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1、,隧道施工技术,长安大学 陈建勋 教授 Changan university Jian-xun CHEN, 隧道施工的基本原则和理念 隧道施工技术 隧道施工案例 日本隧道施工技术,大断面隧道施工技术, 隧道施工的基本原则和理念 大断面隧道施工技术 隧道施工案例 日本隧道施工技术,隧道施工技术,（一）隧道设计施工的两大理论及其发展过程,隧道及地下洞室工程，其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护：若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。,隧道施工的基本原则和理念,一、隧道施工的基
2、本原则,一种理论是二十世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。,隧道施工的基本原则和理念,另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论，或称“岩承理论”。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论
3、体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人。,隧道施工的基本原则和理念,这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。,隧道施工的基本原则和理念,由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理；而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点。收敛-约束法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。,隧道施工的基本原则和理念,（二）用一个弹簧来理解收敛-约束法的力学原理,1.隧道开挖前
4、力学状态,隧道施工的基本原则和理念,2.隧道开挖后力学状态,隧道施工的基本原则和理念,3由力学平衡方程可知，弹簧在P0作用时处于平衡状态；弹簧在发生变形u后，在PE的作用下又处于平衡状态，假设弹簧的弹性系数为K，则有：,P0=PE+Ku,隧道施工的基本原则和理念,4.对公式P0=PE+Ku的讨论 （1）当u=0时，P0=PE 即不允许围岩变形，采用刚性支护，不经济； （2）当u时，PE；当u时，PE 即围岩发生变形，可释放一定的荷载（卸荷作用），所以要允许围岩产生一定的变形，以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施，围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku； （3）当u=umax时，发生塌方，
5、产生松驰荷载，不安全。,隧道施工的基本原则和理念,5要点 （1）围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩（土）体，围岩是三位一体的即：产生荷载、承载结构、建筑材料。 （2）隧道是修筑在应力岩体中的，具有特殊的建筑环境，不能等同于地面建筑。 （3）隧道结构体系=围岩+支护体系。,隧道施工的基本原则和理念,6隧道设计施工的基本原则（要点） （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，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）或机械掘进。 （2）应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一
6、方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等,隧道施工的基本原则和理念,6隧道设计施工的基本原则（要点） （3）通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。即实施施工监控量测。 （4）为了防止隧道渗漏水，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌（初期支护防水层二次衬砌）。 （5）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。,隧道施工的
7、基本原则和理念,二、隧道施工的基本理念,隧道施工的基本理念：爱护围岩、内实外美、重视环境、动态施工。所谓爱护围岩：一层含义是不损伤或少损伤遗留围岩的固有支护能力，这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决；一层含义是通过各种手段和方法增强围岩的支护能力，如采用支护技术、加固或予加固技术以及各种辅助施工技术等。这些技术形成了隧道施工的核心技术。 所谓内实外美：关键是内实，而内实的关键就是要做到四密实，即：混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。,隧道施工的基本原则和理念,所谓重视环境：一层含义是指内部环境，即施工
8、作业环境；一层是对外部环境，即对周边环境的影响。重视环境是时代的要求，许多环境技术都是因时代的变迁而得到发展，许多基准都是因环境的要求而制定。所谓动态施工：是指隧道施工过程中地质条件是不断变化的，力学动态是不断变化的，因而采用的各种施工方法和技术也应该是不断变化的，来适应这种不断变化的过程。因此，隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理。,隧道施工的基本原则和理念,隧道施工技术, 隧道施工的基本原则和理念 隧道施工技术 隧道施工案例 日本隧道施工技术,隧道施工技术,公路隧道建设宽度分级,隧道施工：开挖和支护,核心问题： （1）如何开
9、挖，方能更有利于洞室的稳定和便于支护； （2）若需要支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。,隧道施工技术,一、隧道主要施工（开挖）方法,隧道施工技术,全断面开挖法,隧道施工技术,环形开挖预留核心土法,隧道施工技术,双侧壁导坑法,隧道施工技术,机械化施工,mechanized construction,隧道施工技术,（一）概述软弱围岩的自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是：如何提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。根据国内外的经验，基本方法是控制围岩的松弛、流失。原则是：稳定掌子面、及时闭合和加固地层。具体方法：1）稳定掌子面的方法：
