隧道工程第三章-山岭隧道常规施工方法-第1、2、3、4节课件.ppt

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1、第三章 山岭隧道的常规施工方法,第一节 常规施工方法基于的理念第二节 新奥法的基本内容和要求第三节 新奥法的基本原理第四节 新奥法施工基本方法第五节 钻眼与爆破的一般知识第六节 钻爆设计,第七节 装渣运输第八节 支 护第九节 隧道辅助施工方法第十节 隧道施工辅助坑道第十一节 新奥法中的量测技术第十二节 防水隔离层及其铺设,第一节 常规施工方法基于的理念,一、隧道设计施工的两大理论 一种理论是“松弛荷载理论”：20年代提出的。核心内容：稳定的岩体有自稳能力,不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌,需要用支护结构予以支撑。这样作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。

2、,另一种理论是“岩承理论”：50年代提出的现代支护理论。核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定有一个过程，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制,则围岩仍然能够进入稳定状态。隧道结构体系=围岩+支护结构,隧道常规施工基于的理念有：传统矿山法和新奥法 作为施工方法的理念,人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工理念称为“传统矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工理念称之为“新奥法”。前述“松弛荷载理论”就是在传统矿山法理念的基础上提出来的,而“岩承理论”则是在新奥法理念的基础上提出来的。,二、常规施工方法的理念,(一)传统矿山法 传统的矿山法是以松弛荷载理论为基

3、础，采用钻爆法开挖，以钢、木构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法理念。,光面爆破：保护围岩自承能力,监控量测：发挥围岩自承能力,锚喷支护：提高围岩自承能力,奥地利学者腊布希维兹（W.B.Rabeciwize）和L米勒（LMuller）提出的。新奥法是以岩承理论为基础，采用钻爆法开挖，以喷锚作为主要支护手段,通过监测控制围岩的变形,便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法理念。,(二)新奥法(New Austrian Tunnel Method简称为NATM),“新奥法”适用的围岩条件是具有粘性、塑性、弹性的连续介质，而对于那些粘性

4、较差、非塑性的松散体，用“新奥法”理论就值得研究。必须根据具体情况，采取一些特殊施工工艺，才能满足工程要求。,第二节 新奥法的基本内容和要求,一、新奥法的主体思路 根据弹塑性理论，以岩石力学为基础提出支护结构的支护参数，开挖后及时采用柔性支护，在尽量抑制围岩变形、积极发挥围岩自承能力的同时，依靠现场量测来指导隧道的设计和施工。,优点：改善施工条件，降低工程造价。同时也为大型机械化作业提供了条件。若采用严格有效的施工监测与管理措施，可使支护系统既经济合理，又安全可靠。,二、新奥法的基本内容(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

5、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，必须进行实地监控量测，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；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；(7)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内容可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”十

6、二个字原则。,在实际施工中，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。,新奥法不能单纯的理解为隧道施工的某一种方法，而是一种理念。这种理念集中体现在支护结构种类、支护结构构筑时机、围岩压力、围岩变形这四者的关系上，自始自终贯穿于不断变化的设计、施工过程中。,三、我国实施新奥法的基本要求 我国应用新奥法的显著特点是采用复合式衬砌结构形式。其基本要求是：1.在开挖过程中，尽量减少对围岩的扰动，为此必须采用光面爆破或预裂爆破，以维护围岩的自承能力；2.开挖时尽量采用大断面、少分部的开挖方法，降低围岩内部应力重分布的次数，以利于最大限度地利用围岩的承载力；,3.根据围岩特征，采用不同的

7、支护类型和支护参数，及时施作喷锚支护，抑制围岩的松弛和变形；4.在施工过程中，以量测手段修正设计和施工，做到既经济合理，又安全可靠；5.根据量测数据，在确认初期支护变形收敛后，进行二次模筑混凝土衬砌。,第三节 新奥法的基本原理,1.支护-围岩共同作用共同承载,新奥法与传统矿山法观念的根本不同之处是：在隧道中起支护作用的主要是围岩，围岩与支护构成隧道结构体系，而不是把围岩只视作荷载。围岩既是产生荷载的主体，又是承受荷载的结构，支护和围岩既相互作用，又作为整体共同承担围岩压力。这就摒弃了过去将岩体只作为对支护结构产生荷载，采用厚衬砌的传统做法。,由于坑道开挖后，在其周围的岩体内会形成塑性区，使围岩

