隧道施工技术和方法

目前国内外地铁车站的施工方法有明挖法、盖挖法、暗挖法和盾构法。经过近40年的发展，我国地铁施工方法已经从最初的单一明挖盖挖发展到现在的明挖、暗挖、浅埋暗挖、盾构法等多种方法并存。施工技术不断发展和完善，初步形成了专门的学科体系。

随着我国社会主义经济建设的快速发展和综合国力的增强，城市规模不断增大，城市人口流动仍在增加，交通状况逐年恶化。为了改善交通环境，人们采取了各种措施，其中修建地下铁路得到了普遍认可。例如，近年来，北京、广州、深圳、郑州等城市修建了大量地下铁路。

城市地下铁路的施工方法受地面建筑、道路、城市交通、水文地质、环境保护、施工机具、资金条件等影响较大，因此采用的施工方法也不尽相同。下面将分别介绍城市地铁的施工方法。

施工方法的选择应根据工程的性质、规模、地质水文条件，以及地上地下障碍物、施工设备、环境保护、工期要求等因素综合比较后确定。

1.随挖随填

明挖是指挖开地面，自上而下开挖土方至设计标高，从基底开始自下而上依次施工，完成隧道主体结构，最后回填基坑或恢复地面的施工方法。

明挖法是各国地铁建设的首选方法，在地面交通和环境允许的情况下通常采用明挖法。浅埋地铁车站和区间隧道常采用明挖法和明挖法，属于深基坑工程技术。由于地铁工程一般位于建筑物密集的城区，深基坑工程的主要技术难点在于保护基坑周围的原状土，防止地表沉降，减少对已有建筑物的影响。

明挖法的优点是其施工工艺简单、快捷、经济，常被视为首选。但是它的缺点也很明显，比如长时间堵塞交通，噪音和振动等环境影响。

地铁适用条件:一般在地面条件允许的情况下，地铁隧道宜采用明挖暗盖，但对社会环境影响较大，只适合在人少、车多、管线少的地方使用。

一般明挖法施工程序可分为四个步骤:维护结构施工→内部土方开挖→工程结构施工→管道修复和覆土，如图1所示。

上海地铁M8线黄兴路地铁站位于上海市控江路与靖宇路交叉口东侧控江路中心线下方。车站为岛式车站，地下两层，长166.6 m，标准断面宽度17.2 m，南北两端井口宽度21.4 m。标准段为单柱双跨钢筋混凝土结构，端井部分为双柱双跨结构。* * *有两个空气井和三个人口。车站主体采用地下连续墙作为基坑围护结构。标准段地下连续墙深26.8米，厚0.6米。车站人口和风井基坑围护结构采用SMW桩。

2.盖挖法

盖挖法是从地面向下挖到一定深度后封闭顶部，其余下部工程将在封闭的顶盖下施工。主结构可以正向或反向建造。

在繁华的市区建地铁站，经常会占用道路，影响交通。当地铁车站位于主干道上，交通不能中断，又要保证一定的交通流量要求时，可选择盖挖法。

2.1盖挖法

盖挖施工法是在地表作业完成挡土结构后，将预制好的标准盖挖结构(包括纵、横梁和路面板)放在挡土结构上维持交通，向下反复开挖、交叉支撑，直至达到设计标高。自下而上，施工主体结构和防水措施，回填土和恢复管道或埋设新管道。最后，移除挡土结构的暴露部分，并根据需要恢复道路。构建顺序如图2所示。

在道路交通不能长期中断的条件下修建主站房时，可考虑盖挖法。

工程实例:深圳地铁一期工程华强路站位于深圳最繁华的深南中路与华强路交叉口西侧，深南中路车道下。该区域市政道路密集，车流量大，最高车流量达3865辆/h，车站主体为单柱式双层双跨结构，全长224.3 m，标准断面宽度18.9 m，基坑深度约18.9 m，西端盾构宽度22.5 m，基坑深度约18.7 m..南绿地东西两端设置风道。主体结构工期为2年，其中围护结构和临时路面工期为7个月。为确保地铁站施工期间深南中路的正常运行，该段主体结构施工采用盖挖法施工方案。

2.2盖挖自上而下法

盖挖逆作法是先将基坑围护结构和中间柱向下。与盖挖逆作法一样，基坑维护结构多采用地下连续墙或帷幕柱，中间支撑多采用主体结构本身的中间柱，以降低工程造价。然后可以将表土开挖至主体结构屋面的地面标高，以开挖的土为土模浇筑屋面。顶板可作为强有力的横撑，防止维护结构变形进入基坑，回填后恢复道路，恢复交通。今后的工作将在屋顶的掩护下进行，即主体结构自上而下逐层开挖建造，如图3所示。

