慕尼黑的地鐵建設

摘要：慕尼黑地鐵系統的計劃網絡，總長度約為100公里，包括106個地鐵站。延伸21公里使用噴射混凝土支護建設而成。這項工作的一部分，仍有待完成。在本論文中，對在總的背景下使用噴漿方法的隧道的各個重要方面在以下的主題下進行了討論：作為一個整體，建設項目的概述參照資金、審批程序和實現過程；隨挖隨填法和開采技術；單軌隧道施工和大斷面、道岔和側道開挖，處理水時不同的巖土程序，尤其是壓縮空氣操作；合同做法、建設、安全問題、質量和成本控制、損壞分析和成本比較經驗。這項工作基于13年的應用和發展。

關鍵詞：慕尼黑地鐵建設 噴射混凝土支護隧道

1 概述

在過去的幾十年里，隨著社會各部門機械化的大大增加，大的人口中心的交通量已發展到越來越難保持這些地區交通量的地步。老城區的街道，尤其是在歷史悠久的市中心慢性超載削弱了許多地方古典公共交通工具的吸引力和效率，從而導致交通系統永久性崩潰。這一難題最終可以通過使公共交通系統遠離擁擠的道路來解決，如建設高空或地下鐵路系統。

1.1 慕尼黑快速交通網絡構想

在慕尼黑，早在世紀之交，就發起了興建地下鐵路系統的倡議。南北高速鐵路隧道的建設工作開始于1938年，但由于戰爭，只完成了一小段。

通過建立地下第二交通水平，引入了一個永久性的解決方案，其好處是有目共睹的。在緩解交通問題上已經取得了巨大進展，而市民的流動性卻增加了。今天，我們現代的地鐵系統每年有2億乘客，即每個工作日有700000人。這是一個證明其效率和公眾接受度的令人信服的證據。和許多其他大城市一樣，在人口稠密區的城市必須面對的問題，一方面是住房，另一方面，則是周邊地區的餐飲。因此，一個包括地下和高速鐵路系統的概念就被采納了。

大都市慕尼黑，目前人口為230萬，占地面積5000平方公里，由七條線路，總長度412公里，途徑135站的高速鐵路系統供應。一個綿延4公里長的隧道將伊薩爾河的西部和東部和城市中心的五個新建的高速鐵路地鐵站主要線路連接起來，將整個地區和城市中心連接了起來。因此，這段隧道與地鐵段具有相同的功能。

城市本身鐵路運輸系統和計劃總長度超過100公里的地鐵系統一同發展。服務人口130萬。網絡（圖1）由三條主線和十一條支線組成。其中九個地鐵站可能會從一個線路向另一個線路轉變。地鐵連接了另外12點的高速鐵路系統，使改變線路更具吸引力。地鐵系統的主要特征是具有幾條線路的徑向網絡穿過城市的中心運行。使用這種方式可以使人們認識到，慕尼黑的主要交通一直都流向其具有吸引力的城市中心。

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圖1 于1985年底完成60%的慕尼黑地鐵系統

開始運行或正在建設中

1.2 體制狀況

人口稠密城市地下系統的建設涉及到從規劃階段到建設，最后到投入運行中這一系列與私人利益和公共利益的沖突。因此，地下建設也需要大量的行政工作。基本上所有的技術、行政、法律、金融和經濟問題都由城市中央主管機關的“地鐵部門”全權處理。在執行和大量建筑工作中取得的成功，主要是由于這個特殊的部門擔負起大部分的責任及其能力。

1967年，慕尼黑地鐵建設工作的年工程量達一億德國馬克，于1974年增加至兩億德國馬克，自1980年以來，一直處于三億德國馬克左右。總之，到現在為止，近四十億德國馬克已用于建設（圖2）。這一數額的約62%用于隧道開挖和地鐵站結構。因此，僅從財務重要性上看，這項工作和所采用的施工方法具有相當重要的意義。

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圖2 1965-1985年間的地鐵建設支出

有人認為一個地鐵項目的重要性與交通、經濟、社會、安全因素和一個城市的部分和整個居住區相對緊密的特性有關，那么很明顯計劃過程和計劃敲定程序比建筑物本省的情況復雜、困難。

平面圖和規劃許可基本上分為三個部分，即站線、（詳細的）施工計劃和操作。計劃的確定是多步驟過程的主要方面。

從決定建設地鐵到地鐵最終開通，通常中間有13年的間隔。然而，無論是制定計劃還是成功讓世人接受它們的期限，即使是在今天也不能肯定地預測。該過程的延遲總是導致計劃和建設進度遲緩。因此，例如，在評估徑向東西線一段上不同線路的優勢和劣勢時，研究了十二種路線變化；四個不同地鐵站位置的八種變化被列入預選單。在同一地鐵站，還研究了適合殘疾人電梯的18個位置。在本節中，其他人對教會當局的抱怨（擔心對教堂建筑造成沉降損害）導致該項目完工拖延了三年左右的時間。

最后但并非最不重要的一點是，正是由于上述原因，敲定計劃的程序（變得更加困難）推進了地鐵施工方法的進一步發展，因為在許多情況下，計劃敲定決定在沒有進一步發展的情況下是不可能實現的。

