第六章隧道施工方法

隧道工程SUIDAOGONGCHENG隧道工程岩土与地下工程教研室张军伟隧道工程SUIDAOGONGCHENG6隧道工程SUIDAOGONGCHENG『第六章▎隧道施工方法『6.1▎传统矿山法『6.2▎新奥法『6.3▎新奥法的施工技术『6.4▎洞口段及明洞施工方法『6.5▎辅助施工方法『6.6▎特殊地质地段的施工方法『6.7▎钻爆开挖和装渣运输『6.8▎隧道支护施工『6.10▎隧道施工现场监控量测『6.9▎隧道掘进机施工隧道工程SUIDAOGONGCHENG『6.1▎传统矿山法在传统的矿山法中，历史上形成的变化方案很多，其中包括全断面法、台阶法、侧壁导坑法等。鉴于我国隧道施工中已很少采用传统矿山法，仅介绍其中具有代表性的上下导坑先拱后墙法和下导坑先拱后墙法。『6.1.1▎上下导坑先拱后墙法是软弱地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用的最广泛的方法之一，它主要用于不稳定的或稳定性较差的Ⅲ~Ⅳ级围岩。施工顺序（图6-1）：开挖下导坑1，并尽快架设木支撑；在下导坑开挖面后约30~50m处开挖上导坑2和架设木支撑，然后上导坑落底3；上、下导坑间开挖漏斗（见图中虚隧道工程SUIDAOGONGCHENG线所示），以便于上部开挖出碴。由上导坑向两侧开挖④（“扩大”），边开挖边架设扇形木支撑；在扇形支撑之间立拱架模板，灌注拱圈混凝土（Ⅴ），边灌注边顶替、拆除扇形支撑；开挖中层⑥（“落底”）；左右错开，纵向跳跃开挖马口⑦、⑨，每个马口的纵向长度不宜超过拱圈灌注节长的一半；紧跟马口开挖后，立即架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土Ⅷ、Ⅹ；挖水沟、铺底（在隧道底部铺设不小于10cm厚的混凝土）。应说明的是，上导坑由2和3两部组成，这是因为当在软弱地层中施工时，由于木支撑难以及时支护，往往拱顶围岩会有较大的下沉，所以必须留足沉落量（20~50cm），这就导致上导坑开挖高度较高，使得工人施工很不方便，故一般分为上、下两部开挖。隧道工程SUIDAOGONGCHENG图6-1上下导坑先拱后墙法下导坑上导坑上导坑落底扩大立模板，灌浇混凝土养生7-10d挖中层挖马口砌边墙优点：在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易。缺点：开挖两个导坑增加工程造价；开挖马口时施工干扰大；衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理。16344279ⅦⅤX123467Ⅶ9XV5015~2015~2015~2015~2020~1015~2020~50隧道工程SUIDAOGONGCHENG开挖两个导坑增加工程造价；开挖马口时施工干扰大；衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理。优点在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易。缺点上下导坑法『6.1.2▎下导坑先拱后墙法下导坑先拱后墙法主要用于Ⅱ~Ⅲ级围岩。施工顺序如图6-2：以下导坑领先，2、3、4部开挖完成时，断面如蘑菇形，以后步骤与上下坑先拱后墙法相同。隧道工程SUIDAOGONGCHENG图6-2下导坑先拱后墙法下导坑先拱后墙法有出渣方便，施工安全的优点。缺点是：消耗的木材钢轨较多，棚架易因爆破受损，挖马口还影响施工进度，衬砌的整体性也差。Ⅶ6Ⅴ下导坑30～5011Ⅶ6443210～1510～15拉槽挑顶50～6040～5010～15扩大灌拱挖马口砌边墙3246Ⅴ隧道工程SUIDAOGONGCHENG『6.2▎新奥法『6.2.1▎新奥法名称由来与产生的历史背景新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法，即NewAustrianTunnelingMethod，缩写为NATM，是由奥地利学者L.V.Rabcewiez、L.Muller等教授创建于上世纪五十年代，在1963年正式命名为新奥地利隧道工程方法。它的产生是基于以下背景：(1)锚杆支护在20世纪初出现(2)喷射混凝土机在20世纪40年代末研制成功(3)岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据隧道工程SUIDAOGONGCHENG『6.2.2▎新奥法的基本概念核心内容是充分发挥围岩的自承能力。对新奥法的误解新奥法以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为开挖方法；以喷锚作为主要支护手段；通过监测控制围岩变形，动态修正设计参数和变动施工方法。把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法误以为采用了锚喷支护就是新奥法对施工监控量测不够重视隧道工程SUIDAOGONGCHENG对新奥法正确认识新奥法是修建隧道一种基本理论，是包含设计于施工内容的隧道工程新概念。新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、控制围岩变形、实现发挥围者自承能力的目的。只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形动态，做到控制变形。锚杆、喷射混凝土和施工量测是新奥法的三大要素。『6.2.3▎新奥法施工的要点1)在隧道的整个支护体系中，围岩是承载结构的一部分，施工中要合理利用围岩的自承能力，保持围岩的稳定；隧道工程SUIDAOGONGCHENG2)隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度。3)允许围岩有一定的变形，初期支护应尽量做成柔性的，以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载，充分围岩的自身承载作用。4)洞室开挖后及时施作初期支护，封闭围岩表面，抑制围岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌，但遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟。5)隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件，因此,要尽可能使结构做得圆顺(如做成圆形或椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同时,尽早使衬砌结构闭合(封底)，以形成承载环；隧道工程SUIDAOGONGCHENG6)对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可少的一个重要环节，从现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。7)对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵措施”予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防水层等。『6.2.4▎新奥法施工方法1.