1城市地下巖土工程是新世紀城市建設的重要環節。
隨著國民經濟的快速發展，中國的城市化水平也在迅速提高，從1990到18.96%到1997年末的28.9%。城市化水平的提高標誌著城市工程建設的快速發展。然而，中國的城市建設基本遵循“攤大餅”的粗放式發展模式，給國民經濟帶來不應有的損失。主要是:
(1)城區無限擴大，耕地流失嚴重。衛星遙感數據顯示，1986 ~ 1996期間，我國31個特大城市的實際城市面積擴大了50.2%，部分城市面積呈指數級增長。據預測，到2010年，中國的城市總數將從0996年的65438+640增加到1 000，因此，大量的耕地將被占用。到下世紀中葉，我國城鎮化水平將提高到65%左右，這意味著城鎮人口將比1990增加7億多人，按每個城鎮人口使用的土地計算，將占用耕地100多萬畝。土地問題是中國可持續發展的關鍵。城市人口的快速增長和區域規模的限制成為城市發展的突出矛盾，城市發展必須走節約土地的集約發展模式。
(2)城市人口密度高，形成所謂的“城市綜合癥”。首先表現在城市堵車，行駛速度慢。比如北京的主幹道平均速度比10年前低了50%以上，而且每年都在減少2 km/h。上海和北京每公裏道路擁有汽車506輛和345輛，是發達國家大城市的1倍和數倍。其次，城市基礎設施滯後於城市面積的擴大和城市人口的增長，導致城市環境惡化。目前，我國城市環境形勢越來越嚴峻，空氣汙染越來越嚴重。全國500多個城市空氣質量達到壹級標準小於1%，酸雨面積超過國土面積的40%，特別是重慶等城市。80%的城市汙水未經處理排入河流；城市地下水被汙染；垃圾圍城現象普遍；噪聲汙染普遍超標，建築空間擁擠，城市綠地減少，生態惡化。
(3)城市整體抵禦災害和破壞的能力較低。在城市總體規劃中，除防洪、人防外，還缺乏綜合防災，城市基礎設施防災措施空白。為了克服這方面的劣勢，解決城市人口、環境、資源三大危機，治愈“城市綜合癥”，實施城市可持續發展，世界各發達國家都在把地下空間作為新的土地資源，開發利用城市地下空間已經成為城市建設的指導原則和發展方向，越來越受到重視。
城市功能空間可以而且應該向地下轉移的領域非常廣泛，包括商業、交通、部分市政設施、文化娛樂休閑、部分工業生產、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發展最重要的壹環。可以達到擴大空間容量、提高開發強度、淘汰混合自行車、交通順暢、商業更加繁榮、增加地面綠地、環境優美開闊、購物休閑娛樂融為壹體的多功能效果。與城市上空開發模式相比，它是壹種更合理的開發模式。
向地下索取土地和空間已成為城市建設和發展的必然趨勢，顯示出無可比擬的優越性。國內外大城市的地下商業城(街)、地下車庫、地下劇場、地下鐵路、地下人防系統都是眾所周知的城市地下工程。壹些國家已經開始實施和計劃采用地下汙水收集處理設施、地下垃圾處理廠、地下超導磁直接儲存電能、地下供熱制冷系統、地下多功能公共隧道(同溝)和具有抗災功能的地下空間系統。它們是未來城市建設的發展方向。
2城市地下巖土工程的特點和難點
眾所周知，地下巖土工程是壹個歷史悠久的領域。可以說，巖土工程從人類開始就有了，尤其是進入工業社會以後，但是城市巖土工程，除了傳統的地面工程之外，地下巖土工程是隨著現代城市的興起而發展起來的。經過幾十年的實踐，無論是設計、施工、設備和技術，還是理論、技術和經驗，都達到了相當高的水平，特別是地下深部巖石工程，已經達到了比較成熟的水平。
