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摘要：随着我国经济的飞速发展，综合国力的日益提高，城市人口急剧膨胀，城市规模不断扩大，随之带来了很多公共交通运输方面的问题，经发达国家的经验表明，地铁和轻轨是解决这一问题的根本途径。而地铁被誉为城市交通运输工具中的“绿色交通”，其与城市中的其他交通工具相比具有很多优点，比如运输量大、少污染、速度快、安全性好、低能耗、占用城市道路面积少、乘坐舒适方便且不受气候影响等。基于地铁的规划与修建日益成为城市建设的热点，本文主要讲述地铁工程建设中的所用到的各种施工技术及其结构设计原则，从而能够促使读者总结出各种施工技术的综合应用或发明出更加优越的施工技术，以促进地铁
工程建设事业的蓬勃发展。
关键词：城市地铁、 结构设计原则、施工技术
中国城市化的发展必然带动城市地铁的发展，城市地铁的出现和发展，又必然会引发新一轮的城市布局和技术革新。无论是从政治还是经济角度出发，都将给城市带来新的面貌和生机。目前，国内的地铁工程建设空前发展，将产生上万亿元的价值，因此很多企业集团争相在国内进行技术研发和垄断，以其雄厚的资金力量进军地铁工程建设，加快城市地铁的发展。同时，国外的城市地铁发展历史悠久，对国内的城市地铁发展有一定的引导和加速作用。
一、国外城市地下空间开发利用趋势
1、着力开发利用城市地下空间资源，不断完善城市基础设施的功能，使之能满足城市持续发展的需求，如地铁 、共同沟、地下车库等的建设。
2、利用地下空间增加城市社区的安全性。为了提高质量和运行的稳定性 ，许多服务设施可以建设在地下，包括废水处理通讯、供电以及数据传输等。
3、利用地下空间开发使社区空间环境更紧凑。把宜放在地下的建设项目放到地下，可腾出土地，扩大城市容量，节约能源，从而降低地面建筑密度，改善地面建筑光照，缓解交通拥挤，减少煤烟、排渣和噪音等污染，扩大绿化面积，有效地改善城市社会环境和自然环境。
4、地上地下协同发展，地下空间成为城市空间资源的有机组成部分，如巴黎副都心——德芳斯的建设等。
二、地铁结构设计原则
1、结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防迷流等要求, 保证结构物具有一定的耐久性。
2、根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件、地面建筑和地下构筑物状况，通过对技术经济、环境影响和使用效果等的综合比较，合理选择施工方法和结构型式。在造价相近的情况下，应优先选用综合社会效益较好的方案。
3、地铁结构净空尺寸应满足建筑限界或其它使用及施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形及后期沉降的影响。
4、尽可能把施工中的支护结构作为主体结构的一部分加以利用。
5、与地区抗震设计烈度相适应。
6、因地制宜地采取适当措施，严格控制施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线不同地段的地面建筑及地下构筑物等的实际情况确定。
7、隧道两侧道路红线以内的一般建筑物，在隧道施工前原则上不采取加固措施，施工中加强对危房及重要房屋的监测，必要时采取临时加固或搬迁等应急措施。重要建筑物必须进行分析和必要的加固设计。
8、隧道的防水设计应满足国家颁发的《地下工程防水设计规范 》 的有关规定。
三、地铁各种施工技术
1、明挖法施工技术
1）放坡开挖技术：在工程地质及水文地质条件允许的情况下 ,可采用放坡开挖的施工技术。边坡坡度根据地质、 基坑挖深及参照当地同类土体边坡稳定值确定。基坑的开挖尺寸要保证满足结构施工的需要 ,需要设排水沟、 集水井的基坑 ,其开挖尺寸可适当加宽。基坑应自上而下分层、 分段依次开挖 ,以防止掏底开挖发生事故 ,开挖应随挖随刷边坡。
