隧道施工十八字方针样本.doc

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隧道施工几个重要概念
一、 新奥法施工
二、 软围岩隧道施工十八字方针
三、 地下水
四、 爆破

一、 新奥法施工

新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并经过对围岩和支护的量测、 监控,指导地下工程的设计施工。
新奥法( NATM) 是新奥地利隧道施工方法的简称, 在中国常把新奥法称为”锚喷构筑法”。 采用该方法修建地下隧道时, 对地面干扰小, 工程投资也相对较小, 已经积累了比较成熟的施工经验, 工程质量也能够得到较好的保证。使用此方法进行施工时, 对于岩石地层, 可采用分步或全断面一次开挖, 锚喷支护和锚喷支护复合衬砌, 必要时可做二次衬砌; 对于土质地层, 一般需对地层进行加固后再开挖支护、 衬砌, 在有地下水的条件下必须降水后方可施工。新奥法广泛应用于山岭隧道、 城市地铁、 地下贮库、 地下厂房、 矿山巷道等地下工程。 当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。
1 新奥法施工特点:
1.1及时性
新奥法施工采用喷锚支护为主要手段, 能够最大限度地紧跟开挖作业面施工, 因此能够利用开挖施工面的时空效应, 以限制支护前的变形发展, 阻止围岩进入松动的状态, 在必要的情况下能够进行超前支护, 加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。
在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展, 并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载, 增强了岩层的稳定性。
1.2封闭性
由于喷锚支护能及时施工, 而且是全面密粘的支护, 因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落, 制止膨胀岩体的潮解和膨胀, 保护原有岩体强度。
巷道开挖后, 围岩由于爆破作用产生新的裂缝, 加上原有地质构造上的裂缝, 随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面, 很好的充填围岩的裂隙, 节理和凹穴, 大大提高了围岩的强度。( 提高围岩的粘聚力C和内摩擦角) 。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用, 隔绝了水和空气同岩层的接触, 使裂隙充填物不致软化、 解体而使裂隙张开, 导致围岩失去稳定。
1.3粘结性
喷锚支护同围岩能全面粘结, 这种粘结作用能够产生三种作用:
①联锁作用, 即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落, 则引起临近岩块的联锁反应, 相继丧失稳定, 从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护, 喷锚支护的粘结力和抗剪强度是能够抵抗围岩的局部破坏, 防止个别威岩活石滑移和坠落, 从而保持围岩的稳定性。
②复和作用, 即围岩与支护构成一个复合体( 受力体系) 共同支护围岩。喷锚支护能够提高围岩的稳定性和自身的支撑能力, 同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统, 具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用, 从根本上改变了支架消极承担的弱点。
③增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护, 一方面将围岩表面的凹凸不平处填平, 消除因岩面不评引起的应力集中现象, 避免过大的应力集中所造成的围岩破坏; 另一方面, 使巷道周边围岩由双方向受力状态, 提高了围岩的粘结力C和内摩擦角, 也就是提高了围岩的强度。
1.4柔性
喷锚支护属于柔性薄性支护, 能够和围岩紧粘在一起共同作用, 由于喷锚支护具有一定柔性, 能够和围岩共同产生变形, 在围岩中形成一定范围的非弹性变形区, 并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展, 使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面, 喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩, 对围岩产生越来越大的支护反力, 能够抑制围岩产生过大变形, 防止围岩发生松动破坏。
2新奥法理论要点及施工要点:
2.1 新奥法与传统施工方法的区别: 传统方法认为巷道围岩是一种荷载, 应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构, 构筑薄壁、 柔性、 与围岩紧贴的支护结构( 以喷射混凝土、 锚杆为主要手段) 并使围岩与支护结构共同形成支撑环, 来承受压力, 并最大限度地保持围岩稳定, 而不致松动破坏。
新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分, 因此, 施工时应尽可能全断面掘进, 以减少巷道周边围岩应力的扰动, 并采用光面爆破、 微差爆破等措施。减少对围岩的震动, 以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑, 避免局部应力集中。
新奥法将锚杆、 喷射混凝土适当进行组合, 形成比较薄的衬砌层, 即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩, 使喷射层与围岩紧密结合, 形成围岩-支护系统, 保持两者的共同变形, 故而能够最大限度地利用围岩本身的承载力。
2.2保护巷道围岩自身的承载能力
新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施: 构筑防水层、 围岩巷道排水; 选择合理的断面形状尺寸; 给支护留变形余量; 开巷后及时做好支护、 封闭围岩等, 都是为保护巷道围岩的自身承载能力, 使围岩的扰动影响控制在最小范围内, 并加固围岩, 提高围筵强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。
