山岭隧道施工技术1.ppt

山岭隧道施工技术中铁隧道集团有限公司刘招伟2010 07 2 隧道工程是与人类生活息息相关的古老工程 古人类为穴居而开挖的洞穴 应是最原始的隧道工程 随着人类社会的进步 隧道工程修建水平也不断提高与发展 隧道工程技术发展是与社会进步和相关学科领域的技术进步密切相关的 特别是与隧道机械设备的更新密不可分 新技术 新设备 新工艺的应用 使隧道工程技术发生了质的飞跃 21世纪 是人类向地下空间发展的世纪 隧道施工技术也将有大的提高 不断发展更新 以服务于人类的需要 前言 3 重点介绍以下九个方面的内容 一 当前隧道技术发展概况二 山岭隧道的施工方法三 装砟 运输方式四 辅助工法的应用五 隧道施工通风六 特殊地质条件下的隧道施工要点七 安全 质量控制要求八 隧道及地下工程面临的基本课题九 十八项卡死制度 4 一 当前隧道技术发展概况 在二十世纪以前 隧道建筑主要是交通道路隧道和水工隧道 而道路隧道又占大多数 二十世纪初 很多国家相继发展地下铁道 有的大城市 已拥有数百公里地下铁道 之后 又发展了军事用途的地下工程 同时也出现了大型民用地下仓库建筑 随后服务于不同科学实验的地下建筑相继修建 特别是核物理的实验隧道 二十世纪五十年代以来 随着市政建设需要 不少城市开始发展地下大型停车场及商业街 还发展和修建了不少海底储气库 1 隧道技术发展的综合趋势 5 我国的隧道工程 早期主要以铁路隧道为主 到二十世纪末 已投入运营的铁路隧道6877座 总延3667km 已列世界前茅 我国公路隧道的修建起步较晚 但发展很快 高速公路上相继修建长度超过5km的特长隧道 最长的终南山隧道达19km多 我国地铁也处于发展阶段 北京 天津 上海 广州 南京 深圳等城市已有六百三十多公里地铁投入运营 目前已获批修建地铁的城市达二十多个 总长达2000公里 由于大型水电站的建设 长 大输水隧洞不断出现 如引大入秦工程 修建了上百公里的隧洞 其中盘道岭隧洞长15 7km 万家寨引黄入晋工程 有200多公里隧道 南水北调工程引水隧洞就更多了 我国正在修建不少地下停车场 总之 随着人们生活 生产需要 今后将会修建更多的多用途 多功能的隧道与地下工程 6 由于修建技术的不断提高 过去认为无法修建的隧道 已经变成事实 隧道越来越长 通车距离却大为缩短 技术条件却越来越好 从而改善了运输条件 已成为当前发展的趁势 国际隧协把大于10Km的隧道划为特长隧道 目前世界各国铁路上已建成的特长隧道50多座 我国占六座即大瑶山双隧道 14 295km 长梁山双线隧道 12 782km 秦岭两座单线隧道 18 46km 兰武铁路乌鞘岭单线铁路隧道 左右线隧道各长20 05km 渝怀铁路圆梁山单线隧道 全长11 07km 世界上最长的为日本青函海底隧道 53 85km 和第二长的英 法海底隧道 50 5km 2 隧道的单座长度 向长隧道发展 7 近几年 由于客运专线开始建设 超过10Km的单双线铁路隧道就更多了 如石太客运专线太行山隧道 左右线隧道各长27 84km 武广客运专线大瑶山隧道群 大瑶山1号隧道10 08km 大瑶山2号隧道6 03km 大瑶山3号隧道8 39km 同时我国还在 世界屋脊 上建成了青藏铁路 并建成了世界海拔最高的铁路隧道 风火山隧道 全长1338m 海拔4905m 隧道单座长度不断向长隧道发展 首先在技术上要解决一系列重大问题 因此 单座隧道长度的增加 是衡量隧道工程技术发展水平的重要标志之一 8 3 勘察设计向综合化 现代化发展 隧道工程建设 与地质条件紧密相关 隧道工程技术发展与地质勘察技术不可分离 地质学的技术进步 为隧道工程技术发展起到了重要作用 当前地质勘察综合化 隧道设计现代化 野外测量数据处理自动化 勘察设计一体化 智能化 已经成为隧道工程技术发展的趋势 表现在以下几个方面 9 对长大隧道 越来越注意进行大面积地质调查和测绘 进行大面积地质选线 由于陆地卫星照片分辨率的不断提高和普及使用 已能够在室内对隧道所在位置的区域进行大面积选线并做到充分优化比选 遥感地质的发展已能在遥感图片上对诸多工程地质因素加以正确判释 从而使隧道选在地质条件较好的位置 GPS全球定位系统在隧道工程中的应用 确保了测量工作在极端困难条件下定位的准确和正确性 10 地质勘察多手段 综合化 除了传统的 必要的地质现场测绘及钻探外 物理勘探发展迅速 多种物探方法相互补充印证 再有针对性地用钻探验证 大大提高了地质勘察资料的准确性 地质资料数据处理技术广泛采用了计算机 大大加速了对地质数据的分析 判别 处理速度 为隧道设计提供了可靠条件 野外测量数据采集 处理 成图用计算机完成 加快了设计进程 11 隧道设计广泛采用CAD技术 可以迅速进行多方案比选 专家系统的建立和使用 使设计更加完善准确 特殊情况下的理论分析 用大型软件在计算机上进行 很快就能完成分析 提出成果 使过去用人工计算无法办到的事变为事实 岩石力学的发展 逐步使理论和工程有机结合 形成岩土工程科学 由于岩石力学理论上的成就 近代对隧道及地下建筑物的围岩变形 结构受力状态 围岩内部应力分布等有了区别于普氏理论的全新概念 从而使设计出现了新的突破 新奥法原理应用于设计 使设计更加科学合理 12 对隧道设计 逐步注重了功能要求 铁路长隧道的安全防灾设计 铁路长隧道的环保和维修作业特殊要求设计 公路隧道的通风自动控制 防灾报警抢险及监视系统设计 地铁及地下停车场的通风 照明 