隧道工程矿山法基础知识

隧道工程矿山法基础知识

围岩分级围岩压力山岭隧道（矿山法）施工主要内容

山岭隧道（矿山法）施工（部分）

基本概念新奥法

开挖方法预支护方法洞口段施工方法主要内容一围岩分级

围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体（这里所指的岩体是土体与岩体的总称）。

依据各种围岩的物理性质之间存在的内在联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。

围岩分级概述围岩分级的目的：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的松散荷载；给出衬砌结构的类型及尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础。

围岩分级概述

围岩的分级方法大致分三类：第Ⅰ类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等；第Ⅱ类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与形态、风化程度等；第Ⅲ类：与地下水有关的要素。（一）围岩分级的基本要素

围岩的分级方法1以岩石强度为基础的分级方法该方法单纯以岩石的强度为分级依据。该方法认为：坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度。岩石愈坚硬，坑道愈稳定；反之岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。该法不全面！（二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法

围岩的分级方法2以岩石的物性指标为基础的分级方法代表性方法：普洛托奇雅柯诺夫提出的“岩石坚固性系数”分级法（“f”值分级法）。“f”值是一个综合的物性指标值，表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性。（二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法

围岩的分级方法1泰沙基分级法该法把不同岩性、不同构造条件的围岩分为九类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水的条件为基础，当确认无水时，4~7类围岩的地压值降低50%。（三）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法

围岩的分级方法2以岩体综合物性为指标的分级方法

20世纪60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出的以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”。经多次修订现列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。（三）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法

围岩的分级方法1按弹性波（纵波）速度的分级方法围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反应岩石软硬、又可表达岩体结构的破碎程度。根据岩性、构造状况及土压状态，将围岩分为7类。（四）与地质勘探手段相联系的分级方法

围岩的分级方法2以岩石质量为指标的分级方法-RQD方法

RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例：（四）与地质勘探手段相联系的分级方法该法将围岩分为5类。

围岩的分级方法

比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等提出的“Q指标”分级法。该法将表明岩体质量的6个地质参数之间的关系表达为：（五）组合多因素的分级方法

岩体质量值Q实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力的复合指标，根据不同的Q值，将岩体质量评为9级。

我国铁路隧道围岩分级方法

围岩基本分级由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度可采用定性划分和定量指标两种方法确定。（一）围岩分级的基本因素

我国铁路隧道围岩分级方法

1岩石坚硬程度

将岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类按岩性、物理力学参数、耐风化能力划分为硬质岩和软质岩两大类。然后根据单轴饱和极限抗压强度再分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。（一）围岩分级的基本因素

我国铁路隧道围岩分级方法2

岩体的完整程度

该指标指围岩被各种结构面切割成单元体的特征及其被切割后的块度大小。衡量围岩的完整程度，考虑以下四方面的因素：

按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。（一）围岩分级的基本因素

我国铁路隧道围岩分级方法2

岩体的完整程度

按照围岩受地质构造影响程度，将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重4个等级。按照节理发育程度的不同分为：节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育4级。按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重4级。（一）围岩分级的基本因素

我国铁路隧道围岩分级方法1

基本分级

根据以上分级的因素和指标，给出各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性及围岩弹性纵波波速等要素。《铁路隧道设计规范》将单、双线铁路隧道的围岩划分为6级：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。（二）围岩基本分级及其修正

我国铁路隧道围岩分级方法2

隧道级别的修正

（1）地下水影响的修正

地下水对围岩的影响主要表现在：软化围岩、软化结构面、承压水作用。

根据单位时间渗水量的大小将围岩级别进行弱化降级处理。（二）围岩基本分级及其修正

我国铁路隧道围岩分级方法2

隧道级别的修正

（2）围岩初始地应力状态的修正

如初始应力状态为极高应力、高应力时，需要对围岩级别进行弱化降级处理。

（3）风化作用的影响

当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1~2级。（二）围岩基本分级及其修正二围岩压力

围岩压力的概念及分类

围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩压力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从广义理解：围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；从狭义理解：围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。（一）围岩压力

围岩压力的概念及分类

围岩压力按作用力发生的形态，可分为：（二）围岩压力分类松动压力：由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力。形变压力：由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构在共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。

围岩压力的概念及分类

围岩压力按作用力发生的形态，可分为：（二）围岩压力分类膨胀压力：当岩体具有吸水、应力接触等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力。冲击压力：在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。

当隧道的埋置深度超过一定限值时，由于围岩有“成拱作用”，其松动压力仅是隧道周边某一破坏范围（自然拱）内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关。计算方法有：我国《铁路隧道设计规范》推荐方法（重点）；普氏理论；泰沙基理论。

深埋隧道围岩松动压力计算方法

深埋隧道围岩松动压力计算方法

单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力计算公式：q=0.41×1.79S×γ单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力计算公式：

q=0.45×2S-1×γω我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法

深埋隧道围岩松动压力计算方法计算公式中：我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法

深埋隧道围岩松动压力计算方法计算公式适用条件：H/B<1.7（H为坑道的高度）；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道。我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法

