隧道施工新技术.doc

隧 道 施 工 新 技 术第一节 概 述一、地下空间的利用与发展人类在地球上出现以来，已有300万年以上的历史，在这段漫长的时期内，地下空间作为人类防御自然和外敌侵袭的防御设施，而被利用。随着科学技术的发展和人类文明的进步，这种利用，也从自然洞穴的利用向着人工洞室方向发展。到现在，地下空间利用的形态，已千姿百态，远远超出为个人生活服务的利用领域，而扩大到作为集团的生活需要空间。尤其是现代，人口向城市集中，使城市人口密集，城市功能恶化。为了保持城市功能及交通所需的空间，也开始求助于地下空间。预计地下空间，作为人类在地球上安全而舒适生活的补充空间，在经济可持续发展的战略中，将占据重要地位，其利用和规模将会日益扩展。科学预测指出，21世纪将是大力开发地下空间的世纪。（一）地下空间利用发展的时代划分地下空间利用的发展过程与人类的文明历史是相呼应的，大致可以分为4个时代：第一个时代是原始时代。从人类出现开始到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用地下空间防御自然灾害威胁的穴居时代。这个时代主要用兽骨等工具开挖出洞穴而加以利用。第二个时代是古代时期。从纪元前3000年到5世纪，是为城市生活而利用的时代，也就是所说的文明黎明时代。例如，在修建埃及金字塔时就开始了地下空间的建设。纪元前2200年间的古代，巴比伦王朝为了连接宫殿和寺院修建了长达1km的、横断幼发拉底河的水底隧道。在罗马时代也修筑了许多隧道工程，其中有的至今还在利用。第三个时代是中世纪时代。约从5世纪到14世纪的1000年左右的时期，这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，但由于对铜、铁等金属的需求，开始进行矿石的开采和利用。第四个时代是近代和现代，也就是从16世纪以后的产业革命开始的时代。这个时期由于炸药的发明和应用，加速了地下工程技术的发展。例如，有益矿物等地下资源的开采和应用，运河隧道的修建以及随着城市的发展开始修建地下铁道，上下水道等，使地下空间利用的范围迅速扩大。80年代后期，国际隧协提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡仪，得到了广泛的响应。日本也提出了利用地下空间，把国土扩大10倍的设想。各国政府都把地下空间的利用，作为一项国策，来推进其发展，使地下空间利用获得了迅速的发展。地下空间的利用，已扩展到各个领域，发挥着重要的社会、经济的效益，成为国家重要的社会资源。（二）地下空间的利用形态地下空间的利用形态是多种多样的，归纳起来，大致有以下几种：1、 为人类生存，确保安全的：如粮食的地下仓库，地下式住宅等；2、伴随城市的现代化发展，而利用地下空间，如城市有轨交通系统，上下水道，电力、瓦斯管道，地下商业街，地下停车场等；3、伴随科学技术的发展，而利用地下空间的：如地下水力发电站，地下能源发电站以及地下工厂，地下核能发电设施等；4、大规模国土的有效利用：如城市间、国家间的交通设施等；5、防御和减少灾害的地下设施：如人防工程、各种储备设施、防御洪水灾害的地下坝、地下河、防灾型城市的构思等。地下空间利用防灾措施城市膨胀人口过密提高城市功能措施自然灾害二次灾害人为灾害城市功能降低战争放射能化学药品火灾提高城市功能确保安全生活、作业空间不足交通恶化功能恶化粮食、能源贮藏能力不足环境公害噪音振动利用地下特征地下设施地震台风洪水防灾设施输送设施贮藏设施生产设施城市设施生活设施住宅住宅工厂发电设备能源粮食用水放射性废弃物.铁路公路管道避难储备洪水各类地下空间的利用设施参见图1-1办公楼地下街停车场文化设施 . .。图1-1 地下空间利用及其设施(三)地下空间利用和发展的重点目前各国都把地下空间利用的重点，放在城市建设上。地下空间作为城市重要资源，得到了多方面的应用。大致有：办公楼、地下街、地下停车场、交通设施、通讯设施、上下水道、废弃物处理设施、文化设施等。这些设施与地面设施一并构成了城市的主体空间网络。1、从城市地下空间利用的现状看，主要重点在发展联络城市各种设施的地下通道，如地下商业街、地下联络通道和城市有轨交通系统（地下铁道和轻轨）。例如，日本在全国20多个城市，共拥有150条地下街，总面积约为120万m2；加拿大的蒙特利尔已提出以地下铁道车站为中心，建设联络城市2/3设施的地下街网的宏伟规划。2、城市有轨交通系统（包括地铁、轻轨、单轨等运送系统），作为城市的基础设施和灾害防御设施，得到了巨大的发展。有轨交通系统是城市国际化、现代化的一个重要标志。一些国家也正在研究城市道路地下化的交通系统，如日本首都东京的地下环形道路的构思，可极大地减轻地面交通的压力。我国近几年掀起的“地铁和轻轨热”正方兴未艾。