安全设计 已普遍进行详尽的施工图设计 在主体建筑设计中一次考虑 提出完善配套的设计 在一些地质复杂的长大隧道中 推行掌子面地质超前预报技术 采用地震波法 声波法等预报掌子面前方50 150m范围内的地质条件 一方面使施工有所准备 另一方面可以据以提前考虑做出修正设计 实现设计 施工 修正设计 修正施工的轨道 13 4 钻爆施工开挖不断向大断面少分部开挖转变 与之相适应的支护技术整飞速发展 二十世纪初 隧道钻爆法开挖大多采用小断面多分部的矿山法施工 由于分部多 断面小 对围岩多次扰动 支护工程量巨大 安全无保障 施工工序干扰很大 二十世纪中叶开始 由于岩石力学在理论上的成果 由于施工机械的不断现代化 由于支护技术的巨大进步 在钻爆法施工的开挖方法上有了根本性的变化 14 其总的趋势是趋向大断面少分部开挖 辅以简单易行且安全可靠的强有力的支护结构 诸如全断面开挖 台阶法开挖 中隔墙法 CD CRD法 开挖 都是当前的主要开挖方法 矿山法导坑 扩大 拉槽 落底等传统旧方法 已经较少使用了 开挖方法的转变 关键因素是要解决大能力施工机械和高效易行的支护技术 我国隧道工程在二十世纪八十年代前 几乎全部多用分部的矿山法施工 原因是受上述关键因素未能解决所致 八十年代 随着大瑶山双线铁路隧道的修建和发展 在交通道路隧道中实现了开挖方法的转变 15 5 隧道施工设备向大型机械化发展 其总趋势 一是能力越来越大 效率越来越高 无论钻爆法的钻孔机械 装碴机械 运输机械 都朝向大能力 高效率 用现代技术注入工程机械方向发展 二是二十世纪从三 四十年代起 出现了隧道掘进机 改变了利用化学 物理能破碎岩石的传统方法 利用机械能挤压破碎岩石完成开挖 三是隧道施工的辅助作业机械 特别是通风机械 朝着大容量 高效率 节能 自动调速 可逆运转等方向发展 大大改善了施工作业环境 16 6 施工方法的多样化 也是当前发展的趋势 在铁路 公路隧道方面 目前除钻爆法施工外 掘进机法正在蓬勃发展 欧美国家用掘进机施工的隧道 已占总数的三分之一以上 瑞士圣哥达铁路隧道 57km 使用8台掘进机 当遇到江河海峡需要穿越时 除钻爆法 掘进机法外 如地质条件许可 沉埋管段施工技术正在兴起 我国也已在甬江 黄浦江 珠江修建了三座沉埋管段公路隧道 17 在地铁施工方面 除传统的明挖及暗挖外 已出现了盖挖法 辅以强有力的边坡加固结构 如连续墙结构 悬喷桩 搅拌桩 SMW桩 钻孔咬合桩等 北京地铁天安门东 西站采用梁 板 柱法施工 形成了一种新的工法 我国海底隧道采用钻爆法施工的也正在进行 厦门东通道翔安海底隧道正在施工 还有青岛至黄岛的海底隧道也已经开始施工 18 7 建立风险评估机制 加强风险管理 有效对风险进行控制 规避 保证施工安全是当前隧道工程的发展方向 由于地下工程地质条件 周边环境的复杂性和不确定因素太多 使地下工程建设成为高风险的行业 使大家普遍认识到实行风险管理的必要性和紧迫性 于是开展了在隧道工程中进行了风险管理的探索 目前建设部 铁道部已组织有关单位编制了风险评估的规范与指南 用以指导和规范隧道施工 提高隧道和地下工程的安全管理水平 19 8 以人为本 创造和谐社会 已成为我国的基本国策 在山岭隧道施工中 注重环境保护 水土保持 尽量减少对环境的污染也已成为必然选择和发展趋势 20 二 山岭隧道的施工方法 施工方法的选择 主要是开挖与运输方法的选择 从大的方面分类可分为钻爆法 旧矿山法 新奥法 掘进机 TBM 掘进机辅以钻爆法 沉埋管段 水底隧道 今天主要讲钻爆法施工 21 1 选择隧道施工方法的指导思想与应遵循的原则 隧道施工符合安全环保 工艺先进 质量优良 进度均衡 节能降耗的要求 隧道施工应本着 安全 有序 优质 高效 的指导思想 按照 保护围岩 内实外美 重视环境 动态施工 的原则组织施工 其施工方法的选择应遵循以下原则 1 确保施工安全 改善施工环境 2 应根据设计文件 施工调研情况 地质围岩级别 22 结合隧道长度 断面大小 纵坡情况 衬砌方法 工期要求 装备水平 队伍素质等综合因素决定 3 地质变换频繁隧道应考虑其适应性 便于工序调整转换 4 应尽量采用新技术 新工艺 新设备 新材料 5 认真按照新奥法原理 掌握应用好光爆 喷锚 量测施工三要素 23 2 选择隧道施工方法的基本要素 1 施工条件它包括一个施工队伍所具备的施工能力 素质以及管理水平 目前隧道施工队伍的素质和施工装备水平 有高有低 参差不齐 因此 在选择施工方法时 不能不考虑这个因素的影响 2 围岩条件围岩条件也就是地质条件 其中包括围岩级别 地下水及不良地质现象等 围岩级别是对围岩工程性质的综合判定 对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用 24 3 隧道断面积隧道尺寸和形状 对施工方法选择也有一定的影响 目前隧道断面有向大断面方向发展的趋势 如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面 水电工程中的大断面洞室 更是屡见不鲜 在这种情况下 施工方法必须适应其发展 在单线和双线的铁路隧道中 越来越多地采用了全断面法及台阶法 而在更大断面的隧道工程中 先采用各种方法修小断面的导坑 再扩大形成全断面的施工方法极为盛行 4 埋深隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关 