隧道施工技术

隧道施工技术一、掘进技术1、人工开挖：主要适用黄土地区或破碎松散岩石或土质隧道。一般用新型手持式封鎬。十锅镐进行掘进，用铁锹、簸箕和翻斗车进行装渣和出渣。人工掘进对围岩扰动小，能有效保护围岩，防止围岩因扰动过大而发生塌方。但掘进速度慢，工人劳动强度大。2、钻爆开挖：即是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，简称钻爆法。这一方法从早期由人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。施工前，要根据地质条件、断面大小、支护方式、工期要求以及施工设备、技术等条件，选定掘进方式（1）打眼前必须先放好断面中线，水平，并在开挖面划好轮廓线，按钻爆参数图布置炮眼位置。（2）炮眼的深度、角度、间距按钻爆参数要求确定。掏槽眼间距误差和眼底间距误差不得大于5cm，辅助眼眼口排距、行距误差均不得大于5cm，周边眼沿隧道设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm，周边眼外斜率不得大于5cm/m，眼底不超出开挖断面轮廓线10cm，最大不得超过15cm。内圈眼至周边眼的排距误差不得大于5cm，炮眼深度超过2.5m时，内圈炮眼与周边眼宜采用相同的斜率。（3）掏槽眼布置在开挖断面的中央稍靠下部，以使底部岩石破碎，减少飞石。周边炮眼应沿设计开挖轮廓线布置，辅助眼应交错均匀地布置在周边眼与掏槽眼之间，并垂直于开挖面打眼，力求爆下的石碴块体大小适合装碴的要求。开挖断面底面两隅处，应合理布置辅助眼，适当增加药量，消除爆破死角。断面顶部应控制装药量，防止出现超挖量。（4）装药前应将炮眼内泥浆、石屑吹洗干净。已装药的炮眼应及时用炮泥堵塞密封。周边眼的堵塞长度不宜小于20cm，采用预裂爆破时，应从药卷顶端进行堵塞，不得只堵塞在眼口。（5）钻爆施工中严格控制超欠挖。当岩层完整、岩石抗压强度大于30Mpa并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩石个别突出部分欠挖，隆起量不得大于5cm。拱、墙脚以上1m范围内断面严禁出现欠挖。钻孔常用的机具有：凿岩机（手持式风钻、支架式风钻、液压凿岩机一般深度为三米左右）凿岩台车（轮胎式四臂液压凿岩台车）装药就结构而言分为正向起爆装药，反向起爆装药，双向起爆装药装药前要检查炮眼位置及长度是否符合设计要求。以前多采用正向起爆装药，经实践证明，反向装药能提高炮眼利用率，减少瞎炮，减少岩石破损块度，增大抛渣距离。降低炸药消耗量，炮眼越深效果越好。连线：在爆破过程中，电爆网络可设计成串联并联：混合连：串联优点：消耗电能小，接线简单，易于操作，便于检查，导线消耗少；并联优点：不致因为其中一个雷管短路而引起其余雷管拒爆。起爆：非电起爆、电起爆。起爆顺序：除预裂爆破的周边眼最先起爆外，在一个开挖面上，起爆顺序是，由内向外逐层起爆，同圈眼必须同时起爆。通风：为了驱除爆破产生的有害气体及余热。爆破时产生的有害气体如一氧化碳，二氧化碳，二氧化氮，二氧化硫，氨气等。且氧含量明显下降，再者洞内使用的机械设备特别是内燃机也排除大量废弃和热量，其余废弃中含有能引起化学作用而有强烈的致病变和致癌作用的物质，因此必须进行施工通风。出渣；石渣装车和运出的作业时间往往占开挖循环时间的33%～50%，3、机械开挖①单臂掘进机掘进：对围岩扰动破环较小，适用于稳定性差的软岩隧道及土质隧道中。②TBM掘进机掘进：挤压切屑破岩，能快速连续作业，机械化程度高，安全劳动强度小，对土层扰动小，衬砌支护质量好，通风条件好，减少辅助工程。4、施工辅助作业：在隧道施工中，钻爆、出渣、支护、衬砌等称为基本作业为基本作业服务的作业称为辅助作业，主要包括：施工的通风与防尘、施工排水与供水、施工供电与照明，压缩空气供应。二、支护技术在地层中开挖出导坑以后，出现岩壁临空面，改变了围岩的应力状态。岩壁产生了趋向隧道内的变形位移，同时由于开挖扰动及随时间推移的变形量的增长，又降低了围岩的强度，当围岩应力超过围岩强度时，围岩的变形过大，从而造成失稳。通常表现为围岩向洞内的挤入涨裂，沿结构面滑动甚至发生坍塌。（一）锚喷支护:是一种经常采用的围岩支护手段，它可以充分发挥围岩的自承能力，有效利用洞内净空，既提高了作业的安全性，又提高了作业效率。锚喷支护能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖，能用于整治塌方和隧道衬砌裂损。