第四节区间隧道施工

第四节区间隧道施工第一页，共70页。一、山岭地区区间隧道的施工⒈矿山法

深埋于坚硬岩体中的区间隧道，采用传统钻爆法或悬臂式和门架式多臂凿岩车钻眼爆破，使用人工或装渣机出渣，大型自卸柴油车运输的开挖方法。又称钻爆法。a.基本工序：钻孔﹑装药﹑放炮散烟﹑出渣﹑支护﹑衬砌。b.辅助工序：测量放线﹑通风﹑排水﹑监测等。第二页，共70页。⑴钻眼、爆破和开挖①围岩稳定或基本稳定，开挖面不大，采用全断面一次钻爆；②断面高度较大时采用台阶施工法。③地质条件复杂，断面较大，采用导洞施工法。图5－31为某隧道采用导洞法施工程序示意图。第三页，共70页。如图，先掘一定深度(1.5～2.5m)的小断面巷道，然后再开帮挑顶或卧底，将洞室扩大到设计断面。图5-31某隧道开挖顺序图1-下导洞；2-开帮；3-墙部光面层；4-挑顶；5-顶部光面层第四页，共70页。④采用光面爆破技术，断面较圆滑规则。a.光面爆破对钻眼质量﹑装药的结构及爆破方式要求严格；b.周边眼的最小抵抗线，炮眼间距和装药结构是影响光爆效果的三要素；c.区间隧道的光面爆破通常采用微差爆破法，起爆顺序分为正序起爆和反序起爆；d.正序起爆即先掏槽孔，再辅助孔，最后周边孔；e.反序起爆即先周边孔，再掏槽孔和辅助孔，又称预裂光面爆破。第五页，共70页。施工中光面爆破参数的设计应采用工程类比法或试验方法确定，如无条件试验时，可参照表5－13选用爆破参数。参数岩石单轴抗压强度kb(MPa)装药不耦合系数K周边眼间距E(cm)周边最小抵抗线W(cm)周边孔密集系数m=E/W周边眼装药集中度q(kg/m)硬岩＞601.25~1.555~7070~850.8~1.00.30~0.35中硬岩30~601.5~2.045~6060~750.8~1.00.20~0.30软岩≤302.0~2.530~5040~600.5~0.80.07~0.20光面爆破参数表5-13第六页，共70页。⑴对中硬岩石隧道，可采用一次爆破，炮眼深度为3～5m;⑵对于软岩工程，可采用半断面或台阶开挖，一般为1.0～3.0m的浅孔爆破。通常光面爆破效果应达到表5－14的指标。序号项目硬岩中硬岩软岩1平均超挖量(cm)1015102最大超挖量(cm)2025153周边孔痕率(cm)≥80≥604局部欠挖量(cm)5555炮眼利用率909090光面爆破效果表5-14第七页，共70页。凿岩台车风动凿岩机第八页，共70页。矿山法隧道挖掘第九页，共70页。⑵独臂钻的开挖施工①适用于开挖软岩，速度甚快；②不适用于地下水较多﹑围岩不太稳定的地层。⑶天井钻的开挖施工①专门用来开挖竖井或斜井的大型钻具；②适宜钻通风竖井或钻大型竖井斜井的导洞。⑷喷锚支护及现浇混凝土衬砌1)喷锚支护①锚喷支护多为初期支护，包括锚杆的安装﹑悬挂钢丝网﹑喷混凝土三道工序。第十页，共70页。②锚杆主要三种：全长粘结式锚杆﹑端头锚固型锚杆﹑楔缝式或胀壳式摩擦型锚杆。③喷射混凝土可分为干喷﹑潮喷﹑湿喷三种方式，湿喷工艺流程如图5－32，2)混凝土衬砌图5-32湿喷工艺流程第十一页，共70页。独臂转开挖施工第十二页，共70页。混凝土衬砌第十三页，共70页。喷射混凝土第十四页，共70页。⑸新奥法1)新奥法(NATM)是新奥地利隧洞施工法的简称。2)新奥法的主要原则是：①充分利用岩体的强度，发挥岩体的自承能力。②正确运用围岩﹑支护共同作用原理，恰当利用岩体蠕变发展规律。③把监测作为必要手段，始终监测支护的位移和压力变化。④强调封底重要性，务必封底。⑤施工﹑设计﹑监测三结合。新奥法的典型施工顺序如图5－33所示。第十五页，共70页。图5-33新奥法典型施工顺序(尺寸单位：cm)第十六页，共70页。⒉隧道掘进机施工法(TBM法)①隧道掘进机(TunnelBoringMachine)适用于中等坚硬岩石中隧道的施工；②造价高，施工机械化自动化程度高；③我国的秦岭隧道1号线采用了TBM施工，月平均276m，最高月进度达402m。第十七页，共70页。⑴TBM的组成：分为敞开式﹑顶部保护式﹑护盾式。图5－34是英国海峡隧道法国端使用的护盾式掘进机(T2)。⑵掘进机施工作业程序：正常条件下TBM作业程序如图5－35所示。⑶隧道施工存在的问题及对策：造价高﹑使用范围小﹑岩石依赖性大﹑技术要求高第十八页，共70页。图5-34护盾式掘进机改造(T2)第十九页，共70页。图5-35TBM作业程序示意图第二十页，共70页。二、软土地区深埋隧道的施工⒈盾构法盾构机(Shieldmachine)：软土地层隧道施工a.50年代前，手工掘进的闭胸﹑敞胸或网格式盾构。b.60年代末，土压平衡盾构﹑泥水盾构。c.80年代，全自动的现代化盾构。第二十一页，共70页。(1)盾构的分类和组成1)盾构分类①按照盾构机挖土的方式：手工挖土、分断面机械开挖、全断面开挖三类，如图5－36。②按照开挖面土体支撑保持稳定方法：敞口盾构、机械支撑盾构、气压、液压和土压平衡盾构，如图5－37。③按照开挖土体废料装卸方式的不同，盾构机分为如图5－38的不同类型。第二十二页，共70页。图5-36盾构机不同的挖土方式a1-敞口；a2-工作平台；a3-带支撑的平台；b1-分断面机械开挖和支撑；b2-可移动的分断面开挖机；b3-累计分断面开挖；c1-带刮刀全断面开挖轮盘支撑开挖面；c2-带刀盘全断面开挖；c3-带滚刀掘进头全断面开挖第二十三页，共70页。图5-37盾构开挖工作面平衡系统a)边坡；b)机械支承；c)压缩空气支承；d)泥水压力支随便；e)土压平衡第二十四页，共70页。图5-38盾构碴土传输系统第二十五页，共70页。第二十六页，共70页。第二十七页，共70页。④衬砌分为：铸铁管片﹑钢管片﹑钢筋混凝土预制管片和现浇钢纤维混凝土衬砌。第二十八页，共70页。第二十九页，共70页。第三十页，共70页。第三十一页，共70页。2)盾构机基本构造壳体、排土系统、推进系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。⑵盾构法隧道的施工1)盾构进出工作井①盾构进出工作井前后50m是施工最困难的地段之一。第三十二页，共70页。②盾构进出工作井必须解决：a.封门材料选择和制作；b.洞周土体的滑移和沉陷；c.盾构水平和竖直方向的偏移。图5－39为盾构机进出工作井的示意图。③洞周加固的方法：a.化学加固方法：注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩等；b.物理加固方法：井点降水疏干土体、冻结等。第三十三页，共70页。图5-39盾构机进出工作井示意图第三十四页，共70页。式中：σt——为深层搅拌加固后土体的弯曲拉伸强度（kPa）；

