浅埋暗挖隧道设计与施工(摘要)课件.ppt

前言,隧道工程是线性地下空间。水平线穿越地质体的特性决定了在隧道工程建造过程中地质状态的千变万化。地质的复杂性要求施工管理过程中必须针对每个掌子面具体问题具体分析。地下水是隧道工程的最重要的灾害源，必须予以高度的重视隧道工程管理是一门综合学科，管理者应涉历的专业技能 工程测量 工程地质 岩土力学 结构力学 材料力学 工程机械 隧道通风（流体力学）等,P2,目 录,一、暗挖隧道施工技术二、软弱围岩施工三、暗挖隧道辅助工法四、超前地质预报五、关于隧道风险评估六、机械化发展七、隧道施工各阶段重点关注要素,围岩稳定性的“时空效应”,围岩稳定有时间性 空间越大，越不利于自稳 围岩稳定的“时空效应”理念要牢记于心，贯穿于隧道施工的全过程。,一 暗挖隧道施工技术,暗挖隧道施工方法,按破岩机理分 钻爆法 非爆开挖按开挖断面分 全断面法 分部开挖法分部开挖法： 台阶法 （上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土环形七步开挖法、三台阶临时仰拱法等） 双侧壁导坑法、中隔壁法（CD)、交叉中隔壁法（CRD)其他：导洞法 中导洞法（双连拱隧道）顶管法 钻爆法是最常规的暗挖隧道开挖方法，其关键是钻爆设计和光面爆破,暗挖隧道分部开挖示意图,台阶法,该工法一般适合于级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于2倍洞径。,环形导坑(预留核心土)法,该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。,CD法（中隔壁法）,该工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，以减少沉降，防止坍方。该工法是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开挖隧道另一侧。每台阶纵向长度35m。初期支护仰拱紧跟下台阶，封闭成环。,CRD法（交叉中隔壁法）,该工法在特殊条件下采用。该工法是将大断面隧道上、下、左、右分块开挖，并施作初期支护和临时横撑（临时仰拱），每台阶纵向长度35m，步步封闭成环。,CRD工法、双侧壁导坑开挖照片,隧道施工安全步距要求 铁建设2010 120号文,7.隧道、级围岩地段、隧道浅埋、下穿建筑物及邻近既有线地段施工开挖应按照爆破安全规程采用控制爆破,或采用非爆破方法。8.软弱围岩隧道、级地段采用台阶法施工时,应符合以下规定: (1)上台阶每循环开挖支护进尺、级围岩不应大于1榀钢架间距,级围岩不得大于2榀钢架间距 (2)边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀。 (3)仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆,每循坏开挖进尺不得大于3m。3榀 (4)隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环, 、级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35m。台阶长度不超过10米.18 软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌应及时施作,二次衬砌距掌子面的距离:级围岩不得大于90m, 、级围岩不得大于70m。原则上不超过200米,关于进一步加强铁路隧道设计施工安全管理工作的通知(建技2010352号) 增加了时间要求,关于光面爆破,光面爆破是岩质隧道技术管理的源头 安全 质量 效益影响光面爆破的因素 围岩整体性 爆破参数 周边眼的数量 间距 钻孔质量（方向）隧道断面大小和开挖长度 合理的临空面 一般是拱部好于边墙 预留光爆层光面爆破关键在于管理,关于隧道场地布置,洞内三管两线布置图,洞外场地布置以洞内的需求为宗旨场地布置以大宗物流运送为主线，兼顾动力供应，保证运输线路通畅。因地制宜 科学安排（经计算分析）注意留够新风距离供水宜采用变频增压技术,关于监控量测,目测是隧道监控量测的一个重要项目 要求有严格的安全值班制度和良好的照明条件应根据设计文件安排量测项目 主要包括拱顶下沉和水平收敛，浅埋段应进行地表沉降量测目前采用有尺量测的较多。由于隧道断面大，采取有尺量测时，施工干扰大、耗时长。 应大力推广采用全站仪利用贴片反射进行量测。,二 软弱围岩施工,软弱围岩定义,一般公路、铁路级以下围岩为软弱围岩。城市隧道由于埋藏较浅，围岩多为、甚至级。 地铁设计规范（GB50157-2003）规定:“暗挖结构的围岩分级按现行铁路隧道设计规范确定”。因此，目前地铁、轨道交通围岩分级应依照现行铁路隧道设计规范确定。