通常将埋深分为浅埋和深埋两类 有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类 在同样地质条件下 埋深的不同 施工方法也将有很大差异 25 5 工期作为设计条件之一的施工工期 在一定程度上会影响基本施工方法的选择 因为工期决定了在均衡生产的条件下 对开挖 运输等综合生产能力的基本要求 即对施工均衡速度 机械化水平和管理模式的要求 6 环境条件当隧道施工对周围环境产生如爆破振动 地表下沉 噪声 地下水条件的变化等不良影响时 环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一 在城市市区条件下 甚至会成为选择施工方法的决定性因素 完善施工方法标准化 模式化的重要条件是建立适应各种条件下的隧道施工机械化配套技术的标准模式 26 3 山岭隧道开挖方法的选择 山岭隧道施工的过程和方法是多种多样的 但钻爆法仍然是我国目前应用最广 最成熟的隧道修建方法 山岭隧道开挖常用的方法为全断面法 台阶法 中隔壁法 CD法 交叉中隔壁法 CRD法 单侧壁导坑法 双侧壁导坑法等 27 28 4 各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况 1 全断面法全断面开挖法是按设计断面将整个隧道开挖断面一次钻孔 一次爆破成型 一次初期支护到位的隧道开挖方法 主要适用于非浅埋 级硬岩地层 浅埋段 偏压段和洞口段不宜采用 如确实地质条件较好 也可采取先开挖小导坑 然后再扩大的施工方法 这对保持围岩稳定是有利的 该法有较大的作业空间 有利于采用大型配套机械化作业 钻爆施工效率较高 可采用深眼爆破 提高施工速度 且工序少 便于施工组织和管理 较分部开挖法减少了对围岩的振动次数 29 但由于开挖面积较大 围岩相对稳定性降低 且每循环工作量相对较大 深孔爆破用药量大 引起震动大 因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业 2 台阶法台阶法施工是将隧道结构断面分成两个或几个部分 即分成上下两个断面或几个断面分部进行开挖的隧道开挖方法 该法适用于铁路双线隧道 级围岩 单线隧道 级围岩亦可采用 但支护条件应予以加强 该法具体可分为正台阶法 三台阶临时仰拱法 环形开挖预留核心土开挖法等 30 该施工方法的优点是对地质变化的适应性较强 工序转换较容易 并能较早地使初期支护闭合 有利于控制沉降 台阶长度一般应控制在1 1 5倍洞径 为及早使初期支护封闭成环 也可适当缩短台阶长度 当围岩较稳定 短台阶能保持时 台阶长度亦可适当缩短至3 5m 上下台阶同时钻眼爆破 以起到加快施工进度 减少设备配置的目的 31 下部断面 中 下层台阶 是开挖作业的重要环节 近年来 在下部开挖中 因方法欠妥 作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起 必须引起高度重视 在开挖顺序上 宜采用先挖侧槽 左右错开向前推进的做法 不宜采用拉中槽挖马口的方法 侧槽一次开挖长度不宜太长 靠近边墙范围应采用风钻 风镐手工开挖 人工清壁扒碴 严禁使用重型机械开挖和装碴 以免对围岩过大扰动 破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性 32 3 中隔壁法 CD法 中隔壁法 CD法 是将隧道断面左右一分为二 先挖一侧 并在隧道中部设立利用钢支撑及喷混凝土的临时支撑隔墙 当先开挖一侧超前一定距离后 再开挖另一侧的隧道开挖方法 33 该法变大跨为小跨 使断面受力更合理 对减少沉降 保证隧道开挖安全 可靠具有良好效果 该法适用于较差地层 如采用人工或人工配合机械开挖的 级围岩和浅埋 偏压及洞口段 施工过程中 为保证初支稳定 除喷锚支护外 须增加型钢或钢格栅支撑 并采用超前大管棚 超前锚杆 超前注浆小导管 超前预注浆等一种或多种辅助措施进行超前加固 由于地层软弱 断面较小 只能采用小型机械或人工开挖及运输作业 工序多 施工进度较慢 必要爆破时 应控制药量 避免损坏中隔墙 临时中隔墙型钢支撑规格应与初期支护所采用的一致 每步台阶长度可控制在3 5m 34 4 交叉中隔壁法 CRD法 当采用中隔壁法 CD法 仍然无法保持围岩稳定和隧道施工安全时 可采用交叉中隔壁法 CRD法 开挖 该法的特点是各分部增设临时仰拱和两侧交叉开挖 每步封闭成环 且封闭时间短 以抑制围岩变形 达到围岩沉降可控 初期支护安全稳定的目的 35 该法除喷锚支护及增设足够强度和刚度的型钢或钢格栅支撑外 还应采用多种辅助措施进行超前加固 交叉中隔壁法 CRD法 适用于断层破碎带 碎石土 卵石土 圆砾土 湿陷性黄土 全风化的花岗岩地层的 级围岩及较差围岩中的浅埋 偏压及洞口段等 5 单侧壁导坑法单侧壁导坑法施工与中隔壁法 CD法 类似 但其导坑开挖断面相对较小 36 5 单侧壁导坑法单侧壁导坑法施工与中隔壁法 CD法 类似 但其导坑开挖断面相对较小 6 双侧壁导坑法双侧壁导坑法是采用先开挖隧道两侧导坑 及时施作导坑四周初期支护及临时支护 必要时施做边墙衬砌 然后再根据地质条件 断面大小 对剩余部分采用二台阶或三台阶开挖的方法 其实质是将大跨度的隧道变为三个小跨度的隧道进行开挖 37 该法施工进度较慢 成本较高 但其在施工安全尤其在控制地表下沉方面 优于其它施工方法 此外 由于两侧导坑先行 