2.3允许围岩由一定量的变形, 以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的支护结构, 也应具有预定的可缩量, 以缓和巷道压力。
围岩的变形是控制在一定范围内的, 必须避免围岩变形过大, 从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、 失稳。支护结构具有一定的变形量, 允许巷道围岩产生一定的变形, 以缓和来自巷道的巨大压力, 更进一步减轻支护荷载。
2.4新奥法施工过程中量测工作的特殊性
由于岩体生成条件与地质作用的复杂性, 施工条件的复杂性, 以及对工程设计参数的精确要求, 得要经过许多量测手段, 在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计, 指导施工。
量测的结果能够作为施工现场分析参数和修改设计的依据, 因而能够预见事故和险情, 以便及时采取措施, 防患于未然提到施工的安全程度。
由上所述, 新奥法的支护原则是: 围岩不但是载物体, 而且是承载结构; 围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体, 是一个力学体系; 巷道的开挖和支护都是为保持改进与提高围岩的自身支撑能力服务。
3新奥法的主要支护手段与施工顺序:
新奥法是以喷射混凝土、 锚杆支护为主要支护手段, 因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层, 与围岩紧密粘结的可缩性支护结构, 允许围岩又一定的协调变形, 而不使支护结构承受过大的压力。
施工顺序能够概括为: 开挖→一次支护→二次支护。
3.1开挖
开挖作业的内容依次包括: 钻孔、 装药、 爆破、 通风、 出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行, 为保护围岩的自身支撑能力, 第一次支护工作应尽快进行。为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破( 控制爆破) 或机械开挖, 并尽量采用全断面开挖, 地质条件较差时能够采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时, 长度可大一些, 岩质条件差时长度可小一些, 在同等岩质条件下, 分块多次开挖长度可大一些, 全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-2.5米, 在膨胀性地层中大约为0.8-1.0米。
3.2第一次支护作业包括: 一次喷射混凝土、 打锚杆、 联网、 立钢拱架、 复喷混凝土
在巷道开挖后, 应尽快地喷一层薄层混凝土( 3-5mm) , 为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的, 待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。
按一定系统布置锚杆, 加固深度围岩, 在围岩内形成承载拱, 由喷层、 锚杆及岩面承载拱构成外拱, 起临时支护作用, 同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度( 一般为10-15mm) , 并要求将锚杆、 金属网、 钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。
完成第一次支护的时间非常重要, 一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。当前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成, 主要由施工条件决定。
在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层( 如风华花岗岩) 中开挖巷道, 为了延长围岩的自稳时间, 为了给一次支护争取时间, 安全的作业, 需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护( 预支护) , 然后再开挖。
在安装锚杆的同时, 在围岩和支护中埋设仪器或测点, 进行围岩位移和应力的现场测量: 依据测量得到的信息来了解围岩的动态, 以及支护抗力与围岩的相适应程度。
一次支护后, 在围岩变形趋于稳定时, 进行第二次支护和封底, 即永久性的支护( 或是补喷射混凝土, 或是浇注混凝土内拱) , 起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用, 而此支护时机能够由监测结果得到。
对于底板不稳, 底鼓变形严重, 必然牵动侧墙及顶部支护不稳, 因此应尽快封底, 形成封闭式的支护, 以谋求围岩的稳定。
4新奥法适用范围:
①具有较长自稳时间的中等岩体;
②弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩;
③强风化的岩石;
④刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩;
⑤坚硬粘土, 也有带坚硬夹层的粘土;
⑥微裂隙的, 但很少粘土的岩体;
⑦在很高的初应力场条件下, 坚硬的和可变坚硬的岩石;
在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合
①有强烈地压显现的岩体;
②膨胀性岩体( 要与仰拱与底部锚杆相配合) ;
③在一些松散岩体中, 要与钢背板与之配合;
④在蠕动性岩体中, 要与冻结法或预加固法等配合;
在下列场合中应用应慎重
①大量涌水的岩体;
②由于涌水会产生流砂现象的围岩;
③极为破碎, 锚杆钻孔、 安装都极为困难的岩体;
④开挖面完全不能自稳的岩体等。
5 新奥法的缺点主要有:
①实施不但要求有良好的施工组织和管理, 也要求技术人员和量测人员都十分熟练, 没有这一点就易于发生错误; 作业质量都与每一个人的仔细操作有关。
②开挖暴露出的地质会立即改变其状态, 因此要求施工地质人员要亲临现场, 以便发现问题;
③用能控制的施工量测, 往往给施工带来不便;
④干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护, 特别是对眼睛的防护, 湿喷虽然能够避免此缺点, 但在同样条件下, 不如干喷那样有效的支护岩体。

