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第6章隧道施工方法 本节内容 1 传统矿山法2 新奥法3 洞口段施工方法4 明洞施工方法5 辅助施工措施6 特殊地质地段施工 1 2 90 本节主要内容 6 1传统矿山法 6 2新奥法的基本概念 6 3新奥法施工方法 6 4洞口段及明洞施工方法 6 5辅助施工方法 6 6特殊地质地段施工方法 66 06 11 14 38 49 3 90 1 隧道工程的施工特点1 施工全过程受制于地质条件2 大型的隐避工程3 施工环境较差4 多地处偏远山区 交通不便 5 狭长建筑物 工作面很少 6 施工不受气候影响 概述 4 90 1 隧道施工主要方法 矿山法 传统矿山法 新奥法 明挖法 掘进机法 盾构法 沉管法 顶进法 2 隧道施工方法及其选择 工程的重要性 工程地质与水文地质条件 施工技术水平 机械设备 施工中动力和原材料供应 工程投资与运营后的社会效益和经济效益 对环境的保护要求 施工单位的习惯做法 2 影响施工方法的主要因素 5 90 传统矿山法有 全断面法 台阶法 漏斗棚架法 蘑菇形法 上下导坑先拱后墙法 等 6 1传统矿山法 仅选择传统矿山法中具有代表性的上下导坑法予以介绍 以与新奥法施工对照 6 90 上下导坑先拱后墙法 7 90 优点 有拱圈保护 安全 有两个导坑 有利于通风 排水与运输 缺点 两个导坑增加了造价 边墙须开挖马口 进度慢 适应于 级围岩 8 90 挖马口 在 先拱后墙法 施工中 开挖边墙的工序 9 90 定义 先行开挖 能为后续开挖提供施工便利的坑道 作用 为后续工作面创造临空面 提高爆破效果 查明前方地质情况 排除地下水 铺设 三管两线 水管 压缩风管 通风管 电线 运输线 改善施工通风条件 导坑 10 90 1 新奥法的由来与产生的历史背景 新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法 即NewAustrianTunnelingMethod 缩写为NATM 6 2新奥法的基本概念 产生的背景 1 锚杆支护在20世纪初出现2 喷射混凝土机在1940年代末研制成功3 岩石力学的理论发展为其提供了科学依据 11 90 2 新奥法的基本概念 1 新奥法 用薄层支护手段来保持围岩强度 控制围岩变形 以发挥围岩的自承载能力 并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工 2 新奥法的三大要素 控制爆破喷锚支护监控量测 3 三项作业 开挖初次支护二次支护 12 90 3 新奥法原理的要点 1 承载体系 支护结构 围岩2 少扰动围岩3 即允许又限制围岩的变形4 复合式衬砌 初期支护和二次衬砌 5 初期支护应尽量做成柔性的6 要尽可能使结构做得园顺7 进行有效的监控量测8 通过 排堵措施 解决衬砌渗水 13 90 新奥法与传统矿山法的关键异同点 相同 均采用钻爆法施工 不同 对围岩的处理不同 6 3新奥法施工方法 14 90 新奥法施工的基本原则 少扰动 早喷锚 勤量测 紧封闭 12字口诀 务必理解渗透 全断面法 台阶法 分部开挖法 15 90 全断面一次开挖法1 适应条件 级围岩 大型施工机具 钻孔台车 模板台车等 经济性考虑 中长隧道 1 全断面法 16 90 表示方法 横断面工序图 纵断面工序展开图习惯标注方法 阿拉伯字1 2 3 表示挖掘 罗马字 表示支护 2 施工顺序 17 90 钻爆作业循环 18 90 工序少 管理方便 进度快 大型机械 爆破效果好 对围岩扰动少 爆破1次 要求地质条件较好 3 施工特点 问题 地质条件变差时 大型机械怎么办 19 90 三条主要作业线 1 开挖作业线钻孔台车 装药台车 大型装碴机与运载车 2 锚喷作业线混凝土喷射机 喷射机械手 运输进料设施 3 模注混凝土衬砌作业线混凝土拌合 混凝土输送 防水层作业 衬砌模板 4 机械化施工的关键 20 90 1 特点 将断面从上至下分成2个或3个台阶开挖 