大断面隧道施工PPT课件

1、2021-4-291 大断面隧道的施工中的关键问题 2021-4-292 二、客运专线的隧道特点 2021-4-293 n 首先，如何认识客运专线中隧道工程与一般线路 中隧道工程有何不同。 2021-4-294 一、列车运行的高速度，引起的列车空气动力空气动力 学问题突出学问题突出，不容忽视； 这包括： 隧道净空有效断面积的确定舒适性； 列车运行产生的空气压对结构物的影响耐久 性； 对周边环境的影响缓冲结构的设置。三个方 面的问题。 2021-4-295 二、考虑列车高速运营的特点，隧道的净空 有效断面积增大，例如在350km/h速度的条 件下,级围岩隧道的开挖断面积可达170m2， 属于超大

2、断面隧道的范畴，与三车道公路属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路 隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提 出来许多新课题；出来许多新课题； 2021-4-296 三、由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加， 特别是对一般地质条件下的初期支护技术初期支护技术和不良地 质条件下的超前支护技术超前支护技术，提出来很高的要求； 2021-4-297 四、列车高速运行的作用，对洞内轨道（包括基底 结构，如仰拱或铺底、混凝土填充层等）的影响 增大，不仅需要加强基底结构，需要加强基底结构，对衬砌结构也具 有一定的影响，不容忽视。 2021-4-298 五、对衬砌混凝土的耐

3、久性，如抵抗列车风压的疲疲 劳特性劳特性；如何保证初期支护的喷混凝土的耐久性喷混凝土的耐久性?， 以及大断面衬砌结构的抗开裂特性等，都提出来 了明确的要求； 2021-4-299 大断面意味着什么？ 在同样围岩条件下，随着开挖断面积的增加，意味着： 1、掌子面的稳定性的降低； 2、施工难度、特别是施工安全管理的难度增大； 3、施工风险的发生概率加大； 4、结构物质量要求的提高。 2021-4-2910 大断面隧道施工的基本问题 安全：安全为主线，技术和管理为后盾，实现安全生产 技术：以技术确保掌子面稳定和施工质量 管理：以风险观点实现精细的工程管理 2021-4-2911 n结合具体情况，主要

4、谈三个问题： n1、初期支护； n2、初期支护的喷混凝土； n3、隧道防水板的铺设工艺。 2021-4-2912 一、掌子面稳定性 n 在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和 预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在 通过各种不良地质地段时。 n 从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式： n 掌子面挤出； n 掌子面拱部坍塌； n 上半断面拱脚下沉； n 底部鼓起等。 n 从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方 法也是多种多样的。 n 超前支护； n 扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管； n 正面喷射混凝土和锚杆； n 底脚锚杆或锚管等。 2021-4-2913 例如意大利在修

5、建高速铁路隧道中，曾采用以下稳定 掌子面的方法。 这些方法都是为了确保掌子面稳定，减少施工风险而 形成的。 2021-4-2914 2021-4-2915 2021-4-2916 超前支护 工程实践证实，在地质不良的地段，发展各种稳 定掌子面的辅助工法并使之模式化是极为重要的。 日本、意大利在这方面都做了极有成效的工作。 定义：以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结 构体。即：不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在 横断方向还具有拱形结构支护效果的支护。 适用范围： 1、需要提高掌子面稳定性的土砂围岩； 2、以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目 的的场合；如浅埋地点、接近重要结构物施工的场

6、合等 2021-4-2917 模式化的超前支护 日本在新版“城市矿山法隧道技术标准” （2004年）中，把超前支护类型、参数及适用条 件做了具体的规定。 2021-4-2918 超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形构造为主，有的 是以纵向连续性强的梁构造为主，也有具有两者功能的。其分类列于下表。 超前支护方法分类 超前支护的分类预计的功能 混凝土拱壳方式隧道横向刚性大（拱结构） 水平喷射注浆方式 隧道纵向刚性大（梁结构） 长钢管注浆方式 2021-4-2919 预衬砌 其标准参数如下。 超前支护厚度： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：. 纵断方向充填长度：.

