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1、隧道施工和安全,中铁二十一局集团有限公司 2012年1月,引言,随着我国经济的发展，我国铁路、公路、地铁、水电站等隧道工程得到很大发展，除隧道的数量增加外，隧道的长度也大幅增加，隧道施工方法也多种多样。据不完全统计，截止到2010年底，我国建成的铁路隧道总长度已经接近8000公里，公路隧道总里程数超过3000公里，而目前，全国有轨道交通规划线路总长超过4000公里，其中需要建设隧道的线路占了相当大的比例，另外，包括西部大开发的铁路、公路隧道，地铁、地下公用设施、顶管机械及其它西气东输、水电站工程等，一年也有450公里的隧道建设量。我国到2020年前规划建设5000座隧道，长度超过9000公里。
2、在取得骄人成绩的同时，我们憧憬着未来，也背负着挑战。,一、隧道施工特点,隐蔽性大，风险性大，环境恶劣； 作业空间有限，循环次数多，综合性强； 施工是动态的，施工过程力学状态是变化的，围岩的力学性质是变化的。,二、隧道施工理念,保护围岩、 内实外美、 重视环境、 动态施工,三、隧道施工基本原则,1、围岩是隧道的主要承载单元，施工中要充分保护围岩。为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。 2、变形的控制主要是通过支护阻力的效应来达到的。 3、在施工中，必须进行实地观察、量测和监控，及时提出可靠的、足够数量的量测围岩变化、支护变化等资料，以指导施工和设计。 4、支护手段一般应选择能大面
3、积的、牢固地与围岩紧密接触的、能及时施作和应变能力强的。 5、隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。在可能条件下应尽量采用全断面或大断面开挖方法。 6、隧道支护结构在较短时间内闭合极为重要。 7、隧道结构的耐久性主要体现在二次衬砌上。 8、隧道施工必须建立设计施工修改设计一体化的施工管理体系。,四、施工方法选择的因素,1、施工条件：施工队伍的施工能力、素质和管理水平等。 2、地质条件：围岩级别、地下水、不良地质现象等。 3、隧道断面：尺寸、形状。 4、埋深：浅埋、深埋。 5、工期：辅助坑道设置、机械化水平、管理水平。 6、环境条件：隧道施工对周围环境产生的爆破震动、地表下沉、噪声、地下水变
4、化等。,五、施工方法,1、明挖法：敞开法、基坑支护法、盖挖法（钻孔桩、地下连续墙）。 2、暗挖法：鉆爆矿山法（传统矿山法、新奥法）、非鉆爆法（浅埋暗挖法、TBM、盾构法、沉管法、顶管法）,六、新奥法基本原理（1）,新奥法（NATM）是新奥地利隧道施工方法的简称，它是奥地利土木工程师L.V.Rabcewics于20世纪60年代提出的，1978年奥地利的L.Muller(米勒)总结了22条，以后有人总结了7条。 1、围岩是隧道结构的主要承载部分。 2、开挖后需对围岩进行加固，以使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度。 3、隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环区；另一方面，又必
5、须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载。,六、新奥法基本原理（2）,4、初次支护主要作用不是用来承担隧道围岩所失去的承载力，而是保持围岩的自承状态，防止严重的松弛和卸载。 5、初次支护的建造应是适时的，使围岩在开挖后延时一定时间来得及变形并形成承力保护区，以达到较好的支撑效果。 6、围岩自稳时间，一方面依靠对围岩地质条件的初步调查，另一方面可通过在建造过程中量测隧道周边的位移来评定。 7、由于喷射混凝土具有可填平洞壁不平整面、与围岩紧密结合等特点，使围岩不发生严重的应力重分布，常被用来作为初次支护，必要时还使用锚杆、钢筋网和钢拱架。 新奥法的核心：利用围岩、锚喷支护、监控量测
