大断面隧道施工技术

大断面隧道施工技术

第一节 隧道的施工方法 一、隧道工程的特点： 整个工程埋于地下，地质及水文条件对施工的成败起重要甚至决定性作用。 工程为一狭长建筑物，工作面少，施工干扰大。 地下施工环境差，施工甚至还使之恶化，如噪声、潮气、粉尘、黑暗等。 周边环境差，通常位于深山狭谷，交通困难。 投资大、更解困难，几乎没有返工的余地。 二、基本原则 1 、少扰动 —— 岩体为隧道结构的主要承载单元，须充分保护岩体 2 、早喷锚 —— 充分发挥岩体的承载能力，允许并控制岩体变形 3 、勤量测 —— 施工各阶段，进行现场量测监视，及时提供信息 4 、紧封闭 —— 改善结构受力性能，尽快使之闭合 三、施工方法选择应考虑的因素 工程规模； 工期缓急； 地质与水文情况； 设备情况； 劳动力及材料供应； 资金到位情况； 施工经验。 四、常用施工方法 隧道 类别 山岭隧道 浅埋及软土隧道 水底 ( 江河、海峡 ) 隧道 施工 方法 1 、钻爆法 传统矿山法 新奥法 2 、明挖法（明洞部分） 3 、掘进机法 1 、明挖法与浅埋暗挖法 2 、地下连续墙法 3 、盖挖法 4 、盾构法或半盾构法 1 、预制管段沉埋法 ( 沉管法 ) 2 、盾构法 1 、矿山法（钻爆法） 含义： 采用开挖矿山巷道的方法来修筑隧道。即将整个断面分成几个部分按一定顺序开挖，而后立即支撑，扩大断面时进行支撑顶替，最后采用大刚度整体模筑式衬砌承受围岩压力。 指导思想： 把支撑和衬砌看作是承受地层压力的承载结构，而没有充分发挥围岩的承载能力。 开挖方法： 全断面法； 半断面 ( 台阶法 ) 法； 分部开挖法（上导坑、下导坑、 上下导坑 、侧壁导坑、弧开导坑、漏斗棚架法 等 ）； 基本要求 统一组织和协调，处理好开挖与开挖、开挖与支撑、支撑与衬砌、开挖与衬砌之间的相互关系。 尽量减少爆破对支撑的冲击破坏 隧道开挖及衬砌立模时均应按规范预留沉落量。 左右边墙马口应交错开挖，不得对开。同一侧的马口宜跳段开挖，不宜顺开。 明洞和洞口工程土石开挖不得采用大爆破；石质陡坡应先加固再进洞，尽量保持原有仰坡稳定；松软缓坡开挖边坡时，应事先放出开挖线，由上而下进行随挖随支护； 应采用光面爆或预裂爆破技术，施工防排水应与永久性防排水设施相结合； 开挖断面不宜欠挖。 基本原则： 少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌。 施作顺序： 先墙后拱法 ( 又称为顺作法 ) ，围岩相对稳定时用。 先拱后墙法 ( 又称为逆作法 ) ，围岩稳定性差时用。 趋势：矿山法已被逐渐淘汰 新奥法已全面推广应用 2 、新奥法（喷锚构筑法） ⑴含义： 新奥地利隧道施工方法的简称。是以控制爆破为或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷砼为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法，同时以是指导隧道设计和施工的原则。 ⑵基本思想 : 充分利用围岩自承能力，利用开挖面的空间约束作用，及时地对围岩进行加固、约束围岩变形、防止围岩松散破坏。 ⑶基本方法： 采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工。 ⑷ 基本要点： 隧道的承载部分主要是围岩； 用最小的支护阻力设计支护结构； 控制围岩的初始变形； 避免围岩处于单轴及两轴受力状态； 对围岩的变形加以控制； 适时进行衬砌； 采用薄层柔性支护结构； 依据围岩变形量测来决定衬砌方法和时间； 测定衬砌的应力及围岩的变位，进行正确地设计和施工； 用排水的方法降低岩体中水的渗透能力 3 、盾构法 盾构是一种活动的防护结构或活动支撑，一般为圆筒形钢结构 盾构法施工是采用盾构机刀盘将土“旋”下，土堆进入密封仓、螺旋输送器、皮带输送器，运进土车，送出地面，盾构靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。 盾构法是一项综合性施工技术，盾构本身只是进行开挖和衬砌结构安装的施工机具，还需要其他施工技术与之配合才能顺利施工。这些技术主要有：地下水的降低、隧道村砌结构的制造、地层开挖、隧道内的运输、衬砌与地层间的充填、衬砌的防水和堵漏、配合施工的量测、合理的施工布置等。 4 、掘进机法 隧道掘进技术是由早期的盾构（适用于软土层掘进的又称盾构）技术发展而来，是地下暗挖隧道的一种工程建设技术。 隧道掘进机是一种机械化的隧道掘进设备，它通过刀具在隧道断面内直接破碎岩石从而进行连续掘进。 5 、盖挖法 基本要点： 先施工地下连续墙或灌注桩等竖向围护结构和中间支柱。然后做钢筋混凝土盖板，恢复地面交通。在侧向和顶部围护条件下，进行土方开挖和结构逆作施工。 该法在上海、北京、广州地铁一些车站施工中得到成功应用。 6 、沉埋法 沉埋法又称沉管法，是修筑水底隧道的主要方法。沉埋法施工时，先在隧址附近修建的临时干坞内预制管段，预制的管段用临时隔墙封闭起来，然后将此管段浮运到隧址的规定位置，此时已于隧址处预先挖好一个水底基槽。待管段定位后，向管段内灌水压载，使其下沉到设计位置，将此管段与相邻管段在水下连接起来，并经基础处理，最后回填覆土，成为水底隧道。 7 、明挖法 当隧道埋深较浅时，将地面挖开，形成露天的基坑，然后在基坑中修筑隧道衬砌，敷设外贴式防水层，最后用土回填。 常用的基坑开挖方式： 敞口开挖法、工字钢桩法地、下连续墙法等。 8 、顶进法 又称顶管法，适用于土层，在软岩和其他松软地层中也有使用。 顶进法可分为顶入法、中继间法、牵引法、对顶法、顶拉法等，目前施工中最常用的方法是顶入法和中继间法。 第二节 隧道开挖方法 全断面法 优点： ①工作面空间大，便于大型机械作业； ②工序少、干扰少、工序集中、管理方便； ③通风、排水、运输方便。 缺点： ①要求机械化程度高； ②工序间配合要求高。 适用： Ⅰ ～ Ⅲ 级围岩 台阶法 适用： Ⅵ ～ Ⅳ 类或 Ⅱ 、 Ⅲ 类围岩， 分为：长台阶法、短台阶法和超短台阶法。 环形开挖预留核心土法 台阶分步法 中洞法 交叉中隔壁法 （ CRD 法） 中隔壁法 （ CD 法） 单侧壁导坑法 （中壁墙法） 双侧壁导坑法 武广客专隧道施工方法表 围岩条件 施工方法 双侧壁导坑法 CRD 法 CD 法 三台阶临时仰拱法 台阶法 全断面法 Ⅴ 级围岩偏压 ● ○ Ⅴ 级围岩浅埋 ○ ● Ⅴ 级围岩深埋 ● ○ Ⅳ 级围岩偏压 ○ ● Ⅳ 级围岩浅埋 ● ○ Ⅳ 级围岩深埋 ● Ⅲ 级围岩浅埋、偏压 ● Ⅲ 级围岩深埋 ○ ● Ⅱ 级围岩 （地下水发育） ● ○ Ⅱ 级围岩 ○ ● 1. 双侧壁导坑法 ( 又称眼镜工法 ) (1) 开挖面分部形式 一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑 1 、上部核心土 2 、下台阶 3 。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的 1/3 。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。 (2) 施工作业顺序 开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合 相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护 开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上 (3) 适用条件 洞口段、超浅埋段、软弱破碎围岩段，一般用于 Ⅴ 级围岩 当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。 现场实测表明，该法引起的地表沉陷仅为短台阶法的 1/2 。