全断面法全断面法全称为“全断面一次开挖法”，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法，如图6-3所示。全断面法常适用于Ⅰ~Ⅲ级硬岩的石质隧道，可采用深孔爆破施工。隧道工程SUIDAOGONGCHENG1-全断面开挖；2-锚喷支护；3-模筑混凝土掘进方向231231图6-3全断面施工方法优点：较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，工序少，干扰少，便于施工组织与管理，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，对围岩的震动次数较少，有利于围岩稳定。缺点：是由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每隧道工程SUIDAOGONGCHENG循环工作量相对较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。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；④喷射拱圈混凝土，必要时安设拱部锚杆；⑤用装碴机将石碴装入运输车辆，运出洞外；⑥喷射边墙混凝土，必要时安设边墙锚杆；⑦根据需要可喷第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑧开始下一轮循环；⑨通过量测判断围岩和初期支护的变形，待基本稳定后，施作二次模注混凝土衬砌。全断面施工工序隧道工程SUIDAOGONGCHENG1)加强对开挖面前方的工程地质和水文地质的调查。2)各工序机械设备要配套。3)加强各种辅助施工方法的设计和施工检查。4)重视和加强对施工操作人员的技术培训。5)在选择支护类型时，应优先考虑锚杆和喷射混凝土、挂网、拱架等支护型式。全断面施工注意问题2.台阶法是新奥法中适用性最广的施工方法，多适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩中。它将断面分成上半断面和下半断面两部分分别进行开挖，如图6-4所示，随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层。根据台阶的长度，它有长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种方式。隧道工程SUIDAOGONGCHENG1—上半部开挖2—拱部喷锚支护3—拱部衬砌4—下半部中央部开挖5—边墙部开挖6—边墙部喷锚支护及衬砌2614553图6-4台阶施工方法1)长台阶法如图6-5a，上、下开挖断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞宽。施工时，上、下部可配备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，再进行下半断面施工，习惯上又称为“半断面法”。隧道工程SUIDAOGONGCHENG（2）短台阶法如图6-5b，这种方法也是分成上下两个断面开挖，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倍洞宽，或5~50m，上下断面基本上可以采用平行作业，其作业顺序和长台阶法相同。短台阶法能缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，当遇到软弱围岩时需慎重考虑，必要时应采用辅助施工措施稳定开挖工作面，以保证施工安全。图6-5台阶法掘进方向掘进方向B21B2B(1~1.5)B12212B1a)5B112掘进方向b)c)a)长台阶法b)短台阶法c)超短台阶法隧道工程SUIDAOGONGCHENG(3)超短台阶法如图6-5c，这是一种适于在软弱地层中开挖的施工方法，一般在膨胀性围岩及土质地层中采用。为了尽快形成初期闭合支护以稳定围岩，上下台阶之间的距离进一步缩短，上台阶仅超前3~5m，不能平行作业，只能采用交替作业，因而施工进度会受到很大的影响。在软弱围岩中采用超短台阶法施工时应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对围岩采用预加固或预支护措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小导管等。台阶法优点：开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度，有利于稳定，上部开挖支护后，下部作业较安全。缺点：上下部作业互相干扰，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。隧道工程SUIDAOGONGCHENG1)台阶数不宜过多，台阶长度要适当，一般以一个台阶垂直开挖到底，保持平台长2.5m~3m为好。2)个别破碎地段可配合喷锚支护和挂网施工。3)上部开挖时，因临空面较大，易使爆破面渣块较大，不利于装渣，应适当密布中小炮孔。3)采用台阶法开挖关键问题是台阶的划分形式。台阶划分要求做到爆破后渣量较大，钻孔作业面与出渣运输干扰少。台阶法注意问题3.分部开挖法(1)台阶分部开挖法又称环形开挖留核心土法，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。上部留核心土可以支挡开挖工作面，增强开挖工作面的稳定，施工安全性较好。一般环形开挖进尺为0.5m~1.0m，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖，开挖和支护顺序如图6-6所示。隧道工程SUIDAOGONGCHENG掘进方向7541327126453图6-6台阶分部开挖法1—上弧形导坑开挖2—拱部喷锚支护3—拱部衬砌4—中核开挖5—下部开挖6—边墙部喷锚支护及衬砌7—灌筑仰拱优点：与超短台阶法相比，台阶的长度可以加长，相当于短台阶法的台阶长度，减少了上下台阶的施工干扰，施工速度可加快。而且较侧臂导坑法的机械化程度高。缺点：开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，将可能使围岩变形增大，需要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。隧道工程SUIDAOGONGCHENG(2)单侧壁导坑法适用于围岩稳定性较差（如软弱松散围岩），隧道跨度较大，地表沉陷难于控制地段。该法确定侧壁导坑的尺寸很重要，一般侧壁导坑的宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，导坑可分二71583426掘进方向743132图6-7单侧壁导坑法1—侧壁导坑开挖2—侧壁导坑锚喷支护及设置中壁墙临时支撑3—后行部分上台阶开挖4—后行部分下台阶开挖5—后行部分喷锚支护6—拆除中壁墙7—灌筑仰拱8—灌筑洞周衬砌次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便，开挖和支护顺序如图6-7所示。隧道工程SUIDAOGONGCHENG优点：是通过形成闭合支护的侧导坑将隧道断面的跨度一分为二，有效地避免了大跨度开挖造成的不利影响，明显地提高了围岩的稳定性。缺点