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隧道施工技术质量管理长安大学公路学院隧道与岩土工程系李宁军一、隧道施工关键步骤施工测量——开挖掘进——支护衬砌(一)施工测量1、分地表控制测量和洞内控制测量地表控制测量主要复核设计单位交付的洞外中线方向和长度以及水准基点高程等;洞内控制测量则将校核过的洞口投点,引伸入洞。现场施工人员主要负责洞内控制测量和施工测量。在大量的地下工程实践中,人们普遍认识到,隧道及地下洞室工程,其核心问题,都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖,才能更有利于洞室的稳定和便于支护;若需支护时,又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。50年代提出的现代支护理论,或称为“岩承理论”。其核心内容是:围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力;不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的,如果在这个过程中提供必要的帮助或限制,则围岩仍然能够进入稳定状态。2、隧道洞内控制测量精度要求长度不小于1000m的直线隧道和500m的曲线隧道,采用中线法测量时应根据各测量部位贯通中误差的分配值按下表进行检核。测量部位横向中误差高程中误差两开挖洞口间长度(km)<44~88~1010~1313~1717~20洞外3045609012015018洞内40608012016020017洞内洞外总合5075100150200250253、隧道控制测量的一般规定①洞外控制测量应在每个洞口附近测设不少于三个平面控制点和两个水准点,作为洞内测量的起测依据;②洞口投点应便于施工中线放样测量;③各级导线测量的测角精度和测角回数,符合规定;④方向观测法各项限差,符合规定;⑤使用光电测距仪时,距离及竖直角应往返观测各两测回,距离每测回读数三次,其各项限差符合规定。4、洞内导线布设的一般要求①洞内导线的视线应离建筑物、支撑及其它设备一定距离,一般不小于0.2m,故常沿中线布设,或沿中线的一侧布设。②每一期测量的洞内导线,应构成角度闭合条件,以供检核和评定测角精度.单导线的导线角宜按左、右角分组观测。③导线边长应根据洞内导线测量设计要求布置。衬砌地段通视良好时,宜采用设计边长二倍以上的长边导线。④当导坑用中线法延伸的长度大于二倍导线设计边长时,一般可考虑进行一次(即一期)导线引伸测量(常称“引线”)。一个导线环的测角站不宜多于6站,测站较多时,应组成毗连的两个或多个环。⑤洞内导线点采用混凝土包铁芯桩(不可用铁板、短钢轨代替铁芯)。桩顶面较导坑底面约低0.1~0.2m,上面加木板覆盖。在桩位两侧坑道壁上须将点名、里程标注清楚,以利保护和使用。5.洞内施工中线测量方法隧道施工中的线路中线测量包括直线和曲线两种,根据施工步骤又可分为临时中线和正式中线。坑道中线的延伸方法见下表。方式中线线形测量方法测量要点冲线延伸直线依据经纬仪测设在支撑横梁上的三个已知中线点,目测向前瞄线定方向并用尺量出长度和偏距,以确定新的中线点。延伸长度不宜超过30m。用于导坑临时中线测设,冲线点的间距约5m。曲线延伸常用弦线偏距法、方向距法和长弦支距法。延伸长度不宜超过20m。经纬仪延伸直线当冲线延伸至20m或30m时,使用经纬仪定正前端临时中线点;仪器定正若干次达到设置一个正式中线点的长度时,则需测设正式中线点。正式中线点的点间距一般为100~200m,临时中线用正倒镜拨角分中定点,距离可用皮尺丈量;正式中线用两次正倒镜拨角分中定点,距离用钢卷尺丈量。曲线延伸常用切线偏角法、弦线偏角法。正式中线点的点间距一般为50~70m,激光导向直线在经纬仪导向网路上用以准直方向、指示掘进机械工作的正确位置。曲线激光仪的导向网路按方向距测设图形布置。激光仪安置在方向角的交点上,按割线方向准直;导向行程一般在20m至80m之间;行程上各点的偏移量按弦线支距(矢距)法计算,也可用长弦支距法计算。