城市地下巖土工程是巖土工程的一部分，是城市可持續(xù)發(fā)展，特別是我國大城市可持續(xù)發(fā)展所面臨的諸多問題之一，更是擺在巖石力學工作者面前的新課題和新任務。
1 城市地下巖土工程是新世紀城市建設的重要環(huán)節(jié)
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國城市化水平正在快速提高，從年的.%提高到年末的.9%。城市化水平的提高標志著城市工程建設的飛速發(fā)展。但是，我國城市建設基本上沿用“攤大餅”的粗放發(fā)展模式，給國民經(jīng)濟帶來不應有的損失。主要是：
(1)城市范圍無限制地外延擴展，耕地損失嚴重。據(jù)衛(wèi)星遙感資料判斷和測算，～年間，全國個特大城市城區(qū)實際占地規(guī)模擴大.2%，有的城市占地成倍增長。另據(jù)預測，至年，我國城市總數(shù)將從年的座增加到1 座，其結果是占用了大量耕地。到下世紀中葉，我國城市化水平將提高到%左右，這意味著城市人口將比年增加7億多人，按每個城市人口用地 m2計，將占用耕地1億多畝。土地問題是我國可持續(xù)發(fā)展的關鍵，城市人口急劇增長與地域規(guī)模的限制已成為城市發(fā)展的突出矛盾，城市 發(fā)展非走節(jié)約土地的集約化發(fā)展模式不可。
(2)城市人口密度大，形成了所謂的“城市綜合癥”。首先表現(xiàn)在城市交通阻塞，行車速度緩慢。例如北京市干道的平均車速比年前降低%以上，且正以年遞減2 km/h的速度持續(xù)下降。上海、北京每公里道路的汽車擁有量相應為輛與輛，為發(fā)達國家大城市相應擁有量的1倍及至數(shù)倍。其次是，由于城市基礎設施落后于城市面積的擴展和城市人口的增長，造成城市環(huán)境的惡化。當前我國城市環(huán)境形勢日趨嚴重，大氣污染日趨加劇，全國多座城市大氣質(zhì)量達到一級標準的不到1%，酸雨面積超過國土面積的%，重慶等城市尤為嚴重；城市污水%未經(jīng)處理排入江河；城市地下水受到污染；垃圾圍城現(xiàn)象普遍；噪聲污染普遍超標，建筑空間擁擠，城市綠地減少，生態(tài)惡化。
(3)城市總體抗災抗毀能力偏低。在城市總體規(guī)劃中，除防洪、防空外，目前尚缺少綜合防災的內(nèi)容，城市基礎設施的防災措施處于空白。為了克服這方面的弊端，解決城市人口、環(huán)境、資源三大危機，醫(yī)治“城市綜合癥”，實施城市可持續(xù)發(fā)展，世界發(fā)達國家都在把地下空間作為新的國土資源，開發(fā)利用城市地下空間，成為越來越受到重視的城市建設指導方針和發(fā)展方向。
城市功能空間能轉(zhuǎn)入和宜轉(zhuǎn)入地下的領域是很廣闊的，包括商業(yè)、交通、部分市政設施、文化娛樂休閑、部分工業(yè)生產(chǎn)、倉儲、防災(避難)和救災空間等。充分利用地下空間是城市立體化開發(fā)的最重要組成部分。它可以達到擴大空間容量、提高開發(fā)集約度、消除步車混雜、交通順暢、商業(yè)更加繁榮，地面綠地增加，環(huán)境優(yōu)美開敞，購物與休閑，娛樂相互交融的多功能效果，與向城市上空發(fā)展的模式相比，是一種更為合理的發(fā)展模式。
向地下要土地、要空間已成為城市建設發(fā)展的必然趨勢，顯示了無比的優(yōu)越性。我國及國外大城市的地下商業(yè)城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統(tǒng)，是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實施和計劃采用地下污水收集和處理設施、地下垃圾處理廠、地下超導磁直接儲存電能、地下供熱供冷系統(tǒng)、地下多功能公用隧道(共同溝)以及具有抗災功能的地下空間系統(tǒng)。它們是未來城市建設的發(fā)展方向。
