《大断面隧道》PPT课件.ppt

2019/6/28,1,大断面隧道设计施工中的 关键问题 西南交大 关宝树,2019/6/28,2,一、背景,1、世界范围内，铁路建设的重新定位，一些长大隧道，不断涌现。 例如欧洲共同体，启动了新一轮的高速铁路建设计划，其中在穿越阿尔匹斯山区的线路上出现了几座特长铁路隧道（图1）。,2019/6/28,3,穿越阿尔匹斯山几座特长铁路隧道,2019/6/28,4,2019/6/28,5,在日本5条新干线的整备计划中，隧道工程量也是相当可观的。北陆新干线轻井一长野段，长83.6km，隧道约占44 (36.8km)；东北新干线宫内八代段，长60.0km，隧道约占85 (51.5km)；九州新干线八代一西鹿儿岛段，长125.2km，隧道约占70(87.7km)。在这些线路上也出现了几座长隧道，如岩手隧道长25.8km，紫尾山隧道长10.0km等。,2019/6/28,6,日本新干线的修建把日本的隧道技术水平提高到一个新的起点。其中一个重要标志，就是长隧道的涌现。例如日本的东北新干线在盛岗八户间约94.5km的线路上，有70%左右（约69km）是隧道。其中 岩手隧道是长25.8km的长隧道。在东北新干线的八户新青森间的81.2km的线路上，隧道约占60%（49.89km）。其中八甲田隧道长26.455km，比岩手隧道（25.8km）略长一些。2000年3月所有工区都陆续开工。北陆新干线的长野上越间隧道约占65%，其中饭山隧道长22.2km，是目前施工难度比较大的一座长隧道。长野高琦间的五里峰隧道长15.2km也政治施工中。另一个特点就是，在新干线隧道工程中采用了不少新技术，新工艺、新材料。,2019/6/28,7,德国于80年代初期动工修建的从汉诺威到威尔兹堡新干线，长327km，隧道总延长达118km，占线路长度的37 。包括长达10.7km的兰得吕肯隧道。另一条从曼海姆到斯图加特线路，长100km，隧道约占30 (30km)。,2019/6/28,8,瑞士联邦铁路也计划修建穿越阿尔卑斯山的新隧道。该计划包括4条高速铁路比选方案。将要修建多座特长隧道。这些隧道分别是：乐琴山隧道（38.2km）、辛普郎隧道(35.4km)、圣哥达隧道(49.3km)、斯普林肯隧道(46.7km)和Y型隧道（25.7km）。,2019/6/28,9,意大利从罗马到佛罗伦萨的线路，长度237km，其中穿越阿尔卑斯山的线路实际长度只有78.2km，而且隧道的总延长则达85km。其中，主隧道长度为73km，辅助隧道长度达12km。,2019/6/28,10,台湾正在修建的台北到高雄的高速铁路全长333km，共有总延长39km的50座隧道，最长的隧道约8.4km，隧道比重为11.7 。其中36座隧道将采用掘进机法或钻爆法施工，其余11km用明挖法修建。,2019/6/28,11,2、我国客运专线的启动，引发新一轮铁路隧道的建设。 例如我国铁路开始的新一轮铁路建设，在总长12500km的铁路线上，隧道总延长约2500km，而目前开始修建的客运专线就有近700km的单、双线铁路隧道，长度超过10km以上的，有10多座，其中最长的太行山隧道，长度达27.8km，目前已经开始修建。 我国长度超过10km的铁路隧道列于表1。,2019/6/28,12,表1 中国特长铁路隧道表,2019/6/28,13,根据统计，截止2004年底的统计数据，各国已经建成通车的、正在修建的和规划中的长度超过10km以上的公路隧道及铁路隧道，共有117座，其中中国拥有22座。约占20。,2019/6/28,14,2019/6/28,15,2019/6/28,16,2019/6/28,17,10km以上的公路隧道,注：隧道长度，按4舍5入计，取小数点后1位。 本表的中国数据到2005年4月，其它国家到2003年7月。,2019/6/28,18,因此，在隧道工程领域中，我们不仅是一个名副其实的“隧道”大国，而且正在向“隧道”强国迈进。,2019/6/28,19,3、这些铁路隧道都是以高速为基础修建的,因此，净空断面积 增加较多，特别是开挖断面积增大了，给设计施工带来新的问题。,2019/6/28,20,这些长隧道的修建，无疑地是一个新的机遇和挑战，我们应该利用这个机遇，将我国的隧道设计、施工及维修管理的技术提高到一个新的水平。 应该指出，我国近4000km的铁路隧道和近1000km的公路隧道，以及水工隧道、部分地下铁道，基本上是采用矿山法修筑的，因此，这次发言也把重点放在客运专线的隧道工程，以矿山法修建隧道的技术现状和发展上。,2019/6/28,21,在经济发展的今天，由于环境保护意识的增强，高速铁路进入一个新的发展时期。由于新的铁路干线的修筑是以高速为前提的，这必然会出现大量的隧道群，其中超过十公里或几十公里的长隧道也必然出现。 这些隧道共同的特征是：长；断面变化多；埋深大；地质条件变化多。因此对隧道的设计、施工包括运营管理都提出了不同的目标要求。 