(Geo-Research Institute，日本 大阪 550-0012)

0 引言

在亚洲的一些大城市，如东京、大阪、上海和新加坡等的软土地层中修建地铁、地下通道、地下购物中心及供水、排污系统，埋深超过30 m的越来越普遍。为了满足深部地下空间开发的需要，一些诸如地下连续墙、土体改良、地下水处理及各种盾构隧道施工新技术被开发并已经应用到地下工程施工中。

然而，由于缺乏深埋复杂地层中的隧道施工经验，坍塌等突发事故时常发生。因此，很有必要介绍地下工程施工新技术，如现场勘察、监测、隧道开挖、土体改良和地下水处理等。

地层层析成像是一项新开发的现场勘察技术，可提供连续、详细的现场勘察报告。在有密集地下建筑物的市区，障碍物探测新技术及施工中或施工后的监测技术都很必要。最近，光纤、无线监测系统如微电机系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)已开发并投入应用。电测量技术，如电化反应系统或电通量示踪系统(ECR/EFT，Electrochemical Response System/Electrical Flux Tracer System)，不失为探测可能引起事故的渗漏水区域的一种有效方式［1］。

根据城市不同的用途和不同的施工环境，开发了新的隧道掘进技术。多圆盾构、水平/垂直双向盾构(H＆V Shield)、偏心盾构(DPLEX Shield)等都是近几十年研发的有代表性的隧道掘进机。除此之外，也开发了如急速下穿法(URUP，Ultra Rapid Under Pass method)、顶管法等新的下穿施工法。对于大断面隧道，可采用Harmonica法，该法是用小矩形断面的几个组合盾构进行开挖。挤压混凝土衬砌法(ECL，Extruded Concrete Lining)是一种新的衬砌技术，代在现场施做，可替常用的预制管片。

在基坑施工中，为防止连续墙接缝发生渗漏，开发了配备有姿态控制系统的钢筋混凝土连续墙液压挖掘机。作为新型的土体混合搅拌墙施工法，也开发了安装有电锯的切槽搅拌深墙法(TRD，Trench Cutting＆Re-mixing Deep Wall method)［2］。此外，为土体改良开发的先行地中梁法(Cross Wall Beam method)在软黏土地层中也能有效地控制地下连续墙开挖中的变形。

在卵石地层开挖或障碍物移除施工中，开发了大型旋转套管钻机。气压沉相法采用遥控系统，能实现现场的无人化施工，能实现在深处高水压环境中的安全工作。

土体改良方法，如注浆法、水泥深层搅拌法和旋喷法等的技术改进也很显著。用高压注浆泵旋喷法可在地层中形成高强度大直径(直径超过4 m)的旋喷桩。另外，通过地铁旋喷系统(MJS，Metro Jet System)［3］，可施做水平旋喷桩。

近些年，开发了一种新型的生物技术土体改良法(“生物灌浆”法［4］和“生物封闭”法［5］)。“生物灌浆”法能改善土体的硬度和强度，“生物封闭”法能通过促进一些菌类的增殖来封堵地下水的渗流途径。超级井点降水法结合了真空井点降水法和深井降水法的优点，作为一种地下深层降水法已投入应用［6］。

1 现场勘察和监测

1．1 现场勘察

在地下工程施工中，为保证经济和安全，准确的地质信息十分重要。设计和施工必要的信息，如土的性质和地下水情况，通常都是通过钻探获得的，但钻探只能得到一些孤立的点的信息。在绘制地质剖面图时，这些钻之间的局部异常(如因断层或溶洞引起的重要变化)很可能被忽略。此外，由于大型地面和地下建筑物的存在(如地下坑道及地铁)，使得探测这些结构物下的地质情况非常困难。

为解决这些问题，研发了一些现场勘察技术，如:1)利用地震波、电磁波、声波等的地球物理勘探和层析成像技术;2)利用地震波从隧道掌子面或竖井进行堪探;3)从地表进行的控向钻孔勘察和从竖井进行的水平钻孔勘察;4)基于TBM掘进施工或钻孔数据的“边钻边探”(MWD，Measuremeat While Drilling);5)地下水渗漏检测技术，如电化反应系统或电通量示踪系统(ECR/EFT)。