6、,七、新奥法开挖方法,利用新奥法施工的隧道开挖方法有全断面法、台阶法(三台阶七步法)、分部开挖法(CD法、CRD法、双侧壁导坑法)。 隧道开挖外轮廓线为隧道净空轮廓线 5cm二次衬砌厚度初期支护厚度预留沉落量。,新奥法开挖方法全断面法,1、全断面法：按照隧道开挖外轮廓线一次开挖成形的施工方法。适用于、级围岩，、级围岩在采取措施稳定掌子面或小断面适用。 全断面法施工工序示意图,全断面法施工特点,1、全断面法施工作业空间大，有利于大型机械施工，施工速度快，操作工序少，施工干扰少，便于施工组织和管理。 2、由于开挖面积大，对地质条件要求高，围岩必须有足够的自稳能力，每循环工作量大，爆破开挖震动大，对
7、施工机械能力要求大,新奥法开挖方法台阶法,2、台阶法：把施工断面分成上、下两个断面或三个断面的方法。 有二台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶七步法，适用于级围岩，、级围岩在采取超前支护措施稳定掌子面或小断面适用；隧道断面较大可采用三台阶法；地质条件较差，掌子面自稳能力差可采用三台阶预留核心土。,台阶法施工工序示意图,三台阶预留核心土施工工序示意图,台阶法施工特点,1、台阶法灵活多变，适应性强；具有足够的作业空间，施工速度；台阶有利于开挖面稳定。 2、台阶法上下台阶施工干扰大，多次开挖围岩扰动大。,新奥法开挖方法CD法、CRD法,3、CD法（中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法）：把断面
8、分为两个断面，每个断面采用两个或三个台阶施工，两者区别主要在于台阶施工顺序不同，且CD法无临时仰拱，CRD法有临时仰拱。适用于、级围岩浅埋或级围岩大断面隧道。 CD法、CRD法施工复杂，初期支护材料用量大，需大量采用临时工字钢、喷射砼，主要为人工施工，机械辅助，早期沉降量小，但临时中隔壁拆除时，沉降量急剧增大。,CD法（中隔壁法）及CRD法（交叉中隔壁法） 施工工序示意图,新奥法开挖方法双侧壁导坑法,4、双侧壁导坑法：又称眼镜法，一般把断面分成三部分，左、右侧壁导坑及中间上、下台阶，导坑宽度不宜大于断面最大宽度的1/3。适用于、级围岩大断面隧道，特别是对地表沉降要求严格的隧道。 双侧壁导坑法施
9、工断面更小，工序更复杂，临时材料用量大，主要为人工施工，施工沉降量小。,双侧壁导坑法施工工序示意图,八、浅埋暗挖法施工,浅埋暗挖法是王梦恕院士于20世纪80年代在北京地铁创立的，2004年12月出版了地下工程浅埋暗挖技术通论，详细介绍浅埋暗挖法施工。 浅埋暗挖法采用了新奥法基本原理，创建了信息化量测反馈设计与施工的新理念，采用先柔后刚的复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护承担全部基本荷载，二次衬砌作为安全储备，初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；采用不同的开挖方法，及时支护封闭成环，与围岩共同形成暖联合支护体系；施工中应用监控量
10、测、信息反馈和优化设计，实现不塌方，少沉降。,浅埋暗挖法十八字方针及适用范围,浅埋暗挖法十八字方针：管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测。 适用范围：软弱围岩浅埋地段洞口段；土质或软弱无胶结的砂、卵石等第四纪地层；结构埋置浅、地面建筑物密集、交通繁忙、地下管线密布、沉降要求严格的地下工程。,浅埋暗挖常用的辅助措施,浅埋暗挖常用的辅助措施：环形开挖预留核心土、喷射砼封闭掌子面、超前锚杆或小导管支护、超前小导管周边注浆加固围岩、上半断面临时仰拱、水平旋喷桩超前支护、深孔注浆加固地层、长管棚超前支护或注浆加固地层、特殊地层的冻结加固地层、地面锚杆或高压旋喷桩加固地层、洞内超前水平降排水、洞
11、内外降水。 浅埋暗挖法是应用新奥法原理，结合我国施工情况，采用施工辅助措施的一种施工方法，我国软弱围岩施工原理都基于此方法,九、钻爆施工,钻爆施工是以钻孔、爆破工序为主，配以机械出渣的施工方法。根据不同炮眼起爆顺序不同，隧道钻爆施工分为光面爆破、预裂爆破、预留光爆层爆破。,爆破方法及适用围岩,光面爆破先起爆掏槽眼，再起爆辅助眼，最后同时起爆周边眼。适用于硬质岩。 预裂爆破先起爆周边眼，再起爆掏槽眼，最后起爆辅助眼。适用于软质岩。 预留光爆层爆破爆破顺序基本同光面爆破。适用于分部开挖软弱地层。,预裂爆破方法,预裂爆破首先起爆周边眼，由于围岩夹制作用，只能在软质岩中效果好。理想的预裂爆破在周边眼形
