《隧道施工方法 》PPT课件.ppt

第六章 隧道施工方法,隐蔽性大 作业的循环性强 作业空间有限 作业的综合性,第一节 概 述,一、隧道工程施工的特点,施工是动态的 作业环境恶劣 作业的风险性大 气候影响小,二、隧道施工方法及其选择 根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：矿山法因最早应用于矿石开采而得名，由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。,选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：施工条件 围岩条件 隧道断面积 埋深 工期 环境条件,施工机械,掘进机法包括隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简写为(T.B.M.)法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则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、明挖法等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。,隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用较多。,三、隧道施工技术的发展 从山岭隧道施工技术的现状出发，为了适应我国山岭隧道工程发展的需要并结合隧道工程技术的发展趋势，目前在山岭隧道施工中，必需予以关注的问题是 加强施工阶段地质判释技术，完善判释方法和手段 隧道施工方法的标准化、模式化,不断提高单一工作面的掘进速度，减少辅助工程数量，控制超欠挖 加强环境意识，改善地下作业环境，减少对周边环境和结构物的影响 重视工程质量，加强施工阶段质量检测，以减轻隧道运营后的维修养护工作量 加强施工中的灾害预测、预防与控制 不断提高施工管理水平，从多种角度降低工程成本，提高地下工程可持续发展的效应，使之适应技术发展的需求 加强应用施工新技术的研究,第二节 新奥法一、隧道施工应遵循的基本原则 归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是(1)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分 保护和爱护围岩(2)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的(4)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计,(5)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段(6)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程(7)在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为 重要的(8)在隧道施工过程中，必须建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。,二、新奥法的分类及施工工序 新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种：全断面开挖法 台阶法 其中包括：(1)长台阶法(2)短台阶法(3)超短台阶法 分部开挖法(1)台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)(2)中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)(3)双侧壁导坑法(眼镜法)等,新奥法的施工工序可用以下框图(图6-1)表示：,图 6-1,三、开挖方法 按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。,（一）全断面开挖法全断面开挖法是按设计开挖断面一次开挖成型(图6-2)。1.全断面法施工的顺序(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,图6-2 全断面开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌,2.