K——为安全系数取1.5

；

E——朗金土压力公式计算的水土侧压力和；E=Ek+Ew，如图5－40所示。

r——r=D/2，D为盾构开挖土体的直径。④对于砂性土体，土体加固的厚度t，可以使用弹性力学的厚板理论计算得出，公式如下：第三十五页，共70页。图5-40水土侧压力计算简图第三十六页，共70页。进一步采用摩尔包络线破坏条件及塑性松动圈的平衡微分方程，可求出改良土体的宽和高，如图5－41所示。图5-41

改良土体宽高示意图第三十七页，共70页。对砂性土改良尺寸如表5－15所示。

与砂性土体破坏形式不同，利用粘性土体在洞口整体滑移失稳的计算理论，可推导出相应加固土体的厚﹑宽﹑高。DD＜1.01.0＜D＜3.03.0＜D＜5.05.0＜D＜8.0B1.01.01.52.0H11.01.52.02.5H21.01.01.01.0

砂性土体改良尺寸 表5-15第三十八页，共70页。2)开挖工作面稳定分析保持土压平衡盾构开挖面的稳定的方法：①控制土舱压力与开挖面地层压力的差值；②控制排土量。应特别注意调整推进速度和排土量，使压力波动控制在最小幅度，始终保持式中：Pi——密封舱内压力；