2）基坑支护技术：基坑支护技术包括型钢支护技术、连续墙支护技术、混凝土灌注桩支护技术、土钉墙支护技术。型钢支护一般是使用打桩机或沉拔桩机打入或沉入工字钢或钢板桩，根据不同地区和地质条件设定桩距，桩间采用木背板、水泥土或钢丝网喷混凝土挡护。连续墙支护一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽设备，也有用多头钻和切削轮式成槽设备的。槽段采用膨润土泥浆护壁，灌注水下混凝土，使其形成混凝土挡土墙结构。连续墙不仅能承受较大的荷载，同时具有隔水的作用。混凝土灌注桩的成孔方法有人工挖孔、机械钻孔两种。根据地质和水文条件采用干法和浆液护壁法，然后灌注普通混凝土和水下混凝土成桩，支护可采用双排桩加混凝土连梁共同作用形式，还可采用桩加横撑或锚杆形成的受力体系。土钉墙支护是在施工现场的原位土中用机械钻机成孔,插入排列间距较密的细长杆件,通常还外裹水泥砂浆或注浆,并喷射混凝土,使土体、钢筋、喷混凝土板面结合成深基坑土钉支护体系。
3）大体积混凝土浇筑技术：采用组合钢模板，不断更新混凝土搅拌技术，通过泵送机泵送大流动性混凝土的施工技术。
2、浅埋暗挖法施工技术
浅埋暗挖法又称矿山法，是一项边开挖边浇注的施工技术，其按照“新奥法”原理进行设计和施工，采用先注浆、后开挖、再做临时支护方法。施工原则为“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测。” 一般用钢管作超前棚顶导管，然后根据不同地质条件，注入水泥浆或其他化学浆,填充砂层孔隙，形成“ 结石体” ,增强围岩的自稳能力。每次开挖进尺为 0.175m左右,先进行环状开挖,留核心土,基面上喷5～8cm厚混凝土,架立钢拱架和挂钢筋网片,再喷25～30cm厚混凝土形成初期支护结构。初期支护完成后做防水层,再用模板台车做二次衬砌。在施工中坚持以量测资料进行反馈,并指导施工。
3、盖挖法施工技术
盖挖法施工技术特点是根据不同的地质和水文地质条件，设计以连续墙、混凝土灌注桩作为边坡支护结构，然后施作盖板，形成框架结构后，在其保护下开挖土方，并完成结构施工。盖挖法是一种快速、经济、安全的施工方法，对人们生活干扰少，采取措施后可以做到基本不影响交通，较暗挖法要经济，在地铁车站施工中被广泛采用。
4、盾构法施工技术
盾构法已经在我国的地铁建设中得到了迅速的发展，其优点是安全、可靠、快速、环保等。我国盾构技术的进步主要表现在以下4个方面：①掌握了盾构机的选型和配套技术，与外国合作设计生产盾构机，配套施工设备包括管片模具完全能够自行设计制造；②掌握了盾构隧道的设计和结构计算技术以及防水技术；③掌握了盾构掘进控制技术，如盾构掘进参数选择控制、碴土和压力管理、地表沉降控制、盾构机姿态和隧道轴线控制、管片防裂、同步注浆等，实现了信息化施工，可以确保盾构施工的安全、优质、高效和环保；④掌握了不同地质条件和复杂环境条件下的施工及相关的施工技术。目前，混合盾构是世界上最先进的盾构，适合于复杂多变的地层。混合盾构的特点是:在大刀盘上安装适合各种地层的多种刀具，其在辐条上安装刀头的方法和角度的不同使之能适应不同松散的土质，同时在大刀盘上还要安装有能粉碎大石块和岩石的圆盘式切削刀头。这种具有特殊大刀盘的盾构，已在广州地铁工程中应用并获得成功。其他盾构法施工技术有隧道掘进机施工技术、泥水平衡盾构施工技术、土压平衡盾构施工技术和气压盾构施工技术。
5、地铁工程建设过程中还需要很多辅助施工技术，比如深基坑降水技术：对于大面积的深基坑降水，我国早期多采用深井泵降水。近年来多级轻型井点、喷射井点、水平井降水技术在各种深基坑降水中也普遍应用。电渗、辐射井降水技术也在一些工程中得到应用。其他还有注浆、钢管棚、锚索、冷冻法等辅助施工技术，这里不一一详细介绍。