6、洞内施工水准测量的要求施工水准测量主要用来掌握开挖和衬砌的高程。当隧道短于5km时,施工水准测量还要保证隧道高程贯通精度;大于5km的隧道需按测量设计进行洞内水准控制测量,施工水准测量则在控制水准测量的基础上施测。一般要求有:①洞内水准点间距一般在200m至500m之间。当衬砌工作面较多时,需事先将水准点加密,大约每100m一点,使其在任何部位置镜时能直接后视水准点传递高程。②洞内水准测量的起算高程,必须采用洞外水准测量结果的高程或洞外水准施工复核测量后的高程。③短于5km的隧道,按五等水准测量,即每公里水准测量高差中数中误差不大于±7.5mm。④建立施工水准点的观测方法仍是路线水准往返观测。水准点用道钉或螺栓埋设在大小避车洞底部或边墙下部。⑤结合施工的特点和需要,应在拱部、边墙施工地段至少每100m设一个临时水准点;临时水准点仅用于坑道掘进,不能作为衬砌工程依据,各中线点的高程则由水准基点引测;⑥加密临时水准点可往返观测,也可用双转点法—次观测,但必须闭合在已知水准点上。⑦根据设计纵断面图,按里程算出隧道底部、路面水平、起拱线、扩大腰线、内拱顶水平等各部位每10m的标高,供施测时查用。在起拱线上lm处沿前进方向伸延,用红漆划线标示,作为立拱架掌握起拱线的高程;在边墙两侧标出路面水平,作为铺底(或仰拱)水沟、电缆槽、大小避车洞等施工之用。(二)施工掘进1.选择隧道开挖方式隧道的开挖方式指将岩块脱离母岩所耗能量种类和方式,有爆破、机械和人工开挖等。在对开挖方式选择时,要充分考虑到地层条件、隧道的规模、隧址的区域条件,要从施工性、经济性方面进行考虑,选择安全的方式。必须考虑到地质条件、可能出现的涌水、可供选择的开挖方法、隧道埋置深度、对无邻近建筑物有无影响、对周围居民的振动和噪音问题等。要尽量注意使地层不产生有害松弛爆破开挖,由于存在较严重的振动和噪音问题,多用于埋深较大、离开城镇的岩石隧道,该开挖方式具有费用低、施工效率高的特点,须采用尽可能减少围岩松弛和超挖的爆破方法。机械开挖,比爆破开挖的振动和噪音小的多,适用于环境保护要求高、地表沉降限制严的区间开挖。要以施工长度、断面形状、机械进出通道、岩石强度、涌水等各种条件为基础,充分研究机械开挖的施工性和经济性。人力开挖,因有施工效率差的缺点,所以限于不能使用机械开挖或爆破开挖的场所,多用于地层稳定性差、必须小断面分部开挖的未固结地层。2.选择开挖方法开挖方法关系到施工的安全性和经济性,须充分考虑隧道断面的大小与形状、地层等条件,选用能最大限度地利用围岩本来具有的承载能力、不使围岩出现有害松弛、开挖断面尽可能大的开挖方法。另外,选用的开挖方法应能容易适应所预料到的地质变化、涌水等现象,不需中途大幅度改变开挖方法。具有代表性的开挖方法如下:①全断面施工法。对于断面小、围岩稳定的隧道,因掌子面集中,容易进行施工管理;断面大且围岩稳定的隧道,开挖和支护均可用大型机械,施工效率高。开挖过程中如遇不良地质,可采用辅助施工法就能很好掘进,当掌子面不自稳,可改用浅台阶的全断面施工法,浅台阶长度为2~6m。不过,对围岩条件变化的适应性差,在施工过程中要改变施工方式很困难。②上半断面超前施工方法。是一种上下分割开挖断面,上半断面超前的施工方法。超前长度30~50m的称为短台阶法,而把超前长度为50—100m以上的称作长台阶法。短台阶法适用于地质条件较差的场所,与长台阶法相比能较早的形成隧道断面闭合、可减小隧道变形。长台阶法的上下断面施工干扰较短台阶法小,适用于地质条件较好的场所。这种施工方法,需要特别注意上下半断面联络斜坡道的设置,对于施工的机械、材料的输送须充分考虑细节问题。在掌子面的稳定性差的地层中进行大断面开挖的场合,可并用多段浅台阶施工法和环形开挖法。③导坑超前施工方法。按导坑的设置位置,可分为侧壁导坑法、下导坑法、上导坑法、中央导坑法。让导坑超前,可掌握地层状况,有先行对涌水进行处理的优点等,是一种安全的施工方法。其中侧导坑超前法是在断面比较大、围岩支持力不够的情形下,以及在覆盖层薄的的区段极力要限制地表下沉的情况下使用的。④隔墙分割施工法(CD施工法)。