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隧道工程施工现状及发展趋势一、隧道的概念及种类1隧道的概念狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工程建筑物。广义定义：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。按不同的分类方式不同的分类方法：土质隧道按所处的地质条件：石质隧道2隧道的分类浅埋隧道按隧道的埋置深度：深埋隧道山岭隧道按所处的地理位置：水底隧道城市隧道交通类隧道按用途分类水工隧道市政隧道铁路隧道公路隧道地下铁道航运通道人行通道引水隧洞尾水隧洞导流(泄洪)隧洞排沙隧洞给水隧道污水隧道管路隧道线路隧道人防隧道矿山隧道运输巷道给水巷道通风巷道共同沟水底隧道其它分类•按断面形状分，有圆形隧道、拱形隧隧道、卵(蛋)形隧道、矩形隧道等；•按衬砌结构分，有直墙式衬砌隧道、曲墙式衬砌隧道等；•按隧道内铁路线路数分，有单线隧道、双线隧道和多线隧道等。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。二、隧道施工概述隧道施工是施工方法、施工技术和施工管理的总称。开挖基坑修筑衬砌回填土石恢复路面1、明挖法方法概述(一)施工方法明挖顺作施工步骤(a)基坑围护(b)开挖及第一道撑(c)开挖(d)结构施工(g)恢复路面(e)埋设物放置(f)回填演示优点工程进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入，根据需要可以分段同时作业。方法简单，技术成熟；浅埋时工程造价和运营费用均较低，能耗较少。•对地面环境影响大，噪音、粉尘及废弃泥浆等的污染。缺点•外界气象条件对施工影响大；•在饱和的软土地层中，深基坑地面沉降难控制，土坡的纵向稳定成为威胁工程安全的重大问题。分类敞口明挖有围护结构的明挖地下连续墙灌注桩钢板桩土钉墙施工场地狭窄，土质自立性较差，地层松软，地下水丰富，建筑物密集的地区。适用范围地面开阔，周围建筑物稀少，地质条件好，土质稳定且在基坑周围无较大荷载，对基坑周围的位移和沉降无严格要求的情况。敞口明挖具有围护结构的明挖地下连续墙钻孔灌注桩钢板桩返回2、盖挖法方法概述修筑围护开挖顶部土体修筑盖板回填并恢复路面开挖下部土体修筑底板及内部结构优点简化施工程序，降低工程造价。可免去或减少施工时的水平支撑系统。占地宽度比明挖法小，无振动和噪音。可最大限度地减少地面交通的干扰。缺点①施工工序复杂，交叉作业多。②出土不方便。③板墙柱接头多，防水困难。④工效低，速度慢。⑤结构完成前，中间立柱承受荷载有限。分类盖挖顺作法盖挖逆作法盖挖半逆作法适用于施工地段交通繁忙，要求阻断交通时间短，多用于松软地层中修建地下多层建筑物。适用范围3、新奥法及浅埋暗挖法方法概述超前支护(必要时)钻爆(小型机械或人工开挖)钢架、喷锚联合支护防水层模筑混凝土演示优点对地面干扰小。缺点不方便机械化作业;工人劳动强度高;工作条件恶劣;风险大;分类全断面法台阶法中隔壁法交叉中隔壁法双侧壁导坑法洞桩法中洞法4、盾构法方法概述开挖竖井安装盾构机开孔出发盾构推进拼装管片、注浆到达另一竖井盾构施工录像盾构法施工概貌图螺旋输送机车站碴土储舱和料斗龙门吊车泥浆处理设备竖井皮带运输机盾构机管片运输车泥浆注入车斗车电瓶车优点在松软含水地层中修建埋深较大长隧道具有技术、经济优势。可在盾构支护下安全开挖、衬砌；掘进速度快，劳动强度低；不影响地面交通或航运；不受季节、气候影响；无噪声和振动；缺点价格昂贵；(4-8千万元人民币)②③机械设备复杂；工艺繁琐，需专业队伍。分类全开敞式半开敞式密封式泥水式土压式最适用于松软含水地层长隧道，及江河中的水底隧道。适用范围局部气压5、沉管法(又称预制管段沉放法)方法概述预制场制作管段拖运至隧址沉放管段管段水下连接覆土回填内部设备安装沟槽浚挖、支座设置优点管段制作采用预制方式，且浮运与沉放的机械装置大型化，对施工安全与大可制作出质量均匀且防水性能良好的隧道结构。沉放隧道的密度小，地层的承载力几乎不成问题。隧道可以埋在最小限度的深度上，从而使隧道的全长缩短至最小限度。断面隧道的施工都较有利，且大大缩短了工期。缺点各种作业需依靠机械完成，且需考虑管段的稳定、航道的影响等。适用于跨越江河湖海，软地基。适用范围沉放管段底面与基础密贴的施工方法还应继续改进，以免沉陷与不均匀沉降的产生。不均匀沉降和防水等问题。6、掘进机法用隧道掘进机切削破岩，开凿岩石隧道的施工方法。演示优点安全快速经济省工与降低劳动强度排碴容易有实现远距离操作和自动化的可能性缺点一次投资大，尺寸重量大，机器较复杂对岩层变化的适应性差开挖的隧洞断面局限于圆形，对于其他形状的断面，则需进行二次开挖。能耗大7、顶进法用于穿越交通繁忙道路、铁路、地下管网等障碍物，不中断交通。顶进法施工千斤顶后背滑板箱涵隧道施工方法的选择：依据：工程地质和水文地质条件；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。同时：所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。序号施工方法环境场地要求优点缺点1明挖法施工场地要开阔，附近建筑物较少，地层为软岩或土体。进度快，工作面大，便于机械和大量劳动力投入破坏环境生态，影响交通，带来尘土和噪声污染2盖挖法施工地段交通繁忙，要求阻断交通时间短，多用于浅埋地铁车站占用场地时间短，对地面干扰小，安全施工工序复杂，交叉作业，施工条件差3钻爆法（传统矿山法）施工地段为岩石或坚硬土体对地面干扰小机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大4浅埋暗挖法(新奥法)软弱地层，有时需对地层进行超前预支护或预加固对地面干扰小，造价较高，便于小型机具作业机械化程度低，劳动强度高，环境恶劣，风险大5盾构法施工地段为城市软弱地层对地面影响小，机械化程度高，安全，工人劳动强度低，进度快机械设备复杂，价格昂贵，施工工艺繁琐，需专业施工队伍6沉管法跨越江河湖海，软地基造价高，速度快，隧道断面大占用航道，要有专门的驳船、下沉、对接机具，水下作业，风险大7掘进机法(TBM)施工地段为坚硬岩石地质速度快，机械化程度高，安全，对地面无干扰造价高，技术复杂，刀具易磨损8顶进法传统交通繁忙道路、地面铁路、地下管网等障碍物地区不中断地面交通需较大场地各种方法的比较施工方法选择需要考虑的因素①工程的重要性。