7 高速铁路隧道施工技术

高速铁路隧道施工技术7 主讲老师：张俊儒,主要内容：,高速铁路隧道特点 大断面隧道施工技术-钻爆法 大断面隧道施工技术-机械开挖法 防排水施工工艺 仰拱施工工艺 施工机械化配套,高速铁路隧道的最大特点就是开挖断面积大 ，因而施工难度大为增加 结合京沪、武广高速铁路隧道认识！,一、高速铁路隧道特点,一、高速铁路隧道特点,一、高速铁路隧道特点,一、高速铁路隧道特点,II级开挖面积为127.56m2，III级开挖面积为143.55m2，IV级开挖面积为150.00m2，V级开挖面积为158.05m2。,一、高速铁路隧道特点,隧道断面划分和开挖断面积 （日本）,一、高速铁路隧道特点,何谓大断面？ 大断面隧道的分类：,日本公路隧道断面划分的基准（2003年）,一、高速铁路隧道特点,国际隧协的断面划分,一、高速铁路隧道特点,不论是哪种标准，我国高速铁路隧道都属于大断面或超大断面，因此要选择合适的施工方法！,大断面隧道的施工要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定。要主要以下几点： 地形、地质的特殊性，如洞口段、浅埋段、易变形地段的地质状况等； 是否有限制条件，如对地表沉降的限制、地基承载力不足等； 必要时与辅助工法配合； 要尽量采用能避免围岩松弛的施工方法，如在泥岩或黄土中采用机械开挖；,一、高速铁路隧道特点,大断面隧道的施工要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定。要主要以下几点： 应尽量使支护及早封闭，避免多次扰动围岩，控制初期初期支护位移、变形； 施工组织的统一协调，在同一隧道中尽量减少工法的频繁转换； 尽量采用机械化施工，提高作业效率，加快施工进度。,一、高速铁路隧道特点,从目前的施工技术水平看，适合大断面隧道的开挖方法主要有以下几类：,一、高速铁路隧道特点,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,1 全断面法 按照隧道设计轮廓线一次开挖成形的施工方法叫全断面法。该工法的特点是有较大的作业空间，有利于大型机械化配套作业，施工速度快，且工序少、干扰小，便于施工组织和管理。在高速铁路隧道中，全断面法主要用于III级围岩的单线隧道，在IVV级围岩采用全断面法施工时，必须辅以辅助工法，如正面喷射混凝土，打设正面锚杆等。在双线铁路隧道中，由于开挖面积达120m2以上，受施工机械作业能力的限制，难以采用全断面法。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,1 全断面法 全断面开挖法的操作工序比较简单，主要有钻孔、爆破、出碴、支护、防水层铺设、衬砌和底板混凝土施工等。该方法的施工组织要求底板混凝土作业尽量超前，这是确保施工安全、质量和文明施工的重要做法。,2 台阶法 台阶法是为了控制围岩变形而采用的纵向分部开挖法。它将结构断面分成两步或多步开挖，具有上下两个工作面或多台阶时有多个工作面开挖。其优点是灵活多变、适用性强。主要有以下几类：导坑超前扩挖台阶法多层台阶法短台阶和超短台阶法中隔墙台阶法临时仰拱封闭台阶法,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,导坑超前扩挖台阶法,在开挖主洞之前，先用钻爆法快速掘进一个超前导坑，进行地质调查、排水以及围岩改良等作业，而后再次用钻爆法进行扩挖的一种施工方法。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,多层台阶法,台阶长度一般不超过1.5倍洞径，通常用在单层台阶上半断面掘进的导坑尺寸较大、开挖面难以自稳的情况。由于在低强度的围岩中，整个开挖断面要分为三部开挖，故开挖造成的应力重分布的次数较多，而且台阶多，断面闭合的时间也加长。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,短台阶法,短台阶法的长度约在15m，由于上、下断面的开挖面较接近，两个开挖面作业有干扰，而且存在上半断面出碴打乱开挖循环平衡的问题。