2 城市地下巖土工程的特點及難點
眾所周知，地下巖土工程是一個具有悠久歷史的領域?？梢哉f自有人類以來就有巖土工程，特別是進入工業(yè)社會以后巖土工程處處存在，但是城市巖土工程，除了傳統(tǒng)的地面房層工程外，地下巖土工程卻是隨著現(xiàn)代城市的興起而發(fā)展的。經(jīng)過最近幾十年的實踐，無論從設計、施工、設備和工藝，還是理論、技術和經(jīng)驗，都已達到相當高的水平，特別是深埋地下巖石工程，更是達到了較成熟的程度。
但是，城市地下巖土工程卻具有與一般巖土工程不同的特點，主要是：多數(shù)埋深較淺。地面建筑、交通設施密集，地下管線多，開挖造成的影響大，地質(zhì)條件復雜，多以土體為主，常有膨脹土、沙層、地下水，尤其是沿海沿江城市，淤土、軟土的開挖難度更大。因此，城市地下巖土工程存在許多需要解決的特殊問題。主要是：
(1)淺埋、超淺埋暗挖施工技術。城市地下工程的埋深，不僅直接影響工程造價，而且關系到工程使用方便與否，因此，城市地下工程一般埋深較淺。在淺埋、特別是超淺埋的條件下，地下工程需要穿越建筑物和線路、街道，地面保護成為施工技術中的首要問題。
(2)復雜、惡劣環(huán)境下的開挖技術。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風化破碎巖石、高濃度瓦斯地層、大涌水、硫化氫、巖溶、高應力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建筑物密集等等，都是地下巖土工程施工中的難題。
(3)大斷面隧道開挖、支護技術。主要是地鐵車站及商場、倉庫、廳、室，其跨度尺寸達 m以上。
(4)開挖影響控制技術。隨著工程埋深的減小，開挖對地面的影響越來越大，在超淺埋條件下，開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護方法等眾多因素有關，是地下工程施工中最為復雜的問題。
3 城市地下巖土工程的開挖技術及其適應條件
我國城市地下工程建設起步較晚，隨著人防、地鐵、地下商場、倉庫、影劇院等大量工程的建設，特別是近年來的工程實踐，城市地下空間開挖技術得到了長足發(fā)展和提高。我國城市地下隧道及井孔工程先后采用了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等，這些技術有的已達到國際先進水平。
3.1 明挖法
明挖法具有施工簡單、快捷、經(jīng)濟、安全的優(yōu)點，城市地下隧道式工程發(fā)展初期都把它作為首選的開挖技術。其缺點是對周圍環(huán)境的影響較大。
明挖法的關鍵工序是：降低地下水位，邊坡支護，土方開挖，結構施工及防水工程等。其中邊坡支護是確保安全施工的關鍵技術。主要有：
(1)放坡開挖技術。適用于地面開闊和地下地質(zhì)條件較好的情況?；討陨隙路謱印⒎侄我来伍_挖，隨挖隨刷邊坡，必要時采用水泥粘土護坡。
(2)型鋼支護技術。一般使用單排工字鋼或鋼板樁，基坑較深時可采用雙排樁，由拉桿或連梁連結共同受力，也可采用多層鋼橫撐支護或單層、多層錨桿與型鋼共同形成支護結構。
(3)連續(xù)墻支護技術。一般采用鋼絲繩和液壓抓斗成槽，也可采用多頭鉆和切削輪式設備成槽。連續(xù)墻不僅能承受較大載荷，同時具有隔水效果，適用于軟土和松散含水地層。
(4)混凝土灌注樁支護技術。一般有人工挖孔或機械鉆孔兩種方式。鉆孔中灌注普通混凝土和水下混凝土成樁。支護可采用雙排樁加混凝土連梁，還可用樁加橫撐或錨桿形成受力體系。
(5)土釘墻支護技術。在原位土體中用機械鉆孔或洛陽鏟人工成孔，加入較密間距排列的鋼筋或鋼管，外注水泥砂漿或注漿，并噴射混凝土，使土體、鋼筋、噴射混凝土板面結合成土釘支護體系。
(6)錨桿(索)支護技術。在孔內(nèi)放入鋼筋或鋼索后注漿，達到強度后與樁墻進行拉錨，并加預應力錨固后共同受力，適用于高邊坡及受載大的場所。