继北京地铁之后，上海、广州地铁已经投入运营。深圳、南京、天津、武汉、重庆、青岛地铁及轻轨已开始建设。还有成都、大连、长春、哈尔滨等城市的地铁和轻轨，都在规划、设计之中。总之，利用地下空间，开辟交通通道，增加交通面积，是解决城市“交通难”的根本性措施之一。3、跨海、江、河高速交通通道的基础设施建设，已引起各国政府的关注。以日本青函隧道的建成为契机，世界各国横断海峡的热情迅速高涨。穿越津轻海峡的青函隧道，于1988年3月13日正式运营。被称为“2000年梦幻”的英法海峡隧道，已经投入运营。许多被称为“梦想”的横断海峡的宏伟规划，都呈现出一片“现实”的曙光。横断直布罗陀的海峡隧道工程，联络意大利本土和西西里岛的墨西拿海峡隧道工程以及博斯普鲁斯海峡隧道工程等，都在规划和调查之中。印尼的联络爪哇和苏门答腊的规划，已开始研究。作为国际高速公路计划的一部分，从日本福岗通过对马海峡到达韩国釜山的日韩隧道（全长约250km），也正在进行地区调查的前期作业。这是进入中国大陆的重要通道。在横断海峡的规划中，许多国家的工程师和专家提出了一些可供选择的方案。其中有：固定桥、浮桥、海中隧道（桥），沉管隧道、海底隧道等。从已建成的海峡隧道看，都属于海底方案。用于公路或铁路或两者混合运输。这主要是因为：它不干扰外界环境；不影响航运和潜艇航行；也不改变生态的和水理的环境；不受季节、恶劣气候的影响等，应该指出，这些通道方案绝大多数都是国际性的研究，其经济的、社会的、技术的意义十分重大。而且，都要有较长时期的基础研究，给予支持。最近几年我国曾先后对琼州海峡、台湾海峡、渤海湾、甬江、珠江、胶州湾、福建地坛海峡、南通和京沪高速铁路越江隧道等有关跨海、江、河通道工程进行过论证，越来越重视隧道跨海、江、河方案的选择，其中一些跨海的隧道工程方案已开始研究。总体来说，我国的研究是极不充分的，特别是通道工程的基础性研究，尚未开始，基本上是处于空白阶段。由于解决跨江、河、海的工程投资很大，从目前的财力、物力看，很难进行大规模的开发，但积极进行前期的基础性研究和规划，还是很必要的。二、隧道工程概述（一）山岭隧道1、隧道的分类（1）隧道按长度分类，见表1-1。表1-1分类长度（m）特长隧道L10000长隧道3000L10000中隧道500L3000短隧道L500（2）隧道按埋置深度的分类深、浅埋隧道的分界深度，目前多以隧道开挖对地表不产生影响为度进行区分。一般可根据压力拱高度h1和宽度影响系数w参照表1-2确定。 表1-2围岩类别深埋隧道2h12.5h119w33w浅埋隧道2h12.5h119w33w2、影响坑道围岩稳定性的因素影响坑道围岩稳定性的因素大体上分为2大类：1 类是客观存在的地质因素或称为内在的因素；1类是设计、施工因素或称为人为的外部的因素。前者是基本的，后者是通过前者而起作用的。前者包括：围岩的结构状态、岩石的基本性质、地下水状态和初始应力场的状态等，后者则有施工方法和支护措施、坑道的形状、尺寸、坑道的埋深等（图1-2）。岩土体结构状态岩石的工程性质地下水状态围岩的初应力状态坑道形状和尺寸支护方法和时间施工方法埋深地质变量(内在的)施工变量(人为的)影响坑道围岩稳定性的因素图1-2影响坑道稳定性的因素3、隧道常见地质灾害隧道常见的地质灾害有围岩失稳，突然涌水、涌泥、岩爆、热害、地下有害气体等。围岩失稳又可分为岩体破裂、岩块的滑移和坠落、破碎性散岩（土）体的坍塌、松软岩体的塑性变形等。（二）地铁区间隧道1、区间隧道内设施区间隧道内要设置列车运行及安全检查用的各种设施。其中主要有：轨道、电车线路、线路标志、通信及信号用电缆、安全及列车诱导的通信线、待避洞及待避空间、灭火栓、防止浸水装置、排水沟、照明、通风设施等。这些设施的配置对隧道断面的形式和大小有很大的影响，故事先应对其相应关系加以充分研究。2、区间隧道的横断面地下铁道区间隧道的断面，一般分为箱形和圆形两种，明挖法多采用箱形断面（图1-3），盾构法则多采用圆形断面（图1-4）。近几年，由于新奥法的应用，马蹄形断面已开始使用。双线式单线复线上下型异高型图1-3 箱形断面示意图图1-4 圆形断面示意图区间隧道的净空尺寸依建筑规模、曲线半径、轨道及道床、信号机类型、电缆线路等决定。当隧道位于曲线地段时，因线路外轨超高、列车偏斜等，其建筑限界应加宽并确保外侧有200mm300mm的设施空间。在圆形断面中，其限界要加上150mm200mm的施工富余量，并要设置维修人员的待避空间。第二节 开挖及支护技术山岭隧道和城市隧道（包括地下铁道）的施工过程可简单概括为两个过程：一是开挖；二是支护。隧道施工就是根据其实际情况采用合理的开挖方式和开挖方法、可靠的支护措施来完成结构。施工前选择完成开挖和支护工程而需要采用的技术措施及配备的机械设备、劳动力、材料等；特别要重视一些辅助施工方法和措施的应用，做到因地制宜，岩变我变。