地下工程施工隧道基本施工方法

地下工程施工隧道基本施工方法第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月地下工程暗挖法施工全斷面開挖上下導(dǎo)坑法分部開挖法掘進機（TBM)盾構(gòu)法氣壓平衡土壓破壞泥水平衡暗挖法

礦山法（鉆爆法）機械法第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月地下工程暗挖法施工施工準(zhǔn)備場地準(zhǔn)備、測量定線、三通一平、人員組織開挖爆破出渣運輸初期支護二次襯砌鉆炮眼、裝炸藥、聯(lián)結(jié)引炮裝置、爆炸通風(fēng)、消除危石、裝車錨噴支護臨時支撐防水板鋪設(shè)模注混凝土第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖

概述

分部開挖的主要目的：是為了減小對圍巖的擾動、保證掌子面的穩(wěn)定、并能便利支撐，以保安全。

分部開挖的方法：是將掌子面（工作面）分為多個工作面，分部實施。

分部的大小與多少：按地質(zhì)條件與斷面大小以及開挖和支護手段等，對周圍環(huán)境影響等條件而定。第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道開挖實景照片第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖1、分部開挖方案

隧道施工方法有很多，但總歸起來大體上有全斷面法、臺階法和分部開挖法三大類及若干變化方案，如下圖示。第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖隧道基本施工方法第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖（1）全斷面法

常用在硬巖中，利于大型機械化作業(yè)，施工速度快。（2）臺階法

多用于較軟而節(jié)理發(fā)育的圍巖中，有三種變化方案：

a、長臺階法

上下臺階距離較遠，上臺階超前50m以上或5倍洞跨，施工中上下部可配大中型機械平行作業(yè)。

b、短臺階法

上臺階長度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨，適用于較軟弱的圍巖，上下臺階施工干擾較大。

c、超短臺階法

上臺階僅超前3～5m，斷面閉合較快。多用于機械化程度不高的各類圍巖地段。第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖預(yù)留臺階拱部開挖第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖（3）分部開挖法

可分為三種變化方案：

a、臺階分部開挖法

又稱環(huán)形開挖留核心土法，適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖地段。上部留核心土支擋開挖工作面，利于及時施作拱部初期支護增強開挖工作面的穩(wěn)定，核心土及下部開挖在拱部初期支護保護下進行，施工安全性好。一般環(huán)形開挖進尺為0.5～1m左右，不宜過長，第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖

b、單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD法---Centerdiaphgram）

圍巖較差，跨度大，地表沉陷難于控制時采用，此法單側(cè)壁導(dǎo)坑超前，中部和另一側(cè)的斷面用正臺階法施工，故兼有正臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點，且洞跨可隨機械設(shè)備等施工條件決定，第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖

該方法還有一些變化方法，如在開挖單側(cè)壁導(dǎo)坑時也采用臺階法，并及時用斜支撐支護，一般將這種方法稱為CRD法。第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖

c、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

適用于淺埋大跨度隧道，地表下沉量要求嚴(yán)格，圍巖條件特別差時，此法安全可靠，但速度慢，造價高。第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖北京地鐵西單站(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法)

第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖導(dǎo)洞鑿除第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖1、各種分部開挖的力學(xué)效果分析

（1）臺階法的力學(xué)效果分析

在隧道施工中，臺階法使用最為廣泛，不同的臺階長度對隧道的穩(wěn)定性將有不同的影響，特別在地質(zhì)條件差，埋深淺時，確定合理的臺階長度尤為重要。通過有限元法分析了臺階長度分別為1.0D、0.75D、0.5D、0.25D（D為隧道跨度）四種情況下對淺埋隧道洞口穩(wěn)定性的影響。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖不同臺階長度下的地表下沉曲線第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖解析情況1.0D0.75D0.5D0.25D塑性區(qū)示意塑性區(qū)深度（m）7.05.55.04.0地表下沉（mm）35.0529.1824.4611.38拱頂下沉（mm）51.3444.6038.8223.30

不同臺階長度對隧道穩(wěn)定性影響第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：1、塑性區(qū)隨臺階長度減小而顯著減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則塑性區(qū)深度減少82.86%。2、拱頂位移隨臺階長度減小而減小明顯，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則拱頂位移減少54.62%。3、地表下沉隨臺階長度減小而大幅減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則地表下沉減少67.53%。4、地表沉降槽寬度臺階長度減小而減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則地表沉降寬度減少50%以上?？梢娫谒淼蓝纯诘氖┕み^程中，當(dāng)選用臺階法時應(yīng)盡量縮短臺階長度，以保證隧道的穩(wěn)定性。

第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖（2）單側(cè)壁、雙側(cè)壁法和臺階法的力學(xué)效果分析比較

