第六章-隧道施工方法

第六章隧道施工方法隧道施工方法概述

主要開挖方法新奧法的概念隧道巖土控制變形分析工法簡介隧道洞口施工主要內(nèi)容

第一節(jié)隧道施工方法概述一、隧道施工的概念

隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技術(shù)和施工管理的總稱。隧道工程特點(diǎn)隧道工程全部為隱蔽工程，工程地質(zhì)和水文十分重要，甚至起決定性的作用；隧道施工工作面少(正常情況下只有進(jìn)、出口兩個(gè)工作面)，工期較長；隧道施工環(huán)境差，采取有效措施加以改善；工程施工不受季節(jié)變換及氣候變化的影響；施工工地一般都位于偏遠(yuǎn)的深山狹谷之中，往往遠(yuǎn)離既有交通線，運(yùn)輸不便，供應(yīng)困難；隧道埋設(shè)于地下，一旦建成就難以更改，所以，除了事先必須審慎規(guī)劃和設(shè)計(jì)外，施工中還要做到不留后患。隧道施工方法可按以下方式分類：傳統(tǒng)礦山法隧道施工方法山嶺隧道施工方法淺埋及軟土隧道施工方法水底隧道施工方法礦山法（鉆爆法）掘進(jìn)機(jī)法新奧法地下連續(xù)墻法蓋挖法明挖法淺埋暗挖法盾構(gòu)法沉埋法盾構(gòu)法隧道施工方法的選擇主要依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合隧道斷面尺寸、長度、襯砌類型、隧道的使用功能和施工技術(shù)水平等因素綜合考慮研究確定。所選擇的施工方法也應(yīng)體現(xiàn)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理及安全適用。施工方法選擇需要考慮的因素①工程的重要性。②地質(zhì)和水文條件③施工技術(shù)條件和機(jī)械裝備狀況

④施工中動(dòng)力和原材料供應(yīng)情況；⑤隧道的橫斷面積⑥隧道的埋深⑦工期⑧工程投資與運(yùn)營后的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；⑨施工安全狀況。⑩有關(guān)污染、地面沉降等環(huán)境方面的要求和限制。二、山嶺隧道的常規(guī)施工方法山嶺隧道的常規(guī)施工方法又稱為礦山法。將采用鉆爆開挖加鋼木構(gòu)件支撐的施工方法稱為“傳統(tǒng)的礦山法”；將采用鉆爆開挖加錨噴支護(hù)的施工方法稱之為“新奧法”。第二節(jié)新奧法的概念

新奧法即奧地利隧道施工新方法(NATM)，是以噴射混凝土錨桿作為主要支護(hù)手段，通過監(jiān)測控制圍巖的變形，便于充分發(fā)揮圍巖的自承能力的施工方法。核心內(nèi)容：充分保護(hù)，利用圍巖的承載能力。施工要點(diǎn)：控制爆破、錨噴支護(hù)和施工監(jiān)測。實(shí)施方法：設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測三位一體的動(dòng)態(tài)模式。新奧法施工的基本原則可以歸納：

少擾動(dòng)——擾動(dòng)次數(shù)、擾動(dòng)強(qiáng)度、擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間。早支護(hù)勤量測緊封閉——一方面指及早封閉巖面，另一方面指要適時(shí)閉合支護(hù)。開挖方法分類：1全斷面法(全斷面法、導(dǎo)洞超前全斷法)2臺階法(兩臺階、三臺階、三臺階七步開挖法、 環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法等)3中隔壁法(中隔壁法和交叉中隔壁法)4側(cè)壁導(dǎo)坑法(單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法)5其他方法(中洞法和洞樁法等)第三節(jié)主要開挖方法全斷面開挖法就是按照設(shè)計(jì)輪廓一次爆破成形，然后修建襯砌的施工方法。一、全斷面開挖法適用條件

