53隧道施工方法

第6章隧道施工方法一、隧道施工技术的发展1、1949年以前基本是人工开挖、手工操作衬砌、机具简单、技术落后的时期。当时铁路隧道建设既没有固定专业技术队伍，也没有完整的设计、施工规范，设备机具少，方法简单，工人劳动强度大，效率很低。人工打眼木排架支撑2、20世纪50年代（1）隧道施工由人力为主转入小型机械施工；（2）制定了施工规范；（3）辅助坑道采用斜、竖井和平行导坑，竖井最深达130m；（4）施工方法以上下导坑先拱后墙法为主；（5）较长隧道试用后翻式装碴机装碴，用电瓶车牵引轨道运输出碴；（6）逐步采用水泥砂浆注浆防水。干风钻打眼湿风钻打眼1957年—川黔线凉风垭隧道，是我国建国后修建的第一座最长的隧道，也是首次采用平行导坑施工，也是由人工施工到轻型机械化施工的转折点。凉风垭隧道（单线，长4270m）3、20世纪60~70年代（1）推广采用机械设备，以中小型机械施工为主；（2）平面控制测量采用闭合导线法和一条基线的三角网；（3）施工方法以漏斗棚架先墙后拱法为主，部分采用全断面开挖；（4）试用光面爆破；（5）对整治岩溶、岩爆、坍塌、涌水和瓦斯突出等也逐步积累经验。关村坝隧道（单线，长6107m，使线路缩短10.1km）1966年—成昆线上的关村坝隧道，长6107m，使线路缩短了10.1km，地质为灰岩，采用上下导坑漏斗棚架法施工，组织均衡生产，快速施工，创双口月成洞672.71m的最快隧道施工记录。中共中央1965年3月9日特发电报祝贺。发生过7次岩爆。长沙隧道（双线，长714m）1965年—京广线上的长沙隧道，长714m，埋深15m，是我国60年代地质最坏，塌方事故最多，施工方案多次变更，施工时限最长的双线隧道，塌方199次，工期5年半。地质为砂页岩、粘土砂层、砂卵石层、红粘土等，地下水丰富。采用上下导坑先拱后墙法施工。4、20世纪80年代（1）普遍采用新奥法施工；（2）开挖方法普遍采用全断面、半断面法；（3）采用光面深孔爆破、预裂爆破、弱爆破技术减少对围岩的扰动；（4）喷锚支护技术大发展；（5）编制铁路隧道新奥法指南；（6）应用监控量测进行信息化设计和施工；（7）进入大型机械配套时期，引入凿岩台车、装运碴机械、喷锚及灌浆机械；（8）在软弱围岩施工中由新奥法的发展出现浅埋暗挖法。1987年—京广铁路衡广段复线的大瑶山隧道，双线隧道，长14.29km。地质为白云质灰岩、泥灰岩及砂岩，断层14条，涌水量高达51000m3/d。设计、施工均按新奥法原则进行，大断面机械化作业，首次采用复合衬砌。大瑶山隧道的建设，是新奥法原理在中国铁路隧道施工中的成功典范，也是中国铁路隧道建设新旧方法的转折，是隧道发展史上的里程碑工程。大瑶山隧道（双线，长14.29km，缩短11km）5、20世纪90年代以来（1）制定铁路隧道喷锚构筑法技术规则，形成有中国特色的隧道修建新方法；（2）湿喷混凝土技术、工艺及湿喷机；（3）自进式锚杆支护技术的发展；（4）单线铁路长隧道快速施工配套技术与设备；（5）浅埋暗挖法进一步发展，由台阶法演变为单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)；（6）采用隧道掘进机（TBM）施工，标志着我国单线铁路长隧道的修建技术，也达到了国际先进水平。秦岭隧道（双洞单线，长18.46km）1999年—西安—安康铁路的秦岭隧道，双洞单线隧道，长18.46km。I线两端采用TBM掘进，中间由II线平导及横洞进入I线正洞采用钻爆法开挖；II线等平导贯通后采用钻爆法扩挖。是我国隧道由钻爆法施工上升到采用敞开式全断面掘进机(TBM)施工的新台阶。标志着中国铁路隧道机械化施工跨入世界先进行列，成为中国铁路隧道史的里程碑。二、隧道的施工特点(1)隐蔽性大；北京地铁崇文门站宜万铁路野山关隧道谨慎规划，严密把关，确保质量。(2)作业的循环性强；速度慢，工期长。厦门海底隧道开挖方法第1步：开挖第2步：安装钢拱架第3步：喷混凝土第4步：拆除临时支护第5步：二次衬砌(3)作业空间有限；(4)作业的综合性；厦门海底隧道斜井(5)施工是动态的，施工过程的力学动态是变化的，围岩物理力学性质也是变化的；(6)作业环境恶劣；(7)作业的风险性大。北京某明挖车站基坑坍塌北京某暗挖区间坍塌上海地铁四号线楼房坍塌宜万铁路某隧道涌水圆粱山隧道突水突泥某黄土隧道塌方1.