北京深埋暗挖地下工程施工及设计方法构思

陶连金， 蔡东明， 李文博， 黄 俊， 王文沛

(北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

北京深埋暗挖地下工程施工及设计方法构思

陶连金， 蔡东明， 李文博， 黄 俊， 王文沛

(北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

针对北京深埋暗挖地下工程的关键问题，构思城市深埋暗挖地下工程施工及设计方法。提出以新意法为主体，充分借鉴浅埋暗挖法的现有技术，将新意法与浅埋暗挖法的设计思想相结合，形成一种深埋暗挖地下工程的综合施工方法。即以新意法的超前加固核心土为基础，安全评估阶段需要采用双控标准(超前核心土的变形和既有结构的变形);设计及施工阶段，对于区间隧道采用全断面超前加固，全断面开挖;对于大断面车站结构采用超前加固，分断面开挖。监控量测阶段，需要监测超前核心土的预收敛变形和挤出变形、既有结构的变形、孔隙水压力等信息，并根据监测信息及时调整施工措施和地下水控制方法。该构设思路理论上适用于北京深埋暗挖地下工程的构筑。

深埋地下工程;浅埋暗挖法;新意法;施工;设计

0 引言

随着北京2020年地铁规划线网的加密，三线换乘甚至四线换乘地铁车站已开始出现，多线车站换乘要求新修车站必须下穿既有车站。地铁车站的下穿致使地铁埋深增加，地铁埋深至45 m以下已成必然。据统计，1969～2000年期间，1号线、2号线车站最大埋深为20 m;2001～2008年期间，5号线、10号线一期等车站最大埋深为26.3 m;2009～2015年期间，6号线、7号线、16号线等车站最大埋深为40 m;2016～2020年期间，R1线、3号线等车站最大埋深将达到48.3 m。

北京城区位于永定河洪积冲积扇地形的脊背上，地表层为第四纪洪冲积物，主要是砂卵石、砂粉土及黏性土，呈互层分布。深埋地下结构所处地层主要为卵石、粉细砂及中粗砂层，均处于潜水或承压水含水层内。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其特征是结构松散、弱胶结，呈大小不等的颗粒状。在这种地层进行隧道开挖时，掌子面及洞周土体容易失稳。另外，所处地层地下水发育时，粉细砂层易发生流砂现象。地铁沿线第四系地层中赋存上层滞水、潜水及承压水。在地表下埋深40 m内主要赋存3层地下水:第1层属上层滞水，根据区域地下水观测资料，该层地下水当前水位埋深4～8 m;第2层赋存于地面下埋深10～20 m间的砂、卵石层中，其地下水类型属层间潜水;第3层赋存于地面下埋深20 m以下的砂、卵石层中，其地下水类型属潜水—承压水，补给充沛且有压。承压水的存在将严重影响隧道掌子面的稳定性，易导致地层失稳，发生塌方。即深埋后地下结构将普遍受到潜水和承压水的共同作用，造成施工过程中的地下水控制困难和风险加大、隧道防排水复杂。深埋地下工程的围岩—支护结构相互作用关系与浅埋相比将会有本质差异，因此，复杂的深埋地下工程修建对传统的施工及设计方法提出了挑战。

浅埋暗挖法［1］是在第四纪软弱地层中修建隧道的方法，其核心原理是新奥法(New Austrian Tunneling Method)，即在施工中采用辅助措施加固围岩，充分调动围岩的自承能力，开挖之后及时进行支护，封闭成环。其实质内涵可用18字原则来阐明，即“管超前”、“严注浆”、“短开挖”、“强支护”、“快封闭”和“勤量测”。随着工程实践和理论研究的不断深入，北京地铁浅埋暗挖技术在开挖工法、超前支护、施工降水、监控量测等方面取得了较大发展［2］。尽管浅埋暗挖工法趋于完善，但也并非适用于任何条件。选用浅埋暗挖法的基本适用条件是不允许带水施工。随着环保意识的提高，人们己经开始认识到全线降水施工法会给环境造成较大负面影响，如地面沉降、邻近建筑物与地下管线的破坏等。再加上深埋地下工程所在地层中赋存承压水，补给充沛，即使采用全线降水施工法，也不能保证在深埋地下工程施工过程中实现“无水”施工。显然，浅埋暗挖工法无法有效解决在含承压水地层中构筑暗挖车站和区间隧道的难题，这就需要寻求一种新的施工及设计方法来有效指导深埋地下工程的构筑。