能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水 为后续施工创造条件 因此城市浅埋 软弱 大跨隧道和山岭软弱破碎 地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法 在 级围岩的浅埋 偏压及洞口段 也可采用此法施工 总之 对于硬岩隧道宜采用全断面法与台阶法 分部开挖法适用于软岩隧道 采用台阶法施工时 不宜采用长台阶 因其不利于初期支护及早封闭成环 在采用分部开挖法的硬岩隧道中爆破作业将会严重破坏已成形的中隔壁 应采取一定的保护措施 三 装砟 运输方式选择 一 装碴 运输方案比选应根据隧道断面大小 长度 施工方法 运量 机具配备 通风风量要求 施工场地等综合因素比选确定 挖 装 运能力应匹配 形成机械化作业线 提高运输能力 以加快施工进度 装运设备应具有一定备用量 不因设备维修影响施工进展 二 装碴运输方式其方式主要在以下三种 1 有轨式 是目前单线铁路隧道及地铁普遍采用的方式 装碴机械 牵引机车 运输车辆能力要配套 洞内外交会车轨道要布置合理 要以提高吞吐能力为布置出发点 轨道及道岔要合理布置 做到平顺直 一般洞口应设置栈桥 碴仓等存储碴设施 便于汽车转运 以提高运输效率 2 无轨式 不受轨道制约 使用大马力 大吨位装运设备 运输效率高 适合于双线或多线大断面隧道装碴运输 3 无轨装碴有轨运输式 特点是在距开挖面20 30m范围内不须铺轨 解决了开挖爆破中轨道运输延伸与装碴调车的干扰问题 以上三种方式 除断面制约因素外 宜采用无轨装运方式 它具有机动灵活 运量大 速度快以外 对洞外场地适应性强 设备属于遍用性 一机多用 闲置时间少 而且弃碴不须转运 唯对洞内路面要求较高 尤其渗漏水较大软弱围岩更增加养护困难 易形成泥泞满洞 不仅影响施工效率 而且轮胎磨损很大 增加运输成本 因此 做好排水工作 增加运输道路养护力量非常必要 41 四 辅助工法的应用 考虑到山岭隧道工程地质 水文地质 和环境条件的复杂性 要保证隧道安全顺利的实施 除认真做好初期支护结构外 还应根据隧道围岩特性 采取适当的辅助工法 以达到围岩迅速稳定的目的 常用辅助工法见下表所示 42 43 1 对浅埋 偏压地形 地质条件较差的隧道洞口 洞身段应先预加固后再开挖 视地质条件可采用地表砂浆锚杆 地面预注浆 地表旋喷桩等加固围岩方法 网喷混凝土或砂浆锚杆等加固边仰坡 如为滑坡体 则应设置抗滑桩 并根据围岩情况设置长管棚 10 40m 超前注浆小导管等超前支护措施 2 软岩段隧道的基底应予以加强 可采用基底注浆 钢管桩 旋喷桩或其他加固措施 确保衬砌有足够的强度 刚度和抗裂性 3 岩溶发育的长大隧道 根据隧道环境要求 具体围岩状况 水压 水量等采用恰当的注浆堵水措施 五 隧道施工通风 一 通风方式选择施工通风直接影响隧道方案的选择 辅助坑道的设置 施工速度的快慢及工程造价 因此 设计和施工隧道尤其长大隧道时 必须引起高度重视 通风是为了送进新鲜空气 排出有害气体 降低粉尘浓度 改善工作环境 保证工人健康和施工安全 提高劳动生产率的目的 隧道通风方式应根据隧道长度 施工方法和设备确定 通风量应满足洞内各项作业需要的最大风量 通风机应有50 的备用能量 一般常用管道式和巷道式两种 1 管道式通风 根据风流又可分为 压入式 吸出式和混合式三种 1 压入式 将新鲜空气通过风管直接压入工作面 以新鲜空气稀释和驱逐污浊空气 将其排出洞外 工作方法简便 适宜于无轨运输的隧道和有轨运输较短的隧道 由于拉链式软风管的使用 加上射流风机的配合 该通风方式应用更为广泛 独头通风距离达到3km 是完全可能的 其缺点是污浊空气要流经整座隧道才能排出 风管通过衬砌模板台车时 由于下垂 弯曲 风量损失较大 2 吸出式 污浊空气是通过管道排出的 易形成炮烟停滞区 不宜单独采用 由于大部分隧道均采用软风管 风机须随掌子面前进而移动 十分不便 而有被爆破飞石砸坏的危险 一般不采用 3 混合式 能发挥以上两种方式的优点 一般长隧道经常采用 2 巷道式通风 是利用隧道的平行导坑作主通风巷道 当主风机运转时 新鲜空气由正洞流入 经过成洞及各工序施工地段至最后一个横通道风流折入平导 然后排出洞外 其间在正洞和平行导坑工作面附近布置必要的辅助风机 与主风流循环配合 也有的采用平导进新鲜空气 污浊空气从平洞排出的方案 二 通风量计算应同时分别按 工作最多人数所需风量 每人按3m3 min 洞内最小风速所需风量 全端面V 0 15m sec坑道中V 0 25m sec 最大风速应不大于6m sec 开挖面一次爆破排烟所需风量按下式计算 7 8Q0 t式中 Q0 爆破排烟所需总风量 m3 min t 通风时间 min A 一次爆破炸药消耗量 kg F 隧道断面面积 m2 L 通风换气长度 m 内燃机械作业所需风量计算 q c kQ y式中 Q 所需总通风量 m3 min q 排出有害气体量 m3 min c 排出有害气体浓度 y 有害气体最高允许浓度 k 安全系数 无轨运输所需风量是以稀释柴油机尾气中的CO量计算的 但是由于内燃机产生的CO量与行车速度 路面好坏 内燃机性能 柴油质量 有无净化装置 运输距离远近诸因素有关 各个国家有不同的计算式 许多因素难以定量 多以经验式计算 Q Q0 N式中 Q0 单位功率的通风量 m3 min N 洞内作业柴油机功率的总和 kw Q 无轨运输所需的的通风量 