(1)I~IV級圍巖，在用于Ⅳ級圍巖時(shí)，圍巖應(yīng)具備從全斷面開挖到初期支護(hù)前這段時(shí)間內(nèi)，保持其自身穩(wěn)定的條件。(2)有鉆孔臺車或自制作業(yè)臺架及高效率裝運(yùn)機(jī)械設(shè)備。(3)隧道長度或施工區(qū)段長度不宜太短，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般不應(yīng)小于lkm，否則采用大型機(jī)械化施工，其經(jīng)濟(jì)性較差。隧道機(jī)械化施工作業(yè)線全斷面法施工特點(diǎn)(1)開挖斷面與作業(yè)空間大、干擾小；(2)有條件充分使用機(jī)械，減少人力；(3)工序少，便于施工組織與管理，改善勞動(dòng)條件；(4)開挖一次成形，對圍巖擾動(dòng)少，有利于圍巖穩(wěn)定。全采用全斷面法應(yīng)注意的問題(1)摸清開挖面前方的地質(zhì)情況，隨時(shí)準(zhǔn)備好應(yīng)急措施（包括改變施工方法等），以確保施工安全；(2)各種施工機(jī)械設(shè)備務(wù)求配套，以充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的效率；(3)加強(qiáng)各項(xiàng)輔助作業(yè)，尤其加強(qiáng)施工通風(fēng)，保證工作面有足夠新鮮空氣；為控制超欠挖，提高爆破效果，有條件時(shí)可采用導(dǎo)洞超前的方法進(jìn)行全斷面開挖下導(dǎo)洞一般超前全斷面5~10m，其循環(huán)進(jìn)尺為2~3m。二、下導(dǎo)洞超前法優(yōu)點(diǎn)：下導(dǎo)洞能起到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用，便于采取應(yīng)急措施，防患于未然。當(dāng)?shù)叵滤^豐富時(shí)，利用超前下導(dǎo)洞降低地下水位效果好，對于大斷面隧道尤為適用；

隧道下導(dǎo)洞進(jìn)行作業(yè)，沒有二次倒運(yùn)，便于大型機(jī)械出碴、運(yùn)料。擴(kuò)挖時(shí)爆破臨空面大，對圍巖擾動(dòng)也相對較小，各種消耗也較節(jié)省；適用條件：單線隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖；雙線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖；地下水狀態(tài)：有滲水或股水。

三、臺階法臺階法可以按臺階長度、開挖分部分為多種形式?？筛鶕?jù)地層條件、斷面大小和機(jī)械配備情況選用。

根據(jù)臺階長度不同，劃分為長臺階法、短臺階法和微臺階法三種。施工中采用哪一種臺階法，要根據(jù)兩個(gè)條件來決定，第一是對初期支護(hù)形成閉合斷面的時(shí)間要求，圍巖越差，要求閉合時(shí)間越短，第二是對上部斷面施工所采用的開挖、支護(hù)、出渣等機(jī)械設(shè)備需要施工場地大小的要求。

根據(jù)開挖分部，臺階法可分為上下兩部分臺階法、上中下三步臺階法、三臺階七步開挖法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法等。適用條件：兩部臺階法可用于雙線隧道III級以上圍巖，也可用于單線隧道IV級以上圍巖地段。三部臺階法可用于客運(yùn)專線雙線隧道III、IV級圍巖、單線隧道VI級圍巖。1、長臺階法長臺階法開挖斷面小，有利于維持開挖面的穩(wěn)定，適用范圍較全斷面法廣，一般適用于Ⅲ、Ⅳ圍巖長臺階法12>5L12L2、短臺階法12L12>(1~1.5)L短臺階法適用于地質(zhì)條件差的Ⅳ、V級圍巖，臺階長度定為10~15m，即1~2倍開挖寬度，主要是考慮拉開工作面，減少干擾，因此臺階長度不宜過短。優(yōu)點(diǎn)：短臺階法可縮短支護(hù)閉合時(shí)間，改善初期支護(hù)的受力條件，有利于控制圍巖變形。缺點(diǎn)：上部出渣對下部斷面施工干擾較大，不能全部平行作業(yè)。采用短臺階法時(shí)應(yīng)注意的問題：①初期支護(hù)全斷面閉合要在距開挖面30m以內(nèi)，或距開挖上半斷面開始的30天內(nèi)完成。②初期支護(hù)變形、下沉顯著時(shí)，要提前閉合。③要研究在保證施工機(jī)械正常工作的前提下臺階的最小長度。123~5m微臺階法12L3、微臺階法適用于Ⅴ、Ⅵ級圍巖，一般為3~5m的臺階長度。微臺階法上下斷面相距較近，機(jī)械設(shè)備集中，作業(yè)時(shí)相互干擾大，生產(chǎn)效率低，施工速度慢。上臺階弧形導(dǎo)坑領(lǐng)先，下臺階兩側(cè)開挖，再開挖中部核心土。