圖3 63公里長的線路上各種施工方法所占的比例

在所涉及的68個地鐵站中，6%位于地上。55%采用隨挖隨填施工法建設，29%采用上層覆蓋施工法建設，10%通過開采法建設，或通過噴射混凝土和/或盾構掘進法建設。

如果比較一下這段時間（圖4）各地鐵線路所使用的施工方法，就會看出上層覆蓋和開采法的使用呈急劇上升趨勢。1965年至1974年建造的南北地鐵線路，只有28%，19個地鐵站是通過盾構掘進法建造的，只有一個地鐵站是通過封閉法建造的，一個是通過上層覆蓋和開采法建造的。

始于1977年的東西向地鐵，應于1987年完成外殼建造，相比之下開采法建設比例已占58%。16個地鐵站中的4個采用噴射混凝土法建造而成，7個通過上層覆蓋建造。

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圖4 1965-1985年間各種施工方法所占比例涉及68個地鐵站，126公里的單層巖心管（線路長度63公里）

這些施工方法的趨勢，只能部分解釋為與市中心區的地鐵建設有關。建造地鐵所涉及的越來越困難的法律問題是這些環境上較不反感方法使用越來越多的一個十分重要的因素，從而進一步加劇了更深一步的技術發展。

如果查看累計曲線下的不同施工方法，可以認識到，隨挖隨填施工法的使用年增長大致保持不變。只有在早期時，地上的路線的重要性值得一提，盾構掘進法也同樣重要。相反，上層覆蓋法和以上所有噴漿方法，一直不斷增加。因此，到現在為止，1600000m3隧道一直都使用此方法在挖掘，并通過140000m3的噴射混凝土加固。

對這方面的發展具有決定性的是在慕尼黑過去的二十年里一貫推崇的地鐵建設提供了優化施工方法的機會，并越來越適應水文地質條件，并通過接受各種不同的方案，一次又一次地冒險步入了技術前沿。

因此，不僅可以掌握在城市中心建設地鐵的巨大困難，還可以應對建筑造價上升。特別是，能夠降低最初造價是隨挖隨填法造價兩倍的地下采掘的成本（圖5）。這一趨勢清楚地表明，在不久的將來，隨挖隨填施工法會與噴射混凝土法的成本大致相等。

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圖5 雙軌線路的發展成本（粗略的建筑造價）

因此，選擇施工方法時重要性賽過其他因素的成本因素，已經漸漸消退。事件表明，僅隨挖隨填施工法的進一步發展不可能克服城市內地鐵建設的問題

1.3 噴射混凝土施工方法底土條件和重要性

為了更好地理解下方的觀點，對紹什（1966年）和格布哈特（1977年）所報告的地質條件進行了簡要總結。慕尼黑的底土具有以下的地質和水文地質特征（圖6）：

圖6 慕尼黑地質情況示意圖

第四紀沉積物在最上層；由不同年齡的冰河間的碎片層構成（由厚到非常厚）。其厚度一般介于4米和7米之間，在疊加的下層和上層河階區域中，其厚度介于8米和25米之間。下方是軟晚的被稱為“Flinz”的第三紀砂巖沉積物。它們構成了一層成分變化劇烈的外殼，由含水（由厚到非常厚）的云母砂層（細到中度）和單軸壓縮性變化劇烈（約50kN/m2的高塑性無石灰粘土到6000kN/m2及以上的泥灰巖）、幾乎不透水的泥灰質粘土組成。平均壓縮性大約500kN/m2。在多層的第三紀，土層中往往有一個規則的三明治系統。第三紀層有一個波浪形的剖面，在侵蝕溝有鋒利的凹陷。因此，挖掘可通過水文地質形成的大部分區域，其脫水需要采取不同的措施。

首先，對于隧道，將使用一個開放旋轉的切割機來進行全機械化的盾構掘進作為隧洞施工方法。該方法已經在測試中證明了。起初，在隧道中使用一個雙層內襯，堵塊或螺旋管，一個內殼，和瀝青防水墊絕緣層材料；經過兩次點火之后，絕緣層材料就脫落了，防水混凝土內襯是內置的。

然而，不可能通過盾構掘進法解決市中心區的交通干線施工問題。由于其不能彎曲的橫截面，從機械和技術因素預測，盾構掘進能在均質土中無限前進，但它幾乎不允許額外的措施，如脫水，灌漿或隧道口冷凍，使用盾構掘進法挖掘復雜的交通結構，如道岔、側道、地鐵站、連接和樓梯隧道，簡而言之，一個可行的地鐵網絡的基本組成部分幾乎是不可能的。

因此，噴射混凝土法于1973年首次用于兩個站線，而且考慮到那里主要的土壤和地下水狀況，此后在慕尼黑有了進一步發展，噴射混凝土法同時成為了使用最多的施工方法之一。

如果不使用現代方法，不可能建設許多慕尼黑地鐵網絡的主要交通結構。舉幾個例子：

1978年和1981年之間進行的地鐵卡爾廣場作業是在從一個繁華的交通區街道中間地帶一個豎井下方進行作業，公眾幾乎都沒有注意到。在卡爾廣場現有交通設施下方建設站線隧道，其中包含一個樁基和一個行人高度、一個地下車庫、各種商店和生活區以及一個快速中轉站。最初，計劃將地鐵站整合到這個交通設施的地鐵站。然而，線路計劃的進一步發展預測在為地鐵站和站線結構掘進隧道期間，有必要從隧道口支撐現有卡兒廣場結構各種樁。這些樁、地下間壁和一個現有地下車庫的支撐，該站線和車站隧道、不同橫截面的連接通道掘進都可通過堅持使用噴射混凝土法做到。

