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(ShieldMethod)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。 1.挖掘方式分类2.挡土方式分类3.稳定掘削面的加压方式分类4.组合命名分类手掘式半机械式机械式开放式部分开放式封闭式压气式泥水加压式削土加压式加水加压式泥浆加压式加泥加压式盾构全开放式网格式封闭式手掘式半机械式机械式部分开放式泥水式土压式泥水＋面板泥水＋辐条土压式掘削土＋面板掘削土＋辐条泥土式泥土式泥浆式掘削土＋添加材＋面板掘削土＋添加材＋辐条掘削土＋泥浆＋面板掘削土＋泥浆＋辐条5.断面形状分类6.尺寸大小分类7.施工方法分类8.适用土质分类圆形非圆形半圆形单圆形双圆搭接形三圆搭接形矩形马蹄形椭圆形超小型盾构小型盾构中型盾构大型盾构特大型盾构超特大型盾构二次衬砌法盾构工法一次衬砌法盾构工法（ECL工法）软土盾构硬土层、岩层盾构复合盾构表3.1盾构分类表 表3.2盾构组合命名分类法盾构盾构前方构造形式掘削面稳定机构封闭型土压式土压掘削土+面板掘削土+幅条泥土掘削土+添加材+面板掘削土+添加材+幅条泥水式泥水+面板泥水+幅条开放型部分开放开型网格式隔板全面开放型手掘式前檐挡土装置半机械式前檐挡土装置机械式面板幅条3.1.5机械式盾构机盾构机的前端装有旋转刀盘，故掘削能力大增。掘削下来的土砂由装在掘削刀盘上的旋转铲斗，经过斜槽送到螺旋输送机。由于掘削和排土连续进行，故工期缩短，作业人员减少。3.1.6挤压盾构1　工作原理当敞开式盾构在地质条件很差的N<5的冲积粉砂土、粘土层中掘进时，由于土体的流塑性大的原因，往往发生土体从掘削面流入盾构内舱的现象，即引起掘削面坍塌，导致掘削无法正常进行。这种场合下可在盾构（机内）靠近掘削面的地方设置一道隔板（该隔板上设有多个大小（面积）可调的土砂排放口）把掘削面封闭起来。网格盾构的工作原理如下：当盾构的推进千斤顶发力把盾构切口环挤入前方地层时，由于掘削面上的土体受到挤压，故发生塑性流动，由土砂排放口被挤出。故网格盾构也称挤压盾构。为便于盾构推进，提高正面支承的效果，在盾构的正面设置土体导向板和控制土砂排放口开度（即开放面积与总面积的比）的闸门，该闸门由千斤顶控制。在推进速度一定的条件下，调节闸门的开度，即可维持掘削面的稳定。土砂排放口的开度大小取决于土质和掘进速度。开度过大，出土量过多，导致周围地层沉降；相反，开度过小，出土量太少，导致盾构挤入地层的阻力增大，使地层发生隆起。所以根据土质条件正确地确定开度，控制土量是挤压盾构成功的关键。2　适用地层挤压盾构适用于流塑性高N<10、无自立性的软粘土层和粉砂层。总结以往的施工经验知道，挤压盾构工法适用的土质范围如图3 .6所示。当土体含砂率在20%以下、液化指数在0.8以上、内聚力小于50kPa时，土砂排放口的开度一般为（2～0.8）%。挤压盾构不适于含砂率高的地层和硬地层。另外，对液化指数特高的地层或者流动性过大的地层而言，掘削面的稳定性较差。3　优缺点挤压盾构工法的优点是盾构机构造简单、造价低。由于盾构是挤入地层的，故盾构通过时地层隆起，通过后直到被扰乱地层恢复稳态期间，地层呈现沉降。该工法与土压盾构工法、泥水盾构工法相比，其沉降量、隆起量均大。这也是该工法的一个致命的弱点。加之该工法的地层适用范围窄，故近年来该工法的施工实例极少。3.1.7盾构工法的选择1.盾构与土质的关系详尽地掌握好各种盾构工法的特征是确定盾构工法的关键。其中，选择适合土质条件的确保工作面稳定的盾构机种及合理辅助工法最重要，表3.3示出了盾构机种与适用土质、辅助工法的关系。此外，盾构的外径、覆盖土厚度、线形（曲线施工时的曲率半径等）、掘进距离、工期、竖井用地、路线附近的重要构造物、障碍物等地域环境条件的考虑也至关重要。当然还应考虑安全性和成本，通常要求按上述综合考虑选定合适的盾构。这里对表3.3中示出的各种盾构的适用土质条件简介如下：（1）手掘式盾构；手掘式盾构由于头部敞开的缘故，对于硬软间杂的开挖面以及砾石、卵石等地基比较适用，一般采用压气施工保持开挖面的稳定性。但是这一盾构型式是以开挖面能够长时间自立稳定为基本条件。