。

3.强调采用预加固措施(超前管棚、锚杆、注浆、冷冻等)。

4.隧道支护应考虑时间和空间效应。

5.隧道开挖后应尽早提供具有足够刚度和早强的初期支护，以控制围岩变形。

6.尽早施作仰拱、封闭成环，仰拱距工作面的距离越近越好，最大不宜大于一倍洞径。

7.一般情况下二次衬砌在围岩和初期支护变形基本稳定后施作，但在采取辅助措施后，尚未满足稳定性要求的，则可提前施作二次衬砌(由于浅埋隧道荷载较明确，提前施作二衬是可能的)。

8.加强监控量测及时信息反馈，及时调整支护参数。

9.衬砌形式应采用复合式衬砌形式。

二.浅埋暗挖法支护设计特点
1.工程类比是浅埋暗挖设计的主要依据，工程设计前，首先要把本段的地质条件和类似的工程地质条件进行充分分析对比，以便确定出本工程的预选设计方案。

2.按荷载结构模式进行结构计算，其计算结果和结构实际受力情况比较接近。

3.控制围岩变形是浅埋暗挖法设计施工的核心问题。

4.设计和施工应紧密结合，设计应充分考虑施工措施。

5.由于浅埋隧道地质条件较明确，予设计应尽量准确，对施工组织和支护结构进行大规模的变更会造成工期和工程费用的变动，应尽量避免。

三.浅埋暗挖法支护设计方法
根据有关设计规范和工程实际情况，目前浅埋暗挖法支护结构设计仍比工程类比法为主，辅以量测为手段的现场监控设计法和计算为依据的理论分析设计法。

地下工程支护结构设计是一门经验性很强的学科。

长期以来地下工程都是凭借经验进行
设计和施工的。

这些经验来自大量工程实践，有一定科学依据。

此外，工程类比法本身也在不断地发展。

除了日益增多的经验积累之外，还要把经验愈来愈符合理论观点和不断地使经验的处理科学化。

如在经验设计法中引用各种量测数据，以及其他现代手段。

近些年来，随着力学和计算机有限元软件理论的发展，使理论设计法有了极大进展。

然而，计算参数和计算机理的一些障碍仍然存在，理论设计法一般还只能作为设计的参考依据。

最近几年来，由于量测技术和计算技术两的互相渗透，现场监控设计方法有了很大进展。

现场监控量测是将施工前和施工过程中测得的监测数据反馈于设计和施工。

以期获得最佳的设计和施工方法。

应当指出，地下工程的设计含义也应包含施工方法和施工参数的选择在内。

现场监控设计有测试的科学依据，又能适应多变的地质条件和各种不同的施工方法。

同时，它能以现场测试数据反算出比较准确的计算参数，或者直接以测试数据为计算参数对围岩与支护的受力状态作出分析。

这就克服了理论计算法中计算参数的障碍。

由此可见，它比理论设计法更能体现地下支护结构的特点，比工程类比法有更强的科学依据，这正是当前监控设计法迅速发展的原则。

当然，监控设计法也还存在一些问题。

除需有较完备的测试仪器和做较多的量测工作外，量测数据的分析和反馈计算成果的判断，仍然依赖于人们的经验。

另外，目前还缺少比较完善的反馈理论和反馈计算方法。

所以现场监控设计法还有待于不断
五.浅埋暗挖结构型式分类
采用暗挖法施工的地下结构由于使用功能不同，施工方法不同，地质条件不同等形成了多种多样的结构型式，总的来说可按以下几方面分类:
1.按跨度分类
（1）单跨结构。

