《隧道施工和安全》PPT课件.ppt

隧道施工和安全,中铁二十一局集团有限公司 2012年1月,引言,随着我国经济的发展，我国铁路、公路、地铁、水电站等隧道工程得到很大发展，除隧道的数量增加外，隧道的长度也大幅增加，隧道施工方法也多种多样。据不完全统计，截止到2010年底，我国建成的铁路隧道总长度已经接近8000公里，公路隧道总里程数超过3000公里，而目前，全国有轨道交通规划线路总长超过4000公里，其中需要建设隧道的线路占了相当大的比例，另外，包括西部大开发的铁路、公路隧道，地铁、地下公用设施、顶管机械及其它西气东输、水电站工程等，一年也有450公里的隧道建设量。我国到2020年前规划建设5000座隧道，长度超过9000公里。在取得骄人成绩的同时，我们憧憬着未来，也背负着挑战。,一、隧道施工特点,隐蔽性大，风险性大，环境恶劣； 作业空间有限，循环次数多，综合性强； 施工是动态的，施工过程力学状态是变化的，围岩的力学性质是变化的。,二、隧道施工理念,保护围岩、 内实外美、 重视环境、 动态施工,三、隧道施工基本原则,1、围岩是隧道的主要承载单元，施工中要充分保护围岩。为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。 2、变形的控制主要是通过支护阻力的效应来达到的。 3、在施工中，必须进行实地观察、量测和监控，及时提出可靠的、足够数量的量测围岩变化、支护变化等资料，以指导施工和设计。 4、支护手段一般应选择能大面积的、牢固地与围岩紧密接触的、能及时施作和应变能力强的。 5、隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。在可能条件下应尽量采用全断面或大断面开挖方法。 6、隧道支护结构在较短时间内闭合极为重要。 7、隧道结构的耐久性主要体现在二次衬砌上。 8、隧道施工必须建立设计施工修改设计一体化的施工管理体系。,四、施工方法选择的因素,1、施工条件：施工队伍的施工能力、素质和管理水平等。 2、地质条件：围岩级别、地下水、不良地质现象等。 3、隧道断面：尺寸、形状。 4、埋深：浅埋、深埋。 5、工期：辅助坑道设置、机械化水平、管理水平。 6、环境条件：隧道施工对周围环境产生的爆破震动、地表下沉、噪声、地下水变化等。,五、施工方法,1、明挖法：敞开法、基坑支护法、盖挖法（钻孔桩、地下连续墙）。 2、暗挖法：鉆爆矿山法（传统矿山法、新奥法）、非鉆爆法（浅埋暗挖法、TBM、盾构法、沉管法、顶管法）,六、新奥法基本原理（1）,新奥法（NATM）是新奥地利隧道施工方法的简称，它是奥地利土木工程师L.V.Rabcewics于20世纪60年代提出的，1978年奥地利的L.Muller(米勒)总结了22条，以后有人总结了7条。 1、围岩是隧道结构的主要承载部分。 2、开挖后需对围岩进行加固，以使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度。 3、隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环区；另一方面，又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载。,六、新奥法基本原理（2）,4、初次支护主要作用不是用来承担隧道围岩所失去的承载力，而是保持围岩的自承状态，防止严重的松弛和卸载。 5、初次支护的建造应是适时的，使围岩在开挖后延时一定时间来得及变形并形成承力保护区，以达到较好的支撑效果。 6、围岩自稳时间，一方面依靠对围岩地质条件的初步调查，另一方面可通过在建造过程中量测隧道周边的位移来评定。 