是将隧道断面分为左右两大半进行开挖的方法,在土砂、软岩掌子面自稳性很差的地层,在大的偏平断面的隧道和浅埋土的地方必须抑制地表下沉的场合等而采用。这种施工方法,在后进的断面开挖时要慎重地进行顶部支撑的接合,要确认荷载从隔墙移到外侧的支撑上去之后,方可依次拆除隔墙。3.隧道开挖时需进行观察为了即早发现和避免冒顶、涌水、瓦斯等灾害的出现,需要每天对开挖地点及其周边的围岩变化和支护变形进行观察,并将其结果进行记录。通常需进行的调查有:①掌子面的岩性变化、结构面组合及其稳定状态等。②掌子面的含水状态或涌水量、涌水压力、涌水的污浊度。③洞内的氧气浓度、二氧化碳浓度、可燃性气体浓度、有害气体浓度的测量。④已施工区间的围岩及支护的动态表现,特别要关注裂隙、裂缝、错位、挤入等现象的出现和发展。⑤隧道开挖影响范围内地表面、地上的建造物及洞口的状况,包括地表开裂、沉降、滑动,以及由此引起的地表结构物的破损。⑥隧道附近河流的流量、泉眼的出水量和水井的水位等变化。⑦爆破后及地震后洞外浮石和洞内裂隙、漏水等的状况。如对围岩动态的观察结果表明采用的施工法不能确保施工安全,或者判断出明显地会给周围环境造成恶劣影响,必须即时采取措施防止灾害的发生,并变更施工方法。4.编制爆破计划的注意事项编制隧道开挖爆破计划时应注意以下事项:①充分考虑围岩条件、隧道断面的尺寸及形状、开挖方法等,使爆破对围岩扰动尽量小,且能炸出超挖量少的平滑开挖面,一般尽量采用光面爆破。必须设计成在爆破时不让飞散的岩石等对已施工部分和洞内临时设施造成损坏。②仔细研究炮眼长度和直径、掏槽方式、炮眼布置、炸药种类及使用量、雷管的种类、爆破顺序等爆破参数与爆破效果之间的关系,必要时要进行试验爆破,在综合判断的基础上制定爆破计划。特别是爆破进尺,应在研究岩质、裂缝状况、风化程度等围岩条件及掌子面自立性的基础上确定。爆破要素与爆破结果之间的关系见表所示.爆破要素石碴大小碴堆状态超挖量爆炸产生气体量围岩松弛开挖面平滑度振动噪音爆破进尺○○掏糟方式○○炮眼布置○炸药种类○炸药用量○○○○○周边眼距、用药量○○○爆破顺序○注此表显示的是比较密切的关系。③要考虑爆破造成的振动和噪音给地面及地下构造物、民宅、其他设施造成恶劣的影响。另外,对于民宅除爆破振动外,还有爆破声和低频空气振动问题。④熟知有关爆破作业和火药类管理的规定,编制详细的正确爆破作业规程。5.爆破钻孔应注意事项①钻孔前,要对掌子面进行检查、清除危石、确认残留炸药回收干净,以防止钻眼时发生掌子面落石、钻入残留炸药而引爆等事故。②禁止无关人员进入清除危石及钻孔作业的地方③须十分注意炮眼的位置和方向是否与爆破计划符合、炮眼的布置是否适应地层条件、炮眼深度是否不一致等情况。④不准许在前一轮残眼中继续钻眼,以防止万一发生引爆事故。⑤钻孔作业中,要充分注意异常的钻孔速度、钻孔排水的颜色和水量、凿出的岩屑,因在大多数场合中都能据此查知到一定程度的异常涌水、瓦斯喷出、地质变化等。⑥选择钻眼机械时,有必要考虑岩质、隧道断面的尺寸和形状、隧道长度、开挖方法、掏槽方式、爆破进尺、装碴及运输方法、锚杆施工方法、工期等条件。此外,钻钎的直径、长度、材料性质及钻头种类、规格、材料性质等组合应与钻孔机械、岩质、钻眼长度及直径相适应。6.爆破装药应注意事项①装药前应检查钻孔有无塌孔、孔深是否一致,还要检查掌子面有无浮石。特别是在有涌水的掌子面,更容易产生浮石及孔壁粗糙,故应引起作业人员的高度重视。②在使用电雷管时,应采用规定的仪器和报警器确认场地的杂散电流、漏电等强度都在安全范围内,还必须禁止穿化纤等衣物以防发生静电放电。在有杂散电流的场合和有可能发生雷击时,必须中断装药作业,或采用非电起爆方式。③在搬运电雷管时,不能将其脚线露出;电雷管的脚线除联线时,应经常处于短路状态;铺设爆破母线时,要远离电灯线、动力线及其它有漏电危险的带电线路;在连接电雷管脚线前必须进行检查母线,不应出现断线、漏接线、错误接线等现象,不要让母线接触地上轨道、管子或有漏电可能的地方;母线连接后,要在安全地点进行导通试验,在全体人员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