隧道施工技术发展及应用培训课件

隧道施工技术发展及应用

常用隧道施工方法1、新奥法2、浅埋暗挖法3、盾构法4、TBM(全断面掘进机)法5、沉管法一、“新奥法”的概念新奥法即“新奥地利隧道施工方法”的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod，简称NATM。新奥法的概念是由奥地利学者拉布西维兹教授(L.V.RABCEWICZ)于上世纪50年代提出的，它以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。新奥法的发展和应用

随后，新奥法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速地发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程。新奥法的三大要素：光面爆破、喷锚支护、监控量测。新奥法国外应用情况

当前，世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站，车站位于城市道路下7～9m，开挖面积230m2，相当于17m(宽)×14m(高)。利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法，尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要。新奥法在我国的推广应用

我国从20世纪70年代开始，在山岭隧道施工中引入了新奥法，并迅速推广应用，取得了良好的效益。我国自1987年在北京地铁首次采用新奥法施工复兴门车站及折返线工程，车站跨度达26m。至今，可以说在所有重点、难点的地下工程中都离不开NATM，新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。二、浅埋暗挖法浅埋暗挖法，起源于1986年北京地铁复兴门折返线工程，是中国人自己创造的适合中国国情的一种隧道修建方法。该法是在借鉴新奥法理论的基础上，针对中国的具体工程条件开发出来的一整套完善的地铁隧道修建理论和操作方法。与新奥法的不同之处在于，它是适合于城市地区、松散土介质围岩条件下，隧道埋深小于或等于隧道直径，以很小的地表沉降修筑隧道的技术方法。它的突出优势在于不影响城市交通，无污染、无噪声，而且适合于各种尺寸与断面形式的隧道洞室。浅埋地下工程基本概念(1)浅埋隧道界定铁路隧道：对于单线或双线隧道洞顶埋深小于：VI级围岩35-40m、V级围岩18-25m、IV级围岩10-14m、III级围岩5-7m，为浅埋隧道。城市地铁：覆跨比H/D在0.6-1.5时为浅埋，H/D小于0.6时为超浅埋。

(2)浅埋隧道特点

最大的特点是埋深浅，施工过程中由于地层损失而引起地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此对开挖、支护、衬砌、排水、注浆等方法提出更高要求，施工难度增加。浅埋暗挖法的基本原理浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理，采用复合式衬砌。（1）初期支护承担全部基本荷载，二衬作为安全储备，初支、二衬共同承担特殊荷载；（2）采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩自承能力；（3）采用不同开挖方法及时支护封闭成环，使其与围岩共同作用，形成联合支护体系；（4）采用信息化设计与施工。浅埋暗挖法的特点浅埋暗挖法的核心技术被概括为18字方针：管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。其主要的技术特点可概括为：动态设计、动态施工的信息化施工方法，建立了一整套变位、应力监测系统；强调超前支护在稳定工作面中的作用；研究、创新了注浆方法加固地层；发展了复合式衬砌技术，并开创性地设计、应用了钢筋网构拱架支护。浅埋暗挖法的应用范围由于该工法在有水条件的地层中可广泛运用，加之国内丰富的劳动力资源，在北京、广州、深圳、南京等地的地铁区间隧道修建中得到推广，已成功建成许多各具特点的地铁区间隧道，而且在大跨度车站的修筑中有相当的应用。此外，该方法也广泛应用于地下车库、过街人行道和城市道路隧道等工程的修筑。第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段第一次用浅埋暗挖法建成京珠高速乌龙岭双连拱隧道军都山隧道（1988）（第一次用小导管、网构钢架）北京地铁复兴门折返线（1987）（国家科技进步二等奖）采用浅埋暗挖法修筑的典型工程浅埋暗挖法分类及工艺一、隧道开挖方式根据隧道所处地层条件，开挖方式可灵活选择应用。常见的开挖方法有：全断面法开挖、台阶法开挖、中隔壁法（CD）法、中隔壁交叉临时仰拱法（CRD法）、眼镜工法、中洞法等。CD法双侧壁导坑法CRD法中洞法机械台车开挖隧道施工过程中的四条主作业线1、钻孔爆破作业线光面爆破、预裂爆破技术。（1）塑料导爆管非电起爆技术（2）掏槽眼爆破技术（3）周边眼间隔装药技术（4）内圈眼爆破层厚度确定（5）底板眼钻爆要点施工过程中的四条主作业线2、装碴运输作业线常见可分为3种类型。（1）有轨装碴、有轨运输，适用小断面软弱地层隧道（2）无轨装碴、有轨运输，比(1)方式管理简单（3）无轨装碴、无轨运输，适用大断面硬质地层。铺底混凝土超前，是最影响进度的工序。施工过程中的四条主作业线3、喷锚网支护作业线（1）不或少找顶，及时在碴堆上初喷混凝土（2）复喷挂网打系统锚杆（3）必要时架设格栅、钢拱架隧道施工中的四条主作业线4、二次模筑衬砌作业线（1）模板台车，一般长10-12m左右（2）进行防水板铺设（3）量测数据已趋稳定（4）先做抑拱，边墙基础超前（5）高性能泵送混凝土地下大断面开挖支护三条辅助作业线（1）通风供风作业线（2）排水、防水作业线（3）注浆堵漏作业线隧道施工监测（1）这是检验开挖方法和支护强度、稳定性的重要手段，目前已纳入工序管理。（2）常规隧道施工一般只进行拱顶下沉及拱脚、墙中收敛。（3）应用先进的无尺量测新仪器及软件(精度可达到0.2mm)（4）做到信息化及时，以指导施工、设计，确保不塌方，不发生过大变形三、盾构法概况采用盾构为施工机具，在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式施工方法。施工时在盾构前端切口环的掩护下开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬砌（管片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构千斤顶顶住拼装好衬砌，将盾构推进到挖去土体空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩回盾构千斤顶活塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开挖面挖至新的进程。如此循环交替，逐步延伸而建成隧道。