7、由于喷射混凝土具有可填平洞壁不平整面、与围岩紧密结合等特点，使围岩不发生严重的应力重分布，常被用来作为初次支护，必要时还使用锚杆、钢筋网和钢拱架。 新奥法的核心：利用围岩、锚喷支护、监控量测,七、新奥法开挖方法,利用新奥法施工的隧道开挖方法有全断面法、台阶法(三台阶七步法)、分部开挖法(CD法、CRD法、双侧壁导坑法)。 隧道开挖外轮廓线为隧道净空轮廓线 5cm二次衬砌厚度初期支护厚度预留沉落量。,新奥法开挖方法全断面法,1、全断面法：按照隧道开挖外轮廓线一次开挖成形的施工方法。适用于、级围岩，、级围岩在采取措施稳定掌子面或小断面适用。 全断面法施工工序示意图,全断面法施工特点,1、全断面法施工作业空间大，有利于大型机械施工，施工速度快，操作工序少，施工干扰少，便于施工组织和管理。 2、由于开挖面积大，对地质条件要求高，围岩必须有足够的自稳能力，每循环工作量大，爆破开挖震动大，对施工机械能力要求大,新奥法开挖方法台阶法,2、台阶法：把施工断面分成上、下两个断面或三个断面的方法。 有二台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶七步法，适用于级围岩，、级围岩在采取超前支护措施稳定掌子面或小断面适用；隧道断面较大可采用三台阶法；地质条件较差，掌子面自稳能力差可采用三台阶预留核心土。,台阶法施工工序示意图,三台阶预留核心土施工工序示意图,台阶法施工特点,1、台阶法灵活多变，适应性强；具有足够的作业空间，施工速度；台阶有利于开挖面稳定。 2、台阶法上下台阶施工干扰大，多次开挖围岩扰动大。,新奥法开挖方法CD法、CRD法,3、CD法（中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法）：把断面分为两个断面，每个断面采用两个或三个台阶施工，两者区别主要在于台阶施工顺序不同，且CD法无临时仰拱，CRD法有临时仰拱。适用于、级围岩浅埋或级围岩大断面隧道。 CD法、CRD法施工复杂，初期支护材料用量大，需大量采用临时工字钢、喷射砼，主要为人工施工，机械辅助，早期沉降量小，但临时中隔壁拆除时，沉降量急剧增大。,CD法（中隔壁法）及CRD法（交叉中隔壁法） 施工工序示意图,新奥法开挖方法双侧壁导坑法,4、双侧壁导坑法：又称眼镜法，一般把断面分成三部分，左、右侧壁导坑及中间上、下台阶，导坑宽度不宜大于断面最大宽度的1/3。适用于、级围岩大断面隧道，特别是对地表沉降要求严格的隧道。 双侧壁导坑法施工断面更小，工序更复杂，临时材料用量大，主要为人工施工，施工沉降量小。,双侧壁导坑法施工工序示意图,八、浅埋暗挖法施工,浅埋暗挖法是王梦恕院士于20世纪80年代在北京地铁创立的，2004年12月出版了地下工程浅埋暗挖技术通论，详细介绍浅埋暗挖法施工。 浅埋暗挖法采用了新奥法基本原理，创建了信息化量测反馈设计与施工的新理念，采用先柔后刚的复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护承担全部基本荷载，二次衬砌作为安全储备，初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；采用不同的开挖方法，及时支护封闭成环，与围岩共同形成暖联合支护体系；施工中应用监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方，少沉降。,浅埋暗挖法十八字方针及适用范围,浅埋暗挖法十八字方针：管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测。 