在开挖面不够稳定时需通过化学注浆进行地基加固，在地下水位较高会由涌水而影响开挖面稳定性时需采取降水等辅助措施。一般来说，洪积形成的砂砾、砂、固结粉砂、粘土层易于自立稳定，最适于这种型式的使用。冲积形成的松散砂、粉砂、粘土层由于开挖面不能够自立稳定，所以需要采用辅助措施。这种型式的盾构是盾构的原型，虽然直到70年代末期一直得到广泛的使用，但最近由于不依靠辅助施工的闭胸式盾构的增加使其使用例已变得极少。（2）半机械式盾构；一般来说半机械式盾构适用于开挖面可以自立稳定的围岩条件。适合的土质主要是洪积形成的砂砾、砂、固结粉土及粘土，对于软弱的冲积层是不适用的。在使用压气施工、地下水降低施工、化学加固等辅助施工方面与手掘式盾构相同。（3）机械式盾构：机械式盾构在头部安装有可连续开挖土砂的旋转刀盘。刀盘可分为面板型和轮辐型。面板型是通过面板来维持开挖面稳定、并通过开口率解决块石、卵石的排出问题；轮辐型一般用于开挖面易于稳定的小断面盾构，针对块石、卵石而使用。机械式盾构与手掘式盾构、半机械式盾构相同，主要用于开挖面可以自立稳定的洪积地层中。对于开挖面不易自立稳定的冲积地层应结合压气施工、地下水降低施工、化学加固施工等辅助措施而使用。（4）挤压式盾构：挤压式盾构最适合于冲积形成的粉质砂土层。由于是从开口部取出土砂，所以不能用于硬质地层。另外，砂粒含量如太大的话会出现土砂的压缩而造成堵塞；相反如果地基的液性指数太高的话则很难控制土砂的流入，会出现过量取土的现象。为了获取合适的推进力，必须通过研究土质条件、开挖面开口比来决定。由于能够适用的地基非常有限，加之所引起的地基变形比较大，所以近几年已没有应用的实例。 表3.3盾构机与适用土质、辅助工法的关系地质条件手掘式盾构半机械掘削式盾构机械掘削盾构网格式盾构泥水式盾构土压式盾构土压盾构泥土盾构分类土质N值含水率(%)辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类冲积性粘土腐植土淤泥、粘土砂质淤泥粘土砂质淤泥粘土00～20～55～10>300100-300>80>50×××△×△△○AAA×××××××△A×××△×××○A×○○△△---A×○○△△---A×○○○△---A×○○○△---A洪积性粘土垆姆粘土砂质垆姆粘土砂质垆姆粘土10～2015～25>20>50>50>20○○△---○○○---△○○---××××××○○○---△△△---○○○---软岩风化页岩、泥岩>50<20×-○-○-××------砂质土混杂淤泥粘土的砂松散砂密实砂10～1510～30>30<20△×△○△○AA·BA·B△×△○×○AA·B△×△○△○AA·BA·B××××××○△○-○-A○△△-△△AA○○○---砂砾大卵石松散砂砾固结砂混有大卵石的砂砾大卵石层10～40>40×△××△○△△A·BA·BA·BA·B×△△×△○○△A·BA·BA·BA·B×△×××○××A·BA·B××××××××△○△△○-△△AAA△△△△△△△△AAAA○○○○----注（1）手掘式盾构、半机械掘削式盾构、机械掘削式盾构、网格式盾构，原则上采用气压工法。无：不使用辅助工法○：原则上适合条件A：化学注浆工法有：使用辅助工法△：使用时须加讨论B：降水法×：原则上不适合的条件-：特殊情况下也可以使用（2）○主要表示希望选定的工法，但是也包括部分土质不适合的不得不采用的情形。 （5）泥水加压式盾构：一般比较适合于在河底、海底等高水压力条件下隧道的施工。　泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层，是一种适用于多种土质条件的盾构型式。但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石地基，有时也要考虑采用辅助施工方法。（6）土压平衡式盾构：土压平衡式盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。（7）泥土加压式盾构：是一种适应含砂量过高而不具备流动性，通过添加水、泥水及添加料使泥土压力可以较好地作用到掘削面上，且可使掘削土砂的流动性增加，通过排土器顺利排出的盾构。