隧道施工及质量控制

隧道施工及质量控制邵祥文2013年11月第一章隧道的概念和作用隧道通常指用作地下通道的工程建筑物。一般可分为两大类：一类是修建在岩层中的，称为岩石隧道；一类是修建在土层中的，称为软土隧道。岩石隧道修建在山体中的较多，故又称山岭隧道；软土隧道常常修建在水底和城市立交，故称为水底隧道和城市道路隧道。埋置较浅的隧道，一般采用明挖法施工，埋置较深的隧道则多采用暗挖法施工。用作地下通道的有道路隧道、水底隧道、城市道路隧道、地下铁道、铁路隧道和航运隧道等。隧道在山岭地区可用做克服地形或高程障碍，改善线形，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间，减少对植被的破坏，保护生态环境；还可用做克服落石、坍方、雪崩、雪堆等危害。在城市可减少用地，构成立体交叉，解决交叉路口的拥挤阻塞，疏导交通。在江河、海峡、港湾地区，可不影响水路通航。修建隧道既能保证路线平顺、行车安全、提高舒适性和节省运费，又能增加隐藏性、提高防护能力和不受气候影响。隧道是地下工程建筑物，为保持坑道岩体的稳定，保证行车安全，通常需要修筑主体建筑物和附属建筑物。前者包括洞身衬砌和洞门，后者包括通风、照明、防排水、安全设备等。洞身衬砌的作用是承受围岩压力、结构自重及其它荷载，防止围岩风化、岩塌和洞内的防水、防潮等。洞门的主要作用是防止洞口坍方落石、保持仰坡和边坡的稳定。通风照明、防排水、安全设备等的作用是确保行车安全、舒适。隧道衬砌在结构计算理论和施工方法两方面与地面结构相比有很多不同之处。最主要的是埋置在地层内的衬砌结构所承受的荷载比地面结构复杂。所以在设计衬砌时除计算复杂多变的围岩压力外，还要考虑衬砌与围岩的相互作用。隧道施工与地面建筑物也不同，空间有限，工作面狭小、光线暗，劳动条件差，给施工增加了难度。第二章隧道施工的基本概念隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。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：山岭隧道施工方法矿石法（钻爆发）掘进机法新奥法传统矿石法浅埋及软土隧道施工方法明挖法地下连续墙法盖挖法浅埋暗挖法盾构法水底隧道施工方法沉埋法盾构法隧道施工方法隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施（如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施）；隧道穿越特殊地质地段时（如膨胀土、黄土、溶洞、塌方、流沙、高地温、岩爆、瓦斯地层等）的施工手段；隧道施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的量测监控方法。隧道施工管理主要解决施工组织设计（如施工方案的选择、施工技术措施、场地布置、进度控制、材料供应、劳力及机具安排等）和施工中的技术管理、计划管理、质量管理、经济管理、安全管理等问题。由于地质勘探的局限性和地质条件的复杂性及多变性，隧道施工过程中经常会遇到突然变化的地质条件、意外情况（如塌方、涌水等），原制定的施工方案、施工技术措施和施工进度计划等也必须随之变更。第三章隧道施工技术的发展伴随着20世纪世界科学、技术、经济的发展，交通运输、水利、水电、采掘，特别是城市地下交通及空间利用等，对隧道工程在数量和难度上提出了更高的要求。大规模的地下工程建设促进了隧道修建技术的进步。大量的锚喷支护工程实践和岩石力学的迅速发展，导致了现代支护理论的建立，在此基础上出现了新奥法、挪威法及浅埋暗挖法等更有效的施工方法；用现代技术装备的掘进机和盾构能够适应从坚硬岩层到软弱含水地层的各种掘进条件，其可靠性、耐久性、机动性及掘进的高速度，使其在隧道工程施工中得到日益广泛的应用；冲击钻头的改进及全液压钻孔台车的出现，大能力装渣、运渣设备的开发，新型爆破器材的研制及爆破技术的完善，改善围岩条件及支护技术的进步等，极大地改良了施工环境和提高了掘进速度，使钻孔爆破法的掘进技术得到更新；水底沉埋隧道施工技术的发展为穿越江河、海湾提供了新的有效手段。