修建这些隧道的目标要求可以归纳为： 品质，要具有良好的耐久性、易于维修管理； 不能对周边环境造成长期的影响； 创造一个安全、舒适的作业环境； 工期短、速度快、造价低。 隧道的设计施工技术应该满足这些起码的目标。,2019/6/28,22,二、客运专线的隧道特点,2019/6/28,23,为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以250km/h、300km/h和350km/h速度为目标的客运专线的建设工程，我国的铁路建设又进入了一个新阶段。由于速度的跨越，对构成线路的各种结构物，包括桥梁、隧道、轨道、路基等，提出了更加严格的要求和标准，也提出来许多前所未有的新课题。 目前，正在建设的和拟建的几条客运专线都有大量的隧道工程涌现。在客运专线条件下，如何针对隧道观察的特点、认识和解决所面临的新问题，是一个值得研究的问题。,2019/6/28,24,一、列车运行的高速度，引起的列车空气动力学问题突出，不容忽视； 这包括： 隧道净空有效断面积的确定舒适性； 列车运行产生的空气压对结构物的影响耐久性； 对周边环境的影响缓冲结构的设置。三个方面的问题。,首先，如何认识客运专线中隧道工程与一般线路中隧道工程有何不同。,2019/6/28,25,二、考虑列车高速运营的特点，隧道的净空有效断面积增大，例如在350km/h速度的条件下,级围岩隧道的开挖断面积可达170m2，属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提出来许多新课题；,2019/6/28,26,三、由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加，特别是对一般地质条件下的初期支护技术和不良地质条件下的超前支护技术，提出来很高的要求；,2019/6/28,27,四、列车高速运行的作用，对洞内轨道（包括基底结构，如仰拱或铺底、混凝土填充层等）的影响增大，不仅需要加强基底结构，对衬砌结构也具有一定的影响，不容忽视。,2019/6/28,28,五、对衬砌混凝土的耐久性，如抵抗列车风压的疲劳特性；如何保证初期支护的喷混凝土的耐久性?，以及大断面衬砌结构的抗开裂特性等，都提出来了明确的要求；,2019/6/28,29,六、由于这一轮隧道工程的数量特别巨大，因此，降低工程造价，意义也特别重大。,2019/6/28,30,总之，目前要解决的问题是：高速运营条件下的超大断面隧道的设计施工问题。 因此、客运专线的隧道工程，将是提高我国隧道设计施工技术的重要机遇。我们应该下大力气，切实地做出具有时代意义的贡献。,2019/6/28,31,何谓大断面？,目前我国大断面（三车道）公路隧道已开始修建，如联络重庆市的几条高速公路也从一开始就决定采用3车道的大断面隧道，如铁山隧道，大梅沙隧道、大宝山隧道等都是三车道大断面的。由于3车道公路隧道的断面积比双车道大得多,例如，第二东名公路初期建设的三车道隧道的断面积为113170m2 比一般双车道的85m2 大1.52.0倍。目前为适应140km/h高速度的要求而规划的3车道公路隧道，其断面积达170m2200m2，局部断面达230m2的超大断面，开挖宽度达23m。较初期三车道隧道断面又增加了1.31.5倍。英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m，开挖高度达15.4m，开挖断面积为252.2m2。又如，日本的第二布引隧道，在分叉段是从2车道（净空断面积59m2）变化到34车道的断面（最大开挖宽度24m、开挖断面积240m2）。,2019/6/28,32,大断面隧道的分类 隧道断面划分和开挖断面积 （日本）,2019/6/28,33,日本公路隧道断面划分的基准（2003年）,2019/6/28,34,国际隧协的断面划分,2019/6/28,35,2019/6/28,36,大断面意味着什么？ 在同样围岩条件下，随着开挖断面积的增加，意味着： 1、掌子面的稳定性的降低； 2、施工难度、特别是施工安全管理的难度增大； 3、施工风险的发生概率加大； 4、结构物质量要求的提高。,2019/6/28,37,隧道工程管理的基本问题,安全：安全为主线 技术：确保掌子面稳定和施工质量 管理：实现风险管理,2019/6/28,38,最近一段时间，安全生产形势十分严峻。特别是地下工程，表现得更为明显。其中瓦斯爆发事故占了很大比重。董家山隧道的特大瓦斯爆发事故就是一例。因此，提高安全生产的意识是非常重要的。,2019/6/28,39,所谓提高安全生产意识或风险意识，实质上是要认识到任何生产都存在着风险，只是风险有大、有小，有的是可以接受的，有的是不可以接受的。特别是对地下工程来说，风险常常是在灾难性的，也是不可以接受的。瓦斯爆发、大规模的塌方等就属于这种类型的风险。 因此、减少风险、控制风险和防止风险就成为工程管理中的重大课题。,2019/6/28,40,如何减少风险、控制风险和防止风险，就要依靠纯熟的技术和完善的管理。 因此，技术和管理就成为工程管理中的重要手段。