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1、隧道施工技术讲义,中铁二十局沪昆客专（贵州段）指挥部 第三工程队 二O一三年三月,前 言,针对我们公司隧道项目较少，技术人员也较少人员参与过隧道施工的现实情况，本讲义的思路是先就隧道设计的基础理论做一些普及介绍，再按隧道施工的基本流程对一些实际施工的理论与操作、注意事项等做一些介绍。,一、隧道设计施工基础知识,隧道设计施工的分类： 分为两大类：掘进法和矿山法。 两大类施工设计理念的区别： 掘进法是以盾构或TBM在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。采取机械掘进将岩石粉碎取出，该方法对岩体自稳能力及岩体的整体性破坏较小，且掘时法可以适用于矿山法无法施工的地段，如海底隧道的施工。现一般超过六、七公里的
2、隧道用掘进法的慢慢在增多。 TBM和盾构机的区别： 1）TBM用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。 2）两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。 3）TBM比盾构技术更先进，更复杂。 4）工作的环境也不一样，TBM是硬岩掘进机，一般用在山岭隧道或大型引水工程，盾构是软土类掘进机，主要是城市地铁，及小型管道。,矿山法是采用爆破主方式将洞室岩石取出，对周边围岩自稳能力及稳定性破坏也较大。 矿山法又分传统矿山法和新奥法。 传统矿山法施工设计理念是周边所有的力都是直接作用于隧道上，不考虑隧道围岩（围岩是指隧道开挖洞室周边岩体，一般是考虑施工影响隧道周边3-4米范围）开挖过后是无初期支护的，直接采用木支撑或钢支
3、撑，拆除临时支撑后再进行衬砌，没有初期支护。 新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method。新奥法概念是由奥地利学者拉布西维兹教授二十世纪五十年代提出的。新奥法是以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射砼集合在一起作为主要支护手段，控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成锚杆、喷射砼和隧道围岩为三位一体的承载结构，共同承受荷载。,基本理论点： 1）岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，围岩软弱时，采取措施对围岩注浆加固。 2）为充分发挥岩体的承载能力，允许并控制岩体的变形
4、。开挖后断面的应力是最大的，而初支最初受力为零，随着位移的变化围岩应力慢慢变小，而初支刚由于位移的产生受力越来越大，这两个力在位移到一定程度后，达到了新的平衡，新奥法是允许沉降变形的，有沉降变形是正常的，但如果变形速率过大，或突变，则应警惕。 3）为改善支护结构受力性能，应尽快闭合，而成为封闭环。 4）加强施工中对围岩变形、压力 的观测，进行动态设计施工。 5）二次衬砌原则上在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下施工的，在围岩软弱段应较早施工，此时理论已不单纯的是新奥法施工。 6）在软弱围岩段要按照施工中严格按照设计要求，遵循新奥法施工原理，软弱地质洞身开挖应坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破
5、、强支护、勤量测、早衬砌”的原则，确保施工安全。,新奥法实际运用与理论不相符的地方： 1）设计支护参数一成不变，应该根据实际开挖揭示的围岩状况来进行不断调整； 2）、对二次衬砌的厚度设计不承载部分没必要做得太厚，在日本及欧洲国家一般采用35厘米，二衬里加钢筋只是起到抗震作用，对正常情况下起的作用很小； 3）、超前锚杆（管）注浆液注砂浆不利。因为在下一循环施工时前方还未凝固，宜采用快凝浆液，如水泥水玻璃浆液体等。这样才能在下一循环前固结前方松散围岩，超到超前支护的作用； 4）对拱架背后的超挖回填部分，从道理上来讲，是围岩级别较好时用开挖出来的岩石喷浆密填亦可，而设计规范要求用同级喷射砼来进行回填
