地铁矿山法施工技术

地铁矿山法施工技术主讲：李阶智广州市地下铁道总公司“深度交响”课程地铁矿山法施工技术1.矿山法基本概念2.矿山法施工方法介绍3.矿山法施工主要工序4.矿山法施工监测5.矿山法施工常见质量通病案例与对策6.矿山法施工作业环境控制及辅助工程课程内容1.矿山法基本概念盾构法地下工程施工方法1.1.暗挖法优势、劣势对比高施工场地要求高低明挖法盾构法暗挖法好断面灵活性差好中工期可控性差好大对相邻工程干扰大小软、中、硬岩层适应性软、中中、硬易质量控制中难好环境、安全中差传统矿山法采用圆木、型钢、钢轨等形成支架，对开挖面形成强力支承。传统矿山法的依据是“松弛理论”，认为围岩可能由于扰动产生坍塌，支护需要支承围岩在一定范围内由于松弛可能坍塌的岩体重量。在80年代及以前，因施工工艺落后、钢材紧张而普遍采用。因安全性差，现已完全淘汰。奥地利学者米勒（Muller.L）发明。在支护手段上，采用喷射混凝土和锚杆为衬砌，把衬砌和围岩看作是一个相互作用的整体，既发挥围岩的自承能力，又使锚喷衬砌起到加固围岩的作用。初期支护能随着围岩变形，充分发挥围岩的自承能力。新奥法采用锚喷支护的新奥法与采用钢木支护的传统矿山法相比，不仅仅是支护手段上的革新，更重要的是工程概念的不同。与前二者相比，限制围岩变形，是矿山法的概念。城市地铁工程基本属于浅埋矿山法。浅埋矿山法1.2.暗挖法分类2.矿山法施工方法介绍全断面法1台阶法2CD法、CRD法3侧壁导坑法4中洞法5柱洞法7桩洞法8侧洞法6•锚杆•格栅•喷砼初期支护3.矿山法施工主要工序•人工•机械•爆破开挖•防水板•止水带•注浆防水•钢筋•混凝土二次衬砌开始完成适用范围1.适用于V、VI级围岩2.对防震要求高、沉降要求很高的地段，如房屋下方、桩基切除方法人工及小型挖掘机或单壁掘进机配合（设备有待完善，慎用）人、机开挖法3.1.开挖钻爆法光面爆破1.适用于I、II、III级围岩2.掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼预裂爆破1.适用于III、IV级围岩2.周边眼→掏槽眼→辅助眼→底板眼适用范围1.IV、V级围岩2.对防震要求高、沉降要求较高的地段，如城市地铁微震爆破法开挖方法分类微震爆破控制控制目的减小爆破震动对周边建筑的影响施工沉降控制在允许范围内杜绝坍塌事故控制标准最大爆破振速控制在1.5cm/s以内或更小沉降控制2.5cm以内或更小控制措施缩短每循环进尺，一般0.5~1.5米选用震动烈度小的炸药多分段，减小单段用药量。最大单段用药量Q计算如下：（K、α经验回归数据，一般取120、2.0，R距离，ν震速控制标准）关键部位采用静态爆破或人工开挖/3max3KvRQ3.2.初期支护支护结构类型浅埋矿山法，限制围岩变形型钢或钢筋格栅，喷砼厚，初支刚性大刚性支护结构新奥法隧道，允许围岩变形钢筋格栅或钢筋网，喷砼薄，初支刚度小柔性支护结构高地应力隧道，围岩变形大先柔后刚，适用于塑性流变地层复合式支护结构初期支护主要工序•超前锚杆•超前小导管•大管棚超前支护•地表旋喷、注浆•洞内水平加固预加固•钢筋锚杆•锚管•中空锚杆锚杆•干喷砼•湿喷砼喷混凝土•钢筋格栅•型钢格栅格栅开始完成预加固目的◆地层较差或地面沉降有很高要求时◆改良地层，防止过大沉降、坍塌◆一般用于埋深浅的隧道，如过街通道等。地表加固◆地表有施工条件并埋深浅◆地表旋喷加固◆地表注浆水平加筋◆开挖掌支面稳定差时◆加水平塑料筋、管等◆极少采用预加固◆地表无施工条件或埋深大◆洞内水平旋喷◆洞内水平注浆洞内加固超前支护目的◆地层自稳性较差采用◆开挖过程对围岩保护◆初支完成后失去作用超前锚杆◆用普通钢筋制作◆施工方便、成本低◆刚度小，不推荐使用◆角度约15°大管棚◆刚度很大，适用于埋深浅、地表沉降控制严的地段，如过街通道等◆用大钢管制作，一般φ108~φ127◆施工要求高、成本高◆可实施对围岩注浆◆角度：一般与隧道轴线平行超前支护◆用小钢管