然而，城市地下巖土工程具有不同於壹般巖土工程的特點，主要表現為:大部分埋深淺。地面建築和交通設施密集，地下管線較多。開挖影響大，地質條件復雜。多為土，常有膨脹土、砂層、地下水，尤其是沿江沿海城市。淤泥和軟土的挖掘更加困難。因此，城市地下巖土工程有許多特殊問題需要解決。主要是:
(1)淺埋和超淺埋開挖施工技術。城市地下工程的埋深不僅直接影響工程造價，還關系到工程的便利性。因此，城市地下工程的埋深壹般較淺。在淺埋尤其是超淺埋條件下，地下工程需要跨越建築物、線路、街道，地面保護成為施工技術中的首要問題。
(2)復雜惡劣環境下的開挖技術。如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土粉土、風化破碎巖石、高濃度瓦斯地層、大湧水量、硫化氫、巖溶、高應力、地下管道、地面卡車交通、大型卡車和密集建築物等。，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。主要是地鐵站、商場、倉庫、大廳、房間，跨度超過10 m。
(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。超淺埋條件下，開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護方式等諸多因素有關，是地下工程施工中最復雜的問題。
3城市地下巖土工程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、影劇院等壹大批工程的建設。，特別是近年來，城市地下空間的挖掘技術有了很大的發展和提高。我國城市地下隧道和鉆孔采用了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沈管法、凍結法和註漿法，其中壹些技術達到了國際先進水平。
3.1切割和覆蓋
明挖法具有施工簡單、快速、經濟、安全等優點，是城市地下隧道工程開發初期的首選開挖技術。它的缺點是對周圍環境影響很大。
明挖中的關鍵工序有:降低地下水位、邊坡支護、土方開挖、結構施工和防水工程。其中，邊坡支護是保證安全施工的關鍵技術。主要包括:
(1)邊坡開挖技術。適用於開闊的地面和良好的地下地質條件。基坑自上而下分層分段開挖，隨挖隨刷坡。必要時應使用水泥粘土進行護坡。
(2)鋼支撐技術。壹般采用單排工字鋼或鋼板樁。當基坑較深時，可采用雙排樁，用拉桿或連梁連接，共同受力。也可以使用多層鋼交叉支撐或單層和多層錨桿和鋼梁來形成支撐結構。
③連續墻支護技術。壹般用鋼絲繩和液壓抓鬥成槽，也可用多頭鉆和切割輪設備成槽。地下連續墻不僅能承受較大的荷載，而且具有防水效果，適用於軟土和松散含水層。
(4)混凝土灌註樁支護技術。壹般有兩種方式:人工挖掘或機械鉆孔。普通混凝土和水下混凝土灌入鉆孔形成樁。支撐可以采用雙排樁和混凝土連梁，也可以采用樁和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，加入密排的鋼筋或鋼管，外註水泥砂漿或灌漿，噴射混凝土，使土體、鋼筋和噴射混凝土表面結合形成土釘支護體系。
(6)錨桿(索)支護技術。在孔中放置鋼筋或鋼纜後，將進行灌漿。達到強度後，與樁壁壹起進行錨固，預應力錨桿承受同樣的力。適用於高邊坡和重載場所。
(7)混凝土和鋼結構的支撐方式。根據設計計算，在不同的開挖位置澆築混凝土內支撐體系和鋼結構內支撐體系，與灌註樁或地下連續墻形成框架支撐體系，承擔側向土壓力，制作結構時應拆除內支撐體系。適用於高層建築密集地區和軟淤泥地層。
