隧道施工方法

第六章隧道施工方法教学基本要求：1、了解山岭隧道的基本施工方法及其适用范围；2、了解洞口及不良地质条件下隧道施工采取的对策与方法。3、掌握新奥法的概念及其要点；4、掌握锚喷支护设计的步骤；5、掌握锚杆、喷射混凝土的支护原理；6、了解新奥法中支护和围岩共同作用原理的力学概念；7、掌握锚喷支护的的施工方法与步骤；8、了解锚喷支护的力学性能及检测方法。第一节山岭隧道施工法一、山岭隧道工程特点施工过程为：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初次支护和砌筑；最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道长期的安全使用。隧道工程的特点如下：（1）整个工程埋设于地下。（2）隧道是一个狭长的建筑物，一般有进口、出口两个工作面。隧道的施工速度比较慢，工期也比较长。需要开挖竖井、斜井、横洞等辅助工程来增加工作面，加快隧道施工速度。另外，隧道断面较小，工作场地狭长，有些工序只能顺序作业，有些工序可以沿隧道纵向开展，平行作业。因此，要求施工中加强管理、合理组织、避免相互干扰。洞内设备、管线路布置应周密考虑，妥善安排。隧道施工机械应当结构紧凑、坚固耐用。（3）地下施工环境较差（甚至会恶化），须采取有效措施，使施工场地合乎卫生条件，并有足够的亮度，以保证施工人员的身体健康，提高劳动生产率。（4）施工工地一般都位于偏远的深山峡谷之中，往往远离既有交通线，运输不便，供应困难。（5）山岭隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改。二、隧道施工方法及其选择隧道施工方法：矿山法（传统的矿山法和新奥法）、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。矿山法：因用于矿石开采而得名，它包括传统方法和新奥法。多数情况下都需要采用钻眼爆破来进行开挖，又称为钻爆法。有时将新奥法从矿山法中另立系统。掘进机法：包括隧道掘进机法和盾构掘进机法，前者应用于岩石地层，后者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。沉管法和顶进法：用来修建水底隧道、城市市政隧道等。明挖法：主要用来修建埋深很浅的山岭隧道或城市地铁隧道。选择施工方案时，考虑的因素：(1)工程的重要性，一般由工程的规模、使用上的特殊要求及工期的缓急体现出来；(2)隧道所处的工程地质和水文地质条件；(3)施工技术条件和机械装备情况；(4)施工中动力和原材料供应情况；(5)工程投资与运营后的社会效益和经济效益；(6)施工安全状况；(7)有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。三、隧道施工方法山岭隧道:指为穿越山岭而开凿的隧道，一般为岩石隧道，故常常采用矿山法施工，即用钻眼爆破方法开挖岩石，并修筑支护结构，有时也可采用机械破岩进行开挖。山岭隧道施工可选择:全断面一次开挖、全断面二次开挖、台阶式开挖、导洞法开挖等施工方法。一般宜优先选用全断面法和正台阶法，对地质条件变化较大的隧道，选择施工方法时要考虑有较大的适应性，以便在围岩变化时易于变换施工方法。一、全断面一次开挖法全断面一次开挖法是利用钻眼爆破法或全断面掘进机，在整个设计断面上一次向前挖掘推进的施工方法。从隧道钻爆法的发展趋势看，全断面施工将是优先被考虑的施工方法。按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。它的施工顺序如下：①用钻孔台车钻眼，然后装药、连接导火线；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，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；④用装碴机将石碴装入矿车，运出洞外；⑤安设边墙锚杆和喷射混凝土；⑥必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑦开始下一轮循环；⑧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。