隧道工程施工技术基础知识培训课件.ppt
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1、,隧道工程施工技术基础知识培训 中铁四局二公司技术中心2016年10月,目 录,一、前言二、新奥法简介三、隧道施工方法四、几点体会,2022年12月,2,一、 前 言,2022年12月,3,隧道工程发展现状与发展趋势,一、隧道的概念及种类1隧道的概念 狭义定义:用以保持地下空间作为交通孔道的工程建筑物。 广义定义:以某种用途,在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。,2隧道的种类 按不同的分类方式不同的分类方法:,铁路隧道的长度等级划分:,1、长度在500m及以下为短隧道;2、长度在500m以上至3km为中长隧道;3、长度在3km以上至10km为长隧道;4、长度在10k
2、m以上为特长隧道;,2022年12月,7,铁路隧道的开挖断面等级划分:,1、断面积在10m2及以下为小断面;2、断面积在10m2以上至50 m2为中等断面;3、断面积在50m2以上至100 m2为大断面;4、断面积在100 m2以上为特大断面;,2022年12月,8,二、我国隧道及地下工程发展的现状 (一)规模 1交通类隧道 (1)铁路隧道 据有关部门统计,我国大陆2013年底运营铁路隧道有11074座,总长893878km;2014年在建的铁路隧道有4206座,长度779515km;已规划有4600余座铁路隧道,总长10600km。目前运营铁路最长的隧道为关角隧道,长32645m;运营最长的
3、水下隧道是狮子洋隧道,长度10800m。在建最长的铁路隧道为中缅铁路大通道大(理)至瑞(丽)铁路高黎贡山隧道,长34538m。,武广222座172.152km广深24座32.016km郑西38座76.876km石太32座74.904km合武37座64.706km甬温59座88.115km温福59座149.423km福厦37座40.406km广珠4座4.172km,在建客运专线隧道,(2)公路隧道 截至2013年底,我国大陆有公路隧道11359座,总长96056km,与2012年相比净增1337座,长度增加15529km。进入21世纪以来,我国高速公路增长迅速,20102013年,高速公路的增长
4、率为290%,而其隧道总里程与座数的增长率分别为467%和 350%,远高于公路本身的增长率。目前运营最长的公路隧道为秦岭终南山隧道,长18020m;其次为麦积山隧道,长12286m;第3位为包家山隧道,长11193m。在我国公路隧道方面,跨江越海隧道工程蓬勃发展。,(3)地下铁道 截至2013年末,中国大陆已有19个城市开通了地铁,拥有83条运营线路,总里程达2746km;至2014年底,运营里程会超过3000km。另有15个城市的首条地铁线正在建设中。目前全部在建的地铁线路达106条,总里程超过2400km。,2水工隧洞 据不完全统计,截至2013年,已建成的地下水电站已超过3000座,已
5、建成的各类水工隧洞超过10000km;正在建设的引水隧洞超过1000km;已规划的引水隧洞工程长度超过2000km。目前在建的、长度比较长的引水隧洞有引汉济渭工程秦岭特长输水隧洞(全长983km)、引红济石工程隧洞(全长1976km)、引洮工程隧洞(长9635km)、引大济湟工程隧洞(全长2417km)、辽西北供水工程隧洞(全长230km)、吉林中部引松供水工程隧洞(全长134631km,隧洞直径66m,采用TBM施工)。,3地下工程 城市地下空间的开发与利用:地下商场,地下车库,地下仓库等地下建筑物以及各大中型平战结合工程相继建设。 地下共同管沟:如石家庄同其他城市一样供电线路基本要穿行于地
6、下隧道中。 地下储、输油气工程,(二)技术状况1长大隧道 钻爆法施工(大瑶山隧道、秦岭铁路隧道平导、秦岭公路隧道) 快速掘进(月进尺500m,已达世界水平) 出碴运输系统 通风系统 TBM施工(秦岭隧道、在建大伙房隧道) TBM快速掘进与对不良地层的适应性 出碴运输系统,大瑶山隧道,标志性工程,新奥法成功应用施工进度,全隧道最高年成洞4245m,月成洞521m单口月成洞218m,开挖205m,衬砌303m,大瑶山隧道,秦岭隧道,标志性工程,20世纪建成的最长铁路隧道TBM成功应用施工进度,TBM施工最高日进尺40.5m,月进尺528.1m,钻爆法施工最高月进尺456m,秦岭隧道,乌鞘岭隧道,标
7、志性工程,通过4条区域性大断层和3000m千枚岩地层创造了单线隧道施工进度最快纪录,级围岩单工作面436m/月级围岩连续5个月进度200m、级围岩交错情况下平均月掘进324m、级围岩交错情况下单工作面最高成洞271.8m/月,连续6个月成洞超过200m,乌鞘岭隧道,标志性工程,软岩深埋复杂应力隧道的修建技术取得突破,高地应力软岩大变形富水,乌鞘岭隧道,风火山和昆仑山隧道,标志性工程,高海拔4995m冻土设计施工,双层模筑混凝土多道防水措施保温隔热措施低温早强耐久性防水混凝土洞内空调,风火山隧道,昆仑山隧道,2不良地质隧道施工技术 富水断层破碎地质 流砂地质 岩溶地质 高地应力岩爆 高地应力挤压
8、大变形 煤系地层 湿陷性黄土,3设计理论 隧道结构或地下结构与地面结构所处环境不同,它是处在岩土地层或通称为围岩中,既受到围岩的荷载作用,又受到围岩的约束有利作用。,针对不同条件采用不同的设计理论。,太行山隧道,四 长大隧道工程概况,太行山特长隧道位于石太客运专线孤山车站和盂县车站之间,是本线的重点控制工程,隧道通过该段太行山山脉的主峰越宵山,越宵山最高高程为1320m,隧道最大埋深445m,太行山隧道设计为双洞单线隧道,两线线间距35m。隧道左线进口里程为DK69+276,出口里程为DK97+168,隧道全长27892 m;隧道右线进口里程为右DK69+286,出口里程为右DK97+163,
