淺埋暗挖隧道的設計與施工(摘要)

前言隧道工程是線性地下空間。水平線穿越地質體的特性決定了在隧道工程建造過程中地質狀態(tài)的千變萬化。地質的復雜性要求施工管理過程中必須針對每個掌子面具體問題具體分析。地下水是隧道工程的最重要的災害源，必須予以高度的重視隧道工程管理是一門綜合學科，管理者應涉歷的專業(yè)技能工程測量工程地質巖土力學結構力學材料力學工程機械隧道通風（流體力學）等目錄P2一、暗挖隧道施工技術二、軟弱圍巖施工三、暗挖隧道輔助工法四、超前地質預報五、關于隧道風險評估六、機械化發(fā)展七、隧道施工各階段重點關注要素圍巖穩(wěn)定性的“時空效應”圍巖穩(wěn)定有時間性空間越大，越不利于自穩(wěn)圍巖穩(wěn)定的“時空效應”理念要牢記于心，貫穿于隧道施工的全過程。一暗挖隧道施工技術暗挖隧道施工方法按破巖機理分鉆爆法非爆開挖按開挖斷面分全斷面法分部開挖法分部開挖法：

臺階法（上下臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土環(huán)形七步開挖法、三臺階臨時仰拱法等）雙側壁導坑法、中隔壁法（CD)、交叉中隔壁法（CRD)其他：導洞法中導洞法（雙連拱隧道）頂管法

鉆爆法是最常規(guī)的暗挖隧道開挖方法，其關鍵是鉆爆設計和光面爆破暗挖隧道分部開挖示意圖臺階法該工法一般適合于Ⅳ級圍巖，要求臺階長度不大于1倍洞徑，仰拱距掌子面距離不大于2倍洞徑。環(huán)形導坑(預留核心土)法該方法利用核心土穩(wěn)定掌子面，然后開挖兩側邊墻、中部核心土，最后開挖仰拱。該工法步驟多，工藝要求高。CD法（中隔壁法）該工法適合于淺埋地段或穿越建（構）筑物時采用，以減少沉降，防止坍方。該工法是將隧道分為左右兩部分進行開挖，先在一側采用臺階法分層開挖及支護，再開挖隧道另一側。每臺階縱向長度3～5m。初期支護仰拱緊跟下臺階，封閉成環(huán)。CRD法（交叉中隔壁法）該工法在特殊條件下采用。該工法是將大斷面隧道上、下、左、右分塊開挖，并施作初期支護和臨時橫撐（臨時仰拱），每臺階縱向長度3～5m，步步封閉成環(huán)。CRD工法、雙側壁導坑開挖照片隧道施工安全步距要求鐵建設[2010]120號文

7.隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖地段、隧道淺埋、下穿建筑物及鄰近既有線地段施工開挖應按照《爆破安全規(guī)程》采用控制爆破,或采用非爆破方法。8.軟弱圍巖隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級地段采用臺階法施工時,應符合以下規(guī)定:(1)上臺階每循環(huán)開挖支護進尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不應大于1榀鋼架間距,Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距(2)邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2榀。(3)仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿,每循壞開挖進尺不得大于3m。3榀(4)隧道開挖后初期支護應及時施作并封閉成環(huán),Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35m。臺階長度不超過10米.18軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道的二次襯砌應及時施作,二次襯砌距掌子面的距離:Ⅳ級圍巖不得大于90m,Ⅴ、Ⅵ級圍巖不得大于70m。原則上不超過200米

關于進一步加強鐵路隧道設計施工安全管理工作的通知

(建技〔2010〕352號)

增加了時間要求關于光面爆破光面爆破是巖質隧道技術管理的源頭安全質量效益影響光面爆破的因素

圍巖整體性

爆破參數周邊眼的數量間距鉆孔質量（方向）隧道斷面大小和開挖長度合理的臨空面

一般是拱部好于邊墻預留光爆層光面爆破關鍵在于管理關于隧道場地布置洞內三管兩線布置圖洞外場地布置以洞內的需求為宗旨場地布置以大宗物流運送為主線，兼顧動力供應，保證運輸線路通暢。因地制宜科學安排（經計算分析）注意留夠新風距離供水宜采用變頻增壓技術關于監(jiān)控量測目測是隧道監(jiān)控量測的一個重要項目