m3 min Q0是一个统计数字 各国取值有很大出入 从2 1 7 0m3 min kw不等 目前我国采用Q0 3 0m3 min kw 还应考虑百米漏风率 一般取1 以上计算取其中最大值加上漏风率影响作为控制风量标准 并据以选择风机及风管直径 三 通风注意事项1 一般压入式或吸出式风管距离掌子面不宜大于20m 采用混合式通风时 当一组风机向前移动 另一组风机管路即相应接长 始终保持两管道相邻端交错不小于20 30m 2 局部通风中 吸出风管与出风口应引入主风流循环的回风流中 3 单独压入式风机应设在洞口并距洞口不小于20m 有条件时风机尾接长风管 形成烟囱式 以免污浊空气再进入洞内 形成恶性循环 4 采用平导作通风巷道 除最前一个横通道要行人或车辆外 其余应封闭或设风门 以免漏风和风流 短路 如设风门应有专人管理 5 风机与风管应有专人管理 使之经常保持良好状态 风管安装应平顺 接头应严密 软风管改变方向时应用硬管连接 6 注意通风软管管理 应采用优质软管 每根软管长度20 30m 以减少接头漏损 爆破前应关闭通风机 炮响后再开启 发现软管破损 应立即修补 50 六 殊地质条件下的隧道施工要点 一 自稳能力差的岩体对于自稳时间短 喷锚初期支护强度不足以稳定洞体的软弱破碎 浅埋软岩 严重偏压 岩溶 流泥 砂层 砂卵 砾层 破碎以及大面积淋水或涌水地层隧道施工 可采用辅助措施和锚喷支护相结合的加固办法进行施工 辅助措施一般可采用以下几种 超前锚杆 超前小导管 大管棚 格栅钢架 型钢支撑 钢钎维砼 迈式锚杆 超前小导管周边予注浆 旋喷桩 冻结法等加固措施 对涌水量大的隧道 可开挖超前平导以排水降压并能起到地质超前预报作用 也可采取帷幕注浆堵死涌水 51 施工中为确保开挖面的稳定 可采用环形开挖留核心土 或单 双侧壁蛋形导坑法 中隔墙法 交叉中隔墙法等 喷射砼封闭掌子面 设临时仰拱使及时封闭成环 辅以其他加固措施 运用新奥法原理 从认识围岩 保护围岩 支护围岩 监测围岩出发 通过多年实践总结出了三十字施工方法 即 先深探 管超前 预注浆 小断面 留核心 短进尺 弱爆破 强支护 紧封闭 常量测 二 软岩大变形隧道施工 国内外隧道工程中 遇到的大变形隧道工程实力较多 如日本的杯山隧道 中佐久隧道 岩手隧道等 奥地利陶恩隧道 阿尔贝格隧道等及国内的家竹箐隧道 木寨岭隧道等 隧道均处于显著变质的软质围岩或膨胀岩之中 地应力情况复杂 根据施工案例 一般小断面隧道采用台阶法施工 大断面隧道采用分部法施工 并采用超前导管 注浆加固 锚杆及锚锁支护等辅助施工工法 取得了一定效果 但并无固定模式 须根据具体工程选择 从施工的角度来说 解决大变形给隧道施工带来的危害 主要是控制围岩变形对隧道支护结构的作用处于可控状态之中 具体到施工过程控制 实质上是在开挖及支护过程中对围岩变形破坏过程的及时控制和破坏进程的阻止 1 开挖方法选择 1 对软岩大变形隧道 一般采用分部开挖法 优选台阶法和导坑超前扩挖法 应根据具体情况选择 实践表明 采用扩挖法开挖支护效果要优于台阶法开挖 且二次衬砌结构将会更安全 但台阶法开挖具有施工组织简单 习惯使用等优势 2 台阶法开挖时台阶长度宜控制在0 8 1D 预留核心土长度的建议值为 0 5D L 1D 3 仰拱快速成环形成封闭支护结构以利于承载 对抑制围岩与支护结构有利 2 软岩大变形隧道支护系统 根据软岩大变形隧道特点 支护结构设计应采用以提高围岩自身强度为主的支护控制系统 阻止其应力场所引起岩层运动的发展 以保证加固后的隧道稳定 故解决大变形给隧道施工带来的危害 关键还是要找到合适的 能抗大变形的支护系统 1 工程实践表明 软岩大变形隧道宜选择刚度较大的初期支护系统和钢筋混凝土组成的复合式支护系统 必要时配合锚索支护 以抑制变形 2 隧道结构变形监测表明 结构变形总量较大 历时较长 二次衬砌施作前 变形不能趋于稳定 需适时进行二次衬砌施工 3 根据隧道结构的变形特征 确定二次衬砌施作的最佳时机和初期支护结构的变形预留量 3 软岩大变形隧道总体施工原则 在借鉴国内外典型软岩大变形隧道施工的成功经验的基础上 得出软岩大变形隧道施工 高强钢拱架构筑隧道安全施工空间 预应力锚索先柔后刚提供较高支护抗力 长系统注浆锚管加固围岩缩小松动圈 加大预留变形量防止围岩及初期支护侵入隧道净空 二次衬砌钢筋砼先放后抗 快速封闭仰拱抑制隆起 的总体施工原则 高强钢拱架增加隧道施工安全性以高强钢拱架为主的初期支护能抑制围岩的大变形 在形成支护体系后 能较均匀地分散围岩应力 而不易产生局部变形破坏 使围岩的松动圈得到控制 小直径预应力锚索提供较高支护抗力柔性张拉预应力锚杆是以高强钢丝束组成的杆体 能适应比较小的空间进行安装 其抗拉强度远大于一般的螺纹锚杆 而且当拉力到达一定数值后 杆体有良好的弹性变形 能很好地适应软岩持续变形 使得围岩压力被逐渐释放 从而有效地控制了围岩的变形 长系统注浆锚管加固缩小围岩松动圈大变形软岩地段的拱墙采用长管式张拉锚管 同时对管式张拉锚管配以超细早强速凝的HSC水泥浆液 在管锚体周围一定范围内形成一个固结圈 并且对管式张拉锚管施加一定的预应力 使原来较松软的围岩松动圈形成了一个整体 既改善了因开挖所引起的松动圈内围岩的整体性 又控制了软岩松动圈进一步扩展 从而提高了围岩的自稳能力 预留足够变形量软围大变形隧道在确定开挖轮廓时必须预留足够的变形量 并掌握 宁超勿欠 原则 防止变形后的初期支护侵入二次模注混凝土衬砌净空 