9、隧道全长27877 m。,大瑶山隧道群,大瑶山一号隧道、二号隧道和三号隧道共3座隧道组成,长度分别为10081m、6024m和8387m。双线隧道,线间距5m,最高时速350km/h,有效断面积100m2。总工期40个月。,一号隧道右侧设置2268m的平导,出口左侧设置885m的横洞; 二号隧道进出口左侧分别设置长约340和320m的横洞; 三号隧道进出口左侧分别设置长约256m和1272m的平导。,大瑶山隧道,狮子洋隧道,位于广深港客运专线东涌站至虎门站区间,穿越珠江口狮子洋河段,是中国第一座水下铁路隧道,行车目标值350km/h。,工程范围全长10800m,隧道长度10490m,引道敞开段
10、长310m。明、暗挖加盾构法施工。隧道采用双洞单线结构,断面净空有效面积约65m2。盾构段结构内径9.8m,外径10.8m,管片厚度50cm,采用7+1分块方式,单层钢筋混凝土衬砌。左右线之间的联络横通道23处。盾构段采用4台泥水平衡式盾构施工,总工期41个月。,狮子洋隧道,浏阳河隧道,武广客运专线,全长10100m。下穿京珠高速公路、星沙开发区、浏阳河与长沙市机场高速公路。设计为单洞双线,线间距5m,行车目标值350km/h。断面净空有效面积约100m2。,设计施工工期27个月,设置3座竖井和1个斜井。竖井采用矩形结构,位于隧道顶;斜井采用无轨运输。,浏阳河隧道,二、新奥法简介,2022年1
11、2月,37,一、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,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
12、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。,2022年12月,40,新奥法三大要素 ?,光面爆破,喷锚支护,监控量测,(一)新奥法的基本要点可归纳如下:,1岩体是隧道结构体系中的主要承载单元,在施工中必须充分保护岩体,尽量减少对它的扰动,避免过度破坏岩体的强度。为此,施工中断面分块不宜过多,开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。新奥法将围岩视为隧道承载构件的一部分,因此,施工时应尽可能全断面掘进,以减少隧道周边围岩应
13、力的扰动,并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动,以保全其整体性。同时注意隧道表面尽可能平滑,避免局部应力集中。,2022年12月,42,2为了充分发挥岩体的承载能力,应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形,使围岩中能形成承载环;另一方面又必须限制它,使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构,例如,锚喷支护等。这样,就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加施作的时间(包括闭合时间)来控制岩体的变形。,2022年12月,43,3、为了改善支护结构的受力性能,施工中应尽快闭合,而成为封闭的筒形结构。另外,隧道断面形状应尽可
14、能圆顺,以避免拐角处的应力集中。 4、允许围岩由一定量的变形,以利于发挥围岩的固有强度。同时隧道的支护结构,也应具有预定的变形量,以缓和隧道压力。,2022年12月,44,二、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,
15、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。,2022年12月,47,三、隧道施工方法,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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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,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
21、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
22、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
23、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
24、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。,(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
25、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、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,
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