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学习资料五,认识隧道施工方法,一、施工方法的种类,1、矿山法是传统的施工方法， 日本称为“背板法PBMPoling Board Method”, 我国称为”钻爆法DBMDrilling and Blasting Method”, 或称为”暗挖法UCMUndercutting Method”。 2、新奥法是现代的施工方法，山岭隧道最常用。 我国称为“锚喷构筑法”， 奥地利称为NATMNew Austrian Tunnelling Method。,3、明挖法（CCMCut And Cover Method） 4、盖挖法 5、盾构法（SDMShield Driven Method） 6、掘进机法（TBMTunnel Boring Machine） 7、沉埋法 （沉管法ITTMImmersed Tube Tunnelling Method）,二、施工方法及其适用条件,施工 方法,地层 条件,第三节 新奥法 一、隧道施工应遵循的基本原则 归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是 (1) 因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分 保护和爱护围岩 (2) 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 (3) 变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的 (4) 在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计,(5) 在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段 (6) 要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程 (7) 在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为 重要的 (8) 在隧道施工过程中，必须建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术 上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。 在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。,二、新奥法的分类及施工工序 新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种： 全断面开挖法 台阶法 其中包括：(1) 长台阶法 (2) 短台阶法 (3) 超短台阶法 分部开挖法 (1) 台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法) (2) 中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法) (3) 双侧壁导坑法(眼镜法)等,新奥法的施工工序可用以下框图(图5-1)表示：,图 5-1,三、开挖方法 按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。,（一）全断面开挖法 全断面开挖法是按设计开挖断面一次开挖成型(图5-2)。 1. 全断面法施工的顺序 (1) 施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路 (2) 退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面 (3) 进行通风、撒水，排烟、降尘 (4) 排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土,(5) 用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外 (6) 安设边墙锚杆和喷混凝土 (7) 必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土 (8) 开始下一轮循环 (9) 在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌,图5-2 全断面开挖法 1-全断面开挖法; 2-锚喷支护; 3-模筑混凝土衬砌,2 . 适用条件 全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。根据经验，这个长度不应小于1km。,3 . 全断面开挖法的优缺点 优点 有较大的工作空间，适用于大型配套机械化施工，施工速度较快，且因单工作面作业，便于施工组织和管理。有较大的断面进尺比(即开挖断面面积与掘进进尺之比)，可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数相对较少，有利于围岩的稳定。一般应尽量采用全断面开挖法。,缺点 要求进行分段装药，严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。因开挖面大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求具有较强的开挖、出渣能力和相应的支护能力。,(二) 台阶开挖法 台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图5-3所示。,图5-3 台阶法施工形式,长台阶法 上、下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下部可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施，即为半断面法。,长台阶法的作业顺序为： 上半断面开挖： 用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖 安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土,(2) 优缺点及适用条件：有足够的工作空间和相当的施工速度，上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工。凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。