12、成一个贯通裂缝，其爆破技术较光面爆破复杂，钻眼数量多，现阶段隧道施工很少采用，一般采用光面爆破。,钻爆设计,隧道开挖根据地质条件、开挖断面、开挖方法、循环进尺、钻眼机具、爆破器材及环境要求进行钻爆设计。 钻爆设计的内容：炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼）布置、深度、斜率、数量，爆破器材，装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术指标及必要的说明。,炮眼形式（1）,掏槽形式应根据钻眼机具、断面大小、循环进尺、围岩级别及爆破震动选择直眼掏槽、楔形掏槽。掏槽眼应加深1020cm；采用高猛度的炸药。 周边眼沿开挖外轮廓线布置，炮眼间距误差不大于5cm，外插脚23，眼底不得大
13、于外轮廓线15cm。周边眼宜采用低密度、低爆速、低猛度、高爆力的炸药，装药结构采用小直径连续装药或间隔装药。 辅助眼位于周边眼和掏槽眼之间均匀分布，间距应满足爆破岩石块度要求。,炮眼形式（2）,钻爆法施工钻孔的位置、深度一定要符合规定，钻孔效率要高。由于钻爆设计采用工程类比法，因此装药量要根据爆破试验确定。 关于炮眼直径、炮眼数量、深度、装药量等详细爆破参数由于时间关系不一一介绍。,钻爆施工新工艺水压爆破,今年11月26日集团公司在邯长铁路举行了水压爆破推广现场会，效果很好。水压爆破是何广沂教授在20世纪80年代应用的，2002年开始隧道水压爆破研究。水压爆破推广缓慢我认为有两个原因，一是水袋
14、生产，二是施工管理。隧道水压爆破的操作简单、效果是明显，具有“三提高、一保护”的作用，提高了炸药利用率，提高了施工效率，提高了经济效益，保护环境。现在已解决了水袋问题，施工效率高，值得推广。,十、装运渣,装运渣时间是隧道施工重要作业环节，在掘进循环中占比重很大。 装渣机械：按行走方式：轨行式、轮胎式、履带式； 按动力方式：风动、电动、内燃； 按作业方式：铲斗式、立爪式、耙斗式； 一般采用装载机、铲斗装渣机、立爪装载机。 运渣方式：有轨运输（平板车、矿车、槽式列车）和无轨运输（自卸汽车）。,十一、支护结构,隧道支护结构分为超前支护、初期支护。,1、超前支护,超前支护为了提高围岩强度、自稳能力和止
15、水效果，包括预注浆（垂直注浆、水平注浆）、超前管棚、超前小导管、超前锚杆、水平旋喷桩。 管棚施工一是要注意增加管棚地段预留沉降量；二是要注意导向墙基承载力，可以采用向外扩大基础；三是钻孔要向外有一定的角度，防止管棚侵界；四是注浆压力要符合要求。 超前小导管主要注意注浆。,2、初期支护（1）,初期支护采用钢拱架（工字钢拱架、格栅钢拱架）、钢筋网、锚杆、喷射砼组成的锚喷支护，以控制围岩变形、防止塌方。 喷射砼必须满足设计强度、长期强度、厚度和岩面粘结力。喷射砼水胶比不大于0.5，水泥（胶凝材料）用量不宜小于400kg/m3，3h强度应达到1.5MPa，24h强度应达到10MPa。 现阶段多采用干喷
16、，注意速凝剂的掺量，特别是喷射砼的强度。 工字钢架一般采用Q235钢，存在问题是采购国标和非标，肋板厚度要够。钢架加工尺寸要标准。焊接质量合格，接头要增加夹板。,2、初期支护（2）,锚杆一般采用砂浆锚杆、中空注浆锚杆、组合中空锚杆、自进式锚杆。锚杆要和钢架焊接，中空锚杆要注浆。 隧道基底处理采用旋喷桩、灰土挤密桩、树根桩、钢管桩。隧道施工作业面小，基底处理要注意选用合理的施工机械。尽量不采用随意扩大断面的方法加固基础。,十二、衬砌,二次衬砌在围岩变形基本稳定后施作，变形趋于稳定条件：周边变形速率明显下降并趋于缓和；水平收敛（拱脚附近7d平均值）小于0.2mm/d、拱部下沉速度小于0.15mm/d；累计位移值达到极限位移值的80%。 在不良地质、浅埋隧道二衬应提前施作。 二衬台车要有足够的强度，保证多次使用不变形。台车面板非活动部分尽量焊接成整体后，采用砂轮打磨光滑。 二衬砼采用高性能砼或防水砼，砼掺合料多，强度增长慢。砼拌合时间要符合要求，砼养护要到位，防止砼强度不够。砼运输中不得