适用范围：软弱围岩浅埋地段洞口段；土质或软弱无胶结的砂、卵石等第四纪地层；结构埋置浅、地面建筑物密集、交通繁忙、地下管线密布、沉降要求严格的地下工程。,浅埋暗挖常用的辅助措施,浅埋暗挖常用的辅助措施：环形开挖预留核心土、喷射砼封闭掌子面、超前锚杆或小导管支护、超前小导管周边注浆加固围岩、上半断面临时仰拱、水平旋喷桩超前支护、深孔注浆加固地层、长管棚超前支护或注浆加固地层、特殊地层的冻结加固地层、地面锚杆或高压旋喷桩加固地层、洞内超前水平降排水、洞内外降水。 浅埋暗挖法是应用新奥法原理，结合我国施工情况，采用施工辅助措施的一种施工方法，我国软弱围岩施工原理都基于此方法,九、钻爆施工,钻爆施工是以钻孔、爆破工序为主，配以机械出渣的施工方法。根据不同炮眼起爆顺序不同，隧道钻爆施工分为光面爆破、预裂爆破、预留光爆层爆破。,爆破方法及适用围岩,光面爆破先起爆掏槽眼，再起爆辅助眼，最后同时起爆周边眼。适用于硬质岩。 预裂爆破先起爆周边眼，再起爆掏槽眼，最后起爆辅助眼。适用于软质岩。 预留光爆层爆破爆破顺序基本同光面爆破。适用于分部开挖软弱地层。,预裂爆破方法,预裂爆破首先起爆周边眼，由于围岩夹制作用，只能在软质岩中效果好。理想的预裂爆破在周边眼形成一个贯通裂缝，其爆破技术较光面爆破复杂，钻眼数量多，现阶段隧道施工很少采用，一般采用光面爆破。,钻爆设计,隧道开挖根据地质条件、开挖断面、开挖方法、循环进尺、钻眼机具、爆破器材及环境要求进行钻爆设计。 钻爆设计的内容：炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼）布置、深度、斜率、数量，爆破器材，装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术指标及必要的说明。,炮眼形式（1）,掏槽形式应根据钻眼机具、断面大小、循环进尺、围岩级别及爆破震动选择直眼掏槽、楔形掏槽。掏槽眼应加深1020cm；采用高猛度的炸药。 周边眼沿开挖外轮廓线布置，炮眼间距误差不大于5cm，外插脚23，眼底不得大于外轮廓线15cm。周边眼宜采用低密度、低爆速、低猛度、高爆力的炸药，装药结构采用小直径连续装药或间隔装药。 辅助眼位于周边眼和掏槽眼之间均匀分布，间距应满足爆破岩石块度要求。,炮眼形式（2）,钻爆法施工钻孔的位置、深度一定要符合规定，钻孔效率要高。由于钻爆设计采用工程类比法，因此装药量要根据爆破试验确定。 关于炮眼直径、炮眼数量、深度、装药量等详细爆破参数由于时间关系不一一介绍。,钻爆施工新工艺水压爆破,今年11月26日集团公司在邯长铁路举行了水压爆破推广现场会，效果很好。水压爆破是何广沂教授在20世纪80年代应用的，2002年开始隧道水压爆破研究。水压爆破推广缓慢我认为有两个原因，一是水袋生产，二是施工管理。隧道水压爆破的操作简单、效果是明显，具有“三提高、一保护”的作用，提高了炸药利用率，提高了施工效率，提高了经济效益，保护环境。现在已解决了水袋问题，施工效率高，值得推广。,十、装运渣,装运渣时间是隧道施工重要作业环节，在掘进循环中占比重很大。 装渣机械：按行走方式：轨行式、轮胎式、履带式； 按动力方式：风动、电动、内燃； 按作业方式：铲斗式、立爪式、耙斗式； 一般采用装载机、铲斗装渣机、立爪装载机。 运渣方式：有轨运输（平板车、矿车、槽式列车）和无轨运输（自卸汽车）。,十一、支护结构,隧道支护结构分为超前支护、初期支护。,1、超前支护,超前支护为了提高围岩强度、自稳能力和止水效果，包括预注浆（垂直注浆、水平注浆）、超前管棚、超前小导管、超前锚杆、水平旋喷桩。 