隧道工程第六章隧道施工方法(2)

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1、6,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG,第六章 隧道施工方法, 6.1 隧道施工方法概述, 6.2 主要开挖方法, 6.3 新奥法的基本概念, 6.4 岩土控制变形分析工法简介, 6.5 隧道洞口施工, 6.1 隧道施工方法概述,一、 隧道施工基本概念,1.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。 2.隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道施工安全和长期地安全使用。,3.隧道施工方法分类：, 矿山法：因最早应用于矿石开采而得名，它包括传统方法和新奥

2、法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。 掘进机法：包括隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简写为TBM）法和盾构掘进机法。沉管法、顶进法、明挖法：是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。,明挖法,顶管法,沉管法施工技术：沉埋管段法；悬浮管段法。,西康铁路秦岭隧道线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。,2007年7月26日，在南京地铁二号线汉中门工地，工人们在顺利出洞的盾构机旁挥舞旗帜。,隧道施工工法的对

3、比,4、施工方法选择需要考虑的因素 工程的重要性一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；地质和水文条件 包括围岩级别、地下水及不良地质现象等；围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用； 施工技术条件和机械装备状况实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。, 施工中动力和原材料供应情况； 隧道横断的形状和尺寸 隧道的埋深：隧道的埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，在同样的地质条件下，由于埋深不同，施工方法也有很大差异。 工期：工期决定了在均衡生产的条件下，对应配备的开挖、运输等综

4、合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。工程投资与运营后的社会效益和经济效益； 有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。,应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，将以采用新奥法为主，这也符合世界潮流。,5、隧道施工技术隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施（如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施）、隧道穿越特殊地质地段时（如膨胀土、黄土、溶

5、洞、塌方、流沙、高地温、岩爆、瓦斯地层等）的施工手段、隧道施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的量测监控方法。,6、隧道施工管理隧道施工管理是以按期完成合同为目的，研究隧道施工管理体系的建立、运行和改进，以及过程的计划（plan）、实施（do）、检查（check）、改进（action）（PDCA循环，又称质量环，是管理学中的通用模型）的方法和程序。 按照管理的对象可以将隧道施工管理分为：人事管理、材料管理、机械管理、技术管理、质量管理、经济管理、安全管理等方面。,二、山岭隧道常规施工方法,又称矿山法，因最早应用于矿石开采而得名，由于在这种方法中，多数情况下

6、都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。 习惯上将采用钻爆开挖加钢木支撑的施工方法称为“传统的矿山法”，采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称为“矿山法”或“钻爆法”。 1.传统的矿山法 它是凿眼爆破、以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式衬砌作为永久性支护的施工方法。,木构件支撑耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有所扰动，因此，目前已很少采用。 钢构件支撑强度高、刚度大和对坑道形状的适应性好等优点，采用较多但也存在撤换时不完全，若不撤换时成本

7、高，以及与围岩非面接触支撑的缺点。 钢木构件支撑类似于地上的“荷载结构”力学体系。维持坑道稳定很直观和奏效，也容易被施工人员理解和掌握。常被应用于不便采用锚喷支护的现代隧道中或处埋坍方等。 2矿山法 隧道是围岩和支护组成的体系，应充分保护围岩，发挥其自身的承载能力，维护其稳定性；只有充分掌握隧道的围岩条件，才能有合理的隧道设计与施工。,施工手段由人力、小型机械化、半机械化到机械化施工。人力施工指锤、钎、镐、纯人工作业方式；小型机械化系指风动凿岩机钻眼、人力或小型装渣机装渣、人力或电瓶车牵引、小矿车运输、人力或机械搅拌混凝土、人力灌注衬砌的施工模式；半机械化施工系指采用气腿式风动凿岩机或凿岩台车

8、钻眼、轨行铲斗式装渣机装渣、矿车有轨运输或汽车无轨运输等，其主要特点是机械设备配套；机械化施工系指采用以台车钻眼、挖装运机械化作业、喷锚支护机械化作业、混凝土衬砌机械化作业、注浆机械化作业等为特征的施工模式。 施工技术上更加重视施工地质调查工作，超前地质预报的技术更加丰富和有效，光面控制爆破技术获得了广泛应用。喷锚支护技术已成为隧道施工支护的基本方式，实现了在硬岩、软弱破碎围岩、松散砂土等各类围岩中的良好喷锚支护。,在材料方面如ZM型系列早强砂浆锚杆、ZP型早强喷射混凝土新材料，纤维喷射混凝土降低喷射混凝土回弹和粉尘的混凝土增黏剂等；在工艺方面干喷、湿喷混凝土都获得了成功应用。在软弱破碎围岩中