Pz——侧向土压力；

Pw——侧向水压力。第三十九页，共70页。3)地面沉降的预测和控制①合理选择盾构机型，施工工艺先进，不断优化施工技术参数②关键技术：保持开挖面的稳定和管片脱出盾尾后及时注浆填筑间隙。③引起地面沉降的原因大致分为土体的损失和土体固结。④沉降阶段划分：盾构到达前﹑盾构到达时﹑盾构通过时﹑管片脱出盾尾时﹑长期变形阶段。上海地区盾构推进引起的地面沉降如表5-16。第四十页，共70页。发展阶段影响范围隆起或下沉量（mm）隆起或下沉率（mm)点总沉降量（％）产生沉降原因纵向(m)横向(m)盾构到达前≈H+D≈12～158～10±5；5<L<15±10；3<L<5+105挤土降水盾构到达1510～14±15L<3L’<2-1510欠挖挤压土体，超挖土体松弛盾构通过1515L>3：-15L’>2：+10-2015～20有超挖刀时，沉降10～15cm，盾构带厚泥皮，先隆后沉（盾尾间隙）盾尾脱出1816+10-20：L’>4-0.2mm/min20～30注浆不及时、浆液不足、管片变形后期沉降2020～2230T>10d：0.1~0.5；T>30d：0.05~0.1；T>100d：0.001~0.150100后沉降基本稳定，固结沉降上海地区盾构推进引起地面沉降情况表表5-16第四十一页，共70页。4)盾构“蛇行”及轴线控制引起盾构偏差的原因有：①盾构前进遇到的阻力不均衡；②盾构制作安装误差；③已拼装的管片圆环质量差；④测量精度不高。5)隧道防水施工第四十二页，共70页。⒉顶管法

顶管法动力来自始发工作井内作用在后背井壁上的分组千斤顶，顶管千斤顶将带有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井井壁。a.顶管法推进的阻力随管道长度增加而增加。b.为克服顶进力不足，管道中间设置中继接力环,并在管道外周压注触变泥浆减少摩擦，如图5－42。c.顶管法比较设适合于内径小于4m或更小的管道。第四十三页，共70页。图5-42薄膜顶管施工方法原理第四十四页，共70页。⑴顶管法施工工艺1)第一阶段为工作井(始发井、目标井)的建造、预制管节、顶进设备的安装；2)第二阶段为排土、顶进、安装传力设备、压注润滑剂、测量定位、管道整修。⑵顶管施工的技术难题1)地面沉降。2)轴线和高程控制。3)液压千斤顶顶力和密封性能。4)转变、纠偏定向装置和管节接头技术。通过特殊接口来控制曲线前进方向，如图5－43。5)注浆。在顶进时不断向管外壁压注膨润土泥浆，减少摩擦。6)其他。第四十五页，共70页。图5-43F形管(壁厚330mm)接头改造示意图第四十六页，共70页。三、水下沉管隧道施工沉管隧道是由若干预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安装，并在水下相互连接而成，如图5－44所示。图5-44浮管隧道1-管段制作；2-浮动；3-沉设第四十七页，共70页。第四十八页，共70页。①美国，1910年，修建底特律河铁路隧道(最早)；

1994年，美国共有25条沉管隧道。②20世纪40年代﹑60年代，台湾﹑香港修建了4条海湾隧道；③中国，1992年建成广州珠江隧道；

1995年建成甬江隧道。第四十九页，共70页。沉管法施工工序：⒈地槽浚挖

⑴挖浚基槽最常用的挖泥船有：吸扬式挖泥船﹑抓扬式挖泥船﹑链斗式挖泥船﹑铲扬式挖泥船。⑵香港地铁挖浚基槽分两个阶段：①粗挖至离最终设计标高约1m处；②采用平整度较好的2.5～12m3大小不同地抓斗式挖泥机挖到基底。第五十页，共70页。⒉管段的制作①在干船坞内或专门建造的内水湾中预先制作；②利用隧道岸边引道段围堰先作为管段制作场；③管段常为矩形，每节长60～140m,多数为100m左右，最长268m。④美国和日本大多数采用钢壳管段⒊管节的驳运和沉放⑴驳运①进行实验室的模拟试验和理论计算。②考虑有无船队通行。第五十一页，共70页。③管段拖运阶段对自然条件的限制：风速小于10m/s；波浪高小于0.5m；流速小于0.6～0.8m/s；能见度大于1000m。⑵沉放①管段的沉放式最危险最困难的事情；②沉放方法有两类：吊沉法﹑拉沉法；③沉放作业需准备：四只1000～1500kN的浮箱﹑小型驳船﹑发电机组﹑卷扬机等。④采取水上交通管制措施；⑤下沉作业步骤如图5－45所示。第五十二页，共70页。图5-45

