隧道工程新奥法施工技巧

隧道工程鲁东大学第9章新奥法一、新奥法的基本概念1.新奥法的由来及概念（1）由来全称为新奥地利的施工方法，NewAustrainTunnelingMethod(NATM)（2）产生背景锚杆在20世纪出现喷射混凝土在1940年末研制成功岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据（3）新奥法的概念用薄层支护手段保持围岩强度、控制围岩变形，以发挥围岩自承载能力，并通过施工监控量测指导隧道的设计与施工。（4）三大要素控制爆破喷锚支护监控量测（5）三项作业开挖初次支护二次支护隧道工程鲁东大学第9章新奥法一、新奥法的基本概念2.新奥法原理要点（1）承载体系：支护＋围岩（2）少扰动围岩（3）既允许又限制围岩变形（4）复合式衬砌（初衬＋二衬）（5）初期支护应尽量做成柔性（6）二衬尽可能结构圆顺、刚度大、整体性好（7）进行有效的监控量测（8）通过“排堵措施“解决衬砌渗水隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、施工过程中的力学解析与分析1.洞室开挖后的力学状态（1）三种应力状态初始应力状态（原岩）二次应力状态（开挖后）三次应力状态（支护后）（2）基本假定围岩为均质、各向同性、连续只考虑自重应力场隧道形状以规则的圆形为主无限体中的孔洞问题（3）洞室开挖后的应力状态弹性应力状态：围岩强度高、稳定性好塑性应力状态：围岩屈服、塑性区有一定的承载力σrσθσr－径向应力σθ－切向应力2.围岩稳定性判据（1）岩体强度判据洞室周边围岩应力岩体强度极限σ二次强度极限（2）围岩变形判据：u[u]隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、施工过程中的力学解析与分析3.围岩特征曲线与支护曲线（1）围岩特征曲线（2）支护特征曲线隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、施工过程中的力学解析与分析3.围岩特征曲线与支护曲线（3）围岩与支护结构平衡状态的建立隧道工程鲁东大学第9章新奥法收敛与约束－支护刚度与时机围岩和支护结构的相互作用弹塑性分界PauaPa－围岩径向压力Ua－围岩径向位移支护时间相同，支护刚度不同支护刚度大，承受围岩压力大支护刚度小，承受围岩压力小支护刚度相同,支护时间不同支护过早，承受围岩压力大支护过晚，承受围岩压力大适中支护时间恰当，承受围岩压力小围岩和支护结构的相互作用弹塑性分界PauaPa－围岩径向压力Ua－围岩径向位移支护刚度适中，承受围岩压力适中隧道工程鲁东大学第9章新奥法一、施工程序施工准备确定施工方案开挖初期支护监控量测是否符合管理标准防水隔离层二次支护竣工修改支护参数修改开挖方法和顺序修改施工方案是否必要时预支护以改良地层隧道工程鲁东大学第9章新奥法二、施工基本原则少扰动——开挖时尽量减少扰动次数、扰动强度、扰动范围及扰动持续时间。早支护——开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩变形受控。勤量测——以直观、可靠的量测方法和数据准确评价围岩及支护的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以及时调整支护及开挖方法。紧封闭——（1）采取喷射混凝土等防护措施，避免因围岩长时间暴露导致强度和稳定性降低；（2）适时对围岩封闭支护。隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、喷射混凝土（1）喷射混凝土的特点充填裂隙加固围岩封闭围岩壁面防止风化喷射混凝土与围岩组成共同承载体系（2）喷射混凝土的优缺点优点：柔性支护支护及时不用模板、拱架施工工艺简单缺点：回弹量大、止水性弱（3）喷射混凝土的喷射方式1）干喷2）湿喷3）潮喷隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、喷射混凝土1）干喷干喷是将砂、石、水泥按一定比例干拌均匀投入喷射机，同时加入速凝剂，用高压空气将混合料送到喷头，最后与高压水混合后以高速喷射到岩面上。