如果开挖面积较大，覆土较浅，周围建筑物距离太近，为了尽可能防止基坑开挖引起相邻建筑物下沉，或者为了尽快恢复道路交通，但又没有定型的覆土结构，往往采用逆作法施工。

工程实例:在地质条件和周边环境允许的情况下，以成本、工期和安全为目标，选择南京地铁南北线一期工程区间隧道的施工方法。其中，位于秦淮河古河道的三山界站位于粉土、粉细砂、淤泥质粘土中。由于是第1站，且位于十字路口，围护结构采用地下连续墙。除人口结构外，采用自上而下的建设方式。

2.3盖挖半逆作法施工

半逆作法与逆作法的唯一区别是，在屋面完成、铺装恢复后，将底板向下浇筑至设计标高，然后再逐层向上浇筑侧墙和楼板。在半逆作法施工中，一般需要设置横撑并施加预应力，如图4所示。

3.底切法

暗挖法是在一定条件下，不开挖地面，在地下开挖建造衬砌结构的隧道施工方法。

地下开挖方法主要有:钻爆法、盾构法、掘进机法、浅埋暗挖法、顶管法、沉管法等。其中浅埋暗挖法和盾构法应用广泛，所以本文重点研究这两种方法。

3.1浅埋暗挖法(浅埋矿山法)

浅埋暗挖法是松散地层中的NATM施工方法。NATM就是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，加固围岩，抑制围岩的松弛和变形，通过围岩和支护的量测和监控，指导地下工程的设计和施工。浅埋暗挖法是针对浅埋、松散、不稳定的上层和软弱破碎岩层的施工而提出的。如深圳地铁大部分隧道采用浅埋暗挖法。

浅埋暗挖法的技术特点是:围岩变形向地表扩散；需要刚性支撑或地层改良；通过试验段指导设计和施工。

采用浅埋暗挖法修建隧道时，应根据工程特点、围岩条件、环境要求和施工单位自身条件，选择合适的开挖方法和掘进方法。

区间隧道施工中常用的开挖方法有台阶法、CRD法、眼镜法等。城市地铁站、地下停车场等多跨隧道多采用柱洞法、测洞法或中洞法施工。

地下铁路修建在市区，要求严格控制地表沉降。因此，更重要的是强调地层的预支护和预加固。采用的施工方法包括超前小导管预注浆、开挖面深孔注浆和管棚超前支护。浅埋暗挖法施工工艺可概括为“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”18字，其工艺流程见图5。

工程实例:北京地铁东单站东南风洞与车站主体结构正交，北侧在长安街下，中、南侧穿过居民区，全长43.4 m..采用浅埋暗挖桩法施工，在基本保持原有环境的同时，顺利通过地面居民区和人防设施下方。

3.2盾构法

盾构施工是用盾构施工机械在地下挖掘隧道的一种施工方法。

盾构是一种可支撑地压并能在地下推进的可移动钢管结构。钢筒的前端设有支撑挖掘土壤的装置，钢筒的中段设有顶升所需的千斤顶；预制或现浇隧道衬砌环可在钢筒尾部组装。盾构每推进一个环距，就在盾尾的支撑下拼装(或现浇)一个环衬，并在衬环周围的空隙中压入水泥砂浆，防止隧道和地面下沉。盾构推进的反作用力由衬砌环承担。盾构施工前，要修建竖井，在竖井内安装盾构，将盾构挖出的土通过竖井通道送出地面。盾构施工工艺如下图6所示。

根据盾构断面形状的不同，可分为圆形、拱形、矩形、马蹄形四种。圆形因其在地层中抵抗土压力和水压力的能力好，衬砌拼装简单，构件通用，更换方便而被广泛应用。根据开挖方式的不同，盾构可分为人工开挖、半机械开挖和机械开挖三种类型；根据盾牌前部结构的不同，盾牌可分为开胸式和闭胸式两种；根据排除地下水和稳定开挖面方式的不同，盾构可分为:人工井点降水、泥浆增压、土压平衡、局部气压盾构、全气压盾构等。

盾构法的主要优点是:除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又减少了对附近居民的噪声和振动影响；盾构推进、开挖、衬砌拼装等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员较少。土方量少；过河时，不会影响航运；施工不受风雨等天气条件影响；在地质条件差、地下水位高的地方修建深埋隧道，盾构法具有很高的技术和经济优势。