1)地层层析成像技术是通过雷达波、表面波、电磁波、地震波和声波进行勘察，适用于深部和复杂地层的地质勘察。孔间地球层析成像技术类似于医学中CT扫描，是一种连续的横断面勘察方法。两个钻孔分别用来设置振源和多频道接收器。通过探测抗抵和速率的分布，可以得到两孔之间的地层情况的二维的要视化分布。

声波层析成像技术［7］通过用频率超过1 kHz的高频声波，探测P波速率的分布和振幅的衰减率，以反映地层性质。根据观测数据，可计算速率和衰减，进而显示地层信息。图1为应用该技术的成果之一。

图1 声波速度层析成像Fig．1 A velocity imaging of acoustic wave tompgraphy

2)水平振动勘探技术［8］(HSP，Horizontal Seismic Profiling)是隧道施工中有效的勘察方法之一。振动波从隧道掌子面发出，并记录反射情况。通过分析，可以判断掌子面前方的断层位置。

3)控向钻孔技术可以控制钻进方向，能有效地用在一些工作空间受限的探测点。若有必要，钻进方向可以被调整至水平位置［9］。

4)旋转触探法和旋转冲击钻探法［9］是典型的“边钻边探”(MWD)技术。钻进中，监测并记录钻机的各项数据(如转矩、推力、速度、转数等)，通过这些数据，评价地层性质。同样的，盾构隧道掘进数据能通过反分析来评估地层性质。

5)在高水压的软土地层中进行地下工程施工时，地下水渗漏探测是一项非常重要的技术。电化反应系统或电通量示踪系统［1］是探测渗漏的一种有效技术。多种离子溶解在地下水中，产生了可测量的电场。利用这个特征，电化反应系统能通过测量电位来识别渗漏并判断其位置。探测特别小的或只是潜在的渗漏，可通过使用人工电子示踪器结合电化反应系统，使离子流通过密封结构而被增强(如图2所示)。电化反应系统或电通量示踪系统能快速准确地探测到潜在的线性或区域性渗漏，以便进行深埋复杂地下结构(如地铁)的水平和垂直密封质量控制，既使是在开挖前也可以。

图2 电化反应系统或电通量示踪系统(ECR/EFT)渗漏探测图Fig．2 Scheme of leaks detection by Electrochemical Response System/Electrical Flux Tracer System(ECR/EFT)

1．2 监测［10］

近年来，随着开挖深度的增大以及已存在的地下建筑物的密集，在市区开发地下空间变得越来越难。为了实现控制成本的同时保证安全、结构质量和周围环境，现场监测和反馈系统在设计和施工中扮演了重要角色。在地下工程施工中，主要监测项目包括施工引起的地表变形、附加荷载和压力、地下水压力、结构的位移、噪音、振动和地下水位的变化。地下工程施工监测还要求有以下特性:监测设备耐久、防水且监测范围大，能实现无线监测、实时监测并配备反馈系统。根据以上要求，近年来开发了以下新的监测技术:1)微型无线技术(微电机系统(MEMS)、无线通信);2)光纤传感器(B-OTDR，FBG等);3)专用监测设备，如土压计和位移计;4)现场可视化安全管理系统。

1)微电机系统(MEMS)是由尺寸从微米到毫米的电机零件组成的微型装置，它是把计算、通讯功能和传感制动功能相结合形成的尺寸很小的系统。与较大型设备相比，微电机系统传感器的主要优点是:尺寸小、能耗低、灵敏度高、可批量生产、成本低、危害小。微电机系统传感器已应用在土木工程中，可测量加速度、倾斜度、温度和压力等。