先柔后刚先放后抗支护系统 先柔后刚 是指支护结构 即初期支护是柔性的 其由钢筋网 喷钢纤维混凝土 高强度钢拱架 长锚杆及小直径岩石锚索构成 而二次支护则是刚性的 由钢筋模注混凝土组成 先放后抗 是指施工组织和施工顺序 即初期支护施作完成后 在确保安全的前提下 允许发生一定程度的变形 达到设计预留的变形量后再施作二次模注钢筋混凝土衬砌 加强底部仰拱支护抑制隧底隆起隧道底部仰拱支护为钢筋混凝土 在施工中采用过轨梁防行车干扰措施 快速施工隧底钢筋混凝土仰拱 防止隧底隆起 三快 施工工序确保安全在软岩大变形地段 在施工早期 要快速提供大刚度的初期支护结构 要快速形成支护体系 要快速提高支护强度 只有如此 才能适应初期变形猛 后期变形持续时间长的特点 62 三 瓦斯隧道施工1 概述瓦斯是从煤 岩体内涌出有害气体的总称 其中有俗称沼的甲烷 CH4 二氧化碳 二氧化硫等 但当开采到一定深度后 其主要成份就剩沼气了 因此煤矿俗语中瓦斯往往是指沼气 沼气有以下六个特性 1 无色 无味 无臭 比重为0 544 故易聚集在隧道洞室顶部及高处 2 难溶于水 但渗透与扩散性很强 能从邻近层渗透到采空层 能迅速扩散到全部巷道 3 虽无毒 但当空气中含量过多 则能使氧气含量下降使人窒息 当其浓度达43 时 能使氧气含量下降到12 使人开始窒息 当浓度达到57 时 氧气含量就会降到9 短期内使人窒息死亡 4 有燃烧性 浓度小于5 遇火能燃烧 当浓度大于16 时不能直接燃烧 但遇到新鲜空气能缓慢燃烧 63 5 有爆炸性 当浓度在5 16 时遇火便会爆炸 6 高浓度区具有地层 掘进面出现瓦斯突出 2 通过煤系地层地段的防爆措施防止瓦斯的危害主要在于防爆 为此应始终抓住三个环节 严禁火种 瓦斯浓度监测和加强通风 主要措施是 1 为查明煤层位置及突出性所采取的技术措施 利用弹性波 物探 判断煤层位置 利用钻机水平超前钻孔两次 一是距煤层30 50m远打2 3个孔 决定煤层位置 并测瓦斯压力及浓度 二是距煤层10 15m钻2 3个孔 穿透煤层测定瓦斯浓度 瓦斯压力P1 采集钻孔煤样 测定煤层坚固系数f 瓦斯释放初速度 P 最终判断煤层突出性 64 2 进行预防瓦斯的安全教育 使职工人人了解预防瓦斯的知识与要求 以利互相监督 洞口设专人值班 检查各项制度是否执行 特别是火种严禁携带入洞 3 合理选择通风方式 加强通风管理通风方式采用混合式 主扇可采用两台 一台备用 155kw轴流风机3900m3 min设在平导通风洞作吸出 局扇15 45kw吹入掌子面进行巷道通风 平导吸出污浊空气 正洞进新鲜空气 风量要足够 以稀释瓦斯含量及加速排出 组织通风管理小组 固定专人管理通风 保证通风效果良好 洞内风机 局扇 采用防爆型的 4 设备 供电 照明防爆以杜绝电火花 设备选用防爆矿用电气设备 如防爆立爪 防爆梭矿 65 防爆电瓶车 防爆喷浆机等 供电防爆 洞内采用隔爆型移动变压器 矿用橡套软电缆 防爆电缆 隔爆型自动馈电开关 隔爆型磁力起动器 隔爆接线盒等 照明采用低压隔爆萤光灯 防爆探照灯 通讯采用防爆电话 5 要有可靠供电 为了防止施工中因停电 停风 造成瓦斯积聚 导致瓦斯燃烧和爆炸 要有双回路供电 除使用电网供电外 要设立备用电站 6 建立完善的瓦斯监测制度 一般对巷道和掌子面要执行定时检查制 高沼隧道每班至少检查监测瓦斯三次 低沼隧道每班至少两次 每次检查 均应在靠近掌子面20M处的空间断面监测六个点 并建立巡回监测制度 66 在掘进工作面附近安装一台数字显示的沼气自动报警仪 作为环境的沼气浓度监测装置 每洞口均设瓦斯浓度报告牌 及时填写 7 爆破作业 首先作好爆破设计 只允许采用电雷管起爆 毫秒雷管总延期不得超过130毫秒 使用煤矿安全炸药 电缆线作导线 放炮时要三员到场 领工员与工班长 瓦检员 放炮员 并实行 一炮三检制 装药前 放炮前 放炮后 炮眼堵塞用水炮泥 必须用水风钻钻眼 不得打浅眼 60CM 8 采用复合式曲墙仰拱全封闭结构 初期支护以喷锚 局部加网 支护为主 二次模注采用P10防水砼 防水板由1mm改为厚2mm聚乙稀板 以增加抗瓦斯渗透性能 67 四 岩溶地区隧道施工1 岩溶概述岩溶是可溶性岩层 如石灰岩 白云岩 白云质灰岩 石膏等 受具有溶解能力 含CO2 的水长期作用而产生的 由于溶蚀的形成 位置 塌陷作用等的不同 岩溶在隧道施工中常遇见的有岩溶裂隙 溶洞 暗河 当覆盖较浅时 也会遇到溶沟 溶槽 落水洞 漏斗等 2 岩溶对隧道施工的影响当隧道穿越可溶性岩层时 常遇到大小不等 部位不同 充填物及充填程度不同和含水量不等的溶洞 它们都给施工带来一定困难 有的甚至是灾难性的 如隧道底部充填深而充填很松软 隧道基底难于处理 有的溶洞岩质破碎 易坍 68 有时遇到大水囊或暗河 岩溶水或泥沙水大量涌入隧道 形成突水突泥 造成重大伤亡事故 有时遇到填满饱含水分的充填物的溶槽 掘进至边缘时 含水充填物不断涌入隧道 难以遏止 以至地表下沉 山体压力聚增 如大瑶山隧道竖井涌水 有的溶洞 暗河迂回交错 分支错综复杂 范围宽广 处理十分困难 甚至被迫改线等 3 岩溶处治基本原则 主要有 1 超前探测预报原则2 安全施工原则3 不安全辩识原则4 施工顺序优化原则5 施工季节选择原则6 辅助导坑与正洞协调施工原则7 洞内外抽排水系统设计原则8 注浆堵水原则9 支护体系设置原则10 二次衬砌紧跟原则11 信息化施工原则 4 岩溶的处治a 引排水遇到暗河和溶洞有水流时 