第5.4节 区间隧道的施工

地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工第四节区间隧道的施工一、山岭地区区间隧道的施工二、软土地区深埋隧道的施工三、水下沉管隧道施工四、地铁区间隧道联络通道施工地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工一、山岭地区区间隧道的施工⒈矿山法深埋于坚硬岩体中的区间隧道，采用传统钻爆法或悬臂式和门架式多臂凿岩车钻眼爆破，使用人工或装渣机出渣，大型自卸柴油车运输的开挖方法。又称钻爆法。a.基本工序：钻孔﹑装药﹑放炮散烟﹑出渣﹑支护﹑衬砌。b.辅助工序：测量放线﹑通风﹑排水﹑监测等。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑴钻眼、爆破和开挖①围岩稳定或基本稳定，开挖面不大，采用全断面一次钻爆；②断面高度较大时采用台阶施工法。③地质条件复杂，断面较大，采用导洞施工法。图5－31为某隧道采用导洞法施工程序示意图。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工如图，先掘一定深度(1.5～2.5m)的小断面巷道，然后再开帮挑顶或卧底，将洞室扩大到设计断面。图5-31某隧道开挖顺序图1-下导洞；2-开帮；3-墙部光面层；4-挑顶；5-顶部光面层地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工④采用光面爆破技术，断面较圆滑规则。a.光面爆破对钻眼质量﹑装药的结构及爆破方式要求严格。b.周边眼的最小抵抗线，炮眼间距和装药结构是影响光爆效果的三要素。c.区间隧道的光面爆破通常采用微差爆破法，起爆顺序分为正序起爆和反序起爆。d.正序起爆即先掏槽孔，再辅助孔，最后周边孔；e.反序起爆即先周边孔，再掏槽孔和辅助孔，又称预裂光面爆破。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工施工中光面爆破参数的设计应采用工程类比法或试验方法确定，如无条件试验时，可参照表5－13选用爆破参数。参数岩石单轴抗压强度kb(MPa)装药不耦合系数K周边眼间距E(cm)周边最小抵抗线W(cm)周边孔密集系数m=E/W周边眼装药集中度q(kg/m)硬岩＞601.25~1.555~7070~850.8~1.00.30~0.35中硬岩30~601.5~2.045~6060~750.8~1.00.20~0.30软岩≤302.0~2.530~5040~600.5~0.80.07~0.20光面爆破参数表5-13地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑴对中硬岩石隧道，可采用一次爆破，炮眼深度为3～5m;⑵对于软岩工程，可采用半断面或台阶开挖，一般为1.0～3.0m的浅孔爆破。通常光面爆破效果应达到表5－14的指标。序号项目硬岩中硬岩软岩1平均超挖量(cm)1015102最大超挖量(cm)2025153周边孔痕率(cm)≥80≥604局部欠挖量(cm)5555炮眼利用率909090光面爆破效果表5-14地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑵独臂钻的开挖施工①适用于开挖软岩，速度甚快；②不适用于地下水较多﹑围岩不太稳定的地层。⑶天井钻的开挖施工①专门用来开挖竖井或斜井的大型钻具；②适宜钻通风竖井或钻大型竖井斜井的导洞。⑷喷锚支护及现浇混凝土衬砌1)喷锚支护①锚喷支护多为初期支护，包括锚杆的安装﹑悬挂钢丝网﹑喷混凝土三道工序。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工②锚杆主要三种：全长粘结式锚杆﹑端头锚固型锚杆﹑楔缝式或胀壳式摩擦型锚杆。③喷射混凝土可分为干喷﹑潮喷﹑湿喷三种方式，湿喷工艺流程如图5－32，2)混凝土衬砌图5-32湿喷工艺流程地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑸新奥法1)新奥法(NATM)是新奥地利隧洞施工法的简称。2)新奥法的主要原则是：①充分利用岩体的强度，发挥岩体的自承能力。②正确运用围岩﹑支护共同作用原理，恰当利用岩体蠕变发展规律。③把监测作为必要手段，始终监测支护的位移和压力变化。④强调封底重要性，务必封底。⑤施工﹑设计﹑监测三结合。新奥法的典型施工顺序如图5－33所示。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-33新奥法典型施工顺序(尺寸单位：cm)地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⒉隧道掘进机施工法(TBM法)①隧道掘进机(TunnelBoringMachine)适用于中等坚硬岩石中隧道的施工；②造价高，施工机械化自动化程度高；③我国的秦岭隧道1号线采用了TBM施工，月平均276m，最高月进度达402m。