一、开挖技术隧道施工开挖技术包括开挖方式（含开挖方法）、运输方式和风水电保障三部分。 开挖方式及方法隧道施工开挖方式共分三类：人力开挖、机械开挖和钻爆法开挖。人力开挖是指在围岩不稳定的土质短隧道中，人工或人工手持风镐作业来完成开挖；机械开挖是指利用一种能自行掘进的机械装置进行隧道施工作业；钻爆法开挖是指通过钻眼、装药、爆破作业来完成隧道开挖。机械开挖又分为全断面掘进机法、悬臂式掘进机法和盾构法。下面重点介绍掘进机法和钻爆法。1、掘进机法隧道掘进机是一种利用回转刀具开挖（同时破碎和掘进）隧道的机械装置。因此机械修筑隧道的方法，称为掘进机法。其又分为全断面掘进机法（TBM法）和悬臂式掘进机法。（1）.全断面掘进机法（TBM法）TBM法的优缺点（表2-1）表2-1优 点缺 点a. 开挖作业能连续进行,速度快,工期短;b. 对围岩的损伤小,可减轻支护工作量,超挖小,衬砌也省;c. 开挖表面平滑,在水工隧洞无衬砌区间阻力小;d. 震动、噪音小,对周围居民和结构物影响小;e. 因机械化施工,作业人员少;f. 安全性和作业环境改善。a. 机械设计时间长,购置费和运输、组装、解体等的费用高，初期支护标准高，很难用于短隧道；b. 施工途中不能改变开挖直径；c. 地质的适应性受到限制。对特软、特硬围岩，均存在不少问题；d. 开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定的制约。采用TBM法的基本条件（表2-2）表2-2序号条件内 容1地质条件（1）是否存在塑性地压是决定适用性的重要因素。断面破碎带和软弱围岩等地质地带以及蛇纹岩等膨胀性地质地带，有很大地压作用，掌子面难以自稳情况下，TBM掘进极为困难。（2）在软弱岩层、断面破碎带中，如涌水严重，掌子面崩塌和承载力低下，在极端情况下，机体会产生下沉，支撑反力降低等问题。（3）开挖的难易，一般用试验比较容易的抗压强度来判定。比较适合的抗压强度约在200Mpa以下。（4）岩层的裂隙（节理、层理、片理）对开挖效率影响极大。（5）进行机械开挖时，刀具的磨耗问题是永远存在的。（6）机械开挖，在破碎带、风化带等难以自稳的困难条件下，都要采取辅助施工方法配合施工。2开挖长度适宜隧道长度最好是在3000m以上。3当地条件（1）运输分割重量受道路条件限制，约在35t左右。（2）运输分割尺寸是3.5m3.5m左右。 开挖撑靴缩合撑靴缩合图2-1 敞开式TBM的工作示意图TBM的种类、性能和特征（表2-3）表2-3序号TBM基本内容备 注1基本构成大体可分为3部分：a、开挖部一刀盘及其主轴和驱动装置；b、开挖反力支撑部-支撑靴；c、推进部-推进千斤顶。推进按下述动作反复进行：（1）扩张支撑靴，固定掘进的机体在隧道壁上；（2）回转刀盘，开动千斤顶前进；（3）推进1行程后，缩回支撑靴，把支撑靴移置到前方，返回（1）状态。2构造刀盘构造a、球面刀盘和平面刀盘；b、周边支撑型和中心主轴型刀盘；c、滚刀。支撑靴配置a、主支撑靴；b、掌子面支撑靴（控制震动及方向）。为不损伤隧道壁面，应使之大面积化，减小接地压力。3类型a、单支撑靴方式的敞开式TBM（1）球面刀盘，适用地质条件广；（2）掘进前、中都可控制方向；（3）重心在前部，受上下方向控制；（4）易受地质条件影响。b、双支撑靴方式的梁型TBM（1）牢固地固定机体，方向控制好；（2）重量平衡好，上下方向控制容易；（3）方向控制只能在掘进前进行；（4）刀盘为扳型，不适合粘性土开挖。c、盾构型TBM（1）球面刀盘，有盾壳，适应范围广；（2）开挖中可控方向，不能后退；（3）千斤顶要具有2倍以上推力；（4）因使用管片，可改变为密闭型。d、导坑和扩挖型TBM（1）扩挖时可改良地质；（2）扩挖时，支护作业容易；（3）工期、成本较全断面TBM不利。4排土方式a、皮带运输机；b、喷射泵；c、螺旋式输送机；d、泥土加压方式液体输送。5附属设施运输方式轨道方式、无轨方式、连续皮带运输方式，泥浆运输方式。轨道方式a、车辆：斗车、底卸式斗车、侧卸式斗车、梭车和箱式车。b、装碴设备：列车式装碴机。c、轨道设备：单线、复线；H型钢枕木、横梁；预应力底部砌块（仰拱）。d、弃碴设备：翻车机、专用式导轨和固定式转车装置。无轨方式导坑断面直径应在6m以上；使用较少。集尘设备集尘机；分干式和湿式；从刀盘室内直接处理。均搭载在后续台车上。通风设备蜗轮式风机（小风量、长距离）工作人员呼出废气、热量、粉尘、内燃机有害气体等，平时通风对象为CO。超前钻孔设备钻孔直径为100mm左右。地质钻孔调查；排水孔。排水设备后续台车设置排水槽，大容量泥浆泵。防止泥浆沉淀。给水设备用于冷却、超前钻孔、喷射砼、冲刷等。喷射设备湿式喷射机多搭载在后续台车上。照明设备水银灯通信设备联络及监视系统中央控制室支护技术山岭隧道TBM施工法中，支护形式多以喷混凝土、锚杆、金属网、钢支撑为支护的主体，根据地质条件及隧道用途，也采用管片和二次混凝土衬砌作为永久衬砌。