因为每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。 开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合 拆除导坑临空部分的初次支护 建造内层衬砌 （ 4 ）优缺点 优点：施工安全度高、控制地层变形好 缺点：施工进度慢、临时工程量大、造价高 （ 5 ）施工控制要点： 超前支护、刚支撑连接、锁脚锚杆（管）、仰拱的及时封闭、临时支撑的拆除时机及长度 ( 右上 ) 运用“双侧壁导坑法”修建国内第一大跨双连拱的公路隧道 — 最大开挖跨度 32.6 米的京珠高速公路五龙岭隧道， 1998 年 10 月开工， 1999 年 11 月全隧贯通 （左下）国内第一座海底储气工程 — 汕头 LPG 工程， 1997 年 10 月开工， 1999 年 12 月建成 2 “CRD” 工法基本同上，在控制地层位移方面稍逊于双侧壁导坑法 ( 特点是步步成环 ) 3 “CD” 工法 适用条件：浅埋段、软岩段，一般用于 Ⅳ 级围岩 优点：施工安全度较高、控制地层变形较好 缺点：施工进度较台阶法慢但较“ CRD” 工法快、临时工程量和造价也是较台阶法大但较“ CRD” 工法小 施工控制要点：刚支撑连接、锁脚锚杆（管）、左右部台阶的高度和纵向长度、临时支撑的拆除时机及长度 4 临时仰拱法 适用条件：软岩段，一般用于 Ⅳ 级围岩，采用台阶法开挖基本可行但为了更好的控制围岩变形时采用 , 优点：施工安全度较高、控制地层变形较好 缺点：施工进度较台阶法慢但较“ CD” 工法快、临时工程量和造价较台阶法大但较“ CD” 工法小 施工控制要点：锁脚锚杆（管）、大拱脚的设置，仰拱的及时封闭，上下台阶的高度和纵向长度 适用条件 : 上软下硬地层 在浅埋隧道中经常出现这样的情况，拱部或上部位于土层中，下部位于岩石中，如仍按上部地层控制采用“ CRD” 工法或“ CD” 工法则会出现下部开挖爆破时把临时支护爆掉的情况，这时应采用加强拱部支护带大拱脚的弧形导坑台阶法或上半断面“ CD” 工法 5 上半断面 CD 法 ＴＢＭ導坑を用いた掘削方式 （第二東名高速道路） 6 利用 TBM 导坑的开挖法 7 台阶法 台湾高速铁路隧道施工方法 德国高速铁路隧道施工方法 日本高速铁路隧道施工方法 台湾高速铁路隧道施工方法 隧道开挖方式以开挖面稳定性、围岩承载力、地表沉陷预估变形量及地下水位高低来选定 下面是台湾南北高速铁路某隧道实例： 开挖方法采用上部弧形导坑开挖，留核心土，上导坑初期支护设置大拱脚，并设拱脚支撑桩 ( 钢管桩、旋喷桩等 ) 喷射混凝土 30cm ，设临时仰拱，无管棚支护范围设长度 6m 的锚杆，格栅钢架 0.5~1.0m ，如图。 2 ） 德国高速铁路隧道施工方法 在德国高速铁路隧道中大量采用了台阶法，如在科隆 — 莱茵 / 美茵高速铁路中，隧道总长 47 公里，占线路总长的 21% 。 30 座隧道， 24 座采用矿山法， 6 座采用明挖法。除一座外其余为单洞双线隧道，开挖面积 150 平方米，净空面积 92 平方米。在矿山法施工的隧道中，采用台阶法的较多，台阶法的型式也比较多。有上下台阶法、临时仰拱法、弧形导坑上下台阶法、超前上导洞台阶法、以及超前上导洞临时仰拱组合台阶法等， 1) 上台阶 開挖 土方開挖 :70 m 3 /m 噴凝土 :20 m 2 /m 2) 下台阶 開挖 土方開挖 :46 m 3 /m 噴凝土 :7 m 2 /m 3) 仰拱開挖 土方開挖 :14 m 3 /m 噴凝土 :12 m 2 /m 上导坑法 3 ）日本 在日本采用台阶法最多，约占 82% ，其次是全断面法，约占 16% ，侧导坑法占 2% 。 日本广泛采用台阶法主要原因一是适当选定台阶长度，能广泛适用于从硬岩隧道到土砂条件的地质条件，二是掘进导坑面积较小，开挖、支护、衬砌可平行作业。 台阶法基本分为长台阶法、短台阶法、超短台阶法三种。 长台阶法 长台阶法适用于在全断面开挖法中其开挖面不能自稳，但围岩坚硬又不需要用仰拱闭合断面的情况。在日本，长台阶法施工实例不多。 台阶长度约在 50 米以上，有上、下半断面每次以 100~150 米长度交替开挖和上、下半断面同时平行开挖两种情况。前者，上、下半断面的开挖、出渣全都在各自的循环之内完成，上半断面完成后作业人员、机械全部转移至下半断面，作业时比较单纯。后者，由于上半断面的石渣运出要通过下半断面，使下半断面的作业复杂化，但因上、下半断面是同时开挖，和前者相比可以缩短工期。在长度较短的隧道中也有上半断面开挖完后再开挖全长下半断面的上半断面先进法，也可视为长台阶法的一种。 短台阶法 短台阶法长度约在 20~50 米左右，在日本的新奥法施工中这种例子最多。 这种方法由于上、下半断面的开挖面较接近，两个开挖面作业有干扰，而且存在上半断面出渣打乱开挖循环平衡的问题。上半断面的出渣可用斜坡道、皮带运输机、列车装载机等组合起来使用。 超短台阶法 这个方法的台阶长度约 3~5 米，适用于在膨胀性围岩和土砂围岩中，需及早闭合断面的情况。在以全断面开挖法为主要方法的硬质围岩中，由于一部分地质条件变化而需要采用分部开挖时，也可用此方法。 上、下半断面的开挖面是同时掘进的，出渣也是同时进行的。 在该例中，为了弥补上半断面作业面积的不足，要安设能移动的施工台架。超短台阶法存在的问题是：上、下半断面的开挖面很近，开挖和出渣机械、设备很集中，所以要特别解决作业干扰大、效率低、施工人员安全的措施。 多层台阶法 这个方法通常用在单层台阶上半断面掘进导坑的尺寸较大，开挖面难以自稳的情况。由于在低强度的围岩中，整个开挖断面要分为三部以上，故开挖造成的应力重分布的次数较多，而且台阶多，到断面闭合的时间也加长。所以，在选择这种方法时，先要充分研究采用稳定开挖面的辅助工法（超前钻孔、小型管棚、掌子面喷射混凝土、改良地层等），分两步开挖仍很困难时才采用。 辅助工法 长管棚 AGF 法 预切槽法 新 PLS PSS 工法 三台阶七部流水作业法 有的采用在公路黄土大断面施工中总结出来的短台阶七部流水作业法：即在隧道开挖过程中，在三个台阶上分七个工作面，以前后七个不同位置相互错开同时开挖，然后分部及时支护，形成支护整体。缩小作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。 施工控制要点： 严格按短台阶法施工 加强初期支护锁脚锚杆 初期支护钢架背后严禁出现任何形式的空洞 及时成环非常关键，这是关系到隧道安全的重要步骤 围岩量测是指导施工的重要技术保障 第三节 洞口施工技术 一、洞门处理原则 进出洞施工原则： 1) 早进晚出 2) 做好洞口防护 二 进出洞施工方法 1 ）人造地形，不刷坡半明洞进洞 2 ）临时边仰坡支护进洞，后作洞门 2 ）临时边仰坡支护进洞，后作洞门 三 明洞 明洞的适用条件 : 1) 边坡较高 2 ）洞口有塌方、落石、泥石流、地层不稳定 3 ）超浅埋段、暗挖施工难度较大 实例 第一部分结束 谢谢大家 第四节 隧道施工关键技术 确保掌子面稳定和施工质量，必须处理好如下关键问题： 1 、确保掌子面的稳定； 2 、大力提高支护结构，特别是初期支护的支护能力，特别是喷混凝土的性能； 3 、多机作业，尽可能地缩短各项作业的时间；施工方法要为采用大型施工机械或多台机械同时施工创造条件； 4 、提高混凝土衬砌的施工水平，防止衬砌的初期开裂； 5 、采用根本性的措施，确保防水的质量； 6 、设计和施工要采取措施尽可能地减小开挖断面积； 一、掌子面稳定性 在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在通过各种不良地质地段时。 从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式： · 掌子面挤出； · 掌子面拱部坍塌； · 上半断面拱脚下沉； · 底部鼓起等。 