8、压力通过塑性区后，其值很小，故支护结构提供的支护阻力只承担一部分的围岩压力，大部分的围岩压力由围岩本身承担。因此，在隧道施工时，要做到最大限度地保护围岩使其不受扰动，有效地利用其自承能力。,开挖后围岩初期变形小，需要的支护阻力大；随着变形的增大，需要的支护阻力则逐渐减小。,但变形超过一定数值后，如图中的A点，则进入松动范围，需要的支护阻力反而要逐渐增加，才能使坑道稳定。这样，A点要求的支护阻力即为最小支护力。但是在实际工作中，要控制正好在A点实施有效支护是很难的，为了不让围岩产生松动，就必须在变形达到A点之前进行支护。,2.用较小的支护阻力设计支护结构 柔性支护,柔性支护由于其刚度小，当支护施

9、作完后，与围岩一起产生一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。在埋深小、围岩稳定性差的情况下，少许的坑道壁面位移就会使围岩产生有害松动，大大降低围岩的原有强度，从而导致坑道围岩坍塌。这就要求：柔性支护应尽早施作，既能及时封闭围岩，又能释放变形能，最大限度地防止围岩松弛，控制围岩的初期变形。,薄层柔性支护设置以后，既控制了围岩变形，又因其具有一定的柔性而能允许围岩产生一定量的变形，可以使其支护作用十分接近于最小支护阻力允许的变形值。另一方面，薄层柔性的支护，例如喷射混凝土还能与坑道围岩紧密接触不留空隙，形成全面牢固的接触，可与围岩结合成为一个整体。,3.控制薄层柔性支

10、护施作时间 以适应围岩的特性,支护结构作用的时间太早，则围岩壁面变形小，需要的支护阻力会很大；而支护结构作用时间过迟，壁面位移过大，又将产生有害松动，需要的支护阻力也变大。采用薄层柔性支护，由于其柔性较大，其内部产生的弯矩很小，本身可以变形，这样与其周围紧密接触的岩体形成一个整体的受力结构。,支护结构的施作时间必须选择恰当，过早或过迟都不利，但这一时间又不易掌握。理想的支护结构是既能控制围岩变形，使其在一定范围内变形，所需的支护阻力最小。刚性支护结构一经设置，其支护的全部作用将立即生效，不允许围岩变形，因而支护阻力会很大，以新奥法的观点看，这是很大的浪费。,施工中通过量测修改设计和施工方案是新

11、奥法的重要特点。量测工作在新奥法施工过程中自始至终都要进行。一旦发现围岩有不稳定状态，就应及时采取有效措施进行加固，并根据加固后的情况修改下一阶段的设计方案，同时还应按修改后的设计方案，对邻接的已支护地段做适当的补充加固。只有这样才能使设计更合理，施工方法和施工工艺更完善。这种由设计到施工，再把施工中的量测信息反馈到设计中去的动态过程，就组成了新奥法的完整体系。,4.设计、施工、监测一条龙作业方式,第四节 隧道施工的基本方法,新奥法施工的基本原则：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工中，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。对于浅埋暗挖隧道应遵循“管超前、严注浆、

12、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则。,隧道施工方法，按开挖隧道的横断面分部情形来分，可分为全断面法、台阶法、分部开挖法等。一、全断面开挖法（full face excavation method）全断面一次开挖法就是按照隧道设计轮廓一次爆破开挖成型，然后修筑衬砌的施工方法，如图3-2-1所示。,l-全断面开挖；-衬砌 全断面一次开挖法,1-掌子面;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌,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,凿岩台车作业,机械化衬砌作业线,.,机械化出渣作业线,机械化衬砌作业线,四臂凿岩台车作业,(一)施工顺序 1.用钻孔台车钻眼，然后装药,联接起爆网

13、路；2.退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道的断面轮廓；3.排除危石,安装拱部锚杆(必要时)和喷第一层混凝土；4.装渣、运渣、卸渣；5.安装边墙锚杆(必要时)和喷射第一层混凝土；6.拱、墙喷射第二层混凝土(必要时)；7.按上述工序开始下一轮循环作业；8.在围岩和初期支护基本稳定后，或按施工组织要求的日期施做二衬及灌筑隧道底部混凝土。,(二)适用条件 1.级整体性好的围岩。用于级围岩时，围岩应具备从全断面开挖后到支护前这一时间内，保持其自身的稳定；2.有大型施工机械；3.隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于1km，否则采用大型机械化施工经济性较差。,(三)全断面开挖法的优缺点