TBM法通常与NATM法一样，要基于事前调查，进行预设计，设定支护模式，并在掘进中根据对围岩状况的判断，修正支护形式。在TBM的支护设计中，一般考虑以下几点：a、 为确保高速掘进，支护时间尽可能短或平行作业；b、 洞壁是光滑的，松驰比爆破法小，支护可以采用轻型的；c、 支护的施工位置（与掌子面距离）；d、 开挖后到构筑支护的时间尽量短；e、 是永久或暂时性的；f、 构筑支护时对TBM装置的影响；g、 支撑靴挤压对洞壁的影响。为对围岩稳定有利，构筑支护的位置应尽可能地接近掌子面；在敞开式TBM法中，由于装置对构筑支护的空间有限制，同时喷混凝土的粉尘和回弹对装置也有影响，故通常是在TBM主体的后部构筑支护。采用锚喷支护时，要注意以下几点：a、 粉尘和回弹对装置的影响；b、 装置和后方设备的清扫；c、 开挖断面和锚杆长度及位置；d、 支护效果发生的时间；e、 粉尘对洞内环境的影响；f、 支撑靴对喷层的损害。辅助施工方法对TBM法来说，辅助施工方法是指在通常情况以外的地质条件或施工时所采用的对策。最好开挖前能消除阻碍围岩稳定的因素；如无安全上的问题，对小事故，在TBM施工后处理，是经济的，对掘进进度也是有利的。常见事故见表2-4，代表性对策见表2-5。（2）悬臂式掘进机法悬臂式掘进机是一种集开挖、装载、运输于一体的综合机械化施工设备，具有无爆破振动，对围岩扰动小，连续开挖作业、效率高、超挖小、节约衬砌材料、施工环境污染少的优点，适用于、类软岩隧道施工，在国外软岩隧道施工中广泛应用。铁道部于1999年立项，由石家庄铁道学院主持研究开发铁路软岩隧道悬臂式掘进机及其施工技术。1999年11月召开了该项目总体方案评审会，2000年11月2日组织召开该项目实施研讨会。曾建议在渝怀铁路第19标段沙坝隧道进口段级围岩带和青藏铁路风火山隧道冻土地带进行其施工技术科研试验。表2-4围岩状况现 象位 置事 故埋深小拱顶掉块地表下沉土压增大刀盘地表盾构掌子面崩塌结构物变异破损不能掘进强度不足掉块崩落盾构盾构后部刀头后带运输机刀盘支撑靴盾构和壁面间被岩石卡住，不能前进后筒部脱出时，盾构上部岩块落下超挖增大落石损伤机械石碴堵塞掌子面崩塌，刀盘不能转动支撑靴不能达到壁面，壁面受挤压处崩塌膨胀性围岩围岩挤出盾构支撑靴刀盘刀头支撑靴全体被箍住不能掘进，被箍住不能更替，不能回转掌子面挤出不能掘进粘附粘土不能开挖刀头磨耗异常挤压力不足被挤压的洞壁崩塌，承载力不足，TBM下沉高温围岩洞内温度上升全体洞内作业环境恶化，机械系统故障高透水性高地下水位大量涌水高压涌水全体刀盘全体TBM被淹没因流砂，掌子面崩塌因水压，掌子面崩塌机械系统故障有毒瓦斯，缺氧空气全体作业人员退避，不能进行开挖表2-5事故现象敞开式盾构式掉块崩落喷混凝土、钢支撑、锚杆、排水钻孔、压浆压浆、人力开挖、改变施工方法承载力不足设置反力材、设置反力壁、喷混凝土盾构千斤顶推进、设置反力材机体被卡住设置反力材、变更机构构造扩宽TBM、外周盾构千斤顶推进、变更机械构造、盾构背面注入润滑剂涌水排水钻孔、涌水处理排水钻孔、涌水处理机体下沉改良地层、变更机构构造改良地层、变更机械构造主要技术性能我国自行设计研制的铁路软岩隧道掘进机，即JSBZ132型振动截割臂式隧道掘进机（图2-2），由石家庄铁道学院主持研究开发，南京晨光集团有限责任公司制造生产。能进行切截开挖、装载、转载、装车、并辅助喷、锚、网、格栅等支护作业。其主要技术性能有：最大截割高度 8.0m 底盘静止时开挖宽度 6.0m最大切割岩石硬度 100Mpa 卸料高度 2.23.4m(可调)总装机功率 264kw 供电电压 1140V出碴系统施工能力 150m3/h 行走方式 履带式驱动能源 电动液压 机组总重 83T接地比压 0.12Mpa 外形尺寸(长宽高) 3.52.33.0m图2-2 JSBZ132型振动截割臂式隧道掘进机示意图全断面开挖施工模式A、主要配套设备(表2-6)表2-6设备名称型号数量单位厂 家备 注臂式掘进机JSBZ132型1台南京晨光集团多功能台架1台自制施工支护可移动变电站KSGZY-500/61台沈阳、抚顺低压1140V可移动变电站SJL1-360/61台沈阳、抚顺低压380V湿式除尘器JTC-1型1台镇江煤矿机械厂150200m3/min电动全站仪徕佧TCRA11011台导向定位控制电子水准仪DL-12001台日本GPS1台美国天宝注：其它设备与钻爆法同。B、施工开挖工序：臂式掘进机先在掌子面开出0.40.5m深的槽口,然后逐步旋转式扩大截割面,边开挖边装碴。调动车辆时只截割、不装碴，碴堆较高时可只装碴，不截割。出碴：与钻爆法同施工支护：利用横跨于掘进机上的可拆装式可前后移动的上下两层多功能台架进行施工支护平行作业。