适用条件 全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。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。,3.全断面开挖法的优缺点 优点 有较大的工作空间，适用于大型配套机械化施工，施工速度较快，且因单工作面作业，便于施工组织和管理。有较大的断面进尺比(即开挖断面面积与掘进进尺之比)，可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数相对较少，有利于围岩的稳定。一般应尽量采用全断面开挖法。,缺点 要求进行分段装药，严格的控制爆破设计，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、出渣能力和相应的支护能力。,(二)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。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图6-3所示。,至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：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 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 在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：,图6-3 台阶法施工形式,长台阶法 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。施工时上下部可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施，即为半断面法。,长台阶法的作业顺序为：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,(2)优缺点及适用条件：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。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。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。,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,2.短台阶法 台阶长度小于5倍但大于11.5倍洞跨。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 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，有利于控制隧道收敛速度和量值，级围岩都能采用，尤其运用于、级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。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。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。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。,3.超短台阶法 台阶仅超前35m，只能采用交替作业。(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。灌注内层衬砌,(2)优缺点及适用条件 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。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。,(三)分部开挖法 分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图6-6。1.台阶分部开挖法(又称环形开挖留核心土法)(1)开挖面分部形式一般将断面分成为环形拱部（图6-6(a)中的1、2、3）、上部核心土4、下部台阶5等三部分。,(3)优缺点及适用条件能迅速及时地建造拱部初次支护，开挖工作面稳定性好。