施工技术课件 地下工程施工：隧道基本施工方法

不挖开地面，采用矿山法、机械法等方法修

筑地下建筑物的方法，称为地下工程暗挖法。一般使用在山岭的公路、铁路隧道、城市地

下铁道等的修建中。主要方法的分类见下框图。第二篇地下工程暗挖法施工隧道基本施工方法上一页

下一页全断面开挖矿山法上下导坑法分部开挖法掘进机(TBM)气压平衡盾构法泥水平衡地下工程暗挖法施工隧道基本施工方法土压破坏(钻爆法)机械法暗挖法地下工程暗挖法施工施工准备

开挖爆破

出渣运输

初期支护

二次衬砌场地准备、测量定线、三通一平、人员组织钻炮眼、装炸药、联结引炮装置、爆炸隧道基本施工方法防水板铺设模注混凝土通风、消除危石、装车锚喷支护临时支撑隧道的分部开挖概述分部开挖的主要目的：是为了减小对围岩的扰动、保证掌子面的稳

定、并能便利支撑，以保安全。分部开挖的方法：是将掌子面(工作面)分为多个工作面，分部实施。分部的大小与多少：按地质条件与断面大小以及开挖和支护手段等，对周围环境影响等条件而定。隧道基本施工方法上一页

下一页隧道开挖实景照片隧道基本施工方法HOME上一页

下一页1、分部开挖方案隧道施工方法有很多，但总归起来大体上有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类及若干变化方案，如下图示。隧道的分部开挖隧道基本施工方法页

下一页

上一隧道的分部开挖单侧壁

2导坑法(3双侧擘导坑法(全断面法隧道基本施工方法隧道基本施工方法短台阶法

2超短上一页

下一页一长台阶

法

Z台阶分部

开挖法台阶法2分

部

开

挖

法HOME施

工

方

法台阶法2(1)全断面法常用在硬岩中，利于大型机械化作业，施工速度快。(2)台阶法多用于较软而节理发育的围岩中，有三种变化方案：a、长台阶法上下台阶距离较远，上台阶超前50m

以上或5倍洞跨，施工中上下部

可配大中型机械平行作业。b、短台阶法上台阶长度小于5倍但大于1～1

.5倍洞跨，适用于较软弱的围岩，上

下台阶施工干扰较大。c、超短台阶法上台阶仅超前3～5m,

断面闭合较快。多用于机械化程度不高的各类

围岩地段。隧道的分部开挖隧道基本施工方法上一页

下一页

顶部区段开挖断面B-B拱顶区段岩石的喷浆防护B隧道的分部开挖仰拱防护二次衬砌隧道基本施工方法下一页

50-100m拱顶区

段开挖台阶开挖断

面A-A隧道的分部开挖预留台阶拱部开挖隧道基本施工方法HOME

上一页95028下一页(3

)分部开挖法可分为三种变化方案：a、

台阶分部开挖法又称环形开挖留核心土

法，适用于一般土质或易

坍塌的软弱围岩地段。上

部留核心土支挡开挖工作

面，利于及时施作拱部初

期支护增强开挖工作面的

稳定，核心土及下部开挖

在拱部初期支护保护下进

行，施工安全性好。一般

环形开挖进尺为0

.5~1m

左右，不宜过长，隧道的分部开挖L₁=2～3m

L₂=5～7mL₃=1～3m

L₄<10m隧道基本施工方法①上一页

下一页b、单侧壁导坑法

(CD

法---Center

diaphgram)围岩较差，跨度大，

地表沉陷难于控制时采

用，此法单侧壁导坑超

前，中部和另

一侧的断

面用正台阶法施工，故

兼有正台阶法和双侧壁

导坑法的优点，且洞跨

可随机械设备等施工条

件

决

定

，隧道的分部开挖隧道基本施工方法下一页上一页该方法还有

一

些变化方法，如在开挖单侧

壁导坑时也采用台阶法，

并及时用斜支撑支护，一般将这种方法称为

CRD法。隧道的分部开挖隧道基本施工方法上一页

下一页c、双侧壁导坑法适用于浅埋大跨

度隧道，地表下沉

量要求严格，围岩

条件特别差时，此

法安全可靠，但速

度慢，造价高。隧道的分部开挖侧导坑台

阶底部隧道基本施工方法上

一

页

下

一

页

侧导坑拱部隧道的分部开挖北京地铁西单站(双侧壁导坑法

)隧道基本施工方法上一页

下一页

隧道的分部开挖隧道基本施工方法上一页

下一页

1、各种分部开挖的力学效果分析(1)台阶法的力学效果分析在隧道施工中，台阶法使用最为广泛，不同的台阶长度对隧道的稳定性将有不同的影响，特别在地质条件差，埋深浅时，确定合理的台阶长度尤为重要。通过有限元法分析了台阶长度分别为1

.0D、0.75D、0.5D、0.25D(D

为隧道跨度)四种

情况下对浅埋隧道洞口稳定性的影响。隧道的分部开挖隧道基本施工方法下一页上一页①L=1.00②L=0.75D③L=0.5DL=0.25D隧道的分部开挖10③⑨

203040不同台阶长度下的地表下沉曲线2.5D

2.0D15D1.0D0.5D隧道基本施工方法①

上一页

下一页解析情况1.0D0.75D0.5D0.25D塑性区示意塑性区深度(m)7.05.55.04.0地表下沉(mm)35.0529.1824.4611.38拱顶下沉(mm)51.3444.6038.8223.30隧道的分部开挖不同台阶长度对隧道稳定性影响隧道基本施工方法上一页

下一页由上表和图可以看出：1、

塑性区随台阶长度减小而显著减小，台阶长度从1

.0D

减小到0.25D,

则塑性区深度减少82

.

