地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理及要点

1、地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理及要点一、地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理 地铁隧道矿山法施工即新奥法施工。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method，简称为 NATM新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪 50 年代提出的。我国近 40 年来，铁路、交通、水利与市政等部门通过科研、 设计、 施工实践，在许多隧道修建中，根据自己的特点成功地应用了新奥法，取得了较多的 经验， 积累了大量的数据。 新奥法在市政地铁建设中起步较晚， 但是近年来在许多省市地铁 建设的应用正日益广泛，目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建

2、隧道的一种基本方 法，其技术经济效益是明显的。 下面结合新奥法施工的原理和要点， 介绍地铁隧道矿山法施 工的安全与质量控制原理及要点。新奥法是以隧道工程经验和岩体力学理论为基础， 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为 主要支护手段的施工方法， 已成为现代隧道工程新技术的标志之一。 新奥法技术摒弃了以整 体式混凝土衬砌被动地支撑洞室围岩的传统做法， 改由柔性、 薄壁、 能与围岩紧密帖合的锚 喷网支护保护、 加固围岩， 从而发挥围岩的自承与自稳能力形成天然承载结构， 从而达到省 工、省料和降低造价的目的。新奥法的基本要点可归纳如下：1 岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量

3、减少对 它的扰动， 避免过度破坏岩体的强度。为此， 施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面 爆破、预裂爆破或机械掘进。2 为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围 岩中能形成承载环； 另一方面又必须限制它， 使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能 力。在施工中应采用能与围岩密帖、 及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支 护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来 控制岩体的变形。3 为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外， 隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。4

4、通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及 日常的施工管理。5 为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的 后续荷载，可采用复合式衬砌。6 二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结 构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早锚喷，勤量测、快封闭”。复合 柔性支护和基于现场施工监测及信息反馈分析的信息化施工是新奥法的核心和关键。新奥法施工中尤其要重视初期支护以发挥围岩的自承能力，公路隧道设计规范 （ JTGD70 2004）（以下简称设计规范）中明确规定：

5、“复合式衬砌中的二次衬砌，1川级 围岩中为安全储备，并按构造要求设计；W、 V级围岩中为 承载结构，可采用地层结构法计 算内力和变形。”。可见，I川级围岩中完全依靠初期支护控制围岩变形，而在W、V级围岩中更应重视初期支护 ，必要时采取辅助措施， 充分保护和发挥不良地质围岩的自承能 力。重视初期支护包括两方面的内容：（1）初期支护要及时，即使i、n级围岩也要注意，这两级围岩采用光面爆破后也会出现个别地方的岩石松动， 如果不及时打上锚杆， 也会因后 面的爆破扰动，将已松动的岩石震下来。对w、v级围岩由于本身的自稳能力差，变形时间效应比i、n、川级围岩要小得多，不把握初期支护时间，等到岩石松动时才去

6、支护， 就失去利用围岩自身承载能力的机会。（ 2）初期支护要紧帖围岩，用初期支护紧帖围岩并形成整体才能调动围岩自身承载能力共同控制围岩变形，如果初期支护同围岩帖合不紧， 形成空隙， 使支护与围岩分离， 提供了围岩变形的空间条件并不断向围岩深处发展， 造成松动 破坏区扩大，最后由初期支护单独承担荷载，易使支护失稳、围岩坍塌。 二、地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制要点1、洞口段施工质量控制隧道施工中， 洞口段围岩一般比较破碎、 地质条件较差， 应遵循尽量减少对岩体扰动的 原则，以提高洞口段岩体和边、仰坡的稳定性。 设计规范及施工规范均作了规范性 要求，强调“早进洞、晚出洞”，尽量避免大挖大刷，在

7、保持边、仰坡稳定的前提下，及时 施作洞口， 并在进洞之前， 结合洞口的实际情况， 先作好洞口地表的防排水措施。 在大断面、 浅埋和地质条件差的情况下通常采用地表预注浆、超前长管棚注浆等预加固措施。 隧道洞口段施工质量控制重点是进洞施工质量和地表预加固质量。（ 1）进洞施工要严格遵循“短进尺，小循环，早锚喷，强支护，快封闭”的原则，及 时施作洞门及其排水系统。 通常可采用短台阶或超短台阶法施工， 先施工上台阶， 凡能用十 字镐、风镐进行人工施工的情况， 不允许爆破； 需爆破时， 可采用由隧道中心掏槽分段起爆， 严格控制药量， 人工风镐修边， 控制超欠挖， 减少对围岩的扰动。 开挖断面尺寸修整至设