二、 软围岩隧道施工十八字方针

管超前、 严注浆、 短开挖、 强支护、 早封闭、 勤量测
1 ”保围岩”是”新奥法”的核心, 只有保护好围岩方可利用围岩。长期以来, 无论设计还是施工单位, 一贯注重于加强初期支护强度, 而忽略了对即将开挖的围岩的保护, 常出现设计单位对所设计的支护事先有足够的信心, 但施工中还是破坏了, 其原因就是未采取有效的措施保护围岩, 造成围岩松动范围远超过设计保守的范围。
实现”保围岩”的指导思想: 以普氏理论为出发点, 以弹塑性理论为目标, 以锚喷、 管棚支护为手段, 实现围岩由松散体向弹性体的转变, 以激发围岩自承能力, 最后实现 ”新奥法”。
保护围岩首先是对未开挖的围岩情况判断准确, 施工中应采取相应的各种综合手段来保护围岩:
1.1 超前支护。超前支护有两个方面作用, 一是预支护, 二是预加固, 预支护是其基本作用, 对于特殊地质, 要考虑注浆预加固; 对于Ⅵ、 Ⅴ、 Ⅵ级围岩, 必须有超前支护, 能够是大管棚、 小管棚、 锚杆, 大管棚施工因为要有必要的作业空间, 洞内一般不宜采用, 因锚管有刚度大、 施工方便的优点, 效果较好; 对于既难以钻孔成孔, 又难以直接将锚杆( 管) 插进的围岩, 要考虑自进式锚杆。
1.2 核心土。如果掌子面开挖高度较高( 一般超过3.0m) , 围岩较弱, 一般采取预留核心土的办法以稳定掌子面, 可是必须注意核心土要有足够的长度, 亦即核心土不得”切断”岩层, 否则核心土就失去了其稳定作用; 核心土除了稳定掌子面的作用外, 还能够作为操作平台, 这是其有利的一个方面, 可是它会影响开挖效果和效率, 这是其不利方面; 就稳定作用来讲, 只有岩层以大于45°角倾向于掌子面时, 掌子面才有不稳定现象, 其余即使是松散围岩, 只要其整体是均匀的, 掌子面一般是稳定的; 核心土是否预留及留多长要根据围岩特性和施工方法综合确定。
1.3 合理进尺。采取了超前支护后, 并保证必要的搭接长度, 就能够确定一个合理的进尺。所谓必要的搭接长度是指管棚末必须超过滑裂面, 如果是松散介质, 则滑裂面与竖向夹角为45°-φ/2( φ为围岩内摩擦角) , 如果是层面结构, 则为结构面。
1.4 初喷混凝土。”新奥法”要求及时支护, 避免围岩进一步风化, 初喷3～5cm砂浆或混凝土是最及时最有效的措施, 初喷后能够有效保证后续钢支撑和锚固作业的安全, 因为它不但起支护作用, 而且起安全警示作用。
1.5 光面爆破。”光面爆破”是”新奥法”的支柱, 施工中能够采取光面爆破、 预留光面层爆破、 预裂爆破等, 对于软围岩, 能够采取周边钻空眼或周边隔空装药的办法, 以保护围岩, 避免超挖; 有条件的能够采取机械开挖, 如挖掘机、 铣挖机。
2 ”稳基脚”对于普通单线铁路隧道、 双线铁路隧道、 双车道、 三车道公路隧道, 初期支护作用于基脚的应力一般为300～700KPa, 甚至高达1MPa以上, 而Ⅴ级围岩地基承载力一般为200～400KPa, 显然这种情况下如果支护不是封闭的, 必然于初期支护基底产生剪切滑面, 造成支护下沉、 变形, 采取的措施是减小作用于基底的应力及加固地基, 具体作法:
2.1 采取大拱脚支护或增设扩大基础, 使支护与地基接触面扩大一倍以上( 一般为40～100cm) , 施工中可采取喷射混凝土扩大基础、 预制混凝土块扩大基础或设置管桩基础等, 但要注意避免增大开挖宽度;
2.2 加强初期支护锁脚作用, 能够是锁脚锚杆或锁脚锚管, 增加锁脚锚杆( 管) 根数( 4根以上) , 以同时限制初期支护的竖向、 水平、 旋转位移, 和增加锁脚锚杆长度( 4.5m以上) ;
2.3 锚固基底剪切滑裂面;
2.4 加强初期支护的纵向强度, 如增加纵向连接钢筋, 设纵向托梁, 纵向托梁能够是型钢和钢筋混凝土结构, 型钢托梁有纵向连接强度差及易造成上下初期支护不能密贴接触的缺点, 而经过钢支撑拱脚1.0m高度范围加密纵向连接及增加箍筋的措施是个既满足托梁强度又便于施工的办法;