已經投入使用的一個地鐵站下方（奧登廣場），只能地下挖掘的一個新建地鐵站于1979年-1983年建成。此外，由于不良的結構狀況下有許多歷史建筑物，所以該作業隧洞掘進沉降要求極為嚴格；尤其是，上地下水位不能承受脫水措施引起的額外地面沉降。壓縮空氣和噴射混凝土相結合是該案例成功的原因（韋伯，1983年；萊斯曼等人，1986年）。脆弱的結構可以在不損壞的情況下挖掘；可以從隧道口將現有的地鐵網絡結構支撐起來，而不減少地鐵線操作，幾乎沒有任何沉降，復雜的連接結構，如樓梯隧道斜井可以在不降低地下水位的情況下建造而成。

就萊厄爾作業而言，也可以使用壓縮空氣噴射混凝土法挖掘一個帶有連接隧道站線的地鐵站結構。不僅是伊薩爾河下方的隧道可以在無安全問題的情況下開挖，即使是隧道口有樁支撐的河結構，而且歷史建筑物下方的隧道也可以在無安全問題的情況下開挖（圖7），如在兩個教堂下方開挖隧道，其中包括著名的洛可可風格的教堂，沒有任何值得一提的沉降。這就是上述提到的與最后規劃階段有關的麻煩的起點。挖掘作業期間的測量顯示出小于5mm的沉降。教會沒有遭受任何損害。

圖7 靠近萊厄爾地鐵站的圣安妮教堂

（用壓縮空氣進行噴射混凝土支護）

2 噴射混凝土法

為什么在慕尼黑噴漿法代替了盾構掘進法？該問題的第一個答案是地鐵站之間的站線長度對于盾構掘進法的經濟用途而言太短，其次，尤其是需要挖掘許多不同的橫截面包括不定橫截面。

重要隧道類型瀏覽（圖8）所示為用于地鐵網絡的各種橫截面：用于地鐵站之間站線的隧道本身，用于側道、轉盤、道岔和分路的橫截面。

這些可變橫截面可以通過加寬正常橫截面，使用噴射混凝土法挖掘，與盾構掘進法相比，這是一個主要優勢。到現在為止，通過噴射混凝土法挖掘道岔和側道所有橫截面積不超過150m2的雙軌和三軌隧道。

在使用開采法建設的八個站臺地道中，第一個是通過板樁打樣多重附加來挖掘的。接下來的兩個使用盾構掘進法建設起來昂貴、困難，其他所有的都使用噴射混凝土法。

即使是單軌隧道，噴射混凝土比盾構掘進法更有優勢，尤其是當涉及長度較短時，但幸虧機械設備的成本較低。

圖8 隧道橫截面典型形狀

a）線路隧道；b）地鐵站隧道；c）存車線/點J，瀝青封縫；W防水混凝土，F接縫密封條

表1中也同樣顯而易見：6個屏蔽作業的逐道長度總計為12.8公里，即每項作業平均2.1公里；27項噴射混凝土作業的隧道長度為34公里，對應的每項作業的平均長度為1.3公里。

噴漿方法的另外一個優點在于其既可以用于第三紀土壤，又可用于第四紀土壤，并且不用在隧道口采用其他措施，主要是指地下水位額外降低。脫水最重要，因為在隧道主要位于地下水土壤層（圖6）。

表1

2.1 應對地下水的措施

挖掘必須通過各種地下水位的土層，其脫水需要采取不同的措施（韋伯，1983年）。

正如1.3節中描述的，慕尼黑最上方的土層是第四紀沉積物（圖6）。由厚到非常厚的高滲透性石灰石碎石構成。正如已經提到的，它們的厚度為4到7米，在南部邊緣可達25米。其中地下水位從表面以下3米到10米，在南部邊緣可達15米。碎石的滲透系數不小于0.001米/秒。

第三紀沙層和第四紀泥灰巖層（圖6）形成了上地下水水位底層。沙層可以是幾分米薄，也可達10米厚。其滲透率低≈10-5米/秒。泥灰巖的滲透系數是：≤10-8米/秒。

被泥灰巖包圍的砂層含有承壓地下水，因此構成了較低的地下水位。

圖9-12所示為4例在最上面的地下水位（第1GW）隧道位置采取的脫水措施，即2例沒有壓縮空氣，2例有壓縮空氣。圖9a所示為第一層的深層地下水。由于涉及量大，距離遠，此處不可能降低地下水位。出于這個原因，防止水進入擴展到不透水層的防水墻，與后者形成一個被抽空的水槽。底部區域的剩余水被真空矛桿抽出隧道。

在圖9b中，第四紀第一GW地下水埋深低，隧道位于第三紀沙層中，因此，第一GW可通過外部井降低。當沙層延伸到隧道底部時是最有效的。但是，如果溢流水上表面位于隧道區域內（如圖所示），那么由于土壤的不規則輪廓，通過外部井不可能達到足夠的降低，需要通過真空槍去掉地鐵口一定量的水。封閉在隧道斷面下方泥灰巖中的砂巖礦體通常包含具有第二GW測壓高度的承壓水。這種承壓水在相同的水井里減壓。