要求有嚴格的安全值班制度和良好的照明條件應根據設計文件安排量測項目

主要包括拱頂下沉和水平收斂，淺埋段應進行地表沉降量測目前采用有尺量測的較多。由于隧道斷面大，采取有尺量測時，施工干擾大、耗時長。

應大力推廣采用全站儀利用貼片反射進行量測。二軟弱圍巖施工軟弱圍巖定義一般公路、鐵路Ⅳ級以下圍巖為軟弱圍巖。城市隧道由于埋藏較淺，圍巖多為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ甚至Ⅵ級?！兜罔F設計規(guī)范》（GB50157-2003）規(guī)定:“暗挖結構的圍巖分級按現行《鐵路隧道設計規(guī)范》確定”。因此，目前地鐵、軌道交通圍巖分級應依照現行《鐵路隧道設計規(guī)范》確定。表3鐵路隧道圍巖基本分級級別巖體特征土體特征圍巖彈性縱波速度υp(km/s)Ⅳ極硬巖，巖體破碎；硬巖，巖體較破碎或破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整或較破碎；軟巖，巖體完整或較完整具壓密或成巖作用的黏性土、粉土及砂類土，一般鈣質、鐵質膠結的粗角礫土、粗圓礫土、碎石土、卵石土、大塊石土、黃土（Q1、Q2）1.5～3.0Ⅴ軟巖，巖體破碎至極破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖（包括受構造影響嚴重的破碎帶）一般第四系堅硬、硬塑黏性土，稍密及以上、稍濕、潮濕的碎石土、卵石土、粗圓礫土、細圓礫土、粗角礫土、細角礫土、粉土及黃土（Q3、Q4）1.0～2.0Ⅵ受構造影響很嚴重呈碎石、角礫及粉末、泥土狀的斷層帶軟塑狀黏性土，飽和的粉土、砂類土等＜1.0（飽和狀態(tài)的土＜1.5）由于埋深關系，地鐵隧道以土質軟弱圍巖居多(一)軟弱圍巖主要工程地質特點

軟弱圍巖一般是指巖質軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結構破碎的圍巖，工程地質特點有：(1)巖體破碎松散、粘結力差：一般為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構成的圍巖，由于結構破碎松散，巖體間的粘結力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應和微弱膠結作用成拱，這類巖體極不穩(wěn)定，尤其是在淺埋地段容易發(fā)生坍塌冒頂。(2)圍巖強度低、遇水易軟化：一般以頁巖、泥巖、片巖、炭質巖、千枚巖等為代表的軟質巖地層，由于其強度低、穩(wěn)定性差，開挖暴露后易風化、遇水易軟化，尤其是深埋地段受高應力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內擠。(3)巖體結構面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結構面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結構面的粘結強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結構面產生松弛、滑移和墜落等變形破壞現象。變形量大變形集中發(fā)生在工序轉換期一旦大變形形成，就難以控制。土質淺埋隧道變形特征掌子面開挖前已有10%～30%的變形軟弱圍巖變形由三部分組成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表現為掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方圍巖下沉，淺埋隧道表現為地表下沉，形成沉降槽;三是，剛開挖的隧道洞壁出現收斂變形，表現為拱頂下沉和邊墻內移;掌子面鼓出/地表沉降槽拱頂下沉和邊墻內移P24針對不同的軟弱圍巖變形特征，從支護參數、斷面形式、施工工法以及施工設備等幾個方面考慮控制變形的手段：軟巖加固技術P251）長錨桿加固塑性圈：根據塑性區(qū)范圍及軟質片巖厚度，錨桿長度8～12m不等，錨桿采用R32N自進式錨桿，間距1～1.2m，結合錨桿向圍巖中壓注水泥漿液；長錨桿加固塑性圈軟巖加固技術P262）提高支護剛度：初期支護是受力主體，它要求有一定的強度、剛度以抑制圍巖的變形。通常采用格柵鋼架——I16型鋼鋼架——I18型鋼鋼架——I20型鋼鋼架——H175型鋼鋼架等手段逐級進行加強試驗，以控制圍巖的變形。剛性支護措施軟巖加固技術P273）分層加強支護，逐步控制變形：支護結構形式為“第一層初期支護＋第二層加強支護+模筑襯砌”的雙層支護體系。分層支護措施軟巖加固技術模筑襯砌在鐵路隧道中襯砌承受全部圍巖壓力P284）優(yōu)化開挖斷面，改善結構受力條件圖原有斷面圖優(yōu)化斷面-I烏鞘嶺F4大變形段斷面軟巖加固技術常見的控制拱腳下沉技術有：（1）鎖腳錨管技術鎖腳錨管當它作為承載結構時，主要是傳遞來自于上部初期支護的壓力，因此，應盡量沿拱腳切線方向設置。若施作不到位，將降低錨管作用效果。圖鎖腳錨管控制拱腳沉降P302）臨時仰拱技術臨時仰拱在臺階法開挖的軟巖大斷面隧道中經常使用，能讓上臺階臨時封閉成環(huán)，有效地控制上半段面支護的沉降，保證下臺階開挖的安全。圖臺階法臨時仰拱控制拱腳沉降（3）擴大拱腳技術擴大拱腳是通過展寬基礎，減小地基壓力的方法，實現控制支護沉降的又一種有效的技術手段。其關鍵是基礎要有足夠的寬度，設計寬度一般為0.8～1.0m。施作時，若拱腳寬度不夠，將造成沉降過大，達不到設計要求。圖擴大拱腳控制拱腳沉降常見的隧道坍方類型可以歸納為兩類：