9、，形成了超前支护技术、地层预加固技术，以及多分部和各分部支护及时封闭技术等，这对现代矿山法的技术进步十分重要。, 6.2 新奥法, 6.2.1 新奥法名称由来与产生的历史背景,新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法，即New Austrian Tunneling Method，缩写为NATM，是由奥地利学者L.V.Rabcewiez、L.Muller等教授创建于上世纪五十年代，在1963年正式命名为新奥地利隧道工程方法。它的产生是基于以下背景：,(1) 锚杆支护在20世纪初出现,(2) 喷射混凝土机在20世纪40年代末研制成功,(3) 岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据, 6.2.2 新奥法

10、的基本概念,核心内容是充分发挥围岩的自承能力。,对新奥法的误解,新奥法,以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为开挖方法；,以喷锚作为主要支护手段；,通过监测控制围岩变形，动态修正设计参数和变动施工方法。,把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法,误以为采用了锚喷支护就是新奥法,对施工监控量测不够重视,对新奥法正确认识,新奥法是修建隧道一种基本理论，是包含设计与施工内容的隧道工程新概念。,新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、控制围岩变形、实现发挥围者自承能力的目的。,只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形动态，做到控制变形。,锚杆、喷射混凝土和施工量测是新奥法的三大要素。, 6.2.3 新奥法施工的

11、要点,1) 在隧道的整个支护体系中，围岩是承载结构的一部分，施工中要合理利用围岩的自承能力，保持围岩的稳定；,2) 隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度。,3) 允许围岩有一定的变形，初期支护应尽量做成柔性的，以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载，充分围岩的自身承载作用。,4) 洞室开挖后及时施作初期支护，封闭围岩表面，抑制围岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌，但遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟。,5) 隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件，因此,要尽可能使结构做得圆顺(如做成圆形或椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同

12、时,尽早使衬砌结构闭合(封底)，以形成承载环；,6) 对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可少的一个重要环节，从现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。,7) 对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵措施”予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防水层等。, 6.2.4 新奥法施工方法,1. 全断面法,全断面法全称为“全断面一次开挖法”，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法，即一次钻孔，一次爆破成型、一次初期支护到位，如图6-3所示。,全断面法常适用于III级硬岩的石质隧道，可采用深孔爆破施工。IV 级满足从开挖到初支时间内自身稳定也可以采用。,开挖断面一次成型,三臂凿岩台车开挖,适用条

13、件 全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。根据经验，这个长度不应小于1km。,1-全断面开挖；2-锚喷支护；3-模筑混凝土,图6-3 全断面施工方法,优点：较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，工序少，干扰少，便于施工组织与管理，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，对围岩的震动次数较少，有利于围岩稳定。,缺点：是由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每,循环工作量相对较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。, 钻眼，装药、联接

14、导火线； 人机退出，引爆炸药，开挖出整个隧道断面； 排除危石（找顶）； 喷射拱圈混凝土，必要时安设拱部锚杆； 用装碴机将石碴装入运输车辆，运出洞外； 喷射边墙混凝土，必要时安设边墙锚杆； 根据需要可喷第二层混凝土和隧道底部混凝土； 开始下一轮循环； 通过量测判断围岩和初期支护的变形，待基本稳定后，施作二衬砌。,全断面施工工序,全断面开挖法工作面设备布置,机械化施工的关键 三条主要作业线：（1) 开挖作业线 钻孔台车、装药台车、大型装碴机与运载车 (2) 锚喷作业线 混凝土喷射机、喷射机械手、运输进料设施 (3) 模注混凝土衬砌作业线 混凝土拌合、混凝土输送、防水层作业、衬砌模板问题： 地质条件

15、变差时，大型机械怎么办？,1) 加强对开挖面前方的工程地质和水文地质的调查。,2) 各工序机械设备要配套。,3) 加强各种辅助施工方法的设计和施工检查。,4) 重视和加强对施工操作人员的技术培训 。,5) 在选择支护类型时，应优先考虑锚杆和喷射混凝土、挂网、拱架等支护型式。,全断面施工注意问题,2. 台阶法,是新奥法中适用性最广的施工方法，适用于双线隧道、级围岩，单线隧道级围岩亦可采用，但支护条件应予以加强。 它将断面分成分成上下两个断面或上中下三个断面分别进行开挖，如图6-4所示，随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层。根据台阶的长度，它有长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种方式。全断面

16、法与短台阶法相结合的方法是目前隧道施工方法发展的趋势。,适用条件：跨度较大，围岩较破碎的情况。 选择何种台阶法，取决于以下条件： 形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短，台阶必须缩短； 上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。效率高，则可以缩短支护闭合时间，台阶可适当加长。,1上半部开挖 2拱部喷锚支护 3下半部中央部开挖 4 边墙部开挖 5边墙部喷锚支护 6衬砌,图6-4 台阶施工方法,1) 长台阶法 如图6-5a，上、下开挖断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞宽。施工时，上、下部可配备同类机械进行平行作业。当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，习惯上又称为“半断面法”。,