,表3 铁路隧道围岩基本分级,由于埋深关系，地铁隧道以土质软弱围岩居多,(一)软弱围岩主要工程地质特点 软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，工程地质特点有：(1)岩体破碎松散、粘结力差：一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒顶。,(2)围岩强度低、遇水易软化：一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。,(3)岩体结构面软弱、易滑塌：主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。,变形量大变形集中发生在工序转换期一旦大变形形成，就难以控制。,土质浅埋隧道变形特征,掌子面开挖前已有10%30%的变形,软弱围岩变形由三部分组成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;,掌子面鼓出/地表沉降槽,拱顶下沉和边墙内移,P24,针对不同的软弱围岩变形特征，从支护参数、断面形式、施工工法以及施工设备等几个方面考虑控制变形的手段：,软岩加固技术,P25,1）长锚杆加固塑性圈：根据塑性区范围及软质片岩厚度，锚杆长度812m不等，锚杆采用R32N自进式锚杆，间距11.2m，结合锚杆向围岩中压注水泥浆液；,长锚杆加固塑性圈,软岩加固技术,P26,2）提高支护刚度：初期支护是受力主体，它要求有一定的强度、刚度以抑制围岩的变形。通常采用格栅钢架I16型钢钢架I18型钢钢架I20 型钢钢架H175型钢钢架等手段逐级进行加强试验，以控制围岩的变形。,刚性支护措施,软岩加固技术,P27,3）分层加强支护，逐步控制变形：支护结构形式为“第一层初期支护第二层加强支护+模筑衬砌”的双层支护体系。,分层支护措施,软岩加固技术,模筑衬砌 在铁路隧道中衬砌承受全部围岩压力,P28,4）优化开挖断面，改善结构受力条件,软岩加固技术,常见的控制拱脚下沉技术有：（1）锁脚锚管技术 锁脚锚管当它作为承载结构时，主要是传递来自于上部初期支护的压力，因此，应尽量沿拱脚切线方向设置。若施作不到位，将降低锚管作用效果。,图 锁脚锚管,控制拱脚沉降,P30,2）临时仰拱技术,临时仰拱在台阶法开挖的软岩大断面隧道中经常使用，能让上台阶临时封闭成环，有效地控制上半段面支护的沉降，保证下台阶开挖的安全。,图 台阶法临时仰拱,控制拱脚沉降,（3）扩大拱脚技术 扩大拱脚是通过展宽基础，减小地基压力的方法，实现控制支护沉降的又一种有效的技术手段。 其关键是基础要有足够的宽度，设计宽度一般为0.81.0m。施作时，若拱脚宽度不够，将造成沉降过大，达不到设计要求。,图 扩大拱脚,控制拱脚沉降,常见的隧道坍方类型可以归纳为两类： 一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方； 另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。,图 掌子面挤出坍方 图 整体失稳坍方,关于塌方,关于塌方,软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止坍方”巩固前方 稳定后方 喷射混凝土封闭掌子面 防止塌方扩大 加快完成后方的仰拱和衬砌（即使初支变形，也要完成仰拱）对于变形侵限的初支“先支后换”密切关注地表，做好应急回填通过塌体一般需注浆加固,关于塌方,塌方隧道地面坍坑,P35,（1）洞口大管棚长度不足、质量欠缺；（2）超前小导管施做不到位，施工方法选择不当；（3）初期支护强度不足，钢架连接不可靠、锁脚不稳固，落底钢架悬空榀数过多，工序失衡、封闭不及时；（4）监控量测不到位；（5）超前地质预报不及时、不准确，掌子面地质素描有欠缺、隐患未发现；（6）现场施工对围岩特性认识不足，支护措施不到位，台阶落底两侧同时开挖，仰拱开挖不符合要求；（7）停工后初支暴露时间过长，二衬严重滞后等。,关于施工中易发生问题的环节,四 隧道施工辅助工法,主要的辅助工法（见表2）,超前预支护 管棚 小导管 锚杆 注浆 帷幕注浆 深孔注浆 旋喷 竖直旋喷桩 水平旋喷桩降水 排水 洞外井点降水 洞内真空降水,P38,采用先进的施工设备。如采用PST-60摇臂钻机和SM-14钻机进行水平旋喷加固以及掌子面玻璃纤维锚固技术,图 进行超前预加固施工,辅助工法关于水平旋喷,P39,水平旋喷桩的桩径效果,P40,施工中采用的降水方法：垂直深井降水、超前真空深孔降水、轻型井点降水。,辅助工法 关于降水,多级轻型井点降水管网,集水井,P41,掌子面泥化现象明显，稳定性较差，基底呈稀糊状，隧道变形大，支护破坏乃至坍塌，施工进度缓慢，施工难度和风险极高。,桃树坪隧道降水前,掌子面砂层溜塌情况,粉细砂流动,P42,兰渝铁路桃树坪隧道三级降水系统完成后，在掌子面后方布置6台真空降水泵，其中单台水泵最大抽水量约在6 m3/h，平均日抽水量约在600800m3/d。通过水平真空降水结合大口井降水后，上、中、下台阶在开挖过程中均达到无水作业，降水效果良好。