2013秋第6章隧道施工方法.ppt

主讲教师:曹志军,隧道工程,第六章隧道施工方法,第一节 隧道施工方法概述,第三节 新奥法的基本概念,第二节 主要开挖方法,第四节 隧道岩土控制变形分析工法简介,第五节 隧道洞口施工,第六节 明洞施工方法,第一节 隧道施工方法概述,一、隧道施工基本概念,二、隧道施工方法的分类及其选择,三、矿山法概述,一、隧道施工基本概念,1隧道工程施工,2隧道施工方法,3.隧道施工技术,4.隧道施工管理,1隧道工程施工,隧道工程施工是指按照规定的使用目的、规定的设计要求、规定的技术标准，使用适当的人员、资金、机械、材料，运用适当的施工方法、施工技术和施工管理，在指定的地层中修建隧道及地下洞室建筑物的建筑活动。,隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。,隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计断面的坑道，进行必要的支护和衬砌，控制坑道围岩变形，保证隧道施工安全和长期安全使用。,1）隐蔽性大2）作业的循环性强3）作业空间有限4）作业的综合性5）施工是动态的6）作业环境恶劣7）作业的风险性大8）气候影响小,隧道施工具有以下特性：,2隧道施工方法,隧道施工方法是开挖和支护等工序的组合,*隧道施工方法主要研究在不同地下建筑环境条件下，修建不同建筑形式的隧道时，对建造过程的施工工序的划分、作业程序的设计、施工技术的选择，以及对人员、材料、机械、资金的综合调配与应用。,*在隧道施工中最重要的是选择合理的施工方法。,常用的施工方法有：传统矿山法（日本称为背板法）、新奥法(NATM）、明挖法、盖挖法、盾构法（Shield）、掘进机法、沉埋法。,或者定义为：为达到规定的使用目的、规定的设计要求、规定的技术标准，使用一定的人员、材料、机械、资金，运用一定的技术措施和管理措施，遵循一定的作业程序，修建隧道及地下洞室建筑物的方法。,混凝土衬砌模板台车,盾构法施工技术：插刀盾构法；土压平衡盾构法；泥水盾构法；复合式盾构法；顶管法。,2007年7月26日，在南京地铁二号线汉中门工地，工人们在顺利出洞的盾构机旁挥舞旗帜。,辽宁省大伙房水库输水工程全断面隧道掘进机,西康铁路秦岭隧道线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。,沉管法施工技术：沉埋管段法；悬浮管段法。,3.隧道施工技术,隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施（如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施）、隧道穿越特殊地质地段时（如膨胀土、黄土、溶洞、塌方、流沙、高地温、岩爆、瓦斯地层等）的施工手段、隧道施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的量测监控方法。,4.隧道施工管理,隧道施工管理是以按期完成合同为目的，研究隧道施工管理体系的建立、运行和改进，以及过程的计划、实施、检查、改进（PDCA）的方法和程序。,施工方案选择、施工方法选择、施工技术选择；施工进度控制、施工质量控制、施工成本控制；施工场地布置；施工人员聘用和培训、工程材料和能源采购和供应、施工机械购置和配备；环境保护、职业健康与安全保护等项。,施工过程中的工作一般包括：,按照管理的对象可以将隧道施工管理分为：人事管理、材料管理、机械管理、技术管理、质量管理、经济管理、安全管理等方面。,隧道施工管理主要解决施工组织设计（如施工方案的选择、施工技术措施、场地布置、进度控制、材料供应、劳力及机具安排等）和施工中的技术管理、计划管理、质量管理、经济管理、安全管理等问题。,二、隧道施工方法分类及其选择,（一）隧道施工方法的分类,（二）隧道施工方法的适用条件,（三）隧道施工方法的选择原则,（一）隧道施工方法的分类,（二）隧道施工方法的适用条件,（三）隧道施工方法的选择原则,选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：,1、施工条件,2、围岩条件,3、隧道断面积,4、埋深,5、工期,6、环境条件,（1）从工程技术的角度来看，隧道围岩工程地质和水文地质条件，是影响施工方法选择的最关键因素。针对具体的隧道工程，采用何种施工方法，也必然受到隧道工程结构条件和工程施工条件的影响。,围岩工程地质条件，即隧道所处的地下建筑环境条件，主要表现为围岩的自稳能力和抗扰动能力、被挖除岩体的抗破坏能力、地下水储藏条件、地应力大小、地温、易燃易爆有害物质以及这些条件的变化情况。,隧道工程结构条件主要表现为隧道长度、隧道断面大小、形状、洞室的组合形式以及支护结构类型等情况。