第四章-山岭隧道施工方法.ppt

第四章 隧道施工方法 隐蔽性大 作业的循环性强 作业空间有限 作业的综合性 第一节 概 述一、隧道工程施工的特点1 施工是动态的 作业环境恶劣 作业的风险性大 气候影响小 二、隧道施工方法及其选择 根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：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。2 选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：施工条件 围岩条件 隧道断面积 埋深 工期 环境条件 3 掘进机法包括隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简写为(T.B.M.)法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。沉管法、明挖法等则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。4 隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用较多。图4-2 全断面开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌5 第二节 新奥法一、隧道施工应遵循的基本原则 归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是(1)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分 保护和爱护围岩(2)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(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的(4)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计6(5)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段(6)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程(7)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(8)在隧道施工过程中，必须建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。7二、新奥法的分类及施工工序 新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种：全断面开挖法 台阶法 其中包括：(1)长台阶法(2)短台阶法(3)超短台阶法 分部开挖法(1)台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)(2)中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)(3)双侧壁导坑法(眼镜法)等8图4-3 台阶法施工形式9三、开挖方法 按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。（一）全断面开挖法全断面开挖法是按设计开挖断面一次开挖成型。适用条件 全断面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。10(二)台阶开挖法 台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图8-3所示。(三)分部开挖法 分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法。11三线大跨隧道双侧壁导坑法施工12CRD工法超浅埋大跨度施工技术13大跨隧道软弱围岩施工14 炸药的性能 敏感度 炸药在外界起爆能作用下发生爆炸反应的难易程度 爆速 炸药爆炸时爆轰在炸药内部的传播速度 爆力 炸药爆炸时对周围介质做功的能力 猛度 炸药爆炸后对与之接触的局部固体介质的破碎程度，用以衡量炸药的局部破环能力 殉爆距离 一个药包爆炸后，能引起与它不相接触的邻近药包爆炸的最大距离称为殉爆距离 管道效应15 光面爆破与预裂爆破技术 a.光面爆破 光面爆破，就是控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工作量，增加岩壁的稳固性，减少爆破的振动作用，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。16 b.预裂爆破 预裂爆破实质上也是光面爆破的一种型式，其爆破原理与光面爆破原理相同。只是在炮眼的爆破起爆顺序上不同。光面爆破是先引爆掏槽眼，接着引爆辅助眼，最后才引爆周边眼；而预裂爆破则是首先起爆周边眼，使沿周边眼的连心线炸出平顺的预裂面。由于预裂爆破可以沿设计轮廓线裂出一条一定宽度的裂缝，这种裂隙一旦形成后，便在某种程度上保护着周围岩体在主体爆破时不受其振动的作用影响。对围岩的破坏比较轻微，对保持岩体的完整性有利，爆破后的开挖面整齐规则。在减轻对围岩的扰动程度上，预裂爆破对围岩的保护作用较光面爆破更好一些。