跨度可从2m至lO多m，例如市政工程中的电力、热力隧道一般跨度2~5m。

长安街地下过街道有7m、lOm两种，北京地铁复兴门折返线断面跨度达 14.46m。

地铁复兴门折返线断面过街道断面
（2）双跨联拱结构。

双联拱结构在公路隧道、城市道路隧道、地铁中应用较多，两拱中部可以是中隔墙也可以是柱子和顶、底梁。

南京鼓楼道路隧道
（3）三跨联拱结构。

在地铁车站中应用较多，西单、天西、王府井、东单等已经运营中车站，目前正在施工的还有北京地铁安华桥、车公庄西等车站，市政工程中也有应用如地下停车场等结构。

天安门西站断面形式
2.按层数分
（1）单层。

采用浅埋暗挖法施工的隧道单层较多，单层结构设计施工难度相对较小，如道路隧道、市政管线隧道、人行隧道、地铁区间、出入口、客流较小的车站等。

（2）双层。

为了充分利用地下空间，减少占地，节省投资，有些地下结构设计为双层，双层结构设计施工难度大，西单、天西、王府井、东单车站，地铁风道，国家计委地下停车场。

国家计委地下停车场断面车站双层风道断面
（3）多层结构。

由于在浅埋工程中，多层结构设计施工难度极大，技术复杂，地面沉降控制难度大，一般很少采用。

目前正在施工的北京地铁14号线蒲黄榆站局部采用暗挖三层。

3.按边墙型式分
（1）直墙式。

过去在隧道工程中一般按围岩类别设置直墙和曲墙，以便结构受力较好，支护厚度较合理，但在浅埋暗挖工程中，由于埋深较浅，垂直荷载较明确，垂直压力较大，侧压力较小，断面完全可以根据结构受力情况，设计成直边墙，以提高断面利用率，如长安街过街道(浅埋暗挖施工)，北京地铁天安门西站(PBA工法)，市政地下管沟等。

（2）曲墙式。

由于浅埋隧道一般位于软弱地层中，地质条件差，围岩自稳性差，一般的结构大部设计为曲墙，并尽可能圆顺，减少应力集中点。

区间结构标准断面热力隧道常用断面
4.按拱的形式分
一般的设计中，矢跨比不宜小于1/3，但在超浅埋工程中，由于垂直荷载较小，为了提高断面利用率，降低埋深，有时设计为坦拱结构，如一些地下过街通道；为了使埋深更小，有的过街道、地铁出入口甚至设计为平顶。

5.单跨断面按端面形状分
马蹄形断面，蛋形断面，城门洞形断面，圆形断面。

马蹄形断面一般用于山岭隧道中，蛋形断面一般用于第四系地层中，极软弱地层中，城门洞形断面一般用于较小的断面中，跨
度最大不宜大于4m。

因考虑施工的方便
性和可操作性，浅埋暗挖工程一般较少
采用圆形断面。

六.采用浅埋暗挖法施工的地铁车
站结构型式
1.三拱两柱式
目前在北京地区地铁暗挖法施工的
车站较多的采用洞桩法施工，多采用三
拱双柱双层结构，如1号线西单车站、
天安门西两站、东单车站、王府井车站
采用了三拱两柱双层结构型式，目前正
在施工中的蒲黄榆站、车公庄西站等均
为三拱两柱双层结构。

深圳某工程的城门洞断面
王府井站车站断面东单车站断面
2.双拱单柱
双拱立柱式车站早期多在石质较好的地
层中采用，随着新奥法的出现，这种形式今年来在岩石地层中己逐渐被单拱车站取代。

在软弱地层中采用双拱单柱双层结构形式修建地铁，沈阳中街站已经通车，北京7号线广安门内站正在施工中，均为洞桩法车站。

北京地铁5号线崇文门站及蒲黄榆站均为中洞法车站。

双拱单柱双层车站断面广安门内站车站标准断面
3.单跨单层
单拱车站站内空间开阔，建筑上简洁美观。

在国内应用较少。

目前在成都地铁中有采用此结构形式的车站。

优点:①因为结构轮廓圆顺，复合衬砌的防水层可以做得很好，从根本上消除多拱车站的积水沟槽。

②单拱车站既可以做成岛式站台，也可以做成侧式站台，而单拱车站采用侧式站台可以使开挖总跨度的尺寸更紧凑，采用单拱车站形式，要注意下列几个问题: （1）设计一个满足使用要求的紧凑而又合理的几何形状断面，其中包括合理的拱轴线，
合理的初期支护与二次衬砌的厚度。

（2）为了增强拱脚的稳定性，在开挖侧导坑时采取打设注浆锚杆的措施，以稳定拱脚部位的地层，使地层对拱脚提供足够的抗力。

（3）采用侧壁导坑法比较安全稳妥，开挖拱顶部位土方前，建议设置大管棚护顶，在二次衬砌前，对拱顶和仰拱底部初期支护的背后进行补偿注浆，填充拱顶上面空隙，加固拱底地基。