宜排不宜堵 在查明水源流向及其与隧道位置关系后 用暗管 涵洞 小桥等设施 渲泄水流 或开凿泄水洞将水排出洞外 当水流位置在隧道上部或高于隧道时应在适当距离外 开凿引水斜洞 或引水槽 将水位降低到隧道底部位置以下 再行引排 当有平导时 可引入平导排出 b 堵填对已停止发育 径跨较小 无水的溶洞 可根据其与隧道相交位置及其填充情况 采用混凝土 浆砌片石或干砌片回填封闭 或加深边墙基础 加强隧道底部 拱以上如系空溶洞 可视溶洞的岩石破碎程度采用锚杆加固 71 加设护拱及拱顶回填办法处理 c 跨越当溶洞较大较深 不宜用堵填封闭的办法或充填物松软不能承载建筑结构时 可采用梁 拱跨越 但梁端或拱座应置于稳固可靠岩层 必要时用圬工加固 d 绕行施工中遇到一时难以处理的溶洞时 如需钻探作特殊设计等 可先以迂回导坑绕行 继续进行隧道施工 一面处理溶洞 4 施工注意事项 1 隧道施工前 应对地表进行详细勘查 注意研究岩溶状态 估计可能遇到溶洞的地段 72 2 对地表水 出水点的情况要详细了解 地表应进行必要处理 防止地表水下渗 3 施工中要加强超前预测预报工作 通过采取地质素描 物探手段 如地震波法 直流电法 红外探水 及超前钻孔等综合手段来判断岩溶发育及地下水情况 在掘进时 根据钻孔速度加快 可能已达溶洞边缘 应注意水情变化及裂隙溶蚀程度 当有所剧增时 应对掘进 排水 支护等工作加以妥善安排 如出现混水 则应采取堵水措施 小水不堵 大水叫苦 如把水放出来 再要堵回去 是非常困难的 4 接近溶洞边缘时 应跟紧后部工序 施作物探及超前钻孔探水 同时设法探明溶洞的形状 大小范围 充填物等情况 据以制定施工处理方案及安全措施 73 5 反坡施工隧道应备足排水设备 6 溶洞顶部须及时加固 及时处理危石 溶洞较高时要喷射混凝土及挂网 7 在溶蚀地段爆破作业 应做到多打眼 打浅眼 少装药 8 在溶洞填体中通过 充填物松软时 可采用管棚法 大 小 予注浆 初期支护加强 基底加固等措施 浅埋地可段也可予先进行地表注浆 9 溶洞未作处理方案前 不要弃碴于其中 10 在处理复杂的溶洞时 要依据现场具体情况 制定安全措施 以确保施工安全 74 5 反坡施工隧道应备足排水设备 6 溶洞顶部须及时加固 及时处理危石 溶洞较高时要喷射混凝土及挂网 7 在溶蚀地段爆破作业 应做到多打眼 打浅眼 少装药 8 在溶洞填体中通过 充填物松软时 可采用管棚法 大 小 予注浆 初期支护加强 基底加固等措施 浅埋地可段也可予先进行地表注浆 9 溶洞未作处理方案前 不要弃碴于其中 10 在处理复杂的溶洞时 要依据现场具体情况 制定安全措施 以确保施工安全 75 高度重视安全 质量管理 有针对性的制定各种保证措施 1 充分认识隧道施工安全管理和质量管理的复杂性和重要性 由于隧道工程自身处于地下及围岩的不完全可预测的特点 决定了隧道施工的高风险性和施工安全管理的复杂性 又由于隧道工程在我国属劳动密集型产业 牵涉到千家万户生命健康 幸福和家庭收入的社会问题 做好安全生产是社会进步的表现 是关注生命在工程建设领域的集体体现 隧道施工安全 质量水平的最终体现 是项目稳定生产的保证 是项目效益的前提 交精品工程 会对沿线经济发展起巨大推动作用 反之 将会给国家和社会造成巨大的经济损失 七 安全 质量控制要求 76 2 正确认识安全 质量与效益的关系安全事故 质量事故除了会给企业与项目造成经济损失外 还会给企业信誉造成不良影响 它的发生往往会打乱正常的 稳定 持续的生产秩序 因此 必须转变由被动的接受安全事故 质量事故造成的损失变为主动做好安全 质量管理 向安全 质量 进度要效益 3 几点要求 1 树立以人为本理念 强化全员安全质量意识 77 认识到位 坚持建设高起点 要认识到安全质量的复杂性和人本管理的重要性 要有 建精品 创国优 的理念 树立 以人为本 安全第一 质量第一 建造精品 的指导思想 明确 施工生产零事故 工程质量零缺陷 管理目标 培育 苦干 实干 拼命干 工作作风 教育员工正确认识安全与质量 安全与效益 安全与工期的关系 强调安全是施工的卫士 质量是项目的生命 精品工程是企业创信树誉的法宝 并将这一理念灌输给全体参建员工 要将安全 质量作为项目建设基础工作抓实抓好 培训到位 切实提高员工素质 要组织所有管理 技术人员和操作人员对各项施工标准的培训 特别是对于外协人员的安全培训和特殊工种岗位任职资格培训 提高他们自身素质和安全技能 78 资源到位 坚持施工高质量 一是落实人员投入 建立健全安全质量管理体系 各级安全 质量管理人员到位 特殊工种持证上岗 二是落实设备投入 提高隧道施工机械化水平 保证新工艺 新方法的实现 三是落实劳保投入 按规定配置劳动保护用品 并保证质量 配置洞内外消防用品 保证通风 照明 文明施工投入 为安全质量创造良好的外部环境 2 要重视通过合理的施工组织 先进的施工工艺和完善的设施来保证安全和质量 79 通过全断面光面爆破技术 全过程防排水技术 衬砌表面错台控制技术 耐久性混凝土施工技术 隧道铺底整体施工技术 混凝土湿喷技术 辅以先进的施工设备来保证隧道的施工质量 通过超前预探预报 超前加固 加强通风 洞内交通组织 防止隧道坍塌 突水突泥 瓦斯及其他有害气体逸出 避免地质灾害发生 确保隧道施工安全 与之同时 提高安全质量认识 严格执行安全质量的各种规范 规定 规章和制度 事故是完全可以避免的 八 隧道及地下工程面临的基本课题 一 