四、施工技术实例
1、盾构法技术
我国的盾构研究应用起步于20世纪60年代。1961年上海开始用盾构做试验隧道,先后使用敞胸手掘式盾构 (<412m 试验隧道)、干出土网格式盾构( <10m杨浦路隧道)、水力出土网格式盾构(<1113m延安路隧道)、局部气压水力开挖网格式盾构(<5164m电厂引水隧道) 与土压平衡盾构(<4136m排水隧道)。北京在 1966年开始设计与试验 <711m压缩混凝土盾构,成洞 87m ,在盾构设计、制造、 施工和压缩混凝土衬砌材料性能等方面都取得了宝贵经验。1991年上海地铁 1号线引进7台<6134m加泥式土压平衡盾构,采用刀盘开挖、螺旋输送机排土,备有同步压浆、盾尾油脂和泥水压注设施及计算机控制系统,功能较为齐全,适合在含水软弱不稳定土层中施工,能较好地稳定开挖面,有效控制地表沉降。共完成1815km单线隧道工程。1995年广州地铁开始使用复合盾构,为我国盾构施工达到国际先进水平奠定了基础。由于广州地铁的地质既有岩石又有软土的复杂条件,引进日本清木公司复合盾构施工技术获得成功。其中,渗透系数较大、各种级配、 富水的砂层、砂砾层为主时,选择泥水加压式盾构,其他地段采用土压平衡盾构,并在穿越房屋时对基础进行了托换,用盾构刀盘和刀具切削基础和桩的钢筋混凝土都获得成功。南京与台湾合作,用盾构修建了跨越长江引水隧道,在穿越砂层的地质条件下获得成功。水电部与意大利 CMC公司合作,在引大入秦引水隧道施工中采用TBM工法,创下每月掘进1100m的纪录,而后又将此法推广到山西万家寨引黄工程和西南、东北多项引水工程中。秦岭铁路隧道由两座基本平行的 <818m单线隧道组成,两线间距30m,最大埋深1 600m,隧道全长 18146km,采用TBM施工方法 (如图1、2)。
图1 秦岭隧道盾构施工现场 图2 秦岭隧道施工TBM掘进机
2、沉管法修建越江隧道
沉管法施工在国内已有很多实例。广州穿越珠江、上海穿越黄浦江隧道及天津穿越海河等工程采取了这种方法。20世纪90年代广州的隧道断面为 4孔箱形钢筋混凝土结构,其中两孔为83双车道单向运行的机动车道,另一孔为地铁1号线双线区间隧道,一孔为设备管廊,隧道断面尺寸为 33m ×719m,长123815m ,沉埋段457m,分为105、120、120、90、22m五段。混凝土为 C30、P8,顶板面设一层厚为150mm的钢筋混凝土防锚层,底板设 6mm厚防渗钢板,外围设闭合防水层,管壁厚为1m,底板 112m ,最大段重3300t,结构在宽 48m ,长 150m的干坞内分 4次预制,预制后分别浮运出坞沉放。施工中处理好浮沉关系、刚柔关系,防止裂缝的产生,至今通过十几年的运行,状况良好(如图3、4)。
图3 广州穿越珠江的隧道模拟图图4 沉管法修建隧道施工现场
3、冷冻法修建地铁隧道
我国煤矿的井筒建设很早就采用了冷冻法施工,有300多个实例,技术比较成熟,最大冷冻深度达500m。20世纪70年代北京地铁2号线阜城门——西直门区间结构施工因遇流砂而采用过冷冻法,取得了较好效果。1998年北京地铁复八线大北窑(国贸)——热电厂(大望路)区间暗挖隧道从大北窑立交桥下方通过,遇到饱和粉细砂层,稍为扰动即失稳而成流砂。经研究选择了无缝钢管既作冷冻管又作钻杆的水平冷冻法,管长45m,冷冻土层厚度达214m,满足设计与施工要求,保证了立交桥的安全，这是我国地铁暗挖隧道冷冻法的成功案例。上海和杭州的地铁区间隧道的联络通道、盾构始发和接收的工作井的地层加固也大量采用冷冻法施工(如图5、6)。
图5 杭州地铁冷冻法施工现场 图6 上海地铁区间隧道左曲段
参考文献:
[1] 王毅才.隧道工程[M] .北京:人民出版社，2002.