5.结构型式拟定的原则
在实际工程结构设计中，我们如何选定最合理的结构型式或对结构形式如何评价，以下几条仅供参考：
①考虑工程地质和水文地质条件，因地制宜
②考虑使用要求，充分满足使用条件
③考虑受力条件，便结构受力条件好，尽量减少应力集中
④尽量提高断面利用率，减少圬工量，降低造价
⑤考虑施工的难易程度，考虑施工的可操作性
⑥考虑结构的防水条件，使防水设计合理，实用
⑦考虑地上地下环境条件，与环境相协调
⑧考虑施工对地面沉降或对建(构)筑物的影响
⑨考虑施工机械设备
⑩考虑施工辅助工法
设计中应根据以上原则综合评价，确定出具体工点的合理结构断面型式。

七.断面衬砌设计
采用浅埋暗挖法设计的地下工程一般采用复合式衬砌，复合式衬砌由初期支护、防水层和二次衬砌组成，初期支护在二次衬砌施作前应具有足够的强度和刚度，确保施工期间的安全和地表沉降不超过设计标准，初期支护是施工期间的承载结构，承受施工期间的主要荷载，二次衬砌和初期支护共同承担永久荷载，并且二次衬砌承受水压力。

（一）.一般性要求
1.一般应将初期支护和地层视为统一的承载体，计算中应考虑施工辅助措施的作用，初期支护应做到及时、密贴、柔性、早强，并能与围岩共同变形。

2.初期支护变形大，允许出现不影响整体稳定的裂缝，从强度和防水要求出发二次衬砌不允许产生有害裂缝，《地下铁道设计规范》规定0.2～0.3mm（应水侧0.2、背水侧0.3）。

3.初期支护和二次衬砌共同承载，是相互依赖、相互影响的，初期支护过强，则二次衬砌可减薄，反之亦然，所以支护和二次衬砌的强度和刚度应综合考虑，要求安全、经济，便于施工。

目前还有一种观点是初支为临时结构，满足施工要求即可，二衬承担施工完成后的所有荷载。

4.初期支护背后要及时回填注浆以保证初支和围岩的密贴性，初期支护和二次衬砌间应密贴，不留空隙。

5.初期支护和二次衬砌间设置防水隔离层，使初支和二衬之间只传递径向力，不传递切向力，减少二次衬砌的裂缝。

（二）.初期支护设计
初期支护由喷射混凝土、钢拱架、钢筋网，连接筋组成。

初期支护的参数由经验类比和结构计算而定。

初期支护设计应预留3～5cm预留变形量（一般由施工单位依据自己单位施工水平自行确定）。

1.初期支护的厚度
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》强调喷混凝土的柔性，规定喷混凝土的厚度不宜小于5mm，不宜大于25Omm，而采用浅埋暗挖法设计的隧道则不同、由于初期支护要有一定的强度和刚度，设置钢拱架，钢拱架要有一定的保护层厚度，两此初期支护的厚度一般不低于25Omm，常用的厚度为25Omm、300mm、35Omm实际工程应用统计表见下表。

2.强度等级
一般采用C25。

3.钢拱架
材料:采用钢筋格栅拱架，格栅由主筋和辅筋组成，截面型式多用四边形、主筋直径为φ20～φ25Ⅱ级钢筋，辅助型式有“8”字型和“Z”字形两种型式，辅助直径为φ12～φ14。

间距:钢格栅间距一般为0.5m、0.75m。

保护厚度:钢格栅主筋外净保护层厚度不小于4Omm。

纵向连接:钢格栅设纵向连接筋直径φ20～φ22，环向间距1m双层布置。

拱架环向接头:接头是钢架的弱点，从受力的角度讲应尽壁减少接头，从施工的角度讲，接头过长难以施工，因此应从两方面综合确定接头的数量。

为了确保接头部分的喷混凝土密实度，接头连接件应优先有用角钢螺栓连接。

为保证接头质量，采用和主筋等直径的钢筋对两片格栅的主筋进行焊接。

4.钢筋网
钢筋网可提高喷射混凝土的抗剪和粘结强度，能提高喷层的整体性，保证喷混凝土的质量，使其应力分布均匀，从而减少混凝土收缩和喷层裂缝。

①钢筋网按构造要求设计，钢筋直径一般4～1Omm，常用6.5mm、8mm。

②钢筋间距宜为100～30Omm，当小于1OOmm时，喷射混凝土回弹增加，且钢筋网与壁面之间易形成空洞，不能保证混凝土的密实度；当大于30Omm时，将大大于削弱钢筋网在喷射混凝土中的作用。