全断面一次开挖法的优点是：可最大限度地利用洞内作业空间，工作面宽敞，能使用大型高效设备，加快施工进度；断面一次挖成，施工组织与管理比较简单；能较好地发挥深孔爆破的优越性；通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作均较便利。全断面一次开挖法的缺点是：要使用笨重而昂贵的凿岩台车或钻架；一次投资大；同时由于使用了大型机具，需要有相应的施工便道、组装场地、检修设备以及能源等；当隧道较长、地质情况多变而必须改换其他施工方法时需要较多时间；多台钻机同时工作时的噪声极大。全断面开挖法适应条件:一般认为，该法主要用于围岩稳定、坚硬、完整、开挖后不需临时支护的I～III级围岩的岩石隧道，以及高度不超过5m、断面不超过30平方米的中小型断面隧道。二、分断面两次开挖法该法是将断面分成两个分层（或部分），从上向下（或从下向上）或利用导坑在全长范围内或一个区段内逐个分层（部分）施工。开挖好一个分层（部分）再开挖另一个分层（部分）。适应条件：它适合于稳定岩层中断面较大、长度较短或者要求快速施工以便为另一隧道探清地质情况的隧道施工。根据各分层（部分）施工顺序不同分为三种：（1）上半断面先行施工法（2）下半断面先行施工法（3）先导洞后全断面扩挖法1、上半断面先行施工法该法的特点：开挖面高度不大；不需笨重的钻架；遇松软地层时可迅速地改变开挖方法；下分层开挖时运碴和钻孔可平行作业，进度快；下分层爆破有两个临空面，效率高、成本低。2、下半断面先行施工法下半断面先行施工法在断面开挖完成后即可进行衬砌。上部断面可以站在碴堆上钻孔（水平孔）或从隧道地板向上钻垂直孔。在不采用对头施工的隧道中，下部掘通后，上部可从两个洞口组织钻孔和装岩作业。该法的特点是：和上半断面先行施工法类似，衬砌施工、排水、排矸都更方便。一般只在一定地质条件下及没有钻架或使用钻架不经济时使用。3、先导洞后全断面扩挖法该法先沿隧道的中线、按全长开挖导洞，然后再扩挖至设计断面。导洞的位置要根据具体条件确定，可位于隧道底板或顶板或中部（拱基线水平）。导洞可用掘进机或钻爆法挖掘。先导洞后全断面扩挖该法优点:主要可对隧道范围内的地质情况进行连续地调查；以便对支护系统做修正和方便后续工程的进行；该法可正确评价扩大作业的时间和费用；有利于通风以及涌水和瓦斯的预防与排放等。因此，该法目前被认为是一种能提高掘进速度的好方法。米花岭隧道先导洞后全断面扩挖施工布置1一门架式凿岩台车；2一挖装机；3一梭式矿车4一蓄电池电机车三、台阶法施工该法是将隧道断面分成若干（一般为2～3）个分层，各分层呈台阶状同时推进施工。这种方法的最大特点是缩小了断面高度，不需笨重的钻孔设备。按台阶布置方式的不同，台阶法可分为:正台阶法反台阶法（一）正台阶法该法为最上分层工作面先超前施工，又称下行分层施工法。施工时首先掘上部弧形断面（高一般为2m～2.5m），然后逐一挖掘下面各部分。采用正台阶施工法要注意以下几点：（１）要根据具体条件合理确定上、下分层的错距、距离过大，上分层出碴困难；过小上分层钻眼不便。在分层数目少、分层断面大、使用较大型的施工机械时或者有其他辅助坑道时，错距可适当加大。（２）在装碴、钻孔机械能力足够时，应尽量减少分层数。人工翻碴时，台阶数可多些。上部台阶断面钻眼可与下台阶翻碴工作同时作业。台阶较短（3m～5m）时也可以采用上下分层同时钻眼、一次爆破的开挖法。（３）要根据围岩稳定情况及永久衬砌的形式合理确定掘砌之间的协调关系。锚喷支护时施工比较灵活，现浇混凝土衬砌时，一般衬砌工作落后于下分层掘进一定距离（十几米或几十米）。（二）反台阶法反台阶法又叫上行分层施工法。该法施工能使工序减少，施工干扰小，下部断面可一次挖至设计宽度，空间大，便于出碴运输和布置管线，能节省大量材料，适合于围岩稳定、不需临时支护、无大型装碴设备的情况。四、导坑法施工导坑法是以一个或多个小断面导坑超前一定距离开挖，随后逐步扩大开挖至设计断面，并相继进行砌筑的方法。中央下导坑导坑法按导坑位置不同分为:上下导坑中央上导坑两侧导坑（一）中央下导坑施工法导坑位于隧道的中部并沿底板掘进。