1984年建成的日本横跨津轻海峡的青函隧道（长53.85Km）和1991年建成的英法海峡隧道（长50.50Km），无论从工程规模、复杂性，还是在应用新技术方面，都代表着20世纪世界隧道施工的水平。我国隧道工程建设历史悠久，但在1949年以前，隧道规模较小，修建技术也比较落后。中华人民共和国建立后，随着各项建设事业的发展，修建了大量的隧道工程，施工技术也有了很大提高。目前我国隧道工程矿山法施工中已较普遍的采用了新奥法；岩石中隧道施工除采用钻爆法掘进外，也已开始采用掘进机施工；城市等浅埋隧道明挖或盖挖法施工中开始使用了地下连续墙，暗挖时采用的盾构法及浅埋暗挖法已具有较高的技术水平。我国拥有的铁路隧道数量已超4000Km，居世界第一位。我国也是以沉埋法修建水底隧道座数较多的国家之一。随着我国公路建设的发展，特别是高等级公路在我国的兴起，我国公路隧道在数量与规模上有很大发展，修建技术，特别是在克服复杂环境条件的能力上，有很大提高。1995年开始修建的秦岭特长隧道（长18.50Km）将在我国隧道修建技术上取得新的突破。20世纪后半期隧道修建技术与现代化管理方法的发展，为今后我国修建长大隧道及克服各种困难条件的隧道工程奠定了基础。我国是幅员广大、地质复杂、多山的发展中国家，城市化交通处于起步阶段，大规模的水利及交通事业方兴未艾，隧道事业必将有更大的发展。•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.1明洞工程施工•4.2洞身暗挖施工•4.3洞口地段施工•4.4隧道洞门施工•4.5初期支护•4.6仰拱施工•4.7衬砌施工•4.8防排水施工•4.9超前地质预报•4.10地层加固•4.11隧道监控量测•4.12隧道附属工程•4.13超前小导管施工•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.1明洞工程施工•4.1.1一般规定•4.1.2施工要求•4.1.3明洞的病害及其防治•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.2洞身暗挖施工•4.2.1方案设计•4.2.2中隔壁法（CD法）•4.2.3交叉中隔壁法（CRD法）•4.2.4双侧壁导坑法•4.2.5弧形导坑预留核心土法•4.2.6正台阶法•4.2.7全断面开挖法•4.2.8CD、CRD等施工方法的相互转换••第四章分项工程施工方案及注意事项•4.2洞身暗挖施工•4.2.1方案设计•按新奥法原理组织施工，并要根据不同围岩级别及周边环境选择相应工法，应根据监控量测结果，适时施作二次衬砌。•（1）对于软弱围岩严格按照：“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则组织施工；•（2）对于一般围岩严格按照：“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则组织施工；•（3）黄土隧道施工严格按照“严控水、强支护、短进尺、勤量测”的原则组织施工，应特别注意地表冲沟、陷穴对隧道的影响，要加强调查和处理。•（4）石质隧道破碎带按照“先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则进行组织施工。•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.2洞身暗挖施工•4.2.2中隔壁法（CD法）•CD法是在软弱围岩大跨度隧道中，先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法，主要应用于双线隧道Ⅳ级围岩深埋硬质岩地段以及老黄土隧道（Ⅳ级围岩）地段。基底加固图1CD法施工工艺流程图测量放线左侧拱部超前支护左侧上部开挖、出碴左侧上部、上部中隔壁初期支护、同时进行左侧下部开挖、出碴右侧拱部超前支护右侧上部开挖、出碴超前地质预报围岩监控量测围岩监控量测右侧上部、上部中隔壁初期支护、同时进行右侧下部开挖、出碴左侧下部初期支护右侧下部初期支护底部开挖、出碴，接长临时钢架仰拱初期支护拆除临时钢架、仰拱衬砌仰拱填充施工下一工序围岩监控量测ⅧⅥ⑤④③二次衬砌喷混凝土系统径向锚杆拱部超前支护①②隧底填充仰拱初期支护ф22纵向连接钢筋（图中未示临时钢架）钢架约300约300中壁（CD）法施工工序纵断面示意图Ⅷ2431Ⅵ5钢架约750约450约600Φ22砂浆锚杆(L=2.5m)隧道中线I18临时钢架③④ⅥⅧ②①　　　　约300临时支护之喷混凝土边墙基座初期支护之喷混凝土隧底填充拱墙二次衬砌中壁（CD）法施工工序平面示意图说明：本图尺寸除钢筋尺寸以mm计外，余均以cm计。