隧道施工基本方法

重庆交通大学隧道及岩土工程系2012年11月学习本章目的：（1）掌握新奥法隧道施工的基本方法；（2）掌握不良地质隧道的施工方法；（3）掌握隧道开挖方法和主要支护手段。第10章隧道施工基本方法10.1概述10.2新奥法施工10.3传统的矿山法10.4不良地质条件下隧道施工10.5隧道开挖10.6隧道支撑及衬砌施工10.1概述1、隧道工程特点2、隧道施工应遵循的基本精神和原则3、隧道施工方法及其选择4、隧道施工技术的发展1、隧道工程特点隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道长期地安全使用。其特点可归纳如下：⑴隧道工程全部为隐蔽工程，工程地质和水文十分重要，甚至起决定性的作用；⑵公路隧道是一个形状扁平的建筑物，施工工作面少(正常情况下只有进、出口两个工作面)，工期较长;⑶施工环境差，采取有效措施加以改善；⑷工程施工不受季节变换及气候变化的影响；⑸施工工地一般都位于偏远的深山狭谷之中，往往远离既有交通线，运输不便，供应困难；⑹公路隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改，所以，除了事先必须审慎规划和设计外，施工中还要做到不留后患。2、隧道施工应遵循的基本精神和原则⑴在施工中必须充分保护围岩，避免过渡破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，因此，采用控制爆破技术是必要的；⑵为了充分发挥围岩的承载力，应允许并控制围岩的变形●允许围岩变形达到不在围岩中形成松弛的量级；●必须限制围岩变形，使围岩不会过渡松弛而丧失或大大降低承载力；⑶变形的控制主要通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。因此，在施工中必须合理决定：①支护结构的类型②支护结构参与工作的时间③各种支护手段的相互配合④底部封闭时间⑤1次掘进长度等等；⑷必须在施工中进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计；⑸在施工过程中，必须建立设计－施工检验－地址预测－量测反馈－修正设计的一体化的施工管理系统，以不断的提高和完善隧道施工技术⑹选择支护手段，一般应选择大面积、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段；●多采用喷砼、并与锚杆、金属网联合使用；●要与钢支撑或格栅等配合使用；●临时仰拱也是重要的、不容忽视的支护手段；⑺在可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法；⑻在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的；●必须改变“重视上部结构、忽视底部结构”的观点；●应尽量采用能先修筑仰拱(或临时仰拱)或铺底的施工方法；⑼为保证二次衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。3、隧道施工方法及其选择⑴隧道施工方法一个多世纪以来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法。习惯上将它们分成为：矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。①矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。②掘进机法包括隧道掘进机（TunnelBoringMachine，简写为T．B．M．）法和盾构掘进机法。③沉管法、顶进法、明挖法则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。⑵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施工中动力和原材料供应情况；⑨工程投资与运营后的社会效益和经济效益；⑩施工安全状况，⒒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，在城市条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，仍以采用新奥法为主，这也符合世界潮流。4、隧道施工技术的发展从改革、开放以来，我国铁路、公路、水电站等隧道工程的发展又进入了一个新的时期，这不仅表现在隧道数量的增加，也表现在隧道长度的突破。隧道技术的发展，面临一个新的机遇和挑战，从目前的工程实际，在今后很长一段时间内，钻爆法仍然是修建山岭隧道的主流，因此，改造和完善钻爆法及其相关技术，仍然是刻不容缓的，必须及时总结经验，适应形式发展要求。4、隧道施工技术的发展为了适应我国山岭隧道工程发展的需要并结合隧道工程技术的发展趋势，目前施工中，必须予以关注的问题是：⑴隧道施工方法的标准化、模式化；⑵不断提高单一工作面的掘进速度，减少辅助工程数量，控制超欠挖⑶改善地下作业环境，提高施工效率，减少灾害事故的发生；⑷重视工程质量，加强施工阶段质量检测，以减轻隧道运营后的维修养护工作量；⑸施工中的灾害预测、预防与控制；⑹不断提高施工管理水平，从多方面降低工程成本，提高地下工程可持续发展的效应，使之适应技术发展的需求。实质上，这几点也就是衡量隧道施工水平的重要标志，我们与一些发达国家的技术相比，其差距也就在此。10.2新奥法施工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（NewAstriaTunnellingMethod）”，简称“新奥法（NATM）”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段。10.2新奥法施工10.2新奥法施工以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，通过监测控制围岩的变形，动态修正设计参数和变动施工方法的一种隧道施工方法，其核心内容就是充分发挥围岩的自承能力。新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。1、全断面开挖方法：按隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法，适用于较完整的、坚硬围岩，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩。全断面开挖法工作面设备布置⑴开挖施工程序①用钻孔台车，钻眼，然后装药、联接导火线；②退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；③排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；④用装碴机将石碴装入出碴车，运出洞外；⑤安设边墙锚杆和喷混凝土；⑥必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑦开始下一轮循环；⑧在初期支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。⑵全断面开挖的优点●工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；●工作空间大，便于大型机械化施工；●施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进成洞平均150m左右，高者已接近300m／月。●施工环境较好⑶采用全断面法应注意下列问题：●摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施，以确保施工安全；●各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；●加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；●加强对施工人员的技术培训，增强施工人员对新奥法的理解2、台阶法台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的。●适用条件跨度较大，围岩较破碎的情况。●选择何种台阶法，取决于以下条件：★初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；★上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。⑴长台阶法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。●其纵向工序布置和机械配置如图所示插眼////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////●适用条件：适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。⑵短台阶法分成上下两个断面进行开挖，两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于1~1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。●适用条件适用范围很广，Ⅰ-Ⅴ级围岩都能采用，尤其适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。●优点：短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值●缺点上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。●采用短台阶法时应注意下列问题：①初期支护的全断面闭合应在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。②初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合；③要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。⑶超短台阶法这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前3~5m，只能采用交替作业。●适用条件超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。●优点：超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。●缺点上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。●超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。⑷下半台阶开挖需要注意：●下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行；采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初期支护两侧同时悬空；●下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。●量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。3、分部开挖法分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法⑴台阶分部开挖法(弧形导坑法)又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部(图中的1、2、3)、上部核心土(4)、下部台阶(5)等三部分。环形开挖进尺为0.5-1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般为1倍洞跨。2019/12/1068分部开挖法CRD工法超浅埋大跨度施工技术三线大跨双侧壁导坑施工2019/12/1072导洞开挖导坑超前＋扩挖爆破法小型掘进机＋扩挖爆破法日本在1968～1969首次在惠那山隧道的4.45m导坑开挖中采用了TBM，约掘进1000m。之后在三车道的舞子隧道用于开挖直径5.0m的运输坑道，岩层的单轴抗压强度是100～250MPa的花岗岩，平均掘进速度是1.0～1.7m/h，共掘进2400m。●适用条件这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。●优点：与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；而与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。●台阶分部开挖时应注意下列问题：开挖中围岩要经受多次扰动，断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。⑵单侧壁导坑法这种方法一般是将断面分成三块：侧壁导坑(1)、上台阶(2)、下台阶(3)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设