泥土压式盾构适用于冲积砂砾、砂、粉土、粘土等固结度比较低的软弱地基；洪积地基以及软硬相间的互层等地基，在土质方面的适用性是最广泛的。但是，在高水压地基中，仅用螺旋排土器难以保持开挖面的稳定性，还需采用安装保持压力的过滤器、连接压送泵、改良切削土等方法。3.2盾构机选型的确定根据地形地貌以及选型依据和原则，确定盾构机的最优选型为泥土加压式盾构机。泥土加压式盾构机工作原理图第四章盾构井围护结构设计4.1围护结构类型基坑支护有很多种类型，根据原理和施工方法的不同，大致有：放坡开挖、水泥土搅拌围护墙、高压旋喷桩、槽钢钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、土钉墙、SMW工法等。它们各有特点，分别适用于不同的环境和施工条件，设计时应根据工程的特殊性，具体分析，选择合适的支护类型。场地内年平均水位埋深1m，地下水位高，土层条件多为粘土、粉土、粉质粘土和淤泥质粘土，场地面积较小而且对环境要求高。基坑开挖深度超过10m，24.0m的深度，针对以上条件，可以采取下列几种方案：（1）水泥土搅拌桩；（2）钻孔灌注桩围护结构；（3）地下连续墙；（4）SMW工法。4.1.1水泥土搅拌桩优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下比较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。缺点：坑顶水平位移较大；坑顶宽度较大。适用范围：《建筑基坑支护技术规程》JGJ120—99中规定：①基坑侧壁安全等级宜为二、三级；②水泥土桩施工范围内地基土承载力≤150kPa；③基坑深度≤6m。尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大, 只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。4.1.2钻孔灌注桩围护结构其特点主要是：（1）灌注桩作受力结构，而搅拌桩作止水结构；（2）适用于软弱地层中的挖深≤12m的深基坑，当开挖深度超过12m且底层可能发生流砂慎用；（3）施工低噪音，低振动，施工方便，造价经济，止水效果较好；（4）搅拌桩与灌注桩结合可形成连拱形结构，搅拌桩做受力拱，灌注桩作支承拱脚，沿灌注桩竖向设置道数适量的支撑，这种组合方式可因地制宜取得较好的技术经济效果。总结以上其优点是：（1）施工造价较低；（2）施工方法较为简单，施工机械也较多；（3）易于分段进行施工。其缺点是：（1）施工用电量较大，重复占用施工场地，相对工期长；（2）场地污染大，泥浆多，文明施工不易保持。4.1.3地下连续墙地下连续墙的优点：（1）施工时振动小，噪音低，非常适于在城市施工；（2）墙体刚度大，目前国内地下连续墙的厚度可达0.6～1.3m，用于基坑开挖时，可承受很大的土压力，极少发生地基沉降或塌方事故，已经成为深基坑支护工程中必不可少的挡土结构；（3）防渗性能好；（4）可用于逆做法施工。地下连续墙刚度大，易于设置埋件，很适合于逆做法施工；（5）适用于多种地基条件；（6）安全经济，占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，充分发挥投资效益，工效高，工期短，质量可靠。地下连续墙的缺点：（1）在一些特殊的地质条件下（如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬岩石等），施工难度很大；（2）如果施工方法不当或地质条件特殊，可能出现相邻墙段不能对齐和漏水的问题；（3）地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其它方法所用的费用要高些；（4）在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦。4.1.4SMW工法它是先用螺旋钻机按设计位置钻孔疏松泥土，且孔与孔之间有一定的搭接长度，之后向疏松泥土中注入水泥浆液，然后按设计间距打入H型钢形成劲性水泥土，最后形成一排挡土止水帷幕。