当导坑掘至预定位置后，再行开帮、挑顶，完成永久支护工作。1．中央下导坑先墙后拱法该法的施工顺序是先挑顶后开帮，在开帮的同时完成砌墙工作。适应条件:适用于围岩较稳定的隧道施工，一般为I-II级围岩石质隧道。六部开挖法又称漏斗棚架法如下图:其下导坑①宜超前一定距离（一般超过50m），随后架设漏斗棚架，向上拉槽②和挑顶③。②部和③部之间的距离一般为15m～20m，③部开挖完后立即进行刷帮，开挖④、⑤、⑥部。最后按先墙后拱的顺序衬砌浇筑。该法除下导坑和左右两帮（①和③部）外，其余各部位的岩碴均可经由漏斗漏到棚下的斗车内，再运出洞外。围岩条件允许时，可将①部与②部合并、③部与④部合并、⑤部与⑥部合并，即成为三部开挖法，使工序大为简化。漏斗棚架结构如图3—5所示。漏斗棚架结构图该法的施工特点是：优点:可容纳较多人员同时施工；且可以小型机械为主施工，既可利用棚架作脚手架；棚架上石碴又可由漏斗口漏人车内，省力、速度快。缺点:但该法由于需要几十米长的棚架，需用大量木材、钢轨；爆破也易损坏棚架和风水管路；围岩暴露时间较长，对施工安全不利。（二）中央上导坑施工法适应条件:随挖随砌的Ⅲ、Ⅳ级围岩的岩石及土质隧道。导坑①超前开挖并架临时支撑，随后落底②，更换导坑支撑。最后依次扩大两侧③，并立即进行砌筑。如岩质差、断面大，也可将导坑再分成几个小断面进行挖掘，先挖顶部后挖两帮并进行临时支撑，最后挖掉中间部分。土质隧道中，中间部分⑤可分三层进行。注意:中央上导坑施工法施工时为防止两侧内移，可在拱脚处架设横撑梁（也叫卡口梁）；或在中上部设横撑（过河撑）。上导坑先拱后墙法两侧墙⑥、⑧采用马口开挖，每侧开挖完成后立即砌墙。马口开挖分对开马口和错开马口两种，如图3—8a所示（括号内数字为错开马口）。马口长度以4m～8m为宜，松软破碎围岩可小于4m。对开马口即两帮马口同时相对开挖，适合于石质较好的隧道；错开马口即两帮马口相错开挖，适合于石质松软、破碎的隧道。在岩石条件较差时，也可采用三步或四步跳跃法，如图3—8b所示（括号内数字为四步跳跃法）。对开马口可不必来回跳跃，不会打坏对面边墙、风水管路及脚手架等不必多次拆装，可加快边墙施工速度。（a）－马口形式；（b）－三步（四步）跳跃法1、2、3、4一马口开挖顺序；5一拱圈施工缝中央上导坑施工法的特点是：拱圈衬砌及时，围岩暴露时间短；施工干扰大，进度慢；衬砌整体性差，故较适合于围岩稳定性差及长度较短（300m以内）的隧道。（三）上下导坑施工法（P146）适应条件:该法适用于Ⅲ类及Ⅳ级围岩的石质或土质隧道施工。1．施工顺序下导坑①超前上导坑②30m～50m，对于短隧道或石质差的隧道，这一距离还可小一些。其他工序拉开的距离以互不干扰、尽量缩短为原则。两个导坑挖好后，先扩大上部断面，并把拱圈修筑好，然后在拱圈保护下开挖下部断面，最后修筑边墙。上下导坑先拱后墙法施工顺序图中部挖去后，开始挖砌边墙，应采取以下措施：（1）拱脚悬空后需加强临时支撑，围岩稳定性差时，拱脚应设置托梁。（2）拱圈是分段浇灌的，段与段之间有施工缝，为避免挖边墙时使整段拱圈悬空，边墙应采用马口开挖。（3）砌筑拱圈时适当加厚拱脚处的衬砌，使部分拱脚支撑在围岩上，以保证拱圈不下沉。2．上下导坑施工法施工特点该法最大优点是下部各工序均在拱圈保护下进行，施工安全；有两个导坑，通风、排水、运输、管线布置等条件较好；能拉开工作面，便于使用小型工具；适用范围广，遇到地质情况变化，变换施工方法较易；但衬砌整体性差，马口开挖影响进度且有可能引起拱圈下沉；工序多，干扰大，施工管理不便，上导坑人工装碴劳动强度大。（四）两侧导坑施工法1．品字形导坑先拱后墙施工法适应条件:该法适用于III～IⅤ级围岩石质多线隧道施工.开挖顺序:先开挖呈品字形布置的导坑①、②，再在上导坑②扩大拱部③、④，矸石从漏斗漏至①中的斗车内运出，挖完拱部围岩后即砌拱圈Ⅴ，在拱圈保护下开挖边墙部分⑥，并砌筑边墙Ⅶ。最后开挖核心⑧部和⑨部。品字形导坑先拱后墙施工法优点:该法工作面较多，施工干扰小，一般不需要支撑或需简单的支撑，保留核心有利于支撑和施工安全，出碴运输方便，两个下导坑可用装岩机装碴。拱部扩大的大量岩碴可经由漏斗漏至