四、弧(環(huán))形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法適用條件：適用于具有一定自穩(wěn)條件的單線隧道IV、V級圍巖地段，也可適用于具有一定自穩(wěn)條件的雙線隧道III、IV級圍巖地段。特點(diǎn)：開挖工作面穩(wěn)定性好；施工干擾大、工效低五、中隔壁法(CD)中隔壁法(CD法)是將隧道分為左右兩部分進(jìn)行開挖，先在隧道一側(cè)采用二部或三部分層開挖，施作初期支護(hù)和中隔墻臨時(shí)支護(hù)，再分臺階開挖隧道另一側(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的初期支護(hù)的施工方法適用條件：適用于IV~V級圍巖的隧道，也可用于淺埋地段隧道。施工要求：1、中隔壁法左右部的臺階高度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、隧道斷面大小和施工設(shè)備確定。每側(cè)按兩部或三部分臺階開挖，開挖后應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)、中隔壁；兩側(cè)先后距離宜保持10~20m，上下斷面的距離宜保持3~5m。2、各部開挖時(shí)，相鄰部位的噴混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上。施工要求：3、先行側(cè)的中隔壁應(yīng)設(shè)置為向外鼓的弧形。4、中隔壁在澆筑仰拱前逐段拆除。中隔壁一次拆除長度不宜大于15m。臨時(shí)支護(hù)拆除后應(yīng)及時(shí)施作仰拱和二次襯砌。5、特殊情況下可將中隔壁澆筑在仰拱中，待鋪設(shè)防水板時(shí)再割斷。六、交叉中隔壁法(CRD)交叉中隔壁法(CRD)法是分部開挖、支護(hù)，分部閉合成小環(huán)，最后全斷面閉合成大環(huán)。每開挖一部均及時(shí)施作初期支護(hù)、中隔壁及臨時(shí)仰拱。適用條件：適用于V、VI級圍巖及圍巖較差的淺埋地段隧道。施工要求：根據(jù)地質(zhì)條件，隧道斷面的分部，應(yīng)以初期支護(hù)受力均勻，便于發(fā)揮人力、機(jī)械效率為原則，一般水平方向分兩部，上下分二至三步開挖。先行施工部位的臨時(shí)支撐(中隔壁、臨時(shí)仰拱)，均應(yīng)有向外(下)鼓的弧度。各部開挖及支護(hù)應(yīng)自下而上，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)、中隔壁、臨時(shí)仰拱，步步成環(huán)。施工要求：同一層左右兩部分開挖工作面相距不宜大于15m，上下層開挖工作面相距宜保持3~4m，且待噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后開挖相鄰部位。宜縮短各部開挖工作面的間距，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，中隔壁及臨時(shí)仰拱在仰拱澆筑前逐段拆除，每段拆除長度宜不大于15m。七、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡工法)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，及時(shí)施作導(dǎo)坑四周初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，然后再根據(jù)地質(zhì)條件、斷面大小，對剩余部分采用二部或三部開挖的方法。適用條件：一般用于雙線隧道V、VI級圍巖及淺埋地段。施工要求：側(cè)壁導(dǎo)坑形狀宜近于橢圓形斷面，導(dǎo)坑斷面寬度宜為整個(gè)斷面的1/3。側(cè)壁導(dǎo)坑、中槽部位宜采用短臺階開挖，各部距離應(yīng)根據(jù)隧道埋深、斷面大小、結(jié)構(gòu)類型等選取。各部開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，并盡早封閉成環(huán)。施工要求：兩側(cè)壁導(dǎo)坑超前中槽部位10~15m，可獨(dú)立同步開挖和支護(hù)；中槽部位采用臺階法開挖，并保持平行作業(yè)。中槽開挖后，拱部鋼架與兩側(cè)壁鋼架的連接是難點(diǎn)，在兩側(cè)壁導(dǎo)坑施工中，鋼架的位置應(yīng)準(zhǔn)確定位，確保各部架設(shè)鋼架連接后在同一個(gè)垂直面內(nèi)，避免鋼架發(fā)生扭曲。根據(jù)量測信息，初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù)，一次拆除長度不得大于15m，并加強(qiáng)監(jiān)測。臨時(shí)支護(hù)拆除完成后，應(yīng)及時(shí)施作仰拱及二次襯砌。第四節(jié)隧道巖土控制變形分析工法簡介