86%。2、

拱顶位移随台阶长度减小而减小明显，台阶长度从1.0D

减小到0.25D,

则拱顶位移减少54

.

62%。3、

地表下沉随台阶长度减小而大幅减小，台阶长度从1.0D

减小到0.25D,

则地表下沉减少67

.53%。4、

地表沉降槽宽度台阶长度减小而减小，

台阶长度从

1.0D

减小到0.25D,

则地表沉降宽度减少50%以上。

可见在隧道洞口的施工过程中，当选用台阶法时应尽

量缩短台阶长度，以保证隧道的稳定性。隧道的分部开挖隧道基本施工方法上一页

下一页(2)单侧壁、双侧壁法和台阶法的力学效果分析比较分析中取隧道开挖宽度为14.28m,

隧道高度为8.68m。

进行了有限元分析。隧道的分部开挖台阶法

单侧壁导坑法

双侧壁导坑法各种施工方法的塑性区图隧道基本施工方法上一页

下一页情况拱顶位移(cm)边墙位移(cm)仰拱位移(cm)台阶法5.3426.0229.406单侧壁导坑法4.3783.79714.306双侧壁导坑法3.5123.3110.339二、隧道的分部开挖部分计算结果隧道基本施工方法上一页

下一页

由上表和图可以看出：1、双侧壁导坑法位移最小，拱顶位移为台阶法的66%,边

墙位移为台阶法的55%。塑性范围也最小。可以认为，在

大断面隧道施工中，双侧壁导坑法是较安全的方法。2、

单侧壁导坑法与台阶法相比，拱顶位移为台阶法的82%,

边墙位移为台阶法的63%。仰拱位移是台阶法的152%,塑性范围比台阶法大；拱部

的塑性范围与台阶法略小。因此，单侧壁导坑法的薄弱部

位是仰拱。只要能够控制仰拱位移，将比台阶法优。3、

从力学观点来看，双侧壁导坑法最优，单侧壁导坑法次

之，台阶法最次。隧道施工方法的选择涉及的因素很多，

因此，应综合考虑确定。隧道的分部开挖隧道基本施工方法上一页下一页隧道的分部开挖(3)隧道仰拱的力学行为对隧道有仰拱和无仰拱的有限元分析。

塑性区分布隧道基本施工方法上一页

下一页(b)有无仰拱拱顶拱肩边墙墙角仰拱无仰拱2.08.02.08.86.0有仰拱04.00.56.00减小(%)100507532100隧道的分部开挖可以看出，有仰拱比无仰拱二次衬砌安全系数提高了22%。仰拱对改善结构受力状态，提高承载能力有非常重要作用。塑性区范围(m)隧道基本施工方法上一页

下一页情况围岩条件台阶法单侧壁导坑法双侧壁导坑法长短超短CDCRD单线隧道软弱浅埋○◎软弱偏压◎双线隧道软弱浅埋◎△软弱偏压⊙△三线隧道软弱浅埋◎△软弱偏压●隧道的分部开挖3、分部开挖方法比选

注：◎○⊙△表示优选顺序隧道基本施工方法上一页下一页条件全断面法台阶法单侧壁法双侧壁法隧道断面单、双、三线双、三线双、三线三线围岩条件硬岩较硬岩土质松软地层土质松软地层安全性一般较安全较安全安全施工机械大型大型或中型中型或小型小型工序及工期简单、工期快简单、工期快较多、较慢复杂、工期慢造价低较低较高高围岩变化的适

应性向低较难，向

高适应向低及高变化

均能适应各种适应性不

强向低变化适应主应力竖直向

水平转移双三线稳定增

加，单线降低断面洞室稳定

性增加最明显洞室稳定性降

低洞室稳定性降

低管线布置很方便方便较方便不方便辅助支护不容易很容易一般一般关键部支护一般好较好较好隧道的分部开挖(施工方法基本条件比较)隧道基本施工方法①

上一页下一页定

义：以控制爆破(光面、预裂爆破等)为开挖方法；以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，动态修正设计参数和变动施工的一种隧道施工法。新奥法施工核心内容：