深埋隧道围岩松动压力计算方法水平均布压力计算：我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法

当隧道浅埋时，地层多为松散堆积物，“自然拱”无法形成，需按浅埋隧道情况进行计算，主要方法有：我国《铁路隧道设计规范》计算方法（重点）比尔鲍曼公式泰沙基公式

浅埋隧道围岩松动压力计算方法1隧道埋深小于或等于等效荷载高度（h≤hq）上覆岩体很薄，滑动面上的阻力很小，为安全起见，忽略滑面上摩擦阻力，则围岩垂直均布压力为：水平均布压力按郎金公式计算：

（一）我国《铁路隧道设计规范》方法

浅埋隧道围岩松动压力计算方法2隧道埋深大于等效荷载高度（h>hq）随着隧道埋深增加，上覆岩体增厚，滑面阻力也随之增大，计算时必须考虑滑面阻力的影响，计算模式如下图：（一）我国《铁路隧道设计规范》方法

浅埋隧道围岩松动压力计算方法2隧道埋深大于等效荷载高度（h>hq）（一）我国《铁路隧道设计规范》方法

浅埋隧道围岩松动压力计算方法2隧道埋深大于等效荷载高度（h>hq）竖向均布压力：（一）我国《铁路隧道设计规范》方法

浅埋隧道围岩松动压力计算方法2隧道埋深大于等效荷载高度（h>hq）

λ侧压系数：（一）我国《铁路隧道设计规范》方法

浅埋隧道围岩松动压力计算方法2隧道埋深大于等效荷载高度（h>hq）

若水平侧压力按梯形分布，计算公式为：（一）我国《铁路隧道设计规范》方法若水平侧压力按均匀分布，计算公式为：

浅埋隧道围岩松动压力计算方法三山岭隧道（矿山法）施工

隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法，施工技术和施工管理的总称。施工方法分类：

隧道施工基本概念隧道施工方法选择主要依据：①施工条件；②围岩条件；③隧道横断面积（尺寸、形状）；④埋深（深埋、浅埋）；⑤工期；⑥环境条件（爆破震动、地表下沉、噪声、地下水变迁等）；⑦生产条件（材料、运输、医疗、生活、水电）。

隧道施工基本概念

隧道施工技术包含的内容主要是基本作业、辅助作业、环境控制和施工管理等。其中基本作业包括：开挖技术、支护技术、衬砌技术；辅助作业包括：风水电作业、场地平整、出渣运输；环境控制包括：监控量测、防水技术、辅助工法；施工管理包括：技术、计划、质量、经济和安全管理等。

隧道施工基本概念

新奥法即奥地利隧道施工新方法（NewAustrianTunnellingMethod–NATM），是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监控控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。

施工原则归纳为：充分保护并利用围岩的自承能力；其施工要点为控制爆破、锚喷支护和施工监测；其实施方法为设计、施工、监测三位一体的动态模式。

新奥法的概念

新奥法施工程序开挖方法

全断面开挖法是按照设计轮廓一次爆破成形，然后支护再修建衬砌的施工方法。

全断面开挖法适用条件：常用在Ⅰ～Ⅲ级硬岩中；利于组织大型机械化作业，提高施工速度；隧道长度不宜太短，否则采用大型机械化施工时经济性较差。

全断面开挖法施工特点：开挖断面与作业空间大，干扰小；有条件充分使用机械，减少人力；工序少，便于施工组织和管理，改善劳动条件；开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。

全断面开挖法

根据台阶长度分：长台阶法、短台阶法和微台阶法。采用何种方法，根据两个条件：对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短；对上部断面施工所采用的开挖、支护、出碴等机械设备需要施工场地大小的要求。

台阶法长台阶法：适用于Ⅰ~Ⅴ级围岩；施工中上下部可以配备同类型的机械平行作业，机械不足是可以交替作业。它的施工干扰少，机械配套，施工通风和测量工作较简单，可进行单工序作业。

台阶法短台阶法：适用于Ⅲ~Ⅴ级围岩；可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件；但上部出碴对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。

台阶法微台阶法：上台阶超前3～5米，断面闭合较快；多用于机械化程度不高的各类围岩区段；遇软岩时需慎重考虑，必要时采取辅助施工措施稳定工作面，保证施工安全。

台阶法

分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法以及交叉中隔壁法等。

分部开挖法环形开挖预留核心土法：常用于Ⅵ级围岩单线或Ⅴ～Ⅵ级围岩双线隧道掘进。

分部开挖法环形开挖预留核心土法施工顺序为：先开挖环形顶部，架立钢支撑，进行喷锚支护；然后开挖核心土和下部分并支护，最后封底；根据围岩变形施作二次衬砌。该工法具有施工开挖工作面稳定性好，施工较安全，但施工干扰大、工效低等特点。