2.5 增加临时仰拱。
2.6 但对于有水地段, 尚要注意降水和排水, 以作到无水作业。施工中要贯彻”中心排水”, 避免拱脚浸水, 可在仰拱下设置纵向盲沟, 一定距离设置集水井。盲沟形式能够是碎石盲沟, 也能够是厂制塑料盲沟。
3 ”固侧壁”是指一定要保证侧壁稳定, 对于IV～V级围岩, 在开挖前及开挖初, 是处于弹塑性状态, 并有向松散状态发展的趋势, 如果围岩尚处于弹塑性状态, 那么支护的破坏必然是先由侧壁开始的剪切破坏, 从这个意义讲, 加固侧壁是能够避免支护剪切破坏发生; 而一旦围岩由弹塑性状态变为松散状态, 那么隧道侧壁便会按普氏理论所讲产生滑面, 从这个意义讲加固侧壁能够加固滑面。总之, 一旦发现支护位移加剧, 采取锚固加固侧壁是个非常有效的方法;
4．”早封闭”是”新奥法”支护结构设计的前提。围岩早封闭的概念有两个方面, 一是经过初期支护封闭, 二是围岩”自封闭”, 无论施工采取台阶法、 CD法、 CRD法、 双侧壁法, 其中心或前提都是早封闭, 可是只有采取全断面法, 才可实现围岩的最早封闭, 但又有掌子面不稳的危险。因此, 软围岩无论采取何种办法, 都有掌子面到封闭仰拱有一定距离的情况, 这段距离是台阶法、 CD法、 CRD法、 双侧壁法等都必须解决的问题, 该段距离是围岩无法”自封闭”的, 而且是稳定掌子面所必须的( 该段距离的最短长度可根据库伦理论确定) , 施工中如果能利用”空间效应”, 再配套如上述的加固措施, 则能够有效地解决该段距离( 所谓”空间效应”就是指软围岩开挖后因前方受到掌子面的支撑约束, 后方受到已闭合的初期支护支撑约束, 中间的距离即使支护未闭合, 亦不会失稳, 设个距离实践证明为隧道开挖直径) 。并非支护封闭越短越好。
实践表明, 除洞口外, 无论是临时还是永久仰拱如能及时施作使支护封闭成环, 就能有效阻止变形。
III～VI级围岩施工特别强调初喷1～4cm厚砂浆或混凝土, 这是保证人身安全的至关重要的措施, 因为任何塌方均不是突然的, 都是围岩逐渐松动的结果, 围岩表面喷射混凝土后, 则围岩的变形就会反映到喷混凝土上, 从而达到安全警示的作用;
5．”快衬砌”, 对于”快衬砌”这一措施, 在实际操作中, 应首先强调初期支护”早封闭”, 然后执行”快衬砌”。因为从发现支护不稳到开始二次衬砌, 需要进行挂防水板、 绑扎钢筋等工序, 时间快则3天, 慢则一周, 特别是防水板悬挂后支护的变形将看不到, 隐患更大; 另外, 有时因空间不足, 二次衬砌也难以实施。无论围岩好坏, 二次衬砌距掌子面的距离均不得大于150m, 无论围岩好坏, 仰拱、 铺底均须紧跟下台阶;
6．”勤量测”是”新奥法”的灵魂, 是隧道工程师的耳目, 如果不搞或不认真搞量测, 对施工情况的判别及方案的制定必然是盲目的、 有害的, ”新奥法”也就未落实到位, 作为隧道工程师来说, 还徘徊在”新奥法”殿堂之外。对于量测管理基准, 应经过量测统计确定, 在没有此基础之前, 暂时确定: 日变形速率超过10mm/d时, 应加强观测, 施工时应注意方法, 日变形速率超过20mm/d时, 应立即停止掘进, 采取加固措施。
围岩量测必要的四个数据: 累计变形、 变形速率、 变形加速率、 二次衬砌厚度。判断围岩是否稳定, 及是否需要进一步加强初期支护以限制变形保证二次衬砌厚度, 这四个数据缺一不可。
三、 地下水
地下水根据赋存条件可分为上层滞水、 潜水、 承压水。概念及特点如下:
上层滞水: 是存在于包气带中局部隔水层或弱透水层之上的重力水。上层滞水的形成是在大面积透水的水平或缓倾斜岩层中, 有相对隔水层, 降水或其它方式补给的地下水向下部渗透过程中, 因受隔水层的阻隔而滞留、 聚集于隔水层之上, 形成上层滞水。
特点: 上层滞水的季节变化剧烈, 受大气降水影响, 也易受周边生活用水渗透, 因此一般无统一水位