8、计 要求后，及时进行初期支护，一般可初喷混凝土一层，然后打系统锚杆并架设钢格栅、挂钢筋网， 最后喷射砼至设计厚度。 施工中要监测围岩变形速率和变形量， 量测项目包括水平位 移收敛、拱顶下沉及拱顶地表下沉，发现异常及时调整施工工艺并采取辅助措施。（2）洞口预加固措施一般有两种：地表预加固，主要措施有锚网喷支护、地表注浆、 地表锚杆、抗滑桩、锚索等；洞口正面围岩预加固，主要措施有超前长管棚注浆、超前小 导管注浆（配合格栅钢架） 、掌子面封闭等。以下强调几种常用的预加固措施的施工质量控 制重点。 锚网喷支护，可加固地表，防止因降水造成滑坡。一般在刷好边、仰坡后，采用锚网喷对地表给予加固。 锚杆锚杆可

9、采用全长砂浆锚杆或中空注浆锚杆，锚杆直径、长度、布置方式及挂网规格和喷射砼标号可根据地质条件确定， 。施工质量控制重点：钢筋网必须与锚 杆焊接，且钢筋网须用点焊焊成整体；喷砼时必须保证钢筋网保护层厚度满足设计要求。 地表注浆预加固， 一般应用于围岩较差的浅埋隧道， 通常采用热轧无缝钢管作为套管，呈梅花形布置； 一般围岩段 （ 涌水量不大 ）采用稳定性、粘度、 可注性、结石强度及抗渗性均 较好的超细水泥单注浆， 特殊地段 （ 富含地下水 ）采用超细水泥与水玻璃双注浆。 在施工中要 保证浆液原材料的质量和浆液配合比， 根据地层地质条件确定浆液配比、 注浆压力及注浆孔 间距。以往采用地表注浆预加固洞

10、口段的工程中， 有在隧道开挖中发现注浆局部区域内浆液 不呈树状渗透至岩层中， 而是呈团状包裹在钢管周围的现象。 该情况主要是浆液配比与地层 不匹配及注浆压力不足造成的。 在地表注浆预加固施工中要强调必须根据地层地质条件确定 浆液配比， 并保证注浆压力满足设计要求。同时要强调合理确定注浆范围，范围过大， 会增加工作量和材料成本， 范围过小， 不能达到预期目的， 甚至会给施工留下隐患危及施工安全， 必须根据地质条件合理确定注浆范围，并依此确定注浆孔间距。施工中应注意先灌注边孔， 使松散围岩形成一个相对封闭的注浆环境， 达到不漏浆、 不 跑浆；然后依次向内推进。每排注浆孔中，宜间隔交替注浆。施工质量

11、控制重点：按照设计 孔位开孔， 严格控制孔口位置偏差在设计允许范围内； 注浆工程中监控注浆压力变化， 若突 然增大或减小， 应停机检查，查明原因采取措施后方可继续注浆； 注浆结束前，应采用最大 注浆压力闭浆一段时间，一般可取 10分钟左右，并及时封堵注浆口。 超前长管棚注浆， 长管棚超前支护距离长， 整体刚度大对围岩变形限制能力强， 能承 受早期围岩压力；注浆能改善围岩状况， 提高围岩自承能力， 对防止围岩初期松弛、土体坍 塌有显著效果。 超前长管棚注浆主要适用于围岩压力来得大且快， 对围岩变形及地表下沉有 严格控制要求的软弱破碎围岩隧道。长管棚一般采用热轧无缝钢管，环向间距可取3050cm,

12、沿隧道周边的外插角可取 24,有孔、无孔钢管交叉布设。在洞口前端设置长套拱作为管棚导向墙，套拱内预埋U型钢并与孔口套管焊接牢固， 施工中要保证孔口套管与沿拱圈环向布设间距、 位置及方向应准 确。钻孔完成后及时安设管棚钢管, 避免出现塌孔。待有孔钢管已全部注浆完毕后,再进行 无孔钢管的钻孔、安设。施工中质量控制重点：（a）钻孔前掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、 坍塌。钻孔时根据地质情况选择加泥浆护壁或可 加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进，并保证成孔角度；（b）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，隧道同一断面处的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少应

