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隧道工程施工基础知识 高波 中铁七局郑州工程公司 二O一一年一月 前 言 我们公司隧道项目较少，技术人员也 较少人员参与过隧道施工，针对该情况本 讲义的思路是先就我国隧道的情况做下简 要介绍，就新奥法隧道道设计的基础理论 做简要介绍，再按隧道施工的基本流程对 一些实际施工的理论与操作、注意事项等 做一些介绍。使参加培训人员对隧道工程 施工有一个大概的认识。 一、我国隧道建设基本概况 二、新奥法原理 矿山法是采用爆破主方式将洞室岩石取出，对周边围岩自 稳能力及稳定性破坏也较大。 矿山法又分传统矿山法和新奥法。 传统矿山法施工设计理念是周边所有的力都是直接作 用于隧道上，不考虑隧道围岩（围岩是指隧道开挖洞室周 边岩体，一般是考虑施工影响隧道周边3-4米范围）开挖过 后是无初期支护的，直接采用木支撑或钢支撑，拆除临时 支撑后再进行衬砌，没有初期支护。 新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method。新奥法概念是由奥地利学者 拉布西维兹教授二十世纪五十年代提出的。新奥法是以维 护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射砼集合在 一起作为主要支护手段，控制围岩的变形与松弛，使围岩 成为支护体系的组成部分，形成锚杆、喷射砼和隧道围岩 为三位一体的承载结构，共同承受荷载。监控量测要及时 准确，发现变形有突变的趋势时，及时架设临时支撑，采 取措施稳定后及时衬砌。 基本理论点： 1）岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充 分保护岩体，尽量减少对它的扰动，围岩软弱时，采取措施 对围岩注浆加固。 2）为充分发挥岩体的承载能力，允许并控制岩体的变形。开 挖后断面的应力是最大的，而初支最初受力为零，随着位移 的变化围岩应力慢慢变小，而初支刚由于位移的产生受力越 来越大，这两个力在位移到一定程度后，达到了新的平衡， 新奥法是允许沉降变形的，有沉降变形是正常的，但如果变 形速率过大，或突变，则应警惕。 3）为改善支护结构受力性能，应尽快闭合，而成为封闭环。 4）加强施工中对围岩变形、压力 的观测，进行动态设计施工 。 5）二次衬砌原则上在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下 施工的，在围岩软弱段应较早施工，此时理论已不单纯的是 新奥法施工。 6）在软弱围岩段要按照施工中严格按照设计要求，遵循新奥 法施工原理，软弱地质洞身开挖应坚持“管超前、严注浆、短 进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的原则，确保施工 安全。 三、隧道施工工序 隧道主要施工工序： 洞口边仰坡开挖 洞口排水施做 洞 口大管棚施做 开挖 出渣 初 支 二衬 1、洞口边仰坡处理 隧道进出口一般处于浅埋、风化岩 层地段，一般采用108管棚进行超前加 固后再进洞开挖。洞口刷边坡一般宜避 开雨季，先检查边、仰坡以上的山坡稳 定情况，清除悬石、处理危石，按设计 进行刷坡，对不稳定段应开挖一段支护 一段，保证山体的稳定，尽早施做洞口 排水系统。 2、大管棚施工 3、开挖 采用人工手持凿岩机钻眼爆破开挖，一般一个台架允许14 把左右YT-28风钻同时作业。 