其优点是：（1）造价较低，用过的型钢能够回收；（2）成桩止水效果好，若水泥掺量达到25%效果会更好些；（3）分段施工容易处理，不会形成施工缝；（4）施工进度快。其缺点是：（1）机械施工用电量较大；（2）在粉细砂层易产生抱钻现象；（3）其基坑围护结构属柔性支护，变形大，不适合太深基坑。4.2基坑围护结构方案选择本基坑最大开挖深度约为24.0m，水泥土搅拌技术上不满足要求，结合上表SMW工法和钻孔灌注桩较好适应条件，又考虑到采用SMW桩作为围护结构，不能解决抗浮问题，如采用需增加很多抗浮措施，其技术经济的合理性尚需进一步论证，所以，从技术可行、经济综合角度考虑，本设计采用地下连续墙。上述主要方案的比较如下表4.1所示： 表4-1主要挡土结构比选技术特征水泥土搅拌桩SMW工法钻孔灌注桩地下连续墙经济开挖深度（m）6～106～146～1520～40现场要求较少较少一般较高施工占地较大小较大大施工工艺较简单较复杂较简单复杂环保要求废土外运少，对环保影响较小废土外运少，对环保影响较小泥浆对环保影响大泥浆对环保影响大整体刚度一般较大较大大抗渗漏较好较好一般好桩（墙）体质量较好好一般好技术成熟程度熟练熟练熟练较熟练与永久结构关系临时结构临时结构可作为永久结构的一部分永久结构或永久结构的一部分与结构抗浮的关系与主体结构抗浮无关与主体结构抗浮无关与主体结构拉结，对主体结构抗浮有利与主体结构拉结，对主体结构抗浮有利费用低低一般高基坑支撑方案设计4.3支撑结构类型支撑结构类型主要：有锚杆支撑体系和内支撑体系两种。锚杆支撑体系：利用锚杆的锚固力对周围土体的约束作用，保证基坑周围土体稳定，在此保护下进行基坑的开挖。适用范围很广，在大部分场地和地质条件下都能采用，尤其基坑深度大、对水平变形的限制要求高、基坑周边场地狭窄的情况最能体现其优越性。内支撑体系：在基坑内部设置支撑结构限制围护结构的变形及位移。从材料上来说有钢筋混凝土支撑、钢支撑、钢结构与钢筋混凝土组合支撑等三种形式。4.4支撑体系布置形式4.4.1平面布置形式平面布置形式有正角支撑形式；对撑、角撑结合边桁架形式；圆环类支撑形式等。正角支撑形式：所有平面布置形式的支撑体系中最具控制变形的能力，既适合钢支撑体系，也适合钢筋混凝土支撑体系；但是挖土空间小，出土速度慢。该支撑形式适用于敏感环境下面积较小或适中的基坑工程。 对撑、角撑结合边桁架形式：适用于各种复杂形状的深基坑，是软土地区中应用最多的支撑平面布置形式之一。各块支撑受力相对独立，可实现支撑和挖土流水化施工，缩短基坑工期；可提供较大的出土和地下施工空间。可以根据实际情况选用钢支撑或者钢筋混凝土支撑，可充分利用钢支撑和钢筋混凝土支撑的优点。当采用不同支撑材料时，可发挥钢筋混凝土支撑刚度大，控制基坑角部变形的特点，同时可避免出现复杂的钢支撑节点；在基坑中部设置钢支撑，可发挥其施工速度快、工程造价相对低的特点。圆环类支撑形式：充分发挥钢筋混凝土的抗压性能，受力合理，经济性高；支撑面积大，出土空间大，可大幅加快出土速度。但受力均匀性要求高；且下层土方也必须在上层支护全部完成并达到强度之后方可进行，工期较长。适用于面积大的各种形状的深基坑工程。4.4.2竖向布置形式竖向布置形式主要有单层或者多层平面布置形式和竖向斜撑形式。竖向布置一般应满足：（1）上、下层水平支撑轴线应布置在同一竖向平面内，竖向相邻支撑的水平净距不宜小于3m，当采用机械开挖及运输时，不宜小于4m；（2）设定的各层水平支撑标高不能妨碍主体工程地下室结构构件的施工；（3）第一道水平支撑的围檩可同时作为围护结构墙顶的圈梁，为降低计算深度，可以放低墙顶圈梁的标高，但不宜低于自然地面以下3m；（4）当多道支撑时，最下一道支撑的标高在不影响主体结构底板施工的条件下，应尽可能降低。4.5支撑体系的方案比较和合理选定锚杆支撑体系内支撑体系优点对结构的长期稳定性非常有利。尤其是土体产生大变形时更能自身增强锚固效果，避免重大事故。锚杆支护替代横支撑使得基坑内有较大的作业空间，挖土施工效率提高300%，永久结构施工加快30%。施工期大大缩短；无需占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体性和刚度、有效控制基坑变形。特别是软土地区环境保护要求较高的深大基坑。