6、。其实背后不能有空洞是因为防止冲击荷载，空洞岩石的垮落冲击力较大，可能对初支、二衬造成破坏，而只要填充密实，荷载可以有效传递至初支上；,5）我们的锚杆施工设计上全部设计为垂直于初支面进行施工，我认为这也是不科学的，应该垂直于岩层面施工才能达到最佳的效果； 6）仰拱并不是全部围岩都设，设仰拱的目的是为了将初衬封闭成环形，圆形受力效果是最佳的，最有利的，但是如果不封闭时监控量测能达到收敛及下沉稳定，施工仰拱就没有意义了。这时的隧道路面与外面的路基是没有任何区别的，只要回填压实达到要求即可了。而且隧道设计成圆形也是相同道理，为了增加开挖后围岩受力较好，这造成的后果是增大了开挖方量，在II、III级围
7、岩段采用直墙也能满足要求，在道理上是这样的，当然断面增加类别将增大投资是另外一回事。还有在仰拱段喷射砼，这样施工的喷射砼强度是比较低的，因为喷射过程中除通过高压风将喷射砼压密在一起的喷射砼料外，还有一部分是粘结不了的就会回弹，这部分料结合非常松弛，可以说我们仰拱的喷射砼的强度是远低于设计强度的。 以上只是个人的一些理解，不一定正确，仅供参考大家。,一些设计理念 隧道设计一般要早进洞，晚出洞，避免隧道边坡上一些危石影响运行，尽量减少对原地貌的破坏。 隧道的排水原来为“以排为主，排堵结合”，但实际操作中经常造成隧道山顶无水，现已改为“以堵为主，排堵结合”。,隧道施工方法,隧道常用施工方法： 全断面
8、法，上下台阶法、双侧壁导坑、CD法，CRD法等。 全断面法与上下台阶法较简单，一般围岩较好不立拱架的断面可采用全断面法，立拱架的我建议采用上下台阶法可提高工效。,三台阶七步法 洞身开挖采用短台阶七步开挖法施工，是指隧道整个断面开挖分三个台阶七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护,形成支护整体，尽量缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法，形成开挖及施作初期支护,混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系 。,双连拱隧道断面,左右线施工需注意的问题,一般左右线要错开30米左右，即一条隧道进去30米后，再进行第二条隧道的施工，地质比较差时最好将一条隧道施工后再
9、进行另外一条隧道的施工。,二、隧道施工主要工序,一座隧道的施工，进场之后要做好项目管理策划与变更策划，编制施工组织，按之实施。下面就简要按照这个顺序介绍一下。,进洞,首先施工洞顶及边坡排水沟，对洞口边坡按设计要求刷坡，按设计要求进行喷锚支护进行刷坡，对上部的危古进行处理，施工大管棚，在洞门边坡外侧密贴立一到两榀拱架，即使设计没有也要架设，与岩体用锚杆连接后喷锚锁口。如果洞口较软弱，不需要爆破，则明洞施工后再进行开挖，以防洞口滑坍失稳。洞门宜尽快施作，以保证形象。,开挖,采用人工手持凿岩机钻眼爆破开挖，一般一个台架允许14把左右YT-28风钻同时作业。 开挖效果的好坏跟眼位的实施与爆破的合理性有
10、直接关系，钻眼时除楔形掏槽眼是倾斜的外，其他的均应与隧道轴线平行，特别是周边眼要求尤为严格，并使各眼位的眼底在同一个竖直面上。 特殊要求地段，如靠近较高要求震速的建筑物等，可采用膨胀剂静态破碎。 开挖台架如下图：,隧道的开挖一般采用多臂凿岩台车或人工持钻开挖，但在中国人力资源较低廉，多采用人工持钻在作业台架上钻眼爆破。 钻眼分为三种，中间为掏槽眼，最外轮廓为周边眼，中间的部分为辅助眼，楔形掏槽眼一般用2米5以内的进尺，超过此进尺的一般采用直眼掏槽。 爆破一般采用乳化炸药，炮眼采用非电毫秒雷管，起爆雷管采用电雷管。爆破采用微差爆破，从掏槽眼往外一般用1、3、5、7、9、11、13、15段雷管起爆
11、，超爆顺序是段数越少越早起爆，但起爆时间差较小。一般IV级围岩如分上下断面，则上半断面单方炸药耗量为0.7Kg/M3,下半断面一般为0.4 Kg/M3,因为下台阶有临空面,故耗药量较少.光面爆破为周边眼间隔.装药,并配以导爆索.,因地质条件的多变性，要根据爆破效果不断进行调整爆破方案，包括炮眼间距及装药量。,掏槽眼主要分为楔形掏槽与直眼掏槽 图中所示为楔形掏槽,直眼掏槽的原理： 将炮孔分为两段，炮泥间隔，内侧装药，外侧不装药，分布在空孔周围，上下分段微差顺序起爆，使下分段药能充分利用上分段装药爆后岩体内的残余应力和新自由面，增强对岩石的破坏作用，改善岩石的效果，以获得较深的槽腔。,隧道开挖炮孔
