探讨城市地下岩土工程的开挖技术
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摘要：城市地下岩土工程是岩土工程的一部分，是城市可持续发展，特别是我国大城市可持续发展所面临的诸多问题之一，更是摆在岩石力学工作者面前的新课题和新任务。
中图分类号： TD803 文献标识码： A 文章编号：
1.城市地下岩土工程的特点
地下岩土工程是一个具有悠久历史的领域。可以说自有人类以来就有岩土工程，特别是进入工业社会以后岩土工程处处存在，但是城市岩土工程，除了传统的地面房层工程外，地下岩土工程却是随着现代城市的兴起而发展的。经过最近几十年的实践，无论从设计、施工、设备和工艺，还是理论、技术和经验，都已达到相当高的水平，特别是深埋地下岩石工程，更是达到了较成熟的程度。
但是，城市地下岩土工程却具有与一般岩土工程不同的特点，主要是：多数埋深较浅。地面建筑、交通设施密集，地下管线多，开挖造成的影响大，地质条件复杂，多以土体为主，常有膨胀土、沙层、地下水，尤其是沿海沿江城市，淤土、软土的开挖难度更大。因此，城市地下岩土工程存在许多需要解决的特殊问题。主要是：
(1)浅埋、超浅埋暗挖施工技术。
(2)复杂、恶劣环境下的开挖技术。
(3)大断面隧道开挖、支护技术。
(4)开挖影响控制技术。
2.城市地下岩土工程的开挖技术及其适应条件
我国城市地下工程建设起步较晚，随着人防、地铁、地下商场、仓库、影剧院等大量工程的建设，特别是近年来的工程实践，城市地下空间开挖技术得到了长足发展和提高。我国城市地下隧道及井孔工程先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等，这些技术有的已达到国际先进水平。
2.1明挖法
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。
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：(1)放坡开挖技术;(2)型钢支护技术; (3)连续墙支护技术; (4)混凝土灌注桩支护技术 ;(5)土钉墙支护技术;(6)锚杆(索)支护技术;(7)混凝土和钢结构支撑支护方法。
2.2暗挖法
适用于城市中不能采用明挖法施工的地方，亦适用于松散层及含水松散层地层。
一般应按照“新奥法”原理设计和施工，采用较强的初期支护，先注浆后开挖的方法。施工原则是：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。一般用30～50mm钢管超前棚顶导管，然后注入水泥或化学浆，形成“结石体”，以增强围岩自稳能力。每次开挖进尺0.75m左右，先进行环状开挖，留核心土，预喷5～8cm混凝土，架拱架和钢筋网，再喷25～30cm混凝土，形成初期支护，做防水层后再做二次衬砌。
暗挖法有单拱单跨和多拱多跨暗挖施工技术。北京地铁西单车站为多拱多跨。也有三连拱、四连拱、五连拱地铁车站、公路隧道和地下商场。北京天外天地下商场为五连拱结构。还有平直墙暗挖施工技术。国际上传统的暗挖法其顶部都是拱形结构，我国创造出平顶直墙超浅埋暗挖施工技术，如北京长安街过街道。
在岩石中进行暗挖施工时，一般采用钻爆法。为了保护围岩的自承能力，普遍采用光面爆破技术。为了减少对地面的振动影响，还采用微差爆破及合理设计爆破参数等减振技术。
2.3盖挖法
指的是边坡支护为连续墙、混凝土灌注桩，其上为盖板所构成的框架结构，并在其保护下开挖及结构施工的方法。它具有快速、经济、安全的优点，是较明挖法对环境影响少，较暗挖法成本低的一种方法。适于市区高层建筑密集区。