分部开挖法双侧壁导坑法：适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩双线或多线隧道掘进。

分部开挖法双侧壁导坑法：先开挖隧道两侧导坑，并及时施作导坑四周初期支护，再根据地质条件、断面大小，对剩余部分断面进行一次或两次开挖。双侧壁导坑具有控制地表沉陷好，施工安全等优点，但进度慢，成本高。适用于断面跨度大，地表沉降要求严格，围岩条件特别差的隧道。

分部开挖法中洞法：适用于双连拱隧道；采用先开挖中洞并支护，在中洞内施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施工方法。

分部开挖法中洞法：中洞法开挖高度应大于中墙高度1m，开挖宽度应大于5m；中东开挖超前长度根据隧道长度、宽度以及地质情况综合考虑，一般为50~80m，对长度200~300m的短隧道可先贯通中洞，然后再施工两侧侧洞。

分部开挖法中隔壁法（CD）：适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩浅埋的双线隧道。施工时，应沿一侧自上而下分为二或三部分进行，每开挖一部就及时支护，施作中隔壁；之后再开挖中隔墙的另一侧。

分部开挖法中隔壁法（CD）：各部开挖时，周边轮廓应尽量圆顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；后一侧开挖应及时形成全断面封闭；左右两侧纵向间距一般为30~50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形。

分部开挖法交叉中隔壁法（CRD）：适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩浅埋的双、多线隧道。采用自上而下分为二至三部分开挖中隔壁的一侧，及时支护并封闭临时仰拱，待完成1~2部后，即开始另一侧3~4部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。

分部开挖法预支护方法

前面介绍隧道开挖方法时，都假定开挖面和开挖后的坑道能够暂时稳定，但事实并非如此，特别是对软弱围岩。因此需要采取一些围岩预加固或预支护技术，控制和减少坑道开挖后周边收敛变形，防止隧道坍塌。

概述施工中常用的辅助稳定措施：稳定工作面：预留核心土挡护开挖面、喷射混凝土封闭工作面；超前锚杆；管棚超前支护前方围岩：小导管、大管棚

概述施工中常用的辅助稳定措施：水平旋喷超前预支护；预切槽超前预支护；注浆加固围岩和堵水：超前小导管注浆、超前深孔帷幕注浆

概述

超前锚杆是指沿开挖轮廓线，以一定的外插角，向开挖面前方钻孔安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。

超前锚杆

性能特点及适用条件：柔性较大，整体刚度较小；它主要适用于地下水较少的破碎、软弱围岩隧道工程；如裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋无显著偏压的隧道；采用风枪、凿岩机或专用的锚杆台车钻孔，锚固剂或砂浆锚固，其工艺简单、工效高。

超前锚杆

设计、施工要点：超前长度为循环进尺的3～5倍，环向间距0.3～1.0m；外插角10°～30°；搭接长度为超前长度的40％～60％左右；宜用早强砂浆全黏结式锚杆，锚杆材料可用不小于直径22mm的螺纹钢筋；安装孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1°～2°，锚入长度不小于设计长度的96％。

超前锚杆

设计、施工要点：开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点，其尾端应尽可能多的与系统锚杆及钢筋网焊连；开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。开挖过程中密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况。

超前锚杆

管棚是利用钢拱架沿开挖轮廓线以较小的外插角、向开挖面前方打入钢管构成的棚架来形成对开挖面前方围岩的预支护。长度小于10m的叫短管棚，10～45m之间且较粗的钢管叫长管棚。

管棚

性能特点及适用条件：管棚采用钢管或钢插板作纵向预支撑，又采用钢拱架作环向支撑，其整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期的围岩压力。管棚主要适用于围岩压力来的快来的大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱、破碎围岩隧道工程中。

管棚

设计、施工要点：长管棚长度一般为10～45m；管径70～180mm；孔径比管径大20~30mm，环向间距0.2～0.8m，外插角1°～2°；两组管棚间的纵向搭接长度不小于1.5m；第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向插入；要打一眼，装一管，由上而下顺序安装；

管棚

设计、施工要点：长钢管应用4～6m的管节逐段接长，打入一节，再连接后一节，连接头应采用厚壁管箍，上满丝扣，丝扣长度不应小于15cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开；当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻10～15mm孔若干，以利排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。

管棚

超前注浆小导管是在开挖前，沿坑道周边，向前方围岩钻孔并安装带孔小导管，或直接打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈；在此加固圈的保护下即可安全进行开挖等作业。

超前注浆小导管

超前注浆小导管性能特点及适用条件：浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩块或颗粒胶结为整体起到了加固作用，而且堵塞了裂隙，阻隔了地下水渗流的通道，起到了堵水作用。超前注浆小导管不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于含水的软弱破碎围岩。

超前注浆小导管小导管布置和安装：小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道