,隧道工程施工条件主要表现为施工对围岩的扰动、支护对围岩提供帮助或限制的有效性、施工作业对空间的要求、提高施工速度的要求、控制施工成本的要求、保证工程质量的要求、保证施工安全的要求、减少环境污染的要求、施工队伍技术水平、施工人员素质、施工队伍的管理水平。,（2）隧道施工方法的选择原则是：应根据实际隧道工程上述几个方面的条件，尤其是围岩工程地质条件，充分研究、综合考虑，选择适当的施工方法，并根据各方面条件的变化及时调整和改变施工方法。,所选施工方法必须与围岩的自稳能力相适应，必须与被挖除岩体的坚硬程度相适应，必须与工程地质条件的变化相适应。所选施工方法必须与隧道断面大小、形状，以及洞室的组合情况相适应。所选施工方法必须与施工技术水平相适应。所选施工方法必须尽量减少对围岩的扰动，必须尽量保持围岩的自稳能力不显著降低，必须尽量利用其自稳能力，必须能有效保证围岩稳定，必须能够满足作业空间的要求。所选施工方法必须能满足施工组织和管理方面的要求，必须能够满足施工速度的要求，必须能满足施工成本控制的要求，必须能满足工程质量的要求，必须能满足施工安全的要求，必须能满足环境保护的要求。,（3）隧道工程施工是在应力岩体中开拓地下空间。由于地质条件的复杂性和多变性，以及地质勘探、施工技术和人们对工程问题认识的局限性，使得人们在隧道施工过程中不可避免的会遇到预料之外的地质条件的突然变化，甚至发生如流变、坍方、流沙、突泥、涌水、岩爆等工程事故。所以，隧道施工人员，一方面应当根据隧道工程各方面的具体条件加以综合考虑、反复比较，选择最经济、最合理的施工方法，甚至是多种方法、多种技术的综合应用；另一方面应密切关注施工过程中的各种变化，及时根据实际情况调整施工方案、施工方法、施工技术和施工进度等各项计划。这是一个受多种因素影响的动态的择优过程。,（4）值得关注的是：在长大山岭隧道工程中，采用小直径掘进机(TBM,直径3-4m)，先行完成导坑开挖，然后再采用钻爆法扩大为正洞，已成为推荐的组合型施工方法，多法并用的尝试已初见端倪。,三、矿山法概述,“矿山法”因其最早应用于坑道采矿而得名。它是采用钻眼爆破方式破岩，纵向分段，横向全断面或分部开挖，每一部分开挖成形后即对暴露围岩加以适当的支撑或支护，继而提供必要的永久性人工结构以保持隧道长期稳定的施工方法。矿山法又因其采用“钻眼爆破”方式破岩，故隧道工程中也称之为“钻爆法”。,“传统矿山法”,“新奥法”,第二节 主要开挖方法,隧道开挖的基本原则,在保证围岩稳定或减少对围岩的扰动的前提条件下，选择恰当的开挖方法和掘进方式，并应尽量提高掘进速度。,全断面开挖法,台阶开挖法,分部开挖法,第二节 主要开挖方法,一、开挖轮廓线、预留变形量、开挖面的支撑作用,二、开挖方法的种类与选择原则,三、全断面开挖法,四、台阶开挖法,五、分部开挖法,一、开挖轮廓线、预留变形量、开挖面的支撑作用,1、开挖轮廓线的确定与预留变形量,2、开挖面的支承作用,1、开挖轮廓线的确定与预留变形量,考虑到开挖坑道后，围岩因失去部分约束而产生向坑道方向的收缩变形，施工开挖轮廓线应在设计开挖轮廓线的基础上适当加大，保证围岩变形完成后，坑道断面大小仍能满足设计要求（保证衬砌厚度）。这部分加大量称为预留（围岩）变形量。,2、开挖面的支承作用,隧道施工作业最前端的横断面称为“开挖面”或“掌子面”。,开挖面前方将被挖出而尚未挖除的岩体，对已开挖区段的围岩起着一定的约束作用，这种约束作用称为“开挖面的支承作用”。,二、开挖方法的种类与选择原则,1、开挖方法的种类,2、隧道开挖方法的选择原则,1、开挖方法的种类,2、隧道开挖方法的选择原则,隧道开挖方法的选择就是要确定横断面分部开挖面的大小和纵向分段掘进的深度，及其动态调整措施。,隧道开挖方法的选择，应主要考虑围岩的稳定性，开挖与其他工序之间的相互干扰，施工过程中岩体应力重分布和结构体系转换，还应考虑隧道设计断面大小和形状，以及掘进方式、作业空间大小、机械配备能力、支护条件、工期要求、工区长度、经济性等因素的影响，进行综合分析，选用既有利于围岩稳定，又满足作业空间等要求的开挖方法。,现代隧道工程围岩承载理论主张尽可能采用大断面，同时主要通过调整掘进进尺来适应不同稳定能力的围岩条件。,三、全断面开挖法,全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。,（一）全断面法施工的顺序,三、全断面开挖法,（二）适用条件,（三）全断面法施工特点,（四）全断面开挖法的技术要点,（一）全断面法施工的顺序,隧道掘进正规循环作业横道图,(1)施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路；(2)退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；(3)进行通风、撒水，排烟、降尘；(4)排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；(5)用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外；(6)安设边墙锚杆和喷混凝土；(7)必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；(8)开始下一轮循环；(9)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。