开挖效果的好坏跟眼位的实施与爆破的合理性有直接关系 ，钻眼时除楔形掏槽眼是倾斜的外，其他的均应与隧道轴 线平行，特别是周边眼要求尤为严格，并使各眼位的眼底 在同一个竖直面上。 特殊要求地段，如靠近较高要求震速的建筑物等，可采用 膨胀剂静态破碎。 开挖台架如下图： 隧道的开挖一般采用多臂凿岩台车或人工持钻开挖，但在 中国人力资源较低廉，多采用人工持钻在作业台架上钻眼 爆破。 钻眼分为三种，中间为掏槽眼，最外轮廓为周边眼，中间 的部分为辅助眼，楔形掏槽眼一般用2米5以内的进尺，超 过此进尺的一般采用直眼掏槽。 爆破一般采用乳化炸药，炮眼采用非电毫秒雷管，起爆雷 管采用电雷管。爆破采用微差爆破，从掏槽眼往外一般用1 、3、5、7、9、11、13、15段雷管起爆，超爆顺序是段数 越少越早起爆，但起爆时间差较小。一般IV级围岩如分上 下断面，则上半断面单方炸药耗量为0.7Kg/M3,下半断面一 般为0.4 Kg/M3,因为下台阶有临空面,故耗药量较少.光面爆 破为周边眼间隔.装药,并配以导爆索.,因地质条件的多变性 ，要根据爆破效果不断进行调整爆破方案，包括炮眼间距 及装药量。 掏槽眼常用的为楔形掏槽 图中所示为楔形掏槽 4、爆破 光面爆破： 光面爆破的目的是沿设计轮廓线爆破后留下的围岩光滑平整，控 制超欠挖，降低对周边围岩的干扰，充分利用围岩的自稳能力。 光面爆破：沿设计轮廓打一排小间距眼（眼孔位小些更好），小 药量装药。 光面爆破的分区起爆顺序：掏槽眼辅助眼周边眼底板 眼。辅助眼则应由里向外逐层起爆。 装药结构 装药量的计算 炮孔装药量： 掏槽孔 Q=*L*r 式中：-炮孔装药系数，取0.9; L-孔深,一般LIII=3.2米, LIV=2.2米LV=1.3米 r-每米长度炸药量,r=0.78kg/m 经验值: QIII=2.24kg, QIV=1.54kg, QV=1.1kg 辅助孔 QIII=*L*r=0.8*3.1*0.78=1.93 取1.9kg QIV=*L*r=0.8*2.1*0.78=1.31 取1.3kg QV=*L*r=0.8*1.3*0.78=0.81 取0.8kg 周边孔 通常周边眼装药量为辅助孔的1/3-Q/4。 隧道爆破的安全距离 隧道爆破时，个别飞石对人员安全距离设定为150m， 巷道内对设备安全距离设定为100m(指非机动设备)。 当然有条件离得越远越好。 4、初期支护： 初期支护包含超前管棚（锚杆）支护、 钢筋网、锚杆、拱架、喷射砼。 4.1拱架的加工与安装 工字钢拱架的分节要与弧度相对应，因为冷弯机 一次只能加工一个弧度。拱架的加工要预试拼，保证 连接板的角度正确性，加工节数以方便施工的重量为 宜。 拱架要保证垂直，同时要直线段每10米打一个十 字线，曲线每5米打一个十字线，保证左右两侧同步。 拱架要与锚杆焊接，只靠锁脚锚杆不能保证拱架 的稳定性，锁脚锚杆与拱架连接宜加U形卡。拱架应 落在硬底上，否则加设砼垫块。 规范要求拱架与围岩间的空隙应间断用砼块塞实 ，将围岩受力直接传递至拱架上。 4.2喷射砼 喷射砼：利用压缩空气把一定配合比的砼料由管道喷嘴 以高速高压喷出，在受喷面形成砼层。增长快，强度增 长快，密实性好，施工准备简单，适用性强。分为干喷 、湿喷两种。 干喷：预拌干料或潮料，建议砂石料有一定含水量，以 用手攥住成团在手内不松散，自由落至地上散开为宜。 正常回弹量约一般30%。 所用砂：宜用粗砂，砂过细则干缩量大，增加回弹 量。