在围岩破碎带，可停止开挖，掘进机工作机构可辅助举升钢拱架作业。二次衬砌：仰拱、防水板及混凝土衬砌施工与钻爆法同。多功能台架可作为防水板施工作业平台。通风除尘: 臂式掘进机工作部件全部为电力液压驱动，不配置内燃发动机，且无爆破烟尘危害，工作面要求风量比钻爆法低；有轨运输方案中，可按隧道允许最低风速大于0.15m/s控制风量。钻爆法选用的通风设备可以满足掘进机施工要求。截割施工中矿尘发生较大，必须采取有效的除尘措施。一是掘进机装备有喷雾除尘系统，可向开挖面喷射高压水雾除尘；二是工作面设JTC1型湿式除尘器进行除尘，其除尘效率达9598%，耗水量24L/min，重约250kg。2、钻爆法钻爆法施工方法的选择要考虑施工条件、围岩条件、隧道横断面积、埋深、工期、环境条件等。下面仅根据围岩条件和环境条件进行分类介绍。（1）硬岩条件硬岩条件下的隧道开挖方法较简单，一般分为反台阶法、单侧壁导坑法、预留光爆层法和全断面法等。反台阶法：在硬岩、单双线隧道开挖中可采用此法，特别是硬岩单线隧道开挖中，为快速掘进、降低开挖成本，常采用此法。如，阳涉铁路二期工程南坪隧道和渝怀铁路涪陵隧道均采用此法施工，见图2-3。预留光爆层法：为了确保开挖轮廓线圆顺、不超欠挖，减少对围岩的扰动和快速掘进，在硬岩隧道施工中常采用此法。分为上半断面和全断面两类，一般上半断面预留光爆层法采用居多，见图2-4。全断面法全断面法施工中，根据围岩、设备、工期等因素，一般分为二类：一是采用风枪和三层多功能作业平台进行钻孔爆破开挖；二是采用液压钻孔台车钻眼爆破开挖。风枪钻眼成本低，控制超欠挖较好，但速度慢，效率低。钻孔台车钻眼进度快，但超欠挖控制较难、对整机性能要求高，且成本相对较高。根据施工中的探索，又产生一种全断面开挖施工方法，即所谓“套打法”。“套打法”是采用多功能作业台架配合二臂液压钻孔台车进行隧道全断面开挖，钻孔台车进行下导坑4.56m钻眼，多功能作业台架上人工持风枪施钻周边眼及部分辅助眼；每循环下导坑超前3-5m见图2-5。新原高速公路6标段雁门关隧道计划采用此法开挖施工。2121L2L光爆层1m图2-3 反台阶法 图2-4 预留光爆层法图2-5 “套打法”施工概貌示意图“套打法”优缺点 表2-7优 点缺 点1、进度较快；2、超欠挖控制较好，轮廓圆顺；3、对围岩扰动小；4、施工方法灵活多变；5、爆破炸药用量省；6、人机配合效率高；7、围岩适用性宽。1、施工组织协调难度大；2、高压风及高压电进洞需同时配套；3、掏槽眼方式较单一。单侧壁导坑法当新建隧道临近建筑物时，为减轻震动，也采用单侧壁导坑法施工。如株六铁路新关寨隧道和石密峰1#隧道计划施工方案。见图2-6。线线2m线1324新关寨隧道 关寨隧道(拱部未衬砌)图2-6 新关寨隧道施工步骤（2）软岩条件软岩条件施工方法有：台阶法（长台阶法、短台阶法和超短台阶法）、侧壁导坑法（单侧壁和双侧壁）、眼镜法、CRD法、中壁法和七步平行流水作业法等，见图2-7。双侧壁导坑法、眼镜法、CRD法及中壁法一般用于大跨度地段（三线及喇叭口段），最经济的施工方法为七步平行流水作业法。中壁法(图2-7)施工工序： 部：a、在上一循环超前支护下，弱爆破开挖；b、初喷4cm厚混凝土；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑，打锚杆；d、复喷混凝土，钢架处喷混凝土需覆盖钢架；e、施作超前支护；f、准备下一循环工作。部：该部相对于部为短台阶法，在部施工到一定距离后：a、弱爆破开挖；b、初喷混凝土厚4cm；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑；d、复喷混凝土，钢架处喷射混凝土需覆盖钢架；e、准备下一循环工作。部：该部相对于部为短台阶法，在部施工到一定距离后：a、弱爆破开挖；b、初喷混凝土厚4cm；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑；d、复喷混凝土，钢架处喷射混凝土需覆盖钢架；e、准备下一循环工作。部同部、部同部、部同部施工。七步平行流水作业法（图2-7）A、技术特点a、施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行施工，工效高；部分软岩地段可以采用反铲挖掘机直接开挖下半断面，减小了对围岩的扰动。b、在地质结构复杂多变，软硬围岩相间的隧道施工中，便于调整施工方法，进度稳定，工期有保障。c、能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时施工支护、节省投资。d、爆破施工可以分成多个作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既减少了对围岩扰动，又充分利用了时间空间，还增加了爆破临空面，降低了炸药消耗。