,（二）适用条件,（3）隧道长度或施工区段长度不宜太短。根据经验，这个长度不应小于1km。否则采用大型机械化施工的经济性差。,（1）全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中，如级围岩，在用于级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护这段时间内，保持其自身稳定的条件。,（2）必须具备大型施工机械，有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。,（三）全断面法施工特点,（1）开挖断面与作业空间大、干扰小（2）有条件充分使用机械，减少人力（3）工序少，便于施工组织与施工管理，改善劳动条件（4）开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定,优点：,缺点：,采用全断面开挖，每次爆破震动强度较大，因此要求进行分段装药，严格控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。,因开挖面大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求具有较强的开挖、出碴能力和相应的支护能力。,（四）全断面开挖法的技术要点,(1)摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法），以确保施工安全。尤其应注意突然发生的地质条件恶化，如大量涌水，地下泥石流等。,“有疑必探、先探后掘”,(2)全断面开挖，在同一个工区采用单循环作业，对各工序的作业能力的利用率不高，施工速度也就较慢。在工期要求紧的长大隧道中，可借助平行导坑开辟多个工区，实现“长隧短打”。多作业面同时施工，应使不同作业面的相同工序相互错开，减少相互干扰，加快施工速度。若借助其他辅助坑道增加工作面，则应作工期投资比较。,(3)各工区、各作业面、各工序使用的机械设备与人力资源务必完整配套、合理组织、协调一致、动态调整，以充分发挥机械设备的使用效率，在保证隧道稳定安全的条件下，提高施工速度，缩短施工工期。,(4)在软弱破碎围岩中使用全断面法开挖时加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气，应加强对支护后围岩的动态量测与监控。,(5)加强对施工人员的技术培训，实践证明，施工人员对新奥法基本原理的了解程度和技术熟练状况，直接关系到施工的效果。,四、台阶开挖法,台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。,台阶开挖法主要适用于围岩稳定性较好，但隧道断面较大的条件下，或者隧道断面不太大，但围岩稳定性较差的条件下。,台阶法上断面开挖,台阶法上断面开挖,台阶法上断面开挖,台阶法上断面开挖,采用何种台阶法？,(1)初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；,(2)上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。,（一）长台阶法,（二）短台阶法,（三）超短台阶法（微台阶法）,四、台阶开挖法,（一）长台阶法,这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。,2、优缺点及适用条件,1、长台阶法的作业顺序,1、长台阶法的作业顺序,A、上半断面开挖：,用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断面时再将临时底拱挖掉。,B、下半断面开挖,用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土。用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。,C、待初期支护的变形稳定后，或根据施工组织所规定的日期敷设防水层（必要时）和建造内层衬砌。,相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法，一般适用于地质条件较差的、级围岩。