Pietro Lunardi教授通过对数百座隧道进行理论和现场试验研究，在围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上逐步创立了岩土控制变形分析法(ADECO－RS法)。该方法用中文解释为“新意法”［3－4］。在过去约10年间，新意法被意大利公路及铁路领域广泛采用并纳入规范，现在亦广泛应用于欧洲其他国家的隧道建设项目。和浅埋暗挖法相比，该工法不但考虑到了隧道后方的变形影响，同时重点考虑前方工作面岩土体的变形对隧道稳定性的影响，并以此为基础对施工方法进行指导性的选择。城市深埋暗挖地下工程施工面临最大问题是在承压水作用下如何保证掌子面的稳定性，这恰好和新意法的核心理念相对应。因此，可以以此作为出发点，探讨新意法在城市深埋暗挖地下工程的适用性。

目前，新意法在我国还没得到普及、推广和应用，工程实例和相关研究成果寥寥无几，只有翟进营、肖广智、王正松等学者对新意法进行了简单的概述，还需要进一步从勘察、设计、评估、施工、监测等方面探讨如何使其更好地应用于城市深埋暗挖地下工程。笔者对新意法的理论基础、隧道设计及施工的基本步骤进行了简要综述，对新意法与浅埋暗挖法的异同点等方面作了比较。在此基础上，探讨浅埋暗挖工法和新意法在北京深埋暗挖地下工程中的适用性。针对北京城市深埋暗挖地下工程的关键问题，构思城市深埋暗挖地下工程施工及设计方法。

1 ADECO－RS变形控制工法

1.1 ADECO－RS的核心思想

学者们历经二十余年分3个阶段，通过对数百座隧道的研究，形成了ADECO－RS工法的核心思想［3－9］:其一，隧道开挖引起的围岩变形反应是从掌子面前方的核心土开始，逐步沿隧道往后发展，变形包括挤压变形(ε)、预收敛(δ)以及收敛变形(u)，收敛变形是错综复杂应力－应变进程中的最后阶段［1］，如图1所示;第二，掌子面超前核心土体的变形与隧道最终收敛变形之间有直接的因果联系，前者是因，后者是果，从而强调监控掌子面超前核心岩土体系变形反应的重要性，以控制掌子面超前核心土体的变形(挤压变形、预收敛变形)来达到控制隧道收敛变形的目的。

图1 隧道变形示意Fig.1 Sketch of tunnel deformation

1.2 ADECO－RS工法的步骤

ADECO－RS工法主要分为勘察、评价、设计、施工、监控五个步骤［1－2，10］进行动态施工及设计。

1.2.1 勘察阶段

这是ADECO－RSII法的第一个步骤，工程师必须对隧道拟穿越的地层进行详细勘察，确定围岩的力学和物理参数，并根据围岩力学性质预先判断围岩的稳定性。

1.2.2 评价阶段

运用在勘察阶段获取的信息，分析掌子面超前核心土体的基本应力－应变形态，同时得出三种隧道稳定状态:掌子面稳定型(A类，岩石型)、掌子面短期稳定型(B类，黏性土型)、掌子面不稳定型(C类，松散砂土型)。稳定性分类［1］如图2所示。

图2 掌子面的稳定性分类Fig.2 Stability classification of excavation face

1.2.3 设计阶段

该步骤主要是根据前两个阶段的评价结果对隧道的加固措施提出具体设计方案。针对不同的掌子面稳定类型选取不同的支护方案和超前核心土加固方法。加固超前核心土有两个方法:一是保护性加固，在前方超前核心土周围进行加固，这种加固可以保护超前核心土的自身强度和抗变形性能。例如，洞周水平注浆、旋喷纤维加固浆等措施;二是直接加固，采用适当的岩土改良技术提高前方核心土的强度和抵抗变形性能。例如，用玻璃纤维锚杆加固。

1.2.4 施工阶段

此阶段根据设计方案，执行隧道稳定支护措施，运用包括注浆、水平旋喷、玻璃纤维锚杆等方法进行支护和预支护加固，并采用相应的质量控制标准检测加固效果。

1.2.5 监控阶段

这一步骤是通过监控量测掌子面前方核心土的变形，验证评价阶段和设计阶段的预测准确性。其结果还将最终补充到掌子面的稳定性设计中。监测的主要内容包括超前核心土的挤压变形、预收敛变形及收敛变形。