（3）喷射混凝土的喷射方式干喷隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、喷射混凝土2）湿喷用湿喷机压送拌和好的混凝土，在喷头处添加液态速凝剂，再喷到岩壁上。湿喷（3）喷射混凝土的喷射方式3）潮喷潮喷是将砂、石料预加水，使其浸润成潮湿状，再加水泥搅拌均匀，从而降低上料和喷射时的粉尘，其工艺流程同干喷。隧道工程鲁东大学第9章新奥法三、喷射混凝土2）喷射混凝土的配合比和水灰比质量比－水泥：中砂或中粗砂：石子边墙采用－1:(2～2.5):(2～2.5)拱部采用－1:2:(1.5～2.0)水灰比：一般为0.4～0.5（4）喷射混凝土的材料及其组成（5）喷射混凝土的机械(具)设备喷射作业的机械(具)设备主要包括：混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。隧道工程鲁东大学第9章新奥法四、喷射混凝土施工工艺（1）喷射混凝土的施工准备材料、机械(具)的准备施喷场地准备（2）施喷作业（指干式喷射）1）风、水压风压：风源风压应稳定在0.4~0.65MPa。水压：规定喷射作业区的系统水压应大于0.4MPa。2）喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度距离：喷嘴与受喷岩面之间的距离以0.8～1.2m为宜角度：垂直向刚喷射过的混凝土部位倾斜不大于10°3）一次喷射厚度及各喷层之间间隔时间厚度：根据喷射效率、回弹损失等因素确定间隔时间：当采用(红星Ⅰ型)速凝剂时可在5～10min以后进行下一次喷射隧道工程鲁东大学第9章新奥法四、喷射混凝土施工工艺（3）堵管问题的处理原因：粗集料过大(粒径大于25cm以上)水泥硬块或其它杂物混合料(主要是砂)湿度过大(大于6%)风压偏低另外若司机操作不对混合料未吹完就停风误开放气阀而停风处理：应立即关闭马达，随后关闭风源。喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。找到堵管部位后，可将风压升到0.3～0.4Mpa(不超过0.5Mpa)，并用锤击堵管部位，使其畅通。隧道工程鲁东大学第9章新奥法四、喷射混凝土施工工艺（5）钢纤维喷射混凝土工艺（4）喷射混凝土的养护喷射混凝土终凝后2h起应始洒水养护，洒水次数以能保持混凝土具有足够的湿润状态为定，养护期不得少于14昼夜。（6）钢筋网喷射混凝土钢筋网分纵向钢筋和环向钢筋，直径，网格尺寸钢筋网应适应围岩壁面，喷一层后再挂网，钢筋网与岩面间隙，钢筋网保护层厚度将钢筋网加工成网片，长宽可100－200cm钢筋网与锚杆应尽可能牢固连接初始喷射的距离宜短，角度调整适当（7）喷射混凝土的质量检查原材料进库检查与验收喷射混凝土强度检查喷层与围岩粘结情况的检查喷层厚度的检查隧道工程鲁东大学第9章新奥法五、钢支撑对于自稳时间很短的Ⅴ、Ⅵ级围岩隧道；浅埋、偏压隧道；隧道处于粉细砂、大面积淋水等地段；为了抑制围岩过大的变形。（1）使用条件（1）架设后立即受力（2）强度和刚度均较大（3）可承受松动压力钢架最大特点：（2）钢架类型型钢钢架格栅网构钢架隧道工程鲁东大学第9章新奥法1）型钢钢架常用：工字型钢、H型钢、槽钢、U型钢、钢管及钢轨等缺点：钢架较重，架设困难；不便于加工制作；钢架与喷射混凝土结合不良，粘结力较小。2）格栅网构钢架特点：质量轻，制作容易，架设方便，省工省料与喷射混凝土结合良好，能形成整体钢筋混凝土结构易与锚杆、超前小导管形成整体钢架纵向间距，视围岩而定一般为0.75～1.2m两榀钢架之间设置直径为20～22mm纵向钢拉杆只有十分必要时才使用纵向拉杆五、钢支撑隧道工程鲁东大学第9章新奥法机械式锚固锚杆－楔缝式、胀壳式粘结式锚固锚杆－靠粘结材料摩擦式锚固锚杆－杆体与孔壁摩擦自进式中空注浆锚杆当隧道通过软弱围岩等地段时：机械式锚杆锚固容易失效粘结式砂浆锚杆施工不便而采用摩擦式锚杆可以收到良好支护效果（2）锚杆类型六、锚杆隧道工程鲁东大学第9章新奥法粘结式锚固锚杆－靠粘结材料机械式锚固锚杆－楔缝式、胀壳式（2）锚杆类型六、锚杆隧道工程鲁东大学第9章新奥法六、锚杆（3）锚杆的布置1）局部布置拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉。拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。锚杆的间距：2aRAdDKP2）系统布置锚杆宜垂直隧道周边轮廓布置，对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵横间距为0.6～1.5m。系统锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，在Ⅴ、Ⅵ级围岩中，锚杆间距宜为0.5～1.2m。隧道轴向隧道工程鲁东大学第9章新奥法（4）锚杆的尺寸1）锚杆直径锚杆一般采用16Mn或5号钢，条件不具备时可用3号钢。对于端部锚固的锚杆，其抗拉力大于或等于设计锚固力，即：24adN4aNd锚杆直径d：常用的锚杆直径一般为18～22mm。2）锚杆长度起悬吊作用的锚杆：长度须穿透不稳定块体并在坚硬稳定岩体内有一定锚固长度。软弱围岩中系统布置的锚杆：岩体视为单一塑性体，锚杆的长度应穿过塑性区。按施工经验来确定锚杆长度：中等以上硬质围岩：软弱围岩：1134LB（～）1123LB（～）六、锚杆隧道工程鲁东大学第9章新奥法（5）钢筋砂浆锚杆的安装工艺1)材料及配合比钢筋：宜采用螺纹钢筋；水泥：选用不低于325号的普通硅酸盐水泥；砂子：严格过筛的粒径不大于3mm的中、粗砂；速凝剂：红星Ⅰ型，掺量为水泥质量的2%～4%；骨料比：1：1～1：1.2；水灰比：0.4～0.45。2）灌浆设备孔径应大于锚杆直径15～20mm，在灌浆前用高压风将孔眼吹净3）钻孔及清孔4）注浆及安装锚杆将注浆管插入到孔底，在注浆的同时，将注浆管徐徐向外拔出，待注浆管口距钻孔口20～30cm时，停止注浆，然后将锚杆插入至孔底部将砂浆挤满钻孔。六、锚杆隧道工程鲁东大学第9章新奥法钻孔安装锚杆连接注浆机注浆钢筋砂浆锚杆的安装六、锚杆（6）锚杆的质量检查锚杆质量检查：长度、间距、角度、方向、抗拔力等主要是抗拔力试验，对于重要工程可增作灌浆密度试验。如抗拔力不符合要求时，一般可用加密锚杆予以补强。隧道工程鲁东大学第9章新奥法一、监控量测目的（1）为设计和修正支护结构及参数提供依据；（2）正确选择开挖丰富和支护施作时间；（3）为隧道施工和长期使用提供安全信息；（4）研究新奥法力学机理和设计理论的重要途径。二、监控量测的内容和方法（一）基本要求尽快埋设测点；进行一次量测的时间宜尽量短；传感元件要有较好的防震、防冲击波的能力，且能长期有效；测设的数据要求直观、正确、可靠；测试仪器要有足够的精度。隧道工程鲁东大学第9章新奥法二、监控量测的内容和方法（二）量测元件及仪器1.百分表，千分表，挠度计其表盘最小刻度值为0.01mm的称为百分表，为0.001mm的称千分表，为0.05mm并可连续读数，量程无限大的称为挠度计。2.收敛计坑道开挖后，随着围岩应力重分布，坑道相对侧壁的距离将产生变化，当围岩应力趋于平衡时，这种变化将逐渐趋于稳定，这一变化过程称为“收敛”，这种相对距离的量测称为“收敛量测”。有：重锤型收敛计、弹簧张力型收敛计、钢丝扭距平衡型收敛计隧道工程鲁东大学第9章新奥法弹簧式收敛计二、监控量测的内容和方法（二）量测元件及仪器隧道工程鲁东大学第9章新奥法二、监控量测的内容和方法（二）量测元件及仪器3.位移计位移计有两种类型，一类是机械式，另一类是电测式。其构造是由定位装置、位移传递装置、孔口固定装置、百分表或读数仪等部分组成。4.锚杆拉力计锚杆拉力计主要用作锚杆拉拔实验，由手动油泵和空心千斤顶，压力表，油管组成。拉力计最大拉拔力可达400kN，上面可安装百分表测千斤顶行程。5.钢筋计长期埋设在混凝土建筑物内，测量结构内部的钢筋应力。电磁感应式钢筋计又称钢弦式（振弦式）钢筋计应用广泛。隧道工程鲁东大学第9章新奥法二、监控量测的内容和方法（二）量测元件及仪器钢弦式量测锚杆隧道工程鲁东大学第9章新奥法6.岩土压力盒对支护的内应力及其与围岩接触应力的量测可采用盒式压力传感器(称压力盒)进行测试。将压力盒埋设于混凝土内的测试部位及支护一围岩接触面的测试部位，压力盒所受压力即为该部位(测点)应力。压力盒有两种传感方式，一种是变磁阻调频式，另一种是液压式。7.隧道激光断面测量仪目前国内应用较多的此类仪器有铁二局的非接触自动坐标（TAPS）激光断面仪，铁道部的SJC—1型激光断面仪，地矿部探矿工艺所的