,在上、下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，有足够的工作空间和相当的施工速度，上部开挖支护后，下部作业就较为安全；但上下部作业有一定的干扰，因此台阶长度适当长一些，一般考虑至少为50m，但台阶长度过长，如大于100m，则增加了轨道的铺设长度，同时其通风排烟、排水的难度也大大增加这样反而降低了施工的综合效率，因此推荐台阶长度为50-80m。,2、优缺点及适用条件,（二）短台阶法,这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍，为10-15m，即1-2倍开挖宽度，上下断面采用平行作业。,短台阶法的作业顺序和长台阶相同。,短台阶法主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此台阶长度不宜过短。上台阶一般采用少药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶，一般不考虑有轨运输。因此台阶长度又不宜过长，如果超过15m，则出渣所需的时间显得过长。,优缺点及适用条件：,短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制围岩变形。是新奥法施工中经常采用的方法。,适用：级围岩，尤其适用于地质条件差的-级围岩。,缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。将上台阶的石碴直接装车运出。过渡坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。,初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合，要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。,采用短台阶法时应注意下列问题：,（三）超短台阶法（微台阶法）,超短台阶法是将设计坑道断面内的岩体分为上半断面、下半断面2部分，在一个作业循环内同时挖除，并始终保持上半断面超前于下半断面形成一个台阶的开挖方法，也称为“微台阶开挖法”。,适用于、级围岩，一般为3-5m的台阶长度，采用交替作业。,1、超短台阶法施工作业顺序,2、优缺点及适用条件,3、台阶开挖法的技术要点,1、超短台阶法施工作业顺序,用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺。,安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑，喷拱部混凝土。,用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土（必要时加喷拱部混凝土）。,开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。灌筑内层衬砌。,2、优缺点及适用条件,将上、下半断面合为一个作业面同步开挖，与全断面开挖法基本相同，可以有足够的工作空间和较快的施工速度。,台阶开挖法将隧道下半断面滞后开挖，掌子面始终保留一个微台阶，既有利于开挖面的稳定和围岩的稳定，也给上部提供了一个工作平台，便于上部进行各项作业。,台阶开挖法既可以采用大型施工机械，也可以采用中小型施工机械，其出渣、进料运输方面也与全断面开挖法基本相同。,台阶开挖法在遇到前方围岩地质条件的突变（如突变为软弱破碎、突水、泥石流或溶洞）时，其防御性要好一些，相对于全断面开挖法而言，可以避免造成较大的损失，并且可以比较方便地转换为留核心土环形开挖法或其他分部开挖法。,由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效的控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。,缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大生产效率较低，施工速度较慢。,采用超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。,3.台阶开挖法的技术要点,台阶长度要适当。既要考虑围岩稳定性的好坏，又要考虑掘进进尺的大小，既要考虑施工机械的配套能力，又要考虑作业空间的大小等要求。,解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。微台阶基本上是合为一个工作面进行同步掘进，与全断面开挖法基本相同。对于较短的隧道，采用“半断面开挖法”，即先打通上半断面，然后在开挖下半断面，则可以最大限度地避免干扰。,下部开挖时，不仅要注意控制对围岩的扰动强度，尤其应注意防止对上部已作支护的破坏。,随着施工进展，在地质条件发生改变时应及时做好开挖方法的转换工作。,当围岩自稳能力不足，设计断面又较大时，为了缩短围岩暴露时间，可以在台阶上暂留核心土，而先行挖出上部弧形导坑，待施作上部初期支护后，再挖除核心土，并进行下部开挖和支护的施作。