暗挖法隧道施工工艺及施工方法

暗挖法隧道施工工艺及施工方法一、暗挖法隧道施工基本原则与核心控制要点暗挖法，尤其是浅埋暗挖法，是在距离地表较近的地下进行隧道开挖的一种施工方法。与明挖法相比，它不破坏地表植被和建筑物；与盾构法相比，它具有灵活多变、对地质适应性较强、成本相对较低等优点。然而，暗挖法施工风险高，对地表沉降控制要求极为严格。因此，在施工过程中必须严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。“管超前”是指在开挖前，通过超前小导管、超前管棚或超前锚杆等支护手段，对掌子面前方的围岩进行预加固，形成保护圈，防止开挖时发生坍塌。“严注浆”是指通过注浆填充围岩裂隙，加固松散体，将松散的颗粒胶结成整体，提高地层的自承能力，同时起到防水作用。“短开挖”是指严格控制每一次开挖的进尺，减少对围岩的扰动次数和时间，通常采用循环进尺控制在0.5m至1.5m之间，视围岩级别而定。“强支护”是指初期支护必须具备足够的强度和刚度，能够承受开挖后的松动压力和变形压力，通常采用喷射混凝土、钢架、钢筋网和锚杆联合支护。“快封闭”是指初期支护必须尽早封闭成环，形成封闭的受力结构，只有在封闭成环后，支护结构的承载力才能充分发挥，有效控制沉降。“勤量测”则是施工的“眼睛”，通过监控量测数据及时反馈围岩和支护的变形情况，指导施工参数的调整和优化，确保施工安全。二、超前支护与地层加固施工工艺超前支护是暗挖法施工的第一道工序，也是确保施工安全的关键环节。根据地质条件和断面大小，常用的超前支护方法包括超前小导管注浆、超前大管棚、水平旋喷桩、深孔注浆以及超前锚杆等。1.超前小导管注浆施工超前小导管一般采用直径32mm至50mm的无缝钢管制作，前端做成尖锥状，管壁四周钻有8mm至10mm的注浆孔，梅花形布置。小导管通常布置在拱部120度至150度范围内，外插角控制在10度至15度之间，环向间距根据地质情况一般为30cm至50cm，纵向搭接长度不小于1.0m。施工时，采用风钻或凿岩机直接顶入土层。如遇困难，可预先钻孔再顶入。注浆材料根据地层渗透性选择，对于砂卵石地层，常采用改性水玻璃浆液或水泥-水玻璃双液浆，以控制扩散范围并达到快速凝固的效果；对于粉细砂层，宜采用超细水泥-水玻璃浆液或化学浆液；对于黏性土层，可采用水泥浆。注浆压力控制在0.5MPa至1.0MPa之间，注浆顺序应遵循由下往上、由少水处向多水处、隔孔跳注的原则，以防止浆液被地下水稀释或流失。2.超前大管棚施工工艺超前大管棚适用于通过断层破碎带、浅埋段或地表有建筑物需要严格控制沉降的地段。管棚通常采用直径80mm至180mm的热轧无缝钢管，长度一般为10m至40m，甚至更长，需根据地质和设备能力确定。管棚环向间距一般为30cm至50cm，外插角控制在1度至3度以内。管棚施工通常采用导向跟管钻进工艺。首先，在工作面处施作混凝土导向墙（套拱），预埋好孔口管，精确控制孔位和方向。然后，使用水平定向钻机进行钻孔，同时将钢管顶入钻进。对于长管棚，通常采用分段连接顶入，丝扣连接长度不小于10cm。管棚安装完成后，进行注浆加固。注浆浆液通常采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.5MPa至2.0MPa。管棚的主要作用是形成梁效应，分担上部荷载，保护下部开挖。3.水平旋喷桩与深孔注浆在富水砂层或软弱地层中，当小导管和管棚难以满足止水和加固要求时，采用水平旋喷桩或深孔注浆。水平旋喷桩是利用高压旋喷钻机，在水平方向进行高压喷射注浆，形成桩柱体，相互搭接形成拱棚或帷幕，具有很好的止水和加固效果。施工时需严格控制钻杆提升速度、旋转速度和注浆压力，确保桩体直径和搭接质量。深孔注浆则是通过长距离钻孔，进行高压注浆，填充地层深部裂隙，形成致密的加固体。三、隧道开挖方法选择与施工步序暗挖法的开挖方法繁多，选择何种方法主要取决于地质条件、隧道断面大小、覆盖层厚度及环境要求。