12、布置图：,这是考虑进尺2米，一般是1米。以上的数据只是指导数据， 所有数据要根据实验不断调整。,爆破,微差爆破：我们用的爆破为微差爆破 又称毫秒爆破，就是利用毫秒雷管或其他毫秒延期引爆装置，实现装药按毫秒量级时间间隔顺序起爆的方法。 与同时起爆和秒差爆破比较有以下优点： 1）降震减害，爆破危害减小，震幅减小，冲击波强度 减小，飞石距离减小； 2）增强破碎能力，爆后块度更均匀； 3）爆炸威力增大，强度及能力明显提高。 预裂（光面）爆破： 预裂（光面）爆破的目的是沿设计轮廓线爆破后留下的围岩光滑平整，控制超欠挖，降低对周边围岩的干扰，充分利用围岩的自稳能力。 预裂爆破是先周边眼爆破，以便在设计轮廓
13、线处形成一条裂缝，随后再进行主爆破，爆破的顺序是：周边眼掏槽眼辅助眼底板眼。 光面爆破：沿设计轮廓打一排小间距眼（眼孔位小些更好），小药量装药。 光面爆破的分区起爆顺序：掏槽眼辅助眼周边眼底板眼。辅助眼则应由里向外逐层起爆。,装药结构,装药量的计算,炮孔装药量： 掏槽孔 Q=*L*r 式中：-炮孔装药系数，取0.9; L-孔深,一般LIII=3.2米, LIV=2.2米LV=1.3米 r-每米长度炸药量,r=0.78kg/m 经验值: QIII=2.24kg, QIV=1.54kg, QV=1.1kg 辅助孔 QIII=*L*r=0.8*3.1*0.78=1.93 取1.9kg QIV=*L*
14、r=0.8*2.1*0.78=1.31 取1.3kg QV=*L*r=0.8*1.3*0.78=0.81 取0.8kg 周边孔 通常周边眼装药量为辅助孔的1/3-Q/4。,隧道爆破的安全距离,隧道爆破时，个别飞石对人员安全距离设定为150m，巷道内对设备安全距离设定为100m(指非机动设备)。当然有条件离得越远越好。,初期支护：,初期支护包含超前管棚（锚杆）支护、钢筋网、锚杆、拱架、喷射砼。,拱架的加工与安装,工字钢拱架的分节要与弧度相对应，因为冷弯机一次只能加工一个弧度。拱架的加工要预试拼，保证连接板的角度正确性，加工节数以方便施工的重量为宜。 拱架要保证垂直，同时要直线段每10米打一个十字
15、线，曲线每5米打一个十字线，保证左右两侧同步。 拱架要与锚杆焊接，只靠锁脚锚杆不能保证拱架的稳定性，锁脚锚杆与拱架连接宜加U形卡。拱架应落在硬底上，否则加设砼垫块。 规范要求拱架与围岩间的空隙应间断用砼块塞实，将围岩受力直接传递至拱架上。,喷射砼,喷射砼：利用压缩空气把一定配合比的砼料由管道喷嘴以高速高压喷出，在受喷面形成砼层。增长快，强度增长快，密实性好，施工准备简单，适用性强。分为干喷、湿喷两种。 干喷：预拌干料或潮料，建议砂石料有一定含水量，以用手攥住成团在手内不松散，自由落至地上散开为宜。正常回弹量约一般30%。 所用砂：宜用粗砂，砂过细则干缩量大，增加回弹量。但回弹量较大，劳动条件差
16、，粉尘较大。 所用米石：5-20的米石为宜。所拌喷浆料含水量以用手攥住手内成团，自然丢落散开为宜。 外加剂：速凝剂、增粘剂等，一般只用速凝剂。 湿喷：预拌砼，在通过湿喷机时加液体速凝剂，该施工方法不太成熟，虽然施工环境好，但回弹量较大。,喷射施工应由下向上，先墙后拱施工。开挖面找顶后考虑到安全应初喷一层厚约5cm厚砼。 喷射时先送风，后开机，先对岩壁喷水湿润，再给料，结束时先停料，再停风、水。风压控制在0.45-0.7Mpa。作业完成后，及时清理喷浆机内余料。喷射手与受喷面距离为.6米-1米，根据喷射砼回弹情况不断调整。终凝后洒水养护7天。 检验要求：喷射击队砼的平均厚度大于设计厚度，检查点数的60%以上大于设计厚度，最小不小于设计厚度的1/2。 在对喷射砼强度要求高时，掺加钢纤维，可大大提高强度。 喷射砼时在分步或台阶法开挖时，如果还要接拱架，则用砂堆住拱脚，以避免接腿时凿除喷射砼。,锚杆,锚杆的作用： 1）悬吊作用：锚杆将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落。 减跨作用：在隧道顶层岩层中打入锚杆，