留核心土的目的是：降低开挖面临空高度，减缓开挖面的坡面角度，抵抗开挖面的下滑，缩短开挖后围岩的暴露时间，保证围岩稳定。下半断面则可以考虑分左右2部分开挖，并分别施作下部支护。,在围岩软弱破碎或断面较大的隧道施工中，采用台阶开挖法时，开挖面的稳定或暂时稳定，成为制约施工进展的重要问题。为维护开挖面的稳定或暂时稳定，使得有条件能够进行其他作业，既要从开挖方法方面考虑，又要从支护手段方面考虑解决。在开挖下半断面岩体前，应该注意上部初期支护的临时封闭，这种临时封闭对于上部初期支护的稳定是非常必要的。,所有台阶法施工中，开挖下半断面时要求：,下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采用其他有效措施确保初期支护体系的稳定性。例如扩大拱脚、打拱脚锚杆、加强纵向联接等，使上部初次支护与围岩形成完整体系；若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖；若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺；若稳定性更差，则可采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初次支护两侧拱脚同时悬空；或先拉中槽后挖边帮。又如，视围岩状况严格控制落底长度，一般采用13m，并不得大于6m。,下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。,量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。,五、分部开挖法,分部开挖法是开挖软弱岩层或土层隧道的一种施工方法，主要适用于隧道断面较大或围岩稳定性较差的条件下。它将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖。,导坑的作用主要是超前探察前方岩体的工程地质条件。,先行开挖形成的坑道称为“导坑”,“导坑超前开挖法”,分部开挖法的优、缺点：,分部开挖法将隧道断面分为几个小断面逐次开挖，使每个小断面坑道的开挖跨度较小，小断面坑道围岩的相对稳定性显著增强，且坑道断面较小时也更便于进行围岩局部支护。因此，分部开挖法主要适用于设计断面较大或围岩软弱破碎严重、稳定性较差的隧道中。,分部开挖法由于作业面较多，各工序相互干扰较大，且增加了对围岩的扰动次数，若采用钻爆掘进，则更不利于围岩的稳定，施工组织和管理的难度亦较大。,导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，并予以及时处理。但若采用的导坑断面过小，则施工速度较慢。,分部开挖法的技术要点：,因工作面较多，相互干扰大，应注意组织协调，实行统一指挥。,由于多次开挖对围岩的扰动次数多，不利于围岩的稳定，应特别注意加强对爆破开挖的控制，并避免后续开挖对已施作支护的破坏。,各部分的开挖和支护顺序不同，对围岩干扰和对支护的影响就不同。因此，采用分部开挖法时应充分考虑各部分的开挖与支护之间、相邻作业面之间的相互影响关系，安排好开挖和支护的顺序。,按照新奥法“应尽可能采用大断面开挖”的基本原则，应尽量创造条件，减少分部开挖次数，尽可能争取用大断面开挖，使洞内具备较大的作业空间，便于采用大中型机械施工和提高施工速度。,（一）台阶分部开挖法（环形开挖留核心土法）,五、分部开挖法,（二）单侧壁导坑法,（三）双侧壁导坑法，又称眼镜工法,（四）中洞法（洞柱法）,（五）中隔壁法（CD）,（六）交叉中隔壁法（CRD）,（一）台阶分部开挖法（环形开挖留核心土法）,（一）台阶分部开挖法（环形开挖留核心土法）,1、开挖面分部形式,2、施工作业顺序,3、施工要求,4、优缺点及适用条件,1、开挖面分部形式,2、施工作业顺序,用人工或单臂进机开挖环形拱部。,安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷混凝土。,在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。,根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。,3、施工要求,开挖进尺为0.52.0m，不宜过长。,上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为1倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨。,开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两榀钢架之间采用连续钢筋连接，并加锁脚锚杆；核心土面积不小于整个断面的50%；当围岩地质条件差，自稳时间较短时，开挖前在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护；二次衬砌采用先墙后拱法施作。