是充分发挥围岩的自承能力。围岩

是承载的主体，结构是安全贮备。新奥法一即奥地利隧道施工法(New

Austrian

Tunnelling

Method)奥地利隧道工程师腊布希维兹首先提出的。一、新奥法

(NATM)隧道基本施工方法新奥法与传统矿山法技术相比，不仅手段不同，

更重要是工程概念不同。新奥法技术的应用和发展，

导致隧道及地下工程理论步入到现代理论的新领域。即设计理论—

施工方法

—

结构(体系)工作状态(结

果)的

一

致性。新奥法作为

一种施工方法，已在世界范围内得到

了广泛的应用。本节介绍的重点。新奥法施工隧道基本施工方法上一页

下一页新奥法施工1、新奥法与矿山法施工比较矿山法支护工作状态

新奥法支护工作状态由锚杆所形成的加固拱=P常规衬砌

a=P₁喷混凝土层隧道基本施工方法上一页

下一页传统支护与新奥法围岩表面的应力状态比较传统支护不能及时向围岩提供径向抗力，围岩松动，表现

为摩尔圆与包络线相切。

c、Φ下降，包络线位置下移与摩尔圆

相交，造成岩体破坏，形成松动围压。新奥法施工，由于喷混凝土渗入岩体裂隙，起到加固作用，

提高了岩体的c、Φ值，包络线上移，连续喷层对围岩表面作用

有封护抗力P,

使岩体的稳定性得到保证。新奥法施工(a)传统方法(b)

新奥法隧道基本施工方法封护抗力P;下一页新奥法施工2、隧道施工的力学过程支护原

始

岩

体

→

毛

洞

→

支

护

体

系

—

—

→

稳

定

洞

室与之相适应的力学过程如下所示：开挖

支护

时间初始应力状态

→

坑道开挖后应力状态

一

→

支护体系应力状态

一

→

终极应力状态(一次应力状态)

(二次应力状态)

(三次应力状态)

(四次应力状态)隧道基本施工方法3、隧道施工力学过程的研究(1)地质工程体的研究指洞室的地质环境。包括地质体形成；初始应力场；地质体的物理、力学、构造和时间特性及其分类等。科学地认识地质环境是对地下结构体

系的正确设计和施工的前提。(2)坑道开挖后围岩力学动态和过程坑道开挖前围岩处于初始应力平衡状态，当开挖后破坏了这种平衡，出现了应力重新分布；构造应力的释放，坑道周围岩体的性质变化；断面

收敛、甚至坑道崩塌等各种物理现象。了解和认识从毛洞的形成到其破坏

的全过程，有助于充分发挥岩体这一支护体系的重要作用。(3)坑道支护体系的评价一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成、因此，支护体系

设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应的评定。而后者的关键

是正确认识各类支护结构(模筑混凝土、喷混凝土、锚杆、钢支撑…等)

的构造及其支护效应，正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其相

互作用机理，即建立两者的相互作用力学模式。新奥法施工隧道基本施工方法上一页

下一页(4)时间对整个支护体系的影响及评价各种材料(岩石、混凝土、金属材料等)长期性质，都

与时间有关。构成坑道支护体系的岩体和结构材料也将受时

间的影响，如参与工作的时间、围岩压力的时间效应、岩体

或混凝土徐变、流变对应力应变的影响等。(5)施工和支护过程的力学评价洞室的形成是通过开挖和支护两个施工阶段完成的，因

此，施工及支护方法对整个坑道的稳定给予重要的影响。如

开挖爆破、支护等对结构的应力状态产生影响。隧道工程是经验性极强的学科，长期以来凭经验设计、施工。大量、丰富的经验中有许多是符合科学的，提高到理论上来认识和理解，是隧道施工力学的一个重要任务。新奥法施工隧道基本施工方法上一页

下一页新奥法施工4、隧道设计施工基本思路原始岩体隧道设计施工基本思路开挖.毛洞应力状态是查支护支护体系的承象馆力ff<是稳定洞室隧道基本施工方法新奥法施工5、新奥法施工流程图二

次

支

护防水

隔

离

层确定施工方案修改施工方案必要时须超

前支护或预

先进行地层改良和顺序改变开挖方法隧道基本施工方法是否符合管理基准?

是上

一

页

下

一

页

护参数修正支初

期

支

护量

测

监

控施工准备挖开否新奥法施工6、新奥法施工的基本原则基本原则为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”少扰动：隧道开挖时，尽量减少对围岩的扰动次数、强度、

范围和持续时间。能用机械开挖的就不用钻爆法；采用

钻爆法时，严格控制爆破；采用大断面开挖；根据围岩

类别、开挖方法、支护条件选择合理的掘进进尺；自稳

性差的围岩，掘进进尺应短；支护要紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间。隧道基本施工方法上一页

下一页早喷

锚：开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩变形进

入受控制状态。一方面是使围岩不致因变形过度而产

生坍塌失稳；另

一方面是使围岩变形适度发展，以充

分发挥围岩的自承能力。勤量测：

以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评

价围岩(或围岩加支护)的稳定状态或动态发展趋势，以

便及时调接支护形式、开挖方法。量测是现代隧道及

地下工程理论的重要标志之

一

，也是掌捏围岩动态变

化过程的手段和进行工程设计、施工的依据。紧

封

闭：一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免

围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，另

一

方

面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，这

样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和

围岩能进入良好的共同工作状态。新奥法施工隧道基本施工方法上一页

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