隧道施工主要方法⑴矿山法●传统矿山法●新奥法⑵明挖法⑶掘进机法⑷盾构法⑸沉管法⑹顶进法三、隧道施工方法及其选择2.隧道施工方法的分类盾构法沉管法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法地下连续墙法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法新奥法传统矿山法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法Shield)()TBM()NATM()(3.隧道施工方法的选择原则选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：1、施工条件2、围岩条件3、隧道断面积4、埋深5、工期6、环境条件“矿山法”因其最早应用于坑道采矿而得名。它是采用钻眼爆破方式破岩，纵向分段，横向全断面或分部开挖，每一部分开挖成形后即对暴露围岩加以适当的支撑或支护，继而提供必要的永久性人工结构以保持隧道长期稳定的施工方法。矿山法又因其采用“钻眼爆破”方式破岩，故隧道工程中也称之为“钻爆法”。“传统矿山法”“新奥法”矿山法1963年，由奥地利学者L腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（NewAustriaTunnelingMethod）”，简称“新奥法（NTAM）”正式出台，它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。6.2新奥法一、新奥法（NATM）概述新奥法主要采用锚杆和喷射混凝土作为维护围岩稳定的初期支护，以帮助围岩获得初步稳定，施作后的锚喷支护即成为永久性承载结构的一部分而不予拆除，然后在此基础上再施作内层衬砌作为安全储备（内层衬砌也称为后期支护）。初期支护、内层衬砌与围岩三者共同构成了永久的隧道结构承载体系。二、新奥法施工的基本程序“少扰动、早支护（喷锚）、勤量测、紧封闭”（1）少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。（2）早支护（早锚喷），是指开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。（3）勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩（或围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。（4）紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，尤其是对于易风化的软弱围岩。另一方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。三、新奥法施工的基本原则四、新奥法开挖施工方法1.全断面法2.台阶法3.分部开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌量测台车就位钻眼装药、放炮找顶出碴锚喷通风3.施工循环作业二衬(a)2115B2B1B212B2(b)2(1～1.5)B11B(或3～5m)(c)将3种台阶法放在一起比较：区别主要在台阶长度。①下半断面开挖应在上半断面初期支护基本稳定后才能进行；②开挖后要及时喷砼，暴露时间愈长愈不安全；③量测要及时，当发现拱顶、拱脚和边墙中部的位移速度加快时，应立即进行仰拱封闭。台阶法施工注意：台阶法上断面开挖台阶法上断面开挖台阶法上断面开挖台阶法上断面开挖分部开挖法是开挖软弱岩层或土层隧道的一种施工方法，主要适用于隧道断面较大或围岩稳定性较差的条件下。它将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖。导坑的作用主要是超前探察前方岩体的工程地质条件。先行开挖形成的坑道称为“导坑”“导坑超前开挖法”分部开挖法1.环形开挖留核心土法特点：①留核心土支顶工作面，稳定性优于超短台阶法：②进度慢。适用于：土质或易坍塌的软弱围岩；小型施工机具。