工程地质与水文地质情况的预探 预报技术勘测设计阶段一般采用现场勘查 地质资料调绘 坑探 钻探 物探等手段 综合交错进行 必要时还可以利用航测及卫星遥感等技术 施工阶段的地质工作则是采用在开挖面上测绘推断 物探判识或超前钻探等手段 依据需要选择进行 现有的方法和手段不少 但是其确定性差 可靠度低 加之现场上专业技术人员严重缺乏 造成施工预案不足 盲目追赶进度的局面很难改变 甚至于酿成了较大的祸患 教训极其深刻 在以上各种地质预探手段中 施工现场上人们乐于使用的是物探 因为物探手段相对简单易行 对工程进度的影响较小 成本费用也较低 但是目前所用的物探手段及其判识技术必须有较大的改进和提高才能够达到隧道及地下工程的要求 今后研究的重点应该放在物探设备技术性能及分析指标的改进和创新上来 当然加强现场工程地质技术力量同样是很重要的一个方面 二 特长隧道独头长距离施工技术此课题关乎自然环境及水 土资源保护和工程建设成本 目前国内隧道施工独头距离的一般限制是铁路单线约2 2 铁路双线或公路约4 控制因素主要是通风排烟能力 渣 料运输能力和施工进度要求 目前特长隧道施工多采用增设斜 竖井等辅助坑道的办法来解决上述难题 即所谓的 长隧短打 辅助坑道的长度往往会占到主洞长度的50 70 甚至于更高的比率 这样做不仅是大幅度地增加了工程数量和工程成本 更重要的是破坏了工程所在地的自然生态环境 有可能出现水 土流失的严重的后果 而且大多数施工用的辅助坑道在工程完工后即行废弃处理 如果能将隧道独头施工能力和距离提高50 左右 则辅助坑道的工程量可减少半数以上 我国西部铁路 公路 水利和电力建设中长大隧道很多 然而西部地区生态环境保护至关重要 该技术研究课题的意义非常重大 三 水下及海底隧道工程技术我国在江河水下成功修筑隧道已有多处 所用施工技术有沉埋法 盾构法 钻爆法或其它方式的明挖 暗挖法等 技术相对成熟 尤其是上海已用目前世界上最大直径 15 4m 的盾构机在长江下修筑大断面的公路隧道 但是 我国在江河下面修筑隧道的技术课题还远未结束 由于我国临近江河 湖泊的城市很多 以水下隧道的方式来沟通江河 湖泊两岸的情况将会越来越多 我国地域广阔 地形 地貌 地质 水文 气象等情况极其复杂 目前已建成的水下隧道绝大多数位于江河下游地带 从地域上来讲属于中国大陆东南和中南部 仅重庆市在长江下面用盾构法建成了直径6 4m的排污隧道 所以 各种工程方法在不同水文 地质和气象等条件下的实用技术还有大量的试验研究工作要做 四 特殊地质情况下修健隧道及地下工程的技术 如岩溶 岩爆 膨胀性围岩 湿陷性黄土 高地应力 蠕变地层 软弱地层 断层破碎带 涌水 突泥 瓦斯 毒气 可燃气 放射性 等等 隧道及地下工程的修筑难题多数表现在工程地质及水文地质方面 我们虽然已经积累了大量的在上述不良地质情况下修筑隧道及地下工程的经验和技术 但是工程现场因地质原因致使施工受阻 甚至于发生安全 质量事故的情形并不少见 所以加强特殊地质情况下隧道及地下工程技术研究是我们要长期坚持进行的重要课题之一 尤其是灾害性事故的预防和治理 如坍塌 水害和瓦斯爆炸等 辅助工法的出现和运用是隧道及地下工程施工的重要特点之一 辅助工法多用于围岩所处地层的加固及物理力学性质的改善 如注浆 冷冻 桩墙 管棚 锚固 喷护等工法均为隧道和地下工程施工中的辅助工法 辅助工法十分重要 很多情况下关系到主体工程施工的成败 由于辅助工法不当而招致工程事故甚至工程失败的例子并不少见 所以加强辅助工法的研究开发是隧道和地下工程施工的重要环节之一 五 特大断面的隧道及地下工程构筑技术研究这里所谓的 特大断面 是指像多线径的公路 铁路隧道 地铁车站 地下厂房和储库等 其断面面积一般在100 以上 施工中同一断面上的同一工序须要分部多次进行的工程对象 隧道及地下工程施工始终面临着地层应力和结构应力的转换 从力的平衡到不平衡 再到新的平衡的建立 是个复杂而隐蔽的过程 尤其是特大断面的施工 工序多 转换快 流程长 由于地层围岩和支护结构受力变化幅度较大 因而其构筑方法和工艺对施工安全和工程质量有着直接的影响 其技术难度相当突出 随着社会经济高度发展的需要 特大断面的隧道及地下工程运用会越来越多 所以进行特大断面的隧道及地下工程构筑技术研究也显得十分突出 六 隧道及地下工程专用设备 器材和材料的研制和开发隧道施工作业机械化水平直接影响到工人的劳动强度 安全状况 工程质量和劳动生产率的高低 高科技的机械化施工手段是隧道和地下工程施工能力的重要体现和标志 如果没有凿岩钻孔设备的进步 光面爆破 预裂爆破技术是不可能普及的 没有现代化的盾构机和掘进机想要在软弱 富水的地层中快速修建地铁和穿越数十公里的崇山峻岭也是难以想象的 因此 我们应组织力量进行隧道和地下工程专用设备的研究和开发 一方面抓施工设备的配套 借以提高施工生产效率 降低生产成本 另一方面抓高科技产品如盾构机 TBM等的研制 实现国产化 系列化 才能争取主动 加快隧道和地下工程建设的发展 七 隧道及地下工程在国土利用 环境保护 节能减耗等方面的运用技术在以上方面成功运用的实例很多 如利用地下空间储存油气 货物 粮食和饮水 将城市闹区汽车交通改入地下 以减少交通障碍 降低因汽车尾气 噪声对多数人的伤害 且增加了中心市区绿地面积 改善了城市的环境条件 利用地下空间赋予的气温潜能改善地面建筑内的控温设施性能 较大限度地节约能耗 等等 由此看来 隧道及地下工程技术的运用范围及前景是非常广阔的 其