分析中取隧道開挖寬度為14.28m,隧道高度為8.68m。進行了有限元分析。

臺階法單側(cè)壁導(dǎo)坑法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

各種施工方法的塑性區(qū)圖

第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二、隧道的分部開挖情況

拱頂位移（cm)邊墻位移(cm)仰拱位移(cm)臺階法

5.3426.0229.406

單側(cè)壁導(dǎo)坑法

4.3783.79714.306雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

3.5123.3110.339部分計算結(jié)果

第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：1、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移最小，拱頂位移為臺階法的66%，邊墻位移為臺階法的55%。塑性范圍也最小?？梢哉J為，在大斷面隧道施工中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是較安全的方法。2、單側(cè)壁導(dǎo)坑法與臺階法相比，拱頂位移為臺階法的82%，邊墻位移為臺階法的63%。仰拱位移是臺階法的152%，塑性范圍比臺階法大；拱部的塑性范圍與臺階法略小。因此，單側(cè)壁導(dǎo)坑法的薄弱部位是仰拱。只要能夠控制仰拱位移，將比臺階法優(yōu)。3、從力學(xué)觀點來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最優(yōu)，單側(cè)壁導(dǎo)坑法次之，臺階法最次。隧道施工方法的選擇涉及的因素很多，因此，應(yīng)綜合考慮確定。第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖（3）隧道仰拱的力學(xué)行為

對隧道有仰拱和無仰拱的有限元分析。

塑性區(qū)分布

第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖有無仰拱拱頂拱肩邊墻墻角仰拱無仰拱2.08.02.08.86.0有仰拱04.00.56.00減小（%）100507532100

塑性區(qū)范圍(m)

可以看出，有仰拱比無仰拱二次襯砌安全系數(shù)提高了22%。仰拱對改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高承載能力有非常重要作用。第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖3、分部開挖方法比選注：◎○⊙△表示優(yōu)選順序情況圍巖條件臺階法單側(cè)壁導(dǎo)坑法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法長短超短CDCRD單線隧道軟弱淺埋◎○⊙軟弱偏壓◎○雙線隧道軟弱淺埋◎○⊙△軟弱偏壓◎○⊙△三線隧道軟弱淺埋◎○⊙△軟弱偏壓◎○⊙第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道的分部開挖

（施工方法基本條件比較）條件全斷面法臺階法單側(cè)壁法雙側(cè)壁法隧道斷面單、雙、三線雙、三線雙、三線三線圍巖條件硬巖較硬巖土質(zhì)松軟地層土質(zhì)松軟地層安全性一般較安全較安全安全施工機械大型大型或中型中型或小型小型工序及工期簡單、工期快簡單、工期快較多、較慢復(fù)雜、工期慢造價低較低較高高圍巖變化的適應(yīng)性向低較難，向高適應(yīng)向低及高變化均能適應(yīng)各種適應(yīng)性不強向低變化適應(yīng)主應(yīng)力豎直向水平轉(zhuǎn)移雙三線穩(wěn)定增加，單線降低斷面洞室穩(wěn)定性增加最明顯洞室穩(wěn)定性降低洞室穩(wěn)定性降低管線布置很方便方便較方便不方便輔助支護不容易很容易一般一般關(guān)鍵部支護一般好較好較好第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工一、新奧法（NATM）新奧法－即奧地利隧道施工法(NewAustrianTunnellingMethod)

奧地利隧道工程師臘布希維茲首先提出的。

定義：以控制爆破（光面、預(yù)裂爆破等）為開挖方法；以噴射混凝土和錨桿作為主要支護手段，通過監(jiān)測控制圍巖的變形，動態(tài)修正設(shè)計參數(shù)和變動施工的一種隧道施工法。

核心內(nèi)容：是充分發(fā)揮圍巖的自承能力。圍巖是承載的主體，結(jié)構(gòu)是安全貯備。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工

即設(shè)計理論—施工方法—結(jié)構(gòu)(體系)工作狀態(tài)(結(jié)果)的一致性。新奧法作為一種施工方法，已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)介紹的重點。

新奧法與傳統(tǒng)礦山法技術(shù)相比，不僅手段不同，更重要是工程概念不同。新奧法技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，導(dǎo)致隧道及地下工程理論步入到現(xiàn)代理論的新領(lǐng)域。第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工1、新奧法與礦山法施工比較新奧法支護工作狀態(tài)礦山法支護工作狀態(tài)第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工