(7)混凝土和鋼結構支撐支護方法。依據(jù)設計計算在不同開挖位置上灌注混凝土內(nèi)支撐體系和安裝鋼結構內(nèi)支撐體系，與灌注樁或連續(xù)墻形成一個框架支護體系，承受側向土壓力，內(nèi)支撐體系在做結構時要拆除。適用于高層建筑物密集區(qū)和軟弱淤泥地層。
3.2 暗挖法
適用于城市中不能采用明挖法施工的地方，亦適用于松散層及含水松散層地層。
一般應按照“新奧法”原理設計和施工，采用較強的初期支護，先注漿后開挖的方法。施工原則是：“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”。一般用～ mm鋼管超前棚頂導管，然后注入水泥或化學漿，形成“結石體”，以增強圍巖自穩(wěn)能力。每次開挖進尺0. m左右，先進行環(huán)狀開挖，留核心土，預噴5～8 cm混凝土，架拱架和鋼筋網(wǎng)，再噴～ cm混凝土，形成初期支護，做防水層后再做二次襯砌。
暗挖法有單拱單跨和多拱多跨暗挖施工技術。北京地鐵西單車站為多拱多跨。也有三連拱、四連拱、五連拱地鐵車站、公路隧道和地下商場。北京天外天地下商場為五連拱結構。還有平直墻暗挖施工技術。國際上傳統(tǒng)的暗挖法其頂部都是拱形結構，我國創(chuàng)造出平頂直墻超淺埋暗挖施工技術，如北京長安街過街道。
在巖石中進行暗挖施工時，一般采用鉆爆法。為了保護圍巖的自承能力，普遍采用光面爆破技術。為了減少對地面的振動影響，還采用微差爆破及合理設計爆破參數(shù)等減振技術。
3.3 蓋挖法
指的是邊坡支護為連續(xù)墻、混凝土灌注樁，其上為蓋板所構成的框架結構，并在其保護下開挖及結構施工的方法。它具有快速、經(jīng)濟、安全的優(yōu)點，是較明挖法對環(huán)境影響少，較暗挖法成本低的一種方法。適于市區(qū)高層建筑密集區(qū)。
蓋挖法可分為由淺而深地逐層開挖、逐層做結構的蓋挖逆作法以及依次開挖至底后再做結構的正作法兩種。前者適用于地質(zhì)條件復雜、開挖斷面大的情況，后者反之。
3.4 盾構法
指的是全斷面推動園筒狀鋼盾構進行開挖的方法。施工方法有人工、半機械及全機械化多種。盾構由液壓千斤頂推進。用盾構法能完成直徑幾十厘米至十多米尺寸的隧道，以及雙聯(lián)、三聯(lián)和四聯(lián)盾構的大型工程。它適于穩(wěn)定和不穩(wěn)定松散含水地層。
從施工技術上看，盾構法有泥水盾構法、土壓平衡法(可控制地面沉降)、開敞式機械化盾構、氣壓盾構、插刀盾構及混合盾構等多種。在巖石地層中，也可采用隧道掘進機(巖石盾構)。
此外，國內(nèi)外還開發(fā)了稱為“地老鼠”的非開挖技術，包括導向鉆進、定向鉆進、沖擊矛、夯管、水平頂管及螺旋鉆等。我國首都機場跑道下采用這種方法完成一次頂進? mm、壁厚8 mm、長 m作為安裝通訊電纜用的鋼管。我國最長鋪管長度可達 m，最大鋪管直徑 mm，鋪設設備達到國際先進水平。
3.5 凍結法
地層凍結法是采用人工制冷固結不穩(wěn)定松散砂土地層或軟巖地層，并隔斷地下水的施工方法。在擬開鑿的地下工程周圍鉆鑿一定數(shù)量的凍結孔，通過凍結管中的供液管，循環(huán)由制冷設備提供的低溫鹽水，使地層局部形成不透水且有一定強度能抵抗地壓的凍結壁，并在其保護下進行開挖施工，工程完工后，凍結壁融化，地層巖土恢復原狀。此法適用于松散含水地層，已在煤礦廣泛采用。上海地鐵1#線、2#線的聯(lián)結通道及泵站、上海楊樹浦水廠泵站基坑、北京地鐵大北窯區(qū)間隧道等復雜高難地段，均用此法獲得成功，并首次試成水平凍結技術及液氮快速凍結技術。
3.6 沉管(箱)法
沉管(箱)法是采用將事先預制的鋼筋混凝土結構，焊封頭部鋼板、然后放水浮運沉入到設計的位置來建造水下巖土工程的方法。國外及我國煤礦均有大量施工實例。廣州珠江隧道采用了這種方法。適于修建過江、過海隧道的水中部分及淺表土層中的豎井施工。
3.7 鉆井法