但回弹量较大，劳动条件差，粉尘较大。 所用米石：5-20的米石为宜。所拌喷浆料含水量以 用手攥住手内成团，自然丢落散开为宜。 外加剂：速凝剂、增粘剂等，一般只用速凝剂。 湿喷：预拌砼，在通过湿喷机时加液体速凝剂，该施工 方法不太成熟，虽然施工环境好，但回弹量较大。 喷射施工应由下向上，先墙后拱施工。开挖面找顶后考虑 到安全应初喷一层厚约5cm厚砼。 喷射时先送风，后开机，先对岩壁喷水湿润，再给料，结 束时先停料，再停风、水。风压控制在0.45-0.7Mpa。作 业完成后，及时清理喷浆机内余料。喷射手与受喷面距离 为.6米-1米，根据喷射砼回弹情况不断调整。终凝后洒水 养护7天。 检验要求：喷射击队砼的平均厚度大于设计厚度，检查点 数的60%以上大于设计厚度，最小不小于设计厚度的1/2 。 在对喷射砼强度要求高时，掺加钢纤维，可大大提高强度 。 喷射砼时在分步或台阶法开挖时，如果还要接拱架，则用 砂堆住拱脚，以避免接腿时凿除喷射砼。 4.3锚杆 锚杆的作用： 1）悬吊作用：锚杆将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以 阻止围岩移动滑落。 减跨作用：在隧道顶层岩层中打入锚杆，相当于在顶板上 增加支点，使隧道跨度减小，使顶板岩体的应力减小。 2）组合梁作用：在层状岩体中打入锚杆，把若干薄层岩层 锚固在一起，类于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高顶 板岩层的自承力。 3）挤压加固作用：锚杆进入围岩后，随着岩体的变形其两 端附近岩体形成圆锥形压缩带，从多的锚杆形成多个圆锥 形压缩带，类于承压拱，提高围岩自稳能力。 锚杆主要类型： 有砂浆锚杆、中空锚杆、自进式锚杆、中空锚杆、组合 锚杆等。 砂浆锚杆：以螺纹钢筋加工而成，以YT-28钻机钻孔， 先注M20砂浆，再将锚杆打入，加设垫板。 中空锚杆与砂浆锚杆区别杆体中空，先将锚杆插入，再 注浆。 自进式锚杆是自带钻头，用YT-28钻机直接将锚杆打入岩 体，主要用于成孔困难地段，因锚杆与岩体接触紧密，注 浆压力可达较大，注浆加固松散破碎岩体时常用。 组合锚杆与中空锚杆施工方式相同，优势为降低成本 。 锚杆的施工因人工开挖的局限性，在拱顶时不容易打好 角度，宜用专用锚杆机。 隧底（仰拱及充填）采用分段整幅全宽 一次浇筑方案，拱墙采用全断面液压模 板台车一次整体衬砌。在洞口设置混凝 土搅拌站，混凝土运输车运输，混凝土 输送泵泵送入模。 5、二次衬砌： 5.1仰拱及铺底 1、施工方法 仰拱及铺底砼施工测量放样，软弱围岩段一次施工3米（铁道部120号文） 其他围岩地段一次施作10m。 在仰拱、铺底或填充工作面上搭设移动式仰拱栈桥（即临时便桥，使在仰 拱施工时机械通过施工段）。行车栈桥采用工字钢制作，一端支撑在枕木 垛上，另一端支撑在已浇筑完的混凝土上，下面设橡胶垫对混凝土面进行 保护。行车过桥移动利用机械牵引，桥下预留满足施工需要的空间。 2、混凝土施工 人工辅助清理底部浮碴杂物；将上循环仰拱混凝土接头凿毛处理，按设计 要求安装仰拱钢筋，并预留与边墙衬砌连接筋；浇注仰拱混凝土时由仰拱 中心向两侧对称进行。仰拱与边墙衔接处加强捣固，以保证混凝土的密实 。混凝土浇筑采用泵送，一次浇注成型，人工摊铺，插入式振捣棒捣固， 初凝之前抹平压光。为保证仰拱曲率，采用纵向挂线控制。 3、隧底填充 在施工混凝土前，清除仰拱面的碎渣、粉尘，并冲洗干净，达到没有积水 、没有浮渣。