(1）明挖法。我国地势形式多样，既有平缓的平原也有跌宕起伏的山川还有江河湖底。明挖法适用于较为平缓的地势，因为这项技术造价低，安全性能高，工程施工过程短且快，整个施工流程简单化。明挖法包含盖挖法、逆作法和半逆作法。盖挖法多被用于市区内修建地铁、公交站。逆作法和半逆作法则多用于建设都市大厦的地下室等，合理使用这些方法可提升工程的施工效率。明挖法施工是从地表面向下开挖到预定位置，修筑结构物方法的总称。以基坑开挖为特点，以支挡隧道侧向压力与基坑底部围岩抗涌为支护设计理论，进行围护结构作业、支撑体系作业、分层分段土方开挖作业，同时进行主体结构施作，是回填覆盖作业常用的一种施工方法，在城市地下工程中得到广泛应用。明挖法可分为放坡明挖法、围护明挖法、盖挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖半逆作法等。
(2）暗挖法适应范围广、铁路、公路、水利水电隧道、矿山巷道以及城市繁华市区下地铁，地下工程广泛采用此法，
沉管法则主要用于跨越江湖河流等水体隧道的施工。在新奥法创立之前,采用矿山法修筑隧道是除沉管法和盾构法之外的主要技术方法。早前的隧道工程教科书上讲“暗挖法又分矿山法和盾构法两大类,凡用一般开挖地下坑道的方法修筑隧道的都称为矿山法”,国内外曾使用矿山法建成了大量的隧道和地下工程,这些隧道和地下工程的建设也丰富和发展了矿山法。矿山法有它的工程机理、技术方法和操作步骤(图13、图14)。矿山法是建立在经典的岩土力学基础之上的。尽管现代的岩土力学理论较经典的岩土力学理论有了很大的进步和发展,但是经典岩土力学的理论精髓并没有完全废弃,摩尔-库仑定理及兰金定律仍沿用至今,用于深埋隧道的普氏坍落拱理论、太沙基土压力理论以及用于浅埋隧道的沉降漏斗压力理论及全土柱压力理论在现实中仍有指导意义。隧道设计、施工的某些方面仍在自觉或不自觉地使用着矿山法的个别技术指导原则。但是,当下仍有人把目前非盾构暗挖隧道的主流施工方法再回归到所谓的“矿山法”中去,无限扩大矿山法的容量,这是违背工程技术发展的历史规则的。
新奥法由奥地利学者拉布西维兹于上个世纪五十年代提出,六十年代取得专利权并正式命名,七十年代被引入我国,对我国隧道工程建设产生了重大的影响。现在我国隧道工程建筑水平能够比肩世界,其中一个重要的因素就是得力于新奥法的推广和使用。在2000年版《中国土木工程指南》中是这样定义和诠释“新奥法”的:“当隧道埋深超过一定限度后,常用暗挖法施工。暗挖法最初采用传统的矿山法。20世纪中叶创造了新奥法,此法尽量利用围岩的自承能力,用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布,使达到新的平衡,目前已用于修建各种用途的隧道”,“新奥法施工的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工”。1988年原铁道部基建总局组织编写、由中国铁道出版社刊印的《铁路隧道新奥法指南》较为全面、详细地总结了新奥法的实施细则。
钻爆法也称钻孔爆破法,是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法。在钻爆法施工，尤其是单线铁路隧道施工的后配套方面，瑞士实现了技术创新。在费尔艾那隧道南段施工中，由于单线隧道底部狭窄且隧道断面较高，因此开创性地应用了一种悬挂式后配套系统（配备所有供电、供风等设施），其悬挂在隧道拱顶下方，类似于TBM掘进的后配套系统，随着隧道掘进作业向前移动，这样就可以将隧道仰拱施工和轨道铺设的作业区与出渣列车装渣作业区分离开来，以实现掘进循环各工序间的有机衔接和供料工序工业化。
设计的过程中, 容易发生套用模板情况。隧道、地下工程的起步时间较晚, 设计人员缺乏丰富的设计经验。因此, 在实际设计的过程中, 容易发生套用模板现象。这时无法结合工程具体状况设计, 无疑会对隧道、地下工程日后施工埋下安全隐患。与此同时, 施工企业不能给予设计工作更多的重视, 会将设计环节放在技术管理工作中。由此能够看出, 施工企业更加重视施工速度, 不能予以工程成本控制工作重视, 进而会导致工程成本较高, 直接危及到企业的经济效益。因为施工人员的技术水平较低, 缺乏专业性。为此, 在理论知识结合方面, 会对隧道、地下工程设计方面, 造成一定的影响。主要表现:不能合理利用相关资源, 进而使得资源浪费情况出现。为确保施工设计图纸能够满足创新的要求, 需确保设计人员准确掌握理论方面的知识。然后, 根据工程具体状况信息设计。可经和工程施工人员、管理人员沟通, 明确工程具体要求, 以此确保设计方案的科学性、合理性、可行性。
隧道、地下工程施工的过程中, 合理使用机械设备, 可提高施工的整体效率。机械设备的优、劣, 会直接对工程施工进度、施工质量、整体效益等造成直接的影响。但是, 结合工程具体情况来看, 工程方面多通过凿岩设备、手持风钻多功能台架进行施工, 这两种设备自身均存在一定的不足, 进而会危及到工程造价、施工环境, 以及施工人员自身的生命健康。当前, 时代不断改变, 使得机械设备也在不断完善。所以, 应使用一些先进的设备, 取代凿岩设备和手持风钻多功能台架, 以便维护企业经济效益。