制作，一般φ42◆施工方便、成本适中◆可实施对围岩注浆◆刚度较大，推荐使用◆角度约15°超前小导管大管棚大管棚控制关键点◆施工精度：导向管、导向架可适当上挑，但不可侵入开挖面内◆钻孔设备：管棚较短可采用普通钻机管棚较长需采用专业管棚机◆施工场地：根据设备，长度不小于6~8米在洞内打管棚还要求上挑约0.6米以上◆跟管钻进：地层破碎成孔困难时跟管钻进管壁无孔，钻头一次性、略大（注浆通道）◆围岩破碎，成孔困难时采用◆可通过空心通道对围岩注浆◆成本较高◆较少采用中空锚杆系统锚杆锚杆作用◆悬挂围岩◆改善围岩c、φ，提高自稳性◆固定格栅、钢筋网◆锁定拱脚砂浆锚杆◆用普通钢筋制作◆施工方便、成本低◆最常见系统锚杆预应力锚杆（索）◆一般用于高地应力隧道◆恢复部分应力场◆约束围岩变形◆极少采用，地铁无类似情况钢筋格栅型钢格栅格栅◆架设后立即能承载◆加工容易，但需要较大设备◆安装及构件连接，比较简洁、方便优点缺点◆背后的喷射混凝土不易填密实，留有空隙◆重量大，架设安装困难◆与变形不协调，混凝土易开裂◆喷射混凝土完全包裹在格栅内，整体性好◆制安容易，不需要较大设备◆柔性好，能适应围岩变形◆架设后不能立即承载，必须与喷射混凝土结合◆刚度较小，不能有效控制围岩变形◆喷射混凝土拌合料中添加钢纤维、玻璃纤维等◆提高喷混凝土强度和抗折弯能力一般用于变形量大的隧道◆造价高◆湿拌合料（水泥+砂+碎石+水）喷头处加液体速凝剂◆可采用机械臂式喷砼机，提高功率降低劳动强度，改善作业环境◆造价稍高◆作业环境稍好◆干拌合料（水泥+砂+碎石+粉状速凝剂），喷头处加水◆设备简单，轻巧灵活◆造价低◆作业环境差喷射混凝土干喷射砼湿喷射砼加纤维喷射砼3.3.防水工程防水体系分类二衬防水混凝土、防水层等形成防水体系防水层背后排水盲管、侧沟形成排水体系解决水压问题解决冻土地区冻融问题防、排水体系初支防水+防水层+二衬防水形成复合防、堵水体系解决地表失水沉降问题减少或避免人工排水适用于城市地下工程防、堵水体系复合式防水体系初支防水1.喷射混凝土防水效果差，需要在初期支护完成后进行注浆处理，同时填充初支与围岩之间的空隙2.围岩有明显渗漏地段需要进行注浆处理，铺设防水层前不能有明显渗漏防水层1.防水板+无纺布形成防水第二道防线2.防水板焊接质量是关键二衬防水1.二衬混凝土自防水能力，一般达到S8，特殊地段S102.施工缝、沉降缝防水措施3.注浆填充二衬与初支之间的空隙以及混凝土本身的空隙。水泥浆是最好的注浆材料防水卷材特性√√√×是否推荐使用-20-35-35-15低温弯折℃≤151416断裂拉伸强度Mpa8150500550扯断伸长率%40PVC材料名称SBSECBEVA防水板铺设质量控制关键•初支表面基本平整•无尖锐物基面处理焊接质量•尽量采用机械焊接•充气检验有富余量•防水板铺设不宜紧绷成品保护•钢筋加工期间保护•混凝土灌注期间保护铁丝悬挂法暗钉铺设法◆无纺布铺设后，用射钉固定热塑垫圈，垫圈融化后与防水板粘合在一起◆速度较慢，但不影响工期◆稳定可靠，推荐使用◆整幅焊接好的防水板穿在纵向铁丝上即可◆减少现场焊接，速度快◆易下滑，顶部紧绷，不推荐使用防水板铺设方法1.潮湿、有水情况下焊接质量也能保证，隧道施工最为适用2.优先推荐使用1.无水情况下焊接质量有保证2.无水情况下推荐使用1.灵活，适用于特殊部位2.焊接质量难于保证3.尽量少使用防水板焊接设备手工焊机直热式爬焊机风热式爬焊机施工缝防水钢板止水带背贴式止水带遇水膨胀止水条沉降缝防水卷材防水喷涂防水◆适应复杂部位的形状◆无接头，整体性好◆机械时，省力、省时◆不留空隙优点缺点◆有微毒气体◆影响其他工序◆成本较高◆工艺有待完善，少采用◆无毒无害◆选材广◆施工灵活，不占关键工期◆普遍采用◆基面处理要求高◆焊接质量较难控制◆初支与防水层之间有空隙喷涂防水与卷材防水比较3.4.