仰拱混凝土达到设计强度70%后，即安排浇注隧底填充混凝 土。本标段隧道仰拱填充与仰拱所用混凝土不是同一标号，待仰拱混凝土 强度达到设计强度的85%以后，一次浇注填充混凝土到设计标高。 5.2拱墙衬砌 在一般情况下，二次衬砌应在围岩和初 期支护变形基本稳定后施作，但在软弱 围岩段宜早进行衬砌。变形基本稳定应 符合隧道周边位移速度有明显减缓趋势 。 5.3模板台车 砼二次衬砌施工采用全断面钢模台车， 衬砌台车要做专门设计，满足刚度和强 度要求。砼在自动计量拌和站拌和，搅 拌运输车运输，泵送砼，先从下面窗口 开始灌注，插入式振动器振捣，封顶采 用输送泵接刹尖孔，附着式振捣器振捣 。 5.4衬砌压浆施工 A、衬砌施工时，在拱顶预埋注浆管，预埋注浆管采用 能与注浆机出浆口匹配的塑料PVC管，塑料管伸入混 凝土端紧靠防水板，用密度纸包住端口，防止砼堵塞 注浆管。 B、隧道衬砌完成后，在洞内沿线路正坡方向进行衬砌 压浆施工，压浆所用的水泥砂浆浆液在现场拌制，施 工时根据实际情况调整施工配比。人工搭设门架式移 动作业台架，注浆采用注浆机，由低向高压浆施工， 分段逐孔实施，待邻孔有浆液渗出时，结束注浆，用 纸袋或草袋封闭注浆口，而后移动作业台架进行下一 循环施工。 C、压浆施工完成一段后，重复进行检查压浆，检查 压浆的浆液采用水泥净浆，若邻孔仍有渗浆，则继续 进行水泥砂浆浆液压注。 5.5注意事项 A、衬砌台车设计制造时必须以隧道设计 断面为准，应考虑施工误差（一般放大 5cm）、贯通测量调差及预留沉落等因 素。钢结构及钢模必须有足够的强度、 刚度和稳定性。 B、二次衬砌在初期支护变形稳定前施工 的，拆模时的砼强度达到设计强度的 100%；在初期支护变形稳定后施工的， 拆模时的砼强度达到8MPa。 四、其他综合内容 隧道施工调查的基本内容 1工程概况：包括工程环境、工程地质、水文地质、工程规 模、数量和特点、难点、重点。 2临时设施调查：包括大型临时设施，如材料厂、便道、电 力、通信干线、码头、便桥等的设置地点、规模和标准； 小型临时设施和临时房屋的标准和数量。 3砂、石等大堆材料供应。 4生产及生活供水、供电条件。 5施工通信条件。 6地方防疫和民族风俗。 7当地对环境保护的一般规定和特殊要求，工程对环境可能 造成的近、远期影响。 8其他尚待解决的问题。 常见的隧道开挖方式 常见的开挖方式有全断面法、台阶法、双侧壁 导坑法、CD法、CRD法。全断面法与上下台 阶法较简单，一般围岩较好不立拱架的断面， 可采用全断面法，凡立拱架围岩段施工，建议 采用上下台阶法可提高工效。 隧道的通风 要求洞内氧气体积比不得低于20%， CO2不得大于0.5%,CO不得高于24ppm 。一般未做简算，一般一千米左右隧道 用2*55kw轴流式风机。 主要有以下几种通风形式： 隧道的坍塌及处理 1、隧道坍塌的原因： A、不按设计要求，支护过薄弱，一般出现在围岩 级别较弱段；B、衬砌未及时跟进，未掌握监控量测变 形所显示的围岩的变化。塌坍都是有征兆的，如沉降 收敛速率突然变大初期支护有变形，喷射砼开裂，拱 架扭曲等。主要可能是因下雨造成围岩性能发生改变 ，或偏压累积等因素造成， 但二衬衬砌完毕后一般不会有问题，不能排除特 例。希望大家只从别处学这种经验，不要亲自实践。 2、坍塌的处理： A、首先要对坍方前后各10米左右初期支护进行加强，避 免坍方体影响面扩大。如采用注浆管固结围岩，加设临时 工字钢拱架进行处理，最好有条件先对该段进行二