使用壓縮空氣掘進（韋伯，1983年）第四紀礫石，僅使用額外膨潤土水泥灌漿便能將空氣損失保持在一定范圍內（圖10）。

圖10 b所示為第三紀沙層的完整隧道。此處可以使用壓縮空氣，而無需再進行任何灌漿，便可挖掘。

在這兩種情況下，空氣壓力必須與第一層水表面的壓力（第一GW）保持相同。

在城市南部邊厚厚的礫石層，要求梯度盡可能高，這樣隧道不會進入地下水，或只有部分進入。隧道土被則往往只有幾米。

當隧道位于第三紀泥灰巖第一地下水位層時，有兩個解決方案。第一種情況（圖11a），如果泥灰巖覆蓋層很薄，那么降低上層地下水（第一GW）和下層地下水（第二GW）水位。

第二種情況，泥灰巖下只有沙層，且已經流失和減壓，上層地下水位未被降低便被挖掘。這是受人們青睞和經常使用的解決方案。

已經證明泥灰巖覆蓋層第四紀和第三紀之間邊界層的掘進昂貴、危險。另一方面，如果使用壓縮空氣挖掘這些區域，基本上沒有什么問題。如果隧道頂部只有薄薄一層泥灰巖層，那么選擇空氣壓力Pi和第一GW水位對應（圖12a）。如果存在足夠厚的泥灰巖覆蓋層，選擇內部壓力Pi與較低沙層（第2 GW）的測壓管壓力對應。

最常遇到的情況如圖12b所示：利用壓縮空氣。壓縮空氣掘進，用于補充較低地下水位降低的情況（第二GW）。

圖9 第一地下水系統隧道（1.GW）a）隔水墻之間的水槽脫水；

b）1.GW降低和隧道下方的沙壩去應力（2.GW）

圖10 第一地下水系統的隧道（1.GW），使用壓縮空氣。

a）管道礫石灌漿；b）不使用致密砂巖灌漿的隧道

對于位于較低位置的隧道而言，增加水的壓力是必要的，因為空氣中的過壓應盡可能低，一般低于1bar（韋伯，1983）。此外，降壓井使得緊緊封閉的砂質礦體內流動具有了可能性，該過程對向后推地下水是必不可少的。

2.2 支撐措施

已經制定了若干標準設計來支撐隧道。外殼的主要元件是：

——鋼骨

——鋼絲網噴漿混凝土

——襯板

——鋼筋和系統錨桿

雙工字鋼或相應的通道型鋼，甚至格構梁均可用作鋼骨。一般說來，連續鋼骨之間的距離為1m，與挖掘周期對應。

在第三紀水井脫水的情況下，可以省略在階梯狀工作面區域使用鋼骨。他們總是將隧道的屋頂部分建成緊急保護。規定在起拱點連接鋼骨。

格構梁（鮑曼和Betzle，1984年）幾年前才被人們使用。用壓縮空氣驅動時，應優選格構梁。其優勢是重量較輕，噴射陰影較小，因此和噴射混凝土結合較好，也是噴射混凝土襯砌防水的一個改良方法。這對于空氣壓力和內襯安裝之間的時間而言特別重要。到現在為止，專門使用三角梁。

單軌隧道噴射混凝土襯砌的厚度至少為15cm厚，大橫截面混凝土襯砌的厚度為20-30cm。需要混凝土B25，其具有6小時后的早期強度，為5N/mm2。使用鋼筋混凝土墊進行加固：一般是加固單層，如果是單軌橫截面，加固外側，如果是較大橫截面加固內側和外側。加固量介于20和30kg/m3之間。

這些支撐措施是在連續經驗和選定的測量結果程序進一步發展（萊斯曼，1978年）的結果。因此，例如，給第一個單軌隧道（圖13）的隧道頂部和起拱點加上了一個20cm厚的外殼和更堅固的鋼骨。此外，還有每米7系統錨。自那時以來，使用獨立的支撐元件，將材料從原來的30%節省到現在的70%。特別是，結果證明可免除耗時的錨。如今即使是大截面，也不再使用錨，盡管仍然用于特殊情況下，如在交叉拱處。

圖11 第二地下水系統（2.GW）

隧道在其頂部有一層薄薄的泥灰巖。a）兩個灌漿水位降低；

b）止漿墊或頂部冷凍，低層沙土（2.GW）承壓水減壓。

圖12 第二地面水系統（2.GW）隧道掘進使用壓縮空氣。

a）根據1.GW頭部，淺埋隧道Pi；b）深埋隧道

2.GW減壓，壓力上升為Pi=1bar。

在大橫截面中，改進了部分堆積物的形式，隧道橫截面達約90m2，開發所謂的兩部分掘進代替原來的三部分掘進（圖14）。

圖13 用于1973年和1983年的單軌隧道支撐措施

（圖14）襯板是必要的，因為當土壤的穩定時間太短時，需要使用噴射混凝土支撐作為額外的支撐，使土壤變得有效。

情況如下：

——一般位于第四紀巖石中

——第三紀砂巖屋頂區的全部或部分，裂縫和衰減的泥灰巖層，在第四紀和第三紀之間的過渡地帶較常遇到

——在附近的人為干擾區域，如井口或勘探鉆孔附近

襯板提前安裝于第四紀，而在第三紀，因為抗穿透強度高，通常只能一步一步安裝襯板。對于第三紀沉積物頂部的支撐，通常使用“鋼筋（或管道）來代替襯板。

圖14 開挖方法和大型隧道站線相關的支撐措施。

自1973年以來的演變

2.3 開挖過程

2.3.1 三紀土壤單軌隧道

第三紀泥灰巖和砂石使用兩種不同的開挖過程。圖15所示為使用階梯面法進行全斷面掘進。頂部至通過一個小窄邊最大4.0米）進行梯段和底部的挖掘工作。因此，閉合環的時間是較短。使用一臺液壓式挖掘機或者是一臺銑削裝載機挖除軟土。

