水电施工第6章

1第六章地下建筑工程一.平洞与大断面洞室开挖－平洞/先拱后墙/先墙后拱/先加固后开挖二.新奥法施工与TBM－支护原理/支护形式/TBM三.案例：大型地下工程－奥林匹克地下体育场/那不勒斯地铁/广州地铁一.地下工程施工1.特点施工于地下，场地受限制，干扰大，施工组织复杂，安全问题突出，受不良地质条件影响极大2.工作项目洞室开挖，出渣，临时支撑，衬砌支护，洞室灌浆，质量检查3.危险塌方，涌水，流砂，地热，有害气体二.围岩分类根据洞室围岩性质，判断围岩是否稳定，确定山岩压力，提出支护设计方案和确定施工方法。目前我国地下工程施工设计中经常采用的围岩分类主要有六种：（1）水工技术规范中的围岩分类。SDJ212—83（水工建筑物地下工程施工技术规范》围岩分类；SDJ134—84《水工隧洞设计规范》围岩分类。（2）国家标准中的围岩分类。GBJ86—85《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，冶金、煤炭工业系统多采用该规范中围岩分类法。（3）普氏分类法。普罗托奇雅可诺夫根据岩石坚固系数t和岩体弱化系数A，对围岩进行分类，坚固岩体中大多采用普氏分类法。（4）比耶涅夫斯基岩体地质力学分类。该分类法的优点是综合考虑岩石的单轴抗压强度、RQD、节理状态、节理间距、地下水等五个综合因素，确定围岩等级，再根据节理产状进行修正，昀后确定将围岩分成五个等级，具有工程意义。（5）巴顿分类。挪威著名人士N.巴顿根据岩石质量对围岩进行定量评价、分类。我国很多工程多采用巴顿围岩分类法。（6）水电地下工程围岩分类法。该方法首先根据洞室围岩变形破坏基本类型、形式、岩体完整性、岩石强度、岩体结构和地下水等综合因素影响，定性评价围岩分类，然后再根据围岩稳定性及其变形破坏等有关要素指标对围岩进行定量分类。不同的是对水文地质的影响考虑更进一步，对地下水渗透量、涌水状态、压力水头值都深入研究。围岩特征分类SDJZ12—83《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》根据围岩地质特征，将围岩分为五类。Ⅰ类：稳定围岩。岩石新鲜完整，地下水活动轻微，岩体呈块状整体结构或块状砌体结构，一般可不支护。Ⅱ类：基本稳定围岩。岩石新鲜或微风化，结构面仅局部有不稳定组合，洞壁潮湿有渗水或滴水。仅局部需支护。Ⅲ类：稳定性较差的围岩。岩石微风化或弱风化，结构面组合不利于围岩稳定者较多，断层等主要软弱结构面走向与洞线斜交或近平行，地下水活动显著，沿结构面有渗水、滴水或线状涌水。一般需进行支护。Ⅳ类：稳定性差的围岩。软弱结构面分布较多，结构面组合不利于围岩稳定，断层等软弱结构面走向与洞线近平行。地下水活动显著，沿结构面有渗水、滴水或线状涌水。需进行支护。Ⅴ类：不稳定围岩。强风化或全风化岩体，结构面呈零乱状不稳定组合，挤压强烈的大断层带，裂隙杂乱，呈土夹石或石夹土状。地下水活动强烈，有较大涌水量，常引起不断塌方。需加强支护。三.选择施工方法的基本因素1.工程地质及水文地质工程地质及水文地质条件是选择开挖方法的基本依据。2.断面形状断面形状对洞室周边围岩稳定非常重要，特别是地应力较大和侧压力较大的洞室，易发生底鼓和片邦的现象，这时应该慎重地选择开挖方法，甚至调整断面形状。3.洞室交叉地段的失稳在洞室交叉地段昀容易发生失稳现象，其原因是在交汇的地段往往是围岩应力释放和应力集中地段，会发生坍塌，冒顶，因此，在施工通过这种地段时应采取预先加固措施并在施工中加强监测，防止意外事故发生。四.洞室开挖施工方法开挖方式主要根据隧洞断面尺寸，围岩地质条件、施工机械设备状况施工通道等确定。一般而言，地质条件和机械设备允许采用全断面的，应尽量采用全断面开挖，可减少对围岩的爆破扰动次数，有利于围岩稳定。对于地质条件较差的大。中断面隧洞，则宜采用分部开挖、支护的方法。2（1）全断面开挖整个断面一次开挖成洞，衬砌支护以后进行。适于围岩坚固稳定（f≥8-10），地质条件较好的大、中断面隧洞，以及各类地质条件的小断面隧洞。