从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方法也是多种多样的。 · 超前支护； · 扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管； · 正面喷射混凝土和锚杆； · 底脚锚杆或锚管等。 掌子面超前支护是采用钢管、插板以及注浆等，沿隧道外轮廓，以低角度打设方式加固掌子面前方围岩、约束围岩松弛、掉块的方法。超前支护，基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。 在软弱围岩中施工最重要的是提高围岩的 自支护能力 ，保证开挖及后续作业的进行。必须采用施工辅助措施对地层进行 预支护 或 预加固 。 铁路隧道施工中经常采用的辅助措施有：留核心土；喷射混凝土封闭开挖工作面；超前锚杆、插板、或小钢管；管棚；临时仰拱封底；超前小导管注浆；开挖工作面及围岩预注；垂直锚杆；水平高压旋喷；预衬砌；冻结法等 。 上述措施的选用应视围岩条件、涌水状况、施工方法、环境要求等而定，一般宜采用几种措施综合治理。 超前支护 定义 ：以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结构体。即： 不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果的支护 。 适用范围： （ 1 ）、需要提高掌子面稳定性的土砂围岩； （ 2 ）、以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目的的场合；如浅埋地点、接近重要结构物施工的场合等 1 、超前锚杆、小钢管 此法的要点是开挖掘进前，在开挖面顶部一定范围内，沿坑道设计轮廓线，向岩体内打入一排纵向锚杆 ( 或型钢，或小钢管 ) ，以形成一道顶部加固的岩石棚。然后，在此棚保护下进行开挖 。 超前锚杆宜采用早强砂浆锚杆。小钢管应平直，尾部焊箍 . ，顶部做成尖锥状。对于小钢管来说，其外插角的偏差不应超过 5° ，孔位偏差不应超过 100mm ，顶入钻孔的长度不小于管长的 90 ％。开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。 图 6-86 超前支护 超前锚杆主要适用于地下水较少的软弱破碎围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅理无显著偏压的隧道。也适宜于采用中小型机械施工。 2 、管 棚 管棚是在隧道开挖之前沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚和围岩构成棚架体系 ( 图 6-87) 。 图 6-87 管棚预支护围岩 管棚主要适用于围岩压力来得快来得大，用于对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。 在设计中，要充分考虑地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，决定管棚的配置、形状、施工范围、管棚间隔及断面等。一般多采用图 6-88 所示的形状。 a) 扇形配置 ; b) 半圆形配置 ; c) 门形配置 ; d) 全周形配置 ; e) 上半单侧配置 ; f) 上半双排配置 ; g) 一字形配置 图 6-88 管棚的配置和形状 3 、超前小导管注浆 此法的要点是在开挖掘进前，先用 5cm ～ 10cm 厚的喷混凝土将开挖面和 5m 范围内的坑道封闭，然后沿坑道周边打入带孔的纵向小导管。由上而下的向小导管内压浆，浆液即由导管渗透到地层中，待浆液硬化后，即在坑道周围形成一个加固了的岩石圈，在此圈的防护下即可安全地进行开挖（图 6-91 ）。 小导管一般采用直径 32mm 的焊接钢管或直径 40mm 的无缝钢管制作，长度宜为 3m ～ 6m ，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔 10cm ～ 20cm 交错钻眼，眼孔直径宜为 6mm ～ 8mm 。如图 6-84c 所示。 4 、预注浆加固围岩 预注浆方法是先在掌子面前方的围岩中将浆液注入，从而提高了地层的强度和稳定性，降低了渗透性，形成了较大范围的筒状封闭加固区，然后在其范围内进行开挖作业。 ( 一 ) 注浆机理 注浆机理分为二种： 第一种包括“ 浸透 ”注浆、“ 裂缝 ”注浆和“ 空穴 ”注浆。 第二种是“ 劈裂 ”注浆 ( 二 ) 注浆方式 用预注浆加固围岩的方式，大致有以下三种： 在开挖工作面上打超前长导管注浆 ( 图 6-92a) 对于浅埋隧道，可以从地表向隧道所在区域打幅射状或平行状钻孔注浆 ( 图 6-92b) ； 如上述二种都有困难，经技术经济比选后，可设置平行导坑，然后由平行导坑向正洞所在区域钻孔注浆（图 6-92c ）。 图 6-92 地层超前注浆 ( 三 ) 注浆孔距和加固范围 确定注浆孔距的理论公式很多，根据实践经验最大取 1.5m 。 为了确定加固范围，即确定围岩塑性破坏区的大小，可以按岩体力学和弹塑性理论计算出开挖坑道后围岩的压力重力分布结果，并确定其塑性破坏区的大小 (R 0 —r 0 ) ，这也就是应加固区的大小。 ( 四 ) 注浆数量控制 注浆数量应根据加固区需充填的地层孔隙数量来确定。 现代注浆技术都是采用定压和定量相结合的方法，也就是注浆的数量基本是固定的。这个数量按浆液需填充的孔隙数量选定，而且常以被处理围岩总体积的百分比数表示。 这个百分数在砂层可高达 40 ％，而裂隙岩体也许只为 5 ％ ，具体计算公式如下： N=Q/A=n·a% 式中 Q— 注浆总数量 (m 3 ) A— 被加固围岩的体积 (m 3 ) n— 被加固围岩的孔隙率 ( ％ ) a— 过去实践证实了的充填率 ( ％ ) 后两项可参见表 6-17 ( 五 ) 施工要点 1. 注浆管 （图 6-93 ） 2. 钻孔 3. 注浆顺序 4. 结束条件 5. 注浆检查 6. 开挖时间 图 6-93 注浆管 预衬砌 其标准参数如下。 超前支护厚度：１７０ｍｍ 设置范围：１２０ º （１１５ º ～１２５ º ） 设置角度：７ º （５ º ～１０ º ） 纵断方向钻孔长度：４ . ０ｍ 纵断方向充填长度：３ . ５ｍ 搭接长度：０ . ５ｍ 超前残余长度：１ . ０ｍ（１ . ０～２ . ０ｍ）． 水平喷射注浆方式 其标准断面如下： 喷射改良体直径：６００ｍｍ 设置范围：１２０ º （１２０ º ～１８０ º ） 设置角度：５ º （５～１０ º ） 纵断方向钻孔长度：１３ . ０ｍ（９～４８ｍ） 纵断方向改良长度：１０ｍ 搭接长度：１ . ０ｍ 超前残余长度：４ . ０ｍ（３ . ０～４ . ０ｍ） 设置间距：６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ） 长钢管注浆方式 标准断面如下： 钢管直径：１１４３ｍｍ 设置范围：１２０ º （５０～１８０ º ） 设置角度：５ º （４～３０ º ） 纵断方向钻孔长度：１２ . ５ｍ（４～４０ｍ） 纵断方向注浆长度：１２５ｍ（４～４０ m ） 搭接长度：３ . ５ｍ 超前残余长度：３ . ５ｍ（１ . ０～７ . ５ｍ） 设置间距：４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ） 除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之急是如何提高超前支护技术的水平，一个重要措施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。 预衬砌工法的机械 预衬砌工法采用的机械，有 2 大类： 1 、排钻。示于下图。用其钻设槽形孔，中央的钻用于压注砂浆或混凝土，形成拱形混凝土壳体。 