7、搭接长度：. 超前残余长度：.（.） 2021-4-2920 水平喷射注浆方式 其标准断面如下： 喷射改良体直径： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：.（） 纵断方向改良长度： 搭接长度：. 超前残余长度：.（.） 设置间距：（） 2021-4-2921 长钢管注浆方式 标准断面如下： 钢管直径： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：.（） 纵断方向注浆长度：（m） 搭接长度：. 超前残余长度：.（.） 设置间距：（） 2021-4-2922 n 除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是 经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之 急是如何提高超前支护技术的水平，一

8、个重要措 施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工 法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种 超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。 2021-4-2923 预衬砌工法的机械 n预衬砌工法采 用的机械，有2 大类： n1、排钻。示于 下图。用其钻 设槽形孔，中 央的钻用于压 注砂浆或混凝 土，形成拱形 混凝土壳体。 2021-4-2924 n2、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同 时充填混凝土。其机械概况示于下图。 2021-4-2925 脚部的施工机械之一 2021-4-2926 脚部施工机械之二 2021-4-2927 二、支护结构 在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。 加

9、强的途径有二。其一是改变过去采用的支护结构 参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这 是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是改变材 料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆等。 第1种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这 也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积 比较大的原因之一。 第2种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不 仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。 2021-4-2928 支护结构的构成 隧道的支护结构包括： 初期支护；喷混凝土喷混凝土、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护； 二次衬砌包括仰拱及底板； 临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。 2021-4-

10、2929 喷混凝土的几个关键性的性能指标 1、设计基准强度 2、初期强度： 3、附着强度； 4、附着配比； 5、回弹率； 6、粉尘量。 2021-4-2930 1、设计基准强度 喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也 是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国 家都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌 混凝土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配 比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高 强度已经成为可能，因此喷混凝土的设计基准强 度有向高强度方向发展的趋势。例如，日本第二 东名名神高速公路，在大断面隧道大断面隧道中，采用材龄 28天的抗压强度36N/mm2作为设计基准强度。也 有的国家规

11、定在不良地质条件下采用高强度喷混 凝土的建议。 2021-4-2931 n 在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强 度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另 外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中， 很少有采用小于C25等级的喷混凝土。 n 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的 强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。 2021-4-2932 喷混凝土抗压强度划分喷混凝土抗压强度划分 EFNARC的标准 强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60 圆柱体试件24283236404448 立方体试件30354045505580 2

12、021-4-2933 挪威的标准挪威的标准 喷混凝土抗压强度划分喷混凝土抗压强度划分 抗压强度 (MPa) C30C35C40C45C50C55 立方体试件的最小 抗压强度 303540455055 取样试件的最小抗 压强度 19.2 22.4 25.6 28.8 32.0 35.2 2021-4-2934 2、初期强度 n 一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽 快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初 期强度的目的。 n 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开 挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确 保掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强 度为标准。 n 初期强度，应

13、根据围岩条件和施工条件，可以 取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小 时的强度作为基准的。 2021-4-2935 初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧 道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方 法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。 2021-4-2936 日本日本 喷混凝土初期强度设定事例喷混凝土初期强度设定事例 单位类别材龄3小时抗压 强度（N/mm2） 材龄24小时抗压 强度（N/mm2） 道路协会喷混凝土5 铁道建设运输 设施 高品质喷混凝土1.58 道路公团喷混凝土5 高强度喷混凝土210 高强度纤维喷混 凝土 210 2021-4-2937 n 欧洲，根据

14、掌子面的进展，考虑确保掌子面及 其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图 示的初期强度。 2021-4-2938 J1 ：（AB）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2： (BC)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合 J3： (C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合） 2021-4-2939 3、附着强度 喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷 混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确 的规定。 2021-4-2940 喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G规定的附着强度如下 表所示，通过附着试验核查。 附着强度最小值（MPa) 附着的划分与混凝土的附着与岩