核心原则是“少扰动、快封闭”。1.全断面法全断面法适用于围岩级别为I级、II级及部分III级，且断面跨度较小的隧道。该方法是将隧道整个断面一次开挖成型，施工速度快，机械化程度高。施工时，利用钻孔台车进行全断面钻孔，光面爆破或机械开挖，出渣后立即施作初期支护。对于稳定性较好的围岩，可滞后一定距离进行二次衬砌。全断面法的关键在于光面爆破的控制，以减少对围岩的扰动。2.台阶法台阶法是应用最广泛的方法，适用于III级、IV级围岩。根据台阶长度，可分为长台阶、短台阶和微台阶。长台阶法：上下台阶距离较长，一般为50m以上，甚至超过100m，上下断面可平行作业，干扰小，适用于地质条件较好、断面较大的隧道。短台阶法：上下台阶距离一般为1倍至1.5倍洞径，约5m至10m，这种方法能保证上台阶开挖后及时封闭支护，稳定性较好。微台阶法（台阶预留核心土法）：这是浅埋暗挖中最常用的方法，特别适用于IV级、V级围岩。上台阶弧形导坑高度一般为0.7倍至0.8倍洞宽，预留核心土长度为3m至5m，下台阶长度根据地质情况确定。施工步序：1.施作超前支护。2.开挖上台阶弧形导坑，保留核心土。3.施作上台阶初期支护（拱部喷射混凝土、架立钢架、挂网、打锚杆）。4.开挖下台阶，左右错开进行，错开距离一般为2m至3m，避免同一断面悬空过大。5.施作下台阶初期支护（边墙、仰拱）。6.拆除临时支护（如有），根据变形情况施作二次衬砌。3.单侧壁导坑法（CD法）单侧壁导坑法适用于断面跨度大、地表沉降控制要求严格的IV级、V级围岩。该方法将隧道断面分为左右两部分，先开挖一侧导坑，施作中隔壁墙，再开挖另一侧。施工步序：1.先行导坑（左侧或右侧）超前支护及开挖。2.施作先行导坑周边初期支护及中隔壁临时支护。3.后行导坑超前支护及开挖。4.施作后行导坑周边初期支护。5.在围岩变形稳定后，拆除中隔壁。6.施作仰拱及二次衬砌。该方法利用中隔壁承受垂直荷载，有效减小了开挖跨度，控制了地表沉降。4.双侧壁导坑法（眼镜工法）双侧壁导坑法适用于跨度很大（如双线隧道、三线隧道）、地质极差（如V级、VI级围岩）、地表沉降控制要求极高（如下穿建筑物、铁路、公路）的地段。该方法将隧道断面分为左、中、右三个部分，左右两侧导坑先行，中间滞后。施工步序：1.施作左侧导坑超前支护，开挖左侧导坑。2.施作左侧导坑初期支护及临时中隔壁墙。3.施作右侧导坑超前支护，开挖右侧导坑（滞后左侧一定距离，如3m至5m）。4.施作右侧导坑初期支护及临时中隔壁墙。5.施作中部拱部超前支护，开挖中部上台阶。6.施作中部拱部初期支护，与左右侧初期支护连接。7.开挖中部下台阶（左右错开）。8.施作中部仰拱初期支护，使初期支护封闭成环。9.根据量测数据，分段拆除临时中隔壁。10.施作仰拱及二次衬砌。该方法虽然工序繁琐，造价较高，但安全性最好，能有效将大跨度化为小跨度，控制变形。5.交叉中隔壁法（CRD法）CRD法是CD法的改进，适用于软弱地层的大跨度隧道。与CD法不同的是，CRD法在每一步开挖中都设置了临时仰拱，使支护结构尽早封闭成环，不仅控制了竖向变形，也有效控制了水平收敛。施工步序：1.左上导坑超前支护、开挖、初期支护及临时中隔壁、临时仰拱。2.右上导坑超前支护、开挖、初期支护及临时中隔壁、临时仰拱。3.左下导坑开挖、初期支护及临时中隔壁。4.右下导坑开挖、初期支护及临时中隔壁，使整个断面初期支护封闭。5.拆除临时支护，施作二次衬砌。四、钻爆施工工艺与控制技术在岩石地层中，钻爆法是暗挖法的主要手段。为了保护围岩的自承能力，必须采用光面爆破或预裂爆破技术，严格控制炸药用量和爆破震动。1.钻爆设计钻爆设计应根据围岩地质条件、开挖断面大小、循环进尺要求进行。设计内容包括炮孔布置（掏槽孔、辅助孔、周边孔）、装药量计算、起爆网络设计等。掏槽孔：通常采用楔形掏槽或直眼掏槽，布置在断面中部，为后续爆破创造临空面。