,大口井降水,真空降水管路,五 超前地质预报,P44,地质超前预报有地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑法。 1）地质调查法：包括隧道地表补充地质调查、掌子面和洞身地质编录，地质作图等。 2）超前钻探法：包括超前地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄像。 3）物探法： 弹性波反射法；TSP203 TRT6000 电磁波反射法；地质雷达 红外探测； 探水 高分辨直流电法 探水 4）超前导坑法：包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法等。,地质超前预报的方法,P45,TSP地质超前预报系统：震波能量来源 爆破,TSP203系统工作原理图,TSP地质超前预报系统数据处理图,目前常用的方法 地震波法,P46,TRT6000地质超前预报系统,特点：无线、三维成像、加速度传感器、锤击震源传感器可反复使用,TRT6000系统三维成像技术是基于地震能量在不同介质中以不同的衰减率和速度传播。通常，与破碎或裂隙发育的岩土体或空洞条件相比，地震波在完整坚硬的介质中传播时，具有更高的传播速度和更低的衰减。地震波在岩土传播过程中遇到具有不同震动特性的岩土界面时，地震波会产生反射。绝大多数地质结构异常及岩性变化，在地震信号可及的距离范围内，均可形成可探测的地震发射。TRT6000系统通过对收集到的各类地震波信号的综合分析处理，绘制三维全息岩土地质结构图像。,P47,地质超前预报可采用长距离预报、中距离预报和短距离预报。 1）长距离预报：预报长度100m以上。采用地质调查法、地震波反射法及100m以上的超前钻探等。 2）中距离预报：预报长度30100m以上。采用地质调查法、弹性波反射法及30100m以上的超前钻探等。 3）短距离预报：预报长度30m以内。采用地质调查法、弹性波反射法、电磁波反射法（地质雷达探测）、红外探测及小于30m的超前钻探等。,地质超前预报的距离,六 隧道风险评估,隧道风险评估体系,国际隧协 Guidelines for tunnelling risk management 隧道风险管理指南-2004铁道部 铁路隧道风险评估与管理暂行规定 铁建设2007200号 关于印发铁路建设工程安全风险管理暂行办法的通知 铁建设2010162号 关于铁路高风险隧道安全管理工作的实施意见 工管质201136号 交通部 公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南中华人民共和国住房和城乡建设部 城市轨道交通地下工程建设风险管理规范(GB 50652-2011) 2012-01-01实施,主要内容,目录：1总则2术语3基本规定4工程建设风险等级标准5规划阶段风险管理6可行性研究风险管理7勘察与设计风险管理8招标、投标与合同签订风险管理9施工风险管理附录本规范用词说明附:条文说明,现场施工风险管理实施工作，主要包括：,1 施工中的风险辨识和评估。2 风险评估报告应以正式文件发送给工程建设各方，并经风险交流后形成现场风险管理实施文件记录。3 施工对邻近建（构）筑物影响风险分析。4 施工风险动态跟踪管理。5 施工风险预警预报。6 施工风险通告。7 现场重大事故上报及处置。,七 暗挖法的机械化发展,隧道施工各阶段重点关注要素,洞口段 隧道进洞 进洞场地布置 变仰坡稳定 水池位置 系统规划排水 进出洞物流通顺 避免交叉干扰 单口掘进出洞方案 小导洞出洞 先加固变仰坡 再扩大断面洞身段 正常掘进 形成步进规范的作业循环 地质变化点 岩性界面 整合界面 不整合界面 构造影响地段 断层 次生断层 关注岩层倾角变化 富水地段 设计图标注的构造位置与超前地质预报成果的应用 结构变化点 断面变化 交叉口应用超前预报结果，提前进行工法转换,关于隧道测量问题,导线测量 双导线 洞内外控制点导线点的维护断面测量 拱腰最易侵限 有的隧道断面设计轮廓线与在拱腰处建筑限界仅5cm间距 断面加宽 缓和曲线（南昆铝厂隧道） 台车设计 维护 与变形检查,隧道建筑限界【structural approach limit of tunnel】指为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。,关于衬砌开裂问题,80%的开裂是由于空洞引起仰拱虚碴 拱部托空 边墙托空沉降（仰拱虚碴）造成的纵向张性开裂 仰拱高压注浆可致闭合 边墙的局部弯拉裂缝 锚杆填充注浆 压性开裂（闭合性裂纹） 伴随裂缝边缘混凝土剥落 需加固地层 拆除补强 剪裂缝 一般有错台,衬砌强度问题 振捣孔位置带来的问题（强度不足）,关于变形与塌方处理,拱形支撑 套拱是控制变形发展的最有效手段 受力状态合理 拆除困难 材料重复利用率低单点支撑 优点 支撑及时 压杆稳定性问题 承载力不高桁架支撑 基础处理问题 连接节点问题坍方处理 稳定前方 坍体喷混封闭 坍体注浆 预留排水孔 巩固后方,