随着台阶长度的调整 它几乎可以用于所有的地层 因而是在现场使用的主导方法 2 种类长台阶法短台阶法超短台阶法 2 台阶法 21 90 1 初期支护闭合环的时间要求围岩越差 闭合时间要求越短 台阶必须缩短 2 施工机械的效率效率高 则可以缩短支护闭合时间 台阶可适当加长 3 选择台阶长度的条件 原则 希望初期支护尽快闭合 围岩不好时 应以条件 为主 围岩较好时 应以条件 为主 22 90 长台阶法台阶长度L 5B B为洞室的宽度 甚至可以上台阶先贯通 即为 半断面法 特点 进度快 仅次于全断面法 适用于 级围岩 4 施工工序 23 90 台阶缩短 1 1 5 B L 5B 特点 支护闭合时间加快 围岩稳定性增加 台阶缩短加大了对下台阶施工的干扰 适用于 级围岩 2 短台阶法 24 90 上台阶存碴面积减小 往下台阶推碴次数增多 问题 台阶缩短对施工进度有何不利 解决办法 增加平行作业的时间 有利于加快进度 皮带运输机 过渡坡道 钢结构跳板 仰拱先做 石碴坡道 仰拱后做 见下面的相片 25 90 26 90 上台阶长度仅为3 5m 特点 更有利于控制围岩变形 但上下台阶相隔太近 施工干扰大 适用于 软弱破碎围岩 级围岩 超短台阶法 27 90 将3种台阶法放在一起比较 区别主要在台阶长度 28 90 下半断面开挖应在上半断面初期支护基本稳定后才能进行 开挖后要及时喷砼 暴露时间愈长愈不安全 量测要及时 当位移速度加快时 应立即采取措施 短台阶施工注意 答 反台阶法速度快不安全淘汰 问题 能否下台阶先进 29 90 1 环形开挖留核心土法特点 留核心土支顶工作面 稳定性优于超短台阶法 进度慢 适用于 土质或易坍塌的软弱围岩 小型施工机具 3 分部开挖法 30 90 核心土 工字钢 临时工作平台 31 90 特点 洞室开挖跨度减小 有利于围岩稳定 导坑要闭合 增加了材料用量 进度慢 适用于 断面跨度大 对地表沉陷有控制要求的软弱 2 单侧壁导坑法 32 90 特点 双导坑 使洞室最大开挖跨度更小 稳定性增加 耗材增加 进度慢 适用于 对地表沉陷要求更高 或跨度更大的隧道 3 双侧壁导坑法 眼镜工法 33 90 34 90 1 双侧导坑的开挖是对开还是错开 为什么 问题 2 导坑尺寸如何确定 答 应错开挖 间距7 10m 避免在同一断面上同时开挖的总跨度过大 答 应满足施工要求 但宽度不宜超过断面最大跨度的1 3 35 90 交叉中隔壁法 CRD法 centercrossdiagrammethod 36 90 指洞口浅埋段 即开挖可能给洞口地表造成不良影响的范围 1 洞口段施工方法 1洞口段的概念 6 4洞口段及明洞施工方法 37 90 1 覆盖浅 地质差 地表水汇集 2 进洞顺利与否 对工程的展开影响甚大 洞口段特点 洞口段施工注意事项 先清理洞口边仰坡有可能滑塌的表土及危石 刷坡应自上而下逐段开挖 不采用深眼大爆破开挖边仰坡 洞门厚度内的衬砌应与洞身衬砌同时施工 连成整体 端墙砌筑与回填应两侧对称同时进行 以防衬砌产生偏压 洞口应设置加强衬砌段 其长度一般不小于10m 38 90 影响施工方法的因素 施工机具配备情况 洞外相邻建筑的影响 地形条件 地质条件 最为重要 2进洞方法 按地质条件 有以下几种施工方法 1 全断面法进洞适应于 级围岩 注意事项 初始10 20m区段的开挖 应将爆破进尺控制在2 3m 39 90 视地质条件 严格控制爆破进尺 级围岩 短台阶爆破进尺1 5m 2 5m 网 锚 喷支护 级围岩 短台阶爆破进尺在1 5m以内 超前锚杆 或小导管 钢拱架 级围岩 超短台阶进尺0 5 1 0m 不爆破 人工或机械挖掘 2 台阶法进洞 问题 级围岩能否用台阶法进洞 答 可以 前提是在不具备全断面进洞的条件下 无大型机具 用长台阶法 但初始段爆破进尺仍应控制在2 3m内 40 90 当围岩很差 超短台阶法往往还不够安全 可用 环形开挖留核心土法 前已述 侧壁导坑法 前已述 下导坑法 3 其它进洞方法 41 90 超前锚杆超前小导管管棚等管棚进洞法 适用于 软弱地层等 