第16讲-矿山法(新奥法)施工

第十六讲地下铁道矿山法（新奥法）施工主讲：高新强上节内容回顾地铁施工方法主要包括:明挖法、盖挖法、新奥法、盾构法、沉埋法等等。本章第二节我们学习了明挖法施工。上次课我们主要学习了盖挖法。盖挖顺作法：采用预制标准覆盖结构（纵、横梁及路面板）。什么时候施作？什么时候拆除？盖挖逆作法：施工顺序:基坑围护结构和中间桩柱开挖顶板底面标高以上土体浇注顶板回填土、恢复路面由上向下逐层开挖并修建主体结构至底板。盖挖半逆作法：顶板先修，开挖至设计高度，结构从底板向上修筑。第四节矿山法施工一、概述•新奥法的基本思想充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的监控量测来指导地下工程的设计与施工。第六章地下铁道施工沈阳地铁青年大街站•新奥法是一种“概念”或“原则”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。新奥法创始人最初把新奥法作为一种与新型支护有关的隧道修建方法提出来的。但是，将新奥法仅限于一种特定的施工方法或具体支护技术将会使它的推行受到很大限制。第六章地下铁道施工第四节矿山法施工《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》把新奥法基本要点简化为4点:合理地利用围岩的自承能力，保护围岩稳定；以喷混凝土、锚杆为主要支护手段，及时支护、封闭，使围岩成为支护体系的重要组成部分；开挖作业应减少对围岩的扰动，保持隧道开挖轮廓圆顺；施工中必须对围岩和支护进行观察、量测，并根据反馈信息进行动态设计。第四节矿山法施工新奥法与传统矿山法相比，不仅仅是支护手段上的革新，更重要的是工程概念的不同。传统矿山法的依据是“松弛理论”新奥法的理论依据是“承岩理论”二、开挖方法分类全断面法台阶法中隔壁法交叉中隔壁法双侧壁导坑法洞桩法中洞法第四节矿山法施工ⅢⅡ第四节矿山法施工三、岩石地层的新奥法施工采用钻爆法开挖，需进行钻爆设计，应采用光面爆破或预裂爆破，尽量减少超挖和避免欠挖。1．光面爆破与预裂爆破主要不同点第四节矿山法施工爆破参数第四节矿山法施工2．爆破振动速度要求若采用光面爆破，爆破振动速度应小于下列数值：硬岩15cm/s、中硬岩10cm/s、软岩5cm/s。隧道上方有建筑物时，爆破振动对建筑物的破坏因素：（1）爆破地震波到达建筑物时的强度；（2）爆破振动地震波的传播方向与建筑物相对位置；（3）爆破地震波延续时间；（4）建筑物的类型、形状、高度、完整程度；（5）爆破振动频率与建筑物固有频率之间的关系等等。第四节矿山法施工爆破振动安全振速标准第四节矿山法施工降低爆破振动速度的措施：（1）采用光面爆破和预裂爆破；（2）适当缩短开挖进尺，减少装药量；（3）较软岩石可使用机械预切槽法；（4）采用TBM（掘进机）开挖。第四节矿山法施工开挖后应进行必要的支护。围岩与支护尽量密贴，稳定围岩；锚杆、钢拱架、网（或素）喷射混凝土。初期支护是新奥法施工的重要内容之一，它的施工工艺及技术在后面与浅埋暗挖法一起来讲。3．初期支护本节课重点第四节矿山法施工（1）熟练掌握新奥法的基本思想；（2）掌握主要施工方法的施工顺序及使用条件；（3）熟悉岩石隧道新奥法开挖爆破方法，了解爆破设计参数及隧道爆破时保证建筑物安全的振速要求。第四节矿山法施工四、松散地层的矿山法施工(浅埋暗挖法)我国将新奥法原理用在地铁区间和车站施工中，逐渐形成一套“浅埋暗挖”工法。这种方法在我国地铁和隧道工程中发挥了很大作用，目前已经成为地铁施工的主要方法之一。第四节矿山法施工（1）城市浅埋地下工程的特点覆土浅、地质条件差(多数是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等)、自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来严格的要求等.（2）浅埋暗挖法的主要思想浅埋暗挖法是以超前加固、处理软弱地层为前提,采用足够刚性的复合衬砌（由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成）为基本支护结构,用于软土地层近地表(浅埋)隧道的暗挖施工方法。