15、体的附着 非结构物0.50.1 结构物1.00.5 挪威规定附着强度在0.21.8MPa之间。 2021-4-2941 附着强度测定事例 岩类等矿物粒子大小附着强度 粗糙面破坏面 片岩粘土矿物、绿泥 石 非常细0.240.180.280.11 云母片岩石英、长石、云 母 中位0.580.190.850.35 片麻岩（叶状构 造） 石英、斜长石、 云母、角闪石 中位0.190.050.510.11 片麻岩（叶状构 造） 石英、斜长石、 云母、角闪石 中位1.53 0.281.8 砂岩（裂隙多）石英、长石细（1.1）破坏面（1.1）破坏面 砂岩石英、长石细1.81.8 泥灰岩方解石、粘土矿 物 细

16、1.491.84 石灰岩方解石细1.580.121.540.30 大理岩方解石中位1.380.301.520.28 花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、 黑云母 粗0.340.121.120.20 花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、 黑云母 中位1.040.321.400.26 花岗岩、闪绿岩石英、斜长石。 黑云母 细中位1.480.451.710.14 辉绿岩斜长石、辉石细中位1.560.251.7 木版1.71.7 喷混凝土表面1.71.7 2021-4-2942 4、附着配比 对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。 附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配 比。它与喷射配比喷射配比、喷射工

17、艺以及喷射工的技术熟练程喷射工艺以及喷射工的技术熟练程 度度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。 喷射后喷混凝土强 度（附着配比） C30C35C40C45C50C55 喷射前喷混凝土强 度（喷射配比） C38C43C48C54C60C65 2021-4-2943 5、回弹率及粉尘浓度 n 回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细 颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有 重要的影响。 n 因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的 发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重 要课题。 n 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于20 ，粉尘浓度不能大于5mg/m3，否则，就

18、是不合格。 2021-4-2944 6、喷射机械 n 喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散 性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷 射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间， 采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。 因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位 时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产 效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识到这 一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决 策。 2021-4-2945 大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大 开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日 本从修建第2东名高速公路起，就

19、开始研究对策。研究和实践获 得如下的成果。 2021-4-2946 日本第二东名高速公路隧道事例 n净空断面积：约150m2 n开挖断面积：最大200m2 n采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少30 ； n锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减少30 ； n采用高规格钢支撑（HH154）； n二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cm n不设变形富余量。 2021-4-2947 1、喷混凝土的高强度化 主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。 高强度喷混凝土要求的强度列于下表。 种类 要求强度目标强度 3小时1天28天28天 高强度配比2以上10以上36以上50以上

20、 一般强度配比 5以上18以上 2021-4-2948 高强度喷混凝土的标准配比列于下表 要求强度 （N/mm2） 塌落度 （cm） 粗骨料 最大尺 寸（mm） 单位水 泥用量 （kg） 单位速凝剂对水 泥的用量（） 见上表181045010 2021-4-2949 高强度钢纤维喷混凝土主要用于裂隙发育的围岩，标准的钢 纤维混入率为体积比的0.75。其标准配比列于下表。 要求强度 （N/mm2） 28天弯 曲韧性 （cm） 塌落度 （cm） 粗骨料最 大尺寸 （mm） 单位水泥 用量（kg） 单位速凝 剂对水泥 用量（） 见表1如图所 示 181045010 2021-4-2950 2、高承载

21、力锚杆 在清水进行了下表的试验施工。 喷混凝土钢支撑 厚度 （cm） 强度 （N/mm2） 规格间距 （m） 标准2018H2001.5 高强度 12.540、SFRC 长度（m） 横向间距 （m） 纵向间距 （m） 承载力 （kN） 标准6.01.21.5180 1组6.02.01.5310 2组4.0和6.01.01.5180和310 3组4.00.81.5180 2021-4-2951 从试验施工结果看，第1组的施工循环、成本最理想。第3 组最差。因此，把第1组作为标准组合。 2021-4-2952 3、高规格钢支撑 采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度590N/mm2、破 断延伸率

22、17以上的高规格钢支撑。 屈服点 （N/mm2） 抗拉强度 （N/mm2） 破断延伸 率（） 拉伸试验 片 炭素当量 Ceg 高规格钢440 590 171A 0.47 一般规格钢 245400510 171A 2021-4-2953 与过去采用的钢支撑比，可以小型化，其比较列于下表 过去采用的高规格钢 NH-250 x250 x9x14HH-200 x201x9x12 NH-200 x200 x8x12HH-154x151x8x12 NH-150 x150 x7x10HH-123x125x6.5 x8 2021-4-2954 4、二次衬砌 同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验， 二次