上半断面的出碴可用斜坡道、皮带输送机、装载转运机等组合起来使用。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,超短台阶法,超短台阶法的长度约在58m，适用于膨胀岩、土质围岩需及早封闭的断面。超短台阶法施工时的上、下半断面的开挖面是同时掘进的，出碴也是同时进行的。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,中隔墙台阶法,当开挖面地层自稳能力较差，上台阶开挖后拱脚支承在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时，可采用中隔墙台阶法，通过中隔墙的分载作用，可减轻两侧拱脚的压力，降低地表沉降值，以确保施工安全。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,临时仰拱封闭台阶法,临时仰拱封闭台阶法是以控制地表和洞内下沉为目的，在整个断面闭合的过程中对分部开挖断面用临时仰拱闭合的方法。中国台湾高速铁路某隧道就是采用此法施工的。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,3 双侧壁导坑法,双侧壁导坑法主要适用于围岩较差、开挖断面很大的大断面隧道。该法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，为了稳定开挖工作面，经常和超前支护等辅助工法配合使用。,一般采用人工、机械混合开挖，人工、机械混合出碴。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,3 双侧壁导坑法,右图为双侧壁导坑法开挖顺序示意图，导坑内也分为上、下两个台阶施工，台阶高度的确定最好以能满足小型机械施工为原则，以提高导坑的作业效率。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,3 双侧壁导坑法,右侧导坑安装格栅钢架,中间断面上台阶开挖,双侧壁导坑法施工的关键在于各工序的施工质量，特别是支承钢架的连接一定要紧密。,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,4 中壁法,中壁法分为中隔壁法（CD法）和交叉中隔壁法（CRD法）。CD法是先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁墙，然后再分部开挖隧道另一侧的施工方法；CRD法是先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁墙，再开挖隧道另一侧的一或二部分，然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁墙，最后开挖剩余部分的方法。,CD法,CRD法,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,4 中壁法,CD法施工顺序,二、大断面隧道施工技术-钻爆法,4 中壁法,CRD法施工顺序,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,隧道掘进机（tunnel boring machine，简称TBM）是指岩石隧道全断面掘进机，是一种集掘进、出碴、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。具有以下优点： 作业连续，施工效率高； 开挖轮廓圆顺、超挖量小，可减小支护工作量； 对围岩扰动小，避免因爆破振动可能引起的围岩松动坍塌，施工安全性好； 使用劳动力少，劳动强度低，作业环境好，有利于维护作业人员的健康。,1 掘进机（TBM）法,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,1 掘进机（TBM）法,TBM分为开敞式TBM和护盾式TBM。,开敞式TBM用于围岩较好、强度较高的岩石，没有较大的破碎带、断层和地下水的地质状况，一般随开挖在刀盘后部施作临时支护，然后再根据需要施作二衬混凝土衬砌。