雖然頂部始終以一米的間隔支撐，當土壤條件都不錯時，梯段和底部間隔可為2米。為了保留在街區，對私有土地沒有要求，單個隧道之間的距離P（立柱）一般保持在較低水平（P不大于6米）。隧道開挖期間，始終牢記鄰近隧道掘進的影響，必須規定隧道施工的順序和規則。

圖15 使用階梯面法在第三紀進行開挖

例如，已經表明，當隧道之間的距離較小時，沉積物顯著增加，但交錯的同時隧道開挖導致沉積物比平行同時隧道開挖時減少（韋伯，1979年）。

圖16 使用坡道到導洞法在第三紀進行開挖

被稱為“坡道施工方法”（圖16），使用鎬式平巷掘進機通過坡道進行頂部和橫斷面交替挖除軟土。站坪基礎起拱點處噴射混凝土底梁補償滯后環合。

為了補償覆蓋不足的泥灰巖，如當從下方或侵蝕溝爆破時，需要使用覆蓋層灌漿或冷凍法。應盡可能從表面或灌漿軸進行灌漿或冷凍。在其他情況下，灌漿或液氮冷凍從正面向截面方向進行，如圖17所示。由于生態原因，化學灌漿已經不能用，冷凍區不是今天才創建的。使用壓縮空氣，這些關鍵區域可無需冷凍（韋伯，1983）。

圖17 在第三紀和第四紀之間的過渡地帶

的隧道開挖使用冷凍灌漿技術

當使用壓縮空氣時，不允許使用柴油動力設備。出于這個原因，所有的工作設備，除氣動噴涂設備和小型的裝置外，都是電動的。交通運輸是使用電池供電的機車進行的鐵路運輸。壓縮空氣的主要優點是通過支撐工作面，減少沉降，在關鍵區域掘進時安全性增強。

另一方面，完成空氣壓力降低后，由于地下水對噴射混凝土外殼的直接符合，掘進現場對承載能力和防水性有嚴格需求。從經濟和靜點的角度來看，對外殼是否應該設計為能夠承受足夠大的水壓或結合部分壓力降低來減小水壓必須在內殼嵌入后才能做出選擇。當殼體收到連續監控，觀察漏水和可能的損壞時，空氣壓力分階段降低（約每小時0.1bar）。當空氣在壓力下為靜止時，清理和填充鋪裝路面基地是為了能夠保持對基礎的觀察。

2.3.2 第四紀土壤單軌隧道

隨著城市外圍站線的建設，位于地勢較高巖石層的隧道可能位于地下水上方建設，掘進量有所增加。隧道建成后，目前所有噴射混凝土隧道約有1/3位于第四紀。頂部和梯段開挖在空間和時間上錯開。預支護僅用于屋頂部分。使用膨潤土水泥灌漿從頂部基底開始，將梯段區所有松散的礫石層緊密聯系在一起（圖18）。灌漿成功后，在隨后進行的挖掘過程中，鋼骨僅以2米的間距安裝。如果不確定是否已經成功灌漿，梯段鋼骨以一米的間隔安裝，必要時進行預支護。在特殊情況下（如建筑物或運河下），另外在頂部使用臨時仰拱。當遇到礫巖地層時，頂部預支護作業便會產生問題。

圖18 使用第四紀礫石頭部和梯段法，從頭部開始空轉灌漿

當隧道所處位置非常高時，自然和人為障礙都要考慮。因此，對于一個作業而言，不僅要考慮碎磚和木頭舊的碎料，還要考慮地下車庫基礎樁。

圖19所示為直徑為60厘米通過挖掘暴露在外的基礎樁。他們承載了約400kN的負荷。這些載荷仍可用于以鋼骨加固的外襯。（當穿透樁時，對約5毫米的頂部變動進行了測量。）

圖19 穿越一個地下停車場樁群的噴射混凝土襯砌隧道

2.3.3 多軌隧道及站臺隧道

一般，使用多個穿孔器進行大截面隧道開挖（克里施克和韋伯，1981年）。開挖及支護與單軌隧道的類似。使用多個穿孔器開挖大型隧道有如下幾個原因：

——土壤的穩定時間對開挖橫截面的大小有限制

——在許多情況下，僅部分小橫截面可實現充分脫水

——多個穿孔器和對其挖掘順序有目的的選擇可以逐步形成寬、淺沉積盆。

截至目前為止，在許多情況下，大剖面（A=75-150平方米）以“三截面”方式開挖隧道（圖20）。

首先，開動兩個側穿孔器，并全部使用噴射混凝土襯砌。掘進頂部和挖掘中心區，從而側隧道內墻面被再次挪開。（挖掘設備的選擇對部分堆積物的大小產生影響。其橫截面面積為20至35平方米，它們幾乎和單軌隧道一樣大）。

