地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理及要点

地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理及要点一、地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理地铁隧道矿山法施工即新奥法施工。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod，简称为NATM。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。我国近40年来，铁路、交通、水利与市政等部门通过科研、设计、施工实践，在许多隧道修建中，根据自己的特点成功地应用了新奥法，取得了较多的经验，积累了大量的数据。新奥法在市政地铁建设中起步较晚，但是近年来在许多省市地铁建设的应用正日益广泛，目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法，其技术经济效益是明显的。下面结合新奥法施工的原理和要点，介绍地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制原理及要点。新奥法是以隧道工程经验和岩体力学理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的施工方法，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。新奥法技术摒弃了以整体式混凝土衬砌被动地支撑洞室围岩的传统做法，改由柔性、薄壁、能与围岩紧密帖合的锚喷网支护保护、加固围岩，从而发挥围岩的自承与自稳能力形成天然承载结构，从而达到省工、省料和降低造价的目的。新奥法的基本要点可归纳如下：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，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。2．为了充分发挥岩体的承载能力，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帖、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。3．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。4．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。5．为了敷设防水层，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。6．二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早锚喷，勤量测、快封闭”。复合柔性支护和基于现场施工监测及信息反馈分析的信息化施工是新奥法的核心和关键。新奥法施工中尤其要重视初期支护以发挥围岩的自承能力，《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004）（以下简称《设计规范》）中明确规定：“复合式衬砌中的二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为安全储备，并按构造要求设计；Ⅳ、Ⅴ级围岩中为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形。”。可见，Ⅰ～Ⅲ级围岩中完全依靠初期支护控制围岩变形，而在Ⅳ、Ⅴ级围岩中更应重视初期支护，必要时采取辅助措施，充分保护和发挥不良地质围岩的自承能力。重视初期支护包括两方面的内容：（1）初期支护要及时，即使Ⅰ、Ⅱ级围岩也要注意，这两级围岩采用光面爆破后也会出现个别地方的岩石松动，如果不及时打上锚杆，也会因后面的爆破扰动，将已松动的岩石震下来。对Ⅳ、Ⅴ级围岩由于本身的自稳能力差，变形时间效应比Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩要小得多，不把握初期支护时间，等到岩石松动时才去支护，就失去利用围岩自身承载能力的机会。