13、错开1m并及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实。纵向两组管棚间应有不小于 3.0m 的水平搭接长度。要保证钢管 外露端法兰盘、止浆阀的焊接质量；（c）注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象, 如发生串浆, 应立即停止注浆, 并采取措施 （如快硬水泥砂浆或锚固剂封堵） 或采用间歇式注浆封堵串浆口,直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高, 可能发生堵管,应停机检查。注浆结束前,应采用最大注浆压力闭浆一段时间,一般可取5分钟左右，并及时封堵注浆口；（ d）施工中应及时检验注浆效果：对注浆加固区进行钻孔取芯,观察注浆充填情况； 另外在进行无孔钢管钻孔时观察孔内涌水颜色及涌水量

14、,水颜色如较澄清或夹带水泥渣块, 涌水量较小, 则注浆效果较好, 如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时, 应补注或重注。 超前小导管注浆（配合格栅钢架），注浆小导管既能加固洞周一定范围内围岩，又能 支撑围岩, 其支护刚度和预支护效果均好于超前锚杆。 超前小导管配合格栅钢架具有类似管 棚的作用,支护能力较大。虽然支护能力弱于管棚,但简单易行、灵活经济。小导管一般采用热轧无缝钢管，环向间距可取2040cm,沿隧道周边的外插角可取 1020。施工中质量控制重点：（a）纵向两组小导管间应有不小于1.0m的水平搭接长度；（b）浆液可采用纯水泥浆或加入水玻璃, 根据地质情况确定浆液配比及注浆压力 （参见地表注浆

15、 要求）；（c）注浆过程中应注意：小导管注浆前，应对开挖面及5m范围内的隧道喷射厚为510cm的混凝土封闭；保证注浆压力满足要求，必要时可在孔口设置止浆塞，止浆塞应能 承受规定的最大注浆压力； 注浆结束标准： 注浆压力逐步升高, 当达到设计终压并继续注浆 10min 以上、与设计注入量大致接近；注浆后至开挖前的时间间隔,视浆液种类而定,一般 宜为48h,开挖时应保留1.52.0m的止浆墙，防止下次注浆时孔口跑浆；（d）格栅钢架拱脚处设置锁脚锚杆,防止开挖下台阶时,钢架移动和下沉。2、洞身开挖质量控制公路隧道多采用双洞四车道,加上路缘、余宽、检修道,内空建筑宽度一般在9.2510.25m。与水工

16、、铁路隧道相比，公路隧道断面大，对围岩扰动大，对围岩块体切割多，且 为满足公路建筑界线的要求,多采用扁平断面型式,使拱顶围岩处于非常不利的应力状态。 因此公路隧道洞身开挖的不利因素多, 难度大, 必须加强质量控制。 开挖施工的质量直接影 响隧道的稳定性以及工程造价, 若开挖表面不平整将导致局部围岩应力集中, 并且影响防水 层和二次衬砌施工, 形成存水空洞； 若发生超挖过多,不仅会增加出渣和回填工程量, 并且 容易出现由于回填质量差而不能确保支护与围岩紧密帖合形成一体的现象,从而造成影响隧道稳定性的隐患； 若发生欠挖, 则会影响隧道净空或减小二次衬砌厚度影响工程质量和安全。隧道洞身开挖质量控制有

17、两个方面：（ 1）开挖断面规整程度的控制首先必须根据围岩类型选择合适的断面开挖方法，I川级围岩可采用全断面法开挖；对于W、V级围岩可采用台阶法、单侧壁导洞法、双侧壁导洞法等进行全断面开挖或采用半断面开挖的方法。对于W、V级围岩采用全断面开挖时，各种方法均存在开挖与支护互相干扰的情况， 要注意完善施工组织和管理， 严格遵循“短进尺， 弱爆破”的原则， 减少对围岩及已 施工的支护的扰动。 当采用半断面开挖方法时， 下半断面开挖厚度及用药量要严格控制， 减 小扰动， 防止拱部围岩失稳。 同时按设计及施工规范要求对水平收敛值、 拱顶下沉值进行严 格监控量测，并将量测结果及时反馈、指导施工。 尤其对于不