2)近来，光纤传感器(B-OTDR)在土木工程中的应用越来越普遍。当入射线通过光纤，反射线会在相反的方向出现，这叫做反向散射现象。通过测量反向散射线的特性，可以获得沿着光纤的应变、温度及其他信息。同其他测量传感器相比，光纤传感器具有耐久、抗噪且能长距离传输等优点。

3)为了准确测量作用于盾构隧道管片上的土压力，一种可安装到管片上的大而薄的液压平板式土压计［13］应运而生。

全方位内空位移计［12］用来测量隧道内部横断面的位移。测斜仪、位移计由连接杆连接，呈多边形方式安装在隧道内部。

4)现场安全管理可视化系统［13］是一种工作人员可以根据由于压力和变形引起的设备发生的光的颜色的变化很容易地确认现场的安全等级的系统。是为监测基础设施施工而开发的新型变形传感器。这种传感器是由变形探测部分和数据可视化部分组成。探测部分与普通的传感器相似，可测量应变、变形等;数据可视化部分由一个特别设计的转换器组成，能把测量的位移转化成相应的LED灯的颜色。

2 隧道与地下工程施工

最近，对盾构掘进技术开发的要求是:长距离、快速、深埋、大断面、多圆盾构、非圆盾构、隧道结构的高耐久性及高投资效益。根据这些要求，开发并应用了一些新技术，如盾构刀具、密封、回填注浆、掘进控制系统和隧道衬砌管片连接系统。除此之外，为了满足地下空间的各种具体要求，开发并应用了各种断面形状的掘进机，如矩形、马蹄形、椭圆形和多圆形。同时，在交通条件和周围环境有限的情况下，为了完成下穿建筑物施工，开发了一些特殊的施工方法和顶推法。Harmonica法、急速下穿法(URUP)等，减小了超大断面地下工程施工对周边环境的影响，这些都是典型的地下通道施工方法。也有非传统的施工方法，如常用于浅埋地下通道施工的顶管法。

2．1 盾构隧道

多圆盾构主要应用于地铁车站及临圆形近其他建(构)筑物的隧道施工中。这种盾构由多个盾构组合而成。与传统的小净距隧道相比，双圆或三圆盾构，圆形工作面部分重叠，能提供更多有效的可用空间。已有部分地铁车站是用多圆盾构施工的。图3是1995年在大阪地铁车站施工的三圆盾构［14］。这是多圆盾构在日本的首例成功应用。此后，三圆盾构和四圆盾构都成功地应用东京地下车站的施工中。

图3 大阪7号线商业园站使用的三圆盾构Fig．3 TBM with 3 faces used the construction of Osaka Business Park station in line-7

实际应用的非圆盾构根据刀盘面板形状的不同分为矩形、椭圆形和马蹄形3种类型。在日本，已有超过15个矩形盾构隧道，作为排水沟、地下通道、地铁等。由于现有结构对竖向定线的限制，东京地铁13号线的区间隧道采用椭圆形盾构施工。在东京地铁东西线延伸工程中，使用了大断面矩形盾构(见图4)。由于使用断面面积为60 m2的矩形盾构，出土量减少了20%。此外，进行了在新名神高速公路采用约190 m2的马蹄形大断面盾构(最大宽度为19 m)的可行性研究［15］。马蹄形断面的开挖，建议采用偏心多轴开挖法(DPLEX，Developing Parallel Link Excavation)。与多轴相连的刀架通过同向转动曲轴实现平行连动。

图4 东京使用的矩形断面盾构Fig．4 TBM with rectangular face used in Kyoto

急速下穿法(URUP)［16］通常用于没有始发井和到达井的暗挖地下道路、下穿铁路的地下通道、公路及其他公共设施的施工中。这种方法有专门的土压平衡系统，能够直接从地面掘进到地下再回到地面。图5显示了急速下穿法的施工过程。