（2）初期支护要紧帖围岩，用初期支护紧帖围岩并形成整体才能调动围岩自身承载能力共同控制围岩变形，如果初期支护同围岩帖合不紧，形成空隙，使支护与围岩分离，提供了围岩变形的空间条件并不断向围岩深处发展，造成松动破坏区扩大，最后由初期支护单独承担荷载，易使支护失稳、围岩坍塌。二、地铁隧道矿山法施工的安全与质量控制要点1、洞口段施工质量控制隧道施工中，洞口段围岩一般比较破碎、地质条件较差，应遵循尽量减少对岩体扰动的原则，以提高洞口段岩体和边、仰坡的稳定性。《设计规范》及《施工规范》均作了规范性要求，强调“早进洞、晚出洞”，尽量避免大挖大刷，在保持边、仰坡稳定的前提下，及时施作洞口，并在进洞之前，结合洞口的实际情况，先作好洞口地表的防排水措施。在大断面、浅埋和地质条件差的情况下通常采用地表预注浆、超前长管棚注浆等预加固措施。隧道洞口段施工质量控制重点是进洞施工质量和地表预加固质量。（1）进洞施工要严格遵循“短进尺，小循环，早锚喷，强支护，快封闭”的原则，及时施作洞门及其排水系统。通常可采用短台阶或超短台阶法施工，先施工上台阶，凡能用十字镐、风镐进行人工施工的情况，不允许爆破；需爆破时，可采用由隧道中心掏槽分段起爆，严格控制药量，人工风镐修边，控制超欠挖，减少对围岩的扰动。开挖断面尺寸修整至设计要求后，及时进行初期支护，一般可初喷混凝土一层，然后打系统锚杆并架设钢格栅、挂钢筋网，最后喷射砼至设计厚度。施工中要监测围岩变形速率和变形量，量测项目包括水平位移收敛、拱顶下沉及拱顶地表下沉，发现异常及时调整施工工艺并采取辅助措施。（2）洞口预加固措施一般有两种：①地表预加固，主要措施有锚网喷支护、地表注浆、地表锚杆、抗滑桩、锚索等；②洞口正面围岩预加固，主要措施有超前长管棚注浆、超前小导管注浆（配合格栅钢架）、掌子面封闭等。以下强调几种常用的预加固措施的施工质量控制重点。①锚网喷支护，可加固地表，防止因降水造成滑坡。一般在刷好边、仰坡后，采用锚网喷对地表给予加固。锚杆锚杆可采用全长砂浆锚杆或中空注浆锚杆，锚杆直径、长度、布置方式及挂网规格和喷射砼标号可根据地质条件确定，。施工质量控制重点：钢筋网必须与锚杆焊接，且钢筋网须用点焊焊成整体；喷砼时必须保证钢筋网保护层厚度满足设计要求。②地表注浆预加固，一般应用于围岩较差的浅埋隧道，通常采用热轧无缝钢管作为套管，呈梅花形布置；一般围岩段(涌水量不大)采用稳定性、粘度、可注性、结石强度及抗渗性均较好的超细水泥单注浆，特殊地段(富含地下水)采用超细水泥与水玻璃双注浆。在施工中要保证浆液原材料的质量和浆液配合比，根据地层地质条件确定浆液配比、注浆压力及注浆孔间距。以往采用地表注浆预加固洞口段的工程中，有在隧道开挖中发现注浆局部区域内浆液不呈树状渗透至岩层中，而是呈团状包裹在钢管周围的现象。该情况主要是浆液配比与地层不匹配及注浆压力不足造成的。在地表注浆预加固施工中要强调必须根据地层地质条件确定浆液配比，并保证注浆压力满足设计要求。同时要强调合理确定注浆范围，范围过大，会增加工作量和材料成本，范围过小，不能达到预期目的，甚至会给施工留下隐患危及施工安全，必须根据地质条件合理确定注浆范围，并依此确定注浆孔间距。施工中应注意先灌注边孔，使松散围岩形成一个相对封闭的注浆环境，达到不漏浆、不跑浆；然后依次向内推进。每排注浆孔中，宜间隔交替注浆。施工质量控制重点：按照设计孔位开孔，严格控制孔口位置偏差在设计允许范围内；注浆工程中监控注浆压力变化，若突然增大或减小，应停机检查，查明原因采取措施后方可继续注浆；注浆结束前，应采用最大注浆压力闭浆一段时间，一般可取10分钟左右，并及时封堵注浆口。③超前长管棚注浆，长管棚超前支护距离长，整体刚度大对围岩变形限制能力强，能承受早期围岩压力；注浆能改善围岩状况，提高围岩自承能力，对防止围岩初期松弛、土体坍塌有显著效果。超前长管棚注浆主要适用于围岩压力来得大且快，对围岩变形及地表下沉有严格控制要求的软弱破碎围岩隧道。长管棚一般采用热轧无缝钢管，环向间距可取30～50cm，沿隧道周边的外插角可取2～4°，有孔、无孔钢管交叉布设。在洞口前端设置长套拱作为管棚导向墙，套拱内预埋U型钢并与孔口套管焊接牢固，施工中要保证孔口套管与沿拱圈环向布设间距、位置及方向应准确。钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。待有孔钢管已全部注浆完毕后，再进行无孔钢管的钻孔、安设。施工中质量控制重点：（a）钻孔前掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。