一是掌子面水平變形過大，發(fā)生掌子面擠出坍方；另一類是支護下沉過大，出現整體失穩(wěn)坍方。

圖掌子面擠出坍方圖整體失穩(wěn)坍方關于塌方關于塌方軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止坍方”鞏固前方穩(wěn)定后方

噴射混凝土封閉掌子面防止塌方擴大加快完成后方的仰拱和襯砌（即使初支變形，也要完成仰拱）對于變形侵限的初支“先支后換”密切關注地表，做好應急回填通過塌體一般需注漿加固

關于塌方塌方隧道地面坍坑P35（1）洞口大管棚長度不足、質量欠缺；（2）超前小導管施做不到位，施工方法選擇不當；（3）初期支護強度不足，鋼架連接不可靠、鎖腳不穩(wěn)固，落底鋼架懸空榀數過多，工序失衡、封閉不及時；（4）監(jiān)控量測不到位；（5）超前地質預報不及時、不準確，掌子面地質素描有欠缺、隱患未發(fā)現；（6）現場施工對圍巖特性認識不足，支護措施不到位，臺階落底兩側同時開挖，仰拱開挖不符合要求；（7）停工后初支暴露時間過長，二襯嚴重滯后等。關于施工中易發(fā)生問題的環(huán)節(jié)四隧道施工輔助工法主要的輔助工法（見表2）超前預支護管棚小導管錨桿

注漿帷幕注漿深孔注漿

旋噴豎直旋噴樁水平旋噴樁降水排水洞外井點降水洞內真空降水P38采用先進的施工設備。如采用PST-60搖臂鉆機和SM-14鉆機進行水平旋噴加固以及掌子面玻璃纖維錨固技術圖進行超前預加固施工輔助工法——關于水平旋噴P39水平旋噴樁的樁徑效果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、輕型井點降水。輔助工法關于降水多級輕型井點降水管網集水井P41掌子面泥化現象明顯，穩(wěn)定性較差，基底呈稀糊狀，隧道變形大，支護破壞乃至坍塌，施工進度緩慢，施工難度和風險極高。桃樹坪隧道降水前掌子面砂層溜塌情況粉細砂流動P42蘭渝鐵路桃樹坪隧道三級降水系統(tǒng)完成后，在掌子面后方布置6臺真空降水泵，其中單臺水泵最大抽水量約在6m3/h，平均日抽水量約在600～800m3/d。通過水平真空降水結合大口井降水后，上、中、下臺階在開挖過程中均達到無水作業(yè)，降水效果良好。大口井降水真空降水管路五超前地質預報P44