图5 急速下穿法施工过程Fig．5 Procedure of construction by Ultra Rapid Under Pass method

水平和竖直双向盾构(H＆V Shield)［17］在掘进过程中可以分离成两个独立的盾构，分别掘出螺旋形线路(见图6)。双向盾构的原理是用可拆分的连接机构把2台能独立控制的圆形盾构连在一起。这种盾构的始发与普通盾构一样，当需要分离时，可在机器内部把连接栓拆开。通过使用十字铰接千斤顶，控制机器的转动，从而进行盘旋上升掘进。

图6 水平和竖直双向盾构机和上-下式盾构机Fig．6 Horizontal and Vertical shield and up-down shield

开发的多向盾构掘进技术［18］，可以只用一台盾构就能实现任意掘进方向的改变，如从垂直到水平、水平到水平和水平到垂直，可不用在转弯处设置竖井通道。一台盾构机就可以从地面先以垂直方向开挖竖井，然后进入平导(如图7)。采用这种方法，能够起到常规竖井开挖方法所要求的沉箱或地下连续墙的作用，施工更容易，工期更短，成本更低。此法对拥挤的交叉处或地下建筑物以下的地下空间(这些地方通常无法设置竖井来转动盾构)利用很有效。

挤压混凝土衬砌法(ECL)［18］适用于高质量的混凝土衬砌的施工，在盾尾使用现浇混凝土，而不是预制管片(如图8)。在盾构掘进的同时，由与水土压平衡的压力将流动混凝土挤压到盾尾。此法最大的优点是可以使衬砌与地层紧密相连，并使地层沉降或地层松驰程度降到最低。挤压混凝土保证了盾尾的水密性。混凝土衬砌和内部机构之间的摩擦力提供了盾构千斤顶的推力。

2．2 顶管法［19］

顶管法(如SFT法(Simple and Face-Less Method of Construction of tunnel)、Harmonica法等)是一种地下通道施工的有效方法(如图9所示)。SFT法，是在箱型顶的保护下，将箱涵(管)从始发井推至到达井。箱型顶由多个小的箱型管组成。将钢减摩擦板置于箱型顶表面，一同推入地层;之后将减摩擦板与箱型顶分离，并在顶管开始前安装固定，以使顶管阻力最低。此外，管路在密封有渣土的箱型顶尾部一同推进，从而避免了隧道掌子面的开挖工作。SFT法的应用提高了浅埋地下通道施工的安全性。

Harmonica隧道掘进技术［20］采用微型矩形土压平衡盾构，并按照设计的线路进行开挖工作，最后由相邻的小型箱型隧道(如图10所示)连接成整个大的箱型隧道。这种施工方法的理念是将隧道断面分成若干个相似的小断面，并用盾构逐个开挖。采用这种方法可以用于最长400 m的隧道开挖，直道弯道均可。

2．3 明挖法

在明挖法施工中，地下连续墙对保证其安全和质量非常重要。为了减少地下连续墙接合处的渗漏，日本已经研究出一些应对措施，如切槽搅拌深墙法(TRD)、姿态自控土体搅拌墙法(地质钻探控制法(GST，Geo-drilling Survey-control Technology method)等)以及最新型的姿态控制液压RC地下连续墙挖掘机。

切槽搅拌深墙法(TRD)［2］是地下连续墙施工中最具有创新性的施工方法。其采用的设备配备有链锯形的刀具，可以穿透地层(如图11所示)。沿墙轴线方向移动设备切割地层，形成凹槽。开挖出来的渣土和水泥浆从刀具底部注入，并在槽中混合，最终为地层提供临时支护。在渣土水泥浆混合物硬化前，将H型钢依次插入槽内，完成地下连续墙的施工。

图11 切槽搅拌深墙法使用的机械Fig．11 TRD method machine

地质钻探控制法(GST)［21］可以用装在推进螺旋轴上的测斜仪实时测量钻孔的倾斜度。可以通过电脑控制系统来调整钻进姿态，使推进螺旋轴的倾角和位移保持在适当的范围内。图12是采用传统方法和地质钻探控制技术打桩的对比。

图12 地质钻探控制法垂直控制系统Fig．12 Verticality control system of Geo-drilling Survey-control Technology method