管棚施工一是要注意增加管棚地段预留沉降量；二是要注意导向墙基承载力，可以采用向外扩大基础；三是钻孔要向外有一定的角度，防止管棚侵界；四是注浆压力要符合要求。 超前小导管主要注意注浆。,2、初期支护（1）,初期支护采用钢拱架（工字钢拱架、格栅钢拱架）、钢筋网、锚杆、喷射砼组成的锚喷支护，以控制围岩变形、防止塌方。 喷射砼必须满足设计强度、长期强度、厚度和岩面粘结力。喷射砼水胶比不大于0.5，水泥（胶凝材料）用量不宜小于400kg/m3，3h强度应达到1.5MPa，24h强度应达到10MPa。 现阶段多采用干喷，注意速凝剂的掺量，特别是喷射砼的强度。 工字钢架一般采用Q235钢，存在问题是采购国标和非标，肋板厚度要够。钢架加工尺寸要标准。焊接质量合格，接头要增加夹板。,2、初期支护（2）,锚杆一般采用砂浆锚杆、中空注浆锚杆、组合中空锚杆、自进式锚杆。锚杆要和钢架焊接，中空锚杆要注浆。 隧道基底处理采用旋喷桩、灰土挤密桩、树根桩、钢管桩。隧道施工作业面小，基底处理要注意选用合理的施工机械。尽量不采用随意扩大断面的方法加固基础。,十二、衬砌,二次衬砌在围岩变形基本稳定后施作，变形趋于稳定条件：周边变形速率明显下降并趋于缓和；水平收敛（拱脚附近7d平均值）小于0.2mm/d、拱部下沉速度小于0.15mm/d；累计位移值达到极限位移值的80%。 在不良地质、浅埋隧道二衬应提前施作。 二衬台车要有足够的强度，保证多次使用不变形。台车面板非活动部分尽量焊接成整体后，采用砂轮打磨光滑。 二衬砼采用高性能砼或防水砼，砼掺合料多，强度增长慢。砼拌合时间要符合要求，砼养护要到位，防止砼强度不够。砼运输中不得随意加水，砼入模防止离析，震捣时防止漏捣。,十三、防排水,隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设施的正常使用。防排水有施工防排水和结构防排水。,1、施工防排水,洞顶截水沟应及时修建；洞内顺坡排水沟断面应满足需要，松软地段排水沟应铺砌或采用管槽；洞内反坡排水应设集水坑，采用抽水机接力抽出洞外；水位较高软弱地层可采取降水措施减低水位。 隧道施工一定要保持隧道内干净，不得集水。,2、结构防排水,结构防排水采用防水板和二衬砼进行防排水。 防水板铺设存在初期支护表面不平整、接头不密实、过紧过松，防水板自身质量是没问题的，防水能力主要在施工。初期支护表面不平整多因硬质岩光爆效果差，喷射砼厚度不够。防水板的富余或不足产生的空洞集中在拱部，而这种空洞是没有办法弥补的。一般防水板长度为铺设轮廓线的1.1倍左右。 环向盲管应固定牢固，纵向盲管应高于水沟底，盲管出水口应有不小于2%的坡度，并不得低于水沟底。,十四、超前地质预报,超前地质预报是在分析既有地质资料的基础上，采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判释及预报，并提出技术措施和建议。 超前地质预报内容：地层岩性、地质构造、不良地质、地下水。,超前地质预报方法,1、地质调查法：隧道地表补充地质调查、洞内开挖工作面及洞身地质素描、地层分界线及构造线相关性分析、地质图。 2、超前钻探法：超前地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄影。 3、物探法：弹性波反射法（地震波发射法、水平声波剖面法、负视速度法、陆地声纳法）、电磁波反射法（地质雷达）、红外探测法、高分辨率直流电法。 4、超前导坑预报法：平行超前导坑、正洞超前导坑。 一般短距离采用地质雷达，中长距离采用地震波发射法（TSP202、TSP203）。 