1、锚杆支护的作用：①支承围岩，锚杆能限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于饰面内表面附近的围岩处于三轴应力状态，因而能制止围岩的衰减。②加固围岩，由于锚杆的加固作用使围岩中的尤其是松动围岩中的节理裂隙、破裂面等得以弥合，因而增强了锚固区的围岩强度，锚杆将节理发育的岩体和松动围岩形成整体，成为隧道外围的家加固带。③提高围岩层间摩阻力，形成组合梁。由两种不同材料结合或不同工序结合而成的梁称为组合梁，亦称联合梁。④悬吊作用，防止个别不稳定围岩的掉落或滑落，将其通稳定的围岩连接起来。悬吊作用主要是加固局部失稳的岩体。2、喷射混凝土支护：使用特定的机械吧掺有细骨料的混凝土以适当的压力喷射到适当的洞室壁上迅速固结而成的一层支护结构。作用；①支承围岩，由于喷层能与围岩密贴和粘贴，并与围岩表面共同承受拉力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，此外喷层本身的抗冲切能力，可有效阻止不稳定块体的滑塌。②“卸载”作用：由于喷层属柔性支护，能与围岩协调变形，从而使围岩卸载，同时喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。③填平补强围岩:喷混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充凹斜，使裂隙分割的岩层面粘黏在一起，发挥岩块间的咬合镶嵌作用，提高其间的粘结力、摩阻力，有利于防止围围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中。④覆盖围岩表面，喷层直接粘贴在岩面上，形成防风化和止水的保护层，并阻止节理裂隙中填充物的流失。⑤阻止围岩松动：喷层能够紧接掘进作业面，及时进行支护，且早期强度较高，因而能及时向围岩提供抗力阻止围岩松动。⑥分配外力：通过喷层把外力传给锚杆，钢拱架等，使支护结构各部受力均匀。3、钢支撑锚喷联合支护：刚支撑是通过被动应力支撑来维持围岩稳定的。（施工速度慢，成本高，但对围岩依赖较低）锚喷支护主要依赖主动加固来保持围岩稳定。（施工速度快，经济但对围岩条件依赖较墙）常用钢支撑：4、浇筑混凝土衬砌：一般除地质坚硬的Ⅵ类围岩外，都应施做混凝土衬砌，所以模筑混凝土衬砌在传统上就是持久保证隧道功能的重要结构。5、采用锚喷支护技术施工的隧道，一般为了饰面或增加安全度的需要，也需要做锚喷支护称作一次衬砌，且在围岩基本稳定后，浇筑整体混凝土衬砌称作二次衬砌。二次衬砌除了起饰面和增加安全度的需要外，实际上承受了在其施工后的外部水压，软弱围岩的蠕变压力，膨胀性壁压，和浅埋隧道的附加荷载。因此，模筑混凝土衬砌是隧道重要的支护形式。矩形钢格栅钢格栅三角形钢格栅H型钢支撑型钢支撑I型钢支撑U型钢支撑钢管支撑三、辅助施工技术1、对于自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、沙层、砂卵砾石层、断层破碎带，以及大面积淋水或涌水地段的隧道可采取辅助施工措施和锚喷支护相结合的加强办法。2、辅助施工措施主要包括：1）、超前锚杆：超前锚杆是在起爆前沿开挖轮廓线，以较大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固(预支护)，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖、装渣、出渣和衬砌等作业。超前支护主要适用于围岩应力较小，地下水较少、岩体软弱破碎，开挖面有可能坍塌的隧道中,松散地层结构松散，稳定性差，若有地下水时则更甚。在施工中极易发生坍塌，在这类地层中施工时，除减少对围岩的扰动外，还应加强临时支护，临时支护可采用超前锚杆。超前锚杆又分为悬吊式超前锚杆及格栅拱支撑超前锚杆。①悬吊式超前锚杆采用这种方法是在爆破前，将超前锚杆打入掘进前方稳定岩层内，末端支承在拱部围岩内专为超前锚杆提供支点的径向悬吊锚杆，或支承在作为支护的结构锚杆上，使其起到支护掘进进尺范围内拱部上方，有效地约束围岩在爆破后的一定时间内不发生松弛坍塌，为大断面开挖与喷锚支护创造了条件。施工中，因超前锚杆与悬吊锚杆的外露端往往不易直接相交，故以φ22的横向短钢筋焊在邻近的悬吊锚杆上，再焊在超前锚杆的末端上。②格栅拱支撑超前锚杆如图所示：超前锚杆的末端支撑在格栅拱架上。