,图为秦岭特长隧道施工用的TB880E型开敞式TBM。,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,1 掘进机（TBM）法,护盾式TBM分为单护盾TBM和双护盾TBM。,单护盾TBM适用于仅仅能自稳、不塌落的软弱围岩，衬砌采用预制混凝土管片施工。单护盾TBM具有全圆的护盾，以防止开挖后洞室的掉快、落石和局部坍塌，避免塌落的岩石砸坏刀具或铲斗。单护盾TBM掘进时护盾随刀盘一起前进，在护盾的保护下完成隧道掘进、出碴和衬砌作业。由于围岩较软，不能承受巨大的水平支撑力，单护盾TBM刀盘推进时需由已完成的衬砌提供顶推力，故TBM的推进和衬砌不能同时进行。,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,1 掘进机（TBM）法,双护盾TBM适用于混合地层施工，即可用于软岩，也可用于硬岩。双护盾TBM同样具有全圆护盾，使其在采用必要措施的情况下，能安全穿越软土、沙土地层，甚至于断层破碎带。,因其双护盾构造，在较坚硬的围岩中掘进时，前护盾与刀盘一起向前推进，后护盾用两边的支撑靴撑紧在岩石上，为刀盘提供顶推力。这样因掘进所需要的顶推力不由已完成的衬砌环提供，使掘进与管片安装可同时进行，尽快了施工进度。,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,2 盾构法,盾构实质上就是软土掘进机。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等优点。 盾构按掘削面的开敞程度可分为敞开式盾构、封闭式盾构；按掘削地层的种类可分为硬岩盾构、软岩盾构和复合式盾构；按盾构机横截面的大小可分为小型盾构、中型盾构和大型盾构。,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,2 盾构法,敞开式盾构,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,2 盾构法,封闭式盾构,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,2 盾构法,复合式盾构,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,2 盾构法,大型盾构,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,3 单臂掘进机法,又称为自由断面掘进机，与全断面掘进机最大的不同就是可以开挖任意断面形状的隧道，在软岩和小断面隧道中得到广泛应用。该机配置有自动开挖控制装置、臂旋转装置、自动测量装置等。开挖中自动测量装置隧道提供姿态情报，改变掘进机的姿态进行开挖作业。,4 铣挖法,铣挖法是通过采用一种叫铣挖机的设备，安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤、液压钳等通用配置，应用于隧道掘进机轮廓修整、渠道沟槽铣掘、建筑物拆除、沥青混凝土路面铣刨等多个领域，适用于多种地层。图为安装在挖掘机上的铣挖头。,三、大断面隧道施工技术-机械开挖法,四、防排水施工工艺,1、隧道防水施工流程,2、防水板铺设工艺,对初期支护的渗漏水情况进行检查，并采取有效措施进行处理。初期支护表面平整，无空鼓、裂缝、松酥，并用喷混凝土（或砂浆）对基面进行找平处理。,四、防排水施工工艺,防水板铺设多采用无钉（暗钉）铺设法。无钉铺设法是先在喷混凝土基面上用明钉铺设法固定缓冲层，然后将防水板热焊或粘合在缓冲层垫圈上，使防水板无穿透钉孔。,四、防排水施工工艺,防水板需环向铺设，先拱后墙，下部防水板应压住上部防水板。相邻两幅接缝错开，结构转角处错开不小于规定值。 两幅防水板的搭接宽度不应小于100mm（客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准中规定是：防水板的搭接宽度不应小于15cm，允许偏差为-10mm）。 