掏槽效果直接影响着整个爆破循环的成败。周边孔：沿隧道开挖轮廓线布置，是光面爆破的关键。周边孔的间距（E）和最小抵抗线（W）是重要参数，一般取E/W=0.8左右。周边孔应采用不耦合装药，采用低爆速、低密度的专用光爆炸药或间隔装药结构，使爆炸能量均匀作用在孔壁上，减少对围岩的破坏，形成光滑的开挖轮廓。辅助孔：位于掏槽孔和周边孔之间，用于扩大掏槽体积，并为周边孔爆破创造条件。2.爆破参数控制装药量：根据岩石坚固性系数f值和断面大小计算，严格控制周边孔线装药密度，通常在0.15kg/m至0.35kg/m之间。起爆顺序：采用毫秒雷管微差起爆，顺序为：掏槽孔→辅助孔→周边孔（底板孔）。合理的微差时间（一般为50ms至100ms）可以使先期爆破的岩石抛离，为后续爆破创造新的临空面，同时减少震动波的叠加。震动监测：在爆破施工中，必须进行爆破震动速度监测，特别是邻近建筑物时。监测数据应反馈给爆破设计，及时调整装药量和最大一段起爆药量，确保震动速度控制在安全允许范围内（通常要求小于2cm/s至5cm/s）。五、初期支护施工工艺与技术要求初期支护是暗挖隧道施工中的永久性受力结构的一部分，也是施工期间的安全保障。它由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架组成。1.喷射混凝土施工喷射混凝土分为干喷和湿喷。目前规范及环保要求主要推广湿喷工艺。材料准备：选用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，细度模数大于2.5的中粗砂，粒径5mm至10mm的连续级配碎石。速凝剂必须经过试验确定最佳掺量，初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。施工工艺：采用湿喷机，将按设计配比拌合好的混凝土送入喷头，在喷头处添加液态速凝剂，借助高压风喷射到岩面上。喷射作业应分段、分片、分层进行，分段长度不宜大于6m。喷射顺序应先墙后拱，自下而上呈螺旋状轨迹移动，一圈压半圈。喷射混凝土厚度应达到设计厚度，表面平整度应符合规范要求（D/L≤1/10）。回弹控制：通过控制风压（0.1MPa至0.15MPa）、水压、喷射距离（0.8m至1.2m）和喷射角度，尽量减少回弹量，拱部回弹率应控制在25%以内，边墙控制在15%以内。养护：喷射混凝土终凝2小时后开始喷水养护，养护时间不少于7天。2.锚杆施工锚杆的作用是悬吊、组合梁、加固拱。常用类型有砂浆锚杆、中空注浆锚杆和自进式锚杆。砂浆锚杆：先钻孔，清孔后注入水泥砂浆（水灰比0.4:1至0.45:1），然后插入杆体，孔口垫板安装。注浆必须饱满，注浆管应插至孔底。中空注浆锚杆：适用于软弱破碎围岩，集钻进、注浆、锚固于一体。钻进完成后，通过锚杆中空孔进行高压注浆，浆液通过杆体溢出孔进入围岩裂隙，加固效果显著。安装质量：锚杆孔位偏差应小于150mm，孔深偏差不大于50mm。锚杆拉拔力试验必须达到设计要求，每300根至少抽检3根。3.钢架与钢筋网施工钢架：包括型钢钢架和格栅钢架。钢架应在加工厂冷弯制作，分段长度根据运输和安装方便确定，一般为2m至3m。安装时，钢架平面垂直于隧道中线，倾斜度不大于2度。钢架底部不得置于虚碴上，必须坐落在坚实的基岩上，否则应设置钢板或混凝土垫块。钢架之间必须用纵向钢筋连接，连接筋环向间距1m左右，形成整体受力结构。钢架与围岩之间的间隙必须用喷射混凝土充填密实，严禁留有空隙。钢筋网：一般在喷射第一层混凝土后铺设，随受喷面起伏铺设，并与锚杆或钢架连接牢固。搭接长度不小于1个网格（通常150mm至300mm）。六、二次衬砌施工工艺二次衬砌通常采用模筑混凝土，在初期支护变形基本稳定后施作。对于浅埋、大跨度或地质极差地段，为控制沉降，可紧跟初期支护施作。1.模板台车二次衬砌多采用液压整体式衬砌台车。台车应具有足够的强度、刚度和稳定性。模板表面应平滑，接缝严密，不漏浆。