它以施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。第四节矿山法施工（3）浅埋暗挖法的应用范围①区间、大跨度渡线段、通风道、出入口和竖井的修建；②多跨、多层大型车站的修建。（4）浅埋暗挖法的结构形式①圆拱曲墙形式；②大跨度平拱直墙形式；③平顶直墙等形式。（5）浅埋暗挖法与其它方法的结合①浅埋暗挖法与盖挖法的结合；②浅埋暗挖法与半断面插刀盾构的结合；“浅埋暗挖法”建成的北京复兴门地铁折返线第四节矿山法施工（6）浅埋暗挖法的特点①适用于各种地质条件和地下水条件；②具有适合各种断面形式(单线、双线及多线、车站等)和变化断面(过渡段、多层断面等)的高度灵活性；③通过分部开挖和辅助施工方法，能有效地控制地表下沉和坍塌；④与盾构法相比，在较短的开挖地段使用，比较经济；⑤与明挖法相比，可以减轻对地面交通的干扰和对商业活动的影响，避免大量的拆迁；⑥从综合效益观点出发，是比较经济的一种施工方法。第四节矿山法施工①管超前：指采用超前管棚或小导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；②严注浆：指在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力；③短开挖：指一次注浆，多次开挖，即限制一次进尺的长度，减少对围岩的松弛。1．施工的基本原则第四节矿山法施工④强支护：指在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；⑤快封闭：指在分部开挖施工中，必须采用临时仰拱封闭，开挖一环，封闭一环，提高初期支护的承载能力；⑥勤量测：指对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。第四节矿山法施工(1)小导管超前注浆2．地层预加固和预支护技术第四节矿山法施工(2)开挖面深孔注浆正注浆区域已注浆区域第四节矿山法施工(3)管棚超前支护所谓管棚，就是把一系列直径为70~250mm的钢管，沿隧道外轮廓线或部分外轮廓线，顺隧道轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。管棚的纵向加固作用是明显的，为了实现“纵向成梁、横向成拱”的理想空间加固效果，也避免泥水从管棚之间的空隙流入坑道，一般都要在管棚内注浆加固地层。第四节矿山法施工无连接件导槽和T字形第四节矿山法施工管和T字形双管第四节矿山法施工双T字形管和管第四节矿山法施工导槽和T字形第四节矿山法施工(4)水平旋喷超前预支护①水平旋喷原理以高压泵为动力源，通过水平钻机钻杆前的喷嘴把配制好的有固结作用的浆液高压喷射到土体内，喷嘴边喷射边旋转强制土颗粒与浆液搅拌混合。待浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥土固结体，即水平旋喷桩，当旋喷桩相互咬合后，便以同心圆在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，起到防流砂、抗滑移、防渗透及预支护的作用。第四节矿山法施工②水平旋喷超前预支护的应用●由竖直旋喷技术发展而来;●日本和意大利是研究开发水平旋喷技术较早的国家，意大利于1983年首次将水平旋喷技术用于隧道预支护。日本先后在软弱松散不良地层的多座隧道中成功地进行预支护和预加固;●欧美等国也先后使用了此项技术。●我国在神延铁路两座隧道、深圳地铁一期工程大剧院--科学馆区间隧道成功运用了水平旋喷超前支护。第四节矿山法施工③水平旋喷超前预支护的作用a、隔水防渗作用；b、加固围岩作用；c、开挖预支护作用。150°旋喷加固体第四节矿山法施工水平旋喷桩150°旋喷加固体④水平旋喷在隧道中的应用水平旋喷桩拱部超前预加固水平旋喷桩加固边墙或掌子面第四节矿山法施工旋喷桩加固斜向水平旋喷桩加固边墙第四节矿山法施工⑤水平旋喷的技术要点a、主要参数的确定钻孔长度：取决于隧道断面的大小、开挖进尺、地层条件及钻孔机性能，后者常起制约作用。固结体强度：取决于地层物理力学性能及浆液配比。固结体直径：取决于土层性质、喷浆压力及喷咀运动速度。浆液配比：有水泥浆液及混合浆液（水泥＋水玻璃浆液）两种。