隧道施工工艺和施工技术

第7章隧道施工工艺与施工技术第七章隧道施工工艺与施工技术第一节围岩预支护（预加固）第二节隧道掘进方式及隧道爆破施工技术第三节装碴与运输第四节初期支护第六节模筑衬砌第七节辅助坑道第五节防排水施工§1围岩预支护（预加固）——辅助稳定措施辅助施工措施：对地层进行预支护或预加固。预支护：预留核心土喷射混凝土封闭开挖作业面超前锚杆管棚临时仰拱封底预加固：地层注浆地表锚喷加固。预支护兼预加固：超前小导管注浆一．超前锚杆超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方一定范围内安装的斜向锚杆。性能特点及适用条件：超前锚杆支护的柔性较大，整体刚度较小。它主要适用于应力不太大，地下水较少的破碎、软弱围岩的隧道工程中，如裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅埋无显著偏压的隧道。且一般与系统锚杆同时使用，形成联合支护。应力较大的严重破碎围岩中，超前锚杆的后期支护刚度就有些不足，不宜使用。超前锚杆二．超前小导管特点：预支护+预加固，支护效果强于超前锚杆。适用于：软弱破碎地层。步骤：喷砼封闭开挖面；钻孔；插入小导管；导管注浆。小导管构造：φ38～42mm无缝钢管，单根长3～5m，管壁注浆孔，孔径φ6～8mm,孔距15～20cm。小导管钢拱架④注浆材料：水泥浆，或水泥—水玻璃浆；⑤注浆压力：0.5～1.0MPa。⑥注浆效果检查：取岩芯，或声波探测仪，达设计要求后才能进行开挖。小导管设计注意事项：①小导管钻孔安装前，应对开挖面及5m范围内的坑道喷射5~10cm厚的混凝土封闭。③小导管插入后应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实。②外插角应控制在10°~30°之间，一般采用15°。管棚是利用沿开挖轮廓线、以较小的外插角、向开挖面前方打入的钢管与钢拱架构成的一种钢管棚架，简称“管棚”。三．管棚特点：管径粗(外径为70～180mm)。施作要点：(1)单根长4～6m，总长可至数十米。(2)管棚长度一般不小于10m。(3)可向管内注入水泥砂浆，以增加其刚度，还可以在管内置入钢筋笼，再注入混凝土。(4)钢管进行配管和编号，使管棚接头错开。(5)钢管的尾部需架设在钢拱架上，并焊死。(6)相邻两榀钢拱架间以拉筋相连，与岩壁之间，环向每隔2m应用楔子楔紧。优点：在所有预支护措施中，管棚支护能力最强。缺点：施工技术较复杂，造价较高。单根钢管构造：管棚及套拱注浆方法：⑴渗入性注浆：破碎岩层，砂卵石层，粗细砂等有一定渗透性地层。浆液充填地层中被排出的空气和水的空隙，凝结成固结体。⑵劈裂性注浆：渗透性差的地层。土体在注浆压力的作用下被劈裂，形成裂缝，浆液脉状固结。⑶压密性注浆：浓稠浆液注入土层。⑷高压喷灌注浆：高压使土粒与浆液混合，柱状固结。四．预注浆加固地层注浆方法:①超前小导管注浆(见前)；②超前长导管注浆，图a；正注浆区域已注浆区域(a)注浆加固区域注浆管③浅埋段地表注浆,图b；④由平导内向正洞周围注浆，图c，等。而采用得最多的仍是超前小导管注浆。地表(b)(c)平行导坑正洞1．注浆管和孔口套管注浆管一般采用带孔眼的焊接钢管或无缝钢管，也可用塑料管。为防止浆液反流，要堵赛钻孔壁与灌注管之间的孔隙。堵塞方式就是用铅丝、麻刀、木楔等材料在注浆孔口将缝隙堵塞，它适用于浅孔注浆；①普通堵塞②堵塞器（又称止浆塞）橡胶式套管式多用于深孔注浆或局部注浆多采用前进或后退式分段注浆2．钻孔钻孔可用冲击式钻机或旋转式钻机，应根据地层条件及成孔效果选择。钻孔位置应满足设计要求，孔口位置偏差不超过5cm，孔底位置偏差不超过孔深的1％。钻孔应清洗干净，并作好钻孔检查记录。3．注浆顺序应先上方后下方，或先内圈后外圈，先无水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游顺序进行。应利用止浆阀保持孔内压力直至浆液完全凝固。4．结束条件应根据注浆压力和单孔注浆量两个指标来判断确定。单孔结束条件为：注浆压力达到设计终压；浆液注入量已达到计算值的80％以上。全段结束条件为：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。5、注浆检查注浆前应进行钻孔质量检查、材料质量检查、注浆设备工作状态检查，并应进行现场试验运转。注浆过程中应密切注意注浆压力的变化。