第六章-隧道施工方法

第六章隧道施工方法•隐蔽性大•作业的循环性强•作业空间有限•作业的综合性第一节概述一、隧道工程施工的特点•施工是动态的•作业环境恶劣•作业的风险性大•气候影响小二、隧道施工方法及其选择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：矿山法因最早应用于矿石开采而得名，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。有时候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。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：施工条件围岩条件隧道断面积埋深工期环境条件施工机械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。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。沉管法、明挖法等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。隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用较多。三、隧道施工技术的发展从山岭隧道施工技术的现状出发，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，目前在山岭隧道施工中，必需予以关注的问题是加强施工阶段地质判释技术，完善判释方法和手段隧道施工方法的标准化、模式化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加强环境意识，改善地下作业环境，减少对周边环境和结构物的影响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加强施工中的灾害预测、预防与控制不断提高施工管理水平，从多种角度降低工程成本，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加强应用施工新技术的研究第二节新奥法一、隧道施工应遵循的基本原则归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是(1)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩(2)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的(4)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计(5)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、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(6)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程(7)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(8)在隧道施工过程中，必须建立设计—施工检验—地质预测—量测反馈—修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。二、新奥法的分类及施工工序新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种：全断面开挖法台阶法其中包括：(1)长台阶法(2)短台阶法(3)超短台阶法分部开挖法(1)台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)(2)中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)(3)双侧壁导坑法(眼镜法)等新奥法的施工工序可用以下框图(图6-1)表示：图6-1三、开挖方法按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。（一）全断面开挖法全断面开挖法是按设计开挖断面一次开挖成型(图6-2)。1.全断面法施工的顺序(1)施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路(2)退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面(3)进行通风、撒水，排烟、降尘(4)排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土(5)用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外(6)安设边墙锚杆和喷混凝土(7)必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土(8)开始下一轮循环(9)在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌图6-2全断面开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌2.适用条件全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。根据经验，这个长度不应小于1km。3.全断面开挖法的优缺点优点有较大的工作空间，适用于大型配套机械化施工，施工速度较快，且因单工作面作业，便于施工组织和管理。有较大的断面进尺比(即开挖断面面积与掘进进尺之比)，可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数相对较少，有利于围岩的稳定。一般应尽量采用全断面开挖法。缺点要求进行分段装药，严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。因开挖面大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求具有较强的开挖、出渣能力和相应的支护能力。(二)台阶开挖法台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图6-3所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：初次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、出碴等机械设备施工场地大小的要求在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率．保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：图6-3台阶法施工形式1.长台阶法上、下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下部可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施，即为半断面法。(1)长台阶法的作业顺序为：上半断面开挖：用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土(2)优缺点及适用条件：有足够的工作空间和相当的施工速度，上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工。凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外下半断面开挖：用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破、装碴直接运至洞外安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土用反铲挖掘机开挖水沟，喷底部混凝土2.短台阶法台阶长度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。短台阶法的作业顺序和长台阶相同优缺点及适用条件：短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，Ⅰ～Ⅴ级围岩都能采用，尤其运用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是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。可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。过渡坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。3.超短台阶法台阶仅超前3～5m，只能采用交替作业。(1)超短台阶法施工作业顺序用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑，喷拱部混凝土用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土(必要时加喷拱部混凝土)开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。灌注内层衬砌(2)优缺点及适用条件由于超短台阶法初次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，能更有效的控制地表沉陷。所以，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。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。缺点是上下断面相距较近，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。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。(三)分部开挖法分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。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，见图6-6。1.台阶分部开挖法(又称环形开挖留核心土法)(1)开挖面分部形式一般将断面分成为环形拱部（图6-6(a)中的1、2、3）、上部核心土4、下部台阶5等三部分。(3)优缺点及适用条件能迅速及时地建造拱部初次支护，开挖工作面稳定性好。核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。(2)施工作业顺序用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷混凝土在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌2.单侧壁导坑法(1)开挖面分部形式一般将断面分成三块：侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见图6-6(b)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。(2)优缺点及适用条件单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。图6-6台阶开挖形式3.双侧壁导坑法(又称眼镜工法)(1)开挖面分部形式一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑1、上部核心土2、下台阶3，见图6-6(c)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。(2)施工作业顺序开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上(3)优缺点及适用条件当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合拆除导坑临空部分的初次支护建造内层衬砌三线大跨隧道双侧壁导坑法施工(右上)运用“双侧壁导坑法”修建国内第一大跨双连拱的公路隧道—最大开挖跨度32.6米的京珠高速公路五龙岭隧道，1998年10月开工，1999年11月全隧贯通（左下）国内第一座海底储气工程—汕头LPG工程，1997年10月开工，1999年12月建成CRD工法超浅埋大跨度施工技术大跨隧道软弱围岩施工四、掘进方式隧道施工的掘进方式是指对坑道范围内岩体的破碎挖除方式。常用的掘进方式有钻眼爆破掘进、单臂掘进机掘进、人工掘进三种掘进方式。一般山岭隧道最常用的是钻眼爆破掘进。（一）单臂掘进机及人工掘进在软质岩石及土质隧道中，为减少对围岩的扰动，避免爆破震动对围岩的破坏，可以采用单臂掘进机掘进。常用的单臂掘进机是铣盘式采矿机。挖斗式挖掘机及铲斗式装渣机亦可以用于隧道掘进。在不能采用爆破掘进的软弱破碎围岩和土质隧道中，若隧道工程量不大，工期要求不太紧，又无机械或不宜采用机械掘进时，则可以采用人工掘进。（二）钻眼爆破掘进钻眼爆破掘进即是用凿岩机钻孔，钻孔内装填炸药使坑道设计范围内的岩体爆破破碎的过程。它对围岩的扰动破坏较大，有时由于爆破震动致使围岩产生坍塌，故一般较适用于坚石、次坚石质隧道。1.钻眼机具隧道工程中常使用的凿岩机有