城市地下岩土工程发展背景
1城市地下岩土工程是新世纪城市建设的重要环节。
随着国民经济的快速发展，中国的城市化水平也在迅速提高，从1990到18.96%到1997年末的28.9%。城市化水平的提高标志着城市工程建设的快速发展。然而，中国的城市建设基本遵循“摊大饼”的粗放式发展模式，给国民经济带来不应有的损失。主要是:
(1)城区无限扩大，耕地流失严重。卫星遥感数据显示，1986 ~ 1996期间，我国31个特大城市的实际城市面积扩大了50.2%，部分城市面积呈指数级增长。据预测，到2010年，中国的城市总数将从0996年的65438+640增加到1 000，因此，大量的耕地将被占用。到下世纪中叶，我国城镇化水平将提高到65%左右，这意味着城镇人口将比1990增加7亿多人，按每个城镇人口使用的土地计算，将占用耕地100多万亩。土地问题是中国可持续发展的关键。城市人口的快速增长和区域规模的限制成为城市发展的突出矛盾，城市发展必须走节约土地的集约发展模式。
(2)城市人口密度高，形成所谓的“城市综合症”。首先表现在城市堵车，行驶速度慢。比如北京的主干道平均速度比10年前低了50%以上，而且每年都在减少2 km/h。上海和北京每公里道路拥有汽车506辆和345辆，是发达国家大城市的1倍和数倍。其次，城市基础设施滞后于城市面积的扩大和城市人口的增长，导致城市环境恶化。目前，我国城市环境形势越来越严峻，空气污染越来越严重。全国500多个城市空气质量达到一级标准小于1%，酸雨面积超过国土面积的40%，特别是重庆等城市。80%的城市污水未经处理排入河流；城市地下水被污染；垃圾围城现象普遍；噪声污染普遍超标，建筑空间拥挤，城市绿地减少，生态恶化。
(3)城市整体抵御灾害和破坏的能力较低。在城市总体规划中，除防洪、人防外，还缺乏综合防灾，城市基础设施防灾措施空白。为了克服这方面的劣势，解决城市人口、环境、资源三大危机，治愈“城市综合症”，实施城市可持续发展，世界各发达国家都在把地下空间作为新的土地资源，开发利用城市地下空间已经成为城市建设的指导原则和发展方向，越来越受到重视。
城市功能空间可以而且应该向地下转移的领域非常广泛，包括商业、交通、部分市政设施、文化娱乐休闲、部分工业生产、仓储、防灾(避难)和救灾空间等。充分利用地下空间是城市立体发展最重要的一环。可以达到扩大空间容量、提高开发强度、淘汰混合自行车、交通顺畅、商业更加繁荣、增加地面绿地、环境优美开阔、购物休闲娱乐融为一体的多功能效果。与城市上空开发模式相比，它是一种更合理的开发模式。
向地下索取土地和空间已成为城市建设和发展的必然趋势，显示出无可比拟的优越性。国内外大城市的地下商业城(街)、地下车库、地下剧场、地下铁路、地下人防系统都是众所周知的城市地下工程。一些国家已经开始实施和计划采用地下污水收集处理设施、地下垃圾处理厂、地下超导磁直接储存电能、地下供热制冷系统、地下多功能公共隧道(同沟)和具有抗灾功能的地下空间系统。它们是未来城市建设的发展方向。
2城市地下岩土工程的特点和难点
众所周知，地下岩土工程是一个历史悠久的领域。可以说，岩土工程从人类开始就有了，尤其是进入工业社会以后，但是城市岩土工程，除了传统的地面工程之外，地下岩土工程是随着现代城市的兴起而发展起来的。经过几十年的实践，无论是设计、施工、设备和技术，还是理论、技术和经验，都达到了相当高的水平，特别是地下深部岩石工程，已经达到了比较成熟的水平。