红外探测法适用定性于探测30m以内地下水方位；高分辨率直流电法适用于探测80m以内地下水位置及含水量大小。,十五、监控量测,监控量测是在施工过程中使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为及它们之间的力学关系进行观察，并对稳定性进行评价的过程。它是保证工程质量的重要措施，也是判断围岩和衬砌是否稳定，保证施工安全，指导施工顺序，进行施工管理，提供设计信息的主要手段。,监控量测项目,1、必测项目：洞内外观察；拱顶下沉；拱脚下沉；净空变化；地表下沉（浅埋段）。 2、选测项目：围岩压力；钢架内力；喷射砼内力；二次衬砌内力；初期支护与二次衬砌之间接触压力；锚杆轴力；隧底隆起；围岩内部位移；爆破震动；孔隙水压力；渗漏水量。 接触测量采用深入围岩中埋设6闭合三角形钢筋，非接触测量采用反光站标。一般测点设在开挖工作面2m以内，在开挖后24h以内、下次爆破前进行初次测量。,十六、施工现场布置（1）,隧道施工场地布置必须本着全面规划、统筹安排、合理布置、因地制宜的原则，根据工程规模大小、洞口地形特点、弃渣场位置、水源情况及工期要求，结合劳动力安排、机械设备、材料用量、施工方法等因素，绘制施工场地总平面图。 1、通风机房和空压机房应靠近洞口，风管尽量减少弯折，以减少管道中风能量损失。 2、高压水池应在山上3050m高度，能产生足够压力满足工作面水压需要。寒冷地区要考虑冬季施工用水。 3、变压器房可设在洞顶，发电机房可适当远离洞口。洞内施工超过1km，可以考虑高压进洞，洞内设移动式变压器供电。,十六、施工现场布置（2）,4、钢筋加工棚应靠近主干道，靠近洞口，以利于材料运输。 5、搅拌站应靠近主干道，尽量和钢筋加工棚相对。 6、炸药库应选择远离洞口500m以外隐蔽地点，炸药和雷管应分别存放。 7、生活用房应远离工地，避开洞口，方便工人休息。 8、临时道路应直通各施工场地，尽量采用双车道，道路应硬化，以利于雨季施工。,十七、施工风水电,隧道施工作业环境要求：空气中氧气含量不小于20%（按体积计）；含有10%以上游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg/m3；含有10%以下游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg/m3；一氧化碳容许浓度不得大于30 mg/m3；二氧化碳不得大于0.5%；氮氧化物换算成二氧化氮浓度应小于5 mg/m3；气温不得高于28；噪音不得大于90dB,1、施工通风,各项作业需最小风量：每人供应新鲜空气3m3/min；内燃机械作业不少于3m3/(min.kw)。施工风速全断面开挖不小于0.15m/s，分部开挖不小于0.25m/s，但不大于6m/s。 一般隧道施工采用机械通风，通风方式有压入式、抽出式、混合式及巷道式。,压入式及抽出式通风原理 及风量计算,压入式通风采用轴流式风机把新鲜空气通过软式风管压入工作面，污浊空气沿隧道反向流出洞口。有效射程大，冲淡和排出炮烟作用强，风机污染小，通风安全。长距离隧道需风量大，排烟时间长，易污染整条隧道。 抽出式通风采用风机把污浊空气通过硬式风管抽出洞外，新鲜空气通过隧道流入工作面。排烟效果好，回风不污染隧道。风机易污染，风管已损坏。 风量计算分别按排除炮烟、洞内最大工作人数、最低风速、内燃机械废气等因素，取最大值。,2、高压风,隧道工作面风压不小于0.5MPa，高压风管的直径根据最大需风量、风管最大长度、闸阀数量等条件确定，不宜小于100mm。 空压机数量根据单机制风量、最大需风量配置,适当考虑备用。 