2．4 其他施工方法

1)沉井法。遥控气压沉井法(Remote Controlled Pneumatic Caisson method)［22］最初是在 20 世纪 90 年代应用于日本。由于装有摄像头的无人遥控挖掘机能在高气压环境下工作，因而在高孔隙水压力的深层地下空间开挖作业也具有同样的安全性。图13是遥控气压沉井法示意图。

2)全套管旋挖机。其装有切割钻头，在套管切刀的前端有坚硬的薄片(如图14所示)。这种挖掘机具有超强的扭转力，可以通过撞击、切割前方遇到的诸如钢筋混凝土、孤石等障碍物，用冲击式抓斗将切割下来的渣土运送出去，同时将套管旋转压入地层。

3 土体改良与地下水处理

3．1 土体改良

根据土体改良机制，地下工程土体改良法可以分为:1)旋喷桩法(Jap，Jet Grouting Pile，包括旋喷柱法(CJG，Column Jet-Grout method)、超级旋喷法(Supper Jet)、地铁旋喷系统(MJS)、摆动旋喷法(PJG，Pendulous Jet Grout)、交叉旋喷法(Gross Jet)和粉喷法(DJM，Dry-Jet-Mixing)等);2)深层水泥搅拌法(CDM，Cement deep mixing，包括土体搅拌墙(SMW)、CDM和SDM(Supper Deep Mixing)等);3)灌浆(化学灌浆、渗透灌浆和水泥灌浆等);4)生物改良法(生物密封、生物灌浆)。

1)旋喷桩法［23］(JGP)是利用高压将水泥浆喷入地层从而形成水泥柱。由于旋喷桩法在坚硬密实的地层会形成大小不一、直径约1 m的水泥柱，有可能并不能满足稳定与防水要求(如在始发井、接收井和隧道掌子面等处)。于是开发了高达40 MPa压力的新型旋喷桩法，包括旋喷柱法(CJG)、超级旋喷法(Supper Jet)、地铁旋喷系统(MJS)、摆动旋喷法(PJG)、交叉旋喷法(Gross Jet)和粉喷法(DJM)等。

旋喷柱法(CJG)［24］使用高压水枪、压缩空气和稳定剂施工形成直径在1．0～2．0 m的圆柱体。从三重管前端的控制器喷出压缩空气和高压水切割地层。同时从旋转上升的三重管杆的底部注入稳定剂。旋喷柱法适用于很难用普通的旋喷桩法改良的深度在25 m以上的地层或砾石层。

超级旋喷法(Supper Jet)［25］采用喷射压缩空气和稳定剂加固地层，大量高压泥浆从喷射枪顶部喷出。这种方法可以形成大直径的旋喷柱，同时可以缩短工期并降低成本。5 m直径的旋喷柱可满足标准规范要求。采用本法施工的水泥柱强度是普通旋喷法水泥柱的6倍，同时排泥量减少40%。

地铁旋喷系统(MJS)继承了普通高压旋喷法的优点，同时克服了普通高压旋喷法的局限性，增加了测压装置和渗水管。该法最大的优点在于其泥浆系统，可从水平到垂直方向全方位施工。

摆动旋喷法(PJG)［26］用六边形喷筒控制喷射方向，根据土体改良的目的形成圆柱形或扇形旋喷桩。该法能缩短工期，并因为可缩小截面面积而节省了稳定剂。图15是摆动喷射法施工示意图。

交叉旋喷法(Gross Jet)［27］通过采用交叉超高压旋喷控制土体改良范围，形成直径2．5 m的均匀的旋喷桩，如图16所示。交叉旋喷法可在任何地层施工直径均匀的旋喷桩，这是传统施工方法做不到的。

2)深层水泥搅拌法(CDM)［28］是将水泥浆与软土在原位搅拌，以达到所需强度的土体改良法。这种方法能够应用于大面积及深达约30 m的地层，与其他方法相比，费用更低。为了控制地层变形，优化后的水泥深层搅拌法，在搅拌轴上部安装有螺旋叶片，可运走渣土。

