1、1慕尼黑的地铁建设摘要：慕尼黑地铁系统的计划网络，总长度约为 100 公里，包括106 个地铁站。延伸 21 公里使用喷射混凝土支护建设而成。这项工作的一部分，仍有待完成。在本论文中，对在总的背景下使用喷浆方法的隧道的各个重要方面在以下的主题下进行了讨论：作为一个整体，建设项目的概述参照资金、审批程序和实现过程；随挖随填法和开采技术；单轨隧道施工和大断面、道岔和侧道开挖，处理水时不同的岩土程序，尤其是压缩空气操作；合同做法、建设、安全问题、质量和成本控制、损坏分析和成本比较经验。这项工作基于 13 年的应用和发展。 关键词：慕尼黑地铁建设 喷射混凝土支护隧道 1 概述 在过去的几十年里，随着社
2、会各部门机械化的大大增加，大的人口中心的交通量已发展到越来越难保持这些地区交通量的地步。老城区的街道，尤其是在历史悠久的市中心慢性超载削弱了许多地方古典公共交通工具的吸引力和效率，从而导致交通系统永久性崩溃。这一难题最终可以通过使公共交通系统远离拥挤的道路来解决，如建设高空或地下铁路系统。 1.1 慕尼黑快速交通网络构想 在慕尼黑，早在世纪之交，就发起了兴建地下铁路系统的倡议。南北高速铁路隧道的建设工作开始于 1938 年，但由于战争，只完成了一小2段。 通过建立地下第二交通水平，引入了一个永久性的解决方案，其好处是有目共睹的。在缓解交通问题上已经取得了巨大进展，而市民的流动性却增加了。今天，
3、我们现代的地铁系统每年有 2 亿乘客，即每个工作日有 700000 人。这是一个证明其效率和公众接受度的令人信服的证据。和许多其他大城市一样，在人口稠密区的城市必须面对的问题，一方面是住房，另一方面，则是周边地区的餐饮。因此，一个包括地下和高速铁路系统的概念就被采纳了。 大都市慕尼黑，目前人口为 230 万，占地面积 5000 平方公里，由七条线路，总长度 412 公里，途径 135 站的高速铁路系统供应。一个绵延4 公里长的隧道将伊萨尔河的西部和东部和城市中心的五个新建的高速铁路地铁站主要线路连接起来，将整个地区和城市中心连接了起来。因此，这段隧道与地铁段具有相同的功能。 城市本身铁路运输系
4、统和计划总长度超过 100 公里的地铁系统一同发展。服务人口 130 万。网络（图 1）由三条主线和十一条支线组成。其中九个地铁站可能会从一个线路向另一个线路转变。地铁连接了另外 12点的高速铁路系统，使改变线路更具吸引力。地铁系统的主要特征是具有几条线路的径向网络穿过城市的中心运行。使用这种方式可以使人们认识到，慕尼黑的主要交通一直都流向其具有吸引力的城市中心。 图 1 于 1985 年底完成 60%的慕尼黑地铁系统 开始运行或正在建设中 31.2 体制状况 人口稠密城市地下系统的建设涉及到从规划阶段到建设，最后到投入运行中这一系列与私人利益和公共利益的冲突。因此，地下建设也需要大量的行政工
5、作。基本上所有的技术、行政、法律、金融和经济问题都由城市中央主管机关的“地铁部门”全权处理。在执行和大量建筑工作中取得的成功，主要是由于这个特殊的部门担负起大部分的责任及其能力。 1967 年，慕尼黑地铁建设工作的年工程量达一亿德国马克，于 1974年增加至两亿德国马克，自 1980 年以来，一直处于三亿德国马克左右。总之，到现在为止，近四十亿德国马克已用于建设（图 2） 。这一数额的约 62%用于隧道开挖和地铁站结构。因此，仅从财务重要性上看，这项工作和所采用的施工方法具有相当重要的意义。 图 2 1965-1985 年间的地铁建设支出 有人认为一个地铁项目的重要性与交通、经济、社会、安全因
