隧道工程第六章隧道施工方法(1)

内容回顾,经验法（1）深埋隧道围岩松动压力的确定方法,单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式：,单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力公式：,公路隧道围岩压力计算方法,hq等效荷载高度值（坍落拱高度），m；S围岩级别，如III级围岩S=3；围岩容重，kN/m3；宽度影响系数，由 1+ i（B-5）计算。B 坑道宽度，m； i B每增加1m时的围岩压力增减率（以B=5为基准），当 B5m时，取 i =0.2；当 B5m时，取i =0.1。, 适用条件H/B < 1.7， 式中H为隧道高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。,围岩的水平均布压力e 的确定，按下表中的经验公式计算：,（2）浅埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道埋深不大时，地层多为松散堆积物，开挖的影响将波及到地表，无法形成“天然拱”。, 铁路隧道设计规范推荐（土柱法），隧道埋深h hq等效荷载高度时，因覆盖岩层薄，滑动面上阻力小，偏于安全地忽略摩擦阻力，则围岩垂直均布压力： q =h式中：上覆围岩容重， kN/m3 ；h 隧道埋深，隧道顶至地面的距离，m。,围岩水平均布压力e按郎金公式计算：,隧道工程的计算模型根据实际环境和边界条件如何简化对计算结果影响非常重要。,结构力学模型（荷载结构模型、作用反作用模型）松弛（动）荷载理论 将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，以计算衬砌在荷载作用下的内力和变形的方法。岩体力学模型 （围岩结构模型、复合整体模型、收敛约束模型）现代围岩共同承载理论 将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并据以验算地层的稳定性和进行构件截面设计。,2、隧道衬砌受力变形特点,弹性抗力：由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。围岩对衬砌变形起双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形，又产生被动压力阻止衬砌变形。,被动荷载（即围岩的弹性抗力）,局部变形理论：弹性抗力的计算，目前多采用温克尔（E.Winkler）假定为基础的局部变形理论计算。认为围岩是一组各自独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱。应力和变形之间呈线性关系，用围岩弹性抗力系数表示。,支护结构表面某点i的位移（即对应的围岩表面某点的压缩变形），m。 在该点处围岩和结构相互作用的反力，kPa。 K围岩的弹性反力系数，kN/m3。,共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。,6,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG,第六章 隧道施工方法, 6.1 隧道施工方法概述, 6.2 主要开挖方法, 6.3 新奥法的基本概念, 6.4 岩土控制变形分析工法简介, 6.5 隧道洞口施工, 6.1 隧道施工方法概述,一、 隧道施工基本概念,1.隧道施工 是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施 工管理的总称。 2.隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道施工安全和长期地安全使用。,3.隧道施工方法分类：, 矿山法：因最早应用于矿石开采而得名，它包括传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。 掘进机法：包括隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简写为TBM）法和盾构掘进机法。沉管法、顶进法、明挖法：是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。,明挖法,顶管法,沉管法施工技术：沉埋管段法；悬浮管段法。,西康铁路秦岭隧道线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。,2007年7月26日，在南京地铁二号线汉中门工地，工人们在顺利出洞的盾构机旁挥舞旗帜。,隧道施工工法的对比,4、施工方法选择需要考虑的因素 工程的重要性一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；地质和水文条件 包括围岩级别、地下水及不良地质现象等；围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用； 施工技术条件和机械装备状况实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。, 施工中动力和原材料供应情况； 隧道横断的形状和尺寸 隧道的埋深：隧道的埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，在同样的地质条件下，由于埋深不同，施工方法也有很大差异。 工期：工期决定了在均衡生产的条件下，对应配备的开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。工程投资与运营后的社会效益和经济效益； 有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。,应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，将以采用新奥法为主，这也符合世界潮流。,5、隧道施工技术隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施（如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施）、隧道穿越特殊地质地段时（如膨胀土、黄土、溶洞、塌方、流沙、高地温、岩爆、瓦斯地层等）的施工手段、隧道施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的量测监控方法。,6、隧道施工管理隧道施工管理是以按期完成合同为目的，研究隧道施工管理体系的建立、运行和改进，以及过程的计划（plan）、实施（do）、检查（check）、改进（action）（PDCA循环，又称质量环，是管理学中的通用模型）的方法和程序。 