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隧洞 隧道 施工技术 云南建工水利水电建设有限公司代绍海 目录 1 地下工程概述2 隧道 洞 掘进开挖3 支护4 衬砌5 围岩加固 1 地下工程概述 1 1地下工程特点 地下工程是统指隧洞 隧道 坑道 地下洞室 地下掩体等工程 地下工程建造技术方案及方法应能满足土木建筑工程的一般规则 同时还必须符合地下工程建设的自身规律 与同属土木建筑工程的桥梁 道路 土石方 房屋建筑等地面设施相比 地下工程建设有其独特的方面 1 地下工程技术与地理 地质 水文 岩土等学科紧密相关 地下工程在地层中的走向 埋深 长度 结构类型 建筑方式及进 出口布置等会受到所处地形 地貌 地层产状 地质构造 岩土属性和地表 地下水系的影响 这些是地下工程在设计和施工中首先要考察的要素 再就是地下工程的修筑难题大多数表现在工程地质及水文地质方面 隧道及地下工程现场由于不良地质的原因致使施工受阻 甚至于发生安全 质量事故的情形较为多见 还有 因为地下工程建筑的主要工作介质是岩土和地下水 所以地下工程学科的重要理论根基除一般的工程建筑学和工程力学外 工程地质学 岩土力学及水力学占有突出的位置 从另一个角度讲 地下工程的实施对周边环境产生影响 尤其是对地层原始状态 地表 地下水系及与之紧密联系的各种物体的影响 也应该是地下工程建设者必须高度关注的问题 2 地下工程建设须要采用先进的信息化的组织管理方法 由于地下工程所处工程地质和水文地质情况的多样性 使用一般手段很难调查明白 加之地层的原始状态和由于工程实施而引起的动态变化也十分复杂 因此 这些不确定性给地下工程设计带来了较大的麻烦 为了保证地下工程施工的顺利进行和建筑结构的安全运营及使用功能 在工程建设的实际操作中 则要根据揭示出来的客观情况 及时地补充和修正原来的设计 实施动态的信息化管理 这些也正是地下工程 新奥法 基本原理之一 3 地下工程的技术进步主要依赖于工程实施手段的发展与提高 地下工程的许多新技术 新工艺其原理并不见得太复杂 然而过去没有现在才有或已往人们想做却没能做到而现在做到了的 其重要的原因是社会生产能力的提高 尤其是机械设备的现代化 如光面爆破技术 关键在于孔眼的布置和新型爆破器材的运用 假使没有高效率的钻孔凿岩设备作支持 要实现光面爆破技术是难以想象的 要在软土 富水的地层中快速修建地下设施而没有现代化的盾构机同样是难以达到目的的 就目前地下工程建设的总体水平来看 制约因素仍在于实施手段 4 辅助工法的开发和利用是地下工程施工的重要手段和特征之一 辅助工法多用于地下工程围岩加固和地层力学特性的改善以及施工中疏水 排水 降水和堵水等等 如注浆 冷冻 锚固 喷护 管棚 等等 均为隧道工程施工的辅助工法 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 由于辅助工法不到位而招致工程事故甚至工程失败的例子很多 5 地下工程施工的生产组织要求高度的专业化水平 地下工程的基本特点是 作业场面小 环境条件差 地质影响大 工序流程多 尤其在工期非常紧迫 对工程有特殊要求的情况下 施工组织的难度较大 施工现场围绕着开挖 支护 构筑三大基本作业和人 机 碴 料 水 电 风 气八个要素 组成了多个作业循环 多条物流线 因此施工组织管理就显得非常重要 要求科学配置 统一指挥 优化组合 动态管理 使之达到时间和空间的高度协调 人和物的有机结合 进而才能实现安全 质量 效率和效益的最优化 所以说现代化的施工管理手段在地下工程施工中显得特别重要 6 地下工程施工安全和工程质量一直是建设管理过程中最为突出的问题 