2 浅埋暗挖法与新意法的比较

浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理，本质上讲，新意法也是新奥法的继承和发扬。三种工法的精髓基本相同，可诠释为“保护围岩，充分调动和发挥围岩的自承载能力”。浅埋暗挖法和新意法均可用于第四纪软弱地层中修建地下工程。浅埋暗挖法与新意法的主要区别是:

(1)浅埋暗挖法对地层变形反应的分析仅限于掌子面的后方，仅对洞周收敛和地表沉降进行分析;新意法则不仅对掌子面后方的地层变形反应(收敛)进行分析，而且更注重对掌子面及掌子面前方地层的变形反应(掌子面挤出变形和预收敛)进行分析［1，11］。如图 3a 所示。

(2)由于对地层变形反应的分析方式不同，浅埋暗挖法与新意法对地层变形反应的控制方式也不同。浅埋暗挖法采用辅助工法，重视前方轮廓的预加固，调动掌子面部分围岩自承能力。采用分步开挖方法，将大断面转换成小断面，以空间换取支护时间，使支护结构尽快封闭成环，相当于尽快给掌子面后方的围岩施加径向约束。为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时，该工法属于被动控制变形方法。新意法提出了浅埋暗挖法未提及的但很重要也很有价值的保护超前核心围岩，充分调动和发挥超前核心围岩的自承能力，这个方法是通过加固掌子面超前核心土体，提高其刚度和强度，对掌子面前方的土体提供超前约束作用，从而控制掌子面超前核心岩土的变形及防止围岩失稳塌方［1，10］。该工法属于主动控制变形方法。两法比较如图3b所示。表1从勘查、评估、设计、开挖方式、辅助工法、监测内容等方面对新意法和浅埋暗挖法进行比较。表1中(Y)表示该项内容适用北京深埋暗挖地下工程的构筑，(N)表示该项内容不适用。

图3 浅埋暗挖法与新意法的地层变形反应比较Fig.3 Compare of ground deformation response between shallow mining method and ADECO－RS method

表1 ADECO－RS工法与浅埋暗挖法的不同点及适用性Table 1 Differences and applicability between shallow mining method and ADECO－RS method

3 北京深埋地下工程施设方法的构建

浅埋暗挖法和新意法都是在新奥法的基础上不断创新和发展，最终形成了城市隧道施工的成套技术。它们有的是对已有技术的补充和发展，有的是原发性的技术创新，两种工法在特定工程条件下都具有各自的优势。城市深埋暗挖地下工程施工方法需要围绕这两种工法构建，它的构建原则是，充分吸取新意法的精髓，利用浅埋暗挖法的成熟施工技术，最终形成一套符合实际条件的城市深埋暗挖地下工程修建技术。为了更好的利用现有的技术，以下从核心理念、安全评估、设计及施工、监控量测、地下水控制等方面探讨两种工法在城市深埋暗挖地下工程的适用性。从经济、安全及环保的角度出发，确定城市深埋暗挖地下工程施工方法的构建思路。如图4所示。图4中实线框的内容代表新意法的技术，虚线框的内容代表浅埋暗挖法的技术，灰色填充的内容代表需进一步研究的工作。

图4 北京深埋地下工程施工及设计方法的构建思路Fig.4 Construction idea of deep buried tunnel construction and design method in Beijing

3.1 核心思想

城市深埋暗挖地下工程施工面临的最大问题是在承压水作用下如何保证掌子面的稳定，这恰好和新意法的核心理念相对应。新意法通过控制掌子面超前核心岩土体的变形(挤压变形以及预收敛变形)来保证隧道开挖面的稳定性，控制方法是采取相应的超前加固措施来增加掌子面超前核心土体的刚度和强度。城市深埋暗挖地下工程可以采用控制掌子面超前核心岩土体变形的理念，通过监测技术及时掌握掌子面前方围岩的变形值(掌子面失稳的内因)，利用变形值判断掌子面是否稳定，及时调整加固措施，从而有效防止深埋地下工程开挖面的失稳及突、涌水。