18、良地质地段， 在开挖前必须用 地质雷达、 超前小导坑等方法做好超前地质预报工作， 同时做好预加固、 预支护等辅助施工 措施。其次， 隧道开挖一般采用钻爆法施工， 应根据围岩类型选择合适的施工工艺。 对于硬岩应采 用光面爆破，注意以下几点：放样准确，打眼准确，周边眼采用小直径或间隔装药， 全断面施工的微差控制爆破技术， 定期和及时检查断面， 以便及时反馈、调整；对于软 岩应采用预裂爆破， 注意以下两个方面：（1）根据现场爆破成缝试验确定预裂孔间距、孔径 和线装药密度 （ 即单位长度钻孔的装药量 ） ，及药卷直径小于孔径的不偶合装药方式的装药 不耦合系数；（ 2）确定预裂爆破各参数后， 要严格控制

19、预裂孔的成孔质量预裂孔的角度不 能超过允许范围， 否则需废孔移位重新开孔； 预裂孔的孔间距要满足爆破设计要求， 若孔 间距过大， 则进行插孔处理； 预裂孔的孔深要满足爆破设计要求， 末达规定深度须进行补 钻。开挖轮廓面的规程程度要满足：岩面上不应存在明显的爆破裂缝，周边炮眼痕迹分布均匀、保存率应满足：硬岩80%、中硬岩70%、软岩50%;两茬炮的衔接台阶形误差不大于 15cm；爆破石渣的破碎程度与装渣机械相适应。（ 2）断面尺寸及超欠挖的控制隧道开挖断面的尺寸要符合设计的要求， 在围岩较软且围岩压力较大的情况下， 围岩变 形较大，应根据计算及实测施工数据预留变形量及支撑沉落量，防止出现净空不够

20、的现象。 评定标准 根据围岩情况和部位确定了不同的超、 欠挖规定值及允许偏差。 需要强调的是， 隧道的开挖质量检测不是仅对某一断面进行检验评价， 而是在一个长度段内连续测量若干等 距的断面， 对所有实测数据综合计算分析， 最后得出该段的开挖质量检测结果。 在实际施工 中，对超、 欠挖的检测除了用水准仪、断面仪测量或尺量以外，还可通过比较实际出渣量与 设计出渣量、 实际衬砌混凝土量与设计衬砌混凝土量的方法来测定，如发现问题， 及时查找原因并予以解决。3、支护质量控制按照新奥法理论， 隧道开挖后要及时支护， 限制围岩的变形， 以减小支护承受的荷载并 发挥围岩自承能力。目前公路隧道施工多采用锚喷支护

21、，在围岩较差的地段可采用钢支撑， 包括钢格栅及型钢支撑。钢支撑的施工质量控制重点为加工质量和安装质量。其中加工质量主要包括加工尺寸、 钢支撑的强度和刚度以及焊接质量， 钢筋格栅质量要求可按照钢筋骨架加工标准； 安装质量 主要包括安装尺寸， 包括标高和间距；安装倾斜度，包括平面和纵面； 钢架的连接与固定质 量，钢架应有牢固的基础并与围岩密帖，同时与锚杆焊接牢固，形成一个承载整体。锚喷施工支护必须紧跟开挖面实施， 锚喷前要清除松动岩块和墙脚岩碴， 用风或水清洗 待喷面。 锚喷支护施工质量控制重点是锚杆的加工质量、 安装质量及喷射混凝土的原材料质 量和喷射施工质量。（ 1）锚杆的加工质量包括锚杆材料

22、质量，如抗拉强度和延展性与弹性；以及锚杆规格 对长度、直径及锚杆车丝、热锻、焊接质量的要求；（ 2）锚杆安装质量主要包括锚杆间距、排距及钻孔的深度、角度、直径、孔形等项目， 以及冲孔质量（是否将孔内岩粉全部冲洗出来）和吹孔质量（是否将孔内积水全部吹干净， 无明水）及锚杆入孔深度；对于中空注浆锚杆还包括注浆管要按照 施工规范要求插至距 孔底510cm处，停止注浆时，孔口应溢出砂浆， 并注意在砂浆终凝前，不得使锚杆受到碰 撞；最后进行锚杆拉拔力测试、砂浆饱满程度测试；（ 3）关于锚杆要强调一点，锚杆是锚喷支护的核心，锚杆的施作质量直接关系到施工 和运营的安全。 过去许多已建隧道和在建隧道均大量使用