2 、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同时充填混凝土。其机械概况示于下图。 脚部的施工机械之一 脚部施工机械之二 二、 支护结构 在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。 加强的程度应与标准断面的作用相同。 加强的途径有二。其一是 改变过去采用的支护结构参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等 ； 这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是 改变材料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆 等。 第 1 种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因之一。 第 2 种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。 支护结构的构成 隧道的支护结构包括： 初期支护； 喷混凝土 、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护； 二次衬砌：包括仰拱及底板； 临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。 初期支护 在初期支护中，喷混凝土具有独特的作用。是如何情况下，都是不可缺少的支护手段。因此，在大断面隧道中，对不断提高喷混凝土的性能，寄予极大的期望。 喷混凝土的几个关键性的性能指标 1 、设计基准强度 2 、初期强度： 3 、附着强度； 4 、附着配比； 5 、回弹率； 6 、粉尘量。 1 、设计基准强度 喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定 喷混凝土的设计基准强度 ， 采用与衬砌混凝土同等的强度 。不仅如此，考虑到材料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经成为可能，因此 喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展的趋势 。例如，日本第二东名 · 名神高速公路，在 大断面隧道 中，采用材龄 28 天的抗压强度 36N/mm 2 作为设计基准强度。也有的国家规定在 不良地质条件下 采用高强度喷混凝土的建议。 在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中，很少有采用小于 C25 等级的喷混凝土。 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。 喷混凝土抗压强度划分 EFNARC 的标准 强度划分 C24/30 C28/35 C32/40 C36/45 C40/50 C44/55 C48/60 圆柱体试件 24 28 32 36 40 44 48 立方体试件 30 35 40 45 50 55 80 挪威的标准喷混凝土抗压强度划分 抗压强度 (MPa) C30 C35 C40 C45 C50 C55 立方体试件的最小抗压强度 30 35 40 45 50 55 取样试件的最小抗压强度 19.2 22.4 25.6 28.8 32.0 35.2 2 、初期强度 一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初期强度的目的。 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保掌子面及其附近围岩的稳定， 取 24 小时以内的强度为标准。 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取 24 小时以外的强度为标准，有的国家就是 以 3 小时的强度 作为基准的。 初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。 日本 喷混凝土初期强度设定事例 单位 类别 材龄 3 小时抗压强度（ N/mm 2 ） 材龄 24 小时抗压强度（ N/mm 2 ） 道路协会 喷混凝土 － 5 铁道建设 · 运输设施 高品质喷混凝土 1.5 8 道路公团 喷混凝土 － 5 高强度喷混凝土 2 10 高强度纤维喷混凝土 2 10 欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示的初期强度。 J1 ：（ A~B ）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2 ： (B~C) ：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合 J3 ： (C 以上 ) ：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合） 3 、附着强度 喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定。 喷凝土的欧洲标准（ EFNARC)G 规定的附着强度如下表所示，通过附着试验核查。 附着强度最小值（ MPa) 附着的划分 与混凝土的附着 与岩体的附着 非结构物 0.5 0.1 结构物 1.0 0.5 挪威规定附着强度在 0.2 ～ 1.8MPa 之间。 岩类等 矿物 粒子大小 附着强度   粗糙面 破坏面 片岩 粘土矿物、绿泥石 非常细 0.24 ± 0.18 0.28 ±0.11 云母片岩 石英、长石、云母 中位 0.58 ± 0.19 0.85 ± 0.35 片麻岩（叶状构造） 石英、斜长石、云母、角闪石 中位 0.19 ± 0.05 0.51 ±0 .11 片麻岩（叶状构造） 石英、斜长石、云母、角闪石 中位 1.53 ± 0.28 1.8 砂岩（裂隙多） 石英、长石 细 （ 1.1 ）破坏面 （ 1.1 ）破坏面 砂岩 石英、长石 细 1.8 1.8 泥灰岩 方解石、粘土矿物 细 1.49 1.84 石灰岩 方解石 细 1.58 ± 0.12 1.54 ± 0.30 大理岩 方解石 中位 1.38 ± 0.30 1.52 ± 0.28 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石、黑云母 粗 0.34 ± 0.12 1.12 ± 0.20 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石、黑云母 中位 1.04 ± 0.32 1.40 ± 0.26 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石。黑云母 细～中位 1.48 ± 0.45 1.71 ± 0.14 辉绿岩 斜长石、辉石 细～中位 1.56 ± 0.25 1.7 木版 － － 1.7 1.7 喷混凝土表面 － － 1.7 1.7 4 、附着配比 对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。 附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。它与 喷射配比 、 喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度 有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。 