没有纯熟的技术和完善的管理，就谈不上风险的控制。 因此，不管是业主、还是设计、施工以及监理都必须下大力气，狠抓“技术”和“管理”。,2019/6/28,41,技 术,1、确保掌子面的稳定； 2、大力提高支护结构，特别是初期支护的支护能力，特别是喷混凝土的性能； 3、多机作业，尽可能地缩短各项作业的时间；施工方法要为采用大型施工机械或多台机械同时施工创造条件； 4、提高混凝土衬砌的施工水平，防止衬砌的初期开裂； 5、采用根本性的措施，确保防水的质量； 6、设计和施工要采取措施尽可能地减小开挖断面积；,2019/6/28,42,一、掌子面稳定性,在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在通过各种不良地质地段时。 从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式： 掌子面挤出； 掌子面拱部坍塌； 上半断面拱脚下沉； 底部鼓起等。 从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方法也是多种多样的。 超前支护； 扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管； 正面喷射混凝土和锚杆； 底脚锚杆或锚管等。,2019/6/28,43,例如意大利在修建高速铁路隧道中，曾采用以下稳定掌子面的方法。 这些方法都是为了确保掌子面稳定，减少施工风险而形成的。,2019/6/28,44,2019/6/28,45,2019/6/28,46,掌子面超前支护是采用钢管、插板以及注浆等，沿隧道外轮廓，以低角度打设方式加固掌子面前方围岩、约束围岩松弛、掉块的方法。超前支护，基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。,2019/6/28,47,2,2019/6/28,48,3 ,2019/6/28,49,2019/6/28,50,10 ,2019/6/28,51,11 ,2019/6/28,52,上述的掌子面超前支护方法，在大断面的条件下应用，虽然起到一定的作用，但其作用会受到一定限制。 也就是说，在大断面的条件下，为了确保掌子面的稳定，必须加强超前支护的作用，让超前支护尽可能形成一种工法。,2019/6/28,53,超前支护,工程实践证实，在地质不良的地段，发展各种稳定掌子面的辅助工法并使之模式化是极为重要的。日本、意大利在这方面都做了极有成效的工作。 定义：以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结构体。即：不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果的支护。 适用范围： 1、需要提高掌子面稳定性的土砂围岩； 2、以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目的的场合；如浅埋地点、接近重要结构物施工的场合等,2019/6/28,54,标准化的超前支护,日本在新版“城市矿山法隧道技术标准”（2004年）中，把超前支护类型、参数及适用条件做了具体的规定，超前支护已经标准化。,2019/6/28,55,超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形构造为主，有的是以纵向连续性强的梁构造为主，也有具有两者功能的。其分类列于下表。 超前支护方法分类,2019/6/28,56,预衬砌,其标准参数如下。 超前支护厚度： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：. 纵断方向充填长度：. 搭接长度：. 超前残余长度：.（.）,2019/6/28,57,水平喷射注浆方式,其标准断面如下： 喷射改良体直径： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：.（） 纵断方向改良长度： 搭接长度：. 超前残余长度：.（.） 设置间距：（）,2019/6/28,58,长钢管注浆方式,标准断面如下： 钢管直径： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：.（） 纵断方向注浆长度：（m） 搭接长度：. 超前残余长度：.（.） 设置间距：（）,2019/6/28,59,除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之急是如何提高超前支护技术的水平，一个重要措施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。,2019/6/28,60,预衬砌工法的机械,预衬砌工法采用的机械，有2大类： 1、排钻。示于下图。用其钻设槽形孔，中央的钻用于压注砂浆或混凝土，形成拱形混凝土壳体。