注浆后应利用声波探测仪对注浆效果进行检查，如未达到要求时，应进行补注浆。目的：稳定边仰坡。适用于：覆盖层薄或高大边仰坡。⑴洞口边仰坡网锚喷地表网锚喷五.地表锚喷加固（2）洞门上方陡坎加固和仰坡加固垂直锚杆水平锚杆（3）洞口浅埋段预加固锚杆加固范围：加固宽度B≥(1～2)b，b为隧道开挖宽度；加固长度为浅埋段长度。1.钻眼爆破掘进2.全断面掘进机掘进3.自由断面挖掘机掘进（单臂掘进机掘进）4.人工掘进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。一、掘进方式§2隧道掘进方式及隧道爆破施工技术1．钻眼爆破掘进钻眼爆破掘进是在被爆破岩体的各个部位用凿岩机钻孔后，将炸药分散安装于各个钻孔中并引发炸药爆炸，从而爆破坑道范围内的岩体的过程。爆炸破岩对围岩的扰动较大，导致围岩稳定能力降低，有时由于爆破振动致使围岩产生坍塌，故一般只适用于围岩稳定性较好的石质岩体隧道中。但随着控制爆破技术的发展，钻眼爆破掘进的应用范围也逐渐扩大，如用于软石及硬土的松动爆破。钻眼爆破掘进是山岭隧道工程中最常用的掘进方式。2.全断面掘进机掘进3.自由断面挖掘机掘进（单臂掘进机掘进）自由断面挖掘机自身的破岩能力较小，掘进时对围岩的扰动破坏小，避免爆破振动对围岩的破坏，故一般适用于围岩稳定性较差的软岩隧道及土质隧道中，尤其适用于配合敞胸式盾构施工。4.人工掘进人工掘进是采用十字镐、风镐等简易工具来挖除岩体。这种方式只在特殊地质条件或特小断面的隧道工程中偶有采用，如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。开挖工序：钻眼爆破→出渣运输→初期支护二、钻眼爆破钻孔机具：1、风动凿岩机2、液压凿岩机3、凿岩台车1、风动凿岩机风动凿岩机俗称风钻，以压缩空气为驱动力。它具有结构简单，制造维修简便，操作方便，使用安全的优点，见图6-8。但压缩空气的供应和输送设备比较复杂，机械效率低、能耗大、噪声大，凿岩速度比液压凿岩机低。在目前我国劳动力价格低廉的条件下，较多的隧道工程中仍广泛使用风动凿岩机。液压凿岩机是以电力带动高压油泵，利用换向阀改变高压油路方向，驱动活塞（冲击锤）往复运动，实现冲击作用。2、液压凿岩机3、凿岩台车将多台凿岩机安装在一个专用的移动、控制设备上，实现多机同时作业和集中控制，称为凿岩台车。按其结构形式按其走行方式轨道走行轮胎走行式履带走行式实腹式门架式操纵控制方式人工控制电脑控制电脑导向隧道开挖前，应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破器材等做好钻爆设计，合理地确定炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法、起爆顺序，安排好循环作业等，以正确指导钻爆施工，达到预期的效果。隧道爆破设计内容：（一）钻眼炮眼的种类和作用1、掏槽眼2、辅助眼3、周边眼其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创造新的临空面。位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，为周边眼爆破创造临空面。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。帮眼、顶眼、底眼。（二）装药装药结构是指被动药卷和主动药卷在炮眼中的布置形式。它包括药卷之间的间距、主动药卷的位置和方向、眼口的堵塞方式。装药结构连续装药间隔装药不耦合装药正向起爆反向起爆①正向装药，是将主动药卷放在眼口第2个药卷位置上，雷管聚能穴朝向眼底，并用炮泥堵塞眼口。这种装药结构在过去使用得较多。②反向装药，是将主动药卷放在眼底第2个药卷位置上，雷管聚能穴朝向眼口，并用炮泥堵塞眼口。（三）堵塞及起爆隧道内所用的炮眼堵塞材料一般为砂子和粘土混合物，其比例大致为砂子50％一40％，粘土50%一60%，堵塞长度视炮眼直径而定。当炮眼直径为φ25mm和φ50mm时，堵塞长度不能小于18cm和45cm。堵塞长度也和最小抵抗线有关，通常不能小于最小抵抗线。堵塞可采用分层捣实法进行。堵塞起爆起爆网络必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间起爆。目前，在无瓦斯与煤尘爆炸危险的隧道中进行爆破开挖多采用导爆管起爆系统起爆。