[2] 龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M] .北京：中国建筑工业出版社 ,1998.
[3] 刘国琦,杜文库.我国地下工程施工技术的发展及展望[J ].建筑技，1997 (7)：18-19.
[4] 夏明耀 ,曾进伦.地下工程设计施工手册[M] .北京:中国建筑出版，1999.
工程建设事业的蓬勃发展。
关键词：城市地铁、 结构设计原则、施工技术
中国城市化的发展必然带动城市地铁的发展，城市地铁的出现和发展，又必然会引发新一轮的城市布局和技术革新。无论是从政治还是经济角度出发，都将给城市带来新的面貌和生机。目前，国内的地铁工程建设空前发展，将产生上万亿元的价值，因此很多企业集团争相在国内进行技术研发和垄断，以其雄厚的资金力量进军地铁工程建设，加快城市地铁的发展。同时，国外的城市地铁发展历史悠久，对国内的城市地铁发展有一定的引导和加速作用。
一、国外城市地下空间开发利用趋势
1、着力开发利用城市地下空间资源，不断完善城市基础设施的功能，使之能满足城市持续发展的需求，如地铁 、共同沟、地下车库等的建设。
2、利用地下空间增加城市社区的安全性。为了提高质量和运行的稳定性 ，许多服务设施可以建设在地下，包括废水处理通讯、供电以及数据传输等。
3、利用地下空间开发使社区空间环境更紧凑。把宜放在地下的建设项目放到地下，可腾出土地，扩大城市容量，节约能源，从而降低地面建筑密度，改善地面建筑光照，缓解交通拥挤，减少煤烟、排渣和噪音等污染，扩大绿化面积，有效地改善城市社会环境和自然环境。
4、地上地下协同发展，地下空间成为城市空间资源的有机组成部分，如巴黎副都心——德芳斯的建设等。
二、地铁结构设计原则
1、结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防迷流等要求, 保证结构物具有一定的耐久性。
2、根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件、地面建筑和地下构筑物状况，通过对技术经济、环境影响和使用效果等的综合比较，合理选择施工方法和结构型式。在造价相近的情况下，应优先选用综合社会效益较好的方案。
3、地铁结构净空尺寸应满足建筑限界或其它使用及施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形及后期沉降的影响。
4、尽可能把施工中的支护结构作为主体结构的一部分加以利用。
5、与地区抗震设计烈度相适应。
6、因地制宜地采取适当措施，严格控制施工引起的地面沉降量，其允许数值应根据地铁沿线不同地段的地面建筑及地下构筑物等的实际情况确定。
7、隧道两侧道路红线以内的一般建筑物，在隧道施工前原则上不采取加固措施，施工中加强对危房及重要房屋的监测，必要时采取临时加固或搬迁等应急措施。重要建筑物必须进行分析和必要的加固设计。
8、隧道的防水设计应满足国家颁发的《地下工程防水设计规范 》 的有关规定。
三、地铁各种施工技术
1、明挖法施工技术
1）放坡开挖技术：在工程地质及水文地质条件允许的情况下 ,可采用放坡开挖的施工技术。边坡坡度根据地质、 基坑挖深及参照当地同类土体边坡稳定值确定。基坑的开挖尺寸要保证满足结构施工的需要 ,需要设排水沟、 集水井的基坑 ,其开挖尺寸可适当加宽。基坑应自上而下分层、 分段依次开挖 ,以防止掏底开挖发生事故 ,开挖应随挖随刷边坡。