图2-7 软岩隧道施工方法概貌示意图图2-7 软岩隧道施工方法概貌示意图e、混凝土仰拱超前施作，不仅便于初期支护及早闭合成环承载，而且改变了洞内作业和运输环境。f、全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了混凝土衬砌的施工质量，运营病害少。g、无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。B、工艺原理短台阶七步平行流水作业法是采用2-3层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变位。经量测监控信息反馈指导施工，以及时调整支护参数和混凝土衬砌施工时间。在断层带，破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，可采用大管棚、迈式注浆锚杆和小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施后，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护；混凝土仰拱紧跟下台阶并及时施作尽早闭合成环，构成支护体系受力。C、施工工艺流程图（图2-8）开挖上部弧形导坑，并施作初期支护左右错位开挖中台阶并施作初期支护左右错位开挖下台阶并施作初期支护施作混凝土仰拱使初期支护闭合成环监控量测反馈，施作防水层，灌筑混凝土衬砌图2-8 短台阶七步平行流水作业法施工流程（3）多年冻土条件凡温度等于或低于0且含有固态水的土（石），称之为冻土。连续保持冻结状态三年或以上者，称为多年冻土。青藏铁路风火山隧道为多年冻土整体分布区的隧道。多年冻土分类（图2-9）多年冻土按垂直构造分类按水平分布分类按冻结发展趋势分类按冻结状态分类按含水量分类衔接多年冻土非衔接多年冻土多冰冻土富冰冻土坚硬冻土整体多年冻土断续多年冻土岛状多年冻土发展型冻土退化型冻土松散冻土含冰土层饱冰冻土塑性冻土少冰冻土图2-9 多年冻土分类多年冻土的不良地质现象由于多年冻土的冻胀、土中水的转移、地下水承压水头的上涌以及山坡泉水、地表水流等，在多年冻土区常形成厚层地下冰、冰锥、冰丘以及当冻土融化时产生的热融沉陷，融冻滑坍等不良地质现象。A、厚层地下冰：由于水份不断向多年冻土上、下限附近转移，伴随着上、下限的变迁所形成的厚度大于0.3m的地下析出冰(也有少量属于埋藏的冰川冰)。其结构形态以层状居多，方格状、整体状较少。厚层地下冰内多存在悬浮土块，土块还大体上保存了母岩被层理，节理切割的形状，其排列也有着明显的定向性。由于受到外界条件影响，厚层地下冰易发生形变，因而它是热融滑塌、热融沉陷、热融湖塘及导致建筑物变形的基本原因，形变对建筑的稳定性有较大的影响。隧道在此层通过应设法绕避，或应有相应的工程治理措施。B、热融滑坍：由于自然营力和人为活动，一旦有厚层地下冰分布斜坡的热平衡状态被破坏，土体在重力作用下，沿融冻界面移动而形成的滑坍。热融滑坍可能使隧道洞门结构物基础失去稳定，边仰坡挤垮，端翼墙推裂，洞口建筑物也有被融冻泥流堵塞、掩埋的可能。C、冰锥和冰丘在寒季（负温季节）流出封冻地表或封冻冰面的地下水或河水，经结冰后形成丘状隆起的冰体，称为冰锥。当地下水受冻结的地面和下部多年冻土或不透水层的遏阻，冻结膨胀在薄弱地带把地表抬起形成丘状隆起的土丘，称为冰丘。无论冰锥还是冰丘，都给隧道结构物带来较为严重的冻害，一般情况下隧道应设法绕避，否则，应有可靠的工程措施以保证结构物的稳定。多年冻土地区隧道设计的基本原则A、 隧道位置应选择在地质条件较好的地段，尽量避开多年冻土的不良地质地段。B、 合理选择隧道埋置深度和结构形式。尽量将隧道设于不受季节性影响的多年冻土或非冻土层之中，或置于融化后不致产生不均匀沉陷的土层中。多年冻土地区隧道进洞的高度应较非多年冻土地区为低。洞口位置尽量避开冰锥、冰丘、厚层地下冰、多年冻土沼泽等不良地质地段，并应避免使隧道纵向穿越厚层地下冰，为了抑制冻胀、融沉而导致结构变形、破坏，一般情况下宜采用翼墙式洞门；依据冻土结构情况及其物理力学性质确定边仰坡坡率。需要时以粗颗粒换填或在墙背面设保温层，使土体保持永冻状态。洞门端、翼墙宜采用200号砼整体灌筑。C、 设置于多年冻土的隧道，可按降低一级围岩类别选用衬砌断面，以抵制冻胀和融沉所产生的不均匀变形，或将衬砌断面加强以增加其刚度，保证结构的稳定。衬砌结构采用砼（或钢筋砼）带仰拱曲边墙封闭式整体衬砌，标号不低于200号，所用水泥标号不应低于425号。洞身位于多年冻土层时，基底铺设0.3m厚的泡沫混凝土垫层;通过冻胀性较大的围岩时,断面尺寸除满足净空要求外,预留适当的冻胀变形量。D、 做好洞内、外的防排水设施。