7 地下工程中的隧洞和山岭隧道施工特点 施工全过程受制于地质条件 是大型的隐蔽工程 施工环境较差 多地处边远山区 交通不便 狭长建筑物 工作面少 施工受气候影响小 1 2地下工程 水工隧洞和山岭隧道 常见断面形式 弧形 半圆形 交通隧道圆形 水工隧洞 城门洞形 交通隧道 水工隧洞马蹄形 水工隧洞 矩形 特殊功能需求 1 3地下工程围岩分类 影响围岩稳定的因素主要有岩石 体 的物理力学性质 构造发育状况 荷载种类与分布 工程荷载和初始应力 应力变形状态 几何边界条件及水的赋存状态等 1 4地下工程辅助坑道 为完成地下工程或地下工程使用 运行 阶段设置的运输 供排风 供排水 供电 检修 应急 灾害预防的通道 坑 孔洞等称为地下工程辅助坑道 辅助坑道的常见形式主要有平 横 洞 斜井 竖井和平行导坑四种 辅助坑道的设置主要是根据工期 风水供排 施工方案选择 地质及地形条件等情况来布置 辅助坑道设置案例 某铁路隧道施工方案示意图 某公路隧道施工方案示意图 1 5地下工程施工过程 地下工程施工过程可简单概括为四个方面 一是掘进 开挖 二是初期 临时 支护 三是永久衬砌 四是围岩加固 1 6地下工程施工的关键 1 详细勘察工程区地形地质条件 仔细分析 预测每个施工部位工程地质和水文地质 施工过程中做好地质超前预报工作 2 根据工期 地形地质条件 地下工程功能 自身生产能力 工程大小等情况合理选取施工方案 各种施工方法 辅助坑道的设置等 3 根据地形地质条件勘察 分析及施工方法认真分析计算 制定合理的供排水 供电 供排风方案 4 根据地形地质条件勘察 分析做好各种可能出现的事故的应急措施 资源准备 应急方案 5 切实加强质量 安全管理 6 施工人员应具备很强的责任心和奉献精神 2 隧道 洞 掘进开挖 2 1隧道 洞 掘进方法的分类 隧道 洞 掘进应根据工程地质条件 埋深 衬砌类型 断面形状及尺寸 施工技术条件 施工设备及供风等因素 科学合理地选用不同的施工方法 随着我国国民经济的快速发展 目前对城市山区高速公路及水工隧洞的修建都已在安全可靠 技术可行和经济合理等方面提出了更高的要求 尤其是减少对自然环境的破坏 使隧道工程显示出环保 舒适的优越性 要求更高 隧道 洞 开挖方法按开挖面是否出露可分为明挖法和暗挖法 浅埋隧道 洞 因埋深较浅 往往可采用先将地面挖开 修筑完支护后再回填土石的明挖法施工 深埋隧道 洞 则因埋深较大不宜将地层打开 而需采用暗挖法施工 明挖法施工方法按工艺特点又可分为基坑开挖法 盖挖法和沉管法 基坑开挖法是按建筑外形需求开挖基坑 在基坑围护的保护下 于基坑中施作隧道 洞 衬砌结构 完成后再回填土石 盖挖法是在施作围护和结构柱后 先施作结构顶板 然后在顶板保护下施作楼板和底板 按楼板和底板的施作顺序 盖挖法又可分为逆筑法和顺筑法 其中逆筑法为自上而下先做楼板 后做底板的施工方法 顺筑法为基坑开挖到底后先做底板 再自下而上地施作楼板的施工方法 沉管法是通过将隧道衬砌结构分段制作成预制管段后分别浮运到预定位置沉放 接长的施作隧道的工法 沉管管段通常在干坞内制作 管段制作完成后向干坞内注水 起浮后经管段浮运到达设置地点 接着通过管段定位 管段压舱和管段沉放使其在管段沉放基槽中就位 然后借助管段连接工序施作管段接头 完建后的沉管管段一般搁置在沉管基础上 上方覆盖管段防护层 沉管法是国外常用的一类工法 我国用于施作水底隧道 暗挖法施工方法按地层开挖方法的特点可分为钻爆法 盾构法 掘进机法和顶进法 盾构法是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法 这类方法的特点是 地层掘进 出土运输 衬砌拼装 