鉆井法是一種用途廣泛、技術先進的巖土井、孔施工方法，其全部開挖工程在地面操作，工人不需“入地”，勞動強度小，它是通過專門的大直徑鉆機(我國最大鉆井直徑9.3 m)驅(qū)動鉆桿及鉆頭鉆進，泥漿護壁，壓氣排渣，井壁漂浮下沉，壁后充填固井等工序，一次超前鉆進，分級擴孔成井。我國煤礦已成功采用此法完成個深井井筒。此外還有由下而上施工的反井鉆進技術。鉆井法在我國礦山、鐵路、交通、國防、水電等復雜及水下巖土工程中得到成功應用。
3.8 注漿法
注漿法指的是通過注漿設備以選定的注漿工藝利用鉆孔進行巖土加固的一種施工技術。它早就被廣泛應用。根據(jù)注漿材料不同有單液和雙液注漿，水泥注漿、粘土水泥和化學材料注漿；根據(jù)注漿機具不同有重力注漿和壓力注漿，有滲透注漿和噴射注漿等。
近年來發(fā)展起來的高壓噴射注漿法，在巖土工程的加固和治水中更是發(fā)揮了獨特作用，例如高壓旋噴樁法、高壓定噴墻法以及水平旋噴法。三重管高壓旋噴樁法在上海地鐵1#線的施工中，對淤泥地層進行帷幕堵水、防滲加固，效果十分理想。高壓旋噴樁與灌注樁結合法在高層建筑地基基坑護坡工程中更是得到廣泛應用。
4 城市地下巖土工程中的開挖影響及環(huán)境保護
城市地下巖土工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍巖移動與地面沉降，不包括其它擾民影響。地下開挖必然會在其周圍巖土體中引起位移與變形。由于開挖深度小，其影響必然要波及到地面上，但由于開挖寬度有限，其影響也是可以控制的。影響的程度與范圍，取決于眾多因素。對于淺理、超淺埋隧道式開挖工程，主要取決于開挖方式、斷面跨度、導坑形式、機具、支護方式與時機、構件剛度、回填、地面載荷(動、靜載)、巖土體性質(zhì)及地下水抽排等。
據(jù)實測研究，隧道式開挖引起的地面沉降，其橫剖面一般呈盆狀，大體上用可概率積分曲線來描述。
對于淺埋和超淺埋隧道式開挖引起的地面沉降，其最大下沉值大致由開挖空間支護前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及開挖空間支護后的下沉等構成。這些下沉可通過采取一定的減沉措施減少到最小程度。從北京、上海和廣州等城市的地鐵施工實例結果看，北京地鐵“復—八線”兩側高大建筑物累計下沉量最大僅為2.5 mm，北京地鐵西單車站正上方累計地表最大下沉量也未超過 mm；廣州地鐵有一段隧道橫穿市區(qū)主干道天河路，隧道頂距路面7 m，地層為飽含水細砂層，地下密布有供水管、污水管及電纜線，地面晝夜車流量約萬輛，還有載重～ t大型集裝箱運輸車快速通過。開挖后，據(jù)對個測點觀測，最大下沉為.7 mm，低于國際上地面沉降控制標準。
根據(jù)國內(nèi)外淺埋開挖實踐，地面減沉的措施有：
(1)圍巖預加固。為了加固軟弱和松散巖、土體，一般采取導坑或全斷面預注漿。對于軟弱或破碎巖體，采用單液或雙液壓力預注漿；對于松散土體，采用單液或雙液高壓旋噴預注漿。
(2)強力支護。包括預支護、提高支護構件剛度及壁后充填等。預支護有管棚和插板兩種方法。管棚鉆孔深度受導坑尺寸限制，可兼作注漿管，適用條件廣泛。插板需用千斤頂頂進，具有防水效果，但不能用于卵石地層。及時支護可以有效減少支護前的下沉。鎖腳錨管是用于分步支護構件基礎的穩(wěn)定，為下部開挖與支護安裝創(chuàng)造良好條件，減少上部支護構件的沉降。提高支護構件剛度可以減少支護后的下沉。壁后充填是減少支護構造與巖土體之間空隙的有效措施，在一次支護和二次支護后采用小導管注漿法進行充填。
(3)分步開挖，及時支護。實踐證明，分步開挖、及時支護可以有效地減少圍巖及地面下沉。例如北京長安街過街道，跨度大(開挖跨度.6 m)、超淺埋(表土厚度僅0.6～1.0 m)、有動載、地下管線多，為了減少地面下沉，采用“中洞法”分步施工，地面下沉減到 mm，效果良好。