按照管理的对象可以将隧道施工管理分为：人事管理、材料管理、机械管理、技术管理、质量管理、经济管理、安全管理等方面。,二、山岭隧道常规施工方法,又称矿山法，因最早应用于矿石开采而得名，由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。 习惯上将采用钻爆开挖加钢木支撑的施工方法称为“传统的矿山法”，采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称为“矿山法”或“钻爆法”。 1.传统的矿山法 它是凿眼爆破、以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式衬砌作为永久性支护的施工方法。,木构件支撑耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有所扰动，因此，目前已很少采用。 钢构件支撑强度高、刚度大和对坑道形状的适应性好等优点，采用较多但也存在撤换时不完全，若不撤换时成本高，以及与围岩非面接触支撑的缺点。 钢木构件支撑类似于地上的“荷载结构”力学体系。维持坑道稳定很直观和奏效，也容易被施工人员理解和掌握。常被应用于不便采用锚喷支护的现代隧道中或处埋坍方等。 2矿山法 隧道是围岩和支护组成的体系，应充分保护围岩，发挥其自身的承载能力，维护其稳定性；只有充分掌握隧道的围岩条件，才能有合理的隧道设计与施工。,施工手段由人力、小型机械化、半机械化到机械化施工。人力施工指锤、钎、镐、纯人工作业方式；小型机械化系指风动凿岩机钻眼、人力或小型装渣机装渣、人力或电瓶车牵引、小矿车运输、人力或机械搅拌混凝土、人力灌注衬砌的施工模式；半机械化施工系指采用气腿式风动凿岩机或凿岩台车钻眼、轨行铲斗式装渣机装渣、矿车有轨运输或汽车无轨运输等，其主要特点是机械设备配套；机械化施工系指采用以台车钻眼、挖装运机械化作业、喷锚支护机械化作业、混凝土衬砌机械化作业、注浆机械化作业等为特征的施工模式。 施工技术上更加重视施工地质调查工作，超前地质预报的技术更加丰富和有效，光面控制爆破技术获得了广泛应用。喷锚支护技术已成为隧道施工支护的基本方式，实现了在硬岩、软弱破碎围岩、松散砂土等各类围岩中的良好喷锚支护。,在材料方面如ZM型系列早强砂浆锚杆、ZP型早强喷射混凝土新材料，纤维喷射混凝土降低喷射混凝土回弹和粉尘的混凝土增黏剂等；在工艺方面干喷、湿喷混凝土都获得了成功应用。在软弱破碎围岩中，形成了超前支护技术、地层预加固技术，以及多分部和各分部支护及时封闭技术等，这对现代矿山法的技术进步十分重要。, 6.2 新奥法, 6.2.1 新奥法名称由来与产生的历史背景,新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法，即New Austrian Tunneling Method，缩写为NATM，是由奥地利学者L.V.Rabcewiez、L.Muller等教授创建于上世纪五十年代，在1963年正式命名为新奥地利隧道工程方法。它的产生是基于以下背景：,(1) 锚杆支护在20世纪初出现,(2) 喷射混凝土机在20世纪40年代末研制成功,(3) 岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据, 6.2.2 新奥法的基本概念,核心内容是充分发挥围岩的自承能力。,对新奥法的误解,新奥法,以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为开挖方法；,以喷锚作为主要支护手段；,通过监测控制围岩变形，动态修正设计参数和变动施工方法。,把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法,误以为采用了锚喷支护就是新奥法,对施工监控量测不够重视,对新奥法正确认识,新奥法是修建隧道一种基本理论，是包含设计与施工内容的隧道工程新概念。,新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、控制围岩变形、实现发挥围者自承能力的目的。,只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形动态，做到控制变形。,锚杆、喷射混凝土和施工量测是新奥法的三大要素。, 6.2.3 新奥法施工的要点,1) 在隧道的整个支护体系中，围岩是承载结构的一部分，施工中要合理利用围岩的自承能力，保持围岩的稳定；,2) 隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度。,3) 允许围岩有一定的变形，初期支护应尽量做成柔性的，以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载，充分围岩的自身承载作用。,4) 洞室开挖后及时施作初期支护，封闭围岩表面，抑制围岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌，但遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟。,5) 隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件，因此,要尽可能使结构做得圆顺(如做成圆形或椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同时,尽早使衬砌结构闭合(封底)，以形成承载环；,6) 对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可少的一个重要环节，从现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。,7) 对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵措施”予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防水层等。, 6.2.4 新奥法施工方法,1. 全断面法,全断面法全称为“全断面一次开挖法”，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法，即一次钻孔，一次爆破成型、一次初期支护到位，如图6-3所示。,全断面法常适用于III级硬岩的石质隧道，可采用深孔爆破施工。IV 级满足从开挖到初支时间内自身稳定也可以采用。,开挖断面一次成型,三臂凿岩台车开挖,适用条件 全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。根据经验，这个长度不应小于1km。,