核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。,(2)施工作业顺序 用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖 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,2.单侧壁导坑法开挖面分部形式 一般将断面分成三块：侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见图6-6(b)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。(2)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。,图6-6 台阶开挖形式,3.双侧壁导坑法(又称眼镜工法)(1)开挖面分部形式 一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑1、上部核心土2、下台阶3，见图6-6(c)。导坑尺寸拟定的原则同前，但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。,(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,(3)优缺点及适用条件当隧道跨度很大，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。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。,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,三线大跨隧道双侧壁导坑法施工,(右上)运用“双侧壁导坑法”修建国内第一大跨双连拱的公路隧道最大开挖跨度32.6米的京珠高速公路五龙岭隧道，1998年10月开工，1999年11月全隧贯通,（左下）国内第一座海底储气工程汕头LPG工程，1997年10月开工，1999年12月建成,CRD工法超浅埋大跨度施工技术,大跨隧道软弱围岩施工,四、掘进方式 隧道施工的掘进方式是指对坑道范围内岩体的破碎挖除方式。常用的掘进方式有钻眼爆破掘进、单臂掘进机掘进、人工掘进三种掘进方式。一般山岭隧道最常用的是钻眼爆破掘进。,（一）单臂掘进机及人工掘进,在软质岩石及土质隧道中，为减少对围岩的扰动，避免爆破震动对围岩的破坏，可以采用单臂掘进机掘进。常用的单臂掘进机是铣盘式采矿机。挖斗式挖掘机及铲斗式装渣机亦可以用于隧道掘进。在不能采用爆破掘进的软弱破碎围岩和土质隧道中，若隧道工程量不大，工期要求不太紧，又无机械或不宜采用机械掘进时，则可以采用人工掘进。,（二）钻眼爆破掘进 钻眼爆破掘进即是用凿岩机钻孔，钻孔内装填炸药使坑道设计范围内的岩体爆破破碎的过程。它对围岩的扰动破坏较大，有时由于爆破震动致使围岩产生坍塌，故一般较适用于坚石、次坚石质隧道。,1.钻眼机具 隧道工程中常使用的凿岩机有风动凿岩机和液压凿岩机。其工作原理都是利用镶嵌在钻头体前端的凿刃反复冲击并转动破碎岩石而成孔。,(1)钻头和钻杆 钻头直接连接在钻杆前端(整体式)或套装在钻杆前端(组合式)，钻杆尾则套装在凿岩机的机头上，钻头前端则镶入硬质高强耐磨合金钢凿刃。钻头构造见图6-7。,图6-7 钻头型式,(2)风动凿岩机 风动凿岩机俗称风钻，主要是手持式气腿凿岩机，常采用YT310；YT24；7655；YTP26型等，它是以压缩空气的膨胀为驱动力。它具有结构简单，使用灵活方便，制造维修简便，操作便利，造价较低，使用安全的优点，见图6-8。但压缩空气的供应设备比较复杂，工人劳动强度大，机械效率低，能耗大，噪声大。凿岩速度比液压凿岩机低。,图6-8 风动凿岩机,(3)液压凿岩机 液压凿岩机是以电力带动高压油泵，通过改变油路，使活塞往复运动，实现冲击作用。其工作原理见图6-9。,液压凿岩机与风动凿岩机比较，具有以下主要特点：,动力消耗少，能量利用率高。液压凿岩机动力消耗仅为风动凿岩机的1/31/2；能量利用率，液压的可达3040，风动的仅有15 凿岩速度快。液压凿岩机比风动凿岩机的凿岩速度快50150。在花岗岩中纯钻进速度可达170cm/min200cm/min 液压凿岩机的液压系统设计配套合理，能自动调节冲击频率、扭矩、转速和推力等参数，适应不同性质的岩石，以提高凿岩功效，且润滑条件好，各主要零件使用寿命较长 环境保护较好。