喷射后喷混凝土强度（附着配比） C30 C35 C40 C45 C50 C55 喷射前喷混凝土强度（喷射配比） C38 C43 C48 C54 C60 C65 5 、回弹率及粉尘浓度 回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有重要的影响。 因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重要课题。 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于 20 ％，粉尘浓度不能大于 5mg/m3 ，否则，就是不合格。 6 、喷射机械 喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产效率应在 10m 3 /h 以上。许多施工单位也都认识到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决策。 锚杆 锚杆的支护作用是不能忽视的。特别是在大断面隧道的条件下。 锚杆是隧道施工过程中，维护围岩稳定，保证施工安全的重要手段之一。施工完成后，在一定程度上，它还可以作为永久支护结构的一部分发挥作用。因此，在施工中，如何保证和检查锚杆的施工质量，是极为重要的。但从目前的施工状况看，锚杆长度不足、不配置垫板、配置不合理、砂浆充填不密实，甚至“长锚短打”的现象也时有发生。造成这种现象的原因虽然是多方面的，但主要还是对锚杆在隧道施工中的作用认识不足，不能完全按照要求施工，而且缺乏有效的检测手段。 归纳起来，目前锚杆施工中应该注意的几个问题是： · 建立有效的锚杆质量检测方法，及时检测； · 不能忽视锚杆拉拔试验的作用； · 合理确定锚杆的参数，充分发挥群锚的作用； · 进一步认识锚杆与围岩之间的关系； · 大力提高锚杆的商品化程度等。 在什么情况下采用锚杆？ 能够发挥锚杆效果的围岩条件 ，一句话，就是能够发挥支护效果的围岩。为此，要具备以下条件： · 锚杆和围岩间要有适当的锚固力； · 在不连续围岩中锚杆要横切不连续面设置； · 在连续性围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。 不满足这些条件的围岩，锚杆的作用是比较小的，甚至没有效果。例如以下条件的围岩。 · 在含水的粘性土中，锚固材和围岩间产生滑动，锚固力有时不充分； · 松砂等因围岩的强度小，也不能获得锚固力，但如对围岩进行改良，也有可能产生效果； · 在连续性围岩中，变形小，几乎也不产生塑性变形的围岩。但在这种围岩中，因主要是不连续面支配围岩的动态，作为不连续面的对策，也会产生一定的效果； · 塑性区域超过锚杆设置范围以外的场合。但此时可加长锚杆长度（图 1 ） · 有可能发生整体下沉的场合，如浅埋隧道等 如何发挥锚杆的群锚的作用？ 锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥群锚的作用。这是非常重要的。因此，锚杆的配置参数（长度、间距）要注意符合群锚的工作原则。 要想充分发挥锚杆的效果，就必须发挥群锚的作用。也就是说要解决好围岩条件和锚杆长度、间隔的关系。决定锚杆长度、间隔时应考虑的围岩条件如下： · 连续性、不连续性的程度； · 不连续面的分布特性（间隔、宽度、方向等）； · 塑性区域产生的范围。 垫板的设置 要发挥锚杆的效果，垫板的设置是十分重要的。我们在施工中，多数是不设置垫板的。因为增加垫板，不仅增加了施工成本，对工期也有一定影响。但从效果上看，这是得不偿失的。日本对此曾进行了试验研究。试验表明：设垫板比不设垫板，加载应力提高了 2.5 倍；垫板面积越大，头部轴力提高也越多。例如，垫板面积增加 1 倍，头部轴力可提高 1.25 倍等。其次有垫板时，锚杆轴向应变的最大值的位置，向内部移动。这说明锚杆的 3 维约束效果，得以发挥。图 5 是有垫板和无垫板的的轴力分布的变化。从图中可以看出，有垫板 时，锚杆的口部也发生了轴力、而且轴力的最大值也增加了 10%~20% 。由此可见，垫板的作用是不容忽视的。在锚杆施工中，必须设置垫板，这在规范中也有了明确的规定。 我们在锚杆施工中，最大的问题是锚杆的商品化问题。可以说，在许多国家，锚杆已经是一种商品。只要选择合适，拿过来用就可以了。而我们的锚杆，目前绝大多数是就地用钢筋自制的。因此，质量的离散性相当大、施工工艺也不能标准化，不能充分发挥锚杆的支护效果，有时就成为一种计价的“摆设”。当然，也有一些商品化的锚杆开始工厂化的生产。但还没有完全得到业主、设计和施工人员的认可。原因之一，就是商品锚杆的成本高。因此，大力降低锚杆的制造成本，提高商品化的速度，彻底改变锚杆施工的现状是非常重要的。 因此，锚杆不是可有、可无的问题，而是如何确保锚杆锚固的质量，充分发挥锚杆效果的问题。 特别是，在大断面的条件下，锚杆对控制局部掉块具有重要的作用。 格栅与钢支撑（钢架） 钢支撑和格栅在初期支护中主要用于软弱破碎或土质围岩中，很少单独使用。多数上与锚杆、喷混凝土等共同使用。 格栅与钢支撑，很少单独使用，多数场合是与喷混凝土、锚杆等组合使用的。使用钢架的目的有四点 。 一是作为喷混凝土支护功能发现前的支持物； 二是对喷混凝土进行补强； 三是作为超前支护的支点； 最后是与喷混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用。 钢支撑的最大特点是架设后能够立即承载。因此，多在需要立即控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大，或变形迅速发展的场合采用。 支撑形式 优点 缺点 钢支撑 · 架设后能够立即承载，充分发挥其力学作用； · 加工比较容易，但需要较大的加工设备； · 安装及构件连接，比较简洁、方便   · 背后的混凝土不易填充密实，留有空隙； · 重量大，架设安装困难； · 钢支撑的变形与混凝土变形不协调，混凝土易开裂；   格栅 · 架设后不能立即承载，必须与喷混凝土配合，才能发挥其力学作用； · 加工容易，且不需要大型加工设备 · 重量小，易于架设安装； · 因具有一定的柔性，能够适应围岩的变形 · 喷混凝土完全包裹格栅，整体性好，背后不易留下空隙； · 架设后不能立即承载，一次支护作用小； · 在围岩变形大的场合，不能有效地控制围岩的变形   因此，在大断面隧道施工中，应更多地采用钢支撑。 大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日本从修建第 2 东名高速公路起，就开始研究对策。研究和实践获得如下的成果。 日本第二东名高速公路隧道事例 净空断面积：约 150m 2 开挖断面积：最大 200m 2 采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少 30 ％； 锚杆采用高强锚杆（设计承载力 28kN) ，锚杆数量减少 30 ％； 采用高规格钢支撑（ HH － 154 ）； 二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少 10cm 不设变形富余量。 1 、喷混凝土的高强度化 主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。 高强度喷混凝土要求的强度列于下表。 种类 要求强度 目标强度 3 小时 1 天 28 天 28 天 高强度配比 2 以上 10 以上 36 以上 50 以上 一般强度配比 － 5 以上 18 以上 － 高强度喷混凝土的标准配比列于下表 要求强度（ N/mm2 ） 塌落度（ cm ） 粗骨料最大尺寸（ mm ） 单位水泥用量（ kg ） 单位速凝剂对水泥的用量（％） 见上表 18 10 450 10 高强度钢纤维喷混凝土主要用于裂隙发育的围岩，标准的钢纤维混入率为体积比的 0.75 ％。