,4、优缺点及适用条件,优点：,简单明了，施工易行，不需要特殊的机械设备，减少施工投入；,开挖工作面稳定性好；,施工安全性好。,缺点：,开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。,适用条件：,级围岩单线和级围岩双线,与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；,与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。,（二）单侧壁导坑法,1、开挖面分部形式,2、施工作业顺序,3、优缺点及适用条件,出口侧壁导坑台阶法施工,1、开挖面分部形式,侧壁导坑,上台阶,下台阶,2、施工作业顺序,开挖侧壁导坑，并进行初次支护(锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土)，应尽快使导坑的初次支护闭合；开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支承在导坑的初次支护上，另一侧支撑在下台阶上；开挖下台阶，进行另一侧边墙的初次支护，并尽快建造底部初次支护，使全断面闭合；拆除导坑临空部分的初次支护；建造内层衬砌。,3、优缺点及适用条件,单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。,（三）双侧壁导坑法，又称眼镜工法,1、开挖面分部形式,2、施工作业顺序,3、施工要求,4、优缺点及适用条件,1、开挖面分部形式,宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。,左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定,一般为30-50m。,双侧壁导坑法施工核心土开挖,双侧壁导坑法施工,2、施工作业顺序,开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合。拆除导坑临空部分的初次支护。建造内层衬砌。,3、施工要求,侧壁导坑高度以达到起拱线为宜；侧壁导坑形状应接近于椭圆形断面，导坑断面为整个断面的1/3；侧壁导坑领先长度一般为3050m，以开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布不影响另一侧导坑为原则；导坑开挖后应及时进行初期支护，并尽早封闭成环。,4、优缺点及适用条件,双侧壁导坑法具有控制地表沉陷好，施工安全等优点，但速度较慢，成本较高。适用于级围岩双线或多线隧道掘进。,当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。,（四）中洞法（洞柱法）,中洞法适用于双连拱隧道。采用先开挖中洞并支护，在中洞内施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施工方法。,中洞法施工要求：,中洞法开挖高度应大于中墙高度1m，开挖宽度应大于5m；中洞开挖长度根据隧道长度、宽度以及地质情况综合考虑，一般为5080m；对长度200300m的短隧道可先贯通中洞，然后再施工两侧侧洞；中洞开挖后应及时施作初期支护，再分段灌筑中墙混凝土，每一纵向段长度为410m，在中墙混凝土达到设计强度后方可拆模，并进行临时横向支撑。,中洞拱部开挖,（五）中隔壁法（CD）,适用于V级围岩浅埋双线隧道。,中隔壁法施工要求：,各部开挖时，周边轮廓尽量圆顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；每一部的开挖高度为35m；后一侧开挖应全断面及时封闭；左右两侧纵向间距一般为30-50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形。,（六）交叉中隔壁法（CRD）,适用于级围岩浅埋的双线或多线隧道。,采用交叉中隔壁法施工，除满足中隔壁法的要求外，尚应满足：设置临时仰拱，步步成环；自上而下，交叉进行；中隔壁及交叉临时支护，在灌注二次衬砌时，应逐段拆除。,第三节 新奥法的基本概念,一、新奥法（NATM）概述,二、新奥法施工的基本程序,三、新奥法施工的基本原则,四、新奥法与传统的矿山法的主要区别,五、需要采用超前支护或预先进行注浆加固的情形,一、新奥法（NATM）概述,“新奥法”，即奥地利隧道施工新方法，是奥地利隧道学家腊布希维兹教授在总结锚喷支护技术的基础上首先提出的，简称为NATM(New Austrian Tunnelling Method）、它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，采用锚杆和喷射混凝土作为初期支护，把理论、量测和经验结合在一起，达到坑道的基本稳定，待隧道开挖成形后，再逐步地施作内层衬砌作为安全储备，以保持隧道长期稳定的施工方法。