液压钻的噪声比风钻降低10dB15dB；液压钻也没有像风钻那样的排气，工作面没有雾气和粉尘 液压凿岩机构造复杂，造价较高，重量大，附属装置较多，多安装在台车上使用,(4)凿岩台车 将多台凿岩机安装在一个专门的移动设备上，实现多机同时作业，集中控制，称为凿岩台车。凿岩台车按其走行方式可分为轨道走行、轮胎走行式及履带走行式；按其结构形式可分为实腹式、门架式两种。图6-10是工程中应用较多的实腹结构轮胎走行的全液压凿岩台车。,图6-10 凿岩台车(实腹、轮行),新型凿岩台车,大型运输车辆,凿岩台车作业,以凿岩台车为龙头的单线隧道快速施工机械化作业线,机械化出渣作业线,机械化衬砌作业线,以四臂凿岩台车为龙头的双线隧道无轨运输机械化作业线,机械化出渣作业线,机械化衬砌作业线,四臂凿岩台车作业,2.爆破材料,(1)工程常用的炸药 目前在隧道爆破施工中使用最广的是硝铵类炸药。硝铵类炸药品种极多，但其主要成分是硝酸铵，占60以上，其次是梯恩梯或硝酸钠(钾)，占1015。在无瓦斯坑道中使用的铵梯炸药，简称为岩石炸药，2号岩石炸药就是最常用的一种；在有瓦斯坑道中使用的炸药，简称为煤矿安全炸药。,隧道爆破使用的炸药一般均由厂制或现场加工成药卷型式，药卷直径有32mm、35mm、4Omm等，长度为150mm，而周边光爆炸药药卷直径一般为22mm、25mm，长度为200mm600mm，可按爆破设计的炸药品种、装药结构和用药量来选择使用。,（2）炸药的性能,敏感度 炸药在外界起爆能作用下发生爆炸反应的难易程度 爆速 炸药爆炸时爆轰在炸药内部的传播速度 爆力 炸药爆炸时对周围介质做功的能力 猛度 炸药爆炸后对与之接触的局部固体介质的破碎程度，用以衡量炸药的局部破环能力 殉爆距离 一个药包爆炸后，能引起与它不相接触的邻近药包爆炸的最大距离称为殉爆距离 管道效应,（3）起爆材料,起爆材料包括实施爆破时激发炸药所需要的一系列起爆和传爆材料，如导火索、雷管、导爆索、继爆管、塑料导爆管等。导火索与火雷管 导火索是用来点燃火雷管的配套材料，它能以较稳定的速度连续传递火焰给火雷管，并使火雷管在火焰作用下爆炸的传爆材料。通过导火索燃烧后喷出火星引爆的雷管，称火雷管。火雷管是最简单的一种雷管，见图6-11。电雷管 电雷管是用导电线传输电流使装在雷管中的电阻发热而引起雷管爆炸的。其结构主要由一个电点火装置和一个火雷管组合而成。,图6-11 火雷管,图6-12 瞬发电雷管,非电雷管与塑料导爆管塑料导爆管 导爆管起爆系统的组成元件导爆管起爆系统由三部分元件所组成：起爆元件、连接元件和末端工作元件，如图615所示。,导爆索与继爆管塑料导爆管非电起爆网络,图615 导爆管起爆系统的组成元件,簇联网路 簇联网路如同电爆的并联网路一样，把炮孔或药包中非电毫秒雷管用一根导爆管延伸出来，然后把数根延伸出来的导爆管用连通管或传爆雷管并在一起，如图619。,图619 并联网路,串联网路 当进行排间微差起爆时，即同一排的炮孔安放同一段别的毫秒雷管，不同排安放不同段别雷管，每排炮孔连接常采取串联，如图620所示。,图620 串联网路,并串联网路并联网路与串联网路的结合组成并串网路，如图621所示。,图621 并串联网路,复式网路 为了确保起爆网路的准爆可靠，为防止个别雷管或导爆管拒爆，在每个炮中，尤其每个药包中安放两个非电雷管，相应地从炮孔或药包中引出两根导爆管，孔外连接的连通管或传爆雷管也需要两个，相应的导爆管也为双根即可。如图622所示。,图622 复式并串联网路,3.爆破方法 隧道施工常用的爆破方法是炮眼爆破法。爆破方法要研究的问题主要是掏槽爆破技术、炮眼布置、炮眼参数以及装药起爆等。,(1)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，称为预留变形量。,(2)炮眼布置 炮眼布置首先应确定施工开挖线，然后进行炮眼布置。隧道爆破通常将开挖断面上的炮眼分区布置和分区顺序起爆，逐步扩大完成一次爆破开挖。分区的情况是：掏槽眼、辅助眼、周边眼。,a.掏槽眼布置 根据坑道断面、岩石性质和地质构造等条件，掏槽眼排列形式有很多种，总的可分成斜眼掏槽(图6-24)和直眼掏槽(图6-25)两大类。,图6-24 斜眼掏槽形式,图6-25 直眼掏槽形式,b.辅助眼布置 辅助眼的作用是进一步扩大掏槽体积和增大爆破量，并为周边眼创造有利的爆破条件。c.周边眼布置 周边眼的作用是爆破后使坑道断面达到设计的形状和规格。,(3)光面爆破与预裂爆破技术,a.