需要大型开挖设备。干扰小，速度快。鲁布革水电站D=8.8m隧洞，14.6m/d（2）台阶法开挖台阶法(断面分部开挖)即先开挖上部台阶，对顶拱进行支护或混凝土衬砌后，再开挖下部台阶。断面分层向前掘进，上部超前掘进2-3.5m。不一定需要大型机械，根据需要确定衬砌支护顶拱的时间。适应于围岩地质条件较好，但钻孔、支护机械工作范围不能满足全断面开挖的大断面隧洞。在采用手风钻钻孔开挖时，在中、小断面隧洞也常常采用正台阶法开挖。（3）导洞法开挖（a）上导洞开挖顶拱掘进—适用于地质条件不好，地下水不严重，机械化程度不高。先开挖顶部，后开挖上部两侧，昀后下部扩大施工。（b）下导洞开挖拱下掘进—适用于地质条件较好，断面不大，机械化程度不高。先开挖下部中间，后开挖上部中间，再开挖上部两侧，昀后下部两侧扩大。（c）中导洞开挖适用于岩石坚固，不需要临时支撑，断面直径5m，具有柱架式钻机。先开挖断面中间导洞，然后用柱架式钻机向四周辐射钻空，全面扩大到整个洞子。（d）双导洞开挖（I）双侧导洞开挖适用于岩层松软破碎，地下水严重，断面较大，需要边开挖边衬砌。先开挖下部两侧，然后中部两侧，再开挖顶部，昀后中间和中间底部。（II）上下导洞开挖适用于断面很大，地下水严重，缺少大型开挖机械。上导洞用于扩大开挖，下导洞用来出渣和排水。先下中部导洞，后拱顶导洞，再拱顶两侧，然后中上层，中下层，昀后底部两侧。（4）大断面洞室1.先拱后墙适用于围岩稳定性较好，有大型机械。先开挖顶拱，拱座，衬砌支护顶拱，再开挖中下部，衬砌边墙和底部。2.先墙后拱预留核心岩柱适用于围岩稳定性较差的情况。先开挖两边侧墙，衬砌两边侧墙后再开挖衬砌顶拱，昀后开挖中部岩体。3.肋墙肋拱围岩稳定性很差，上述方法已不能奏效。先开挖上下侧壁导洞，沿导洞跳格开挖衬砌边墙（肋墙），再跳格开挖衬砌顶拱（肋拱），昀后挖除肋墙肋拱之间的岩体。3大断面洞室4.先加固后开挖适用于松软破碎的不良地层。先插钎，插板，喷锚支护，超前灌浆，加固以后，分部开挖，分部衬砌五.开挖方法与围岩分类六.地下厂房开挖地下厂房一般由洞群组成，有主厂房、引水洞、高压管道、尾水洞、副厂房、主变室、出线电缆洞（井）、调压室（或井）、交通洞、通风洞（井）等，洞群相互平行、交叉，施工技术复杂，开挖、支护衬砌、安装平行交叉作业，因此，在考虑施工方法上要统筹兼顾，根据围岩稳定状况、交通运输方式及支护方式等条件综合分析确定。一般情况下，先开挖和衬砌顶拱（即顶拱支撑法），当地质条件较差，围岩难以形成拱座时，为了减少开挖跨度以降低坍落高度，多采用核心支撑法，先开挖厂房两侧，浇筑混凝土边墙，然后开挖、衬砌顶拱，再挖除厂房中间岩体。中间岩体开挖一般采用台阶法开挖，深孔梯段爆破，梯段高度一般为8～12m，顶拱部分多采用分部开挖，开挖高度和跨度视机械作业要求和地质条件而定，一般为6～8m。下部开挖一般可在顶拱开挖完成后，从上而下分层进行。地下厂房开挖顶拱部分多采用分部开挖，开挖高度和跨度视机械作业要求和地质条件而定，一般为6～8m。具体可分为：（1）先开挖中部，然后两侧分部扩挖，一般在顶拱开挖完毕，再进行混凝土衬砌。（2）先开挖两侧，然后扩挖中部。可分部进行混凝土衬砌，先衬砌两侧，后衬中间拱部。（3）肋拱法。一次纵向开挖长度一般不超过5～10m，衬砌长度3～8m，两端混凝土表面距岩面各留1.0m左右的空间，适应于围岩地质条件差的洞室。下部开挖一般可在顶拱开挖完成后，从上而下分层进行。如围岩地质条件较差，顶拱宜先进行混凝土衬砌，然后再开挖下部。对于下部有多层施工通道，为争取工期，也可上、下同时施工，留中间岩板昀后开挖，但应注意保留岩板的稳定，开挖方法主要可分为：（1）大直径钻机钻垂直或斜孔，梯段爆破开挖，适应于地质条件好的洞室。（2）小直径钻机（450mm以下）钻垂直或斜孔，小梯段爆破，或钻水平孔，分层向上抬炮开挖，适应于地质条件较差的洞室。（3）核心支撑法，按混凝土衬砌厚度及立模和施工要求，先开挖宽度一般小于3.0～3.5m的侧导洞，并浇筑混凝土边墙，适应于地质条件很差的洞室，一般顶拱在下部边墙混凝土浇筑后开挖和混凝土衬砌。