23、普通砂浆锚杆，主要是因为它施工工艺简单，成本低廉。但是它存在致命弱点：大仰角插入锚杆时漏浆严重，砂浆难以饱满， 达不到全长粘结要求； 注浆时无压力或压力很小， 砂浆不能进入围岩裂隙， 对围岩的加固作 用小；插入锚杆时不能准确的将锚杆杆体居中于锚杆孔， 难以保证锚杆必要的砂浆保护层厚 度。从长期效果看，锚杆易腐蚀、失效，从而在运营期间易出现衬砌开裂、漏水等病害。近 年来， 公路隧道中开始采用了中空注浆锚杆、 自进式锚杆和水力膨胀式锚杆等新型式。 从实 际效果看： 中空注浆锚杆可以有效地克服普通砂浆锚杆的缺点， 同时还克服了自进式锚杆价 格较高、难以推广的缺点，使用效果好。 施工中必须严格按照设计

24、要求选用锚杆型式， 坚决 杜绝以普通砂浆锚杆代替中空注浆锚杆的情况出现；（ 4）喷射混凝土的质量控制主要是保证混凝土的原材料质量满足设计要求，且配合比 要满足规定的配合比要求；（5）混凝土喷射施工质量控制重点：宜采用回弹率小、粉尘少、混凝土均匀性好的 湿喷技术； 在喷射砼之前， 检查喷射混凝土厚度的控制标志是否在系统锚杆上标出； 受喷 面是否冲洗干净并已通过验收； 严格控制喷头与受喷面的距离及喷头喷射方向与受喷面的 夹角满足施工规范要求；喷射作业要自下而上，分段分层进行，首次喷层厚度一般可 控制为5cm；初喷完成后，应及时清除坡面上的回弹混凝土，然后才能进行复喷到设计厚 度，每次喷射厚度宜控制

25、在56cm；注意保证混凝土要及时养护，且养护时间应满足规范要求。 若采用钢纤维喷射混凝土， 则施工质量控制的重点除上述以外还有： 保证拌合料 中钢纤维必须均匀， 以确保喷射到受喷面上的砼中钢纤维均匀分布； 严格控制拌合料中钢 纤维的比例满足设计要求。4、防排水系统质量控制公路隧道的防排水要求高， 目前的公路隧道防排水系统多为采用夹在二次衬砌与初期支 护之间的高分子防水卷材防水层，和沿隧道壁环向、纵向、横向设置的排水盲管，将渗水引排至纵向排水管集中排除。 铁道系统已颁布了 铁路隧道防排水技术规范 （TB 10119-2000/J 72-2001 ），公路系统尚未出台专门的隧道防排水技术规范， 公

26、路隧道防排水系统的质量控制 根据检评标准和施工规范的有关规定进行。（ 1 ）防水系统质量控制主要包括防水措施施工质量和防水层质量两个方面 防水措施是在开挖或初期支护喷射砼后， 对仍有渗、 滴水的地段采用压浆措施， 其施工质量 控制重点是浆液的原材料质量和浆液配合比， 压浆时要保证注浆压力和时间； 局部出水严重 的地点应安设引水盲沟，渗水量较大的地段应加密引水盲沟，盲沟与两侧排水沟连接妥当， 安设后应进行专门的检查。防水层的质量控制包括材料质量与安装质量两部分。 对于高分子防水卷材的质量要求主 要是抵抗施工破坏的能力强、耐老化、耐酸碱、低温柔性好、寿命长等。施工中应对材料质 量进行检测，包括长度

27、、 宽度和厚度检测，并需要按照规定的尺寸和形状裁出试件，进行拉 伸强度、扯断伸长率、撕裂强度检测、耐老化检测和低温柔性试验等。 防水层的安装质量包 括防水层的接头质量与吊挂施工质量。 接头质量控制重点： 接头宽度应满足要求， 采用粘接 或焊接。采用热合机焊接时，搭接长度应不小于10cm,控制焊接温度和速度，避免漏焊和过焊。接头应牢固，强度不小于同质材料，不得有气泡、褶皱及空隙。焊缝宜采用双焊缝， 中间留空腔以便充气检查。 铺设防水层以前要清除初期支护表面外露的钢筋头、 锚杆头和砼尖角， 避免在施工时划破防水层。 吊挂固定点间防水层不得绷紧， 以使得防水层在混凝土灌 注后与喷射砼支护面密帖。 施工中应加强目测观察， 用手托起防水层， 看是否与喷射混凝土 密帖，在拱顶呈水平状或下垂的范围不得超过1m2并保证防水层无划破现象。（2）排水系统的质量控制也包