6、素和一个城市的部分和整个居住区相对紧密的特性有关，那么很明显计划过程和计划敲定程序比建筑物本省的情况复杂、困难。 平面图和规划许可基本上分为三个部分，即站线、 （详细的）施工计划和操作。计划的确定是多步骤过程的主要方面。 从决定建设地铁到地铁最终开通，通常中间有 13 年的间隔。然而，无论是制定计划还是成功让世人接受它们的期限，即使是在今天也不能肯定地预测。该过程的延迟总是导致计划和建设进度迟缓。因此，例如，4在评估径向东西线一段上不同线路的优势和劣势时，研究了十二种路线变化；四个不同地铁站位置的八种变化被列入预选单。在同一地铁站，还研究了适合残疾人电梯的 18 个位置。在本节中，其他人对教会
7、当局的抱怨（担心对教堂建筑造成沉降损害）导致该项目完工拖延了三年左右的时间。 最后但并非最不重要的一点是，正是由于上述原因，敲定计划的程序（变得更加困难）推进了地铁施工方法的进一步发展，因为在许多情况下，计划敲定决定在没有进一步发展的情况下是不可能实现的。 图 3 63 公里长的线路上各种施工方法所占的比例 在所涉及的 68 个地铁站中，6%位于地上。55%采用随挖随填施工法建设，29%采用上层覆盖施工法建设，10%通过开采法建设，或通过喷射混凝土和/或盾构掘进法建设。 如果比较一下这段时间（图 4）各地铁线路所使用的施工方法，就会看出上层覆盖和开采法的使用呈急剧上升趋势。1965 年至 19
8、74 年建造的南北地铁线路，只有 28%，19 个地铁站是通过盾构掘进法建造的，只有一个地铁站是通过封闭法建造的，一个是通过上层覆盖和开采法建造的。始于 1977 年的东西向地铁，应于 1987 年完成外壳建造，相比之下开采法建设比例已占 58%。16 个地铁站中的 4 个采用喷射混凝土法建造而成，7 个通过上层覆盖建造。 图 4 1965-1985 年间各种施工方法所占比例涉及 68 个地铁站，1265公里的单层岩心管（线路长度 63 公里） 这些施工方法的趋势，只能部分解释为与市中心区的地铁建设有关。建造地铁所涉及的越来越困难的法律问题是这些环境上较不反感方法使用越来越多的一个十分重要的因
9、素，从而进一步加剧了更深一步的技术发展。 如果查看累计曲线下的不同施工方法，可以认识到，随挖随填施工法的使用年增长大致保持不变。只有在早期时，地上的路线的重要性值得一提，盾构掘进法也同样重要。相反，上层覆盖法和以上所有喷浆方法，一直不断增加。因此，到现在为止，1600000m3 隧道一直都使用此方法在挖掘，并通过 140000m3 的喷射混凝土加固。 对这方面的发展具有决定性的是在慕尼黑过去的二十年里一贯推崇的地铁建设提供了优化施工方法的机会，并越来越适应水文地质条件，并通过接受各种不同的方案，一次又一次地冒险步入了技术前沿。 因此，不仅可以掌握在城市中心建设地铁的巨大困难，还可以应对建筑造价
10、上升。特别是，能够降低最初造价是随挖随填法造价两倍的地下采掘的成本（图 5） 。这一趋势清楚地表明，在不久的将来，随挖随填施工法会与喷射混凝土法的成本大致相等。 图 5 双轨线路的发展成本（粗略的建筑造价） 因此，选择施工方法时重要性赛过其他因素的成本因素，已经渐渐消退。事件表明，仅随挖随填施工法的进一步发展不可能克服城市内地铁建设的问题 1.3 喷射混凝土施工方法底土条件和重要性 6为了更好地理解下方的观点，对绍什（1966 年）和格布哈特（1977年）所报告的地质条件进行了简要总结。慕尼黑的底土具有以下的地质和水文地质特征（图 6）： 图 6 慕尼黑地质情况示意图 第四纪沉积物在最上层；由