接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行 并需随时排除地下水 控制地面沉降 因而是工艺技术要求高 综合性强的一类施工方法 普通岩石掘进是指采用类似摇臂式掘进机等设备进行开挖掘进 全断面岩石掘进机 TunnelBoringMachine 是集机械 电子 液压 激光 控制等技术为一体的 高度机械化和自动化的大型高效成套隧道施工机械 简称掘进机或TBM 其功能集隧道 洞 开挖 出渣 支护 通风防尘于一体 适用于中硬岩地层中长隧道的施工 在我国水利水电 铁路 交通 油气管道及国防等工程建设中正获得迅速发展 尤其是南水北调等大型长距离调水工程 其长 大 深隧洞施工所用传统的钻爆法很难适应工程建设的需要 掘进机则具有钻爆法施工无法比拟的优势 盾构机全断面掘进机 TBM 各式摇臂掘进机 在长隧洞建设中采用全断面岩石掘进机设备与技术施工 将具有高效 优质 安全 经济 对岩体扰动小 有利于环境保护和降低劳动强度等优点 有条件时宜于采用 顶进法用于施作地下管道 又称顶管法 其相应技术是地下管道穿越障碍物时常用的一种施工技术 采用这类工艺时一般先在工作坑 井 内设置支座和液压千斤顶 然后借助支座后座提供的反力将预制结构管段顶人地层 边顶进 边将结构管段接长 直到越过障碍物并到达接收坑 井 顶进法通常适用于软土地层 顶进地下管道时设工具管 作业时工具管位于最前面 用于保护地层开挖 并使工作面保持稳定 坞中管节预制等待浮运的管节 管节拖运沉管施工 修筑山岭隧道 洞 目前广泛采用的是钻爆法和TBM 采用钻爆法施工时 为了保证隧道 洞 掘进过程中围岩的稳定和创造有利的地下施工条件 隧道 洞 断面的开挖和衬砌施工通常分成几个部分 并按一定的顺序完成 分块的多少和先后顺序 应根据围岩的稳定性和隧道 洞 断面的形状 尺寸确定 在松软地层中一般分块较多 其开挖和支撑都是在较狭小的空间内进行 这是由于一次开挖的范围小 容易及时支撑和衬砌 便于制止围岩压力的增长 防止围岩坍塌 从而易于保持围岩稳定 在坚硬地层中 围岩稳定性较好 地层开挖后围岩有一定的自稳定能力 因此可以少分块 甚至一次开挖出整个隧道 洞 断面 以减少工序及洞内施工的相互干扰 有利于大型机具的使用 从而加快进度 减轻工人的繁重体力劳动 2 2钻爆法施工 1 新奥法是以维护和利用围岩的自稳能力为基础 将锚喷集合一体作为支护手段 使围岩成为支护体系的组成部分 更好地控制围岩的变形与松弛 1 理论基础 最大限度地发挥围岩的自承作用 2 三大体系 锚喷 量测 光爆3 内涵 保护围岩 调动和发挥围岩的自承能力 4 施工顺序 开挖后 及时修筑一层柔性薄壁衬砌 初支 通过围岩量测 确定围岩变形稳定后修筑防水层和二衬 5 施工基本原则 少扰动 早喷砼 勤量测 紧封闭 2 矿山法是视围岩为松散体 开挖后 围岩自身无承载能力 产生松动 剥离和坠落 必须用支护结构承受山体的压力 1 基础理论 围岩与支护结构分离 荷载只是作用在刚性支护体系上 围岩不是承载部分 2 施工顺序 施工准备后确定施工方案 进行开挖 开挖后施做临时支撑 在施工中根据情况就临时支撑进行撤换或加强后进行整体式厚衬砌 3 施工基本原则 少扰动 早支撑 慎撤换 快衬砌 2 2 1新奥法施工新奥法的二衬仅作为安全储备 而矿山法二衬为主承载结构 新奥法施工顺序图 1 新奥法施工顺序图 2 射 新奥法施工顺序图 3 新奥法施工顺序图 4 2 2 2以断面分割法施工 1 全断面法 一般适用于围岩条件好的隧道 洞 断面较小的隧洞 手持风钻全断面开挖施工流程示意图 2 半断面法 一般适用于围岩条件较差的隧道 洞 断面较中等的隧洞 各种半断面施工图片 