然而，城市地下岩土工程具有不同于一般岩土工程的特点，主要表现为:大部分埋深浅。地面建筑和交通设施密集，地下管线较多。开挖影响大，地质条件复杂。多为土，常有膨胀土、砂层、地下水，尤其是沿江沿海城市。淤泥和软土的挖掘更加困难。因此，城市地下岩土工程有许多特殊问题需要解决。主要是:
(1)浅埋和超浅埋开挖施工技术。城市地下工程的埋深不仅直接影响工程造价，还关系到工程的便利性。因此，城市地下工程的埋深一般较浅。在浅埋尤其是超浅埋条件下，地下工程需要跨越建筑物、线路、街道，地面保护成为施工技术中的首要问题。
(2)复杂恶劣环境下的开挖技术。如流砂层、膨胀土、高压缩性软土粉土、风化破碎岩石、高浓度瓦斯地层、大涌水量、硫化氢、岩溶、高应力、地下管道、地面卡车交通、大型卡车和密集建筑物等。，都是地下岩土工程施工中的难题。
(3)大断面隧道开挖支护技术。主要是地铁站、商场、仓库、大厅、房间，跨度超过10 m。
(4)开挖影响控制技术。随着工程埋深的减小，开挖对地面的影响越来越大。超浅埋条件下，开挖影响的控制与开挖方式、施工工艺、支护方式等诸多因素有关，是地下工程施工中最复杂的问题。
3城市地下岩土工程开挖技术及其适应条件
我国城市地下工程建设起步较晚。随着大量人防、地铁、地下商场、仓库、剧院等工程的建设，特别是近年来，城市地下空间的挖掘技术有了很大的发展和提高。我国城市地下隧道和钻孔采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法和注浆法，其中一些技术达到了国际先进水平。
3.1切割和覆盖
明挖法具有施工简单、快速、经济、安全等优点，是城市地下隧道工程开发初期的首选开挖技术。它的缺点是对周围环境影响很大。
明挖中的关键工序有:降低地下水位、边坡支护、土方开挖、结构施工和防水工程。其中，边坡支护是保证安全施工的关键技术。主要包括:
(1)边坡开挖技术。适用于开阔的地面和良好的地下地质条件。基坑自上而下分层分段开挖，随挖随刷坡。必要时应使用水泥粘土进行护坡。
(2)钢支撑技术。一般采用单排工字钢或钢板桩。当基坑较深时，可采用双排桩，用拉杆或连梁连接，共同受力。也可以使用多层钢交叉支撑或单层和多层锚杆和钢梁来形成支撑结构。
③连续墙支护技术。一般用钢丝绳和液压抓斗成槽，也可用多头钻和切割轮设备成槽。地下连续墙不仅能承受较大的荷载，而且具有防水效果，适用于软土和松散含水层。
(4)混凝土灌注桩支护技术。一般有两种方式:人工挖掘或机械钻孔。普通混凝土和水下混凝土灌入钻孔形成桩。支撑可以采用双排桩和混凝土连梁，也可以采用桩和横撑或锚杆形成受力体系。
(5)土钉墙支护技术。在原位土体中，用机械钻孔或洛阳铲人工成孔，加入密排的钢筋或钢管，外注水泥砂浆或灌浆，喷射混凝土，使土体、钢筋和喷射混凝土表面结合形成土钉支护体系。
(6)锚杆(索)支护技术。在孔中放置钢筋或钢缆后，将进行灌浆。达到强度后，与桩壁一起进行锚固，预应力锚杆承受同样的力。适用于高边坡和重载场所。
(7)混凝土和钢结构的支撑方式。根据设计计算，在不同的开挖位置浇筑混凝土内支撑体系和钢结构内支撑体系，与灌注桩或地下连续墙形成框架支撑体系，承担侧向土压力，制作结构时应拆除内支撑体系。适用于高层建筑密集地区和软淤泥地层。
3.2地下开挖方法
适用于城市中不能采用明挖覆盖施工的地方，也适用于松散层和含水松散层。