,用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外 下半断面开挖： 用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破、装碴直接运至洞外 安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土 用反铲挖掘机开挖水沟，喷底部混凝土,2. 短台阶法 台阶长度小于5倍但大于11.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。 短台阶法的作业顺序和长台阶相同 优缺点及适用条件：短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，级围岩都能采用，尤其运用于、级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。过渡坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。,3 . 超短台阶法 台阶仅超前35m，只能采用交替作业。 (1) 超短台阶法施工作业顺序 用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺 安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑，喷拱部混凝土 用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土(必要时加喷拱部混凝土) 开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。灌注内层衬砌,(2)优缺点及适用条件 由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效的控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大生产效率较低，施工速度较慢。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。,(三)分部开挖法 分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图5-4。 1. 台阶分部开挖法(又称环形开挖留核心土法) (1) 开挖面分部形式 一般将断面分成为环形拱部（图5-4(a)中的1、2、3）、上部核心土4、下部台阶5等三部分。,(3) 优缺点及适用条件 能迅速及时地建造拱部初次支护，开挖工作面稳定性好。核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。,(2) 施工作业顺序 用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖 安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷混凝土 在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底 根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌,2 . 单侧壁导坑法 开挖面分部形式 一般将断面分成三块：侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见图5-4(b)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。 (2) 优缺点及适用条件 单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。,图5-4 台阶开挖形式,3. 双侧壁导坑法(又称眼镜工法) (1) 开挖面分部形式 一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑1、上部核心土2、下台阶3 ，见图6-6(c)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。,(2) 施工作业顺序 开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合 相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护 开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上,(3) 优缺点及适用条件 当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。,开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合 拆除导坑临空部分的初次支护 建造内层衬砌,三线大跨隧道双侧壁导坑法施工,(右上)运用“双侧壁导坑法”修建国内第一大跨双连拱的公路隧道最大开挖跨度32.6米的京珠高速公路五龙岭隧道，1998年10月开工，1999年11月全隧贯通,（左下）国内第一座海底储气工程汕头LPG工程，1997年10月开工，1999年12月建成,CRD工法超浅埋大跨度施工技术,大跨隧道软弱围岩施工,第四节 其它施工方法,一、明挖法 明挖法是从地表面向下开挖，形成露天的基坑，然后在基坑中修筑衬砌，敷设外贴式防水层，最后用土回填。,明挖法施工中，基坑的开挖方式常用的有如下几种： （一） 放坡开挖 适用于隧道埋深较浅、地势、地面空旷，土质稳定，地下水位较低的情况。此法机械化程度高，施工速度快，质量也易得到保证。,图 5-11 放坡开挖法,（二）支护开挖法 基坑的支护开挖法是将基坑围护结构插入基坑底部以下，开挖到设计标高后，再进行主体结构施工。视边坡的稳定性，基坑内既可设置支撑，也可不设。 1. 基坑内无支撑(图5-12),2. 围护结构有支撑 当基坑深度较大，开挖时除采用围护结构外，还常采用支撑加强围护结构以抵抗较大的侧压力。支撑分为水平支撑、斜支撑以及采用锚杆加固围护结构。,图5-12 悬臂支护开挖法,(1) 水平支撑 水平支撑常用的形式有横撑和角撑(图5-13)，基坑拐角或断面变化处用角撑，其它一般用横撑。采用水平支撑的优点是：墙体水平位移小；安全可靠，开挖深度不受限制；但要求围护结构的平面形状比较规则，以矩形为最佳。开挖基坑宽度较大时，支撑应加设中间支柱来保持其稳定性。中间支柱应在开挖前按设计位置作好。,图5-13水平支撑开挖支护 (a)立面图 (b)平面图,(2)斜支撑 斜支撑是在基坑横向宽度较大或形状不规则，不便使用水平支撑时采用的支撑形式。采用斜支撑时，围护结构上部水平位移比较大，易引起基坑外地面及附近建筑下沉，对沉降要求严格的地段应十分慎重，因此基坑开挖深度也受到一定限制。