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑴TBM的组成：分为敞开式﹑顶部保护式﹑护盾式。图5－34是英国海峡隧道法国端使用的护盾式掘进机(T2)。⑵掘进机施工作业程序：正常条件下TBM作业程序如图5－35所示。⑶隧道施工存在的问题及对策：造价高﹑使用范围小﹑岩石依赖性大﹑技术要求高地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-34护盾式掘进机改造(T2)地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-35TBM作业程序示意图地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工二、软土地区深埋隧道的施工⒈盾构法盾构机(Shieldmachine)：软土地层隧道施工a.50年代前，手工掘进的闭胸﹑敞胸或网格式盾构。b.60年代末，土压平衡盾构﹑泥水盾构。c.80年代，全自动的现代化盾构。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工(1)盾构的分类和组成1)盾构分类①按照盾构机挖土的方式：手工挖土、分断面机械开挖、全断面开挖三类，如图5－36。②按照开挖面土体支撑保持稳定方法：敞口盾构、机械支撑盾构、气压、液压和土压平衡盾构，如图5－37。③按照开挖土体废料装卸方式的不同，盾构机分为如图5－38的不同类型。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-36盾构机不同的挖土方式a1-敞口；a2-工作平台；a3-带支撑的平台；b1-分断面机械开挖和支撑；b2-可移动的分断面开挖机；b3-累计分断面开挖；c1-带刮刀全断面开挖轮盘支撑开挖面；c2-带刀盘全断面开挖；c3-带滚刀掘进头全断面开挖地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-37盾构开挖工作面平衡系统a)边坡；b)机械支承；c)压缩空气支承；d)泥水压力支随便；e)土压平衡地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-38盾构碴土传输系统地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工④衬砌分为：铸铁管片﹑钢管片﹑钢筋混凝土预制管片和现浇钢纤维混凝土衬砌。2)盾构机基本构造壳体、排土系统、推进系统、衬砌拼装系统和辅助注浆系统。⑵盾构法隧道的施工1)盾构进出工作井①盾构进出工作井前后50m是施工最困难的地段之一。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工②盾构进出工作井必须解决：a.封门材料选择和制作；b.洞周土体的滑移和沉陷；c.盾构水平和竖直方向的偏移。图5－39为盾构机进出工作井的示意图。③洞周加固的方法：a.化学加固方法：注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩等；b.物理加固方法：井点降水疏干土体、冻结等。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-39盾构机进出工作井示意图地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工式中：σt——为深层搅拌加固后土体的弯曲拉伸强度（kPa）；K——为安全系数取1.5；E——朗金土压力公式计算的水土侧压力和；E=Ek+Ew，如图5－40所示。r——r=D/2，D为盾构开挖土体的直径。1252.12－tErkt④对于砂性土体，土体加固的厚度t，可以使用弹性力学的厚板理论计算得出，公式如下：地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-40水土侧压力计算简图地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工进一步采用摩尔包络线破坏条件及塑性松动圈的平衡微分方程，可求出改良土体的宽和高，如图5－41所示。图5-41改良土体宽高示意图地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工对砂性土改良尺寸如表5－15所示。与砂性土体破坏形式不同，利用粘性土体在洞口整体滑移失稳的计算理论，可推导出相应加固土体的厚﹑宽﹑高。DD＜1.01.0＜D＜3.03.0＜D＜5.05.0＜D＜8.0B1.01.01.52.0H11.01.52.02.5H21.01.01.01.0砂性土体改良尺寸表5-15地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工2)开挖工作面稳定分析保持土压平衡盾构开挖面的稳定的方法：①控制土舱压力与开挖面地层压力的差值；②控制排土量。