,2019/6/28,61,2、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同时充填混凝土。其机械概况示于下图。,2019/6/28,62,脚部的施工机械之一,2019/6/28,63,脚部施工机械之二,2019/6/28,64,二、支护结构,在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。 加强的程度应与标准断面的作用相同。 加强的途径有二。其一是改变过去采用的支护结构参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是改变材料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆等。 第1种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因之一。 第2种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。,2019/6/28,65,支护结构的构成,隧道的支护结构包括： 初期支护；喷混凝土、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护； 二次衬砌：包括仰拱及底板； 临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。,2019/6/28,66,初期支护,在初期支护中，喷混凝土具有独特的作用。是如何情况下，都是不可缺少的支护手段。因此，在大断面隧道中，对不断提高喷混凝土的性能，寄予极大的期望。,2019/6/28,67,喷混凝土的几个关键性的性能指标,1、设计基准强度 2、初期强度： 3、附着强度； 4、附着配比； 5、回弹率； 6、粉尘量。,2019/6/28,68,1、设计基准强度,喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌混凝土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经成为可能，因此喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展的趋势。例如，日本第二东名名神高速公路，在大断面隧道中，采用材龄28天的抗压强度36N/mm2作为设计基准强度。也有的国家规定在不良地质条件下采用高强度喷混凝土的建议。,2019/6/28,69,在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中，很少有采用小于C25等级的喷混凝土。 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。,2019/6/28,70,喷混凝土抗压强度划分,2019/6/28,71,挪威的标准 喷混凝土抗压强度划分,2019/6/28,72,2、初期强度,一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初期强度的目的。 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强度为标准。 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小时的强度作为基准的。,2019/6/28,73,初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。,2019/6/28,74,日本 喷混凝土初期强度设定事例,2019/6/28,75,欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示的初期强度。,2019/6/28,76,J1 ：（AB）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2： (BC)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合 J3： (C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合）,2019/6/28,77,3、附着强度,喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定。,2019/6/28,78,喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G规定的附着强度如下表所示，通过附着试验核查。 附着强度最小值（MPa),挪威规定附着强度在0.21.8MPa之间。,2019/6/28,79,2019/6/28,80,4、附着配比,对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。 