超级深层搅拌法(SDM)［29］是一种由机械搅伴和高压喷射组合而成的混合土体改良法(如图16所示)，可生成大直径搅拌桩。同时，由于用特有的螺旋钻运走渣土，从而减小了地层位移。

3)渗透注浆法［30］通过采用双管双填充器来增加软土地层土体强度，可长期保持改良效果的稳定性。基于渗透原理，用低压将浆液注入地层，浆液渗入地层间的空隙，从而最大限度地避免破坏土体结构。在砂层中，改良土体的最大直径可达4 m。

4)生物改良法是一种新型土体改良法，包括生物密封法和生物灌浆法等。生物密封法［5］通过改变土体渗透性，可简单有效地防止围护结构渗漏水，可密封天然持水层(如泥炭层和黏土层)。与传统渗漏封堵法相比，生物密封法无需在渗漏的具体位置上进行修补，根据流向渗漏位置的地下径流方向即可定位需要修补的位置。生物密封法主要应用于基坑、隧道、井、盐渗流和大坝漏水。生物密封开始后，Nutrolase营养液被注入地层，并随地下径流送到渗漏点。Nutrolase营养液主要激发渗漏处土中微生物的活性(如图17所示)。由于渗漏点的水流量最大，因而发生养分的持续置换，最终形成养分的高度聚集。这样就会在渗漏点形成生物软泥和矿物堆积，从而阻塞了土粒间的孔隙。

生物灌浆法［4］是一种用微生物学法使碳酸钙结晶析出的新型土体改良法。该方法根据土体种类的不同，通过碳酸钙或硅酸盐的固结来增加土体强度，若是改良砂土地层，则采用微生物诱导析出方解石。整个过程需要将实验室培养的土壤细菌与尿素和钙的溶液一起，注入地层;这些细菌把尿素转化为碳酸盐，碳酸盐又能和钙反应，形成方解石;方解石结晶析出在砂粒上，并把砂粒胶结在一起，从而增加了土体的强度和硬度;经方解石沉淀固结后，砂土地层的强度可达0．25～0．3 MPa，且不会降低砂土的孔隙度。但要注意的是，在生物灌浆过程中，需要将残留的氯化铵分离出来。图18是生物灌浆的一系列实验。

3．2 地下水处理与地下径流保持

1)超级井点降水法(SWP，Supper Well Point)［6］。普通降水法，如井点降水法(强制降水法)、深井降水法(重力降水法)和真空深井降水法(重力降水法与强制降水法的结合)等，均有一定的缺陷。但是，新型的超级井点法(SWP)极大改进了真空深井法，并克服了其缺陷。通过一个特别设计的双管过滤器，能保持井内高度真空。超级井点法能排出超深位置的水。同普通深井法相比，超级井点法的排水能力提高了1．2～10倍。本法能使较大范围内的地下水位快速下降。

2)地下径流保持［31］。当挡土墙或线形地下建筑(如隧道)遇到含水层，地下水径流会被阻断，使上游地下水位上升，下游水位下降。这样，上游的地下水会渗入地下建筑的基础，使地下建筑物抬升。不仅如此，地下水位的上升使土体的抗液化能力降低。此外，下游地下水位的降低还会使水井干涸，地表下沉。因此，包括进水口、导水管和补给设施等在内的地下径流的保持措施都是必要的。现在比较常见的方法是，在地下建筑中为地下径流留出自由通道，以最大限度地减小对天然地下径流的影响。

4 结论

本文介绍了市区地下工程施工的一些新技术，包括现场勘察与监控技术、隧道及地下工程施工技术、土体改良技术、地下水处理技术与地下径流保持技术。这些新技术利用了电子技术、现代电信号与控制技术、生物技术等，使地下工程具有更广泛的用途和更高的安全性。这样，就能更有效、经济、环保地开发地下空间。若这些技术得到有效利用，不仅能满足大城市地下工程施工的要求，同时，通过技术共享，也能适用于发展中城市。

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