钻孔时根据地质情况选择加泥浆护壁或可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进，并保证成孔角度；（b）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，隧道同一断面处的接头数不大于50％，相邻钢管接头至少应错开1m，并及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实。纵向两组管棚间应有不小于3.0m的水平搭接长度。要保证钢管外露端法兰盘、止浆阀的焊接质量；（c）注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆，并采取措施（如快硬水泥砂浆或锚固剂封堵）或采用间歇式注浆封堵串浆口，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。注浆结束前，应采用最大注浆压力闭浆一段时间，一般可取5分钟左右,并及时封堵注浆口；（d）施工中应及时检验注浆效果：对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况；另外在进行无孔钢管钻孔时观察孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，涌水量较小，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。④超前小导管注浆（配合格栅钢架），注浆小导管既能加固洞周一定范围内围岩，又能支撑围岩，其支护刚度和预支护效果均好于超前锚杆。超前小导管配合格栅钢架具有类似管棚的作用，支护能力较大。虽然支护能力弱于管棚，但简单易行、灵活经济。小导管一般采用热轧无缝钢管，环向间距可取20～40cm，沿隧道周边的外插角可取10～20°。施工中质量控制重点：（a）纵向两组小导管间应有不小于1.0m的水平搭接长度；（b）浆液可采用纯水泥浆或加入水玻璃，根据地质情况确定浆液配比及注浆压力（参见地表注浆要求）；（c）注浆过程中应注意：小导管注浆前，应对开挖面及5m范围内的隧道喷射厚为5~10cm的混凝土封闭；保证注浆压力满足要求，必要时可在孔口设置止浆塞，止浆塞应能承受规定的最大注浆压力；注浆结束标准：注浆压力逐步升高，当达到设计终压并继续注浆10min以上、与设计注入量大致接近；注浆后至开挖前的时间间隔，视浆液种类而定，一般宜为4～8h，开挖时应保留1.5～2.0m的止浆墙，防止下次注浆时孔口跑浆；（d）格栅钢架拱脚处设置锁脚锚杆，防止开挖下台阶时，钢架移动和下沉。2、洞身开挖质量控制公路隧道多采用双洞四车道，加上路缘、余宽、检修道，内空建筑宽度一般在9.25～10.25m。与水工、铁路隧道相比，公路隧道断面大，对围岩扰动大，对围岩块体切割多，且为满足公路建筑界线的要求，多采用扁平断面型式，使拱顶围岩处于非常不利的应力状态。因此公路隧道洞身开挖的不利因素多，难度大，必须加强质量控制。开挖施工的质量直接影响隧道的稳定性以及工程造价，若开挖表面不平整将导致局部围岩应力集中，并且影响防水层和二次衬砌施工，形成存水空洞；若发生超挖过多，不仅会增加出渣和回填工程量，并且容易出现由于回填质量差而不能确保支护与围岩紧密帖合形成一体的现象，从而造成影响隧道稳定性的隐患；若发生欠挖，则会影响隧道净空或减小二次衬砌厚度影响工程质量和安全。隧道洞身开挖质量控制有两个方面：（1）开挖断面规整程度的控制首先必须根据围岩类型选择合适的断面开挖方法，Ⅰ～Ⅲ级围岩可采用全断面法开挖；对于Ⅳ、Ⅴ级围岩可采用台阶法、单侧壁导洞法、双侧壁导洞法等进行全断面开挖或采用半断面开挖的方法。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩采用全断面开挖时，各种方法均存在开挖与支护互相干扰的情况，要注意完善施工组织和管理，严格遵循“短进尺，弱爆破”的原则，减少对围岩及已施工的支护的扰动。当采用半断面开挖方法时，下半断面开挖厚度及用药量要严格控制，减小扰动，防止拱部围岩失稳。同时按设计及施工规范要求对水平收敛值、拱顶下沉值进行严格监控量测，并将量测结果及时反馈、指导施工。尤其对于不良地质地段，在开挖前必须用地质雷达、超前小导坑等方法做好超前地质预报工作，同时做好预加固、预支护等辅助施工措施。其次，隧道开挖一般采用钻爆法施工，应根据围岩类型选择合适的施工工艺。对于硬岩应采用光面爆破，注意