下沉作业步骤1-初步下沉；2-靠拢下沉；3-着地下沉第五十三页，共70页。⑥水力压接法进行连接的主要施工顺序为：对位﹑拉合﹑压接﹑拆除封堵。a.拉合千斤顶所提供的总拉力应为2000～3000kN，行程一般为100cm。b.最后一个端面的连接必须采用水中模板混凝土式﹑靠临时性封闭的干燥钢制镶板式。⒋基础处理技术①基础铺设的砂砾垫层尽可能密实；②早期采用先铺法，管段沉放前用刮砂法将槽底整平；第五十四页，共70页。③后来出现后填法，管段沉放后进行灌砂喷砂或者压砂和压浆。⒌防水①管段自防水②伸缩缝施工缝用橡胶止水带和钢边橡胶止水带组成，外缝加盖聚氨基甲酸脂油灰。构造措施见图5－46；③管片间的防水主要采用橡胶止水垫环和形止水胶带；第五十五页，共70页。图5-46采用橡胶—金属止水带及聚氨基甲酸油灰的伸缩缝(尺寸单位：mm)①-堵排空隙；②-橡胶—金属止水带；③-角钢；④-聚氨酯泡沫；⑤-聚氨基甲酸酯油灰；⑥-异丁橡胶粘结带第五十六页，共70页。四、地铁区间隧道联络通道施工

在城市地铁隧道建设中，两站间的区间隧道长度约为一公里，上下行隧道间通常要设置联络通道，又称旁通道。a.设计中，常将其与地下泵站结合起来建设。b.联络通道的断面和开挖长度较小，施工环境更为复杂。c.联络通道的构造形式有：全贯通式﹑上行侧式﹑下行侧式﹑上下行侧式和深井侧式泵站等，如图5－48所示。第五十七页，共70页。图5-48联络通道泵站形式图第五十八页，共70页。d.联络通道断面跨度为2.0～3.0m，墙高2.5～3.5，断面为矩形圆形或直墙形。e.隧道长度通常只有6～15m，土体开挖量较小，一般小于200m3。⒈联络通道常用的施工工法及对比⑴土体加固矿山法a.土体加固多使用冻结加固和灌注加固技术。b.灌注加固包括三重管高压旋喷注浆技术、深层搅拌桩加固技术、钻孔港湾桩技术和分层劈裂注浆技术等。第五十九页，共70页。1)矿山法侧向暗挖施工①“新奥法”原理，矿山暗挖法施工②速度快，风险小，造价低，2)矿山法竖井开挖施工①从联络通道的中部从地面向下开挖临时竖井，并向两端开挖，②占用地面道路，影响地面活动。3)冻结加固矿山法施工①从主隧道内用水平冻结技术加固其周围土体，然后再暗挖施工。第六十页，共70页。②适合于含水量较大的土层。③优点：强度高(-10℃,冻结粘土5MPa﹑冻结砂土8MPa)﹑止水性好﹑地层扰动小﹑不占用地面场地。④缺点：工期长﹑造价高﹑地面隆沉。⑵顶管法顶管法适合于含水量较少、土体自立性较好的粉质粘土、硬质粘土等土层。⑶联络通道常用工法综合指标比较，如表5-17。第六十一页，共70页。施工方法适用范围、施工难度及风险进度造价环境影响矿山法侧向暗挖施工①适用于冲积软土地区、工艺成熟，南京地铁旁通道60%~70%由此法施工；②土体加固质量好时，施工安全快速风险小；③土体加固质量不好时，开挖时易引起掌子面坍塌以及冒顶漏水现象较快(约75天)较高(约100万，其中土体加固费用占到一半以上)土体搅拌加固时要封锁交通，有泥浆、噪声污染及地面沉降矿山法竖井开挖施工①施工中不占用隧道，且具有两个工作面，施工速度快；②施工到最后才打开钢管片，对主隧道影响小；③土体如加固不好，易造成工作井坍塌或发生涌砂涌水现象快(约60天)较高(约120万)土体搅拌加固时以及开挖过程中要封锁交通，有泥浆、噪声污染及地面沉降联络通道常用工法综合指标比较

表5-17第六十二页，共70页。施工方法适用范围、施工难度及风险进度造价环境影响冻结加固矿山法施工①主要用在含水量较高的土层中；②土体加固强度高、止水性能好，且不占用地面场地；③但施工周期长、造价高，对地面的隆沉有一定影响较慢(约100天)最高(约300万,电费占大部分，且夏季施工费用高于冬季施工)地面无污染无噪声，冻融控制不好会引起地面的隆起或下沉顶管法①适用含水量小、自立性好的土层②千斤顶的顶力作用在管片上，对管片以及主体隧道的稳定性有影响；③须对主体隧道进行加固处理并设置合理的后顶装置最快(约45天)总造价较高(约180万)，但顶进设备可重复使用，综合造价低地面地下无污染，地表可能稍有沉降，顶力控制不好会引起主体隧道的位移续上表第六十三页，共70页。⒉工程实例⑴新街口—珠江路区间联络通道该区段位于闹市区，旁通道的位置位于中山路长江路路口，采用地面加固对交通的影响较