3 台阶法 一般适用于围岩条件较差的隧道 洞 断面较中等的隧洞 台阶法开挖示意图 4 导洞法 一般浅埋大跨度隧道 洞 围岩条件特别差 凿岩台车导洞钻孔预留周边层开挖示意图 5 CD CRD工法 一般适用于围岩稳定性差 跨度较大 竖 横向变形大 CD工法CRD工法 中隔壁法 6 双侧洞法 一般适用于浅埋大跨度 围岩条件特别差 双侧洞法施工图片 双侧洞法施工流程示意图 7 预留核心土法 土质 软弱围岩 掌子面易滑落 环形预留核心土法 台阶分部法 8步 2 2 3爆破爆破方法 山岭隧道和水工隧道常用掘进方式是光爆 硬质岩 和预裂爆破 软质岩 能使开挖轮廓线符合设计要求 减少超欠挖量 并能减小对围岩的扰动 1 钻爆设计 根据地质情况 断面大小 进尺 爆破器材性能 毫秒非电雷管 2号岩石硝铵炸药 乳化炸药 导爆管 钻爆机具 风钻 台车 出碴能力等编制钻爆设计方案 钻爆设计 炮眼 掏槽眼 辅助眼 周边眼 的布置图 数目 深度 角度 装药量 装药结构图 起爆方法和顺序等 爆破设计图 炮眼布置图 周边眼装药结构图 钻爆参数表 主要技术经济指标及设计施工相关的必要文字说明 2 光爆 新奥法三大支柱之一 定义 通过调整周边眼的爆破参数 使爆炸先沿各孔的中心连线形成贯通的破裂缝 后使围岩裂解 临空抛掷 起爆顺序 掏槽眼 辅助眼 周边眼 底板眼辅助眼由内向外逐层起爆 其数量根据断面大小调整 通过非电毫秒雷管来实现 光爆参数 1 周边眼间距 E cm 相邻炮眼间的距离2 最小抵抗线 W cm 周边眼爆落的岩石的厚度3 相对距离 E W4 装药集中度 q Kg m 装药量光爆参数通过试验确定 不同时间段围岩不同 参数不同 属于动态设计 参考对比数值见下表 光爆的实施 1 画线布眼测量班必须准确放样画线 目前可以用幻灯布眼机布置炮眼 精度高 速度快 2 平行钻眼指各个炮眼的轴线保持平行 凿岩台车精度很高 是保证光爆的有效设备 凿岩机钻眼方向主要靠工人的经验 3 正确的装药结构 连续 间隔 和准确的起爆顺序 光爆实例 钻爆设计图和效果图 2 2 4特殊地质地段隧道 洞 的施工特殊地质地段通常是指一些地质条件下利于施工的地段 如松散堆积层 断层波碎带 溶洞 膨胀性围岩 流沙 黄土和冻土等当隧道通过这些地质地段时 在地层开挖 支护和衬砌过程中 都可能因受各种因素的综合影响而发生围岩土石坍塌 坑道受压支撑变形 衬砌结构断裂以及各种特殊施工问题 严重影响施工进度 安全和质量 当隧道穿越含有瓦斯的地层时 瓦斯爆炸将更严重地威胁着施工安全 2 2 4 1堆积体中隧道 洞 的施工在堆积体中进行隧道施工时 应先对坡面进行防护 并对开挖轮廓线以内及其外侧附近的地层进行固结 然后开挖进洞 其施工工艺的要点有 1 应先在正洞开挖轮廓线以外 采用锚一网一喷护坡进行坡面防护根据坡面的情况 可先采用细钢丝网防护后再设钢筋网 当坡面有大孤石时 可先在孤石周围注浆固结周边砂石 待注浆达到设计强度后再将孤石清除 2 可通过对周边破碎围岩注浆加固 将松散岩体固结成一个整体 使之在拱圈周边形成一个具有一定厚度的保护壳体 3 可采用大管棚和超前小导管作为穿越堆积体地段的超前支护 通过注浆将松散的堆积体固结起来 使注浆地层与管棚和小导管连成一个受力整体 在隧道开挖廓线外形成一个环向的支撑体 可有效阻止围岩松散或出现坍塌 4 开挖一般采用短正台阶分部开挖法施工 原则上采用人工或机械开挖 如遇石方必须放炮开挖时 应严格遵循弱爆破 短进尺的方针 当围岩特别破碎或其中夹泥夹砂层时 必须采用人工或机械开挖 必要时可在底部设置临时仰拱 以保证初期支护的稳定性 5 开挖过程中遇到较大孤石时 应先在孤石周围注浆固结石块周围土体 待注浆体达到设计强度后 