3.2 安全评估阶段

和浅埋暗挖工程一样，深埋暗挖地下工程同样面临近接施工的问题。设计工程师不仅需要按照掌子面的荷载－位移特征曲线、开挖引起的变形特点等方面评估掌子面的稳定类型，还需要考虑新建深埋地下结构对浅埋地下结构、管线、地表的影响，评估既有结构的变形是否满足承载能力和运营安全的要求。因此，城市深埋暗挖地下工程的安全评估需要采用双控标准。

3.3 设计与施工阶段

北京深埋地下工程所处地层为卵石地层，且赋存承压水。对于区间隧道，按照新意法的掌子面稳定性类型判定条件，属于C类。在无加固情况下围岩会立即进入滑动范围，将会出现明显的不稳定现象，因此，需要对掌子面前方的超前核心土进行加固。加固措施应采取复合防护技术(玻璃纤维锚杆或者水平旋喷注浆)，即在超前核心土的周围形成超前约束效应(保护性加固)，并对超前核心土进行直接加固(加固作用)，之后可以进行高效率的全断面开挖。对于地铁车站结构，由于横断面过大，即使按照新意法对掌子面前方的超前核心土进行了加固，在承压水作用下，采用全断面的开挖方法，施工风险性也会过高。如果将浅埋暗挖法的分断面开挖和新意法相结合，一方面初期支护结构能及时封闭，可以降低施工风险，另一方面可以在分断面的步序和玻璃纤维锚杆的加固数量和长度之间寻找一种平衡，兼顾经济性和安全性。

3.4 监控量测阶段

深埋暗挖地下工程首先需要对超前核心土的挤出变形和隧道收敛进行系统的监测，并对监测数据进行及时处理和分析，然后决定隧道开挖掘进何时停止、何时开始进行下一循环的掌子面超前支护加固。另外，还需要监测既有浅埋地下工程的变形，及时调整施工参数和加固措施，从而保证结构的承载能力满足要求和轨道运营安全。最后还需要监测孔隙水压力，据此针对性调整地下水的控制方案。和浅埋暗挖一样，按照地层变形分配控制原理，将变形控制值分配到每个施工步序中，建立分步施工的控制标准。在施工阶段，对比监测结果与分步控制标准，随时了解超前核心土和既有结构的变形情况，分析变形过大或者急剧变形的原因，及时采取施工措施，将每一步的变形控制在安全范围内，从而达到整体控制目标［12］。

3.5 地下水控制方式

受到临近构筑物的安全和环境问题两方面因素的制约，深埋暗挖地下工程不能和浅埋地下工程一样，采用全线降水。在施工阶段，为了防止掌子面的失稳和突、涌水，应采用堵水和洞内排水相结合的处理方式，并根据地下水压力的监测信息，及时调整地下水控制方法。尤其是在进行洞内排水时，应该正确布置排水管，防止地下水流渗透进掌子面超前核心土中。一旦有水渗入，前方超前核心土就难以有效地保持稳定，整个工作面及隧道的稳定性也就无从谈起了。

4 研究建议与展望

为了确保北京深埋暗挖地下工程顺利修建，工程技术及研究人员还需围绕地下工程的施工及设计方法开展以下几方面研究:

(1)深埋地下工程隧道周围加固土体力学性质的研究。利用室内三轴实验、剪切实验及现场试验，研究加固土体排水和不排水条件下的强度及变形特性，将土体类别、加固方法、力学参数建立联系，得到加固土体参数取值表，为设计和变形分析提供参考。

(2)深埋暗挖地下工程最关键问题是承压水作用下如何使掌子面稳定，因此，需要建立考虑承压水、加固措施的掌子面稳定性评价模型。

(3)由于新意法的掌子面稳定类型分类还很粗略，仅凭此确定深埋地下工程的支护方案尚欠准确，或是支护强度不够，或是富余量太大。所以，还需要针对北京深埋地层，将掌子面的稳定类型进行细化，提出兼顾经济和安全的支护方案。

(4)预收敛变形和掌子面挤出变形的监测技术在我国尚未得到推广和应用，需要在国外技术的基础上消化吸收。

(5)在建工程中，选择几个典型的深埋区间(相对车站风险性低)标段，按照新意法和浅埋暗挖法相结合的思路，进行勘察、评估、施工、设计、监测，总结一些对深埋地下工程修筑有价值的实测数据和工程经验。

