《城市地下空间建设新技术》第章 隧道开挖和支护

城市地下空间建设新技术2016年7月全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材8.1概述8.2技术介绍8.3工程应用（重庆轻轨佛图关—大坪区间隧道及大坪车站隧道工程）第8章特大跨超浅埋、特大断面、高边墙、结构扁平车站隧道开挖和支护技术我国已有36个城市轨道交通规划获批。2014年我国城市轨道交通投资达到2200亿元，比去年增加400亿。我国城市轨道交通建设将呈现逐年增长的趋势。8.1概述受环境的限制，修建特大跨度超浅埋扁平隧道是不可避免的。在建筑物密集和交通繁忙的城市中心区，如北京地铁西单车站、德国波鸿铁路的地下火车站等。特大跨超浅埋扁平隧道施工是必须面对的一个难题。8.1概述核心问题是开挖和支护。如何开挖?才能更有利于围岩的稳定性和便于支护；如何支护?才更有效保证坑道稳定和便于开挖。是两个相互促进又相互制约的问题。隧道和地下工程施工技术，大部分已在我国开发利用。8.2技术介绍隧道的几种常见开挖方法对于软弱岩土层均需经过适当的地层预加固处理，并采用双侧壁导洞法、CD或CRD工法、台阶法、弧形导洞超前法或其中的组合方法开挖。尽可能地借助于辅助施工方法改良土体，将大断面化大为小，并尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心部和仰拱。大跨度扁平隧道往往长度较大，且岩性相差悬殊，施工时稳定性差，而必须借助于辅助的预加固措施才能顺利施工。偏压不对称贵州省凯里市大阁山隧道四车道公路隧道，全长496m，为单洞双向四车道，其最大开挖宽度达21.04m，高度11.5m，净跨18m，为国内尤其是在市区目前罕见的大跨度隧道。施工方法采用侧壁导坑先墙后拱法，这种方法又称顺作法，它通常是在隧道开挖成形后，再由下至上施作模筑混凝土衬砌。先墙后拱法施工速度快，施工各工序及各工作面之间相互干扰较小，衬砌结构的整体性较好，受力状态也比较好。但是，在诸多工程中也不乏失败的实例。主要原因：（1）施工管理、质量控制和相关技术的掌握等；（2）隧道工程师们对新奥法的实质缺乏正确的理解。

从“新奥法”的保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力这一点出发，就可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破方案、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。（3）具体施工工艺含糊不清。

如交叉中隔壁工法（CRD工法）都知道是先开挖两个侧壁，等初期支护形成一定的刚度之后，再开挖核心部分。但是，两个侧壁的形状和大小如何确定。在保证安全的情况下，如何保证开挖的经济性和大型机械的使用上面都需要结合实际情况开展深入的研究。8.3工程应用重庆轻轨佛图关———大坪区间隧道道及大坪车站隧道道工程重庆大坪隧道,全长452.7m。围岩类别进口段段30m为Ⅱ、Ⅲ类，其余为Ⅳ类，隧道涌水量129m3/d，为基岩裂隙水。。从进口方向依次设有有双线、风机安装装段及风机安装渐渐变段、左右单线线、待备线双线、、道岔区段，区间隧道（包含出出碴支洞）共设有9种断面形式，其中最小开挖跨跨度4.5m，最大开挖跨度（道岔区与明挖车车站接口段）27.2m，开挖断面340.3m2。车站暗挖段全长81.3m，车站隧道覆盖层厚4～25m区间隧道及车站隧道平面图区间隧道及车站隧隧道纵断面图技术难点（1）隧道特大跨、高高边墙、拱部结构构扁平、超大断面面，超浅埋隧道最大开开挖跨度27.2m，拱部结构构扁平，最最大开挖面面积430m2，最大开挖挖高度20.6m，最小埋深深4.0m，典型隧道道断面见图图8.5所示。