缺点及不适用的条件锚杆施工困难，如砂卵石地层特定地层条件下，锚杆锚固段无法避开软弱土层，即使锚杆很长，仍不能提供足够的锚固力，造价和工期上也很浪费；基坑周边无法或不允许施工锚杆，如周边有其他地下结构、桩基造成施工障碍；1)由于支撑设在基坑内部，影响主体地下室施工，在地下室施工过程要逐层拆除，施工技术难度大；2)一般支撑系统都要设置立柱，立柱要在基坑开挖前施工，并进入基坑面以下的持力土层，底板施工时立柱不能拆除，使底板在立柱处不能一次浇注混凝土，给后期防水处理造成一定困难和容易影响防水质量；3)基坑土方和支撑施工交叉作业，支撑做好后，影响支撑下部的土方开挖，难以设置出土运输坡道，有时只能人工挖土和垂直运输，显著影响挖土效率；4)当基坑面积较大时，一般支撑系统都较庞大，工程量大，造价也高，从经济上不具有优越性。使用条件基坑深度大、对水平变形的限制要求高、基坑周边场地狭窄的情况在无法采用锚杆的场合和锚杆承载力无法满足要求的软土地层也可采用内支撑场地内沿基坑四周密布公用管线，地质条件复杂，基坑的开挖深度为24.0m，开挖深度较大 ，且属于软土地层，对基坑变形控制要求较高，所以采用内支撑—钢支撑体系。4.6基坑施工应变措施对支撑和开挖施工过程中，可能出现围护结构、支撑结构的过大变形和内力、周围地表过大沉降、以及围护墙与支撑体系的破坏和失稳等问题，在基坑工程设计时，应根据工程实践经验提出应变措施设计。同时在施工过程中按照设计所提的各项监测管理体系进行施工监测，并根据监测提出的警告信息及时采取相应预防灾害事故的应变措施。基坑施工应变措施序号开挖中可能出现的问题安全、稳定应变措施1围护结构出现渗水，漏泥或开挖面以下出现冒水1.出现渗水，漏泥应及时采取止水堵漏措施；2.发现止水在设计施工中的薄弱环节，及时加固弥补措施2开挖土方不均衡，支撑延时导致围护和支撑的受力和变形速率变化过大，基坑回弹和周围土体变位过大采取调整开挖及支撑的施工部位及参数，是基坑外荷均衡，减少每步开挖的空间尺寸，加快支撑的时间，增加支撑复加预加轴力的次数4.7围护结构设计计算地下连续墙深度确定：嵌固深度根据工程经验一般取0.7~1.0h，本工程取0.9h，则嵌固深度为：，则地下连续墙深度为：24.00+21.60=45.60m，取为46m深的地下连续墙。土层大多为粘土和粉质土，采用水土合算。各地层由于土的重度、粘聚力、摩擦角何厚度各不相同，为了达到计算方便和合理的目的，各指标采用按土层厚度的加权平均值来计算。式中：——地下连续墙深度范围内的加权平均重度；——第层土的浮重度；——第层土的厚度。=　18.0kN/m3 式中：——地下连续墙深度范围内的加权平均凝聚力，；——第层土的凝聚力，；——第层土的厚度，。=13.5kPa式中：——地下连续墙深度范围内的加权平均内摩擦角；——第层土的内摩擦角；——第层土的厚度，。=20.7o土压力系数:Ka=tan2(45o-/2)=tan2(45o–20.7o/2)=0.478Kp=tan2(45o+/2)=tan2(45o+20.7o/2)=2.093K0=1.0-sin=1.0-sin20.7o=0.647式中：——主动土压力系数；——被动土压力系数；——静止土压力系数。4.8支撑内力计算地下连续墙内力采用山肩邦男近似解法计算，山肩邦男近似解法的假定为：(1)在粘性土层中，桩体为底端自由的无限长弹性体；(2)桩体背侧土压力在开挖面以上取三角形，开挖面以下为矩形；(3)开挖面以下土的横向抵抗反力取被动土压力；(4)支撑设置后即为不动支点；(5)下道支撑设置后，认为上道横撑的轴力保持不变且下道横撑点以上的挡土结构保持原来位置； 山肩邦男近似解法计算简图如图4-4。图4.4山肩邦男近似解法计算简图由挡土结构前后侧合力为零得：由挡土结构底端自由得：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 式中：——被动土压力系数；——距坑底的深度，m；则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同时考虑c、的抗隆起计算示意图同时考虑的抗隆起，并按普朗特尔(Prandtl)地基承载力公式进行验算。公式为：，如图所示。