5 结束语

北京深埋暗挖地下工程施工方法构建原则是充分吸取新意法的精髓，利用浅埋暗挖法的成熟施工技术，最终形成一套符合中国国情的城市深埋暗挖地下工程修建技术。其具体结合方式是，以新意法的核心思想为基础，安全评估阶段需要采用双控标准(超前核心土的变形和既有结构的变形)。设计及施工阶段，对于区间隧道采用全断面超前加固，全断面开挖。对于大断面车站，采用超前加固，分断面开挖。监控量测阶段，需要监测超前核心土的预收敛变形和挤出变形、既有结构的变形、孔隙水压力。

目前，深埋暗挖地下工程还需要从加固土体参数、承压水作用下的掌子面稳定性评价、掌子面稳定类型分类细化、支护方案优化、预收敛的变形和掌子面挤出变形的监测技术等方面开展研究。

笔者提出的北京深埋地下工程施工及设计方法的宏观构设思路，理论上适用于北京深埋暗挖地下工程的构筑。该构思还有待工程实践的检验和进一步完善。

［1］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004:326－344.

［2］LUNARDI P.Design and constructingtunnels ADECO-RS approach［J］.Tunnels ＆Tunnelling International Special Supplement，2000:245－249.

［3］翟进营，杨会军，王莉莉.“新意法”在国外隧道工程中的应用［J］.隧道建设，2008，28(4):469－475.

［4］李 斌，漆泰岳，高 波，等.新意法(岩土控制变形工法)概述［J］.公路隧道，2009，66(2):1－4.

［5］LUNARDI PIETRO.Design and Construction of Tunnels［M］.New York:Springer，2008.

［6］意大利特莱维集团.意大利ADECO－RS施工法［C］//铁道部工程设计鉴定中心.中国高速铁路隧道国际学术研讨会论文集.北京:中国铁道出版社，2006.

［7］王正松，孙铁成，高 波.全断面预加固隧道施工工法(新意法)［J］.铁道标准设计，2007(z1):170－172.

［8］ 肖广智，魏祥龙.意大利岩土控制变形(ADECO－R S)工法简介［J］.现代隧道技术，2007(3):170－173.

［9］翟进营，杨会军，王莉莉.新意法隧道设计施工概述［J］.隧道建设，2008，28(1):46－50.

［10］汪世辉，林英堂，王建力，等.ADECO－RS工法在隧道洞口浅覆段施工的应用与对策［J］.隧道建设，2011，31(8):347－353.

［11］罗富荣.北京地铁浅埋暗挖技术的发展［J］.现代城市轨道交通，2007，12(2):27－30.

［12］王文正，孔 恒，黄明利.地层变位分配控制原理在大跨地铁暗挖车站施工中的应用与研究［J］.隧道建设，2007(z8):450－453.

Study on design and construction methods for deeply buried tunnels in Beijing

TAO Lianjin， CAI Dongming， LI Wenbo， HUANG Jun， WANG Wenpei
(Key Laboratory of Urban Security＆ Disaster Engineering，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Aimed at eliminating key problems arising out of deeply buried tunnels in Beijing，this paper features framework for design and construction methods tailored to cities.The paper introduces a novel integrated construction method for deeply buried tunnel construction，dominated by ADECO-RS method，based on reference from state of the art technology of shallow tunneling operation in Beijing，and combined with shallow tunneling approaches currently available.The specific combination centred around advance core soil defined by the ADECO-RS method as the basis consists of the three following stages.Safety assessment stage means the necessity of imposing double control standard，including both the advance core soil deformation and the existing structure deformation;design and construction stage necessitates the adoption of full face advance reinforcement and full section excavation method for the interval tunnel between stations and bench section excavation method for large section subway station;the monitoring and measuring stage involves the necessity of measuring the advance core pre-convergence deformation and extrusion deformation，the existing structure deformation，and pore water pressure，along with timely adjusting the construction measures and groundwater control method based on the monitoring information.The method proves theoretically suited to deeply buried tunnels in Beijing.

deeply buried tunnel;shallow tunneling method;ADECO-RS;construction;design

TU 94

A

1671－0118(2012)04－0414－06

2012－07－04

北京市教育委员会科技发展计划重点项目(KZ200910005009)

陶连金(1964－)，男，黑龙江省鸡西人，教授，博士生导师，研究方向:岩土工程与地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

(编辑 徐 岩)