地質超前預報有地質調查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑法。1）地質調查法：包括隧道地表補充地質調查、掌子面和洞身地質編錄，地質作圖等。2）超前鉆探法：包括超前地質鉆探、加深炮孔探測及孔內攝像。3）物探法：

①彈性波反射法；TSP203TRT6000

②電磁波反射法；地質雷達

③紅外探測；探水

④高分辨直流電法

探水4）超前導坑法：包括平行超前導坑法、正洞超前導坑法等。地質超前預報的方法P45①TSP地質超前預報系統(tǒng)：震波能量來源爆破TSP203系統(tǒng)工作原理圖TSP地質超前預報系統(tǒng)數據處理圖目前常用的方法地震波法P46②TRT6000地質超前預報系統(tǒng)特點：無線、三維成像、加速度傳感器、錘擊震源傳感器可反復使用TRT6000系統(tǒng)三維成像技術是基于地震能量在不同介質中以不同的衰減率和速度傳播。通常，與破碎或裂隙發(fā)育的巖土體或空洞條件相比，地震波在完整堅硬的介質中傳播時，具有更高的傳播速度和更低的衰減。地震波在巖土傳播過程中遇到具有不同震動特性的巖土界面時，地震波會產生反射。絕大多數地質結構異常及巖性變化，在地震信號可及的距離范圍內，均可形成可探測的地震發(fā)射。TRT6000系統(tǒng)通過對收集到的各類地震波信號的綜合分析處理，繪制三維全息巖土地質結構圖像。P47地質超前預報可采用長距離預報、中距離預報和短距離預報。1）長距離預報：預報長度100m以上。采用地質調查法、地震波反射法及100m以上的超前鉆探等。2）中距離預報：預報長度30～100m以上。采用地質調查法、彈性波反射法及30～100m以上的超前鉆探等。3）短距離預報：預報長度30m以內。采用地質調查法、彈性波反射法、電磁波反射法（地質雷達探測）、紅外探測及小于30m的超前鉆探等。地質超前預報的距離六隧道風險評估隧道風險評估體系國際隧協(xié)

《Guidelinesfortunnellingriskmanagement隧道風險管理指南-2004》鐵道部

鐵路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定鐵建設[2007]200號關于印發(fā)《鐵路建設工程安全風險管理暫行辦法》的通知鐵建設〔2010〕162號關于鐵路高風險隧道安全管理工作的實施意見工管質[2011]36號交通部《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部

城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范(GB50652-2011)2012-01-01實施主要內容目錄：

1總則

2術語

3基本規(guī)定

4工程建設風險等級標準

5規(guī)劃階段風險管理

6可行性研究風險管理

7勘察與設計風險管理

8招標、投標與合同簽訂風險管理

9施工風險管理

附錄

本規(guī)范用詞說明

附:條文說明現場施工風險管理實施工作，主要包括：1施工中的風險辨識和評估。2風險評估報告應以正式文件發(fā)送給工程建設各方，并經風險交流后形成現場風險管理實施文件記錄。3施工對鄰近建（構）筑物影響風險分析。4施工風險動態(tài)跟蹤管理。5施工風險預警預報。6施工風險通告。7現場重大事故上報及處置。七暗挖法的機械化發(fā)展隧道施工各階段重點關注要素洞口段

隧道進洞進洞場地布置變仰坡穩(wěn)定

水池位置系統(tǒng)規(guī)劃排水進出洞物流通順避免交叉干擾

單口掘進出洞方案

小導洞出洞先加固變仰坡再擴大斷面洞身段

正常掘進形成步進規(guī)范的作業(yè)循環(huán)

地質變化點巖性界面整合界面不整合界面構造影響地段斷層次生斷層關注巖層傾角變化富水地段設計圖標注的構造位置與超前地質預報成果的應用

結構變化點斷面變化交叉口應用超前預報結果，提前進