洞外防排水主要是做好洞口边仰坡、出洞口上坡、地表为沟谷地段疏导等防排水系统。洞内防水主要是提高砼的密实度，使衬砌满足抗渗标号不低于0.6Mpa的要求，并对施工缝进行防水处理，以提高衬砌的整体防水性能；洞内排水关键是充分利用自然或人为热源（气热、电热、水热、隔热保温等），使衬砌背后在任何季节都能保持液态水通畅排出。一般采用防塞或采暖式水沟，施工方便，造价也低。施工注意事项a、多年冻土地区隧道施工，开挖暴露时间切忌过长，以免冻土融化造成施工困难。b、开挖后应立即支撑，以防冻土热融后变软、剥落、滑坍而影响施工安全。c、在多年冻土中开挖隧道，其耗药量要比一般地区大，温度越低，耗药量越大。故在提供材料用量时予以考虑。d、衬砌施工必须重视混凝土质量，应严格按低温早强砼施工要求办理。水和骨料均需加热，并注意砼的养护，以确保施工质量。e、掺外加剂防水混凝土，需要在较高气温和湿度条件下养护，尤其在冬季施工，一定要有保温和升温措施。（4）城市地铁城市地铁施工方法有3种：明挖法、浅埋暗挖法和盖挖法。明挖法：指直接挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回填基础或恢复地面的施工方法。其主体结构施工与地面上工程相似。按基坑开挖与支护分为放坡开挖、悬臂支护开挖、围护结构有支撑开挖（水平支撑、斜支撑、锚杆支撑）。深圳地铁4标、11标明挖地段施工即采用围护结构水平支撑开挖，见图2-10。图2-10 水平支撑支护开挖简图a) 立面图 b)平面图A、围护结构深圳地铁11标香密湖车站明挖采用钻孔咬合桩作为围护结构，其施工流程见图2-11；深圳地铁4标大剧院车站明挖采用地下连续墙作为围护结构，其施工流程见2-12。图2-11 钻孔切割咬合桩施工流程图图2-12 地下连续墙施工过程1泥浆站；2挖槽机；3清孔；4吊放钢筋笼；5浇灌混凝土B、地下埋设物的保安措施进行工程施工前，应调查地下埋设物的有无、种类、位置、形状，必要时会同埋设管理部门进行试挖加以确认。施工前，应视其状况，用安全可靠的方法采取保安措施进行施工。a、 移设改移：将影响施工的埋设物改移到不影响的地点。b、 设置紧急装置：设置万一泄漏发生时紧急遮断用的管道等。c、 变更管型：旧管或年代长久或强度上有问题，需变更管型替代。d、 悬吊防护：不妨碍施工，但不能确保埋设物安全，采用防护专用梁悬吊来保证其功能及构造。e、 临时防护：不适于悬吊防护者，可用支持梁等临时防护。在无妨碍时也可兼作回填时永久防护之用。移设的位置、时间及管型变更的范围、遮断装置的设置地点等，要研究施工的影响范围，事前与道路管理者及埋设物管理者充分协商，事前加以处理好，使其对施工无妨碍。这些处理措施，因埋设物的状态，各种手续等的关系，需要较长时间，有时达数月之久，要予以充分考虑。为了预防由开挖而引起的支挡背后的不均匀下沉造成的埋设物折损事故等，应在埋设物或其附近的地层中设置下沉量测用的观测孔（下沉量测标），观测埋设物的动态。如果埋设物发生异常或可能发生异常时，应立即与有关人员联络并采取中断施工、禁止用火、截断交通、疏导附近的居民、通行人员避难等，并通报警察、消防、道路管理者有关单位等必要措施。浅埋暗挖法：是指在特殊条件，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法，它包括短台阶法、上台阶分部开挖法、上台阶临时中柱法（上台阶临时仰拱法）、眼镜法、CD法、CRD法等。A、施工的基本原则根据国内外的工程实践，浅埋暗挖法的施工应贯彻以下原则：a、管超前：指采用超前导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；b、严注浆：在导管超前支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力；c、短开挖：1次注浆，多次开挖，即限制1次进尺的长度，减少对围岩的松驰；d、强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；c、快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载能力；f、勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。B、施工方法比较 表2-8施工方法上台阶临时中柱法上台阶临时仰拱法眼镜施工方法CD施工方法CRD施工方法示意图1施工方法安全性不够安全需有辅助施工方法安全较安全安全2施工难度大大一般易易3技术难度低低一般较高高4预测地表沉降(mm)88803877305施工速度快快慢一般一般6工程造价低低高中高7适用范围技术熟练、工程条件好跨度较大、工程环境好工程跨度大、安全要求高地质条件差、安全要求高地质差、跨度大、安全要求很高C、施工实例图2-13 国家计委地下停车场带仰拱的中隔壁法施工步骤图2-14 北京地铁西单车站双眼镜法施工程序图图2-15 深圳地铁4标区间隧道型式盖挖法：是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工，主体结构可以顺作，也可逆作。