由于于浅埋大跨跨扁平隧道道的特殊受受力条件，，隧道结构构所受荷载载非常复杂杂，因此对对开挖及初初期支护要要求极高。。（2）周边环境境差，对施施工要求严严格工程地处重重庆市闹市市区，洞顶地表建建筑物林立立，多为八至至九层居民民房和交通通干道，居居民房抗震震能力差，，并有一栋栋七层居民民楼嵌入隧隧道拱腰，，对沉降和和爆破震动动要求严格格，重庆市市公安局要要求地表质质点爆破振速不不超过2cm/s，环保局要要求噪声不大于于70db，夜间施工工时间受到到严重的限限制。（3）成洞条件件差车站隧道洞洞顶覆盖层层厚4～10m，为Ⅲ类泥岩，中等等偏弱，洞洞口最薄处处仅4m。顶跨比为为0.15～0.5，顶板岩体体薄，成洞洞条件极差差。围岩不不均匀变化化大，左侧侧围岩比右右侧围岩破碎，风化严重重，自稳能力差差，施工难度度大。（4）断面结构构形式多共设有9种断面形式，其中中最小开挖挖跨度4.5m，最大开挖挖跨度27.2m，各种断面面交错分布布转换频繁繁，多次变变截面。相相邻隧道净净距小，相相邻隧道的的最大净距距为6.5m，双线地段段隧道最小小净距只有有3.8m，相邻洞室室施工影响响大。需解决的关关键问题（1）进洞方案案的选择周边环境条条件恶劣，，施工场地地狭窄，对对沉降和爆爆破震动要要求严格。。工期十分分紧张。（2）超浅埋、、特大跨、、特大断面面、高边墙墙、结构扁扁平隧道的的开挖和支支护技术特别是车站站隧道，选选择合理的的分步开挖方方法、分步步开挖的尺尺寸和相互互错开的距距离以及超超前支护方方法，优化施工方方案；在开开挖实施过过程中如何何通过监控控量测等信信息化施工工手段，对对开挖尺寸寸相互错开开的距离和和支护参数数进行调整整，以确定定最优参数数。（3）大拱脚围岩保护和和拱墙结合合部位防水层铺设设、钢筋连接方法的确定定采用薄边墙墙、大拱脚脚结构，先先拱后墙衬衬砌。在上上半断面开开挖后，大大拱脚处应应力集中，，在开挖大大拱脚时，，尽量减小小对大拱脚脚围岩的扰扰动，避免免大拱脚受水浸泡，使围岩软软化；对大大拱脚拱墙墙结合处防防水层施工工和钢筋连连接严格要要求，而衬衬砌采用先先拱后墙，，使得防水水层铺设和和钢筋连接接施工变得得十分困难难，所以必必须找到可可行方法来来解决这个个矛盾。（4）区间隧道平平行施工对相邻洞室的的影响先开挖小断面面隧道还是先先开挖大断面面隧道对相互互之间影响的的程度也不一一样，因此，，必须结合工工期要求和隧隧道力学原理理来选择合适适的开挖方案案。（5）大断面衬砌砌台车的制作作和大体积混凝土土施工车站隧道和区区间隧道道岔岔区拱部二衬衬混凝土体积积大，跨度大大，衬砌台车车承受的施工工荷载大，需需要解决衬砌台车刚度度问题和保证台台车在施工过过程中的整体体稳定问题，，因此必须研研制合适的衬衬砌台车和研研究出保证大大体积混凝土土浇筑质量的的施工方法。。（6）地表环境复复杂情况下特特大断面、特特大跨、超浅浅埋隧道地表沉降控制制措施根据规范要求求，地表沉降不得得大于3cm，本工程特别别是车站隧道道，埋深浅，，超大断面、、特大跨，如如果施工方法法不当，地表表下沉很难控控制，因此必必须选择合理理的开挖方法法、支护手段段以及支护和和衬砌施作时时间，采取多多种施工手段段控制地表下下沉。（7）地表环境复复杂情况下浅浅埋隧道爆破震动的控控制佛图关至大坪坪区间隧道及及车站隧道位位于重庆市主主城区内，地地面上人口密密集，建筑物物林立，特别别是车站暗挖挖隧道，开挖挖断面和跨度度大，覆盖层层薄，地表情情况复杂，多多为抗震性能能差的楼房和和交通干道公公路路面，重重庆市公安局局要求地面质点的震动速度不得得超过2.0cm/s。因此，必须选择合理理的开挖方案案、爆破方案案来保证地面面建筑的安全全。