圖20 第三紀大型隧道側壁導坑法（A=75-150平方米）

如果隧道橫截面面積達90平方米，且具有良好的土壤條件，可進行一個兩步驟的隧道開挖過程（圖21）。這只有一個上述提到的側隧道，和后面一個間隔至少為10米的隧道。

圖21 第三紀中具有類似截面（A=50-90平方米）

的雙軌隧道和地鐵站施工方法

圖22 使用噴射混凝土支護挖掘橫截面面積為

A=176平方米的地鐵站的順序

建設一個兩室、橫截面為176平方米開挖面、部分使用最終建筑的例子，是中間有一個平臺的車站隧道（圖22）。首先建造一個44平方米（一）大型的中間隧道。稍后支撐建設（地板梁、支架、屋脊梁）建成。同時，兩個掘進側隧道（III，IV），每個具有挖掘橫截面為32平方米。挖掘側隧道之間的和中央支護，兩個頂部（V，VI），其它中心挖掘，其中每個都是34平方米。

2.4 內襯施工

外襯定位后，所有隧道都具有一個防水混凝土的加強混凝土外殼（克里施克，1982年）。兩部分使用具有大型隧道橫截面的內殼：仰拱和拱頂。如果是單軌隧道，使用全圓角模板在一個單獨的灌內進行混凝土澆筑。

圖23 最后襯砌的雙軌隧道顯示防止噪聲傳播的彈性支承的軌道槽

內襯以10米的塊構造而成，并直接在外襯上澆注混凝土。盡管與粗糙的外襯層直接連接，必須使用相應的混凝土澆筑技術，以獲得足夠的防水效果。但是，不可忽視隔離濕點。必須通過灌漿進行防水。

在多軌橫截面的情況下，內襯約50厘米厚（加固含量為約65公斤混凝土每立方米）；單軌隧道中，厚度約為35厘米（加固含量為40公斤混凝土每立方米，對于位于較高位置的隧道，鋼材約為60公斤混凝土每立方米）圖23顯示了已完成的雙軌隧道站線，兩個單軌隧道都有內襯，和彈性支承預制軌道。后者影響隧道建設軌道上層建筑的脫扣，保護上方或附近建筑物擺動，保證地鐵的安全運行。這些也成為人們對于接受地鐵線建設的一個先決條件。

3 噴射混凝土法實務經驗評價

在本節中，從使用噴射混凝土法規劃和執行地鐵線路的實際經驗可以有更進一步的了解。該經驗已經在被連續使用了12年，在該過程中，修建了34公里單軌和4公里多軌隧道和車站隧道。在困難重重，但大致類似的地質和水文地質條件下開展的工作中，證明了下方陳述的統計支持：

3.1 招標和決標，各種不同的方案

在授權建設地鐵的基礎上，地鐵委員會（U-Bahn-

Referat）起草了建議招標和單獨作業價格清單。這些招標文件對結構內容、施工方法和施工作業的順序包括交通需求因素作了詳細介紹。從而在大多數情況下，可避免耗時和昂貴的重新規劃，并且可以更加準確和迅速地判斷各種不同的方案。

招標必須公開和公正。不合格的投標者參與相對較少到現在為止，在價格優惠的情況下排除這類投標者不會導致任何困難。

一般可采納各種不同的方案和部分不同的方案，只要投標人在正式設計的基礎上提交一個主要投標書。不過，它們應該包含技術改進，并加以闡述，直至可在技術上和經濟上對其進行明確地評估。歸結為官方建議數量減少的仿冒的供選擇的建議可當即拒絕。決標機構對各種不同方案積極的態度提升了承包商進行創新的戰備狀態。必須增加雙方可接受的風險限制和相應的合約規范，使所涉及的風險清晰、明確。第一次使用一個新的施工方法，承包商和決標機構之間的一個理解良好的合作是十分必要的。這特別適用于安全性問題。如果在人口稠密的市區內建設隧道，承包商和業主的風險評估和有遠見的工程思維是必不可少的，且優先于經濟因素。這樣，由于經過技術考核和實際測試的一個創新的想法，在經過可能的修改后，可以實現一個新的技術標準。

圖24顯示了這樣發展的經濟結果與1968至1973年的隧道測量結果有顯著不同。1973年，使用一個25厘米厚的噴射混凝土外殼的站臺地道首次被接受。決標是在施工方法在一個可用的60米長的測試站線上首次被測試的規定下做出的。通過使用噴射混凝土施工方法，所需橫截面的挖掘比率可從2.3降低到1.3。

圖24 傳統和先進的雙軌隧道設計

a）建造于1968年，涉及150m2的開挖面

b）建造于1979年，僅設計75m2的開挖面

當使用噴漿混凝土法挖掘隧道時，噴射混凝土的早期強度的發展是決定性的因素，因為開挖周期和可達到的挖掘速度明顯受其影響。

同時，噴射混凝土必須獲得28天的足夠強度，因為它往往在一年或更長時間內都要作為挖掘空間的支護，直到成功嵌入內襯。到現在為止，已經專門采用了干式噴涂工藝。結果表明，在檢查的過程中，一般，生產強度為28天的噴射混凝土的各種混凝土配方都比較不易組合。表明早期強度發展往往造成輕度硬化的混凝土配方（圖25）。另一方面，對于在前幾個小時內強度增加緩慢的混合物而言，其后通常會有非常好的硬化效果。混合物B單軸28天的抗壓強度（350kg/m3，6%Fluresit加速劑，可快速硬化）比混合物A（370kg/m3的波特蘭高爐水泥35L，4%MC-