20世紀(jì)70年代中期，意大利的Pietro

Lunardi教授開始對數(shù)百座隧道進(jìn)行理論和現(xiàn)場試驗(yàn)研究，并逐步創(chuàng)立了巖土控制變形分析法(ADECO-RS法)，該方法在國內(nèi)又被稱為“新意法”。

一、基本原理隧道掘進(jìn)時(shí)對隧道周邊及前方一定范圍的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，改變了圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)。在開挖面周邊區(qū)域內(nèi)，圍巖由三軸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，開挖面及前方一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布。開挖后圍巖變形也在擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)提前發(fā)生。當(dāng)開挖面前方圍巖的應(yīng)力狀態(tài)處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，在開挖輪廓線附近產(chǎn)生彈性變形，稱為“拱部效應(yīng)”，這時(shí)開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果開挖后圍巖處于彈~塑性狀況，開挖輪廓四周及開挖面將朝隧道內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，“拱部效應(yīng)”將從開挖輪廓周圍往外移到地層中，但此“轉(zhuǎn)移”只能通過足夠的支護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)和控制；如果開挖后圍巖產(chǎn)生破壞~滑移的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖大變形隨之產(chǎn)生，圍巖極不穩(wěn)定，“拱部效應(yīng)”難以形成，極易引起坍塌。這時(shí)必須采取人工支護(hù)措施協(xié)助圍巖形成“拱部效應(yīng)”。因此，隧道“拱部效應(yīng)”的形成及其位置取決于開挖后圍巖的變形特征及其大小。基本術(shù)語1、超前核心土：是隧道掌子面前方一定體積的土體，呈圓柱形，圓柱體的高度和直徑大致等于隧道直徑。2、掌子面擠出變形：是開挖介質(zhì)對隧道開挖產(chǎn)生的變形反應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，主要發(fā)生在超前核心土內(nèi)；擠出變形的大小取決于超前核心土的強(qiáng)度、變形特征及其所處的原始應(yīng)力場；擠出變形發(fā)生在掌子面表面，沿隧道水平軸線方向發(fā)展，其幾何形狀大概呈軸對稱(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋狀突出。3、隧道預(yù)收斂：是隧道掌子面前方的理論輪廓線的收斂變形，完全取決于超前核心土的強(qiáng)度及變形特性與其原始應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系。開挖介質(zhì)變形反應(yīng)1、開挖介質(zhì)對隧道開挖作業(yè)的變形反應(yīng)預(yù)示著是否能夠形成成拱效應(yīng)及成拱效應(yīng)的位置，即預(yù)示著隧道所能達(dá)到的穩(wěn)定等級。2、變形反應(yīng)從掌子面前方的超前核心土開始，逐步沿隧道向后發(fā)展；變形反應(yīng)不僅包括收斂變形，而是由擠出變形、預(yù)收斂變形和收斂變形組成。收斂變形只是錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變過程的最后階段。3、掌子面—超前核心土體系的變形反應(yīng)與隧道洞身變形之間存在直接聯(lián)系，前者是因，后者是果，從而強(qiáng)調(diào)對掌子面—超前核心土體系的變形反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測的重要性，而不僅僅只對隧道洞身的變形進(jìn)行監(jiān)測。4、對超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其剛度，可以控制超前核心土的變形(擠出變形及預(yù)收斂變形)，從而可控制隧道洞身的收斂變形。