,3. 锚杆 锚杆是一种设在基坑外的支撑。一般由锚头、拉杆和锚固体三个基本部分组成。锚头锚固在围护结构上。锚固体在岩石中的为岩石锚杆，在土层中的为土层锚杆。基坑开挖时，作用在围护结构上的侧应力可由锚杆与岩土之间产生的作用力来平衡。锚杆是受拉杆件，可采用高强钢索，充分发挥其抗拉性能。,图5-14 斜支撑立面图 图5-15锚杆立面图,（三）地下连续墙法 地下连续墙分为现浇地下连续墙、预制地下连续墙、排桩地下连续墙 。地下连续墙法的优缺点：施工时不产生大量噪音和震动，墙体刚度大、防渗性能好，能适应软土地质条件，工程施工对周围土体扰动小，灌注混凝土无需模板，节省木板和劳力。但须随地质条件选用不同的挖槽机械，成本高，泥浆等措施稳定槽壁处理麻烦。,1. 现浇地下连续墙 (图5-16),图5-16 现浇地下连续墙,2. 预制地下连续墙,3. 排桩地下连续墙 (1) 钻冲孔排桩地下连续墙 (图5-17)。,(2) 挖孔排桩地下连续墙 (图5-18),图5-17 钻冲孔排桩地下连续墙,图5-18 挖孔排桩地下连续墙施工平面简图 a)桩孔护壁开挖；b)成桩；c)桩间开挖,应用各种围挡结构（连续墙、挖孔桩、钻孔桩）修建的国内最 大的地铁车站广州地铁公园前车站,二、盖挖法 盖挖法是先盖后挖，即先以临时路面或结构顶板维持地面畅通再向下施工。盖挖法施工主要有以下两种类型：盖挖顺作法；盖挖逆作法。,支挡柱(墙) 路面盖板 上段开挖 埋设物防护 主体开挖 修筑结构物 恢复埋设物 回填 拆除路面盖板 拔除支挡桩或拆除支挡墙头部 恢复路面,图 5-16 盖挖顺作法施工程序图,盖挖法施工的优点是：结构的水平位移小；结构板作为基坑开挖的支撑，节省了临时支撑；缩短占道时间，减少对地面干扰；受外界气候影响小。其缺点是：出土不方便；板墙柱施工接头多，需进行防水处理；工效低，速度慢；结构框架形成之前，中间立柱能够支承的上部荷载有限。,a)施工围护结构、中间支撑柱； b)浇筑顶板、向下挖土；c)浇筑负1层板、边墙柱，后挖土；d)浇筑底板、边墙、柱 。 图 5-17 盖挖逆作法施工程序图,第一次采用“条形基础盖挖逆筑法”修建城市地铁车站北京地铁天安门东站，1992年12月开工，1996年1月主体完工，荣获北京市优质工程长城杯奖，国家建筑工程鲁班奖，中国土木工程（詹天佑）大奖,三、掘进机法 隧道掘进机(简称TBM)是一种机械化的隧道掘进设备。是利用掘进机切削破岩，开凿隧道的施工方法。掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点。 采用掘进机开挖隧道，具有一次成洞；洞壁光滑；施工质量好；速度快；劳动条件好；对围岩的损伤小，几乎不产生松弛，掉块、崩塌的危险小，支护的工作量；超挖小、衬砌也省；震动、噪音小、对周围的居民和结构物的影响小等一系列优越性。 隧道掘进机的缺点：机械的购置费和运输、组装解体等的费用高，机械的设计制造时间长，初期投资高；施工途中不能改变开挖直径；掘进机施工方式一经确定，就不可能像钻爆法施工那样自由变更施工方法，难于适应复杂的地质变化情况，对断层、破碎带和软弱层，掘进困难。开挖断面的大小、形状变更困难。,目前使用的TBM有敞开式、护棚式、护盾式等类型，在地质条件较好时，多采用敞开式。图5-18为护盾掘进机示意图。,图5-18 护盾掘进机示意图,开敞式TBM,图5-19 刀盘示意图,敞开式TBM循环掘进示意图5-20。,图5-20 掘进机循环工作示意图,图5-21所示为一种典型的岩石隧道掘进机。切削头是焊接钢结构，通常向前呈弧面凸出，在凸面上按最佳切削作用和根据不同区域要求的间距布置切削刀具；它可以承受巨大的推力和扭矩。在切削头的边缘有一系列铲斗，破岩后的石碴由铲斗铲起，旋转至顶部导入输送机系统，再运出洞外。,图5-21 岩石隧道掘进机,图5-22 隧道掘进机施工场面示意图,四、盾构法 盾构实质上就是软土隧道掘进机。不过，它既可能是机械开挖，也可能是人工开挖。它既是一种施工机具，又是一个强有力的临时支撑结构。在盾壳的保护下，既可进行开挖，又能进行衬砌；采用盾构施工，具有不影响地面交通、没有振动、对地面邻近建筑物危害较小；施工费用不受埋深的很大影响；在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性等优点。 盾构由盾壳、推进机构、取土机构、拼装或现浇衬砌机构以及盾尾等部分组成(图5-23)。,盾构的类型可以从不同的方面进行分类。 1. 按开挖方式： 手掘式盾构，开挖和出土可用人工进行 半机械式盾构，大部分的开挖工作和出土由机械进行,图5-23 盾构的组成, 机械式盾构，从开挖到出土均采用机械 2. 按开挖面的支护方式： 无固定支护式的盾构 固定机械支护式盾构 工作面近旁带有气压室的盾构 泥水加压式盾构 土压式盾构,盾构法的施工过程 在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，和向另一竖井或基坑的设计孔洞推进 盾构掘进相当于装配式衬砌的一环长度,千斤顶顶在已拼装好的管片上，使盾构前进 缩回千斤顶 用举重设备拼装管片衬砌，同时在开挖面进行开挖 图5-24为盾构的施工概貌,图5-24 盾构的施工概貌,盾构机施工成型的广州地铁越三区间,大吨位龙门吊,管片生产,管片养生,五、沉管法 全名叫预制管段沉埋法，它是用来修筑穿越江河、港湾、海峡的水底隧道的方法之一。 此法的要点是先在船坞中或船台上预制隧道管段，它可以是钢壳混凝土的，也可以是钢筋混凝土的，管段的长度一般为60100m。然后两端用临时封墙密闭，浮放在水中，用拖轮拖运到设计的隧道位置上，在此以前，已经在预定的隧址处用水下施工挖好沟槽，整好地基。接着往管段里灌水，使之下沉至预定的标高，并将沉放就位的各节管段在水下连接起来，再在隧道上覆土回填。最后抽出隧道内的水，拆除管段的密封墙，完成内部装修。,图5-25是一般沉埋管段水底隧道的纵断面图。,图5-26是沉埋管段的横断面图，铁路隧道多用圆形断面，因其顶部可用来悬挂供电接触网。而公路隧道则多用矩形断面，因为公路隧道多数是多车道的，圆形断面不经济。,图5-25,沉埋管制作技术,图5-26 沉埋管段横断面图,沉管隧道的基础处理主要是垫平基槽底部，其处理方法按垫平的途径不同有很多种，从基础处理的发展趋势，主要有四种：刮铺法、喷砂法、压注法和桩基法。 1. 刮铺法：刮铺法在管段沉放前进行，又称先铺法。在管段沉放前采用专用的刮铺船上的刮板在基槽底刮平铺垫材料(粗砂或碎石或砂砾石)作为管段基础(图5-27)。,1-砂石垫层；2-驳船组；3-车驾；4-桁架及轨道；5-刮板；6-锚块 图5-27 刮铺法,2. 喷砂法：喷砂法和压注法在管段沉放后进行，又称后填法。 喷砂法(图5-28)是从水面上用砂泵将砂、水混合料通过伸人管段底下的喷管向管段底喷注，填满空隙。,1-喷砂管；2-回吸管 图5-