Sprayaid加速劑使硬化緩慢）要低25%。在這方面值得注意的是，強度發展不僅受到水泥種類和強度等級的影響，還受加速劑種類和添加劑數量的影響。例如，促進劑種類和數量相同，水泥的類型和硬度等級相同，但來自不同的工廠，通常也會產生非常不同的強度的結果。

圖25 噴射混凝土襯砌

不同混合物的單軸抗壓強度平均值：混合物A：HOZ 35L，370kg/m3，噴射助劑4%的水泥用量（公斤重）；混合物B：PZ 45F，350kg/m3，Fluresit，6%的水泥含量（公斤重）；混合物C：PZ35F，380kg/m3，Guttacrete，3%的水泥用量（公斤重）

噴射混凝土配方B（v.上述）和C（380kg/m3，PC 35 F，3%Guttacrete加速劑）共用于慕尼黑地鐵的五項作業中，提供全面的測試結果，從而對強度進行統計評價。

圖26所示的統計信息基于每時步約450個個體價值的平均值。前幾個小時，使用凱因德爾-麥斯特試驗設備確定了強度發展。對于超過3天的值，測試會在巖心進行。置信區間內，統計中90%的所有測試結果為平均值。這可以看出，使用更快的強度發展混合物的平均偏差有一定的增加，主要是在早期強度時。

圖26 噴射混凝土襯砌。A和B混合物90%的置信區間

3.2 安全注意事項

沒有人會否認，在人口稠密的市區，通常情況下，隧道開挖在地鐵建設中，是一項充滿危險和安全問題的工作。幾年前，發生了幾起事故，盡力提高安全標準（成功了）。其出發點是仔細的事故分析，確定事故原因，制定預防措施，以避免再次發生類似事故。

除了人為錯誤，一系列特殊的外部情況也很危險。這些情況在圖27中顯示。

圖27 在慕尼黑進行隧道開挖時，嚴重危險a到g表示風險來源

b）點至d）點是指第三紀掘進，f）和g）點是指第四紀掘進，a）和e）是與所有土層有關的風險。

a）進場區域自然土壤干擾（明挖、軸），如土壤錨。

b）泥灰巖地層存在不可預見的侵蝕溝，這會降低泥灰巖覆蓋層，從而與含水疏松巖石建立連接。

c）第三紀砂巖礦體是未知的，因此不會降壓（第二GW）。

d）第三泥灰巖過渡地帶的和水資源豐富的第四紀巖石沙層隧道掘進。冷凍不充分的物體或薄漿層太脆弱，但也會構成特定風險。

e）隧道臨近地區的降水井。它們可能引起強大的水流和材料清洗。

f）存在具有均勻的內核直徑（卵石）的巖石礦體或梯段，從而顯示既不真實也不明顯的凝聚力。

g）隧道脊區的渠道、排水管和人工填充構成進一步的坍塌危險。

事故原因分析表明，如果塌積物占地下水總量的95%，那么這是主要危險（克瓦里等人，1982年）。如果這些材料占60%，隧道區內存在異物是最危險的伴隨因素。人類的全面失敗推動了事故的進一步發展。

必須使用適當的技術措施和嚴格的檢查對此類危險進行反擊。但除了這些純粹的技術措施外，還必須一次又一次地加重現場所有人的可能存在危險的意識，以此來消除漠不關心的態度，因為經驗表明，發展伴隨著危險活動的連續出現。

為了達到這個目的，研究出與危險有關的有遠見的方式概念，一般類似于一份清單，規定了現場定期強制檢查，并需要記錄。這個概念的核心由以下內容組成：

——整個作業的安全計劃，作為一個特別重要的因素，有具體的危害描述。

——每周由承包商以書面形式制定一個隧道預后，說明下一周的隧道工程作業內容，并提交給工頭。

從而，這些負責人會被迫注意在不久的將來隧道開挖步驟問題，并提前處理這些問題。

3.3 測量程序，測量結果

測量工作對于城市內隧道施工而言十分重要。仔細進行現場測量規劃和執行，測量結果解釋，提高了安全性和經濟性。

一項作業的典型的測量程序被分為以下意見

——地形表面

——附近結構（建筑物，相鄰隧道等）

——隧道內

——隧道周圍的土壤

以下設備、儀器：

——矯直機（表面橫向和縱向沉積盆，以及隧道波峰下沉和地面上升）

——沉降測斜儀（建筑物傾斜測量）

——帶因瓦尺的收斂設備測距儀（隧道水平和垂直收斂）

——經緯儀（帶角度光學測量的收斂）

——滑動千分尺（沿鉆洞中空空間附近土壤的應變分布）

“TRIVEC”鉆孔測溫探頭（土壤中沿水平鉆孔的所有三個位移矢量分布）

當現場測量和所使用儀器的系統學用于慕尼黑時，其已經在其他地方進行了處理（克瓦里等人，1982年）。

在第三紀沉積物兩個單軌隧道掘進期間表面的沉降物測量結果已經首先表明，所有掘進順序對沉積物總量有重大影響（韋伯，1979年，圖28）。

如果兩個并排布置的隧道不同時挖掘，但實踐上總量要錯開25至50米，那么總沉降量降低了20%至25%。與此同時，沉降盆的梯度變得緩和。

然而，兩個隧道之間支柱的寬度（P）對沉降量也有影響。立柱越薄，沉降總量越大。通過使用滑動千分尺對兩個隧道之間的立柱進行測量，可以精確地觀察這種影響（圖29）。例如，一根立柱5.5米寬，一個覆蓋物14米寬，結果表明大約2/3的表面沉降物可保證當挖掘第二隧道時，以前挖掘的隧道可以歸于立柱區的壓縮。