一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；②地质和水文条件，其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。③施工技术条件和机械装备状况实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本的因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。④施工中动力和原材料供应情况；⑤隧道的横断面积隧道横断面的形状和尺寸，对施工方法选择也有一定的影响。⑥隧道的埋深隧道的埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，在同样的地质条件下，由于埋深不同，施工方法也有很大差异。⑦工期作为设计条件之一的工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因此，工期决定了在均衡生产的条件下，对应配备的开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。⑧工程投资与运营后的社会效益和经济效益；⑨施工安全状况。⑩有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。当隧道施工对周围环境产生不良影响(如爆破震动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等)时，环境条件也成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在某些条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。(二)施工技术(三)施工管理隧道施工方法所需的技术方案和措施隧道穿越特殊地质地段时的施工手段施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法对围岩变化的监控量测方法施工组织设计施工中的技术管理、计划管理、质量管理、经济管理和安全管理等问题。山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法。将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统的矿山法”；而将采用施工动态监测指导下钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。(一)传统矿山法和新奥法新奥法即奥地利隧道施工新方法(NewAustrianTunnellingmethod－NATM)，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。二、矿山法发展状况由于锚喷支护技术的应用和发展，导致隧道及地下洞室工程理论步入到现代理论的新领域，也使隧道及地下洞室工程的设计和施工更符合地下工程实际，即设计理论－施工方法－结构(体系)工作状态(结果)的一致。核心内容：充分保护和利用围岩的承载能力。施工要点：控制爆破、锚喷支护和施工监测。实施方法：设计、施工和监测三位一体的动态模式。新奥法施工流程施工准备确定施工方案开挖初期支护量测监控是否符合管理基准？防水隔离层二次支护竣工是修改施工方案改变开挖方法和顺序修正支护参数否新奥法施工的基本原则少扰动，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。早支护，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。勤量测，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。紧封闭，一方面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。另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。新奥法的思想设计思想：定量计算（地层结构、荷载结构、特征曲线计算模式）、经验类比、定型设计、动态设计。开挖方法：多分部，洞室越小越稳定。控制依据：以收敛变形为主的施工效果，允许变形、控制有害变形，充分利用围岩的能力，节省支护工程量。新奥法与传统矿山法的比较•围岩荷载：塌落拱（规范）公式，围岩特性曲线•利用与保护围岩：相同•允许变形：控制有害变形相同•设计：一步到位，动态•施工方法：相同•监测手段：支护后收敛变形(二)新意法-隧道岩土控制变形分析工法基本术语1、超前核心土：是隧道掌子面前方一定体积的土体，呈圆柱形，圆柱体的高度和直径大致等于隧道直径。2、掌子面挤出变形：挤出变形发生在掌子面表面，沿隧道水平轴线方向发展，其几何形状大概呈轴对称(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋状突出；挤出变形的大小取决于超前核心土的强度、变形特征及其所处的原始应力场；3、隧道预收敛：是隧道掌子面前方的理论轮廓线的收敛变形，完全取决于超前核心土的强度及变形特性与其原始应力状态间的关系。(一)基本原理开挖施工引起开挖面及前方一定范围内围岩应力重分布。开挖后围岩变形也在扰动区域内提前发生。隧道施工变形由三部分组成(掌子面挤出变形、预收敛变形及收敛变形)，而所有变形及变形引起的不稳定现象均直接或间接与掌子面前方超前核心土的强度有关。通过人为调节和改良超前核心土强度可以调节隧道变形量级，并将超前核心土作为稳定围岩的工具。当开挖面前方围岩的应力状态处于弹性范围内时，在开挖轮廓线附近产生弹性变形，称为“拱部效应”，这时开挖面处于稳定状态；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应如果开挖后围岩处于弹~塑性状况，开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形，“拱部效应”将从开挖轮廓周围往外移到地层中，但此“转移”可以通过足够的支护措施来实现和控制；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应如果开挖后围岩产生破坏~滑移的应力状态，围岩大变形随之产生，围岩极不稳定，“拱部效应”难以形成，极易引起坍塌。这时必须采取人工支护措施协助围岩形成“拱部效应”。图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应