同时又是一系列指导设计和施工的原则。,新奥法主要采用锚杆和喷射混凝土作为维护围岩稳定的初期支护，以帮助围岩获得初步稳定，施作后的锚喷支护即成为永久性承载结构的一部分而不予拆除，然后在此基础上再施作内层衬砌作为安全储备（内层衬砌也称为后期支护）。初期支护、内层衬砌与围岩三者共同构成了永久的隧道结构承载体系。,二、新奥法施工的基本程序,三、新奥法施工的基本原则,“少扰动、早支护（锚喷）、勤量测、紧封闭”,（1）少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。,（2）早支护（早锚喷），是指开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。,（3）勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩（或围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。,（4）紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，尤其是对于易风化的软弱围岩。另一方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。,四、新奥法与传统的矿山法的区别,（一）传统矿山法（背板法）简介,（二）传统矿山法施工的基本程序,（三）传统矿山法典型工法,（五）传统矿山法施工的基本原则,（四）钢木支撑,（六）传统矿山法的优缺点,（七）新奥法与传统的矿山法的主要区别,（一）传统矿山法（背板法）简介,“传统矿山法”是采用木构件或钢构件作为临时支撑，抵抗围岩变形，承受围岩压力，获得坑道的临时稳定，待隧道开挖成形后，再逐步地将临时支撑撤换下来，而代之以整体式单层衬砌作为永久性支护的施工方法。它是人们在长期的施工实践中逐步自然发展起来的。,（二）传统矿山法施工的基本程序,（三）传统矿山法典型工法,1、漏斗棚架法,2、上下导坑先拱后墙法,1、漏斗棚架法,（下导坑漏斗棚架法、下导坑先墙后拱法）,它是硬岩层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国20世纪80年代前修筑公路、铁路隧道采用得最广泛的方法之一。,下导坑的形状一般为梯形，坚硬围岩中也可用矩形。其宽度2.83.0m。（铺单运输线）或3.84.4m（铺双运输线），高度视装渣机装载高度而定，一般约2.83.0m，见图10.3.2。在中长隧道中为运输畅通多采用双线导坑。,采用漏斗棚架法施工时应注意如下问题：,下导坑开挖是领先工序，它的开挖速度直接影响整个隧道的施工进度，因此，要千方百计予以保证。漏斗棚架是卸、装渣的关键结构，必须具有足够的强度和刚度以承受爆破时石渣的冲击作用。挑顶时如发现拱顶有坍塌的预兆，应立即用圆木支顶住。,漏斗棚架法施工的优点：,便于人力、小型机具开挖；挑顶、扩大的石渣通过漏斗棚架装车，效率高，节省人力和机械；工作面多，可以安排较多的人力和机具进行平行作业，加快施工进度。,漏斗棚架法的缺点：,设置棚架需消耗大量木材和钢材；断面分块多，对围岩扰动大，而且拱顶围岩暴露过长，所以，只适用于较稳定围岩；工作面多虽可平行作业，但相互干扰大，尤其刷帮开挖容易损坏风、水管、电力线和堵塞运输,2、上下导坑先拱后墙法,是软地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用得最广泛的方法之一。,（拱圈支承法）,优点,缺点,衬砌整体性差，开挖两个导坑成本高、速度慢。,拱部围岩暴露时间短，开挖马口、灌注边墙都是在拱圈保护下进行的，施工安全，能适用于较软弱的围岩。,上下导坑法施工,（四）钢木支撑,1、钢支撑,2、木支撑,1、钢支撑,钢支撑具有承载力大，经久耐用，倒用次数多，占用空间小，节约木材等优点；但一次投资，费用高，比木支撑重，装拆不便。一般适于在围岩压力较大的隧道施工中使用。,钢支撑一般采用1020号工字钢、槽钢、828kg/m的钢轨等制成，其形式有钢框架、钢拱架、全断面钢拱架、无腿钢拱支撑等。,钢支撑的间距应根据围岩压力的大小和支撑杆件的断面尺寸计算分析，并参照工程类比予以确定，一般为0.612m。各排钢拱之间应用槽钢、角钢等做好纵向联结，保证支撑的纵向稳定。对于围岩压力很大而施工困难的地段，可将钢拱架焊接为整体，与锚喷支护联合使用，或完全埋入混凝土衬砌中，成为永久支护的一部分。在此情况下，为了增强钢拱架与混凝土的勃结力，多采用螺纹钢筋焊接制成的花拱。为了适应隧道爆破后岩面轮廓凹凸起伏较大的情况，有的施工单位也采用不规则多边形钢拱架与喷射混凝土联合支护。