潜水: 保存在地表以下第一个含水层中具有自由水面的重力水称为潜水。潜水可存在于松散沉积物中, 也可存在于基岩裂隙中。
特点: 具有自由水面; 潜水面与地形相似, 但缓于地形面; 动态变化大; 含水层接收补给或排泄, 使厚度变化而储水与释水, 受气象、 水文因素影响明显, 变化快( 水量、 水位季节性变化) ; 在全部含水层范围内接受补给( 降水入渗, 河湖水入渗) , 排泄方式多样( 泉, 河, 蒸发) ; 受人为因素影响也显著, 容易遭受污染。水循环交替迅速: 水循环周期短, 更新恢复快

承压水: 充满两个稳定不透水层( 或弱透水层) 之间的重力水称为承压水
　 上部隔水层称隔水顶板( 或叫限制层) , 下部隔水层叫隔水底板。

特点: 承受较大静水压力。承压水的分布区与补给区常不一致, 这是承压水的又一主要特征。另外, 承压水由于有隔水层保护, 封存条件好, 因此动态稳定, 常是较为理想的水源。

四、 爆破
光面爆破: 光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体, 然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包, 将光爆层炸除, 形成一个平整的开挖面, 是经过正确选择爆破参数和合理的施工方法, 达到爆后壁面平整规则、 轮廓线符合设计要求的一种控制爆破技术。隧道全断开挖光面爆破, 是应用光面爆破技术, 对隧道实施全断面一次开挖的一种施工方法。它与传统的爆破法相比, 最显著的优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用, 从而减少对围岩的扰动, 保持围岩的稳定, 确保施工安全, 同时, 又能减少超、 欠挖, 提高工程质量和进度。
预裂爆破: 进行石方开挖时, 在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝, 以缓冲、 反射开挖爆破的振动波, 控制其对保留岩体的破坏影响, 使之获得较平整的开挖轮廓, 此种爆破技术为预裂爆破。预裂爆破不但在垂直、 倾斜开挖壁面上得到广泛应用; 在规则的曲面、 扭曲面、 以及水平建基面等也采用预裂爆破。