其标准配比列于下表。 要求强度（ N/mm2 ） 28 天弯曲韧性（ cm ） 塌落度（ cm ） 粗骨料最大尺寸（ mm ） 单位水泥用量（ kg ） 单位速凝剂对水泥用量（％） 见表 1 如图所示 18 10 450 10 2 、高承载力锚杆 在清水进行了下表的试验施工。 喷混凝土 钢支撑 厚度（ cm ） 强度（ N/mm2 ） 规格 间距 （ m ） 标准 20 18 H － 200 1.5 高强度 12.5 40 、 SFRC － － 长度（ m ） 横向间距（ m ） 纵向间距（ m ） 承载力（ kN ） 标准 6.0 1.2 1.5 180 1 组 6.0 2.0 1.5 310 2 组 4.0 和 6.0 1.0 1.5 180 和 310 3 组 4.0 0.8 1.5 180 从试验施工结果看，第 1 组的施工循环、成本最理想。第 3 组最差。因此，把第 1 组作为标准组合。 3 、高规格钢支撑 采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度 590N/mm2 、破断延伸率 17 ％以上的高规格钢支撑。 屈服点（ N/mm2 ） 抗拉强度（ N/mm2 ） 破断延伸率（％） 拉伸试验片 炭素当量 Ceg 高规格钢 ≥440 ≥ 590 ≥ 17 1A ≥ 0.47 一般规格钢 ≥ 245 400~510 ≥ 17 1A － 与过去采用的钢支撑比，可以小型化，其比较列于下表 过去采用的 高规格钢 NH-250 x250x9x14 HH-200 x201x9x12 NH-200 x200x8x12 HH-154 x151x8x12 NH-150 x150x7x10 HH-123 x125x6.5 x8 4 、二次衬砌 同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验，二次衬砌的混凝土的强度等级从 18N/mm2 提高到 30N/mm2 。其结果是，采用 18N/mm2 时的衬砌厚度在 B~D2 级围岩中，为 50cm ，在 D 级围岩中为 60cm ，而采用 30N/mm2 时相应的厚度分别为 40cm 和 50cm 。减少了 10cm 。 5 、施工方法的研究 在总长度 83km 的隧道中，用台阶法修建了 80 ％的隧道。台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方法就是中央导坑超前开挖法。两种开挖方法的示意图如下。 第二东名、名神高速公路隧道的标准支护结构参数 ( 台阶法 ) 围岩级别 支护结构级别 一次掘进标准长度 m 锚杆 喷混凝土厚度 cm 高强度 钢支撑 衬砌厚度（ cm ） 变形富余量 长度 m 承载力 kN 横向间距 m 纵向间距 m 上半断面 下半断面 拱、边墙 仰拱 B B 2.0 上半 4.0 下半 4.0 上半 170 下半 170 2.0 2.0 上半 10 纤维补强 － － 40 － 0 C1 C1 1.5 上半 6.0 下半 4.0 上半 290 下半 170 2.0 1.5 15 HH － 154 － 40 55 0 C2 C2 1.2 上半 6.0 下半 4.0 上半 290 下半 1.6 1.6 1.2 15 HH-154 HH-154 40 55 0 D1 D1 1.0 上半 6.0 下半 6.0 上半 290 下半 170 1.5 1.0 20 HH-154 HH-154 50 70 0 D2 个别设计 D3 洞口段设计 注： 1 、锚杆注浆采用速硬砂浆； 2 、上半断面锚杆设计承载力采用 290kN ； 3 、钢支撑采用高规格钢； 4 、 D1 衬砌采用单筋混凝土； 5 、 5 、二次衬砌、喷混凝土的设计基准强度均采用 36MPa 。 第二东名、名神高速公路隧道的标准支护结构参数 (TBM 导坑超前扩挖法 ) 围岩级别 支护结构级别 一次掘进标准长度 m 锚杆 喷混凝土厚度 cm 钢支撑 衬砌厚度（ cm ） 变形富余量 长度 m 承载力 kN 横向间距 m 纵向间距 m 上半断面 下半断面 拱、边墙 仰拱 B B 2.5 上半 4.0 下半 4.0 上半 170 下半 170 3.0 2.0 上半 10 纤维 － － 40 － 0 C1 C1 2.0 上半 6.0 下半 4.0 上半 290 下半 170 1.5 2.0 上半 15 纤维补强 － － 40 55 0 C2 C2 1.5 上半 6.0 下半 4.0 上半 290 下半 1.6 1.2 1.5 15 HH-154 HH-154 40 55 0 D1 D1 1.2 上半 6.0 下半 6.0 上半 290 下半 170 1.2 12 20 HH-154 HH-154 50 70 0 D2 个别设计 D3 洞口段设计 注： 1 、锚杆注浆采用速硬砂浆； 2 、上半断面锚杆设计承载力采用 290kN ； 3 、钢支撑采用高规格钢； 4 、 D1 衬砌采用单筋混凝土； 5 、二次衬砌、喷混凝土的设计基准强度均采用 36MPa 。 三、多机作业 目的：缩短作业时间，快速施工。 · 采用多机作业的方式，尽可能地隧道单项作业的时间 ；例如，在大断面隧道中，机械配套如下： 钻孔： 2 台三臂液压钻孔台车； 找顶等： 1300kg 的大型液压铲 1 台； 装碴： 3m 3 侧卸式装碴机 1 台； 出碴： 30t 卡车 喷混凝土： 20m 3 /h 喷射机 2 台。 · 采用改变材料规格，减少单项作业的工作量； 如前所述，改变材料规格，采用高强度喷混凝土、高承载力锚杆、高规格钢支撑以及高强度衬砌混凝土，在同样进尺的条件下，可以减少单项作业的工作量，更为重要的是，减小了开挖断面积。 四、改善隧道防水技术，提高防水质量 应该指出：对隧道工程来说，地下水的影响和处理是至关重要的。大家都有体会，有水无水、水大水小、一般涌出和异常涌出，在设计施工上的处理是完全不同的。此外，隧道运营期间，结构物耐久性的降低，在许多场合，都与地下水有关。因此，切实地提高隧道的防水技术，是当务之急。 在隧道设计和施工中，一定要区分： 运营隧道结构的防水和排水； 施工中的止水和排水。 这是两个不同的概念。 防水是对结构物性能的基本要求。不是主次的问题。 国内外的施工实践指出：设置防水板的隧道，都能够满足隧道结构物防水的基本要求。关键在于 防水板的铺设质量 。因此，在防水板铺设工艺上，都是采用机械铺设的方法。此外也在试验确保隧道防水性能的新工艺。 对防水板的铺设要求： 要与初期支护密贴，不留有空隙； 也要与二次衬砌密贴，不留有空隙。 防水板铺设工艺的改善 为了解决防水问题，一个最切实可行的方法，就是从改善防水板的铺设工艺着手。目前我们采用的人工铺设方法，很难避免对防水板的损伤，而且工艺复杂、费时、费力。最近，我们收集到日本的几个专利和日本 “ 矿山法隧道防水指南 ” ，说的都是防水板机械铺设方法。这些铺设机械的构造并不复杂，那个工程局都有条件制造。 山岭隧道的防水方法，一般是采用在喷混凝土和衬砌间设置防水板的方法。但因喷混凝土的表面多数凹凸不平，铺设防水板时，为适应凹凸表面要考虑有适当地富余。如果富余不足或过于富余，防水板会发生拉伸或挠曲，其结果会妨碍混凝土的充填。为此。在山岭隧道衬砌施工中，强烈要求开发不妨碍混凝土的充填，而且与喷混凝土密着的防水构造。 新的铺设方法 试验施工是：把通常 1.5m 宽的防水板在工厂加工成宽 6.0m （长跨）的防水板。沿 专用的活动模板台车 的外周将防水板展开，并设置在规定的位置固定好，向防水板和喷混凝土间的 灌注回填的充填材 。之后，组立钢筋、灌注混凝土。 向防水板和喷混凝土间压注的充填材是用盾构隧道的经过改良的充填材。在洞外设置压注设备，最大压送 450m 。从洞外分别压送固化的 A 液和 B 液，在压注地点前混合，在左右侧上部、肩部和拱顶 5 处设压注管，从下向上依次压注。 下面是展开防水板专用的活动模板构造。 