式中－坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值（18）；－坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值（）； 、－地基极限承载力的计算系数；－抗隆起稳定安全系数。则有：一般采用1.2~1.3因此地下连续墙埋深满足要求。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：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；－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。抵抗渗透压力的土体水肿重量W为式中—土的浮重度；—地下墙的插入深度。若满足的条件，则管涌就不会发生，即必须满足下列条件： 式中—抗管涌的安全系数，一般取满足则符合要求图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：式中—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： 式中—计算点处的被动土压力强度；—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；—计算点以上各土层的厚度（m）；，—计算点处的被动土压力系数，按下式计算：，；式中，—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。—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。—抗倾覆稳定性安全系数，一级基坑取1.20。图抗倾覆稳定性验算 开挖面，坑外极限主动土压力：满足抗倾覆稳定性的要求。4.9.4整体圆弧滑动稳定性验算 有支护的基坑的整体稳定分析，采用圆弧滑动法进行验算。分析中所需地质资料要能反映基坑顶面以下至少2～3倍基坑开挖深度的工程地质和水文地质条件。当考虑内支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏。因此，对只设一道支撑的支护结构，需验算整体滑动，对设置多道内支撑时可不作验算。本基坑采用多道支撑，故不进行整体稳定性验算。4.9.5地下连续墙配筋计算设计参数为：地下连续墙厚1000mm，混凝土采用C30，，，主筋采用HRB400，。设钢筋计算保护层厚度as=60mm（两排钢筋），a’s=35mm（一排钢筋），计算如下：第六道支撑处弯矩最大为：单筋矩形截面所能承担的最大弯矩为：式中：--与混凝土强度相关的常数，取1.0；--混凝土抗压强度值，C30为14.3；--混凝土截面有效高度；--受弯构件截面最大的抵抗矩系数根据混凝土强度和钢筋种类，；；因此，需要按双筋截面进行设计。计算受压钢筋截面面积A’S，令受压高度，由混凝土强度和钢筋种类决定，为0.518，则：计算受拉钢筋截面面积：受拉钢筋选用：受压钢筋选用：横截面抗剪计算在标准段处截面处，经计算比较得知，在第六道支撑下沿处的剪力最大为： （属于厚腹梁），截面尺寸满足要求。式中：--构件截面上的最大剪力设计值；--为混凝土强度折减系数，当混凝土强度等级不大于C50级时，取1.0。，需要按计算配置腹筋。仅配置箍筋而不配置弯起筋：选用的双肢箍。实际配箍率：明显满足最小配箍的要求。4.9.6钢支撑强度验算由上计算可知，轴力最大为第六道支撑，，进行验算。按规定每幅地墙应施加两道支撑，所以支撑的实际轴力为：选用φ609×16钢管作支撑，跨度为16m。因中间有竖向柱，计算长度取。φ609×16钢管的截面性能：面积：惯性矩：截面模量： 回转半径：每米重力：由于支撑自重产生的弯矩为：由于安装偏心产生的弯矩，偏心值为：根据《钢结构设计规范》式中──净截面面积；──对x轴的净截面模量；──截面塑性发展系数，这里取1.15；──钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，Q235钢取。所以有（考虑最不利组合条件下）据以上计算可知，钢支撑的强度满足要求。经计算其余钢支撑均满足要求。 '