14、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。缺点：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、出渣和支护能力。,二、台阶法（step cut method）台阶法根据台阶长度不同,可划分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，如图3-2-2所示。,根据以下两个条件来选折台阶种类：（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、出渣等

15、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。,返回,台阶法开挖,（一）长台阶法 上台阶开挖超前一般50m以上或大于5倍洞跨，上下步可采用同类机械平行作业。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，再进行下半断面施工，即为半断面法。凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不需要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。特点：施工干扰少、机械配套、通风和测量工作简单、可进行单

16、工序作业，但要求围岩稳定性较好。,（二）短台阶法 上台阶超前开挖长度小于5倍且大于11.5洞跨。特点：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，、级围岩采用较多，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出渣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渣；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。,长、短台阶法的作业工序,上半断面开挖：（1）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；（2）安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、

17、喷射混凝土；（3）用推铲机将石渣推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。下半断面开挖：（1）用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破、装渣直接运至洞外；（2）安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土；（3）用反铲挖掘机开挖水沟，喷底部混凝土。,（三）超短台阶法 上台阶长度仅35m，适用于机械化程度不高的地段。,超短台阶法施工作业工序（1）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；（2）安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑，喷拱部混凝土；（3）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)；（4）开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土，灌注

18、内层衬砌。,特点：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，适用于膨胀性或土质围岩的隧道或城市隧道施工中，能更有效的控制地表沉陷。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。适用条件：在软弱围岩中施工时，开挖工作面不易稳定，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。,台阶法施工中,开挖下部断面时应注意：（1）下部断面开挖时,应注意上部的稳定。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；若围岩稳定性更差,则可以左右错开,或先拉中槽后挖边帮。（2）下部边墙开挖后

19、必须立即施作初期支护。（3）施工量测应及时跟上,当发现围岩的位移速率增大时,应立即闭合仰拱以增加结构的刚度。（4）要解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。,三、分部开挖法（subsection excavation method）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：环形开挖留核心土法、侧壁导坑法、中隔壁法（CD法和CRD法）、中洞法等。,(一)环形开挖留核心土法 这种方法一般将开挖断面分成环形拱部、上部核心及下部台阶三部分，如图3-2-3所示。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。,1、2、3、5、6-开挖；、-衬砌。

20、图3-2-3 环形开挖留核心土法,1.施工程序（1）用人工或单臂掘进机开挖环形拱部；（2）架立钢支撑挂钢丝网，喷射混凝土；（3）在拱部初期支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下部台阶；（4）随即接长边墙钢支撑挂网喷射混凝土，并进行封底；（5）根据围岩和初期支护变形情况或施工安排，施做二次模筑混凝土衬砌。,2.特点：（1）由于拱部开挖高度较小及地层比较松软，锚杆易失效，所以一般不设置锚杆。（2）环形开挖留核心土法，因上部留有核心土以支挡开挖工作面，且施工时能迅速及时地施作拱部初期支护，所以开挖工作面稳定性好。（3）核心土和下部台阶开挖都是在拱部初期支护保护下进行的，施工比较安全。（4）拱

21、部长度可加长，能减少上、下台阶施工干扰，施工机械化程度较高，能加快施工速度。,(二)侧壁导坑法（side drift method）此法根据侧壁导坑开挖的个数，分为单侧壁导坑法及双侧壁导坑法两种。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支承载能力大，所以，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。,1.单侧壁导坑法 这种方法一般将断面分成三个部分，即侧壁导坑1、上台阶3、下台阶5，如图3-2-4所示。2.双侧壁导坑法(眼镜法)这种方法将整个断面分成四个部分：左右侧壁导坑1、上台阶3、下台阶5，如图3-2-5所示。特点：开挖断面分块多，扰动

22、大，初支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，所以围岩在施工中变形几乎不发展。该法施工安全，但速度较慢，成本较高。,1、3、5、6-开挖；、-衬砌。单侧壁导坑法,1、3、5、6-开挖；、-衬砌。双侧壁导坑法,返回,双侧壁导坑法施工作业工序（1）开挖一侧导坑，并及时地将其初支闭合；（2）相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并施作初支；（3）开挖上部核心土，施作拱部初支，拱脚支承在两侧壁导坑的初支上；（4）开挖下台阶，施作底部的初支，使初支全断面闭合；（5）拆除导坑临空部分的初次支护并施作内层衬砌。,返回,(三)中隔壁法（center dissepiments method）这种方法