铺设机械 图中 9 ：防水板 14 ：拱形钢轨 10 围岩 11 ：初期支护 13 ：升降装置 12 ：台车 五、防止二次衬砌的初期开裂 后果 · 可能成为渗漏水的通道； · 在列车高速运行的条件下，可能引发混凝土掉块； · 影响混凝土的耐久性能。 温度收缩及干燥收缩而产生的开裂模式 模式 ①的开裂易在拱顶部附近及拱下部范围内发生，大约沿隧道纵向呈直线分布。 模式②的开裂是与隧道纵向成直角方向分布的，易在起拱线和变断面处附近，几乎以规则的间隔产生的，但也有沿隧道全周发生的。 模式③是在施工缝附近，沿隧道纵向发生的，长度比较短，间隔规则。 模式④是随机方向的开裂或呈龟甲状或网目状分布，易于在拱部发生。 这些模式的开裂，也有贯通整个衬砌厚度的。在模式④的开裂中，有与游离石灰不同的胶状物析出时，可能怀疑是碱性骨料反应所致。 这些开裂都是伴随温度收缩和干燥收缩而产生的。但几乎都达不到显著损伤衬砌功能的程度，如有贯通的开裂从防水和耐久性角度看，或形成 3 维交差的开裂有可能掉块的场合，就应该采取对策。 施工方法 产生的开裂模式 模式⑤的开裂是在施工缝附近，沿已灌注好的混凝土的上部的模板接触面，因安装或拆除模板时的过大压力而发生的。 模式⑥是在盾构衬砌中发生的。 模式⑦的开裂是沿水平方向或混凝土流的方向分布的，易在捣固难的拱上半部，在灌注中断的界面上发生的。 模式⑧是在混凝土表面不易发现而在断面内部的局部发生的，是因模板下沉或模板与混凝土附着不良等原因造成的。 措施 1 、最基本的措施是：从控制原材料上着手；如： （ 1 ）在获得需要品质混凝土的范围内，应尽可能地采用水化热小的水泥。 （ 2 ）为减少开裂采用混合材时，应确保其品质。 （ 3 ）混凝土配比在确保所要求性能的范围内，应尽可能地减少单位水泥量和单位水量。 2 、在因温度应力而发生开裂成为严重问题的场合，应根据条件，采取措施使混凝土构件内外的温度差不要过大，使构件的温度下降速度和干燥收缩不要过大。如在隧道洞口设置养生门或在灌注区间的前后覆盖养生板等，尽量使混凝土温度缓慢地接近外气温，并使混凝土构件内外的温度差不要过大。 3 、 混凝土灌注长度大的时候，应在隧道轴向或纵向设置开裂诱发缝。 4 、即使衬砌混凝土发生开裂，但没有扩大到有害的宽度，对衬砌的功能的影响是不大的。为了控制开裂宽度，应采用钢筋、钢纤维和耐腐蚀性好的尼龙纤维、聚丙烯纤维等短纤维混入混凝土中，是比较有效的，但其配比和强度特性等应通过试验等确认。 5 、衬砌混凝土发生的开裂成并和的状态后，该部分剥落的可能性很大。次现象是由多种原因产生的，预测发生的场所也比较困难。因此，只能在比较大的范围内扑捉局部的剥落，而且最好在衬砌混凝土的曲面设置紧密附着的格子状的补强材，剥落部的质量不太大时，格子状补强材的补强效果及较小的补强面积就能够充分发挥作用。要研究补强材的施工方法不会对混凝土灌注产生不良影响。 6 、为防止安装模板时灌注周边发生的开裂，在灌注部应设施工缝。即，在已灌注混凝土与模板重叠部分设比缝深度大些的橡胶和发泡苯乙烯或海绵等接缝材充当模板，就能够防止已灌注混凝土端部受到过大的荷载作用。 7 、适当缩短混凝土一次浇注长度，也能够对减少初期开裂起到一定作用 第五节 几种施工设备 防水板作业台架钢筋工作架衬砌台车钢支撑架设机自动喷浆机单臂掘进机管棚钻机工作平台车仰拱栈桥 铣挖机 新型凿岩台车 第二部分结束 谢谢大家 第三部分 施工工法介绍 一、 隧道防水板无钉铺设 工 法 1 工法介绍 1 .1 工法特点 本工法是采用无钉铺设技术，隧道内全部防水板没有一个孔眼，焊缝密实，不渗漏水；采用先铺防冲垫层，安 装特制垫片，然后将防水板热合固定其上，防水板没有一个穿孔；防水板搭接焊缝，采用新型 自动焊机进行焊接，焊缝密实，强度高，质量优。此法解决了有钉铺设的渗漏问题。 本工法工序简单 、设备轻巧 、易于操作 、工效高，成本低。选择的防水板材，价格较低，重量轻，可操作性强，力学性能好。 1 . 2 适用范围 本工法适用于铁路隧道 、公路隧道 、地铁 、水电水利引水隧道等地下工程。 1 .3 工 艺原理 防水板在铺设过程中，找平喷砼基面，对基面水采取堵排措施，加铺冲垫层，从而使防水板具有良好铺设条件。 采用无钉铺设技术，无任何孔眼穿透防水板，采用自动焊机使焊缝密封性好、强度高，以确保防水板整体性 、完整性 、防水性。 由于不透水、表面光滑的防水板在初期支护喷射砼和二次衬砌模注之间，起到消除或减弱初期支护喷砼和二次衬砼的约束，使其 自由变形或约束力减小，所产生的拉应力小于砼的抗拉强度，二次模注砼就不会产生裂缝，使隧道整体防水性得以保证和发挥。具体工艺流程，如图 1 所示。 1 . 4 施工前准备 在采用无钉铺设工法铺设防水板前 ，须做好以下几项准备工作。 ( 1 ) 了解掌握隧道衬砌结构防水设计； ( 2 ) 隧道地质与水文地质资料与调查； ( 3 ) 准备防水板 、土工布及配件材料并 测定其性能 ： ( 4 ) 准备安装、焊接防水板机具；找平喷砼基面： 凡基 面 凹 处 在 1 0 c m 以上者，用 1 ： 2 . 5 水 泥 砂浆抹填， 凸处凿平； 矢高与弦长之比小 于 1 ： 6 ； 锚 头 、钉 头 、网筋头、钢支护凸出者割除与基面平 ，并用砂浆抹盖； 隧道断面变化或转弯时的阴角应抹成 R> 5 c m 的圆弧； ( 5 ) 基面不得有明水，应在喷砼前注浆封堵；喷射砼后如仍有明水应铺设 P E 2 3 0 盲沟板， 及横、 纵排水 T s 弹塑性排水软管， 将明水引入隧道排水沟； ( 6 ) 铺防冲垫层： 垫层材料用土工布或泡沫塑料。用特制黑色 φ 7 0 mm 热塑性塑料圆环带槽形垫片敷其上， 用电钻打眼钢钉膨胀环固定， 间距拱部 0 . 5—0 . 7 m ， 边墙 1 . 0— 1 . 2 m 。凸凹处适当增加固定点， 且能较易控制钉头不超出塑料圆垫圈平面不致顶破防水板， 这样土工布永久被固定在垫片下， 如图 2 所示。 ( 7 ) 铺 L D P E 防水板 ： 标出土工布拱顶中线 ， 防水板横向中线与拱顶中线一致 ， 从拱顶向两拱脚 、 边墙对称铺设。用热风塑料焊枪或专用电加热压焊器把防水板热合固定于黑色 φ 7 0 圆垫片上， 一般 1 0 余秒即可焊接牢固， 整个防水板无一穿孔。防水板间环向搭接采用 自动焊机， 使两板热熔连接， 搭接长度 1 0 0 m m ， 焊成双焊缝， 每条焊缝 1 0 m m ， 中间有一宽腔可用于充分检查焊缝的严密性， 如图 3 所示。检查每环防水板是否有漏缝虚缝及孔眼， 如有 ， 可对焊缝补焊， 对孔眼加设圆形 φ 7 0 以上防水板补钉进行复盖焊补； ( 8 ) 防水板安装完成后， 即可进行二衬砼灌注。 1 . 5 质量控制 本工法除了应执行 《 铁路隧道施工技术规范 》 以及 《 铁路新奥法指南 》 等有关规定外， 还应作到以下几点。 ( 1 ) 防水板精心施工后， 仍需进行检查 ， 有破损处 ， 应做出明显的记号与记录， 以便不遗漏地补修好； 用打补钉的方法焊补破损处， 补钉要剪成圆形， 补钉不得过小， 离破坏孔边缘不得小于 7 c m ； ( 2 ) 在每 1 0 0 m 焊缝长度内， 随机抽取一条 2 ． 0 m 以上焊缝， 将带有仪表的针头扎入两道焊缝之间， 然后加压 到 0 .1 MP a ， 保持 2 mi n ， 压降不大于 2 0 ％为合格。若不合格， 焊缝要加焊一次； ( 3 ) 防水板检查合格后， 要十分注意保护好防水板完整性， 即在二衬砼施工中不被破损。 1.6 安全生产 本工法执行 《 铁路施工安全规则 》( T B J 4 0 4--8 7 ) ， 特别是有关隧道施工安全生产规则。还应注意下列各点。 ( 1 ) 洞内工作面窄小， 施土人员较多， 工序作业交叉进行，进行挂板作业时应预防与其它作业干扰而产生的安全隐患； ( 2 ) 安全用电， 防止电缆打结 、 破损， 漏电伤人， 对工作面有明水地段 ， 操作手持电器， 要安装漏电保护器和人身安全防护设施 ， 确保人身安全； ( 3 ) 施工人员一律戴安全帽， 防止防水板配件堕落伤人。