盾构法的发展历史

用盾构法修建隧道已有150余年的历史。最早进行研究的是法国工程师布鲁内尔，他从1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下，用一个矩形盾构建造了世界上第一条水底隧道(宽11.4米、高6.8米)。在修建过程中遇到很大的困难，两次被河水淹没，直至1835年，使用了改良后的盾构，才于1843年完工。盾构法的发展历史(续)巴洛于1865年在泰晤士河底，用一个直径2.2米的圆形盾构建造隧道。1847年在英国伦敦地下铁道城南线施工中，英国人格雷特黑德第一次在粘土层和含水砂层中采用气压盾构法施工，并第一次在衬砌背后压浆来填补盾尾和衬砌之间的空隙，创造了比较完整的气压盾构法施工工艺，为现代化盾构法施工奠定了基础，促进了盾构法施工的发展。盾构法的发展历史(续)20世纪30～40年代，仅美国纽约就采用气压盾构法成功地建造了19条水底的道路隧道、地下铁道隧道、煤气管道和给水排水管道等。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的水底道路隧道已有21条。德、日、法、苏等国把盾构法广泛使用于地下铁道和各种大型地下管道的施工。1969年起，在英、日和西欧各国开始发展一种微型盾构施工法，盾构直径最小的只有1米左右，适用于城市给水排水管道、煤气管道、电力和通信电缆等管道的施工。盾构法的发展历史(续)中国在第一个五年计划期间，首先在辽宁阜新煤矿，用直径2.6米的手掘式盾构进行了疏水巷道的施工。中国自行设计、制造的盾构，直径最大为11.26米，最小为3.0米。第二条黄浦江水底道路隧道,水下段和部分岸边深埋段也采用盾构法施工，采用水力机械开挖掘进。盾构法的发展历史(续)近年来由于盾构法在施工技术上的不断改进，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越强。城市市区建筑公用设施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别在市中心，若隧道埋深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。而盾构法施工城市地铁、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。此外，在建造水下公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往以其经济合理而得到采用。盾构法施工的主要内容首先在隧道某段的一端建造工作竖井，以供盾构安装就位。然后盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接井7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固盾构机始发及到达管片分块及拼装管片制作、存储运输、安装盾构施工运输土压式泥土加压式泥浆式泥水式盾构机图片多圆盾构矩形盾构图片盾构法的优越性盾构法得到广泛使用，因其具有明显的优越性：①在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性；②地下施工不影响地面交通,在河底下施工不影响河道通航;③施工操作不受气候条件的影响;④产生的振动、噪声等环境危害较小;⑤对地面建筑物及地下管线的影响较小。四、硬岩全断面掘进机法(TBM)1、TBM的发展历史