11、不同年龄的冰河间的碎片层构成（由厚到非常厚） 。其厚度一般介于 4 米和 7 米之间，在叠加的下层和上层河阶区域中，其厚度介于 8 米和 25 米之间。下方是软晚的被称为“Flinz”的第三纪砂岩沉积物。它们构成了一层成分变化剧烈的外壳，由含水（由厚到非常厚）的云母砂层（细到中度）和单轴压缩性变化剧烈（约50kN/m2 的高塑性无石灰粘土到 6000kN/m2 及以上的泥灰岩） 、几乎不透水的泥灰质粘土组成。平均压缩性大约 500kN/m2。在多层的第三纪，土层中往往有一个规则的三明治系统。第三纪层有一个波浪形的剖面，在侵蚀沟有锋利的凹陷。因此，挖掘可通过水文地质形成的大部分区域，其脱水需要采
12、取不同的措施。 首先，对于隧道，将使用一个开放旋转的切割机来进行全机械化的盾构掘进作为隧洞施工方法。该方法已经在测试中证明了。起初，在隧道中使用一个双层内衬，堵块或螺旋管，一个内壳，和沥青防水垫绝缘层材料；经过两次点火之后，绝缘层材料就脱落了，防水混凝土内衬是内置的。 然而，不可能通过盾构掘进法解决市中心区的交通干线施工问题。由于其不能弯曲的横截面，从机械和技术因素预测，盾构掘进能在均质土中无限前进，但它几乎不允许额外的措施，如脱水，灌浆或隧道口冷7冻，使用盾构掘进法挖掘复杂的交通结构，如道岔、侧道、地铁站、连接和楼梯隧道，简而言之，一个可行的地铁网络的基本组成部分几乎是不可能的。 因此，喷射
13、混凝土法于 1973 年首次用于两个站线，而且考虑到那里主要的土壤和地下水状况，此后在慕尼黑有了进一步发展，喷射混凝土法同时成为了使用最多的施工方法之一。 如果不使用现代方法，不可能建设许多慕尼黑地铁网络的主要交通结构。举几个例子： 1978 年和 1981 年之间进行的地铁卡尔广场作业是在从一个繁华的交通区街道中间地带一个竖井下方进行作业，公众几乎都没有注意到。在卡尔广场现有交通设施下方建设站线隧道，其中包含一个桩基和一个行人高度、一个地下车库、各种商店和生活区以及一个快速中转站。最初，计划将地铁站整合到这个交通设施的地铁站。然而，线路计划的进一步发展预测在为地铁站和站线结构掘进隧道期间，有
14、必要从隧道口支撑现有卡儿广场结构各种桩。这些桩、地下间壁和一个现有地下车库的支撑，该站线和车站隧道、不同横截面的连接通道掘进都可通过坚持使用喷射混凝土法做到。 已经投入使用的一个地铁站下方（奥登广场） ，只能地下挖掘的一个新建地铁站于 1979 年-1983 年建成。此外，由于不良的结构状况下有许多历史建筑物，所以该作业隧洞掘进沉降要求极为严格；尤其是，上地下水位不能承受脱水措施引起的额外地面沉降。压缩空气和喷射混凝土相结合是该案例成功的原因（韦伯，1983 年；莱斯曼等人，1986 年） 。8脆弱的结构可以在不损坏的情况下挖掘；可以从隧道口将现有的地铁网络结构支撑起来，而不减少地铁线操作，几
15、乎没有任何沉降，复杂的连接结构，如楼梯隧道斜井可以在不降低地下水位的情况下建造而成。 就莱厄尔作业而言，也可以使用压缩空气喷射混凝土法挖掘一个带有连接隧道站线的地铁站结构。不仅是伊萨尔河下方的隧道可以在无安全问题的情况下开挖，即使是隧道口有桩支撑的河结构，而且历史建筑物下方的隧道也可以在无安全问题的情况下开挖（图 7） ，如在两个教堂下方开挖隧道，其中包括著名的洛可可风格的教堂，没有任何值得一提的沉降。这就是上述提到的与最后规划阶段有关的麻烦的起点。挖掘作业期间的测量显示出小于 5mm 的沉降。教会没有遭受任何损害。 图 7 靠近莱厄尔地铁站的圣安妮教堂 （用压缩空气进行喷射混凝土支护） 2