这种爆破网络可以采用分匝集束捆扎雷管连接，也可以使用专用的塑料连通器连接，形成并联网络、串联网络或串并联混合爆破网络。（四）起爆顺序及时差一般爆破和光面爆破的分区起爆顺序是：掏槽眼—辅助眼—周边眼—底板眼。预裂爆破的分区起爆顺序是：周边眼—掏槽眼—辅助眼—底板眼在一个开挖断面上，同圈（层）炮眼同时起爆，不同圈（层）的炮眼则“由内向外逐层起爆”。§3装碴与运输出碴，即将开挖的石碴迅速装车运出洞外，是隧道作业的基本作业之一。将开挖的石碴迅速装车运出洞外，是提高隧道掘进速度的重要环节。该项作业往往占全部开挖作业时间的50％左右，控制着隧道的施工速度。出碴作业装碴运碴卸碴在开挖后的洞室周边，施作钢、混凝土等支撑物，向洞室周边提供抗力，控制围岩变形，这种开挖后隧道内的支撑体系，称为隧道支护。为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。初期支护一般由锚杆、喷射混凝土、钢架、钢筋网等及其它们的组合组成，它是现代隧道工程中最常用的支护形式和方法。§4初期支护（一）锚杆的支护效应锚杆（索）是用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。(1)支承围岩。(2)加固围岩。(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”。(4)“悬吊”作用。(1)支承围岩。(2)加固围岩。(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”。(4)“悬吊”作用。喷混凝土的作用1．支撑围岩3．填平补强围岩2．“卸载”作用4．覆盖围岩表面5．阻止围岩松动1．支撑围岩3．填平补强围岩4．覆盖围岩表面2．“卸载”作用5．阻止围岩松动6．分配外力喷射工艺种类喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。主要区别是各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。1．干喷和潮喷2．湿喷3．混合喷射1．干喷和潮喷干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定的比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。潮喷，其喷射工艺流程和使用机械同干喷工艺，见图6-8-19。只是为了降低喷射时的粉尘和回弹，将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的。潮喷产生的粉尘量、回弹量均较干喷有一定程度的降低，混凝土强度和密实度也有所改善。目前施工现场较多使用的是潮喷工艺。干喷的缺点是产生的粉尘量大，回弹量大。干喷加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有关。但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理容易。2．湿喷湿喷是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出，其工艺流程见图。湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少，但对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不宜使用湿喷。3．混合喷射混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法，是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。3.钢拱架刚拱架的作用及效果§5衬砌防水模板类型1．整体移动式模板台车2．穿越式分体移动模板台车3．拼装式拱架模板§5模筑衬砌1．整体移动式模板台车整体移动式模板台车主要适用于全断面一次开挖成形或大断面开挖成形的隧道衬砌施工中。整体移动式模板台车2．穿越式分体移动模板台车3．拼装式拱架模板§6辅助坑道一、横洞二、平行导坑三、斜井四、竖井五、投料孔一、横洞当隧道傍山沿河、侧向覆盖层较薄时，就可以考虑设置横洞。一般情况下，横洞不长，较经济，因此在地形条件允许时，宜优先考虑采用横洞来增