2）基坑支护技术：基坑支护技术包括型钢支护技术、连续墙支护技术、混凝土灌注桩支护技术、土钉墙支护技术。型钢支护一般是使用打桩机或沉拔桩机打入或沉入工字钢或钢板桩，根据不同地区和地质条件设定桩距，桩间采用木背板、水泥土或钢丝网喷混凝土挡护。连续墙支护一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽设备，也有用多头钻和切削轮式成槽设备的。槽段采用膨润土泥浆护壁，灌注水下混凝土，使其形成混凝土挡土墙结构。连续墙不仅能承受较大的荷载，同时具有隔水的作用。混凝土灌注桩的成孔方法有人工挖孔、机械钻孔两种。根据地质和水文条件采用干法和浆液护壁法，然后灌注普通混凝土和水下混凝土成桩，支护可采用双排桩加混凝土连梁共同作用形式，还可采用桩加横撑或锚杆形成的受力体系。土钉墙支护是在施工现场的原位土中用机械钻机成孔,插入排列间距较密的细长杆件,通常还外裹水泥砂浆或注浆,并喷射混凝土,使土体、钢筋、喷混凝土板面结合成深基坑土钉支护体系。
3）大体积混凝土浇筑技术：采用组合钢模板，不断更新混凝土搅拌技术，通过泵送机泵送大流动性混凝土的施工技术。
2、浅埋暗挖法施工技术
浅埋暗挖法又称矿山法，是一项边开挖边浇注的施工技术，其按照“新奥法”原理进行设计和施工，采用先注浆、后开挖、再做临时支护方法。施工原则为“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测。” 一般用钢管作超前棚顶导管，然后根据不同地质条件，注入水泥浆或其他化学浆,填充砂层孔隙，形成“ 结石体” ,增强围岩的自稳能力。每次开挖进尺为 0.175m左右,先进行环状开挖,留核心土,基面上喷5～8cm厚混凝土,架立钢拱架和挂钢筋网片,再喷25～30cm厚混凝土形成初期支护结构。初期支护完成后做防水层,再用模板台车做二次衬砌。在施工中坚持以量测资料进行反馈,并指导施工。
3、盖挖法施工技术
盖挖法施工技术特点是根据不同的地质和水文地质条件，设计以连续墙、混凝土灌注桩作为边坡支护结构，然后施作盖板，形成框架结构后，在其保护下开挖土方，并完成结构施工。盖挖法是一种快速、经济、安全的施工方法，对人们生活干扰少，采取措施后可以做到基本不影响交通，较暗挖法要经济，在地铁车站施工中被广泛采用。
4、盾构法施工技术
盾构法已经在我国的地铁建设中得到了迅速的发展，其优点是安全、可靠、快速、环保等。我国盾构技术的进步主要表现在以下4个方面：①掌握了盾构机的选型和配套技术，与外国合作设计生产盾构机，配套施工设备包括管片模具完全能够自行设计制造；②掌握了盾构隧道的设计和结构计算技术以及防水技术；③掌握了盾构掘进控制技术，如盾构掘进参数选择控制、碴土和压力管理、地表沉降控制、盾构机姿态和隧道轴线控制、管片防裂、同步注浆等，实现了信息化施工，可以确保盾构施工的安全、优质、高效和环保；④掌握了不同地质条件和复杂环境条件下的施工及相关的施工技术。目前，混合盾构是世界上最先进的盾构，适合于复杂多变的地层。混合盾构的特点是:在大刀盘上安装适合各种地层的多种刀具，其在辐条上安装刀头的方法和角度的不同使之能适应不同松散的土质，同时在大刀盘上还要安装有能粉碎大石块和岩石的圆盘式切削刀头。这种具有特殊大刀盘的盾构，已在广州地铁工程中应用并获得成功。其他盾构法施工技术有隧道掘进机施工技术、泥水平衡盾构施工技术、土压平衡盾构施工技术和气压盾构施工技术。
5、地铁工程建设过程中还需要很多辅助施工技术，比如深基坑降水技术：对于大面积的深基坑降水，我国早期多采用深井泵降水。近年来多级轻型井点、喷射井点、水平井降水技术在各种深基坑降水中也普遍应用。电渗、辐射井降水技术也在一些工程中得到应用。其他还有注浆、钢管棚、锚索、冷冻法等辅助施工技术，这里不一一详细介绍。
四、施工技术实例
1、盾构法技术