傳統(tǒng)支護與新奧法圍巖表面的應(yīng)力狀態(tài)比較傳統(tǒng)支護不能及時向圍巖提供徑向抗力，圍巖松動，表現(xiàn)為摩爾圓與包絡(luò)線相切。c、Ф下降，包絡(luò)線位置下移與摩爾圓相交，造成巖體破壞，形成松動圍壓。新奧法施工，由于噴混凝土滲入巖體裂隙，起到加固作用，提高了巖體的c、Ф值，包絡(luò)線上移，連續(xù)噴層對圍巖表面作用有封護抗力Pi，使巖體的穩(wěn)定性得到保證。第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工2、隧道施工的力學(xué)過程第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工3、隧道施工力學(xué)過程的研究（1）地質(zhì)工程體的研究指洞室的地質(zhì)環(huán)境。包括地質(zhì)體形成；初始應(yīng)力場；地質(zhì)體的物理、力學(xué)、構(gòu)造和時間特性及其分類等?？茖W(xué)地認識地質(zhì)環(huán)境是對地下結(jié)構(gòu)體系的正確設(shè)計和施工的前提。（2）坑道開挖后圍巖力學(xué)動態(tài)和過程坑道開挖前圍巖處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)開挖后破壞了這種平衡，出現(xiàn)了應(yīng)力重新分布；構(gòu)造應(yīng)力的釋放，坑道周圍巖體的性質(zhì)變化；斷面收斂、甚至坑道崩塌等各種物理現(xiàn)象。了解和認識從毛洞的形成到其破壞的全過程，有助于充分發(fā)揮巖體這一支護體系的重要作用。（3）坑道支護體系的評價一個完整的支護體系是由周圍巖體和支護結(jié)構(gòu)組成．因此，支護體系設(shè)計必須包括對周圍巖體支護效應(yīng)及支護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的評定。而后者的關(guān)鍵是正確認識各類支護結(jié)構(gòu)（模筑混凝土、噴混凝土、錨桿、鋼支撐…等）的構(gòu)造及其支護效應(yīng)，正確地確定支護結(jié)構(gòu)與坑道圍巖的接觸狀態(tài)及其相互作用機理，即建立兩者的相互作用力學(xué)模式。第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工（4）時間對整個支護體系的影響及評價各種材料（巖石、混凝土、金屬材料等）長期性質(zhì)，都與時間有關(guān)。構(gòu)成坑道支護體系的巖體和結(jié)構(gòu)材料也將受時間的影響，如參與工作的時間、圍巖壓力的時間效應(yīng)、巖體或混凝土徐變、流變對應(yīng)力應(yīng)變的影響等。（5）施工和支護過程的力學(xué)評價洞室的形成是通過開挖和支護兩個施工階段完成的，因此，施工及支護方法對整個坑道的穩(wěn)定給予重要的影響。如開挖爆破、支護等對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響。

隧道工程是經(jīng)驗性極強的學(xué)科，長期以來憑經(jīng)驗設(shè)計、施工。大量、豐富的經(jīng)驗中有許多是符合科學(xué)的，提高到理論上來認識和理解，是隧道施工力學(xué)的一個重要任務(wù)。

第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工4、隧道設(shè)計施工基本思路隧道設(shè)計施工基本思路第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工5、新奧法施工流程圖第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工6、新奧法施工的基本原則

基本原則為“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”少擾動：隧道開挖時，盡量減少對圍巖的擾動次數(shù)、強度、范圍和持續(xù)時間。能用機械開挖的就不用鉆爆法；采用鉆爆法時，嚴(yán)格控制爆破；采用大斷面開挖；根據(jù)圍巖類別、開挖方法、支護條件選擇合理的掘進進尺；自穩(wěn)性差的圍巖，掘進進尺應(yīng)短；支護要緊跟開挖面，縮短圍巖應(yīng)力松弛時間。第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工早噴錨：開挖后及時施作初期錨噴支護，使圍巖變形進入受控制狀態(tài)。一方面是使圍巖不致因變形過度而產(chǎn)生坍塌失穩(wěn)；另一方面是使圍巖變形適度發(fā)展，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

勤量測：以直觀、可靠的量測方法和量測數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確評價圍巖(或圍巖加支護)的穩(wěn)定狀態(tài)或動態(tài)發(fā)展趨勢，以便及時調(diào)接支護形式、開挖方法。量測是現(xiàn)代隧道及地下工程理論的重要標(biāo)志之一，也是掌捏圍巖動態(tài)變化過程的手段和進行工程設(shè)計、施工的依據(jù)。緊封閉：一方面是指采取噴射混凝土等防護措施，避免圍巖因長時間暴露而致強度和穩(wěn)定性的衰減，另一方面更為重要的是指要適時對圍巖施作封閉形支護，這樣做不僅可以及時阻止圍巖變形，而且可以使支護和圍巖能進入良好的共同工作狀態(tài)。第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月新奧法施工7、新奧法的優(yōu)點（1）支護有效及時，避免松弛壓力發(fā)生；（2）幾乎保持住遺留巖體的強度；理想地適應(yīng)遇到的巖體；（3）采用量測控制支護過程，使隧道變形和下沉極?。唬?）施工支護同時是永久支護的一部分；（5）噴層厚度小，節(jié)省開挖工作量并減小了隧道開挖跨度；（6）在2～3m很小的埋深條件下也是可以應(yīng)用的；（7）在穩(wěn)定性較差的巖體中，能進行迅速的