一般应按照“新奥法”原则设计施工，初期支护强，先注浆后开挖。施工原则是:“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”。一般用30 ~ 50 mm的钢管引出顶板导管，然后注入水泥或化学浆液，形成“石体”，增强围岩的自稳能力。每次开挖进尺约0.75 m，先进行环形开挖，留核心土，提前喷5 ~ 8 cm混凝土，架设拱架和钢筋网，再喷25 ~ 30 cm混凝土形成初期支护，防水层后进行二次衬砌。
地下开挖方法包括单拱单跨和多拱多跨地下开挖施工技术。北京地铁西单站为连拱多跨。还有三拱地铁站，四拱地铁站，五拱地铁站，公路隧道，地下商场。北京天外天地下商场是一个五拱结构。还有就是平壁开挖的施工工艺。世界上传统的地下暗挖法顶部是拱形结构，我国创造了平顶直墙的超浅埋暗挖施工技术，如北京长安街过街。
当在岩石中进行地下挖掘时，通常使用钻爆法。为了保护围岩的自承能力，光面爆破技术被广泛应用。为了减小振动对地面的影响，还采用了微差爆破和合理设计爆破参数来减振。
3.3覆盖层开挖方法
指边坡支护是由连续墙和混凝土灌注桩组成的框架结构，其上有盖板的开挖和结构施工方法。它具有快速、经济、安全的优点，对环境的影响比明挖法小，成本比暗挖法低。适用于市区高层建筑。
盖挖法分为由浅入深逐层开挖、逐层制作结构的逆盖挖法和依次挖到底后制作结构的正施工法两种。前者适用于地质条件复杂、开挖断面大的情况，后者则相反。
3.4盾构法
指全断面推进圆筒形钢盾构开挖的方法。施工方法有人工、半机械化和全机械化。盾构由液压千斤顶推进。盾构法可以完成直径几十厘米到十几米的隧道以及双重、三重、四重盾构的大型工程。适用于稳定和不稳定的松散含水层。
从施工工艺上来说，盾构法有很多，如泥水盾构、土压平衡法(可以控制地面沉降)、敞开式机械化盾构、气压盾构、插刀盾构、混合盾构等。在岩层中，也可以使用隧道掘进机(岩石盾构)。
此外，国内外还开发了被称为“地鼠”的非开挖技术，包括导向钻进、定向钻进、冲击矛、夯管、水平顶管和螺旋钻进。中国首都机场跑道下一次顶起是用这种方法完成的吗？273 mm，壁厚8 mm，长110 m，用作安装通信电缆的钢管。国内最长铺管长度可达500 m，最大铺管直径800 mm，铺管设备达到国际先进水平。
3.5冷冻法
地层冻结法是利用人工冷冻来固结不稳定的松散砂土层或软岩层，并切断地下水的一种施工方法。在待开挖的地下工程周围打一定数量的冻结孔，由制冷设备提供的低温盐水通过冻结管内的供液管循环，使地层内局部形成不透水并具有一定抗地压强度的冻结壁，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。该方法适用于松散含水层，已在煤矿广泛使用。该方法已成功应用于上海地铁1#线、2#线、上海杨树浦水厂泵站基坑、北京地铁大北窑隧道等复杂困难地段，首次尝试了水平冻结技术和液氮速冻技术。
3.6沉管(箱)法
沉管(箱)法是将预制的钢筋混凝土结构与头部钢板焊接，然后放水浮运至设计位置的一种水下岩土工程施工方法。国外和国内都有大量的煤矿建设实例。广州珠江隧道采用这种方法。适用于过江、过海隧道水下部分和浅土层的竖井施工。
3.7钻孔方法
钻探法是一种广泛使用和技术先进的岩土井和孔的施工方法。挖掘工作全部在地面操作，工人不需要“入土”，劳动强度低。它采用专用大直径钻机(国内最大钻孔直径为9.3 m)带动钻杆和钻头钻进，泥浆护壁，压缩空气排渣，井壁上浮下沉，壁后井填充水泥等，一次性超前钻进，分期扩孔。这种方法已成功地应用于中国煤矿的47个深立井。此外，还有自下而上的反钻施工技术。钻探方法已成功应用于矿山、铁路、交通、国防、水电等复杂的水下岩土工程中。