4 预支护法进洞 42 90 管棚及套拱 43 90 管棚及套拱 44 90 适用于 覆盖层薄 边仰坡不稳 偏压等 方法 在洞口处先作一段明洞 抵紧仰坡坡脚 在明洞上及时回填以加固仰坡 然后暗挖进洞 5 明洞法进洞 45 90 2 明洞施工方法 全称为 全部明挖先墙后拱法 适用于 临时边坡能暂时稳定的对称式明洞 优点 衬砌整体性好 施工空间大 有利于施工 缺点 土方开挖量大 刷坡较高 1先墙后拱法 46 90 适用于 不宜大范围开挖边仰坡的情况 优点 土石方开挖量较小 刷坡较低 缺点 衬砌整体性较差 边墙防水层施作不方便 2先拱后墙法 47 90 辅助施工措施 对地层进行预支护或预加固 预支护 预留核心土超前锚杆管棚 等 预加固 地层注浆地表锚喷加固 预支护兼预加固 超前小导管注浆 6 5辅助施工方法 48 90 特点 形成超前于工作面的围岩加固棚 适用于 软弱破碎地层 1 超前锚杆 49 90 超前锚杆 50 90 2 管棚 51 90 特点 管径粗 外径为70 180mm 施作要点 1 单根长4 6m 总长可至数十米 2 一环管棚长度一般不小于10m 3 可向管内注入水泥砂浆 以增加其刚度 4 钢管的尾部需架设在钢拱架上 并焊死 5 相邻两榀钢拱架间以拉筋相连 6 与岩壁之间 环向每隔2m应用楔子楔紧 优点 在所有预支护措施中 管棚支护能力最强 缺点 施工技术较复杂 造价较高 52 90 单根钢管构造 53 90 特点 预支护 预加固 支护效果强于超前锚杆 适用于 软弱破碎地层 步骤 喷砼封闭开挖面 钻孔 插入小导管 导管注浆 3 超前小导管注浆 54 90 小导管构造 38 42mm无缝钢管 单根长3 5m 管壁注浆孔 孔径 6 8mm 孔距15 20cm 55 90 小导管 钢拱架 56 90 57 90 4 预注浆加固地层 1 注浆方法 渗入性注浆 劈裂性注浆 压密性注浆 高压喷灌注浆2 钻孔机械和灌注管 钻机 注浆管 58 90 隧道注浆方法 超前小导管注浆 见前 超前长导管注浆 图a 59 90 地表注浆 图b 由平导内向正洞周围注浆 图c 等 采用得最多的仍是超前小导管注浆 60 90 目的 稳定边仰坡 适用于 覆盖层薄或高大边仰坡 1 地表锚喷预加固类型与加固方法 洞边仰坡网 锚 喷 地表网锚喷 5 地表锚喷加固 61 90 洞门上方陡坎加固 62 90 锚杆加固范围 经验方法加固宽度B 1 2 b b为隧道开挖宽度 加固长度为浅埋段长度 破裂面估算法 用规范法计算破裂角 63 90 喷层厚5 10cm 锚杆直径16 22cm 长度3 6m 间距1 2m 钢筋网 筋径6 8mm 40cm 40cm的网格 4 在洞门一定范围内 宜尽量将地表锚杆插入拱部衬砌中 2 地表锚喷加固经验参数 64 90 特殊地质地段 膨胀土 软弱黄土 溶洞 断层 流沙 岩爆 瓦斯地层等 施工注意 制订针对性强的施工方案 施工总原则 先治水 短开挖 弱爆破 强支护 早衬砌 勤检查 稳步前进 充分考虑采用预支护 预加固措施 6 6特殊地质地段施工方法 65 90 1 膨胀土围岩的特性膨胀土 土中粘土成分主要由蒙脱石等亲水性矿物组成 特点 明显的塑性流变特性 开挖后塑性变形大 初期围岩变形大 且变形发展速度快 膨胀压力将使得围岩压力显著增加 1 膨胀土围岩 2 膨胀土围岩对隧道施工的危害 围岩裂缝 隧道下沉 围岩鼓出 包括底鼓 坍塌 衬砌变形和破坏 66 90 3 隧道在膨胀土围岩中的施工要点 加强观查与量测 合理选择施工方法 短台阶或超短台阶法单侧壁导坑法环形开挖留核心土法眼镜工法等 67 90 4 隧道在膨胀土围岩中的基本施工原则 施工基本原则 应尽量减少对围岩的扰动和防止水的浸湿 注意两点 尽量不用爆破 而是采用风镐 液压镐等开挖机械 尽可能缩短围岩暴露时间 及时支护 68 90 5 膨胀土隧道的支护结构 初期支护 网 锚 喷联合支护喷射钢纤维混凝土 取消钢筋网 辅助施工措施 超前锚杆超前小导管注浆管棚 钢支撑等 衬砌 必须设仰拱 69 90 2 黄土 1 黄土分类及其对隧道施工的影响 