3.2地下開挖方法
適用於城市中不能采用明挖覆蓋施工的地方，也適用於松散層和含水松散層。
壹般應按照“新奧法”原則設計施工，初期支護強，先註漿後開挖。施工原則是:“管超前、嚴註漿、短開挖、強支護、快封閉、勤測量”。壹般用30 ~ 50 mm的鋼管引出頂板導管，然後註入水泥或化學漿液，形成“石體”，增強圍巖的自穩能力。每次開挖進尺約0.75 m，先進行環形開挖，留核心土，提前噴5 ~ 8 cm混凝土，架設拱架和鋼筋網，再噴25 ~ 30 cm混凝土形成初期支護，防水層後進行二次襯砌。
地下開挖方法包括單拱單跨和多拱多跨地下開挖施工技術。北京地鐵西單站為連拱多跨。還有三拱地鐵站，四拱地鐵站，五拱地鐵站，公路隧道，地下商場。北京天外天地下商場是壹個五拱結構。還有就是平壁開挖的施工工藝。世界上傳統的地下暗挖法頂部是拱形結構，我國創造了平頂直墻的超淺埋暗挖施工技術，如北京長安街過街。
當在巖石中進行地下挖掘時，通常使用鉆爆法。為了保護圍巖的自承能力，光面爆破技術被廣泛應用。為了減小振動對地面的影響，還采用了微差爆破和合理設計爆破參數來減振。
3.3覆蓋層開挖方法
指邊坡支護是由連續墻和混凝土灌註樁組成的框架結構，其上有蓋板的開挖和結構施工方法。它具有快速、經濟、安全的優點，對環境的影響比明挖法小，成本比暗挖法低。適用於市區高層建築。
蓋挖法分為由淺入深逐層開挖、逐層制作結構的逆蓋挖法和依次挖到底後制作結構的正施工法兩種。前者適用於地質條件復雜、開挖斷面大的情況，後者則相反。
3.4盾構法
指全斷面推進圓筒形鋼盾構開挖的方法。施工方法有人工、半機械化和全機械化。盾構由液壓千斤頂推進。盾構法可以完成直徑幾十厘米到十幾米的隧道以及雙重、三重、四重盾構的大型工程。適用於穩定和不穩定的松散含水層。
從施工工藝上來說，盾構法有很多，如泥水盾構、土壓平衡法(可以控制地面沈降)、敞開式機械化盾構、氣壓盾構、插刀盾構、混合盾構等。在巖層中，也可以使用隧道掘進機(巖石盾構)。
此外，國內外還開發了被稱為“地鼠”的非開挖技術，包括導向鉆進、定向鉆進、沖擊矛、夯管、水平頂管和螺旋鉆進。中國首都機場跑道下壹次頂起是用這種方法完成的嗎？273 mm，壁厚8 mm，長110 m，用作安裝通信電纜的鋼管。國內最長鋪管長度可達500 m，最大鋪管直徑800 mm，鋪管設備達到國際先進水平。
3.5冷凍法
地層凍結法是利用人工冷凍來固結不穩定的松散砂土層或軟巖層，並切斷地下水的壹種施工方法。在待開挖的地下工程周圍打壹定數量的凍結孔，由制冷設備提供的低溫鹽水通過凍結管內的供液管循環，使地層內局部形成不透水並具有壹定抗地壓強度的凍結壁，在其保護下進行開挖施工。工程完工後，凍結壁融化，地層巖土恢復原狀。該方法適用於松散含水層，已在煤礦廣泛使用。該方法已成功應用於上海地鐵1#線、2#線、上海楊樹浦水廠泵站基坑、北京地鐵大北窯隧道等復雜困難地段，首次嘗試了水平凍結技術和液氮速凍技術。
3.6沈管(箱)法
沈管(箱)法是將預制好的鋼筋混凝土結構焊接起來，封上封頭鋼板，然後放水浮沈至設計位置的水下巖土工程施工方法。國外和國內都有大量的煤礦建設實例。廣州珠江隧道采用這種方法。適用於過江、過海隧道水下部分和淺土層的豎井施工。
3.7鉆孔方法