盖挖法可分为由浅而深地逐层开挖、逐层做结构的盖挖逆作法以及依次开挖至底后再做结构的正作法两种。前者适用于地质条件复杂、开挖断面大的情况，后者反之。
2.4盾构法
指的是全断面推动园筒状钢盾构进行开挖的方法。施工方法有人工、半机械及全机械化多种。盾构由液压千斤顶推进。用盾构法能完成直径几十厘米至十多米尺寸的隧道，以及双联、三联和四联盾构的大型工程。它适于稳定和不稳定松散含水地层。
从施工技术上看，盾构法有泥水盾构法、土压平衡法(可控制地面沉降)、开敞式机械化盾构、气压盾构、插刀盾构及混合盾构等多种。在岩石地层中，也可采用隧道掘进机(岩石盾构)。
此外，国内外还开发了称为“地老鼠”的非开挖技术，包括导向钻进、定向钻进、冲击矛、夯管、水平顶管及螺旋钻等。我国首都机场跑道下采用这种方法完成一次顶进273mm、壁厚8mm、长110m作为安装通讯电缆用的钢管。我国最长铺管长度可达500m，最大铺管直径800mm，铺设设备达到国际先进水平。
2.5冻结法
地层冻结法是采用人工制冷固结不稳定松散砂土地层或软岩地层，并隔断地下水的施工方法。在拟开凿的地下工程周围钻凿一定数量的冻结孔，通过冻结管中的供液管，循环由制冷设备提供的低温盐水，使地层局部形成不透水且有一定强度能抵抗地压的冻结壁，并在其保护下进行开挖施工，工程完工后，冻结壁融化，地层岩土恢复原状。此法适用于松散含水地层，已在煤矿广泛采用。上海地铁1#线、2#线的联结通道及泵站、上海杨树浦水厂泵站基坑、北京地铁大北窑区间隧道等复杂高难地段，均用此法获得成功，并首次试成水平冻结技术及液氮快速冻结技术。
2.6沉管(箱)法
沉管(箱)法是采用将事先预制的钢筋混凝土结构，焊封头部钢板、然后放水浮运沉入到设计的位置来建造水下岩土工程的方法。国外及我国煤矿均有大量施工实例。广州珠江隧道采用了这种方法。适于修建过江、过海隧道的水中部分及浅表土层中的竖井施工。
2.7钻井法
钻井法是一种用途广泛、技术先进的岩土井、孔施工方法，其全部开挖工程在地面操作，工人不需“入地”，劳动强度小，它是通过专门的大直径钻机(我国最大钻井直径9.3m)驱动钻杆及钻头钻进，泥浆护壁，压气排渣，井壁漂浮下沉，壁后充填固井等工序，一次超前钻进，分级扩孔成井。我国煤矿已成功采用此法完成47个深井井筒。此外还有由下而上施工的反井钻进技术。钻井法在我国矿山、铁路、交通、国防、水电等复杂及水下岩土工程中得到成功应用。
2.8注浆法
注浆法指的是通过注浆设备以选定的注浆工艺利用钻孔进行岩土加固的一种施工技术。它早就被广泛应用。根据注浆材料不同有单液和双液注浆，水泥注浆、粘土水泥和化学材料注浆；根据注浆机具不同有重力注浆和压力注浆，有渗透注浆和喷射注浆等。
近年来发展起来的高压喷射注浆法，在岩土工程的加固和治水中更是发挥了独特作用，例如高压旋喷桩法、高压定喷墙法以及水平旋喷法。三重管高压旋喷桩法在上海地铁1#线的施工中，对淤泥地层进行帷幕堵水、防渗加固，效果十分理想。高压旋喷桩与灌注桩结合法在高层建筑地基基坑护坡工程中更是得到广泛应用。
3.结束语
城市地下岩土工程中的开挖影响指的是开挖引起的围岩移动与地面沉降，不包括其它扰民影响。地下开挖必然会在其周围岩土体中引起位移与变形。由于开挖深度小，其影响必然要波及到地面上，但由于开挖宽度有限，其影响也是可以控制的。影响的程度与范围，取决于众多因素。对于浅理、超浅埋隧道式开挖工程，主要取决于开挖方式、断面跨度、导坑形式、机具、支护方式与时机、构件刚度、回填、地面载荷(动、静载)、岩土体性质及地下水抽排等。