3.8灌浆方法
注浆法是指用注浆设备和选定的注浆工艺进行钻孔进行岩土加固的一种施工工艺。它早已被广泛使用。根据灌浆材料的不同，有单液和双液灌浆、水泥灌浆、粘土水泥灌浆和化学材料灌浆；根据灌浆机械的不同，有重力灌浆和压力灌浆、渗透灌浆和喷射灌浆。
近年来发展起来的高压旋喷法在岩土工程加固和防治水方面发挥了独特的作用，如高压旋喷桩法、高压固定旋喷墙法、水平旋喷法等。上海地铁1#线施工中，采用三重管高压旋喷桩法对淤泥地层进行帷幕堵水和防渗加固，效果非常理想。高压旋喷桩和灌注桩相结合的方法广泛应用于高层建筑基坑边坡防护工程中。
4城市地下岩土工程开挖影响及环境保护
城市地下岩土工程中的开挖影响是指开挖引起的围岩移动和地面沉降，不包括其他扰动影响。地下开挖不可避免地会引起周围岩土体的位移和变形。由于开挖深度较小，其影响必然波及到地面，但由于开挖宽度有限，其影响也是可以控制的。影响的程度和范围取决于许多因素。对于浅埋和超浅埋隧道开挖工程，主要取决于开挖方式、断面跨度、导洞形式、机具、支护方式和时机、构件刚度、回填、地面荷载(动、静荷载)、岩土体性质和地下水抽排水。
根据实测研究，隧道开挖引起的地面沉降断面一般呈盆状，一般用概率积分曲线来描述。
对于浅埋和超浅埋隧道开挖引起的地面沉降，最大沉降值大致由开挖空间支护前的沉降、地下水抽水引起的沉降和开挖空间支护后的沉降组成。这些沉降可以通过采取一些减少沉降的措施来最小化。根据北京、上海、广州地铁建设成果，北京地铁“复八线”两侧高层建筑最大累计沉降仅2.5 mm，北京地铁西单站正上方最大累计地面沉降不超过30mm；；广州地铁有一段隧道穿越市区主干道天河路。隧道顶部距离公路7米。地层是充满水的细砂层，地下有供水管、污水管、电缆。地面车流量昼夜约654.38+0.2万辆，载重30 ~ 60 t的大型集装箱车快速通过。开挖后，根据128测点观测，最大沉降为20.7 mm，低于国际地面沉降控制标准。
根据国内外浅埋暗挖的实践，减少地面沉降的措施如下:
(1)围岩预加固。为了加固松软岩土，一般采用导洞或全断面预注浆。对于软弱或破碎岩体，采用单液或双液压力预注浆；对于松散土体，采用单液或双液高压喷射灌浆。
(2)大力支持。包括预支撑、提高支撑构件刚度和墙后填充。超前支护有管棚和插板两种方法。管棚钻孔深度受导洞尺寸限制，也可作为注浆管，适用条件广泛。插线板需要顶入，有防水作用，但不能在卵石地层使用。及时支护可以有效减少支护前的下沉量。采用带锁脚的锚管稳固分步支撑构件的基础，为下部开挖和支撑安装创造了良好的条件，减少了上部支撑构件的沉降。增加支撑构件的刚度可以减小支撑后的沉降量。墙后充填是减小支护结构与岩体间隙的有效措施。一次支护和二次支护后，采用小导管注浆法进行充填。
(3)分步开挖，及时支护。实践证明，分步开挖，及时支护，可有效减少围岩和地面沉降。如北京长安街过街，跨度大(开挖跨度11.6 m)，超浅埋(表土厚度仅0.6 ~ 1.0 m)，动荷载大，地下管线多。为减少地面沉降，采用“中孔法”分步施工，地面沉降减小到24 mm，效果良好。
(4)降水-回灌技术是控制地下水、减少地面沉降的有效方法，在北京地铁建设中得到了广泛应用。一般是“浅抽深灌”或“先抽后灌”。根据北京地铁“复八线”的实测，采用该方法后，两侧高层建筑沉降小于2.5 mm。
