地下工程的类型很多,工程特点各异,相应的开挖施工技术也不同。城市地下工程建设应通过优化对比分析,因地制宜地选择施工方法,以达到缩短工期、节约投资、事半功倍的效果。以下结合城市的情况,主要说明土层中地下工程常用的施工技术。
1)明挖顺作法(Cut and Cover)
明挖顺作法(又称为掘开式)施工方法采用无梁楼盖结构,是地下空间结构施工方法中最为简单直接的由上而下的建造方法。这种方法一般采取直接从地面向下开挖基坑或堑壕至地下空间设计底标高,然后在其开挖的空间预定位置灌注建造围护结构,当地下空间结构施工到具备足够承托力后才将修建好的地下结构周围及其上部回填,并重新铺设路面。明挖顺作法施工过程中除了需要将地面掘开之外,其他地下结构如电线、电话线、水管等都需要再施工后重新铺设。明挖法可分为护坡桩法明挖、敞口放坡明挖、旋喷护坡明挖及槽壁支护明挖等方式。敞口放坡法又分为降水和不降水敞口放坡明挖法。明挖顺作法的具体施工关键工序是: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,现阶段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、混凝土和钢结构支撑支护技术等几大类。
明挖顺作法适应性强,适用于任何岩(土)体,可以修建各种形状结构物;明挖法可以为地下结构的施工创造最大限度的工作面,各项工序可以全面铺开,进行平行流水作业,因而施工速度快;明挖法施工技术比较简单,便于操作,工程质量有保证。所以,在地下空间工程施工方案选择中,在埋深较浅、地面恢复允许时间较长的情况下,广泛采用明挖法。
明挖顺作法的优点:明挖法在施工时其面临的崩塌风险较小,是一种安全有效的地下工程施工方法,工程施工成本较低,施工工艺简单,可以大幅节省工程投资。
明挖顺作法的缺点:施工期间地面恢复时间较长,施工产生噪音,对地面交通和周边居民的干扰较大,同时对既有建筑和公共设施必须避让或迁移。
施工控制距离要求:新建地下工程采用明挖法对靠近的已有建筑物的距离有一般要求。根据现有的施工技术,一般要求要5m 水平间距以上,如果是建筑密集的市中心地区,局部也应保证最小2m 的水平施工间距。
2)盖挖逆筑法(Inverse Method)
在城市地下空间的施工工程中,如果工程设计埋深较浅,又不允许较长时间占用地面交通路面的情况下,可以采用盖挖逆筑法施工。盖挖逆筑法是先建造地下工程的柱、梁和顶板,然后以此为支承构件,上部恢复地面交通,下部进行土体开挖及地下主体工程施工的一种方法。盖挖逆筑法中其主体结构的施工方式与明挖法大致相同,盖挖逆筑法的关键技术是地下连续墙和桩基础的施工方法。
先沿建筑物地下室轴线或周围施工地下连续墙或其他支护结构,同时在建筑物内部的有关位置浇筑或打下中间支承桩和柱,作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑。然后施工地面一层的梁板楼面结构,作为地下连续墙刚度很大的支撑,随后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下结构,直至底板封底。同时,由于地面一层的楼面结构已完成,为上部结构施工创造了条件,所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。如此地面上、下同时进行施工,直至工程结束。(www.daowen.com)
3)盾构法施工(Tunnelling Shield)
盾构法施工是以盾构作为施工机械在地面以下暗挖修筑隧道的一种施工方法。盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑;盾构是既可支承地层压力,又可以在地层中推进的活动钢制圆形或半圆形装置。盾构是通过软弱含水层,特别是江河底、海底,以及城市中心区修建隧道的一种常用机械。目前国内外的城市建设中,盾构法已经广泛使用。
盾构法主要优点:施工均在地下进行,既不影响地面交通,又可减少给附近居民带来噪音和振动影响;掘进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,施工易于管理,工作人员也较少;施工方量少;施工不受风雨等气候条件的影响;在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道时,盾构法有较高的技术经济优越性。
盾构法主要缺点:盾构机造价较高,设备较复杂。不同项目须专门制造、运送、拼装与拆卸,一般不能随便将其他隧道施工盾构重复使用;须配置气压供应设备、人工井点降水、衬砌管片预制、衬砌结构的防水设施及堵漏、隧道内的运输、施工测量、场地布置、拼装与拆卸工作井等施工技术的密切配合才能顺利施工;且用气压法施工时,涉及压缩空气泄出的危险、减压病等医学上的防护措施。有统计资料显示,短于750m 的隧道被认为是不经济的;隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时,施工困难较大(对水底隧道当覆盖土太浅时施工反而不太安全);盾构法施工采用全气压方法以疏干和稳定地层时,施工条件较差,因此对劳动保护要求较高。用盾构法施工时,在隧道上方一定范围内,尤其是饱和含水松软土层,地表沉陷尚难以防止,拼装衬砌时对衬砌整体防水技术要求很高。
4)顶管法施工(Pipe Jacking)
顶管法是直接在松软土层或富水松软地层中敷设中、小型管道的一种施工方法。它无须挖槽或开挖土方,可避免为疏干和固结土体而采用降低水位等辅助措施,从而大大加快了施工进度。在特殊地层和地表环境下施工,施工速度快,施工质量比盾构法好。
应用范围:工程跨度限制大,国内管径大约为1.5~3.5m,所以对顶管法只适用于市政管线、地铁区间段等长距离、小跨度工程的施工。应当指出,对城区内施工如果管道埋深较浅的情况下采用开挖式敷设管道比较经济。
5)施工方法的比较选择
城市地下工程成败的关键是施工问题。施工方法的选择应根据工程性质、规模、土层条件、环境条件、施工设备、工期要求等要素,经技术、经济比较后确定。应选用安全、适用,技术上可行,经济上合理的施工方法。对埋置较浅的工程,在条件许可时,应优先采用造价低、工期短的明挖法施工;根据地质条件和周围环境情况,明挖法可用敞口开挖,钢板桩或工字钢侧壁支护;近年常采用“地下连续墙”,盖挖逆筑法施工,可避免打桩的噪声与振动,减少明挖法对地面的影响;当埋深超过一定限度后,常采用暗挖法施工,暗挖最初多用传统的矿山法,由于不同城市地质条件限制,很难采用传统的矿山法施工;对于松软含水地层可采用泥水加压或土压平衡式盾构施工,有时亦可采用顶管法施工;修建水底隧道除采用盾构法外,还可采用沉埋法,此法主要工序在地面进行,避免了水下作业,优点显著,应用日益广泛。
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