（8）信息化施工技术本工程施工难难度极大，特特别是车站隧隧道和区间隧隧道道岔区，，为了保证施施工安全，必必须对施工过过程进行动态态控制，进行行信息化施工工，对于地表表环境复杂情情况下特大断断面、特大跨跨、超浅埋隧隧道，从变形形动态来看，，初期变形很很快，而且绝绝对值大，采采用常规量测测手段不完全全可靠，因此此，需要制定出一一套完整、安安全可靠的监监控量测方案案。进洞方案选取取（1）区间隧道进进洞方案隧道进口在公公园内山坡上上，公园内不不准施工车辆辆通行，如果果在此开设工工作面，只能主要依靠靠人工出碴，出口端人口口密集、建筑筑物林立，地地面标高与隧隧底标高相差差近27m，设计在此设设出碴支道进入入道岔区，可供选择的的进洞方案有有三种：方案一：进口口采用人工出出碴，出口利利用出碴支洞洞进洞，中小小型施工车辆辆出碴。方案二：进口口施作大管棚棚超前支护进进洞，在进口口Ⅱ类围岩地段施施作一个4.5×5m的长导洞，采采用人工出碴碴，在区间隧隧道贯通后，，再进行扩挖挖，利用出口口出碴支道出出碴。出口采采用出碴支道道进洞。方案三：进口口只施作大管管棚超前支护护和洞口防护护工程，出口前期采采用出碴支道道进洞，待综综合楼基础挖挖到道岔区拱拱部设计标高高后，利用综综合楼基础施施工便道和既既有出碴支道道出碴。第一种方案进进口人工出碴碴费时费力，，掘进速度太太慢，不可取取；第二种方方案虽可加快快进度，但进进口Ⅱ类围岩岩地段导洞需需作施工支护护，费用较大大，且极不安安全，也不可可取；第三种方案安安全、合理，保证工期。选择方案三。。车站暗挖隧道道进洞方案（2）车站暗挖隧道道进洞方案车站暗挖隧道道与大坪控制制中心综合楼楼相邻，无施施工工作面，，车站隧道拱拱脚与地面高高差达18m，进洞方案主主要为采用竖井进洞和利利用便道进洞洞两种。方案一：采用用竖井进洞采用竖井进洞洞较快，但竖竖井提升量较较小，掘进速速度慢，施工工干扰大。方案二：利用用便道进洞根据施工现场场条件，在控控制中心综合合楼基坑中作作环形便道，利用环形便便道施工车站站隧道拱部开开挖和衬砌工工作，环形出出碴道路长177.58m。同时施工基基坑内土石方方，基坑开挖挖至道岔区隧隧道拱部后，，打通区间隧隧道出口，以以便于通风和和区间隧道出出碴，车站隧隧道下半断面面利用区间隧隧道出碴支洞洞出碴。方案二虽然前前期较慢，但但环形便道形形成后，就能能很快打开施施工局面，有利于车站隧隧道和综合楼楼基础土石方方施工，如右右图所示。上半断面双侧侧壁导坑开挖挖下半断面拉中中槽开挖序号施工方法示意图施工方法安全性施工难度预测地表沉降施工速度工程造价适用范围1上下半断面台阶开挖法

极不安全

小

大

快

低岩层非常好，埋深较大2上下半断面台阶法+中隔壁法不安全较小较大较快较低岩层好，埋深较大3上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法较安全较大较小较慢较高岩层一般，埋深较大4上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法+小导管注浆埋深大，安全，洞口超浅埋不安全大小慢高岩层较差，埋深较大5上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法+大管棚预注浆安全大小慢高岩层差，超浅埋施工方法比较较表从上表可以看看出：前两种虽然造价较低低，施工快，，但不能保证安全全，故不予采用用。后三种基本方法均为为台阶法+双侧壁坑法，但采用哪种种方法更为合合理，通过组组织专家评审审，然后根据据专家意见对对确定的施工工方法，分成4种工况，利用用ANSYS有限元分析软件模拟各工工况的施工过过程，通过对对施工过程中中力学行为的的计算结果进进行分析，采采用表中第5种施工方法最为合理。即在洞口超浅浅埋段采用大管栅预注浆浆加强支护，在大管棚保保护下进洞，，正台阶开挖挖，上台阶采用双双侧壁导坑开开挖，导坑之间间间距15m，下台阶左右右两侧边墙错错开，中间先拉中槽槽，边墙开挖采采用短台阶开开挖，共将开开挖分成9个部分（下页页图），开挖挖后立即进行行初期支护。。