防水板之间的搭接缝应采用双焊缝、调温、调速热楔式功能的自动爬行式热合机热熔焊接，细部处理或修补采用手持焊枪，单条焊缝的有效焊接宽度不应小于10mm，两条焊缝间留不小于1.5cm宽的空腔作充气检查用。焊缝处不允许有漏焊、假焊，凡烤焦、焊穿处必须用同种材料片焊贴覆盖。,四、防排水施工工艺,3、注浆粘贴防水板无损整体铺挂技术,隧道开挖净空的不平整，不可避免会存在如图所示的情况。在这种情况下将会产生两种工程缺陷结果：一种是二衬混凝土浇注时，防水板没有发生破坏，造成混凝土背后存在空洞；另一种是防水板破坏，造成隧道防水系统的破坏。,注浆粘贴防水板无损整体铺挂技术可以从根本上消除这种情况。此法的根本思路是：与常规的防水板紧贴初期支护不同，让防水板紧贴二次衬砌外侧。,四、防排水施工工艺,防水板铺挂台车图,施工步骤示意图,四、防排水施工工艺,铺设防水板组合式台车 防水板铺设方向示意图,四、防排水施工工艺,3、关键技术 注浆粘贴防水板无损整体铺挂技术是真正意义上的机械化防水板铺挂技术，但要达到理想效果，必须解决以下关键技术：（1）防水板铺挂台车的制作 防水板铺挂台车要能保证对防水板进行有效支撑，保证压注浆液时防水板不悬垂，同时要保证浆液不渗漏。（2）注浆技术 注浆所用浆液要保证合理的黏稠度和凝结时间，使浆液不太稀也不太稠。太稀容易渗漏和凝结后收缩形成空隙，太稠则不容易保证充满空隙和流动困难。,四、防排水施工工艺,为保证隧道衬砌工程质量，高速铁路隧道施工中要求仰拱必须分段一次性整体施作。因此，为使开挖仰拱底及浇筑混凝土时出碴、进料等运输工序能平行作业，需要采用仰拱栈桥施工。,五、仰拱施工工艺,栈桥纵移施工工序,第一步：栈桥安装就绪，允许各种车辆通过，准备桥下仰拱作业。,第二步：桥下仰拱作业，各种车辆正常通过，桥上桥下互不干扰。,五、仰拱施工工艺,第三步：仰拱施工结束，坡桥在液压油缸作用下升起，离开地面，同时行走轮下降，行走轮接地后油缸继续伸长，行走轮逐渐将整个栈桥撑起。,第四步：启动行走电机，行走轮旋转，带动栈桥向前移动。,第五步：栈桥行走到位后，行走轮支撑油缸收缩，等栈桥完全由栈桥桥墩支撑时停止，此时放下坡桥，完成栈桥准备工作。,五、仰拱施工工艺,栈桥横移施工工序,第一步：拔下行走轮定位销，水平旋转行走轮车架90。坡桥升起，离开地面，同时行走轮下降触地，将整个栈桥撑起。,第二步：启动行走电机，行走轮旋转，带动栈桥横向移动，移动到位后，行走轮收起，栈桥桥墩支撑，放下坡桥，完成栈桥准备工作。,五、仰拱施工工艺,1、施工机械化配套原则施工机械要与施工方法配套；动力选型以电液为主；单机选型要考虑质量可靠高效、经济合理、维修方便、机械设备生产能力匹配；引进设备要考虑国产化的可行性，主机零配件和易损件能及时供应。,六、施工机械化配套,2、机械选型配套应考虑的技术经济指标生产性指各单机组合配套后形成的生产作业线所具备的综合性能和生产能力；可靠性指各单机在运转过程中稳定地保持其良好的技术性能、可靠地在规定时间和作业条件下完成工期所要求的额定功率的能力；安全性一是指机械本身的安全运转功能；二是指机械转动时对操作人员和周围施工人员的安全保障；,六、施工机械化配套,2、机械选型配套应考虑的技术经济指标耐久性指配套机组中的各单机应经久耐用，技术寿命应相互匹配；维修性便于检查维修和保养，利于配件采购和储备；经济性应优先选用经济合理的节能型设备；适应性指配套设备能适应多种地质条件下不同的施工方法，能满足辅助工法的施工需要。,六、施工机械化配套,3、施工机械化作业线 高速铁路大断面隧道的施工组织一般按照开挖运输、喷锚支护、防水衬砌三条主要作业线进行机械配套，同时搞好注浆加固、仰拱填充、通风防尘三条辅助作业线的机械化施工组织。,六、施工机械化配套,3、施工机械化作业线 开挖运输作业线：一般采用液压钻孔台车、多功能钻孔台架、挖掘机、破碎机、皮带输送机、装载机、自卸汽车等。作业流程及施工装备如图。,六、施工机械化配套,3、施工机械化作业线 开挖运输作业线：一般采用液压钻孔台车、多功能钻孔台架、挖掘机、破碎机、皮带输送机、装载机、自卸汽车等。作业流程及施工装备如图。,六、施工机械化配套,钻孔台车,挖掘机,3、施工机械化作业线 开挖运输作业线：一般采用液压钻孔台车、多功能钻孔台架、挖掘机、破碎机、皮带输送机、装载机、自卸汽车等