,2、木支撑,木支撑是传统的支撑方式，它具有易加工、质量轻、拆装运输方便等优点。其形式主要有框架或半框架式支撑、拱形支撑、无腿支撑等。可用于导坑、拱部扩大、挖底、马口、下导坑漏斗棚架以及洞口等部位的支撑，各部位的支撑均各有其特点，但又大同小异，比较复杂的是拱部扩大支撑。,木支撑一般使用圆木、梁、柱等主要杆件的直径不应小于20cm，纵撑等杆件应不小于15cm，木板厚度不小于5cm。木材应使用坚固、有弹性、无显著节疤、无破裂多节的松木和杉木，脆性木材不宜使用。,由于木支撑易损坏，倒用次数少，利用率低，消耗大量木材，且占用净空多，不利于机械化施工，故应尽量不用。只宜在抢险应急场合用之。,（五）传统矿山法施工的基本原则,“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。,（六）传统矿山法的优缺点,传统矿山法将围岩与整体式厚衬砌之间的关系等同于地上的“荷载（围岩）结构（衬砌）”力学体系。它作为一种维持坑道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此直至现在，这种方法常被应用于不便采用锚喷支护的隧道中，或处理坍方等。传统矿山法的一些施工原则也得以继承和发展，如曾经使用过的“插板法”和现在经常使用的“超前管棚法”及“顶管法”，可以说是传统矿山法改进和松弛荷载理论发展的极至。但由于衬砌的实际工作状态很难与设计工作状态一致，以及临时支撑存在的一些缺陷等，在一定程度上限制了它的发展和应用。,（七）新奥法与传统的矿山法的主要区别,这不仅仅是技术手段上的不同，更重要的是对工程问题认识的不同、理论解释的不同和施工原则的不同。,新奥法与传统的矿山法的主要区别在于支护方式的不同。,新奥法的锚喷初期支护与传统矿山法的钢木构件临时支撑相比较，具有显著的灵活性、及时性、密贴性、深入性、柔韧性、封闭性等工程特点。,它强调采用锚喷支护，而不大量采用钢、木支撑；强调要及早闭合支护环；提倡采用复合式衬砌，而不是采用刚度较大的单层衬砌；要求加强施工量测等。它是人们对隧道及地下工程问题认识和理解的一次重要进步，也是人们对隧道及地下工程理论的继承和发展。,五、需要采用超前支护或预先进行注浆加固的情形,当隧道围岩软弱破碎，而地应力也很大时，无论是浅埋还是深埋，围岩都表现为较强的流变性，随时会发生坍塌，有时甚至不挖自坍，工作面不稳定，难以形成自然拱。此类情形，施工就不能顺作，而应当按“先支护后开挖”的逆作程序进行。必要时还应当先对围岩进行注浆加固，然后开挖。,“先支护（或先加固）、后开挖，逆序施作；短进尺、弱爆破，万勿冒进；强支护、快衬砌，适时封闭；重观察、勤量测，莫等坍方；锚喷行、钢架好，根本注浆”。,在围岩软弱破碎条件下进行隧道施工的基本原则：,“注浆加固,“超前支护”,超前锚杆加固前方围岩超前管棚支护前方围岩,超前小导管注浆超前深孔帷幕注浆,第四节 隧道岩土控制变形分析工法简介,一、基本原理,二、实施要点,三、与新奥法的比较,一、基本原理,“新意大利法”。,隧道岩土控制变形分析工法(A.DE.CO-RS)是20世纪80年代由意大利Pietro Lunardi教授在隧道预支护工艺基础上，将隧道开挖过程中的变形状况按三维空间进行考虑，结合大量理论和试验研究形成的。该工法用于隧道设计与施工，适应各种围岩条件，特别是浅埋松软地层、变形控制要求高的隧道工程。,二、实施要点,（一）设计阶段,（二）施工阶段,（一）设计阶段,1.地质一岩性勘测（勘测）,2.开挖过程围岩变形行为预测（诊断）,3.确定开挖方法及稳定支护措施（处治）,2.开挖过程围岩变形行为预测（诊断）,1.地质一岩性勘测（勘测）,3.确定开挖方法及稳定支护措施（处治）,(1)尽量采用全断面掘进。即便是在及其复杂的围岩和困难条件下，通过必要的围岩保护和加固，也可全断面开挖，以便有效利用大型机械，并能高速、安全掘进。(2)隧道开挖后，根据不同类别的围岩特性采取必要的预加固、预支护及初期支护措施以减小变形、防止塌方。对稳定性体系，只需采用简单的初期支护措施；对不稳定体系的C类围岩，要对掌子面前方足够长度范围采取预加固或预支护等措施以改善围岩性状，对核心围岩加固及保护。这些措施包括对前方围岩注浆，设置玻璃纤维锚钉、水平旋喷拱、拱部机械预切槽然后喷灌混凝土等。必要时还需几种措施组合使用。对短期稳定体系，可根据开挖方法和开挖进尺在普通支护或预支护间进行选择。,(3)施作混凝土二次衬砌，必要时采用钢筋混凝土二次衬砌，尽快浇注仰拱以阻止开挖产生的极速变形。不同类别地层仍然采用不同断面形状及尺寸，通过一系列弹塑性平面及三维有限元模型对各种断面的施工及运营阶段受力情况进行分析。根据理论分析及施工经验制定不同级别围岩的施工计划，包括各工序的距离、工作循环及每日进尺等。同时还要拟定出实施监控量测的方案以验证设计的适宜性以及遇到地质条件变化时的对应措施。,（二）施工阶段,1施工作业,2监控量测,3.设计调整,三、与新奥法的比