研究緒論證實(shí)：可以把超前核心土視作一種新的隧道長期和短期穩(wěn)定的工具；超前核心土的強(qiáng)度及變形特性是隧道變形的真正原因；可以通過對超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其強(qiáng)度，以達(dá)到控制超前核心土變形，并最終控制隧道變形的目的；超前核心土的強(qiáng)度和變形特性對隧道的長期和短期穩(wěn)定起決定作用。1、地層變形反應(yīng)的分析方式不同新奧法對地層變形反應(yīng)的分析僅限于掌子面的后方，僅對隧道收斂進(jìn)行分析；新意法不僅對掌子面后方的地層變形反應(yīng)(收斂)進(jìn)行分析，而且更注重對掌子面及掌子面前方地層的變形反應(yīng)(掌子面擠出變形和預(yù)收斂)進(jìn)行分析。三、與新奧法的比較2、地層變形反應(yīng)的控制方式不同由于對地層變形反應(yīng)的分析方式不同，新奧法與新意法對地層變形反應(yīng)的控制方式也不同。

新奧法采用錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、施作仰拱

等手段，僅對掌子面后方的隧道施加約束作用；新意法不僅要求隧道的支護(hù)措施(包括二次襯砌和仰拱)要與掌子面保持適當(dāng)距離，不能落后掌子面太遠(yuǎn)，對隧道提供連續(xù)的約束作用，而且要求對超前核心土采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和加固措施，提高其強(qiáng)度和變形特性，對隧道提供超前約束作用。

三、與新奧法的比較第五節(jié)隧道洞口施工一、洞口地段的一般概念隧道施工的洞口地段，是指隧道進(jìn)口(或出口)附近對隧道施工有影響的地段。隧道洞口工程主要包括邊、仰坡土石方；邊、仰坡防護(hù)；端墻、翼墻等洞門圬工；洞口排水系統(tǒng)；洞口檢查設(shè)備安裝；洞口段洞身襯砌。一般情況下，將由于隧道開挖可能給上坡地表造成不良影響的洞口范圍稱為洞口加強(qiáng)段。洞口位置明洞段過渡段洞口段隧道洞身段上下部開挖分界線2~3m1~2D洞口位置洞口地段的特點(diǎn)為：洞口地段地層一般較破碎，多屬堆積、坡積、嚴(yán)重風(fēng)化或節(jié)理裂隙發(fā)育的松軟巖層，穩(wěn)定性較差；當(dāng)巖層層面坡度與洞門主墻開挖坡度一致時(shí)，容易產(chǎn)生縱向推滑力；洞口附近山體覆蓋層較薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道處于溝谷一側(cè)或傍山時(shí)，通常會產(chǎn)生側(cè)向壓力。二、洞口地段施工注意事項(xiàng)洞口段施工時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

l.在場地清理作施工準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)平整洞頂?shù)乇?，排除積水，整理隧道周圍流水溝渠。之后施做洞口邊、仰坡頂處的天溝。

2.洞口施工宜避開雨季和融雪期。在進(jìn)行洞口土石方工程時(shí)，不得采用深眼大爆破或集中藥包爆破，以免影響邊、仰坡的穩(wěn)定。

3.洞口部分圬工基礎(chǔ)必須置于穩(wěn)固的地基上。

4.洞門拱墻應(yīng)與洞內(nèi)相鄰的拱墻襯砌同時(shí)施工連接成整體，確保拱墻連接良好。

5.洞口段洞身施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素選擇開挖方法和支護(hù)方式。

6.洞門完成后，洞門以上仰坡腳受破壞處，應(yīng)及時(shí)處理。如仰坡地層松軟破碎，宜用漿砌片石