最大需风量一般由单个凿岩机需风量和同时工作数量确定，并考虑管道漏风系数。,3、施工用水,施工用水有生产用水、生活用水、消防用水。 生产用水的隧道工作面水压不小于0.3 MPa，用水量主要为拌合用水、凿岩机用水、养护水等。 生活用水根据施工人数确定，生产工人每人平均用水量0.10.15m3/天，非生产工人每人平均用水量0.080.12m3/天。 消防用水按房屋建筑面积计算，每3000m2消防用水量1520L/S，灭火时间为0.51h。 储水池一般设在洞顶上方附近，水池容积为50100m3，高差3050m，管道一般采用80100mm无缝钢管。,4、施工用电,施工用电分动力用电和照明用电。供电采用三级配电二级保护方式，变压器型号和电线规格根据用电设备同时工作最大负荷计算。 供电线路采用380V/220V三相五线制；照明电压作业地段采用36V，成洞地段采用220V；低压电路末端电压降不得大于10%。 对隧道长度大于1Km地段可采用高压进洞，移动变电站供电。 现阶段施工风水电以经验用量使用多，详细计算少，计划性差，以后应加强计算，合理配置。,十八、隧道施工安全,隧道施工贯彻安全第一、预防为主的方针，建立健全安全保证体系。按管生产必须管安全和谁主管谁负责的原则，逐级签订安全承包合同，达到全员参加，全面管理的目的。 隧道施工是安全高风险施工。隧道施工安全贯穿于每一个工序，每一个人。施工安全分为人的行为安全、设备运行安全、物的状态安全。,1、总体施工安全管理,（1）建立健全安全保证体系，逐级签订安全承包合同。 （2）建立安全生产检查制度，对施工安全生产风险进行评估，制定相应的应急措施并演练。 （3）对每一个施工人员进行相应的安全技能培训。 （4）加强施工现场管理，改善施工环境，给工人一个安全舒适的工作环境。 （5）进入施工场地，必须佩带相应的劳动防护用品。每班开工前，应进行班前安全讲话，强调安全注意事项。 （6）施工现场应有相应的安全标识。洞口应专人值班，建立进洞人员动态管理制度。 （7）施工机械应处于良好运行状态，不得带病运行。,2、开挖方法和施工顺序的安全要求,隧道施工安全与开挖方法和施工顺序选择有很大关系，许多隧道事故都是由于施工方法选择不当，造成围岩失稳发生事故。各种开挖方法有相应的适应性，对地质条件变化应及时改变开挖方法，不得一味为施工方便采用一种方式。每一个开挖方式有规定的施工顺序，不得盲目冒进，减少工序。 开挖方式危险源：开挖方法不当或擅自改变开挖方法；开挖循环进尺过大或支护不及时；找顶不彻底；作业平台防护措施不到位；爆破作业违章操作。,（1）全断面法,施工机械多，宜发生机械伤人；炸药量使用大，要注意爆破安全；当地质发生变化，及时改变施工方法，不得存侥幸心理；找顶先采用机械，再施工人工。,（2）台阶法,合理确定台阶高度和长度，根据掌子面是否稳定确定是否设置核心土；拱脚不得有虚渣或悬空；中下台阶开挖最危险，开挖进尺不得过大，开挖顺序应采用跳槽开挖；台阶地质不一地段，尽量采用机械开挖，如采用爆破开挖，应严格控制炸药用量。,（3）分部法,分部开挖应严格控制开挖进尺，随挖随支；钢架基脚不得有虚渣或悬空，索脚锚管或锚杆应和钢架焊接牢固，有必要时采用扩大拱脚法，提高拱架承载力，减少沉降；加快施工循环时间，减少各部距离，尽快封闭成环；临时支护拆除应在监控量测指导下进行，拆除不得大于一个衬砌长度。,3、施工工序安全注意事项 洞口地段,（1）洞口地段 洞口地段一般地质条件差，地表水汇集，施工难度大。 洞口施工应尽量避开雨季，洞口土石方工程不得采用深眼大爆破或集中药包爆破。边仰坡应自上而下逐段开挖，及时施工截水沟，边仰坡应按设计进行防护。 洞口段施工主要危险源为边仰坡稳定和进