TBM是在1846年由意大利人Maus发明的。1851年，美国人查理士·威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用，未获成功。1881年波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1m的勘探导坑。美国罗宾斯（Robbins）公司自1952年开发制造出了现代意义上的第1台软岩TBM后，1956年又研制成功中硬岩TBM，由此TBM进入了快速发展时期。目前，全世界范围内的TBM制造商有30余家，最具实力的是德国的威尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的拉瓦特公司、日本的三菱公司等。国外TBM技术已相当成熟，这为复杂地质条件下的隧道工程建设提供了技术保障。硬岩掘进机——TBM图秦岭18.4km铁路隧道硬岩全断面掘进机法(TBM)2、TBM的分类及地质适应性TBM主要分为以下3种类型，分别适应于不同的地质。开敞式TBM。常用于硬岩，在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化。双护盾TBM。适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。单护盾TBM。常用于劣质地层。单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片2者不能同时进行，施工速度较慢。硬岩全断面掘进机法(TBM)3、国内使用TBM的情况介绍我国最早使用TBM施工的是在水利水电工程上。(1)早在20世纪70年代，云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM。(2)1985-1990年，天生桥二级水电站引水隧洞工程使用了美国罗宾斯公司制造的TBM，但由于选型与地质不适应，进度较低，最低月进尺为31m，最高月进尺仅92m。(3)1991-1992年，引大入秦工程30A号和38号输水隧洞，总长约17km，相继采用了美国罗宾斯公司制造双护盾式TBM施工，应用比较成功，平均月进尺980m，最高月进尺1400m。随后，在引黄入晋工程中相继使用了5台罗宾斯、1台法国法马通公司制造的双护盾TBM，开挖了总长为122km的隧道，创造了日掘进113m、月掘进1637m的纪录。硬岩全断面掘进机法(TBM)目前在建的工程还有辽宁大伙房水库引水工程，全长85.32km，采用TBM法和钻爆法结合施工，共使用了3台开敞式TBM。正在施工的新疆大坂输水隧洞工程，全长约32km，其中引水隧洞全长30.68km，采用TBM法与钻爆法相结合施工，采用1台德国海瑞克公司制造的双护盾TBM施工，TBM总掘进长度约为19.7km。硬岩全断面掘进机法(TBM)在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭I线隧道开始的，工程中使用了开敞式TBM。（1）秦岭I线隧道。全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进2台直径8.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，中部采用钻爆法完成掘进。TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进尺为290.64m，最高月进尺为528.48m。（2）桃花铺1号隧道。西南铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，TBM掘进长度为6.2km，采用8.8m开敞式TBM施工，最高月进尺为551.82m。（3）磨沟岭隧道。磨沟岭隧道全长6114m，采用8.8m开敞式TBM施工，TBM掘进长度为4653m，最高月进尺为573.9m。TB880E全断面隧道掘进机秦岭I线隧道施工中使用的TBM采用开敞式TBM施工开敞式TBMTBM法的优点（1）快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度快、效率高。（2）优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。（3）高效。TBM施工速度快，工期缩短，可较大地提高经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用；TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。TBM法的优点（4）安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，可大大减少事故发生。（5）环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境；如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。（6）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。TBM法的缺点（1）地质适应性较差

TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。TBM法的缺点一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工；Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工；对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。TBM法的缺点（2）不适宜中短距离隧道的施工由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。发达国家的硬岩隧道施工，一般优先考虑TBM法，只有在TBM法不适宜时才考虑采用钻爆法。我国则相反，采用钻爆法已成功修建了6000多km的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。在我国，一般认为小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于10～20km的特长隧道，可以对TBM法和钻爆法施工进行经济技术比较，选择适宜的施工方法；对于大于20km的特长隧道，则宜优先采用TBM法施工。另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高的隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，宜优先考虑采用盾构法施工。TBM法的缺点(3)断面适应性较差

断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难;而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地说，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3～l2m；对直径在12～15m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综合比较；对于直径大于15m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。TBM法的缺点(4)运输困难，对施工场地有特殊要求TBM属大型专用设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达200多m。同时洞外配套设施多，主要有混凝土搅拌系统、管片预制厂，修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。TBM法的缺点(5)设备购置及使用成本大TBM施工需要高负荷的电力保证以及其高素质的技术人员和管理队伍，其前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。TBM法的缺点五、沉管法沉管法是在水底建筑隧道的一种施工方法

其施工顺序是：首先在船台上或干坞中制作隧道管段(用钢板和混凝土或钢筋混凝土)，管段两端用临时封墙密封后滑移下水(或在坞内放水)，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。管段逐节沉放，并用水力压接法将相邻管段连接。最后拆除封墙，使各节管段连通成为整体的隧道。在其顶部和外侧用块石、砂覆盖，以保安全。50年代起，由于水下连接等关键性技术的突破而普遍采用，现已成为水底隧道的一种主要施工方法。用这种方法建成的隧道称为沉管隧道。沉管法施工预制好的管段下沉到位的管段在干船坞内预制管段沉管法施工工艺流程图水力压接法施工过程示意图沉管法发展历程1910年，美国人就用沉管法修建了跨越美国和加拿大之间的底特律河双线铁路隧道，至1994年底美国已建成25条沉管隧道。在美国沉管隧道大部分由钢壳管节组成。从1940年开始，欧洲荷兰、德国、瑞典、法国和比利时开始用钢筋混凝土管节修建沉管隧道。到1994年底荷兰已建成19条沉管隧道。日本也是使用沉管法修建隧道最多的国家之一。我国的台湾省、香港特区在20世纪40年代、60年代用沉管法修建了4条海湾隧道。中国大陆第一条沉管隧道广州珠江隧道于1994年元月中旬建成通车。第二条宁波甬江水底隧道于1995年11月8日建成通车。因为沉管隧道与通常的掘进式隧道相比有很多优点，如可缩短工期、节约造价，