二次衬砌二衬设计理念初期支护在二衬过程中逐步拆除二衬承受100%的荷载传统矿山法衬砌围岩变形达到80%以上时二衬初支与围岩承受80%以上荷载，二衬约20%新奥法复合式衬砌初支承受几乎100%的荷载二衬起应力储备和装饰、防水作用浅埋矿山法复合衬砌二次衬砌方法◆先拱后墙◆先墙后拱◆受力差◆接缝多◆防水差◆传统矿山法中常用◆现不提倡使用拱、墙分筑小模板整体衬砌◆灵活多变、适应性强◆成本较低，但劳动强度高，进度慢◆外观较难控制◆控制重点：支撑系统、板缝模板台车整体衬砌◆整体移动式模板台车◆穿越式分体移动模板台车◆断面固定◆混凝土设备配套◆一次性投入大，适用于中长隧道◆混凝土捣固问题主要监测内容4.矿山法施工监测1.地表监测2.初支变形监测3.压力应力监测4.围岩内位移监测5.爆破震速监测监测目的新奥法浅埋矿山法判断结构、围岩安全性监控变化情况防止突发事件判断结构、围岩安全性监控变化情况防止突发事件预测最终变形选择二衬时机4.1.地表监测1.地面下沉监测2.建筑物下沉监测3.建筑物倾斜监测4.建筑物裂缝监测4.地下管线下沉监测5.土体倾斜监测（必要时）1.横向间距：隧道至地面45°范围内2~5米2.纵向间距：建议不大于隧道埋深3.建筑物重要特征点1.精密水准仪2.经纬仪3.游标卡尺、测缝针等3.测斜管监测仪器测点布置监测项目4.2.初支变形监测1.精密水准仪2.收敛仪3.全断面扫描仪监测仪器1.拱顶下沉监测2.水平收敛监测3.边墙沉降监测4.仰拱隆起监测监测项目1.钢弦式压力盒2.液压枕式压力盒3.钢筋应力计4.混凝土表面应变计监测仪器4.3.压力应力监测1.围岩对初支压力监测2.钢筋应力监测3.混凝土表面应变监测监测项目1.准确反映隧道受力情况2.指导施工3.修正设计参数4.一般用于高地应力隧道地铁项目很少遇到监测目的4.4.围岩内位移监测土体多点位移计监测仪器1.反映围岩土体内部位移2.监测土体内部稳定情况3.修正设计参数4.一般用于高地应力隧道地铁项目很少遇到监测目的爆破震速监测仪监测仪器4.5.爆破震速监测1.前三次爆破时2.爆破参数有修正时3.爆破点靠近保护对象时4.其他时间一般每周一次监测频率1.控制爆破震动速度2.评估爆破危害情况3.指导修正爆破参数4.一般用于城市建筑物密集地段监测目的4.6.监测数据处理—回归分析目的◆判断围岩稳定状况◆预测最终变形量◆寻找合适衬砌时机◆新奥法施工采用回归分析指数函数◆收敛速度快（浅埋隧道）◆当t=∞时μ=αtbea＝◆用于一般埋深隧道◆当t=∞时μ=α对数函数tbaln1＋＝双曲线函数◆收敛速度慢（高应力软岩/土隧道）◆当t=∞时μ=1/bbtat＝5.矿山法施工常见质量问题与对策超欠挖问题1初支背后空洞问题2钢筋保护层问题3防水层焊接问题4二次衬砌密实度问题5注浆填充、堵水问题6问题描述开挖面或初期支护轮廓与设计不符，超挖或欠挖5.1.超欠挖问题解决对策1、测量导线控制关2、开挖面、格栅安装精确定位3、成型断面检查4、喷砼表面平整问题危害1、超挖造成混凝土回填加大成本2、欠挖照成二衬厚度不足；处理欠挖易造成坍塌或加大沉降3、防水层易破裂产生原因1、测量控制不严2、围岩坍塌3、初支定位不准4、喷射混凝土表面不饱满问题描述初期支护与围岩之间有空隙产生原因1、围岩松动，开挖过程中超挖严重2、喷射混凝土不密实3、人为回填杂物5.2.初支背后空洞问题解决对策1、开挖过程中发现围岩松动，加强超前支护，调整进尺2、初支完成后及时注浆处理3、杜绝人为因素问题危害1、初期支护受力不均，造成破坏2、造成地表沉降3、形成水囊5.3.钢筋保护层问题解决对策1、内侧、外侧均有垫块2、每环衬砌有一环钢筋精确定位问题描述钢筋保护层不足或过大问题危害1、保护层不足造成易钢筋锈蚀2、保护层过厚使得钢筋受力偏心产生原因1、钢筋定位不准2、欠挖或超挖5.4.防水层焊接问题解决对策1、选择合适的焊接设备，尽量避免人工焊接2、资质保证问题描述1、防水板接缝焊接不牢2、防水板与垫块焊接不牢或过焊问题危害1、渗漏水2、防水板在混凝土灌注时脱落产生原因1、焊接设备选择不当2、焊接工人经验不足问题描述