逆筑法是随着从上部开挖，在底板和中层板、侧墙修筑之前，先行修筑顶板或中层板的方法，为了使其稳定要使用挡土支撑，并开挖到指定深度后修筑主体。逆筑法适用于以下场合：a、接近开挖地点有重要结构物时；b、有强大土压和其它水平力作用，用一般挡土支撑不稳定，而需要强度和刚度都很大的支撑时；c、开挖深度大，开挖或修筑主体需较长时间，特别需要保证施工安全时；因进度上的理由，需要在底板施工前修筑顶板，以便进行上部回填和开放路面时。逆筑法的施工步骤见图2-16。图2-16 逆筑法的施工步骤环境保护一般说，公害是指伴随事业活动等产生的、涉及相当范围的大气污染、水质污染、土壤污染、噪声、振动、地层下沉及恶臭等，对人的健康或生活环境造成危害的现象，其中，噪声及振动约占总数的40%以上。在施工中的噪音、振动、地层下沉、尘埃、交通堵塞等对沿线居民的生活环境都会给以或多或少的影响。施工时，特别要注意以下各点：A、防止噪声施工噪声受到噪声限制法等有关法令的限制，施工时，要遵守这些法令，并力求采用噪声小的机械和方法。B、防止振动施工振动受到振动限制法等有关法令的限制，施工时应遵守这些法令。此外 ，振动因振动源的特性、土质、与其它物体的共振及个人的感受程度等而异，但从尊重防止公害的精神出发，应采用振动小的机械和方法。明挖隧道施工中的振动源，显著的有打桩机、铺路碎石机、混凝土搅拌机等，因其施工性优越而广为使用，但采用这些机械时要注意施工环境，并采取相应的措施。C、防止地层下沉施工中产生的地层下沉与土质、施工方法、施工好坏有关，尤其在软弱地层中施工，问题更大。在这种地层中采用刚度大的挡土支挡以减小地层松弛，采用止水性支挡以防止地下水位下降，并使地层压密等，力求防止地层下沉。D、防止地下水位降低明挖隧道施工，一般都是在地下水位以下深层开挖。此时，地下水位必然降低，尤其是采用非止水性支挡，采用降低地下水位方法、地下水流被截断等情况，其影响更大。地下水位的降低，不仅是造成前述地层下沉的原因之一，也会直接造成井水枯竭等事态，所以要设置代替水道的设备，以防止对沿线造成危害。E、防止尘埃飞散明挖隧道施工，除了处理大量的弃土外，由于多种施工用资材、机械、运输车等使尘埃集聚在现场内。在强风时，这些尘埃飞扬，对沿线居民和通行者造成烦恼。所以，现场要经常保持清洁，进行清扫、洒水等。F、防止压注危害由于多采用压注法，开发出许多浸透性较好的压注药液，但这也造成压注公害的发生。作业时要进行充分管理，慎重施工，以便不引起对人体和动植物的影响、对周围地下水的影响、对周围地层和结构物的隆起、埋设管的填充堵塞等。此外，根据周围情况有可能产生使地层隆起的重大影响时，或附近有水井和公用水域时，要事前设测点，并以适当频率观测，进行水质检查等。G、废弃物处理建筑废弃物包括：弃碴、淤泥、砼块等。施工中废弃物应严格按有关法令办理。H、交通安全措施施工时应根据有关法令，不要影响既有结构物及埋设物、交通、公众等，并确保其安全。占用路面进行施工的时间及区域，应得到道路管理者和公安局的许可，在规定的范围内施工。在施工区域内应设保安灯等保安措施，以明确施工区域。在路面设置专门人员，经常巡视整个施工区域，并由专属作业班，进行经常的路面维修。对出入施工区域的施工车辆，要设专门人员指挥、诱导，以防止事故的发生。占用路面进行施工时，要确保步行人员的安全，尤其是在没有人行道和车行道区别的道路上，一定要设人行专用通道。占用路面夜间施工时，或在夜间路上留有作业带时，周围要设照明，以保交通安全。施工材料不得已堆积在路上时，事先要取得道路管理者、公安局的许可，并不得妨碍交通。除上述外，施工机械和设备等也会妨碍沿线的美观，应考虑现场情况，采取相应措施。（二）运输方式隧道施工运输方式分为两类：无轨运输和有轨运输。其配套设备、机具见表2-9。表2-9序号设备、机具无轨运输有轨运输1装碴装载机、反铲挖掘机、挖掘装载机、铲装机立爪装碴机、挖斗装碴机、挖掘装载机、轮式装载机2轨道钢轨2443kg/m钢轨3轨距762mm或900mm4枕木木枕、槽钢或工字钢5运输自卸车或铰接式自卸车电瓶车+梭式矿车（或矿斗或箱式列车）6砼轮式砼输送车电瓶车+轨行式砼输送车7能源柴油或电力电力（充电）（三）风水电保障1、高压风：采用内燃空压机或电动空压机压缩产生。电动空压机分为无螺杆式空压机和螺杆式空压机。目前正从无螺杆式向螺杆式过渡。另有采用电动液压站带动液压钻的施工方法，可以配套2-6支液压钻，目前均使用在小