光面爆破 光面爆破，就是控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工作量，增加岩壁的稳固性，减少爆破的振动作用，进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。,b.预裂爆破 预裂爆破实质上也是光面爆破的一种型式，其爆破原理与光面爆破原理相同。只是在炮眼的爆破起爆顺序上不同。光面爆破是先引爆掏槽眼，接着引爆辅助眼，最后才引爆周边眼；而预裂爆破则是首先起爆周边眼，使沿周边眼的连心线炸出平顺的预裂面。由于预裂爆破可以沿设计轮廓线裂出一条一定宽度的裂缝，这种裂隙一旦形成后，便在某种程度上保护着周围岩体在主体爆破时不受其振动的作用影响。对围岩的破坏比较轻微，对保持岩体的完整性有利，爆破后的开挖面整齐规则。在减轻对围岩的扰动程度上，预裂爆破对围岩的保护作用较光面爆破更好一些。,宝成复线高边坡控制爆破技术,深孔预裂爆破技术,(4)炮眼参数 炮眼参数包括炮眼直径、炮眼数目和炮眼长度,(5)单位炸药消耗量 爆破一立方米原岩所需的炸药重量称为单位炸药消耗量，通常以q（kg.m-3）表示。,(6)装药结构 装药结构是指继爆药药卷和起爆药药卷在炮眼中的布置形式。按其连续性则可分为连续装药、间隔装药和不偶合装药。(7)起爆及时差(8)爆破施工,(9)影响爆破效果的因素 岩石介质的爆破特性对爆破效果的影响 爆破参数与工艺对爆破效果的影响 自由面的大小与数量 最小抵抗线和炮孔密集系数的大小对爆破效果至关重要 装药结构 炮孔堵塞质量 起爆顺序 提高炸药能量利用率 地质条件对爆破作用的影响,(三)施工中可能发生的问题及其对策,采用新奥法进行隧道施工的过程中，在二次衬砌支护前，经常会出现一些问题，如变形过大、开挖面不稳定、涌水量增加、喷混凝土层脱离、锚杆断裂等现象，必须采取一定的措施加以解决。隧道施工中的开挖方式、方法和初期支护的多种类型及其组合是能够适应绝大多数的围岩地质条件和工程结构条件的。在设计、施工过程中，若对围岩性质判断不准或情况不明，或喷射混凝土、打锚杆、立钢支撑时间和方法有误以及一些其它的不明原因，围岩松动就会超过预计，经常会出现不良变形甚至松弛坍塌等异常现象。此时，应根据观察和量测结果找出原因，对施工方法、支护时机、各支护参数等加以调整。,第三节 超欠挖与塌方,一 超挖与欠挖 以设计的隧道开挖轮廓线为基准线，实际开挖获得的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分则称为欠挖。这一概念可用图6-32表示。,根据研究和调查的结果，影响超欠挖的因素可以归纳为以下几点：钻孔精度 爆破技术 施工组织管理 测量放线 地质条件变化 其他,图6-32 超挖与欠挖,(一)改变传统观念 在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即 必需改变“宁超勿欠”的传统观点，树立“少欠少超”的观点。也就是说，应容许一定程度的欠挖，例如，日本在隧道施工中，基本上容许概率为16的欠挖。这样就可以避免开挖轮廓线的无谓扩大，而使超挖得以减少。铁路隧道施工规范(TB10204-2000)规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分(每1m2不大于0.1m2)侵入衬砌；侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于10cm；对喷锚衬砌应不大于5cm。,(二)提高钻孔技术水平 钻孔精度对隧道超欠挖的影响主要是周边炮孔的外插角、开口误差e和一次爆破进尺L（图6-33），它们与超欠挖高度(h)有如下的关系：,h=e+L tan(/2),由此可见，随、L的增大，h增大；当、L一定时，e作为一个独立参数，当e为正值时（即孔口位置在设计线外时），随e的增加，h增加；而当e为负值时，随e的减少，h则减少。,图6-33 周边孔开口误差的几种情况,(三)爆破技术参数的合理匹配 表6-7是对国内外100多座隧道的超欠挖统计结果。从统计中可以看出，即使采用控制爆破也仍然有相当数量的隧道超欠挖量很大，但与普通爆破相比，超挖约降低47.3%。这与爆破方式、技术参数和器材有关。,表6-7 爆破方法的比较,1.爆破开挖方式 对应开挖方法，爆破方式有：全断面一次爆破、台阶法爆破、导洞先行扩大爆破和预留光面层爆破等方式。,爆破器材及主要参数,(四)现场施工管理和组织(五)测量放线(六)地质条件,二 坍方 塌方是最为常见、比较典型的一种事故。