防水板材体积大， 重量较重， 抬运、 上架、 铺设时， 要集中精神， 统一指挥。 第二节 大管棚与小导管 由于隧道的地质情况各有千秋 ， 软弱地质也各具特色，设计单位为了保证工程安全，也尽量采用保守设计 ，在软弱地质的超前支护 中大多采用大管棚方案。从实践来看 ，大管棚支 护能 达到设计效果 ，但是成本较高 。而采用注浆小导管超前支护 ， 操作简便 ， 成本较省， 支护效果也能达到设计要求 。 1 管棚的施工设计 管棚适用于特殊 困难 地段 ， 如极破碎岩体 、 塌方体 、 岩堆等地段 ， 但 一般来说 。隧道选址在塌方体和岩堆地段较少， 管棚设计普遍应用于 V 、 Ⅵ 级围岩以及偏压严重和浅埋的较弱地质的加固支护。 1 . 1 管棚设计 常用的管棚采用直径为 φ l 0 8 mm 、 壁厚 6 m m 的无缝钢管制成， 管壁上 留注浆孔 ， 孔 径 1 0 m m ， 孔 距 5 0 c m ， 呈梅花型布置 ， 尾部 1 ～ 2 m 不钻孔 作为止浆段。 钢管中心间距 为 3 0 ～ 5 0 c m ，距 开挖轮廓线 3 0 ～ 5 0 c m ， 外插角一般 为 1 ° ～ 2 ° 左右 ， 管棚钻孔孔 位的准确性直接影响到管棚支护作用的发挥程度 ， 设置管棚套拱可很大程度地控制孔 位的准确性 ， 管棚衬套采用钢筋混凝土现浇而成 ， 厚度为 4 0 ～ 5 0 c m ，长度 2 c m ， 孔位按管棚设计要求预留。 钻孔的孔径不宜过小 ， 钢管周围要有足够空间以满足钢管的放置和注浆要求 ， 对于 φ l 0 8 m m 的管棚 ， 根据岩石的破碎程度 ， 孔径一般选用 1 3 0 ～ 1 5 0 mm 。 2 .2 注浆设计 注浆是管棚施工的一个重要环节 ， 注浆 材料可采作水泥砂浆或水泥 一水玻璃双液浆。参考参数： ( 1 ) 配合比： 水泥砂浆重量比为 1 ： 2 ， 水灰比： 0 . 6 ～ 0 . 8 水泥～ 水玻璃浆体积比为 1 ： 0 . 5 ， 水灰比： 0 .6 ～ 1 .0 ( 2 ) 注浆终压 ： 2 . 0 MP a ( 3 ) 浆液扩散 半径 ： R=( 0 . 6—0 .7 ) b 。 ( 其 中 b 。为钢管 中心间距 ， b 。大时取小值 ， b 。小时取大值 ) 。 ( 4 ) 单根钢 管注浆 量 ： Q= 丌 ×R 2 ×L+ 丌 ×( R k 2 一 R 2 )×L×η 一丌 ( r 2 一 r 0 2 )×L 式 中： R 为钻孔半径 ， L 为钢管 长度 ， R k 为扩散半径， η 为岩体孔隙率， r 为钢管外半径， r 0 为钢 管内半径。 2. 3 加固原理 管棚加固支 护的作用原理是通过对带有预 留注浆孔的钢管进行注浆， 将水泥浆液压入周边岩体缝隙， 加固岩体， 经过注浆的管 棚刚度 大， 强度高 ，不但可承受纵向的不均匀应力 ， 同时与周边经加 固 的岩体共同形成一个坚固的承载体 ， 管棚沿开挖轮廓线外侧均匀布置好 以后， 各承载体连在一起 ， 形成一个环形承载拱， 保证拱 内开挖 的稳定性 。 2 . 4 施工注意事项 ( 1 ) 孔位要准确。进洞 口山体坡面开挖力求平整， 孔位放样准确， 钻头在相对平整的坡面进孔， 如开始位置为夹泥砂带时， 可适当移动位置， 但移动范围不能超过设计孔距的 1 ／ 2 。仰角放样务必准确， 钻孔平台基础不能出现松动或沉降现象 ， 且尽量水平。 ( 2 ) 合理控制钻孔速度 。正常钻孔时应保持匀速 ， 如钻头遇到夹泥砂层时， 应控制钻进速度 ， 避免发生夹钻现象。 ( 3 ) 及时安插 钢管。成孔后及时清 孔， 清孔必须彻底 ， 避免破碎层 的岩石掉入孔中影 响插管 ， 清孔后及时安插钢管 ， 不能停顿 ， 避免出现塌孔现象。 ( 4 ) 控制注浆压力。注浆 压力逐 步升高， 达到 2 . 0 M P a 时， 持续稳定 5 分钟时间，可停止注浆， 并及时封堵注浆口。在注浆过程中如出现压力突然升高现象时， 可能发生堵管， 应停机检查。在压浆过程中， 根据压力升高的速度适当调整水泥砂浆的水灰比。 2 . 5 管棚支护的缺点 由于钻杆和钻头的自重 , 在钻到一定长度 时，钻头 自然下垂 ， 在孔深超过 1 0 m 以后 ， 如果钻 头遇见孤石或不均匀地质． 钻机将无法控制钻头方 向，钻头逐渐偏离原来的轨迹， 再加上工人在操作过程的疏忽 ， 在实践中经常看到管棚穿越开挖线现 象，这样管棚进入一定深 度以后将不在原设计的同一 环线上 ， 甚至存在缺 口， 也就起不 到环形承载拱的作用。另外 ， 两组管棚连接处工作室长需 2 m 左 右，断面扩大 5 0 c m 以上 ， 施工期间将会影响原来 的围岩压力结构 ， 增 加围岩 自身负担 ， 围岩压力 ： q =0. 4 5×2 6-s r×ω ， 式 中 s 为 围岩类别 ， r 为围岩容重， ω 为宽度影响系数 ， ω=1+i (B 一 5 ) ， 以上公式表明 q 随着宽度 B 的增加 而增加。 3 . 1 小导管设计 小导管支护的加固原理与管棚支护原理相似 ，小导管沿开挖轮廓线外侧承环形布设 ， 达到环形承载拱的作用 。 现场加工小钢管，喷射砼封闭岩面，钻孔台车或风动凿岩机钻孔，并用钻孔台车或风动凿岩机的顶推力将小导管推送入孔，测斜仪控制钻孔角度，注浆泵压注水泥浆。 小导管一般选用 φ 42 ～ φ48 m m 的热轨钢管 ， 壁厚 3 m m ， 长度 3 ～ 5 m ， 环 向间距 3 0 m m ， 外插角 7 ° ～ 1 0 ° ， 管壁每隔 1 0 ～ 2 0 c m 交错钻眼 ， 眼孔直径 6 ～ 8 m m ， 钻孔 直径 6 cm ， 纵向两组小导管 间应有不小于 1 0 0 c m 的水平搭接 长度 。 在加固断层破碎带时， 孔位根据断层情况局部布设。 3 . 2 注浆参数 ( 1 ) 注浆材料及配合 比： 一般采用水泥砂浆或水泥 ～水玻璃浆液 ， 水灰比为 0 . 6 ～ 0 . 8 为宜 ， 根据围岩缝隙间的含水量调整控制 ， 水泥砂浆水泥与砂浆重量比为 1 ： 2 左右 ， 水泥与水玻璃的体积比为 1 ： 0 . 5 。 ( 2 ) 注浆压力 ： 1 .0 MP a 。 ( 3 ) 浆液扩散半径 ： R k =0 . 7 b 。 ( b 。为导管 中心间距 ) ( 4 ) 单根导管的浆液注入量 式中 R 为钻孔半径， R K 为浆液扩散半径， L 为导管长度， η 为岩体孔隙率， 导管本身体积可忽略不计。 3 . 3 小导管施工的特点 相对大管棚而言， 由于小导管管长只有 5 m 左右，孔径小， 可用空压机钻孔， 利用洞身开挖的钻孔设备，只需更换钻头， 施工灵活方便， 而且钻孔位轨迹准确，施工期短， 在实践中基本达到设计的加固效果。 4 管棚和小导管的综合设计 根据上述对管棚和小 导管特点的分析 ， 管棚的加固效果优于小导管， 但管棚长度较大时， 施工 中很难达到理想的设计加固效果， 而小导管则在施工中容易控制， 可 以达到预期 的加 固效果， 因此 ， 对于一般的 V 、 Ⅵ 级围岩的加固， 进洞 1 5 ～ 2 0 延米范围内采用管棚加固， 因为进洞开挖时更容易出现塌方现象，大管棚的作用尤为明显， 对地质很差 的 Ⅵ 级围岩 ， 进洞时应采用两环大管棚 ， 两环大管棚交叉布置， 竖向间距以 3 0 c m 为宜， 而洞内部分根据地质情况合理采用小导管加固， 可起到同样的效果， 详见图 1 。 对于风化程度很严重的围岩， 小导管支护可采用两环或三环小导管 ， 多环小导管采用交叉布孔， 上下层小导管竖向间距为 1 0 c m 左右， 第一层小导管距开挖轮廓线 5 ～ 1 0 c m 。为了保证钻孔有足够空间， 洞身开挖时， 根据实地情况适当扩大断面 1 0 ～ 2 0 cm ， 见图 2 。 矿山法施工隧道 矿山法施工隧道 分部开挖（上下导坑法）步骤