公路隧道施工工艺和施工方法

公路隧道施工工艺和施工方法第一部分隧道施工方法主要有：隧道工程钻爆法；隧道工程盾构法；隧道工程掘进机法以及隧道衬砌；开挖方法分为明挖法和暗挖法；按开挖断面大小、位置分，有分部开挖法和全断面开挖法等等。1、隧道施工方法：开挖方法分为明挖法和暗挖法。明挖法多用于浅埋隧道或城市铁路隧道，而山岭铁路隧道多用暗挖法。按开挖断面大小、位置分，有分部开挖法和全断面开挖法。在石质岩层中采用钻爆法最为广泛，采用掘进机直接开挖也逐渐推广。在松软地质中采用盾构法开挖较多。2、隧道工程钻爆法在隧道岩面上钻眼，并装填炸药爆破，用全断面开挖或分部开挖等将隧道开挖成型的施工方法。钻爆法开挖作业程序包括测量、钻孔、装药、爆破、通风、出碴、锚杆、立架、挂网、喷锚等工序。钻爆法开挖采用的方法有全断面开挖法和分部开挖法。3、隧道工程盾构法采用盾构作为施工机具的隧道施工方法[2]。1825年在伦敦泰晤士河水下隧道首先试用盾构，并获得成功。此后，松软地质多采用盾构法开挖。盾构是一种圆形钢结构开挖机械，其前端为切口环，中间为支撑环，后端为盾尾。开挖时，切口环首先切入地层并能掩护工人安全地工作;支撑环是承受荷载的主要部分,其中安设多台推进盾构的千斤顶及其他机械；盾尾随着上述两部分前进，保护工人安装铸铁管片或钢筋混凝土管片。盾构法适用于松软地层，施工安全，对地层扰动少，控制围岩周边准确，极少超挖。日本丹那铁路隧道曾采用盾构法施工。4、隧道工程掘进机法在整个隧道断面上，用连续掘进的联动机施工的方法。早在19世纪50年代初，美国胡萨克隧道就试用过掘进机，但未成功。直到20世纪50年代以后才逐渐发展起来。掘进机是一种用强力切割地层的圆形钢结构机械，有多种类型。普通型的掘进机的前端是一个金属圆盘，以强大的旋转和推进力驱动旋转，圆盘上装有数十把特制刀具，切割地层，圆盘周边装有若干铲斗将切割的碎石倾入皮带运输机，自后部运出。机身中部有数对可伸缩的支撑机构，当刀具切割地层时，它先外伸撑紧在周围岩壁上，以平衡强大的扭矩和推力。掘进机法的优点是对围岩扰动少,控制断面准确，无超挖,速度快，操作人员少。5、隧道衬砌隧道开挖后，为使围岩稳定，确保运营安全，需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构，这种隧道支护结构称为隧道衬砌。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单喷混凝土、复合式衬砌。复合式衬砌是在喷锚或单喷支护之后，再就地灌注一层混凝土，形成喷锚支护同混凝土衬砌结合的复合式衬砌结构。如遇有水地段可在两层支护间加挂一层塑料板或做其他防水层。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道；为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道。这三类隧道中修建最多的是山岭隧道。第二部分1、隧道全断面开挖方法所谓全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的隧道施工方法。方法适用条件：（1）I～IV级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。（2）配有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。（3）隧道施工长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。全断面开挖法：隧道机械化施工，有三条主要作业线：1、隧道开挖作业线：钻孔台车、装药台车、装载机配合自卸汽车（无轨运输）、装渣机配合矿车及电瓶车或内燃机车（有轨运输）。2、隧道锚喷作业线：混凝土喷射机、混凝土喷射机械手、锚喷作业平台、进料运输设备及锚杆灌浆设备。3、隧道模筑衬砌作业线：混凝土拌和机具、混凝土输送车及输送泵、防水层作业平台、衬砌钢模台车。全断面法有如下施工特点：（1）开挖断面与作业空间大、干扰小；（2）有条件充分使用机械，减少人力；（3）工序少，便于施工组织与管理，改善劳动条件；（4）开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。2、隧道台阶法施工所谓台阶法是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法；按台阶长短有长台阶、短台阶和超短台阶三种。近年由于大断面隧道的设计，又有三台阶临时仰拱法，甚至多台阶法。至于在施工过程中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：（1）初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短。（2）上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。在施工软弱围岩中应以前一条为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要是考虑如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。隧道台阶开挖法的优缺点：隧道台阶开挖法可以有足够的工作空间和相当的施工速度。但是上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定。尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但应注意下部作业时对上部稳定性的影响。台阶开挖时应注意以下几点：（1）要解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。微台阶基本上是合为—个工作面进行同步掘进；长台阶基本上拉开，干扰较小；而短台阶干扰就较大，要注意作业组织。对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工。（2）在下部开挖时，应注意上部的稳定。若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖；若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺；若稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。（3）在下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。（4）施工量测工作必须及时，以观察拱顶，拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大立即进行仰拱封闭。3、隧道环形开挖留核心土法施工隧道环形开挖留核心土法应注意以下几点：（1）环形开挖进尺宜为0.5-1.0m之间，核心土面积应不小于整个断面面积的50%。（2）开挖后应及时施工喷锚支护、安装钢架支撑，相邻钢架必须用钢筋连接，并应按施工要求设计施工锁角锚杆。（3）围岩地质条件差，自稳时间短时，开挖前应按设计要求进行超前支护。（4）核心土与下台阶开挖应再上台阶支护完成后、喷射混凝土达到设计强度的70%以上。4、隧道中隔壁开挖法（CD法）隧道开挖CD法是在软弱围岩大跨度隧道中，首先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法，主要应用于双线隧道Ⅳ级围岩深埋硬质岩地段以及老黄土隧道（Ⅳ级围岩）地段。5、隧道交叉中隔壁法（CRD方法）隧道交叉中隔壁法是在软弱围岩大跨隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工；然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁，最后开挖剩余部分的施工方法。采用短台阶法难确保掌子面的稳定时，宜采用分部尺寸小的CRD法，该工法对控制变形是比较有利的。CD开挖法是“CenterDiaphragm”的简称，而CRD开挖法则是“CrossDiaphragm”的简称。两者既有联系又有区别。它们都用于比较软弱地层中而且是大断面隧道的场合。而前者是在用钢支撑和喷混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法；后者则是用隔壁和仰拱把断面上下、左右分割闭合进行开挖的方法，是在地质条件要求分部断面及时封闭的条件下采用的方法。因此，CRD法与CD法唯一的区别是在施工过程中每一步，都要求用临时仰拱封闭断面。在CRD法或CD法中，一个关键问题是拆除中壁。一般来说，中壁拆除时期应在全断面闭合后，各断面的位移充分稳定后，才能拆除。6、隧道双侧壁导坑开挖法隧道双侧壁导坑法一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑、上部核心土和下台阶。其原理是利用两个中隔壁把整个隧道大断面分成左中右3个小断面施工，左、右导洞先行，中间断面紧跟其后；初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，形成全断面。两侧导洞皆为倒鹅蛋形，有利于控制拱顶下沉。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。该方法主要适用于粘性土层、砂层、砂卵层等地层。双侧壁导坑法施工作业顺序为：（1）开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。（2）相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。（3）开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。（4）开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合。（5）拆除导坑临空部分的初次支护。（6）建造内层衬砌。双侧壁导坑法施工