,（一）发生坍方的主要原因 不良地质及水文地质条件2.人为因素,(二)预防坍方的施工措施 1.隧道开挖后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等。在不良地质、围岩破碎地段，应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。2.加强坍方的预测,(三)隧道坍方的处理措施 1.查明原因，制定处理方案。发生坍方后，应及时迅速处理 2.先加固未坍塌地段，然后清除碴体，完成衬砌(图6-34),3.处理坍方的同时，应加强防排水工作。4.坍方地段的衬砌，应视坍穴大小和地质情况予以加强。5.采用新奥法施工的隧道或有条件的隧道，坍方后要加设量测点，增加量测频率，根据量测信息及时研究对策。,图6-34 大规模坍方处理实例示意图,第四节 隧道施工量测与信息反馈 一 量测元件及仪器(一)百分表，千分表，挠度计 其表盘最小刻度值为0.01mm的称为百分表，为0.001mm的称千分表，为0.05mm并可连续读数，量程无限大的称为挠度计。,(二)收敛计 坑道开挖后，随着围岩应力重分布，坑道相对侧壁的距离将产生变化，当围岩应力趋于平衡时，这种变化将逐渐趋于稳定，这一变化过程称为“收敛”，这种相对距离的量测称为“收敛量测”。,常用的收敛计类型有如下几种。1.重锤型收敛计(图6-35),图6-35重锤型钢尺,2.弹簧张力型收敛计(图6-36),3.钢丝扭距平衡型收敛计。这类收敛计主要特点是铟钢丝的恒定拉力由其上的微型马达来实现。当铟钢丝到恒定拉力数值时，马达的转子也由于达到一个恒定的扭距数值而自动停止。这时，通过读数窗口读出收敛读数。这种收敛计的优点是精度和自动化程度高使用方便，但造价和工艺要求高。,图6-36 弹簧式收敛计,(三)位移计 位移计有两种类型，一类是机械式，另一类是电测式。其构造是由定位装置、位移传递装置、孔口固定装置、百分表或读数仪等部分组成。,图6-37 机械式位移计,1.机械式钻孔位移计,2.电阻式位移计,图6-38 电阻式多点位移计,(四)锚杆拉力计 锚杆拉力计主要用作锚杆拉拔实验，由手动油泵和空心千斤顶，压力表，油管组成。拉力计最大拉拔力可达400kN，上面可安装百分表测千斤顶行程。,(五)钢筋计 电磁感应式钢筋计又称钢弦式钢筋计，这种钢筋计的构造不太复杂，性能亦较稳定，耐久性较强，其直径能较接近设计锚杆直径，经济性较好，是一种比较有发展前途的钢筋计(图6-39)。,图6-39 钢弦式量测锚杆,(六)岩土压力盒 对支护的内应力及其与围岩接触应力的量测可采用盒式压力传感器(称压力盒)进行测试。将压力盒埋设于混凝土内的测试 部位及支护一围岩接触面的测试部位，则压力盒所受压力即为该部位(测点)应力。压力盒有两种传感方式，一种是变磁阻调频式，另一种是液压式。,(五)隧道激光断面测量仪 目前国内应用较多的此类仪器有铁二局的非接触自动坐标（TAPS）激光断面仪，铁道部的SJC1型激光断面仪，地矿部探矿工艺所的DMYI激光断面仪，北京光电技术研究所的BJSD-2激光隧道限界检测仪。,深圳地铁第三方监控量测,矿山法地铁施工爆破振动监测,图6-40 压力盒,二 现场监控量测设计 作为了解围岩变化动态的重要手段施工监测是直接为支护设计和施工决策服务的。但能否达到这个目的，就要看施工监测的设计和安排是否合理。它包括：选择和确定量测手段和项目；测点布置；量测频率；制定实施计划等。,(一)现场监控量测的项目(二)现场监控量测项目的选择 我国铁路部门制定的新奥法设计施工指南中，根据围岩条件确定量测项目，量测项目选择时可以此为参考，见表6-10。,(三)监控量测计划的制定 现场监控量测计划应综合施工、地质、测试、等方面的意见，由设计人员完成。量测计划应根据隧道地质地形条件、支护类型和参数，施工方法和其它有关条件制定。,表6-10 各类围岩条件下量测项目的重要性,1.地质和支护状态观察 地质和支护状态观察包括工作面观察和支护结构的支护效果观察。2.测试断面、测线、测点、测孔的布设测试断面有两种，一是单一测试断面，二是综合测试断面。(1)拱顶下沉和周边位移一般布设在同一断面，其测试断面间距可按锚喷支护技术规范(GBJ8685)规定，见表6-11，其中B为洞室跨度。(2)地表下沉量测与埋深关系很大，其测试断面间距可参照表6-12执行。(3)其它量测项目一般都可布置在综合测试断面上，常称为代表性测试断面，其断面间距和数量视具体需要而定。在一般围岩条件下，200m500m设一个断面。