附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。它与喷射配比、喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。,2019/6/28,81,5、回弹率及粉尘浓度,回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有重要的影响。 因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重要课题。 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于20，粉尘浓度不能大于5mg/m3，否则，就是不合格。,2019/6/28,82,6、喷射机械,喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决策。,2019/6/28,83,锚杆,锚杆的支护作用是不能忽视的。特别是在大断面隧道的条件下。,锚杆是隧道施工过程中，维护围岩稳定，保证施工安全的重要手段之一。施工完成后，在一定程度上，它还可以作为永久支护结构的一部分发挥作用。因此，在施工中，如何保证和检查锚杆的施工质量，是极为重要的。但从目前的施工状况看，锚杆长度不足、不配置垫板、配置不合理、砂浆充填不密实，甚至“长锚短打”的现象也时有发生。造成这种现象的原因虽然是多方面的，但主要还是对锚杆在隧道施工中的作用认识不足，不能完全按照要求施工，而且缺乏有效的检测手段。,2019/6/28,84,归纳起来，目前锚杆施工中应该注意的几个问题是： 建立有效的锚杆质量检测方法，及时检测； 不能忽视锚杆拉拔试验的作用； 合理确定锚杆的参数，充分发挥群锚的作用； 进一步认识锚杆与围岩之间的关系； 大力提高锚杆的商品化程度等。,2019/6/28,85,在什么情况下采用锚杆？ 能够发挥锚杆效果的围岩条件，一句话，就是能够发挥支护效果的围岩。为此，要具备以下条件： 锚杆和围岩间要有适当的锚固力； 在不连续围岩中锚杆要横切不连续面设置； 在连续性围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。,2019/6/28,86,不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果。例如以下条件的围岩。 在含水的粘性土中，锚固材和围岩间产生滑动，锚固力有时不充分； 松砂等因围岩的强度小，也不能获得锚固力，但如对围岩进行改良，也有可能产生效果； 在连续性围岩中，变形小，几乎也不产生塑性变形的围岩。但在这种围岩中，因主要是不连续面支配围岩的动态，作为不连续面的对策，也会产生一定的效果； 塑性区域超过锚杆设置范围以外的场合。但此时可加长锚杆长度（图1） 有可能发生整体下沉的场合，如浅埋隧道等,2019/6/28,87,2019/6/28,88,如何发挥锚杆的群锚的作用？ 锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥群锚的作用。这是非常重要的。因此，锚杆的配置参数（长度、间距）要注意符合群锚的工作原则。 要想充分发挥锚杆的效果，就必须发挥群锚的作用。也就是说要解决好围岩条件和锚杆长度、间隔的关系。决定锚杆长度、间隔时应考虑的围岩条件如下： 连续性、不连续性的程度； 不连续面的分布特性（间隔、宽度、方向等）； 塑性区域产生的范围。,2019/6/28,89,2019/6/28,90,垫板的设置 要发挥锚杆的效果，垫板的设置是十分重要的。我们在施工中，多数是不设置垫板的。因为增加垫板，不仅增加了施工成本，对工期也有一定影响。但从效果上看，这是得不偿失的。日本对此曾进行了试验研究。试验表明：设垫板比不设垫板，加载应力提高了2.5倍；垫板面积越大，头部轴力提高也越多。例如，垫板面积增加1倍，头部轴力可提高1.25倍等。其次有垫板时，锚杆轴向应变的最大值的位置，向内部移动。这说明锚杆的3维约束效果，得以发挥。图5是有垫板和无垫板的的轴力分布的变化。从图中可以看出，有垫板 时，锚杆的口部也发生了轴力、而且轴力的最大值也增加了10%20%。由此可见，垫板的作用是不容忽视的。在锚杆施工中，必须设置垫板，这在规范中也有了明确的规定。,2019/6/28,91,2019/6/28,92,2019/6/28,93,我们在锚杆施工中，最大的问题是锚杆的商品化问题。可以说，在许多国家，锚杆已经是一种商品。只要选择合适，拿过来用就可以了。而我们的锚杆，目前绝大多数是就地用钢筋自制的。因此，质量的离散性相当大、施工工艺也不能标准化，不能充分发挥锚杆的支护效果，有时就成为一种计价的“摆设”。当然，也有一些商品化的锚杆开始工厂化的生产。但还没有完全得到业主、设计和施工人员的认可。原因之一，就是商品锚杆的成本高。