鉆探法是壹種廣泛使用和技術先進的巖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”，勞動強度低。它采用專用大直徑鉆機(國內最大鉆孔直徑為9.3 m)帶動鉆桿和鉆頭鉆進，泥漿護壁，壓縮空氣排渣，井壁上浮下沈，壁後井填充水泥等，壹次性超前鉆進，分期擴孔。這種方法已成功地應用於中國煤礦的47個深立井。此外，還有自下而上的反鉆施工技術。鉆探方法已成功應用於礦山、鐵路、交通、國防、水電等復雜的水下巖土工程中。
3.8灌漿方法
註漿法是指用註漿設備和選定的註漿工藝進行鉆孔進行巖土加固的壹種施工工藝。它早已被廣泛使用。根據灌漿材料的不同，有單液和雙液灌漿、水泥灌漿、粘土水泥灌漿和化學材料灌漿；根據灌漿機械的不同，有重力灌漿和壓力灌漿、滲透灌漿和噴射灌漿。
近年來發展起來的高壓旋噴法在巖土工程加固和防治水方面發揮了獨特的作用，如高壓旋噴樁法、高壓固定旋噴墻法、水平旋噴法等。上海地鐵1#線施工中，采用三重管高壓旋噴樁法對淤泥地層進行帷幕堵水和防滲加固，效果非常理想。高壓旋噴樁和灌註樁相結合的方法廣泛應用於高層建築基坑邊坡防護工程中。
4城市地下巖土工程開挖影響及環境保護
城市地下巖土工程中的開挖影響是指開挖引起的圍巖移動和地面沈降，不包括其他擾動影響。地下開挖不可避免地會引起周圍巖土體的位移和變形。由於開挖深度較小，其影響必然波及到地面，但由於開挖寬度有限，其影響也是可以控制的。影響的程度和範圍取決於許多因素。對於淺埋和超淺埋隧道開挖工程，主要取決於開挖方式、斷面跨度、導洞形式、機具、支護方式和時機、構件剛度、回填、地面荷載(動、靜荷載)、巖土體性質和地下水抽排水。
根據實測研究，隧道開挖引起的地面沈降斷面壹般呈盆狀，壹般用概率積分曲線來描述。
對於淺埋和超淺埋隧道開挖引起的地面沈降，最大沈降值大致由開挖空間支護前的沈降、地下水抽水引起的沈降和開挖空間支護後的沈降組成。這些沈降可以通過采取壹些減少沈降的措施來最小化。根據北京、上海、廣州地鐵建設成果，北京地鐵“復八線”兩側高層建築最大累計沈降僅2.5 mm，北京地鐵西單站正上方最大累計地面沈降不超過30mm；；廣州地鐵有壹段隧道穿越市區主幹道天河路。隧道頂部距離公路7米。地層是充滿水的細砂層，地下有供水管、汙水管、電纜。地面車流量晝夜約654.38+0.2萬輛，載重30 ~ 60 t的大型集裝箱車快速通過。開挖後，根據128測點觀測，最大沈降為20.7 mm，低於國際地面沈降控制標準。
根據國內外淺埋暗挖的實踐，減少地面沈降的措施如下:
(1)圍巖預加固。為了加固松軟巖土，壹般采用導洞或全斷面預註漿。對於軟弱或破碎巖體，采用單液或雙液壓力預註漿；對於松散土體，采用單液或雙液高壓噴射灌漿。
(2)大力支持。包括預支撐、提高支撐構件剛度和墻後填充。超前支護有管棚和插板兩種方法。管棚鉆孔深度受導洞尺寸限制，也可作為註漿管，適用條件廣泛。插線板需要頂入，有防水作用，但不能在卵石地層使用。及時支護可以有效減少支護前的下沈量。采用帶鎖腳的錨管穩固分步支撐構件的基礎，為下部開挖和支撐安裝創造了良好的條件，減少了上部支撐構件的沈降。增加支撐構件的剛度可以減小支撐後的沈降量。墻後充填是減小支護結構與巖體間隙的有效措施。壹次支護和二次支護後，采用小導管註漿法進行充填。
(3)分步開挖，及時支護。實踐證明，分步開挖，及時支護，可有效減少圍巖和地面沈降。如北京長安街過街，跨度大(開挖跨度11.6 m)，超淺埋(表土厚度僅0.6 ~ 1.0 m)，動荷載大，地下管線多。為減少地面沈降，采用“中孔法”分步施工，地面沈降減小到24 mm，效果良好。
(4)降水-回灌技術是控制地下水、減少地面沈降的有效方法，在北京地鐵建設中得到了廣泛應用。壹般是“淺抽深灌”或“先抽後灌”。根據北京地鐵“復八線”的實測，采用該方法後，兩側高層建築沈降小於2.5 mm。