16、喷射混凝土法 为什么在慕尼黑喷浆法代替了盾构掘进法？该问题的第一个答案是地铁站之间的站线长度对于盾构掘进法的经济用途而言太短，其次，尤其是需要挖掘许多不同的横截面包括不定横截面。 重要隧道类型浏览（图 8）所示为用于地铁网络的各种横截面：用于地铁站之间站线的隧道本身，用于侧道、转盘、道岔和分路的横截面。 这些可变横截面可以通过加宽正常横截面，使用喷射混凝土法挖掘，与盾构掘进法相比，这是一个主要优势。到现在为止，通过喷射混凝土法挖掘道岔和侧道所有横截面积不超过 150m2 的双轨和三轨隧道。 在使用开采法建设的八个站台地道中，第一个是通过板桩打样多重9附加来挖掘的。接下来的两个使用盾构掘进法建设
17、起来昂贵、困难，其他所有的都使用喷射混凝土法。 即使是单轨隧道，喷射混凝土比盾构掘进法更有优势，尤其是当涉及长度较短时，但幸亏机械设备的成本较低。 图 8 隧道横截面典型形状 a）线路隧道；b）地铁站隧道；c）存车线/点 J，沥青封缝；W 防水混凝土，F 接缝密封条 表 1 中也同样显而易见：6 个屏蔽作业的逐道长度总计为 12.8 公里，即每项作业平均 2.1 公里；27 项喷射混凝土作业的隧道长度为 34 公里，对应的每项作业的平均长度为 1.3 公里。 喷浆方法的另外一个优点在于其既可以用于第三纪土壤，又可用于第四纪土壤，并且不用在隧道口采用其他措施，主要是指地下水位额外降低。脱水最重要
18、，因为在隧道主要位于地下水土壤层（图 6） 。 表 1 2.1 应对地下水的措施 挖掘必须通过各种地下水位的土层，其脱水需要采取不同的措施（韦伯，1983 年） 。 正如 1.3 节中描述的，慕尼黑最上方的土层是第四纪沉积物（图 6） 。由厚到非常厚的高渗透性石灰石碎石构成。正如已经提到的，它们的厚度为 4 到 7 米，在南部边缘可达 25 米。其中地下水位从表面以下 3 米到10 米，在南部边缘可达 15 米。碎石的渗透系数不小于 0.001 米/秒。 第三纪沙层和第四纪泥灰岩层（图 6）形成了上地下水水位底层。沙10层可以是几分米薄，也可达 10 米厚。其渗透率低10-5 米/秒。泥灰岩的
19、渗透系数是：10-8 米/秒。 被泥灰岩包围的砂层含有承压地下水，因此构成了较低的地下水位。图 9-12 所示为 4 例在最上面的地下水位（第 1GW）隧道位置采取的脱水措施，即 2 例没有压缩空气，2 例有压缩空气。图 9a 所示为第一层的深层地下水。由于涉及量大，距离远，此处不可能降低地下水位。出于这个原因，防止水进入扩展到不透水层的防水墙，与后者形成一个被抽空的水槽。底部区域的剩余水被真空矛杆抽出隧道。 在图 9b 中，第四纪第一 GW 地下水埋深低，隧道位于第三纪沙层中，因此，第一 GW 可通过外部井降低。当沙层延伸到隧道底部时是最有效的。但是，如果溢流水上表面位于隧道区域内（如图所示） ，那么由于土壤的不规则轮廓，通过外部井不可能达到足够的降低，需要通过真空枪去掉地铁口一定量的水。封闭在隧道断面下方泥灰岩中的砂岩矿体通常包含具有第二 GW 测压高度的承压水。这种承压水在相同的水井里减压。 使用压缩空气掘进（韦伯，1983 年）第四纪砾石，仅使用额外膨润土水泥灌浆便能将空气损失保持在一定范围内（图 10） 。 图 10 b 所示为第三纪沙层的完整隧道。此处可以使用压缩空气，而无需再进行任何灌浆，便可挖掘。 在这两种情况下，空气压力必须与第一层水表面的压力（第一 GW）保持相同。 在城市南部边厚厚的砾石层，要求梯度尽可能高，这样隧道不会进