钢筋网格常用1Oomm×lOOmm、l5Omm×15Omm。

③钢筋网保护层厚度应不小于2Omm。

④必要时可采用双层钢筋。

5.锚杆
在山岭隧道中锚杆和喷射混凝土围岩共同组成支护体系锚杆是不可或缺的，锚杆有悬吊作用，组合梁作用，加固作用，有全长粘结型、端头锚固型、摩擦型等型式，然而在土质浅埋隧道中锚杆的作用却不明显，特别是在城市土质浅埋地下工程中一般不设锚杆，在需要加固地层的地方设注浆锚管，在分步施工的墙脚设锁脚锚管。

6.初期支护作永久支护，不做二次衬砌的情况
一股在围岩较好的山岭隧道采用锚喷支护做永久支护。

但在 1988年，把浅埋暗挖法首次应用在北京三里河东路热力管线工程中，由于断面较小2.6m×2.3m，采用25cm厚初期支护做永久支护，表面抹氯化铁防水砂浆做防水层，获得了成功，取得了较好的社会效益和经济效益，之后在北京的市政工程如电缆隧道、热力管线等迅速发展，至今己有几十延长公里初期支护作永久支护的隧道。

（三）.二次衬砌设计
二次衬砌根据结构型式、受力情况、地下水情况、抗震等要求确定是采用素混凝土还是钢筋混凝土，厚度和含筋率等。

1.二次衬砌施作的时机
二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后方可施作，并应具备下述条件:
①隧道周边变形速率明显趋于减缓。

②水平收敛速度小于O.2mm/d，拱部下沉收敛速度小于0.l5mm/d。

③施作二次衬砌前，累计位移值达到总位移值的80～90%。

④初期支护表面裂缝不再继续发展。

⑤当采取一定措施后，仍难以符合上列条件时，可提前施作二次衬砌，这时，二次衬砌应加强。

2.二次衬砌厚度
二次衬砌的厚度最小不能小于25Omm，常用厚度为300～5OOmm，随着施工技术的发展，目前车站侧墙已有700mm，底板1200mm。

3.仰拱
仰拱结构及其与边墙的连接形式是影响隧道结构整体强度的重要因系。

要保证仰拱有足够的强度和刚度，边墙与仰拱要有圆顺的连接形式。

仰拱失跨比不小于1/12。

为控制变形，避免墙基应力集中而尽早形成封闭结构，一般情况下，施作仰拱距开挖工作面的距离不宜超过1～1.5B(开挖宽度)。

4.强度等级，抗渗等级
目前主体结构二衬混凝土多采用C30以上强度。

抗渗等级依地下水位而定，一般不小于P6。

地铁规范规定不小于P8。

八.结构防水设计
(一).防水的原则
《地工程防水技术规范》规定“地下工程防水的设计和施工必须做好工程水文地质勘察工作，遵循‘防、排、截、堵’相结合，因地制宜，综合治理的原则。

《地下铁道设计规范》规定”应根据工程地质、水文地质、地震烈度、结构特点，施工方法和使用要求等因素进行，并应遵循以防为主、防排结合，因地制宜，综合治理的原则。

《铁路隧道设计规范》规定“隧道防排水应采取防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理的原则”，《公路隧道设计规范》规定“隧道防排水应视水文地质条件因地制宜地采取‘以排为主，防、排、截、堵相结合’的综合治理原则”。

在山岭隧道中应采取以排为主，以堵为辅、防排结合，因地制宜，综合治理的原则，结构计算可不考虑水压力。

在城市地下工程中，如是砂层，渗透系数较大，如大量排水将会对城市地下水动态，周围建筑物、地下管线等造成影响应至破坏，宜采用“以防为主，多道防线，刚柔结合，因地制宜，综合治理”的原则，计算中考虑二次衬砌承受含水头水压力；如隧道所处的地层中粘土或砂粘土等，渗透系数较小，排放适量的地下水，实践证明，对城市地下水位无影响，可取得较好的整体防水效果，因此宜采用“以防为主，以排为辅，多道设防，因地制宜，综合治理”的原则。

结构计算中水压力可适当折减。

（二）.防水系统
1.注浆防水
超前预注浆和初期支护背后注浆，形不成主要防水防线，但注浆填充了围岩裂缝和土层孔隙，可起到一定的阻水作用，特别是对围岩集中出水点的注浆堵水，可起到较好的止水效果。

为施工提供开挖面。

2.初期支护防水
初期支护试验室试验可达到较高的抗渗等级，但是由于喷射混凝土和施工工艺的离散性，使得现场喷射混凝土的整体抗渗性能较差，不能形成永久的防线，可以当做施工期间的防水线。