17第三节 超欠挖与塌方一 超挖与欠挖 以设计的隧道开挖轮廓线为基准线，实际开挖获得的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分则称为欠挖。这一概念可用图8-32表示。根据研究和调查的结果，影响超欠挖的因素可以归纳为以下几点：钻孔精度 爆破技术 施工组织管理 测量放线 地质条件变化 其他图8-32 超挖与欠挖18二 坍方 塌方是最为常见、比较典型的一种事故。（一）发生坍方的主要原因1.不良地质及水文地质条件2.人为因素(二)预防坍方的施工措施 1.隧道开挖后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等。在不良地质、围岩破碎地段，应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。2.加强坍方的预测19 (三)隧道坍方的处理措施 1.查明原因，制定处理方案。发生坍方后，应及时迅速处理 2.先加固未坍塌地段，然后清除碴体，完成衬砌(图6-34)3.处理坍方的同时，应加强防排水工作。4.坍方地段的衬砌，应视坍穴大小和地质情况予以加强。5.采用新奥法施工的隧道或有条件的隧道，坍方后要加设量测点，增加量测频率，根据量测信息及时研究对策。20 第四节 隧道施工量测与信息反馈 (一)收敛计 坑道开挖后，随着围岩应力重分布，坑道相对侧壁的距离将产生变化，当围岩应力趋于平衡时，这种变化将逐渐趋于稳定，这一变化过程称为“收敛”，这种相对距离的量测称为“收敛量测”。(二)隧道激光断面测量仪 目前国内应用较多的此类仪器有铁二局的非接触自动坐标（TAPS）激光断面仪，铁道部的SJC1型激光断面仪，地矿部探矿工艺所的DMYI激光断面仪，北京光电技术研究所的BJSD-2激光隧道限界检测仪。21二 现场监控量测设计 (一)现场监控量测的项目 1为设计和修正支护结构形式和参数提供依据 2正确选择开挖方法和支护施作时间 3为隧道施工和长期使用提供安全信息 4是研究新奥法力学机理和设计理论的重要途径 (二)现场监控量测项目的选择 我国公路、铁路部门制定的有关规范中，根据围岩条件确定量测项目，量测项目选择时可以此为参考。22类别项 目必测项目洞内地质和支护状况观察周边位移拱顶下沉锚杆或锚索内力及抗拔力选测项目地表下沉围岩体内位移（地表设点）围岩体内位移（洞内设点）围岩压力及层间支护间压力钢支撑内力及外力支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测围岩弹性波测试 必测项目和选测项目23图4-42 周边位移测线布置24图4-43 围岩内部位移测孔布置图4-44 喷层应力量测点布置25图4-45 地表下沉量测范围及地中沉降测点布置26 隧道施工过程中，可能会遇到开挖工作面不能自稳，或地表沉陷过大等情况，为了确保隧道工程顺利进行和施工安全，必须采取一定的工程措施对地层进行预支护或预加固，称之为辅助施工措施。预支护措施有预留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆(亦可用小钢管)、管棚及临时仰拱封底。预加固措施有预注浆加固地层和地表喷锚预加固等。而兼有预支护和预加固双重作用的有超前小导管注浆等。第五节 辅助施工方法27 超前锚杆主要适用于地下水较少的软弱破碎围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅理无显著偏压的隧道。管棚主要适用于围岩压力来得快来得大，用于对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。在设计中，要充分考虑地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，决定管棚的配置、形状、施工范围、管棚间隔及断面等。a)扇形配置;b)半圆形配置;c)门形配置;d)全周形配置;e)上半单侧配置;f)上半双排配置;g)一字形配置管棚的配置和形状28超前小导管注浆 此法的要点是在开挖掘进前，先用5cm10cm厚的喷混凝土将开挖面和5m范围内的坑道封闭，然后沿坑道周边打入带孔的纵向小导管。由上而下的向小导管内压浆，浆液即由导管渗透到地层中，待浆液硬化后，即在坑道周围形成一个加固了的岩石圈，在此圈的防护下即可安全地进行开挖.小导管一般采用直径32mm的焊接钢管或直径40mm的无缝钢管制作，长度宜为3m6m，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔10cm20cm交错钻眼，眼孔直径宜为6mm8mm。如图6-84c所示。29超前小导管注浆30四、预注浆加固围岩 预注浆方法是先在掌子面前方的围岩中将浆液注入，从而提高了地层的强度和稳定性，降低了渗透性，形成了较大范围的筒状封闭加固区，然后在其范围内进行开挖作业。(一)注浆机理注浆机理分为二种：第一种包括“浸透”注浆、“裂缝”注浆和“空穴”注浆。第二种是“劈裂”注浆(二)注浆方式用预注浆加固围岩的方式，大致有以下三种：在开挖工作面上打超前长导管注浆(图6-92a)31(三)注浆孔距和加固范围 确定注浆孔距的理论公式很多，根据实践经验最大取1.5m。为了确定加固范围，即确定围岩塑性破坏区的大小，可以按岩体力学和弹塑性理论计算出开挖坑道后围岩的压力重力分布结果，并确定其塑性破坏区的大小(R0r0)，这也就是应加固区的大小。(四)注浆数量控制 注浆数量应根据加固区需充填的地层孔隙数量来确定。现代注浆技术都是采用定压和定量相结合的方法，也就是注浆的数量基本是固定的。这个数量按浆液需填充的孔隙数量选定，而且常以被处理围岩总体积的百分比数表示。32