黄土节理 在隧道开挖时 土体顺着节理张松或剪断 隧道顶部极易产生 塌顶 侧壁普遍出现掉土 70 90 黄土溶洞与陷穴这是黄土地区经常见到的现象 隧道若在其上方 则有基础下沉的危害 隧道若在其下方 常有发生冒顶的危险 隧道若在其邻侧 则有可能承受偏压 水对黄土隧道施工的影响 黄土在干燥时很坚固 承压力也较高 施工可顺利进行 当土受水浸湿后则呈不同程度的湿陷性 会突然发生下沉现象 极容易造成隧道坍塌 71 90 2 黄土隧道的施工方法 施工原则 短开挖 少扰动 强支护 实回填 严治水 勤量测 开挖方法 短 超短台阶法 环形开挖留核心法 72 90 3 溶洞 岩溶 可溶性岩层 如石灰岩 白云岩等 在水的作用下产生沟槽 空洞以及地表陷穴等现象 溶洞 溶洞是岩溶现象的一种 73 90 对隧道施工影响 溶洞岩质破碎 容易发生坍塌 溶洞位于隧道底部 充填物松软且深 使隧道基底难于处理 溶洞涌泥危及施工 1 溶洞的类型及其对隧道施工的影响 溶洞类型 死 干 小型溶洞 较容易处理 活 湿 大型溶洞 较难处理 74 90 引 注意 遇到暗河或溶洞有水流时 宜排不宜堵 方法 暗管 涵管或小桥等 2 隧道遇到溶洞时的工程对策处理溶洞的方法 引 堵 越 绕 四种 75 90 堵 对象 已停止发育 跨径较小 无水的溶洞 方法 混凝土 浆砌或干砌片石回填封闭 隧顶溶洞 锚喷加固 必要时注浆加固与堵水 并加设隧道护拱及拱顶回填 76 90 越 现象1 隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞 方法 加深该侧的边墙基础 现象2 隧道底部遇有较大溶洞并有流水 方法 在隧底以下砌筑圬工承重墙 跨越而过 承重墙内套设涵管引排溶洞水 现象3 隧道过墙部位遇到较大 较深的溶洞 加深边墙基础困难 方法 在边墙下或隧底以下筑拱跨过 77 90 78 90 绕 若溶洞处理耗时 可采用迂回导坑绕过溶洞 继续隧道前方的施工 同时处理溶洞 3 溶洞地段施工的注意事项 多作物探超前预报 如地质雷达 穿过溶洞时 细查溶洞顶部 及时处理危石 严格控制爆破药量 减少对围岩的扰动 79 90 4 岩爆 岩爆 岩体中聚集的高弹性应变能因隧道开挖而发生的一种应力突发现象 岩爆形成的两个条件 1 地层的岩性条件 结构基本完整的脆硬岩地层 多见于石英岩 花岗岩 正长岩 闪长岩 花岗闪长岩 大理岩 片麻岩等 2 地应力条件 埋深大的隧道 因只有埋深大才足以形成高地应力 埋深超过700m的隧道发生岩爆的情况居多 80 90 1 隧道内岩爆的特点 岩爆在发生前并无明显预兆 总是突然发生 岩爆时 岩块自洞壁迸射而出 块度从几厘米到几十厘米不等 甚至上吨重岩石从拱部弹落 岩爆多发生在新开挖工作面及其附近 危险性 伤害人员 损坏机械 81 90 2 岩爆的防治措施 强化围岩出发点 给围岩一定的径向约束 使围岩的应力状态从平面转向三维 方法 锚喷加固 网锚喷联合 钢支撑网喷联合 注浆等 弱化围岩 方法 往岩层中注水 可改变岩石的物理力学性质 降低岩石的脆性和储存能量的能力 解除围岩中的高地应力 预裂爆破 排孔法 切缝法等 可消减围岩中的能量 82 90 3 施工注意事项 超前地质预报 平导超前 地质雷达等 爆破方法 尽量采用能预先释放地应力的方法 如预裂爆破 切缝法等 缩短爆破进尺 要尽快闭合支护 83 90 5 高地温 1 高地温的热源 火山热的热源 放射性元素裂变热的热源2 隧道施工注意事项及措施 事项1 洞内温度应满足相关规定 不要超过30 措施 主要措施为通风和洒水 84 90 事项2 防止高温地段的二衬开裂 措施 1 宜采用高炉矿碴水泥 分离粉碎型水泥 2 用防水板和无纺布 将二衬与喷层隔离 可使二衬的收缩不受约束 3 在防水板和二衬之间设置隔热材料 有助于隔断围岩热量 4 适当缩短衬砌混凝土的浇筑长度 事项3 注意工人的劳动强度 措施 根据隧道内的高温程度 合理确定劳动工时 85 90 6 瓦斯地层 1 瓦斯的基本性质 无色 无臭 无味的气体 极易使人窒息死亡 比重