第四节矿山法施工b、主要设备及布置旋喷钻机：其主要作用为钻孔及旋喷，要求移动、安装、操作方便，定位精确，工作稳定，能适应地下净空要求；高压泵：其主要作用是提供旋喷浆液所需的高压；浆液制备所需的设备：主要包括搅拌桶及储浆罐。钻机高压泵水玻璃储料桶水泥浆储料桶水泥浆搅拌桶水玻璃搅拌桶图6-4-10机具布置第四节矿山法施工c、各工序操作要点准备工作；按场地布置图将钻机、高压泵及其它机具就位；旋喷浆液制备；旋喷机定位；钻孔；旋喷；清洗管路；废浆液处理。本节课的重点第四节新奥法施工（1）掌握浅埋暗挖法的基本思想；（2）掌握地下工程的特点；（3）熟练掌握浅埋暗挖法的施工原则；（4）熟练掌握地层预加固和预支护方法，包括小导管超前注浆深孔注浆管棚水平旋喷（1）浅埋暗挖法开挖时的要求：•最大限度的减少对地层的扰动，提高周围地层自承作用和减少地表沉降。•根据不同地质条件及隧道断面，选用不同的开挖方法。（2）开挖总原则：•预支护、预加固一段，开挖一段；•开挖一段，支护一段；•支护一段，封闭成环一段。四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工3．区间隧道土方开挖（3）开挖时监控量测•初期支护封闭成环后，隧道处于暂时稳定状态；•通过监控量测，确认达到基本稳定状态时，可以进行二次衬砌的混凝土灌注工作；•监测结果表明支护有失稳的趋势时，则需及时对支护进行补强或提前施作二次衬砌。四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工3．区间隧道土方开挖（4）开挖方法选择•地层稳定性较好时，可采用长台阶半断面施工方法；施工机械布置到上台阶进行施工，加快施工进度。拱部初期支护长时间无法封闭，当拱部地层压力较大，且拱脚部位土体不能提供足够反力时，整个拱部将连同支护一起下沉，严重时拱脚部位土体将产生滑移，涌入隧道。当遇到这种情况时，可施作临时仰拱，形成半断面临时闭合结构，促使地层稳定。临时仰拱的安设与拆除必然将增加工程量，增大工程费用。•地层不稳定时，可选用合理的分部开挖施工方法；四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工3．区间隧道土方开挖（5）开挖机械及出渣•土层和严重风化的基岩采用短臂反铲机械或单臂掘进机开挖，局部岩石要进行爆破开挖；•出碴可采用有轨运输，也可以采用汽车无轨运输。一般需要在工地设置存渣场，夜间运至卸渣场。四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工3．区间隧道土方开挖（6）开挖轮廓•隧道开挖轮廓线根据隧道设计轮廓尺寸、施工误差及最大变形量而定的，施工中要严格控制开挖轮廓线，防止超挖，但是不得欠挖。•用机械开挖，沿轮廓线预留10cm人工找平层，手工修边。（7）开挖期间加强测量工作•为保证区间隧道中线及水平标高准确无误，应加强施工测量工作。•当有两个工作面相对开挖时，往往难以避免出现贯通误差，在接近贯通时，两侧应加强联系，待接近20m左右时，其中一个工作面停止开挖，由另一个工作面实现贯通，便于逐步调整中线及水平标高。四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工3．区间隧道土方开挖•初期支护形式：钢架锚喷支护。•钢架锚喷支护的特点①开挖后能及时施作，并且施作后能尽快承受荷载；②施工简便，不需要大型施工场地及大型施工机械；③支护与周围地层之间密贴不留空隙，减少地层扰动；④适用于不同断面形式和断面尺寸；⑤支护的强度和刚度便于调整，便于后期补强；⑥工程造价相对比较便宜。四松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)第四节新奥法施工4．浅埋暗挖法的初期支护（1）喷射混凝土•借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将按照一定配合比的拌合料通过管道输送并高速喷射到受碰面上，凝结硬化而成的一种混凝土。•喷射机械：喷射机（干喷机或湿喷机等）•特点：①有一定强度和良好的耐久性；②与受喷面（围岩）之间具有一定的粘结强度，可以传递拉应力和剪应力；③于任何形状的受喷面都可以良好的结合，不留空隙；④加入速凝剂后，强度增长快，承受外界荷载，约束周围土体变形。四松散地层的新奥法施工