因此，大力降低锚杆的制造成本，提高商品化的速度，彻底改变锚杆施工的现状是非常重要的。,2019/6/28,94,因此，锚杆不是可有、可无的问题，而是如何确保锚杆锚固的质量，充分发挥锚杆效果的问题。 特别是，在大断面的条件下，锚杆对控制局部掉块具有重要的作用。,2019/6/28,95,格栅与钢支撑（钢架） 钢支撑和格栅在初期支护中主要用于软弱破碎或土质围岩中，很少单独使用。多数上与锚杆、喷混凝土等共同使用。 格栅与钢支撑，很少单独使用，多数场合是与喷混凝土、锚杆等组合使用的。使用钢架的目的有四点 。 一是作为喷混凝土支护功能发现前的支持物； 二是对喷混凝土进行补强； 三是作为超前支护的支点； 最后是与喷混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用。 钢支撑的最大特点是架设后能够立即承载。因此，多在需要立即控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大，或变形迅速发展的场合采用。,2019/6/28,96,2019/6/28,97,因此，在大断面隧道施工中，应更多地采用钢支撑。,2019/6/28,98,大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日本从修建第2东名高速公路起，就开始研究对策。研究和实践获得如下的成果。,2019/6/28,99,日本第二东名高速公路隧道事例,净空断面积：约150m2 开挖断面积：最大200m2 采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少30； 锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减少30； 采用高规格钢支撑（HH154）； 二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cm 不设变形富余量。,2019/6/28,100,1、喷混凝土的高强度化 主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。 高强度喷混凝土要求的强度列于下表。,2019/6/28,101,高强度喷混凝土的标准配比列于下表,2019/6/28,102,高强度钢纤维喷混凝土主要用于裂隙发育的围岩，标准的钢纤维混入率为体积比的0.75。其标准配比列于下表。,2019/6/28,103,2、高承载力锚杆 在清水进行了下表的试验施工。,2019/6/28,104,从试验施工结果看，第1组的施工循环、成本最理想。第3组最差。因此，把第1组作为标准组合。,2019/6/28,105,3、高规格钢支撑 采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度590N/mm2、破断延伸率17以上的高规格钢支撑。,2019/6/28,106,与过去采用的钢支撑比，可以小型化，其比较列于下表,2019/6/28,107,4、二次衬砌 同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验，二次衬砌的混凝土的强度等级从18N/mm2提高到30N/mm2。其结果是，采用18N/mm2时的衬砌厚度在BD2级围岩中，为50cm，在D级围岩中为60cm，而采用30N/mm2时相应的厚度分别为40cm和50cm。减少了10cm。,2019/6/28,108,5、施工方法的研究 在总长度83km的隧道中，用台阶法修建了80的隧道。台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方法就是中央导坑超前开挖法。两种开挖方法的示意图如下。,2019/6/28,109,2019/6/28,110,2019/6/28,111,第二东名、名神高速公路隧道的标准支护结构参数(台阶法),注：1、锚杆注浆采用速硬砂浆； 2、上半断面锚杆设计承载力采用290kN； 3、钢支撑采用高规格钢； 4、D1衬砌采用单筋混凝土； 5、5、二次衬砌、喷混凝土的设计基准强度均采用36MPa。,2019/6/28,112,2019/6/28,113,第二东名、名神高速公路隧道的标准支护结构参数(TBM导坑超前扩挖法),注：1、锚杆注浆采用速硬砂浆； 2、上半断面锚杆设计承载力采用290kN； 3、钢支撑采用高规格钢； 4、D1衬砌采用单筋混凝土； 5、二次衬砌、喷混凝土的设计基准强度均采用36MPa。,2019/6/28,114,三、多机作业,在大断面隧道中，为了缩短作业时间，应充分利用作业空间较大的特点，实现快速施工。 采用多机作业的方式，尽可能地隧道单项作业的时间；例如，在大断面隧道中，机械配套如下： 钻孔：2台三臂液压钻孔台车； 找顶等：1300kg的大型液压铲1台； 装碴：3m3侧卸式装碴机1台； 出碴：30t卡车 喷混凝土：20m3/h喷射机2台。