(4)降水—回灌技術，是治理地下水和減少地面下沉的有效方法，已在北京地鐵施工中推廣應用。一般是“淺抽深灌”或“前抽后灌”。據(jù)北京地鐵“復—八線”實測，采用此法后其兩側高大建筑物下沉未超過2.5 mm。
值得研究的是，近年來我國試驗成功的“高水速凝材料”，具有快速固結含水砂層的性能。如能在地下工程中進行試驗，對于阻隔地下水滲入施工空間，將具有良好的應用前景。
5 國外地下巖土工程開挖技術的新進展
(1)全過程機械化。從護坡、土方開挖、結構施工，包括暗挖法施工的拱架安裝、噴射混凝土、泥漿配制和處理等工序的機械化，同時采用計算機技術進行監(jiān)控，從而保證了施工安全、快速施工和優(yōu)良的工程質(zhì)量。
(2)盾構法得到較大發(fā)展。近年內(nèi)英、美、法、日等國大量采用盾構施工技術，日本已生產(chǎn)盾構近萬臺，用于地鐵、鐵路、公路，水工及管網(wǎng)施工，已出現(xiàn)雙聯(lián)、三聯(lián)、四聯(lián)盾構，能完成三跨地鐵車站，開挖寬度達 m。日本正設想設計直徑 m的盾構，在地下建造人造太陽和住宅區(qū)。
(3)微型盾構和非開挖技術已廣泛應用。主要用于建造各種直徑的雨、污水、自來水管道和電纜管道。微型盾構就是直徑2 m以下的盾構。刀盤掘進，遙控和衛(wèi)星定位控制方向和坡度，然后安裝管片。非開挖技術就是采用微型鉆機，通過切割輪成孔，退回鉆桿后安裝管線或電纜。
(4)預砌塊法施工技術。拱圈是在土方開挖后采用拼裝機安裝，管片上留有注漿孔，襯砌拼裝完成后，由注漿孔向壁后注漿，堵塞空隙，增強圍巖與襯砌的共同作用。法國用此法施工的最大單拱跨度達. m。
(5)預切槽法施工技術。意、法等國制造了一種地層預切槽機，采用鏈條沿拱圈將地層切割出一條寬 cm，長4～5 m的槽縫，然后向槽縫內(nèi)噴射混凝土，并在其保護下開挖土方，做防水層及二次襯砌，形成隧道。
(6)頂管大管棚法。修建地鐵車站時，在頂管內(nèi)灌混凝土，形成大管棚，再在其保護下進行暗挖施工。
(7)微氣壓暗挖法。就是在具有1個大氣壓以下的壓縮空氣環(huán)境下，按照“新奧法”原理進行施工。優(yōu)點是可以排出地下水，保證工作面干燥；由于氣壓存在，可減少地面沉降；還可降低襯砌成本。
(8)數(shù)字化掘進，又稱計算機化掘進(Data drilling，Computerised drilling)，應用于硬巖工程的開挖。在數(shù)字化掘進時，鉆桿的推進是程序化的，從一個洞到另一個洞也是自動的。掘進機手可以同時管理3套鉆桿，其作用是監(jiān)督鉆桿的運動，必要時予以調(diào)整。孔位、孔深和掘進序列預先已在掘進機的計算機軟件中安排，掘進方向由激光束控制，實現(xiàn)了孔的嚴格定位，從而可以實現(xiàn)掘進工藝的最優(yōu)化以及曲線隧道的掘進。數(shù)字化掘進的優(yōu)點是：控制隧道掘進的超挖；實現(xiàn)掘進方案的優(yōu)化；消除了工作面上的人工測量。
作者簡介 劉天泉 教授，院士，年生，年畢業(yè)于波蘭克拉科夫礦冶學院采礦系，獲碩士學位，年起至今，在煤炭科學研究總院從事地下開挖影響理論與控制技術研究工作。地址：北京市和平里煤炭科學研究總院，郵碼：。
作者單位：劉天泉（中國工程院院士，煤炭科學研究總院）
錢七虎（中國工程院院士，總參軍事科學技術委員會）
參 考 文 獻
1 城市地下空間開發(fā)利用設計與施工技術.中國建筑科學研究院，(8)
2 錢七虎.可持續(xù)城市化與地下空間開發(fā)利用.世界科技研究與發(fā)展，()
3 邵根大.北京地下鐵路建設中最新的技術進步.北京地鐵建設，(5)
4 侯景巖等.北京地鐵工程降水—回灌技術研究.北京地鐵建設，(4)
5 洪伯潛等.地下工程特殊施工技術.能源與礦業(yè)工程學部學術報告匯編，
6 傅同雷.從廣州地鐵施設中探求防止地面下沉的方法.北京地鐵建設，(3)
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