,表6-11 拱顶下沉、周边位移测试断面间距,表6-12 地表下沉测试断面间距,2周边位移的测线布置 坑道周边相对位移的测线可参照表6-13及图6-42布置。,表6-13 周边位移测线数,图6-42 周边位移测线布置,4围岩内位移的测孔布置 围岩内部相对位移的测孔，一般与周边位移测线相应布置，以便使两项测试结果能够互相验证，协同分析和应用(图6-43)。,图6-43 围岩内部位移测孔布置,5量测轴力的锚杆布置 量测锚杆中的变形，求出锚杆轴力,广州地铁公园前站锚索应力量测,内昆线青山隧道衬砌 无损检测,6衬砌应力 衬砌应力量测是为了研究一次衬砌或二次衬砌内的应力分布以及外荷载情况，作为分析和评定安全性的依据。(图6-44),图6-44 喷层应力量测点布置,7地表、地中沉降的测点布置 浅埋隧道开挖时必然引起地面沉陷，量测的目的是了解地面下沉范围、量值；地面及地中下沉随工作面推进的规律；地面及地中下沉稳定的时间。,地表、地中沉降测点，主要应布置在洞室中轴线上方的地表或地中(钻孔中)，在主点的横向上也应布置必要数量的测点。另外，在沉降区以外还应设置测点作为参照(图6-45)。,图6-45 地表下沉量测范围及地中沉降测点布置,8声波测孔布置 洞内弹性波速度测定，主要是在隧道洞内侧壁发射地震波，而后记录该地震波，说明传播(屈折波)的状况，并推断围岩的性质。与净空位移、地中位移的测定结果一起可以评价松弛区的范围。(图6-46),图6-46 声波测试孔布置,(四)测试频率 收敛量测和供顶下沉量测的测试频率主要根据位移速度和离开挖面距离而定，可参阅表6-14，若两者不一致时，原则上采用频率高的。,表6-14 量测频率,（五）原始记录及量测资料整理,（六）数据处理 每次收敛量测后，均应对量测断面内每条测线分别回归分析，求出各自回归精度最高的收敛时间回归方程和收敛距开挖面距离回归方程。以推算最终位移和掌握位移变化规律。,（七）用收敛量测结果判断隧道的稳定性 评定地下结构的安全指标是地下结构的稳定性。地下结构的稳定性判断有二个方面，初期支护后的稳定性判断，据此确定二次支护施工时间。洞周总收敛量，在规定允许值之内，且不大于预留变形量，据此判断结构不会侵入限界。如铁路隧道新奥法指南中规定了设计允许相对位移值，见表6-15。隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于表6-15所列数值。,表6-15 隧道周边允许相对位移值（%）,注：相对位移值系指实测值与可测点距离之比，或拱顶位移 实测值与隧道宽度之比。脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。、类围岩可按工程类比原理选定允许值范围。,三 量测数据的反馈 信息反馈的目的，就是进行施工管理和调整支护设计，以确保施工的安全性和设计的经济性。,(一)施工管理 量测的动态管理分为“量”和“质”2个方面，凡可以用数字大小表述的量测项目，归结为“量”的管理，如周边位移、拱顶下沉、锚杆轴力等。,(二)信息反馈修正设计 信息反馈修正设计的内容：施工方法变更的建议；施工工序的更改；预留变形量的修改或确认；设计参数的修改或确认；采用辅助施工措施的建议。,(三)反分析计算,第五节 其它施工方法,一、明挖法 明挖法是从地表面向下开挖，形成露天的基坑，然后在基坑中修筑衬砌，敷设外贴式防水层，最后用土回填。,明挖法施工中，基坑的开挖方式常用的有如下几种：（一）放坡开挖 适用于隧道埋深较浅、地势、地面空旷，土质稳定，地下水位较低的情况。此法机械化程度高，施工速度快，质量也易得到保证。,图 6-47 放坡开挖法,（二）支护开挖法 基坑的支护开挖法是将基坑围护结构插入基坑底部以下，开挖到设计标高后，再进行主体结构施工。视边坡的稳定性，基坑内即可设置支撑，也可不设。1.基坑内无支撑(图6-48),2.围护结构有支撑当基坑深度较大，开挖时除采用围护结构外，还常采用支撑加强围护结构以抵抗较大的侧压力。支撑分为水平支撑、斜支撑以及采用锚杆加固围护结构。,图6-48 悬臂支护开挖法,(1)水平支撑 水平支撑常用的形式有横撑和角撑(图6-49)，基坑拐角或断面变化处用角撑，其它一般用横撑。采用水平支撑的优点是：墙体水平位移小；安全可靠，开挖深度不受限制；但要求围护结构的平面形状比较规则，以矩形为最佳。开挖基坑宽度较大时，支撑应加设中间支柱来保持其稳定性。中间支柱应在开挖前按设计位置作好。,图6-49水平支撑开挖支护(a)立面图(b)平面图,(2)斜支撑(图6-50)斜支撑是在基坑横向宽度较大或形状不规则，不便使用水平支撑时采用的支撑形式。