多軌隧道的情況下，通過合適選擇開挖程序可降低由于淺層沉淀池的不斷發展引起的沉降。需要時，可考慮將內襯作為支持。沉降盆如何由不同的堆積物構成可以看圖31，站線中兩個隧道區域一個單軌截面面積為150平方米，圖30，橫截面積為176平方米的大型車站隧道。

圖30 由于挖掘不同階段造成的地表沉降（第三紀隧道）

圖31 由于挖掘不同階段造成的地表沉降（第三紀隧道）

噴射混凝土法的一個重要的進一步發展是其與壓縮空氣組合作為一種脫水手段。這種施工方法，于1978年在慕尼黑首次實驗成功。從那以后，使用此方法執行了5個作業（韋伯，1983年）。在對沉降物極其敏感的建筑物下開挖奧登廣場地鐵站前（萊斯曼等人，1986年），使用站線測試法（在3個相互不受影響的測量橫截面進行表面平整和滑動千分尺測量）對計劃的隧洞施工方法的適用性進行了調查（Amstad和克瓦里，1984年）。從圖32可以看出，使用壓縮空氣時，沉降盆梯度幾乎減小了一半，沉降值也同樣減小了幾乎一半。

圖33中的滑動千分尺測量為上述內容提供了解釋：

——地面沉降是發生在隧道周圍土壤的壓縮所致。

——當在壓縮空氣下掘進時這種壓縮比在大氣壓力下掘進要小得多。

由于增加壓縮應變而導致的土壤沉降確定通過調整獲得的沉降值。

圖32 隧道中大氣壓力和壓縮空氣條件下的沉降槽（A=80平方米）

圖33 隧道中大氣壓力和壓縮空氣條件下的地面變形。

a）沿挖孔的應變分布；b）沿挖孔的垂直位移

使用壓縮空氣噴射混凝土法對隧道挖掘工程進度有何影響？為了回答這個問題，從單軌隧道中選出兩個作業分別在大氣壓力下和壓縮空氣下挖掘。表2顯示，進度高峰在第一個作業中，在大氣壓力下獲得，在第二個作業中，在壓縮空氣下獲得。

表2 第三紀，單軌隧道挖掘進度

ATM：大氣壓力；CA：壓縮空氣。*5天工作周。

然而，很顯然，在這兩項作業中，在壓縮空氣下比在大氣壓力下進行平均進度要高很多。顯然這一結果的決定性因素，其中包括：

——在隧道口采取脫水措施

——由于材料氣閘瓶頸，嚴格組織施工操作的義務

——在大氣壓力下進行的5項作業的每周記錄進度和在壓縮空氣下進行的隧道挖掘的4項作業已經開辟了一個統計評估的可能性。所示的評估基于第三紀單軌隧道，隧道總長度為1470m，無壓縮空氣和2230m，有壓縮空氣。

——高斯粒度分布曲線（圖34）清楚地表明，在壓縮空氣下，不僅獲得的每周隧道進度的平均值較高，而且成就值的平均偏差較小。壓縮空氣下隧道挖掘平均速度整體增加，從而也大大降低了工期和成本風險。

圖34 使用和不使用壓縮空氣的單軌隧道進展

速度p和q是置信界限的80%

3.4 成本因素

使用壓縮空氣噴射混凝土法，經濟問題自然出現。在5個作業中，壓縮空氣隧道挖掘投標為0.5%-6.5%，低于常壓下的作業。表3中所做的三項關于大氣壓力和壓縮空氣壓力下開挖隧道的成本分擔作業（招標1982/83）表明在大氣壓力下使用灌漿或冷凍方式進行脫水的成本相對較高，超過了在壓縮空氣下進行隧道挖掘和裝備現場增加的費用，使壓縮空氣隧道開挖的總體成本更有利。

表3

*站線由兩個單軌隧道組成。

表4表明在大氣條件下對地下水以上第四紀掘進的成本發展（招標1984/85），如在延伸線區域中進行的掘進。可以看出，雖然礫石掘進存在很大困難，但沒有地下水可能會導致成本大大降低。

表4

4 結語

在所描述的經驗基礎上，可以判定，噴射混凝土法，特別是與壓縮空氣相結合，已經在慕尼黑的底土中證明了自己。在水文地質問題上，安全性已經增加，沉降物降低，這樣可以在對沉降物敏感的結構下挖掘隧道，而不對其造成損害。此外，使用壓縮空氣進行噴射混凝土隧道開挖對環境損害較小，因為沒有必要再鉆孔和操作井。

其副作用是噴射混凝土挖掘隧道會導致開采建設成本降低，這起初是明挖法成本的兩倍。因此，采用噴射混凝土支護進行的地鐵隧道施工在慕尼黑地鐵網絡的進一步擴大發揮重要作用。

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