1—超前锚杆2—格栅拱架a—超前锚杆横向间距b—格栅拱支承间距α—超前倾角超前锚杆的倾角α一般选用6°~12°，一般情况下，超前锚杆的横向宽度为内拱顶线的一半再加2m，也可根据地质情况适当增减其布置范围，为提高支护效果，在靠近拱脚部位的超前支护的方向常分别向左右酌情外插。横向间距应根据围岩情况而定，一般为0.2~0.4m，如采用双层支护时，间距为0.4~0.6m.其上、下层应错开排列，其纵向间距应根据围岩类别、超前支护的长度、锚杆的截面尺寸及横向间距等因素综合考虑确定。一般可取100cm或150cm，最大不超过200cm，其长度应根据地质情况，锚杆拉拔试验强度，钻孔机械类型，供给钢筋长度，开挖循环次数等因素综合考虑确定。一般多采用3.5~5m，最长为7.0m，对围岩软弱的地方，可采用φ8或φ10的钢筋按间距0.1×0.1m2挂方格网，再喷射0.10~0.15厚度的混凝土，增强围岩的自稳能力。③施工工艺流程格栅钢架超前中空锚杆喷锚砼工艺流程图：说明：本流程图在操作中注意以下三个参数：（1）喷射距离为1.2~1.5，喷咀与岩面保持90°夹角。（2）机内风压保持在0.25MPa左右。（3）细骨料在骨料中占15%左右。2）、超前小导管：是隧道工程掘进施工过程中的一种工艺方法，主要用于自稳时间段的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护。3）、管棚：主要用于对于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，如软弱、沙砾地层和软岩、岩堆、破碎带地段。一般是沿地下工程断面的一部分或全部，以一定的间距环向布设，形成钢管棚护。管棚超前支护是为了在特殊条件下安全开挖，预先提供增强地层承载力的临时支护方法。主要作用及优点编辑（1）梁拱效应：先行施工的管棚以掌子面前方围岩支撑和后方围岩支撑为支点，形成一个梁式结构，二者形成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。（2）加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱（破碎）围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承受能力，达到了加固管棚周边围岩的目的。（3）环槽效应：掌子面爆产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度和扰动范围。（4）确保施工安全：管棚支护刚度较大，施工时如再次发生塌方，塌渣也是落在管棚上部岩渣上，起到缓冲作用。即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。管棚通常可分为长管棚和短管棚。（1）短管棚：长度小于10m的小钢管，一次超前量小，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较大，但钻孔安装或顶入安装较易。（2）长管棚：长度为10—45m，直径较粗，一次超前量大，单次钻入或打入长钢管作业时间较长，但减少了安装钢管次数，减少了与开挖作业之间的干扰。施工控制要点编辑⑴钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。⑵钻孔外插角1°～3°以为宜，工点应根据实际情况作调整。钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。⑶严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。⑷经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。⑸掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。4）地面砂浆锚杆：5）超前小导管注浆：超前小导管是稳定开挖工作面的一种非常有效的辅助施工方法。在软弱及破碎岩层施工中，超前小导管对松散岩层起到加固作用，注浆后增强了松散、软弱围岩的稳定性，有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定，不至于围岩失稳破坏直至坍塌。超前小导管注浆适用于隧道拱部软弱围岩，松散、无粘结土层、自稳能力差的砂层及砂砾（卵）石层级破碎岩层。通过超前小导管注浆能