,2019/6/28,115,与一般双车道公路隧道中的机械配套（下表）增强很多。,2019/6/28,116,采用改变材料规格，减少单项作业的工作量； 如前所述，改变材料规格，采用高强度喷混凝土、高承载力锚杆、高规格钢支撑以及高强度衬砌混凝土，在同样进尺的条件下，可以减少单项作业的工作量，更为重要的是，减小了开挖断面积。,2019/6/28,117,四、改善隧道防水技术，提高防水质量,应该指出：对隧道工程来说，地下水的影响和处理是至关重要的。大家都有体会，有水无水、水大水小、一般涌出和异常涌出，在设计施工上的处理是完全不同的。此外，隧道运营期间，结构物耐久性的降低，在许多场合，都与地下水有关。因此，切实地提高隧道的防水技术，是当务之急。,2019/6/28,118,在隧道设计和施工中，一定要区分： 运营隧道结构的防水和排水； 施工中的止水和排水。 这是两个不同的概念。 防水是对结构物性能的基本要求。不是主次的问题。 国内外的施工实践指出：设置防水板的隧道，都能够满足隧道结构物防水的基本要求。关键在于防水板的铺设质量。因此，在防水板铺设工艺上，都是采用机械铺设的方法。此外也在试验确保隧道防水性能的新工艺。,2019/6/28,119,对防水板的铺设要求： 要与初期支护密贴，不留有空隙； 也要与二次衬砌密贴，不留有空隙。,2019/6/28,120,防水板铺设工艺的改善,为了解决防水问题，一个最切实可行的方法，就是从改善防水板的铺设工艺着手。目前我们采用的人工铺设方法，很难避免对防水板的损伤，而且工艺复杂、费时、费力。最近，我们收集到日本的几个专利和日本“矿山法隧道防水指南”，说的都是防水板机械铺设方法。这些铺设机械的构造并不复杂，那个工程局都有条件制造。,2019/6/28,121,山岭隧道的防水方法，一般是采用在喷混凝土和衬砌间设置防水板的方法。但因喷混凝土的表面多数凹凸不平，铺设防水板时，为适应凹凸表面要考虑有适当地富余。如果富余不足或过于富余，防水板会发生拉伸或挠曲，其结果会妨碍混凝土的充填。为此。在山岭隧道衬砌施工中，强烈要求开发不妨碍混凝土的充填，而且与喷混凝土密着的防水构造。,2019/6/28,122,新的铺设方法,试验施工是：把通常1.5m宽的防水板在工厂加工成宽6.0m（长跨）的防水板。沿专用的活动模板台车的外周将防水板展开，并设置在规定的位置固定好，向防水板和喷混凝土间的灌注回填的充填材。之后，组立钢筋、灌注混凝土。,2019/6/28,123,向防水板和喷混凝土间压注的充填材是用盾构隧道的经过改良的充填材。在洞外设置压注设备，最大压送450m。从洞外分别压送固化的A液和B液，在压注地点前混合，在左右侧上部、肩部和拱顶5处设压注管，从下向上依次压注。 下面是展开防水板专用的活动模板构造。,2019/6/28,124,2019/6/28,125,防水板的表面展开会过去的状况。,2019/6/28,126,铺设机械,图中9：防水板 14：拱形钢轨 10围岩 11：初期支护 13：升降装置 12：台车,2019/6/28,127,吊篮式台架,2019/6/28,128,带有展开机的台架,2019/6/28,129,五、防止二次衬砌的初期开裂,后果 可能成为渗漏水的通道； 在列车高速运行的条件下，可能引发混凝土掉块； 影响混凝土的耐久性能。,2019/6/28,130,温度收缩及干燥收缩而产生的开裂模式,2019/6/28,131,模式的开裂易在拱顶部附近及拱下部范围内发生，大约沿隧道纵向呈直线分布。 模式的开裂是与隧道纵向成直角方向分布的，易在起拱线和变断面处附近，几乎以规则的间隔产生的，但也有沿隧道全周发生的。 模式是在施工缝附近，沿隧道纵向发生的，长度比较短，间隔规则。 模式是随机方向的开裂或呈龟甲状或网目状分布，易于在拱部发生。 这些模式的开裂，也有贯通整个衬砌厚度的。在模式的开裂中，有与游离石灰不同的胶状物析出时，可能怀疑是碱性骨料反应所致。 这些开裂都是伴随温度收缩和干燥收缩而产生的。但几乎都达不到显著损伤衬砌功能的程度，如有贯通的开裂从防水和耐久性角度看，或形成3维交差的开裂有可能掉块的场合，就应该采取对策。,2019/6/28,132,施工方法产生的开裂模式,2019/6/28,133,模式的开裂是在施工缝附近，沿已灌注好的混凝土的上部的模板接触面，因安装或拆除模板时的过大压力而发生的。 模式是在盾构衬砌中发生的。 模式的开裂是沿水平方向或混凝土流的方向分布的，易在捣固难的拱上半部，在灌注中断的界面上发生的。 模式是在混凝土表面不易发现而在断面内部的局部发生的，是因模板下沉或模板与混凝土附着不良等原因造成的。,2019/6/28,134,措施,1、最基本的措施是：从控制原材料上着手；如： （1）在获得需要品质混凝土的范围内，应尽可能地采用水化热小的水泥。 （2）为减少开裂采用混合材时，应确保其品质。（3）混凝土配比在确保所要求性能的范围内，应尽可能地减少单位水泥量和单位水量。,2019/6/28,135,2、在因温度应力而发生开裂成为严重问题的场合，