值得研究的是，我国近年来试验成功的“高水速凝材料”具有快速固结含水砂层的性能。如果能在地下工程中试验，对于防止地下水渗入建筑空间将有很好的应用前景。
5.国外地下岩土工程开挖技术的新发展
(1)全程机械化。从护坡、土方开挖、结构施工，包括拱架安装、喷射混凝土、泥浆制备和处理等的机械化。，采用计算机技术进行监控，从而保证了安全、快速施工和优良的工程质量。
(2)盾构法有了很大发展。近30年来，英、美、法、日等国采用了大量的盾构施工技术。日本为地铁、铁路、公路、水利工程、管网建设生产了近万台盾构，出现了双、三、四重盾构，可完成开挖宽度17m的三跨地铁站，日本正在构思设计直径80 m的盾构，在地下建造人工太阳和住宅区。
(3)微型盾构和非开挖技术得到广泛应用。主要用于修建各种直径的雨水、污水、自来水管道和电缆管道。微型盾构是直径在2 m以下的盾构，刀盘开挖，遥控和卫星定位控制方向和坡度，然后安装管片。非开挖技术是使用微钻，通过切割轮打孔，返回钻杆后安装管道或电缆。
(4)预制块施工技术。土方开挖后用拼装机安装拱圈，管片上留有灌浆孔。衬砌拼装完成后，从灌浆孔向墙背进行灌浆，堵塞缝隙，增强围岩与衬砌之间的* * *相互作用。法国用这种方法建造的最大单拱跨度为24.48米
(5)预开槽施工技术。意大利、法国等国制造了地层预开槽机，用链条将地层沿拱圈切割成宽15 cm、长4 ~ 5 m的槽，然后向槽内喷射混凝土，在其保护下开挖土方，做防水层和二次衬砌，形成隧道。
(6)顶管和大管棚法。修建地铁站时，在顶管内浇筑混凝土形成大管棚，然后在其保护下进行地下开挖。
(7)微压暗挖法。是在1大气压的压缩空气环境下，按照“新奥法”原理进行施工。优点是能排出地下水，保证工作面干燥；由于气压的存在，可以减少地面沉降；而且可以降低衬里成本。
(8)数字化开挖，又称计算机化钻孔，适用于坚硬岩石工程的开挖。在数字隧道中，钻杆的前进是编程的，并且从一个孔到另一个孔也是自动的。掘进机可以同时管理三套钻杆，其作用是监督钻杆的运动，必要时进行调整。在掘进机的计算机软件中已经预先设置好孔位、孔深和掘进顺序，由激光束控制掘进方向，实现了孔的严格定位，从而实现了掘进工艺的优化和曲线巷道的掘进。数字隧道的优点是:控制隧道开挖的超挖；实现掘进方案的优化；消除了工作面上的人工测量。
作者简介刘天泉教授，院士，出生于1927，1958毕业于克拉科夫矿冶学院采矿系，硕士学位，自1959起在煤炭科学研究总院从事井下掘进理论与控制技术研究。地址:北京和平里煤炭科学研究院，邮政编码:100013。
作者:刘天泉(中国工程院院士、煤炭科学研究总院)
钱七虎(中国工程院院士、总参谋部军事科学技术委员会委员)
参加考试，贡献力量
1城市地下空间开发利用设计与施工技术。中国建筑科学研究院，1998(8)
2钱七虎。可持续城市化与地下空间开发利用。世界科技研究与发展，1998(10)
3邵根大。北京地铁建设的最新技术进展。北京地铁建设，1994(5)
4侯景炎，等。北京地铁工程降水回灌技术研究。北京地铁建设，1996(4)
5洪等.地下工程特殊施工技术。能源与矿业工程系学术报告汇编，1998。
6傅。从广州地铁建设探索防止地面沉降的方法。北京地铁建设，1996(3)
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