23、是：在软弱围岩大跨隧道中，将断面从中间隔开，分成四个部分，上半断面左右分成 1、4，下半断面左右分成2、5，如图3-2-6所示。,图3-2-6 中隔壁法,根据中间是否采用横撑，又分为CD和CRD法。,最先采用CD法的工程是德国兰茨贝格城市地下停车场和慕尼黑地铁工程以及日本的真米隧道。,CD法,CRD法,最先采用CRD工法的工程是日本东叶高速线习志野台隧道和北习志野台隧道。,(四)中洞法（center drift excavation method）在连拱隧道或分叉隧道的喇叭口地段，先开挖两洞之间的立柱(或中墙)部分，完成立柱(或中墙)混凝土浇筑后，再进行左右两洞开挖的施工，如图所示。,图3-2

24、-7 中洞法,(五)侧洞法,该法适用于地铁车站施工中，施工顺序上是先同步开挖两个侧洞，而侧洞往往又是采用“CRD”法来完成。待侧洞封闭后，在侧洞内自下而上施作基础、立柱、边墙和边拱，顶住两侧洞上部土体，再在中部用正台阶自上而下开挖并完成中拱、隔板和基础。如图11所示 该法必须同步推进两个较大跨度的侧洞，以免产生不均匀推力，对地层扰动范围较大。,1、CRD法开挖左、右洞包括初支和施工支护；、柱底纵梁和钢管柱；、左右洞底板；、边墙和左、右洞楼板；、左、右洞其余边墙和拱部；6、中洞上台阶环形开挖；、中洞拱部；8、中洞楼板以上土方开挖；、中洞楼板；10、中洞其余部份开挖；、中洞底板。,（六）PBA法

25、Pile Beam Arc,PBA法施工关键工序（1）施工上下各四个导洞，在下导洞内作条形基础并由上导洞向下开挖护壁桩孔和立柱孔，分别吊装钢管柱和浇注护壁桩，使之置于条形基础之上;（2）然后进行上层开挖和初次支护，实施二次衬砌的顶梁、拱部和上部边墙，并用地模施作中隔板，再向下完成下部开挖和衬砌；（3）在开挖左、右洞上台阶时，为平衡中洞拱脚向左、右的推力，在两柱顶纵梁之间设置水平拉杆。,1、上下导坑错开距离开挖（包括初支）；、孔桩开挖、底纵桩、中柱边桩、顶纵梁；3、中洞上台阶开挖（包括初支）；4、左右洞上台阶开挖（包括初支）；、中洞拱部衬砌；、侧洞拱部衬砌；7、楼板以上土体开挖；、楼板浇砼；9、

26、剩余部分土体开挖；、底板及底部边墙衬砌；、站台板浇筑。,（七）中洞法,在松散地层中修建地铁车站可采用中洞法。中洞开挖采用“CRD”法，完成中洞封闭后，在中洞较大空间内自下而上完成基础、立柱、中隔板、顶梁和中拱，使之在中洞内形成一个庞大的刚体顶住上部土体。用正台阶法或“CRD”法完成两侧洞开挖支护和二次衬砌。在开挖侧洞上台阶时，为平衡中洞拱脚向左右的推力，在两柱顶纵梁之间设置水平拉杆。,1、用CRD法开挖中洞（包括初期支护和施工支护）；、中洞底板底纵梁；、钢管柱、楼板；、柱顶纵梁和中洞拱部；5、用台阶法开挖左、右洞；、左右洞底板；、左右洞部分边墙和楼板；、左右洞其余边墙和拱部。,（八）柱洞法,本方法具有PBA和中洞法的特点，即先挖柱洞完成中柱再开挖中洞。其它和压力转换基原理和中洞法相洞。本方法主要用在一柱两洞设计拱部弧度平缓，采用一般中洞法可能有大的地面沉降值使用。如图14所示。,1、台阶法开挖柱洞（包括初期支护和施工支护）；、底纵梁、中柱、顶纵梁；3、中洞上台阶开挖；、中洞拱部；5、用台阶法开挖中洞楼板以上部分；、中洞楼板；7、中洞其它部分开挖；、中洞底板；9、台阶开挖左右洞；、左右洞底板；、左右洞部分边墙和楼板；、左右洞其余边墙和拱部。,