在地下水位较低，防水等级较低一些地下工程中，初期支护+防水聚合物砂浆抹面做永久结构和永久防水也是可以的，如市政热力管线，电缆隧道等。

3.防水材料防水
在初期支护和二次衬砌之间设置防水层称为防水材料防水。

防水层一般为柔性的，从国内外地下工程复合式衬砌防水材料选择来看，防水板(膜)应用较多，而防水涂料则很少应用，
其主要原因是防水板(膜)系工厂定型生产产品，具有厚薄均匀、质量有保证、施工方便、对环境无污染等优点；而涂料系在现场用机械喷涂或人工涂刷，涂层厚度难以控制、施工不便，而且对环境有污染。

防水板选择的基本条件是:
1）.在二次衬砌灌注前，防水板能承受一定的机械作用而不损伤。

2）.材料应有耐久性。

3）.防水板间接缝严密可靠。

4）.施工止水方便。

5）.良好的经济性。

防水设计应根据建筑物的不同及使用条件不同或用于工程不同部位，选用不同的防水材料或不同的施工方法进行防水施工，即“因地制宜，按需造材”。

以达到防水工程具有连续性，整体水密性，变形适应性和耐久性，达到技术先进、经济合理。

解决好防水设计、防水材料、施工工艺与建筑物相适应问题，使防水材料与防水材料、防水材料与结构及基层相匹配、协同，优化取得最佳效果。

4.衬砌混凝土自防水
二次衬砌防水是防水体系的最后一道防线，也是最重要的一道防线，如限制混凝土裂缝宽度，尽量减少变形缝，设诱导缝等。

混凝土本身的防水主要是防止结构产生贯通性裂缝。

通常，人们只注意到混凝土的强度和抗渗等级，而忽略了防止产生裂缝的各种措施。

设计人员往往认为混凝土的强度越高，其抗拉强度随之亦高，从而抗裂性能亦好；混凝土的抗渗标号越高，其抗渗能力越强，于是出现了片面提高混凝土标号和抗渗标号的现象。

殊不知其结果往往适得其反，事与愿违。

常规的做法都是混凝土标号越高，抗渗标号越高，单位水泥用量越多，水泥标号越高，其结果是水化热增高，收缩量加大，导致裂缝的产生。

根据现场的观察和尝试，要避免贯穿性裂缝的出现，一要有正确的设计，二要有精心的施工，三要有可靠的质保体系，三者缺一不可。

设计人员首先要合理选定混凝土的强度和抗渗标号，合理的确定结构受力和支承条件；合理的设置各类“缝”并正确设计其构造，施工人员要合理选择混凝土的配合比、水泥用量、水灰比、入模温度、浇捣顺序、养护时间和条件等等要素。

质保人员则要严格把关，每个工序、每个环带都不能放任自流。

在地铁浅埋暗挖工程中，各类“缝”的设置及其构造往往颇多争议。

事实证明，如果设置或构造不当，往往是防水的薄弱环带(地铁工程因行车的特殊要求一般不能设置沉降缝，如果设置亦要有特殊的构造使两侧结构的沉降差不超过0.3mm，否则就可能导致钢轨的断裂。

为此，实际上地铁工程中只能设置变形缝和施工缝)。

由于构造上和施工质量上的问题，通常极易在变形缝处产生渗漏，而一且产生渗漏，堵漏又十分困难，地下工程中，凡采用现场浇捣考均宜少设或不设变形缝，如要设置，其部位和构造至关重要，施工质量亦须严格把关。

至于施工缝，非但必须设置，而且宜密不宜疏。

较密的施工缝可消除大部分的收缩应力，加上合理的设计、精心的施土，严格的质保是走向结构自防水的重要步骤。

随着浅埋暗挖技术的普及和推广，浅埋暗挖工程实例的不断增加，浅埋暗挖工程的防水技术也在不断完善和提高。

目前来说浅埋暗挖工程的防水总体上是成功的，绝大多数的工程的防水效果是达到设计要求，满足使用要求的，但也有个别工程的防水效果不十分理想，究其原因，一是防水设计的原则不正确，二是防水体系的某些环带施工质量得不到保证，三是防水材料的选用不当。

防水工程是一个系统工程，防水设计、施工、选材都非常重要，哪一个环节出现问题，都将影响整个工程防水质量。

九.地下结构计算简介。