将孤石撬除 然后再进行初期支护 2 2 4 2断层带隧道 洞 的施工方法一般情况下 当轴线接近垂直于构造线方向 断层规模较小 破碎带宽度较窄 且含水率较小时 可随挖随撑 但当隧道 洞 与断层走向斜交 或者平行于断层走向时 则隧道 洞 穿过破碎带的长度将增大 并将伴有强大的侧压力 这时应加强衬砌 并在施工中及时封闭成环 当断层带内充填软塑状的断层泥或特别松散的颗粒时 可比照松散地层设置超前支护 并采用先拱后墙法施工 墙部的首轮马口 可用挖井法施作 如断层带特别破碎 则二三轮马口应采用扩井法施工 最后挖去核心土 随即灌筑抑拱 如断层地段出现大量涌水 则宜采取排 堵结合的治理措施进行治理 2 2 4 3溶洞地段隧道 洞 的施工施工遇到溶洞时 可供采用的处理措施通常有 1 引排水 2 封堵 3 跨越 当溶洞较大 较深 不宜采用堵填封闭的方法处理 或因充填物松软而不能承载隧道结构时 可采用梁 拱结构跨越溶洞 但梁端或拱座应置于稳固可靠的基岩上 必要时可采用浇筑混凝土 石砌体或桩基对其加固 4 绕行 溶洞体的封闭及回填处理 喷锚 浆砌回填及护拱处理 2 2 4 4塌方地段隧道 洞 的施工 1 如塌方体较小 且塌方范围内已经进行喷锚 或已架设较为牢固的构件支撑时 可由两端或一端先上后下地逐步清除塌渣 随挖随喷射混凝土 并同时架设临时构件支撑支顶 2 如塌方体较大 或地表已下沉 或因塌方体堵塞 无法进人塌方范围内进行支护时 可采用注浆加固塌方体 然后利用 穿越 的办法在经注浆加固的塌方体内进行开挖 衬砌 在处理塌方的同时 应加强排水 大五山隧洞 2 2 4 5膨胀性围岩段施工 1 宜短进尺 逐次开挖断面各分部 分部开挖不得超前独进 2 喷射混凝土宜采用钢纤维混凝土 以提高喷射混凝土材料的抗拉和抗剪强度 3 钢架支撑宜采用可缩性结构 4 加强支护 2 2 4 6流沙地段隧道 洞 的施工 1 治水 2 超前支护 固结 2 2 4 7瓦斯地层中隧道 洞 的施工 1 施工方法原则 采用科技手段预 监 测 释放瓦斯 湿式作业 加强通风 快速通过 封闭 全断面开挖法是通过瓦斯地区的合适施工方法 采用上下导坑法开挖时 应要求工序间距尽量缩短 尽快施作衬砌封闭瓦斯地段 并保证混凝土的密实性 以防瓦斯溢出 采用平行导坑施工时 不再使用的横通道宜立即封闭 由于平行导坑一般不设衬砌 坑壁极不平整 在支撑背后容易积聚瓦斯 即使有强大风流 亦不易将瓦斯驱除干净 作为排除瓦斯的回风流巷道 应特别注意对瓦斯浓度的检查 并确保不超过规定限值 2 钻爆作业在瓦斯隧道钻孔时 开挖工作面附近20m范围内风流中的瓦斯浓度必须小于1 5 并比须采用湿式钻孔 还需注意炮眼深度不应小于0 6m 装药与爆破作业时 爆破地点20m范围内风流中的瓦斯浓度必须小于1 矿车 碎石 煤渣等物体阻塞开挖断面的面积不得大于开挖断面总面积的1 3 与此同时 通风应风量足 风向稳 无局部循环风 炮眼内煤 岩粉应清除干净 当炮眼封泥不足或不严时不应进行爆破 3 揭煤施工在揭开有煤与瓦斯突出危险的煤层时 常用的煤层开采方法是微振动爆破法 通常根据煤层倾角 厚度选用专门的揭煤方法 4 施工通风低瓦斯隧道的施工通风方式应采用压人式 但也可采用巷道式 高瓦斯隧道和瓦斯突出的隧道 洞 施工通风方式则宜采用巷道式 2 2 4 8冻土地区隧道的施工 l 开挖施工组织需有利于满足氧气补给 2 明洞开挖时应避免厚层地下冰热融滑塌 3 通过开挖后迅速喷射混凝土封闭岩面等减少冻土融化 4 应防止地下水涌人隧道 当处于富水区域时 应设置完善通畅的施工排水系统 5 在进出口设置防寒保温门 6 在混凝土拌和场内设置预热棚对砂石材料进行加热 7 进风系统利用蒸汽预热寒冷空气 2