采用斜支撑时，围护结构上部水平位移比较大，易引起基坑外地面及附近建筑下沉，对沉降要求严格的地段应十分慎重，因此基坑开挖深度也受到一定限制。,3.锚杆(图6-51)锚杆是一种设在基坑外的支撑。一般由锚头、拉杆和锚固体三个基本部分组成。锚头锚固在围护结构上。锚固体在岩石中的为岩石锚杆，在土层中的为土层锚杆。基坑开挖时，作用在围护结构上的侧应力可由锚杆与岩土之间产生的作用力来平衡。锚杆是受拉杆件，可采用高强钢索，充分发挥其抗拉性能。,图6-50 斜支撑立面图 图6-51锚杆立面图,（三）地下连续墙法 地下连续墙分为现浇地下连续墙、预制地下连续墙、排桩地下连续墙。地下连续墙法的优缺点：施工时不产生大量噪音和震动，墙体刚度大、防渗性能好，能适应软土地质条件，工程施工对周围土体扰动小，灌注混凝土无需模板，节省木板和劳力。但须随地质条件选用不同的挖槽机械，成本高，泥浆等措施稳定槽壁处理麻烦。,1.现浇地下连续墙(图6-52),图6-52 现浇地下连续墙,2.预制地下连续墙,3.排桩地下连续墙(1)钻冲孔排桩地下连续墙(图6-53)。,(2)挖孔排桩地下连续墙(图6-54),图6-53 钻冲孔排桩地下连续墙,图6-54挖孔排桩地下连续墙施工平面简图a)桩孔护壁开挖；b)成桩；c)桩间开挖,应用各种围挡结构（连续墙、挖孔桩、钻孔桩）修建的国内最 大的地铁车站广州地铁公园前车站,二、盖挖法 盖挖法是先盖后挖，即先以临时路面或结构顶板维持地面畅通再向下施工。盖挖法施工主要有以下两种类型：盖挖顺作法；盖挖逆作法。,支挡柱(墙)路面盖板 上段开挖 埋设物防护 主体开挖 修筑结构物 恢复埋设物 回填 拆除路面盖板拔除支挡桩或拆除支挡墙头部恢复路面,图 6-55 盖挖顺作法施工程序图,盖挖法施工的优点是：结构的水平位移小；结构板作为基坑开挖的支撑，节省了临时支撑；缩短占道时间，减少对地面干扰；受外界气候影响小。其缺点是：出土不方便；板墙柱施工接头多，需进行防水处理；工效低，速度慢；结构框架形成之前，中间立柱能够支承的上部荷载有限。,a)施工围护结构、中间支撑柱；b)浇筑顶板、向下挖土；c)浇筑负1层板、边墙柱，后挖土；d)浇筑底板、边墙、柱。图 6-56 盖挖逆作法施工程序图,第一次采用“条形基础盖挖逆筑法”修建城市地铁车站北京地铁天安门东站，1992年12月开工，1996年1月主体完工，荣获北京市优质工程长城杯奖，国家建筑工程鲁班奖，中国土木工程（詹天佑）大奖,三、掘进机法 隧道掘进机(简称TBM)是一种机械化的隧道掘进设备。是利用掘进机切削破岩，开凿隧道的施工方法。掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点。采用掘进机开挖隧道，具有一次成洞；洞壁光滑；施工质量好；速度快；劳动条件好；对围岩的损伤小，几乎不产生松弛，掉块、崩塌的危险小，支护的工作量；超挖小、衬砌也省；震动、噪音小、对周围的居民和结构物的影响小等一系列优越性。隧道掘进机的缺点：机械的购置费和运输、组装解体等的费用高，机械的设计制造时间长，初期投资高；施工途中不能改变开挖直径；掘进机施工方式一经确定，就不可能像钻爆法施工那样自由变更施工方法，难于适应复杂的地质变化情况，对断层、破碎带和软弱层，掘进困难。开挖断面的大小、形状变更困难。,目前使用的TBM有敞开式、护棚式、护盾式等类型，在地质条件较好时，多采用敞开式。图6-57为护盾掘进机示意图。,图6-57护盾掘进机示意图。,图6-57护盾掘进机示意图。,图6-57 护盾掘进机示意图,图6-58 刀盘示意图,敞开式TBM循环掘进示于图6-59。,图6-59 掘进机循环工作示意图,图6-60所示为一种典型的岩石隧道掘进机。切削头是焊接钢结构，通常向前呈弧面凸出，在凸面上按最佳切削作用和根据不同区域要求的间距布置切削刀具；它可以承受巨大的推力和扭矩。在切削头的边缘有一系列铲斗，破岩后的石碴由铲斗铲起，旋转至顶部导入输送机系统，再运出洞外。,图6-60 岩石隧道掘进机,图6-61 隧道掘进机施工场面示意图,四、盾构法 盾构实质上就是软土隧道掘进机。不过，它既可能是机械开挖，也可能是人工开挖。它既是一种施工机具，又是一个强有力的临时支撑结构。在盾壳的保护下，既可进行开挖，又能进行衬砌；采用盾构施工，具有不影响地面交通、没有振动、对地面邻近建筑物危害较小；施工费用不受埋深的很大影响；在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性等优点。盾构由盾壳、推进机构、取土机构、拼装或现浇衬砌机构