地下厂房开挖主厂房施工分层从顶拱依次向下。主厂房开挖应注意的关键部位是：①拱座开挖。②吊车梁岩台开挖。③与厂房交叉的洞口岩体开挖。拱座与吊车梁岩台都是受力较大的部位，开挖应采用防震孔或预裂爆破减震，以免岩体槽到破坏。与厂房交叉的洞口岩体是岩体开挖后应力集中部位，除采用控制爆破外，还应及时进行支护，以防岩体急剧变形而被破坏。七.爆破1.炮眼布置导洞掏槽孔－导洞崩落孔－导洞周边孔－导洞底边孔－扩大垂直炮孔－底部周边扩大水平炮孔2.开挖循环作业钻孔—装药—放炮—通风—钉轨道—打锚杆—出渣—下一循环4八.洞室衬砌1.分缝分块利用永久缝分段，永久缝间距过大时，设施工缝分段（4－18m）。分块根据上述不同施工方法来划分。2.浇筑程序跳仓浇筑（开挖衬砌交替进行），分段留空挡浇筑，分段流水浇筑。一般先底板，后边墙，昀后顶拱。地质条件比较差时，先顶拱，再边拱，昀后底板。3.衬砌模板桁架式模板，移动式模板，滑模，针梁式钢模台车。洞室衬砌和模板九.新奥法施工NATM1.新奥法在岩质、土砂质中的地下洞室围岩内形成环形支护结构的隧道设计施工的方法。其要点为采用先进的爆破和支护手段，正确的开挖程序，适时支护，柔性支护，使围岩形成承载环，支护岩体自身的荷载，监测围岩变位，及时二次衬砌，及早浇筑底板形成拱。随着隧道工程技术的发展，“新奥法”理论已逐渐被隧道工程技术人员接受，但“新奥法”并非一种施工方法，而应理解为一种“原则”，一种“概念”2.新奥法与传统方法的区别把岩体视为连续介质，根据它所具有的粘性、弹性、塑性，利用开挖后围岩应力重分布而产生的变形到破坏有一个时间效应的动态特性，适时的采用薄壁柔性支护结构（主要为喷锚），与围岩紧密结合共同作用，从而充分利用天然围岩的自身的承载能力，以达到洞室围岩稳定。NATM“新奥法”设计和施工的基本指导思想是：①根据岩体具有弹塑性物理性质，研究洞室围岩的应力—应变状态，并采取措施将其变形发展控制在一定范围以内。既允许围岩变形，但又限制变形自由发展，以防止围岩松散破坏，使支护承受变形压力不致过大。②充分利用岩体自身承载能力，把围岩当作支护结构的基本组成部分，喷锚支护（也包括复杂地质条件下的其他支护形式）与岩体组成承载拱共同工作，喷锚支护既要有一定的刚度，也要有一定有柔性，以适应围岩的变形。③监测围岩的位移及其变形速率，根据监测系统反馈分析，正确估计围岩特性和围岩变形的时间效应，以确定支护的措施和有利时机。这一指导思想应贯彻在设计施工的全过程中。①必须采用控制爆破技术，即中心有效掏槽，为崩落孔和周边孔创造良好的临空面，降低爆破对岩体的震动影响。周边采用光面爆破（洞室内一般不宜采用预裂爆破）。确保壁面平整，为喷锚支护创造良好的工作条件。②开挖后及早进行初期支护（如表面喷砂浆等柔性支护），适时进行二期支护。③通过施工监控量测得到的数据反馈于施工之中，据此，调整施工程序、开挖方式、支护形式或支护参数，以确保围岩稳定和施工安全。安全支护的方式l）喷射混凝土喷射混凝土的主要作用有：①与围岩粘接起组合拱梁的作用。②抵抗围岩整体变形，使围岩处于三维应力状态，防止岩体强度恶化。③与锚杆联合作用，承受山岩压力。④封闭围岩表面，防止围岩风化、漏水。喷射混凝土方式有干式喷射，湿式喷射、水泥裹砂喷射三种。喷射混凝土施工工艺参数主要包括风压、水压、喷射距离、喷射角与喷射方向、喷射顺序、一次喷射厚度、混凝土配合比、水灰比等。目前，喷射混凝土性能在不断改进，以适应更广泛的地层条件，如掺钢纤维，可提高喷射混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度和抗冲、抗裂性能；掺硅粉，可提高抗冲性能；掺增强防水剂，在围岩有渗水的情况下，可提高与围岩的粘接强度等。52）锚杆支护锚杆支护的作用主要有①悬吊危石，②提高岩体整体性，起组合梁作用，③挤压加固作用。当围岩发生收敛变形时，锚杆受拉，对围岩产生约束力，阻止围岩变形的发展，同时，使岩体强度提高。锚杆类型主要有砂浆锚杆、楔缝式锚杆，树脂锚杆、胀壳式