台车定位时，必须精确测量中线、水平和断面净空。台车轨道铺设应平直、稳固，枕木间距合理。2.混凝土浇筑与捣固浇筑顺序：采用由下向上、左右对称浇筑，两侧高差不得超过0.5m，防止台车偏压变形。先浇筑边墙基础，再浇筑边墙，最后浇筑拱部。封顶工艺：拱部封顶是关键环节，应采用输送泵压注，由内向两端依次封顶，必须保证拱顶混凝土饱满，严禁出现空洞。通常在拱顶预留注浆孔，后期进行回填注浆。捣固：采用插入式振捣器为主，附着式振捣器为辅。振捣器应快插慢拔，移动间距不大于振捣作用半径的1.5倍，振捣至混凝土表面呈现浮浆且不再沉落为止。严禁振捣器触碰模板、钢筋和预埋件。3.仰拱施工仰拱是隧道结构闭合的关键，应尽早施作，使支护尽早封闭成环。仰拱开挖应整幅施工，避免左右侧纵向拉槽。仰拱与填充应分开浇筑，且仰拱混凝土强度达到设计强度的70%后方可进行填充混凝土施工，车辆通行应设栈桥，避免扰动仰拱混凝土。七、监控量测与信息化施工监控量测是暗挖法施工中不可或缺的环节，是判断围岩稳定性和支护效果、确定二次衬砌施作时机的依据。1.必测项目必测项目包括洞内、外观察，周边位移，拱顶下沉，地表沉降。测点布置：地表沉降测点沿隧道中线及两侧布置，横向间距2m至5m，纵向间距根据埋深确定，一般为5m至10m。洞内周边位移和拱顶下沉测点，每个断面布置1条水平基线和2个拱顶测点，间距一般为10m至30m，地质变化处加密。量测频率：根据位移速度和距开挖面距离确定。位移速度大于5mm/d时，每天2次以上；1mm/d至5mm/d时，每天1次；0.2mm/d至1mm/d时，每2天1次。2.选测项目选测项目包括围岩内部位移、围岩压力、支护间压力、钢架受力、锚杆轴力、爆破震动等，根据地质条件和工程需要选择。3.数据处理与反馈量测数据应及时整理，绘制位移-时间曲线和位移-开挖面距离曲线。当位移-时间曲线出现反弯点（即位移速率急剧增加）时，表明围岩失稳，必须立即停止开挖，采取加强支护措施（如增设临时仰拱、注浆加固、加设锚杆等）。当变形速率明显下降并趋于平稳，且变形量已达总变形量的80%至90%以上时，可判定围岩基本稳定，可施作二次衬砌。八、防排水施工工艺隧道防排水遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。1.防水层施工初期支护表面应平整，无尖锐物，无渗漏水。铺设防水板（如EVA、ECB、PVC板）前，先铺设无纺布作为缓冲层，采用热熔垫圈固定，固定点间距拱部0.5m至0.8m，边墙0.8m至1.2m，呈梅花形布置。防水板采用双焊缝焊接，焊接宽度不小于10mm，且不得漏焊、假焊。焊缝应进行充气检测，压力0.25MPa保持15分钟压力下降不大于10%为合格。2.施工缝与变形缝处理施工缝是防水的薄弱环节，主要采用中埋式橡胶止水带和背贴式橡胶止水带双重防水。止水带安装应居中，固定牢固，不得跑偏。混凝土浇筑时，应防止止水带偏转。变形缝则需设置止水带和填缝板。3.排水系统在衬砌背后设置环向排水盲管（弹簧管或透水管）和纵向排水盲管，将地下水引排至隧道侧沟。环向盲管间距一般为5m至10m，富水段加密。纵向盲管通常采用HDPE打孔波纹管，坡度不小于1%。侧沟水通过横向排水管引入中心水沟，最终排出洞外。九、特殊地质地段施工技术措施1.穿越富水砂层富水砂层自稳能力极差，易发生流沙、突水。施工时必须采用“先注浆、后开挖”的原则。采用深孔注浆或水平旋喷桩形成止水帷幕。开挖时采用超前小导管补充注浆。支护采用刚度大的钢架，并及早封闭仰拱。如遇流沙，应立即封闭掌子面，采用注浆堵水，并增设降水井进行降水。2.穿越既有建筑物或管线在穿越既有构筑物时，必须严格控制地表沉降。采用刚度更大的双侧壁导坑法或CRD法施工。减小循环进尺，每循环0.5m左右。加强超前支护，采用长管棚或双排小导管。加强初期支护，缩短台阶长度，快速封闭。加强监控量测，实行24小时不间断监测，实行信息化施工。3.岩溶地段岩