应特别注意调整推进速度和排土量，使压力波动控制在最小幅度，始终保持135)20.1~15.1－（）（wziPPP式中：Pi——密封舱内压力；Pz——侧向土压力；Pw——侧向水压力。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工3)地面沉降的预测和控制①合理选择盾构机型，施工工艺先进，不断优化施工技术参数②关键技术：保持开挖面的稳定和管片脱出盾尾后及时注浆填筑间隙。③引起地面沉降的原因大致分为土体的损失和土体固结。④沉降阶段划分：盾构到达前﹑盾构到达时﹑盾构通过时﹑管片脱出盾尾时﹑长期变形阶段。上海地区盾构推进引起的地面沉降如表5-16。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工发展阶段影响范围隆起或下沉量（mm）隆起或下沉率（mm)点总沉降量（％）产生沉降原因纵向(m)横向(m)盾构到达前≈H+D≈12～158～10±5；5L15±10；3L5+105挤土降水盾构到达1510～14±15L3L’2-1510欠挖挤压土体，超挖土体松弛盾构通过1515L3：-15L’2：+10-2015～20有超挖刀时，沉降10～15cm，盾构带厚泥皮，先隆后沉（盾尾间隙）盾尾脱出1816+10-20：L’4-0.2mm/min20～30注浆不及时、浆液不足、管片变形后期沉降2020～2230T10d：0.1~0.5；T30d：0.05~0.1；T100d：0.001~0.150100后沉降基本稳定，固结沉降上海地区盾构推进引起地面沉降情况表表5-16地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工4)盾构“蛇行”及轴线控制引起盾构偏差的原因有：①盾构前进遇到的阻力不均衡；②盾构制作安装误差；③已拼装的管片圆环质量差；④测量精度不高。5)隧道防水施工地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⒉顶管法顶管法动力来自始发工作井内作用在后背井壁上的分组千斤顶，顶管千斤顶将带有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井井壁。a.顶管法推进的阻力随管道长度增加而增加。b.为克服顶进力不足，管道中间设置中继接力环,并在管道外周压注触变泥浆减少摩擦，如图5－42。c.顶管法比较设适合于内径小于4m或更小的管道。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-42薄膜顶管施工方法原理地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⑴顶管法施工工艺1)第一阶段为工作井(始发井、目标井)的建造、预制管节、顶进设备的安装；2)第二阶段为排土、顶进、安装传力设备、压注润滑剂、测量定位、管道整修。⑵顶管施工的技术难题1)地面沉降。2)轴线和高程控制。3)液压千斤顶顶力和密封性能。4)转变、纠偏定向装置和管节接头技术。通过特殊接口来控制曲线前进方向，如图5－43。5)注浆。在顶进时不断向管外壁压注膨润土泥浆，减少摩擦。6)其他。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工图5-43F形管(壁厚330mm)接头改造示意图地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工三、水下沉管隧道施工沉管隧道是由若干预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安装，并在水下相互连接而成，如图5－44所示。图5-44浮管隧道1-管段制作；2-浮动；3-沉设地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工①美国，1910年，修建底特律河铁路隧道(最早)；1994年，美国共有25条沉管隧道。②20世纪40年代﹑60年代，台湾﹑香港修建了4条海湾隧道；③中国，1992年建成广州珠江隧道；1995年建成甬江隧道。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工沉管法施工工序：⒈地槽浚挖⑴挖浚基槽最常用的挖泥船有：吸扬式挖泥船﹑抓扬式挖泥船﹑链斗式挖泥船﹑铲扬式挖泥船。⑵香港地铁挖浚基槽分两个阶段：①粗挖至离最终设计标高约1m处；②采用平整度较好的2.5～12m3大小不同地抓斗式挖泥机挖到基底。地铁与轻轨第五章地铁与轻轨交通的施工⒉管段的制作①在干船坞内或专门建造的内水湾中预先制作；②利用隧道岸边引道段围堰先作为管段制作场；③管段常为矩形，每节长60～140m,多数为100m左右，最长268m。④美国和日本大多数采用钢壳管段⒊管节的驳运和沉放⑴驳运