车站隧道双侧壁导洞法法施工程序图大拱脚围岩保保护和大拱脚脚拱墙接合部部防水板铺设设和钢筋连接接方法车站隧道和区区间隧道道岔岔区均采用了了大拱脚、薄薄边墙结构，，先拱后墙衬衬砌，这种结结构施工时有两点需要解解决。一是上半断面开挖挖后，大拱脚处应力力集中，必须采取措措施保护大拱拱脚。二是拱墙接合部是施工薄弱点，防水钢筋连连接十分困难难。大拱脚保保护采用预留留光爆层，特别困难地段段（例如隧道道上方为抗震震性差的楼房房）采用预裂爆破，大拱脚处严严禁积水，防防止围岩软化化。相邻洞室平行行施工相互影影响相邻洞室先施工大断面面隧道还是先先施工小断面面隧道?通过研究认为为：如果先施工大大断面隧道，，即待备线双双线，首先是是双线隧道掘掘进慢，影响响隧道贯通，，另外从力学学原理和有限限元分析结果果来看，先施施工双线隧道道对相邻洞室室的影响要大大于先施工单单线隧道，因因此决定先施工单线隧道道，然后间隔一一定距离，平行行施工双线隧道道。具体做法：在单线隧道掘进进一定距离后，，开挖待备线双双线隧道，单线线隧道全断面开开挖，待备线双双线采用台阶法法开挖，为确保保安全，待备线线上台阶先开挖挖左半侧，在单单线隧道完成二二衬后，上台阶阶再开挖，然后后开挖下台阶，，全断面二次衬衬砌。大体积混凝土施施工和大断面衬衬砌台车的制作作研制专用大断面衬砌砌台车和找出控制大体积混凝土质质量的方法。通过与专业机械械设计单位联合合，设计了大断面衬砌台车车。拱部二衬混凝凝土体积大，跨跨度大，根据研研究论证，灌注注拱部混凝土时时要对称进行，，连续浇注，灌灌注速度不宜太太快，以每小时时10m3为宜，大拱脚处处采用水平浇注注和振捣，分层层厚度不大于30cm，为了保证混凝凝土的密实度，，可泵性，通过过反复试验，混混凝土配合比采采取了以下措施施：（1）针对本地原材材料的特点，采采用高效减水剂剂，增大混凝土土的工作度、坍坍落度控制在18cm。（2）掺加UEA微膨胀剂剂，并按按水泥用用量的8%替换掺加加来补偿偿混凝土土收缩变变形。（3）砂率对对泵送混混凝土的的可泵性性很重要要，最佳佳砂率保保证混凝凝土的强强度和可可泵性的的情况下下，水泥泥用量最最小的砂砂率，砂砂率低的的混凝土土可泵性性差，根根据试验验，砂率率按35%～40%考虑。地表沉降降的控制制（1）对施工工过程中中地表下沉沉的特性和和规律进进行分析析a.当x=-0.5D～1.0D（掌子面通过测点点前后，，D为隧道开开挖直径径）时，，地表下沉沉加速变变化，表现为急剧的变变形阶段段。b.当x>1.0D（初期支支护闭合合阶段））时，地表下沉沉为减速速变化，表现为为收敛的的变形阶阶段。通过对浅浅埋隧道道施工方方法引超超的围岩岩变形动动态的分分析，可可以认识识到，地表下沉沉主要受隧隧道开挖挖过程中中的掌子面空空间效应应的影响，，围岩变变形不能能瞬时完完成，而而是随掌掌子面的的推进，，而发展展并逐渐渐收敛的的，从变变形动态态可以看看出，初初期变形形是加速速的，而而且绝对对值大，，这是控控制地表表下沉的的关键时时期。根据以上上规律和和大量的的资料分分析，对对于车站站隧道来来说，可可以预测测绝大部部分的下下沉值，，应发生生在上部部半断面面的开挖挖过程，，因此采采用大管管棚超前前支护和和上半断面面双侧壁壁导坑开挖是十十分必要要的。（3）超前支护护和初期期支护参数的选选择，施施作时间间与地表表沉降的的相关关关系研究究根据浅埋埋隧道地地表下沉沉规律，，控制地地表下沉沉的原则则是“尽尽可能早早期防止止围岩松松驰”，，因此超前支护护必须在在开挖之之前进行行，浆液选选择水泥泥浆，注注浆后尽尽快形成成支护能能力。初期支护护在隧道道开挖后后立即进进行，其支护护参数根根据施工工监控量量测信息息进行调调整。