10、正面喷混凝土和锚杆；超前支护；留核心土。2）及时闭合的方法：临时仰拱或底部横撑；加强基脚；向底部地层注浆加固；底部锚杆；改变施工方法。 3）加固地层：注浆加固；超前支护；地表面加固。,二、软弱围岩大断面隧道修建技术,隧道施工技术,（二）掌子面自稳性评价,日本根据近9000个掌子面的数据，其中典型的崩塌事例列于表。,隧道施工技术,掌子面崩塌现象:（1）在断层中，根据断层破碎程度可能产生小的崩塌，也可能出现很大规模的崩塌，可能出现一次，也可能出现多次。（2）在互层围岩中，崩塌一般多是小规模的。例如第三纪的砂岩页岩互层，可能由于少量的涌水使固结度低的砂岩层流出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因
11、砂岩的固结度、层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水水量、水压等而异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。 （3）在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时崩塌的规模会更大。,隧道施工技术,（4）在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大规模的崩塌。根据层理面的强度、涌水的状况，在几小时内就会产生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。（5）在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发生小规模的掉落。埋深对掌子面的自稳定性也有很大影响。浅埋与深埋相比，主要是浅埋难以形成承载拱。同时，在这种情况下多数会有地形偏压、表层软弱堆
12、积物、风化带等对隧道开挖有很大影响的特殊问题。,隧道施工技术,图1 埋深与隧道纵断面内的下沉 a)开挖上半断面（埋深小时）； b)开挖下半断面（埋深小时）； c)开挖上半断面（埋深大时）； d)开挖下半断面（埋深小时）。,图2 地表下沉,隧道施工技术,（三）稳定掌子面的方法,有代表性的稳定掌子面的工法的分类列于表1。,表1 稳定掌子面工法的分类,隧道施工技术,掌子面稳定性降低的原因，视围岩条件而异，在多数情况下，可考虑以下几点： 凝聚力不足而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）； 因地下水而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）； 因强度不足产生大变形而崩塌（膨胀性围岩）。此外，作为特殊情况，也有掌子面沿地
13、质结构面挤出的情况。根据功能不同，稳定掌子面的方法可分为以下几种： 支持围岩的（超前支护、短管棚等）； 改良围岩的（注浆等）； 发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）； 喷混凝土加强的等。,隧道施工技术,（四）控制地层松弛的加固方法稳定围岩和控制地表下沉的方法包括：（1）压注法以加固围岩、止水为目的而采用的工法。向砂质土压注易于获得较好的效果，在黏性土中的效果不好。为进行有效地压注，要采用与围岩性质相适应的药液和方法。（2）冻结法在山岭隧道中采用较少，但其加固围岩、止水的效果非常好，可靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结构物施工的场合是很合适的。缺点是从准备时间到发挥效果的时间很长。,隧道
14、施工技术,（3）垂直锚杆法是一种用锚杆从隧道上方加固地层的一种方法。一般从地表面钻 60125mm的钻孔，而后插入钢筋。其作用是：利用砂浆和周边围岩的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止洞口滑坡，施工实例较多。,隧道施工技术,（4）管棚法一般多在洞口施工时采用。根据使用的钢管直径分类，有小直径钢管管棚和中、大直径钢管的管棚。在埋深小的隧道，正上方有建筑物时，也可采用此法。最近，利用特殊的钻孔机械，边钻孔、边注浆，在土砂隧道中产生较好的效果。,隧道施工技术,（5）水平高压旋喷法在掌子面与隧道轴线平行，用特殊机械钻孔，同时向管体内高压喷射水泥浆液，形成5070cm的圆柱体的工法。材料3天的强度可达81
15、0MPa，改善围岩的效果很高。是改善掌子面自稳性和控制地表下沉的较好的方法。但施工设备多，系统庞大。,大断面隧道施工技术,（6）隔断墙法一般作为止水的辅助工法采用，但也有用于控制地表下沉的对策而采用的。它可以降低开挖引起的地表下沉及其向周围的传播。在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，用以隔断下沉向周围的波及。施工时要注意地表条件的影响。,（7）预衬砌法应该指出，控制围岩松弛和地表下沉的方法，许多是与止水方法相联系的，很难截然分开。为了说明的方便，一些方法将在地下水对策中加以说明。,隧道施工技术,隧道施工技术,（五）断面及时封闭在软弱围岩中，断面及时闭合是成功的关键，许多工程实践，都充分地证实了这一
16、点。我们在这方面的教训也是深刻的。在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的，在岩石隧道中，因围岩的结构作用，能“自封闭”；而在软弱、土砂围岩中，则必需改变“重视上部支护、忽视断面闭合”的做法。,隧道施工技术,图1 临时仰拱施工例,（1）临时仰拱在台阶法中，常常采用修筑临时仰拱的方法，如图。,隧道施工技术,（2）改变施工方法如将全断面法改为超短台阶法，或将CD法改为CRD法等，也可以大大缩短断面封闭时间。【例】CD法与CRD法日本望洋台隧道是长401m的2车道公路隧道。围岩是软弱的土砂，埋深很小，隧道进口位于滑坡地形，为了控制滑坡，采用了抗滑桩和集水井。开挖隧道时，为确保掌子面的稳定，采用了CRD法，同时进行了大范围的实地量测，一边确认隧道和周边围岩的稳定，一边进行控制变形和拆除中壁的作业，整个工程安全地建成图1。该隧道埋深最大为1.2D （D：隧道开挖宽度，约15m）。整个隧道以未固结的土砂为主。围岩的N 值在15左右，变形系数为70Pa左右。距隧道进口170m范围，显著地受滑坡影响。,