我国的盾构研究应用起步于20世纪60年代。1961年上海开始用盾构做试验隧道,先后使用敞胸手掘式盾构 (<412m 试验隧道)、干出土网格式盾构( <10m杨浦路隧道)、水力出土网格式盾构(<1113m延安路隧道)、局部气压水力开挖网格式盾构(<5164m电厂引水隧道) 与土压平衡盾构(<4136m排水隧道)。北京在 1966年开始设计与试验 <711m压缩混凝土盾构,成洞 87m ,在盾构设计、制造、 施工和压缩混凝土衬砌材料性能等方面都取得了宝贵经验。1991年上海地铁 1号线引进7台<6134m加泥式土压平衡盾构,采用刀盘开挖、螺旋输送机排土,备有同步压浆、盾尾油脂和泥水压注设施及计算机控制系统,功能较为齐全,适合在含水软弱不稳定土层中施工,能较好地稳定开挖面,有效控制地表沉降。共完成1815km单线隧道工程。1995年广州地铁开始使用复合盾构,为我国盾构施工达到国际先进水平奠定了基础。由于广州地铁的地质既有岩石又有软土的复杂条件,引进日本清木公司复合盾构施工技术获得成功。其中,渗透系数较大、各种级配、 富水的砂层、砂砾层为主时,选择泥水加压式盾构,其他地段采用土压平衡盾构,并在穿越房屋时对基础进行了托换,用盾构刀盘和刀具切削基础和桩的钢筋混凝土都获得成功。南京与台湾合作,用盾构修建了跨越长江引水隧道,在穿越砂层的地质条件下获得成功。水电部与意大利 CMC公司合作,在引大入秦引水隧道施工中采用TBM工法,创下每月掘进1100m的纪录,而后又将此法推广到山西万家寨引黄工程和西南、东北多项引水工程中。秦岭铁路隧道由两座基本平行的 <818m单线隧道组成,两线间距30m,最大埋深1 600m,隧道全长 18146km,采用TBM施工方法 (如图1、2)。
图1 秦岭隧道盾构施工现场 图2 秦岭隧道施工TBM掘进机
2、沉管法修建越江隧道
沉管法施工在国内已有很多实例。广州穿越珠江、上海穿越黄浦江隧道及天津穿越海河等工程采取了这种方法。20世纪90年代广州的隧道断面为 4孔箱形钢筋混凝土结构,其中两孔为83双车道单向运行的机动车道,另一孔为地铁1号线双线区间隧道,一孔为设备管廊,隧道断面尺寸为 33m ×719m,长123815m ,沉埋段457m,分为105、120、120、90、22m五段。混凝土为 C30、P8,顶板面设一层厚为150mm的钢筋混凝土防锚层,底板设 6mm厚防渗钢板,外围设闭合防水层,管壁厚为1m,底板 112m ,最大段重3300t,结构在宽 48m ,长 150m的干坞内分 4次预制,预制后分别浮运出坞沉放。施工中处理好浮沉关系、刚柔关系,防止裂缝的产生,至今通过十几年的运行,状况良好(如图3、4)。
图3 广州穿越珠江的隧道模拟图图4 沉管法修建隧道施工现场
3、冷冻法修建地铁隧道
我国煤矿的井筒建设很早就采用了冷冻法施工,有300多个实例,技术比较成熟,最大冷冻深度达500m。20世纪70年代北京地铁2号线阜城门——西直门区间结构施工因遇流砂而采用过冷冻法,取得了较好效果。1998年北京地铁复八线大北窑(国贸)——热电厂(大望路)区间暗挖隧道从大北窑立交桥下方通过,遇到饱和粉细砂层,稍为扰动即失稳而成流砂。经研究选择了无缝钢管既作冷冻管又作钻杆的水平冷冻法,管长45m,冷冻土层厚度达214m,满足设计与施工要求,保证了立交桥的安全，这是我国地铁暗挖隧道冷冻法的成功案例。上海和杭州的地铁区间隧道的联络通道、盾构始发和接收的工作井的地层加固也大量采用冷冻法施工(如图5、6)。
图5 杭州地铁冷冻法施工现场 图6 上海地铁区间隧道左曲段
参考文献:
[1] 王毅才.隧道工程[M] .北京:人民出版社，2002.
[2] 龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M] .北京：中国建筑工业出版社 ,1998.
[3] 刘国琦,杜文库.我国地下工程施工技术的发展及展望[J ].建筑技，1997 (7)：18-19.
[4] 夏明耀 ,曾进伦.地下工程设计施工手册[M] .北京:中国建筑出版，1999.