工字钢拱拱架在拱部核核心开挖挖时必须须边开挖边边架设工字钢拱拱架，使使之与左左右导坑坑联成整整体，封闭成环环，防止围围岩过早早松驰，，拱部二次次衬砌紧紧跟，有效控制制地表沉沉降。地表复杂杂条件下下爆破振动动控制方法针对特大大跨断面面、特大大跨、超超浅埋隧隧道以及及本工程程周边环环境的特特点，根根据爆破破质点振振动速度公式式V=K（Q1/3/R）α公式，在在爆破点点距地表表建筑物物的距离离R是确定不不变的情情况下，，要减少质点振动速速度。必须研究在确保计计划施工进度和总总工期的前提下如如何减少最大一段起爆爆药量Q，以及如何选用合适的炸药品种和爆破方法来降低K、a系数。位移分析a．第一次爆破开挖挖b．第二次爆破开挖挖c．第三次爆破开挖挖d．第四次爆破开挖挖埋深10m不同爆破开挖方式式地表位移等值线线图（1）合理的开挖方案案要减小振动速度，，关键要减少最大起爆药量量，而采用分部开挖减少开挖面积是最最直接的方法，在在满足地表沉降和和施工进度的条件件下，合理选择了分部尺寸和循环进进尺。（2）合理掏槽形式和和位置掏槽形式一般分为为直眼掏槽和楔形形掏槽，直眼掏槽槽循环进尺大，对对工作面要求低，，适合小断面、大大循环进尺的隧道道掘进，但效果差差，爆破振动大，，显然不适合本工工程使用；楔形掏槽分为单楔形掏槽和和双楔形掏槽，通通过试验比较双楔形掏槽虽然较麻烦，但爆爆破效果好，同样循环进尺下下，爆破振动小，，故拱部选用双楔楔形掏槽。然后针针对围岩情况，经经过计算和试炮结结果确定掏槽位置置和循环进尺。（3）单眼装药量研究究单眼装药量是根据据最大一段同时起爆爆的药量，经过公式计算确确定，然后根据试试炮振动速度量测测结果进行调整确确定。（4）周边眼爆破参数数研究周边眼采用光面爆破，周边眼间间距根据围围岩性质初初定，并经经过试炮后后光爆效果果确定，特特别困难地地段例如隧隧道上方为为抗震性很很差的楼房房，采用预裂爆破，这样既可可以最大限限度减小围围岩的振动动，又可以以达到减振振效果。（5）段间隔时时差研究根据有关资资料表明，，在软岩围围岩中爆破破，振动频频率较低，，一般均在在100Hz以下，为避避免振动强强度的叠加加作用，低段雷管跳段使用。（6）爆破器材材选型根据爆破理理论，炸药药爆轰速度度直接影响响质点振动动速度，要要降低质点点振动速度度应选用低爆速炸药药，炸药选用用爆速低的的2#岩石销铵炸炸药，雷管选用用非电毫秒炸药。信息化施工工方案（1）现场量测测项目的选选择研究地面主要对对建筑物沉降及局部倾斜、建筑物裂缝变形进行监测，，洞内监测测一般地地段只进进行常规规项目量量测，即即进行拱拱顶下沉沉，周边边收敛等项目量量测，在在车站隧隧道和道道岔区隧隧道以及及区间隧隧道进口口Ⅱ类围岩双双线段进进行初期支护护应力量量测，采用常规规量测手手段不完完全可靠靠，必须进行行初期支支护应力力量测，建议在在今后特特大跨、、超浅埋埋隧道施施工中作作为一个个必测项项目。隧道量测断面面（3）信息反反馈指导导施工施工信息息是指施施工过程程中观察察现场地地质调查查，现场场监控量量测等得得到的数数据和信信息，施施工信息息是隧道道开挖后后围岩稳稳定性的的动态反反映，也也是修正设计计的依据据。施工过程程中对各各种信息息进行综综合分析析，互相相验证，，以便对对预设计计参数修修正和施施工方法法的改进进，在佛佛-大区间隧隧道和车车站隧道道施工中中，收集集了大量量第一手手量测和和地质调调查资料料，然后后将这些些施工信信息进行行动态管理理和分析析处理，会同设设计、监监理单位位一起对对设计参参数的合合理性进进行评价价，有力力地保证证了隧道道施工安安全进行行。特别是车车站隧道道，当施施工至DK7+684～DK7+708段上半断断面时，，通过对对开挖后后的围岩地质质观察发发现，左侧围围岩要比比右侧围围岩破碎，且地下水也比右侧侧丰富，，同时在在开挖该该段上半半断面核核心土时时，通过过量测发发现该部部工字钢应力急剧剧增长。说明该段段隧道施施工信息息