中壁（CD）法施工工序横断面示意图环向间距1.0mⅥ⑤超前支护图2CD法施工工序图ⅦⅧⅧⅧⅦ约300ⅥⅥⅦ仰拱•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.2洞身暗挖施工•4.2.3交叉中隔壁法（CRD法）•CRD法是在软弱围岩大跨度隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工的施工方法，主要应用于Ⅳ级围岩深埋软质岩、浅埋、偏压地段以及Ⅴ级围岩深埋地段的施工。左侧上部开挖、出碴图3CRD法施工工艺流程图拆除底部临时横撑，底部开挖、出碴，接长临时钢架基底加固仰拱初期支护拆除临时钢架、仰拱衬砌仰拱填充施工下一工序围岩监控量测围岩监控量测测量放线左侧拱部超前支护左侧上部、上部中隔壁初期支护、横支撑施工同时进行左侧下部开挖、出碴右侧拱部超前支护右侧上部开挖、出碴超前地质预报围岩监控量测右侧下部初期支护,必要时架设底部横撑右侧上部、上部中隔壁初期支护、横支撑施工同时进行右侧下部开挖、出碴左侧下部初期支护,必要时架设底部横撑④③①②⑤ⅥⅦⅥⅧⅧⅧⅧⅠ18临时钢架水平锚杆L=3.5mφ22砂浆锚杆（L=2.5m）约750约600约450隧道中线Ⅰ18横撑Ⅰ18横撑(必要时)钢架系统径向锚杆φ50小导管（L＝5.0m）中壁交叉（CRD）法施工工序横断面示意图中壁（CRD）法施工工序纵断面示意图约300300型钢钢架（图中未示临时钢架）ф22纵向连接钢筋，环向间距1.0m初期支护仰拱隧底填充②①拱部ф50超前小导管（L=5.0m），环向间距40cm系统径向锚杆喷混凝土二次衬砌③④⑤ⅥⅦⅧ封闭掌子面中壁交叉（CRD）法施工工序平面示意图拱墙二次衬砌隧底填充初期支护喷混凝土边墙基座初期支护之喷混凝土隧底填充拱墙二次衬砌约300③ⅦⅧⅥ⑤④临时支护喷混凝土约300　　　　①②边墙基座说明：本图尺寸除钢筋尺寸以mm计外，余均以cm计。必要时喷5cm厚混凝土图4CRD法施工工序图封闭掌子面必要时喷混凝土Ⅰ18横撑(必要时)必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面仰拱ⅥⅥ•第四章分项工程施工方案及注意事项•4.2洞身暗挖施工•4.2.4双侧壁导坑法•先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分的方法。该方法主要应用于Ⅴ级围岩浅埋、偏压及洞口地段。架立周边钢架，必要时设底部横撑施作锚喷支护依次开挖⑤⑥⑦部喷砼封闭掌子面，施作锚喷支护，闭合成环开挖⑧部，接长临时钢架，拆除下部横撑拆除临时钢架（5～6m），浇筑仰拱浇筑填充混凝土浇筑二次衬砌施作防水层监控量测开挖②部，进尺同钢架间距图5双侧壁导坑施工工艺流程图清理掌子面，测量放线开挖①部，进尺同钢架间距开挖③部，进尺同钢架间距喷砼封闭岩面喷砼封闭岩面施作洞身锚杆施作洞身锚杆架立钢架、临时钢架及横撑架立钢架、临时钢架及横撑锚喷支护，闭合成环施作超前支护、注浆监控量测监控量测锚喷支护，闭合成环开挖④部，进尺同钢架间距超前地质预报双侧壁导坑法施工工序横断面系统径向锚杆Ⅰ25a钢架必要时设Ⅰ18横撑Ⅰ18横撑φ22水平锚杆18临时钢架Ⅸ⑥②①④ⅨⅪⅪⅨ③⑧⑦φ22水平锚杆约360约360约550约550约450约450ⅪⅨ⑤②①⑦⑧⑥④③拱墙二次衬砌隧底填充初期支护之喷混凝土边墙基座临时支护喷砼临时支护喷混凝土约300300初期支护之喷混凝土边墙基座拱墙二次衬砌300300说明：本图尺寸除钢筋尺寸以mm计外，余均以cm计。双侧壁导坑法施工工序纵断面示意图此段未示初期支护之钢架及临时支护二次衬砌喷混凝土约300喷5cm厚混凝土封闭掌子面喷混凝土封闭掌子面喷砼封闭掌子面系统纵向锚杆必要时喷混凝土封闭掌子面(图中未示临时钢架）钢架，纵向间距0.6