值得研究的是，我國近年來試驗成功的“高水速凝材料”具有快速固結含水砂層的性能。如果能在地下工程中試驗，對於防止地下水滲入建築空間將有很好的應用前景。
5.國外地下巖土工程開挖技術的新發展
(1)全程機械化。從護坡、土方開挖、結構施工，包括拱架安裝、噴射混凝土、泥漿制備和處理等的機械化。，采用計算機技術進行監控，從而保證了安全、快速施工和優良的工程質量。
(2)盾構法有了很大發展。近30年來，英、美、法、日等國采用了大量的盾構施工技術。日本為地鐵、鐵路、公路、水利工程、管網建設生產了近萬臺盾構，出現了雙、三、四重盾構，可完成開挖寬度17m的三跨地鐵站，日本正在構思設計直徑80 m的盾構，在地下建造人工太陽和住宅區。
(3)微型盾構和非開挖技術得到廣泛應用。主要用於修建各種直徑的雨水、汙水、自來水管道和電纜管道。微型盾構是直徑在2 m以下的盾構，刀盤開挖，遙控和衛星定位控制方向和坡度，然後安裝管片。非開挖技術是使用微鉆，通過切割輪打孔，返回鉆桿後安裝管道或電纜。
(4)預制塊施工技術。土方開挖後用拼裝機安裝拱圈，管片上留有灌漿孔。襯砌拼裝完成後，從灌漿孔向墻背進行灌漿，堵塞縫隙，增強圍巖與襯砌之間的* * *相互作用。法國用這種方法建造的最大單拱跨度為24.48米
(5)預開槽施工技術。意大利、法國等國制造了地層預開槽機，用鏈條將地層沿拱圈切割成寬15 cm、長4 ~ 5 m的槽，然後向槽內噴射混凝土，在其保護下開挖土方，做防水層和二次襯砌，形成隧道。
(6)頂管和大管棚法。修建地鐵站時，在頂管內澆築混凝土形成大管棚，然後在其保護下進行地下開挖。
(7)微壓暗挖法。是在1大氣壓的壓縮空氣環境下，按照“新奧法”原理進行施工。優點是能排出地下水，保證工作面幹燥；由於氣壓的存在，可以減少地面沈降；而且可以降低襯裏成本。
(8)數字化開挖，又稱計算機化鉆孔，適用於堅硬巖石工程的開挖。在數字隧道中，鉆桿的前進是編程的，並且從壹個孔到另壹個孔也是自動的。掘進機可以同時管理三套鉆桿，其作用是監督鉆桿的運動，必要時進行調整。在掘進機的計算機軟件中已經預先設置好孔位、孔深和掘進順序，由激光束控制掘進方向，實現了孔的嚴格定位，從而實現了掘進工藝的優化和曲線巷道的掘進。數字隧道的優點是:控制隧道開挖的超挖；實現掘進方案的優化；消除了工作面上的人工測量。
作者簡介劉天泉教授，院士，出生於1927，1958畢業於克拉科夫礦冶學院采礦系，碩士學位，自1959起在煤炭科學研究總院從事井下掘進理論與控制技術研究。地址:北京和平裏煤炭科學研究院，郵政編碼:100013。
作者: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、總參謀部軍事科學技術委員會委員)
參加考試，貢獻力量
1城市地下空間開發利用設計與施工技術。中國建築科學研究院，1998(8)
2錢七虎。可持續城市化與地下空間開發利用。世界科技研究與發展，1998(10)
3邵根大。北京地鐵建設的最新技術進展。北京地鐵建設，1994(5)
4侯景炎，等。北京地鐵工程降水回灌技術研究。北京地鐵建設，1996(4)
5洪等.地下工程特殊施工技術。能源與礦業工程系學術報告匯編，1998。
6傅。從廣州地鐵建設探索防止地面沈降的方法。北京地鐵建設，1996(3)
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