23、衬砌的混凝土的强度等级从18N/mm2提高到 30N/mm2。其结果是，采用18N/mm2时的衬砌厚度在 BD2级围岩中，为50cm，在D级围岩中为60cm，而采用 30N/mm2时相应的厚度分别为40cm和50cm。减少了10cm。 2021-4-2955 5、施工方法的研究 在总长度83km的隧道中，用台阶法修建了80的隧道。 台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方 法就是中央导坑超前开挖法。两种开挖方法的示意图如下。 2021-4-2956 二、改善隧道防水技术，是当前要解 决的关键问题之一 应该指出：对隧道工程来说，地下水的影响和 处理是至关重要的。大家都有体会，有水无水、

24、水 大水小、一般涌出和异常涌出，在设计施工上的处 理是完全不同的。此外，隧道运营期间，结构物耐 久性的降低，在许多场合，都与地下水有关。因此， 切实地提高隧道的防水技术，是当务之急。 2021-4-2957 n在隧道设计和施工中，一定要区分： n 运营隧道结构的防水和排水； n 施工中的止水和排水。 n这是两个不同的概念。 n防水是对结构物性能的基本要求。不是主次的问题。 n国内外的施工实践指出：设置防水板的隧道，都能够 满足隧道结构物防水的基本要求。关键在于防水板的防水板的 铺设质量铺设质量。因此，在防水板铺设工艺上，都是采用机 械铺设的方法。此外也在试验确保隧道防水性能的新 工艺。 202

25、1-4-2958 防水板铺设工艺的改善 n为了解决防水问题，一个最切实可行的方法，就是 从改善防水板的铺设工艺着手。目前我们采用的人 工铺设方法，很难避免对防水板的损伤，而且工艺 复杂、费时、费力。最近，我们收集到日本的几个 专利和日本“矿山法隧道防水指南”，说的都是防 水板机械铺设方法。这些铺设机械的构造并不复杂， 那个工程局都有条件制造。 2021-4-2959 n 山岭隧道的防水方法，一般是采用在喷 混凝土和衬砌间设置防水板的方法。但因喷 混凝土的表面多数凹凸不平，铺设防水板时， 为适应凹凸表面要考虑有适当地富余。如果 富余不足或过于富余，防水板会发生拉伸或 挠曲，其结果会妨碍混凝土的充

26、填。为此。 在山岭隧道衬砌施工中，强烈要求开发不妨 碍混凝土的充填，而且与喷混凝土密着的防 水构造。 2021-4-2960 新的铺设方法 试验施工是：把通常1.5m宽的防水板在工厂加工成宽 6.0m（长跨）的防水板。沿专用的活动模板台车的外周将防水 板展开，并设置在规定的位置固定好，向防水板和喷混凝土间 的灌注回填的充填材。之后，组立钢筋、灌注混凝土。 2021-4-2961 n向防水板和喷混凝土间压注的充填材是用盾构隧 道的经过改良的充填材。在洞外设置压注设备， 最大压送450m。从洞外分别压送固化的A液和B液， 在压注地点前混合，在左右侧上部、肩部和拱顶5 处设压注管，从下向上依次压注。

27、 n 下面是展开防水板专用的活动模板构造。 2021-4-2962 2021-4-2963 防水板的表面展开会过去的状况。 2021-4-2964 铺设机械 图中9：防水板 14：拱形钢轨 10围岩 11：初期支护 13：升降装置 12：台车 2021-4-2965 吊篮式台架 2021-4-2966 带有展开机的台架 2021-4-2967 一、列车运行的高速度，引起的列车空气动力空气动力 学问题突出学问题突出，不容忽视； 这包括： 隧道净空有效断面积的确定舒适性； 列车运行产生的空气压对结构物的影响耐久 性； 对周边环境的影响缓冲结构的设置。三个方 面的问题。 2021-4-2968 预衬砌 其标准参数如下。 超前