部分隧道及地下工程施工的过程中, 易于被地质因素、环境因素所影响。这时, 使得施工进度被影响, 并且无法达到施工企业对施工技术方面的相关标准。个别施工企业不能按照具体施工要求施工, 使得施工阶段存在一定的风险性。例如:云集隧道、地下工程, 建设面积在550 m左右。这一位置产生垮塌情况后, 技术人员和设计人员共同分析下, 明确了发生垮塌的原因, 和施工中衬砌层没有一次完成施工有关。故此, 实际施工过程, 需以拱形双侧浇筑施工, 待做好浇筑工作后再进行合缝处理, 这时无法保证合缝的效果。此外, 衬砌层承载能力不足, 在受到外力作用时, 也会引发垮塌状况。
隧道地下工程施工方法包括明挖法、盖挖法、地下连续墙法、盾构法、浅埋暗挖法和矿山法、掘进机法以及沉管法等。
作为暗挖式施工, 矿山法不影响城市地面正常的生产与交通, 地表的下沉量小, 尤其适合在硬岩层中使用。新奥法则是在塑性理论指导下合理构建柔性薄壁, 确保围岩与支护共同形成支撑环, 以形成稳定支护结构。
城市地铁隧道地下工程技术包括了设计技术、勘察技术、施工技术等, 其中施工技术直接关系到施工质量与工程的安全性, 是城市地铁隧道地下工程技术体系中的重要环节。因此, 本文就对城市地铁隧道地下工程施工技术进行深入的研究和分析, 以保证施工技术得到合理的使用, 确保城市地铁隧道地下工程的质量性能。城市地铁隧道地下工程中经常使用的有矿山法和新奥法以及盾构法等, 本次以矿山法和新奥法为例, 分析、总结城市地铁隧道地下工程中的施工技术及其运用。
图 9.19新奥法与传统 (矿山法) 施工区别的示意图
矿山法施工技术
矿山法大多在城市深部的地铁隧道地下工程中应用, 一般是采取臂式掘进机或传统钻爆法。作为暗挖式施工, 它不影响城市地面正常的生产与交通, 地表的下沉量小, 尤其适合在硬岩层中使用。依据开挖的位置以及开挖端面大小, 矿山法可分为台阶法、全断面开挖法以及分部开挖法, 其中台阶法又包括了长台阶法、短台阶法和超短台阶法[3]。下面对全断面开挖法的施工技术进行分析。
应用全断面开挖法施工技术时, 需先进行测量定位、材料采购与试验等施工准备工作;待其全部完成后, 利用钻孔台车在隧道进行钻眼;根据事前确定的方案确定装药量, 在合理位置装好炸药;在引爆炸药前必须退出所有人员和钻孔台车, 并检查无误后方可引爆;通过爆炸开挖出隧道的整个断面, 然后采取措施开展通风、排烟、洒水, 并降低灰尘, 对存在的危石进行拆除, 并安置拱部的锚杆, 经过质量检查合格后即可喷灌首层的混凝土。在此基础上, 装渣机进入隧道, 把石渣装到运输车或者矿车中, 使之被运送到隧道洞外;对边墙开始安设锚杆, 随后喷灌混凝土。注意在施工中要随时观察拱部情况, 根据情况需要可对拱部喷灌第二次混凝土, 也可对隧道底部进行混凝土的灌筑;继续按此程序开展下一循环的掘进。初次支护的结构主要是采用钢筋格栅, 待检查确认初次支护形成了稳定的变形后, 即可进行内层衬砌的灌注。二次衬砌的结构多为抗渗的钢筋混凝土。在其施工前应先做好防水层和堵漏等工作, 遇到施工缝时可利用钢板的止水带进行处理, 施工缝如果是纵向水平缝, 应选用的镀锌钢板30 cm止水带, 且为槽型并带有燕尾。运用全断面开挖法施工技术中, 如果发现围岩非常稳定, 也可以设短锚杆, 甚至不设置锚杆。合适的情况下, 可先出渣, 随后再做初次支护。不过需要避免因局部的应力集中而发生围岩松动或剥落, 因此可先开展拱部初次的支护。全断面开挖法施工技术适用在岩质均匀、岩层覆盖的条件较为简单的硬岩, 且施工隧道长度需较长, 一般不小于1 km。
新奥法施工技术
新奥法简称NATM, 它起源于矿山法, 但是它与矿山法最大的不同在于:矿山法主要利用厚壁的混凝土来支护产生松动的围岩, 以保证施工安全;而新奥法则是在塑性理论指导下合理构建柔性薄壁, 它充分利用锚杆支护结构以及紧贴围岩的喷射混凝土来使得围岩的天然承载力得到保护, 确保围岩与支护共同形成支撑环, 形成稳定支护结构。施工中, 在做好施工准备期间, 施工单位应提前进行调研, 进行研究, 制定出新奥法施工方案;根据情况确定是否要开展超前支护, 也可对不良或者较差的地层采取措施进行改良;开挖后加强支护, 不能过多地开挖, 应在减少扰动的情况下及时进行支护;同时, 要坚持进行测量, 掌握围岩变形速度、稳定时间、位移以及衬砌内应力等数值信息, 对施工过程进行监控[4];遇到特殊情况或者不符合施工方案中的情形, 要认真研究, 适当修改支护参数;在确定施工符合管理标准时, 在进行防水隔离层等工作的施工, 进行二次支护施工。新奥法施工中, 隧道应确保开挖端面基本相同;遇到要加强衬砌的地方, 不是加大混凝土厚度, 而应该增加锚杆、钢支撑和钢筋网。运用新奥法技术要注意坚持“扰动少、喷锚早、多量测、严封闭”的原则, 促进围岩起到支护的作用[5]。图1就是新奥法与传统矿山法施工区别的示意图。
新奥法与传统 (矿山法) 施工区别的示意图