25图6-3环形开挖留核心土法341415出口侧壁导坑台阶法施工中隔壁法（CD）适用于V～Ⅵ级围岩浅埋双线隧道。中隔壁法施工要求：各部开挖时，周边轮廓尽量圆顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；每一部的开挖高度为35m；后一侧开挖应全断面及时封闭；左右两侧纵向间距一般为30-50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形。交叉中隔壁法（CRD）适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩浅埋的双线或多线隧道。采用交叉中隔壁法施工，除满足中隔壁法的要求外，尚应满足：设置临时仰拱，步步成环；自上而下，交叉进行；中隔壁及交叉临时支护，在灌注二次衬砌时，应逐段拆除。圣哥达隧道的木支撑“传统矿山法”是采用木构件或钢构件作为临时支撑，抵抗围岩变形，承受围岩压力，获得坑道的临时稳定，待隧道开挖成形后，再逐步地将临时支撑撤换下来，而代之以整体式单层衬砌作为永久性支护的施工方法。它是人们在长期的施工实践中逐步自然发展起来的。6.3传统矿山法（一）概述（二）传统矿山法施工的基本程序（三）传统矿山法施工方法●全断面法●台阶法●漏斗棚架法●蘑菇形法●上下导坑先拱后墙法，等。仅选择传统矿山法中具有代表性的上下导坑法予以介绍，以资与新奥法施工对照。Ⅴ下导坑15～20＞5011Ⅷ76Ⅹ9442图6-6上下导坑先拱后墙法(单位：m)15～2015～2015～20上导坑落底上导坑扩大立模板灌注砼20～3015～2030～40养生7～10天挖中层漏斗4～64～63246ⅤⅩ挖马口砌边墙Ⅷ793上下导坑先拱后墙法优点：①有拱圈保护，安全；②有两个导坑，有利于通风、排水与运输。缺点：①两个导坑增加了造价；②边墙须开挖马口，进度慢。适应于：Ⅴ、Ⅳ级围岩。名词解释：挖马口～在“先拱后墙法”施工中，开挖边墙的工序。隧道中线衬砌边墙衬砌边墙挖马口示意图111112222221上下导坑法施工（四）新奥法与传统的矿山法的主要区别这不仅仅是技术手段上的不同，更重要的是对工程问题认识的不同、理论解释的不同和施工原则的不同。新奥法与传统的矿山法的主要区别在于支护方式的不同。新奥法的锚喷初期支护与传统矿山法的钢木构件临时支撑相比较，具有显著的灵活性、及时性、密贴性、深入性、柔韧性、封闭性等工程特点。它强调采用锚喷支护，而不大量采用钢、木支撑；强调要及早闭合支护环；提倡采用复合式衬砌，而不是采用刚度较大的单层衬砌；要求加强施工量测等。它是人们对隧道及地下工程问题认识和理解的一次重要进步，也是人们对隧道及地下工程理论的继承和发展。6.4.1洞口段的概念指洞口浅埋段，即开挖可能给洞口地表造成不良影响的范围。6.4洞口段施工方法图6-7洞口段的一般范围洞门位置明暗交界明洞段洞口段HH--深浅埋分界处覆盖层厚度，约为2～2.5倍天然拱高度。洞口段施工中最关键的工序就是进洞开挖。隧道进洞前应对边仰坡进行妥善防护或加固，作好排水系统。(1)在场地清理作施工准备时，应先清理洞口上方及侧方有可能滑塌的表土、灌木及山坡危石等。(2)洞口施工宜避开雨季和融雪期。(3)洞口部分圬工基础必须置于稳固的地基上。(4)洞门拱墙应与洞内相邻的拱墙衬砌同时施工连接成整体，以确保拱墙连接良好。洞门端墙的砌筑与回填应两侧同时进行，防止对衬砌产生侧压。(5)洞口段洞身施工时，应根据地质条件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素选择开挖方法和支护方式。(6)洞门完成后，洞门以上仰坡脚受破坏处，应及时处理。洞口段施工注意事项:影响施工方法的因素：●施工机具配备情况●洞外相邻建筑的影响●地形条件●地质条件---最为重要！按地质条件，有以下几种施工方法：1.全断面法进洞适应于：Ⅱ、Ⅰ级围岩。注意事项：初始10～20m区段的开挖，应将爆破进尺控制在2～3m。6.4.2进洞方法视地质条件，严格控制爆破进尺：⑴Ⅳ、Ⅲ级围岩～短台阶爆破进尺1.5m～2.5m；网、锚、喷支护。⑵Ⅴ、Ⅳ级围岩～短台阶爆破进尺在1.5m以内；超前锚杆(或小导管)，钢拱架。⑶Ⅵ、Ⅴ级围岩～超短台阶进尺0.5～1.0m；不爆破