其特点是地层开挖、开挖运输、衬砌拼装、接缝防水、注浆填补盾尾空隙，并随时排除地下水、控制地面沉降，是一种技术要求高、综合性强的施工方法。

可在各种软土地层和软岩地层中掘进，穿越建筑物和地下管线集中的区域时对周围密集环境影响较小，特别适用于城市地铁和水下隧道掘进。

工程实例:北京地铁5号线采用盾构法施工，是一条贯穿北京市中心的南北向地下交通大动脉。南起丰台区宋家庄，北经昌平区太平庄北站蒲黄榆、崇文门、东单、东四、永和宫，全长27.7 km。由于地面大型建筑密集，交通流量大，地下管网复杂，为减少对城市经济和市民生活的影响，经专家论证，决定在永和宫至北新桥约700 m试验段率先采用盾构法施工。盾构是大直径EPB盾构机。

4.沉管法

沉管法是将隧道管段分段预制，在管段两端设置临时止水头，然后浮至隧道轴线，沉入预先挖好的管沟内，完成管段之间的水下连接，拆除临时止水头，回填管沟保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成完整的水下通道。

沉管隧道对地基要求低，特别适用于软土地基、浅河床或海岸，容易被基槽外的水上设施疏通。由于埋深较小，隧道线路包括连接段的总长度较短，暗挖法和盾构法修建的隧道明显缩短。

沉管截面形状可以是圆形和方形，选择灵活。基槽开挖、管段预制、浮运、下沉、内铺可平行作业，干扰相对较小，管段预制质量易于控制。基于以上优点，沉管法被称为在大江大河等宽阔水域修建隧道最经济的水下穿越方案。

沉管隧道按管材可分为钢壳沉管隧道(可分为单层钢壳隧道和双层钢壳隧道)和钢筋混凝土沉管隧道两种。钢壳沉管隧道在北美应用广泛，而钢筋混凝土沉管隧道在欧洲和亚洲应用广泛。

沉管隧道施工主要工序:管节预制→基槽开挖→管段上浮下沉→对接作业→内部装修。

例证:广州珠江隧道是中国第一条越江隧道，公路和地铁共用。公路隧道总长1 238.5米..河中间的隧道埋在河床下，不影响水面航行。河中央的沉管段长457米。沉管为多孔矩形钢筋混凝土结构，包括两个双车道机动车孔、一个地铁孔和一个电缆管廊。沉管截面为典型的矩形截面，外形尺寸为33 mx7.956 m(宽x高)，底板厚度为1.2m，顶板厚度为1.0m，两外壁分别为0.7 m和0.55 m，最长管接头混凝土含量为12000 bang。管段基底位于河床风化花岗岩层上。开槽时采用炸礁。地基处理采用填砂法。

5.TBM方法

TBM是隧道掘进机的简称，由机械驱动。它被称为全断面隧道掘进机。

一般将TBM定义为:以岩层为驱动对象，全断面隧道掘进机不具备土压、水压等维持工作面的功能时，配备触壁固定器，在推进时靠反作用力推进的盾构机。

由于全断面隧道掘进机具有施工速度快、隧道成型好、机械化程度高、对周围环境影响小等优点，在国外已成为隧道开挖广泛采用的方法。

5.混合方法

根据地铁隧道的实际情况，在地铁隧道的施工过程中可以同时采用上述两种或两种以上的方法，称为混合法。

工程实例:北京地铁东四站位于朝阳门内大街与东四南大街交汇处，处于繁华的市中心，多辆公交车经过。车站主体沿东四南街走向，呈南北走向。东四南街规划道路红线宽度70 m，现状道路宽度22 m，朝内大街已改造，道路红线宽度60 m，双向客流均衡，交通非常繁忙。并且远期6号线沿朝朝内大街运行，呈东西走向，可在该站换乘。车站两端为明挖段，结构形式为三层三跨框架结构；中部为地下开挖段，结构形式为单层三拱两柱结构。车站总长197 m，地下开挖长度96.80 m，明挖长度100.20m..

6结束语

随着我国地铁建设的发展，原有的施工技术也在不断发展和完善。同时，新的施工方法被应用到施工中，施工技术水平不断提高，部分已达到世界先进水平。此外，由于城市交通流量的增加，城市道路变得拥挤，城市环境的要求也越来越严格，因此在城市中进行道路封闭的建设是不现实的。因此，盾构法、浅埋暗挖法等地下开挖技术将是今后研究和实践的主要方向。