高速铁路隧道工程技术

隧道施工技术 客运专线隧道的特点客运专线线上的隧道不同于一般的铁路隧道，当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问题，主要表现为空气动力效应所产生的新特点及现象。为了降低及缓解空气动力学效应，除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空面积及在洞口增设缓冲结构；另外还有其它辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。为了降低隧道的空气动力效应，增大隧道有效净空面积是较好的结构工程措施，也是当前世界各国高速铁路发展的总趋势。 客运专线隧道的特点客运专线线隧道的横断面较大，隧道受力和衬砌混凝土的地质环境复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，对隧道衬砌的安全性、耐久性和抗渗防水性、抗冻性性能要求提高。对耐久性、等耐久性指标应严格控制。复合衬砌和整体式衬砌比喷锚衬砌安全，且永久性好，故永久性衬砌一般不采用喷锚衬砌。目前，世界隧道界对喷锚衬砌做为永久性衬砌尚有不同看法，随着对喷锚技术的不断深入研究和技术质量的不断提高，喷锚衬砌的应用也会更加广泛。但在目前情况下，特别在高速铁路隧道中仍不宜采用喷锚衬砌。 客运专线隧道的特点大断面隧道的受力情况不利，尤以隧道底部较为复杂，隧道拱脚和边墙脚处的应力集中更严重，需要对边墙底与仰拱连接处进行加强，并要求有更高的围岩强度或更好的地基承载力。 客运专线隧道的特点隧底结构由于在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养护维修工作量，而且严重影响运营安全，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高速铁路隧道的断面跨度较大，因此要求高速铁路对底板厚度和仰拱、底板混凝土强度要求提高。 客运专线隧道的特点除围岩的整体性外，围岩自身强度对客运专线大断面隧道施工方法的确定、隧道的稳定与安全有较大影响。开挖后，隧道周边围岩出现更大范围的塑性化和更大的变形，围岩自稳所要求的围岩强度更高。产生拱作用要求的埋深更深，浅埋隧道的松弛压力更大，浅埋隧道的辅助施工措施要求更强。隧道拱顶更不稳定，拱顶围岩存在拉应力区，拱顶岩块崩塌的可能性更大 客运专线隧道的特点隧道渗漏水的危害主要会引起洞内金属设备及钢轨锈蚀、隧道衬砌丧失承载力、隧底翻浆冒泥破坏道床或使整体道床下沉开裂、有冻害地区的隧道衬砌背后积水引起衬砌冻胀开裂、衬砌漏水会引起衬砌挂冰而侵人净空。从运营安全上对隧道防排水要求提高。 客运专线隧道的特点为减低养护维修工作量、保障运营安全对隧道病害的监测、诊断及评定、整治技术需求。 隧道施工 隧道施工关键控制点•1以确定合理的初期支护参数、控制塌方，保证隧道施工经济合理、结构安全。•2以隧道防排水施工达到预期目的、不产生渗漏水现象保证营运安全。•3以隧道净空、宽度、平面和纵面指标满足设计、施工规范要求，保证工程外观及内在质量。 新奥法概念新奥法是六十年代奥地利专家腊布希维兹总结前人在隧道施工中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。1948年提出，并于1962年奥地利第八届土力学会议（萨尔茨堡）得到正式命名的隧道施工方法。新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。 新奥法概念•奥地利国家地下空间委员会1980年提出的新奥法“定义”：“新奥地利隧道修建方法(简称新奥法)遵循这样一个原理，即通过发挥(activation)围岩承载环的主动作用，使围岩(岩土体)成为承载结构”。•同普氏理论用围岩最终形成的天然平衡拱来描述围岩的自承能力不同，新奥法强调可以主动地通过恰当的围岩支护手段来激发围岩的承载能力，将围岩组织成“承载环“。新奥法概念的提出确实促进了传统的隧道修建技术从设计到施工的全面革新。 新奥法概念2000版《中国土木工程指南》第八篇隧道及地下工程中是这样定义和诠释“新奥法”的：“当隧道埋深超过一定限度后，常用暗挖法施工。暗挖法最初采用传统的矿山法。20世纪中叶创造了新奥法，此法尽量利用围岩的自承能力，用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布，使达到新的平衡，目前已用于修建各种用途的隧道。”“新奧法施工的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，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。”这些文字应该是对新奥法比较权威的注解。 新奥法遵循原则（1）应当考虑岩体的力学特性。（2）应当在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力应变状态。（3）为使围岩形成力学上十分稳定的支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构。（4）由现场量测监控围岩动态。 新奥法与喷锚支护的关系喷锚支护只是一种支护手段，并且新奥法中的喷锚支护手段在理论上也有它自己的独立体系。从理论上讲，隧道力学理论分成两个体系。一是松动压学派，一是粘、弹、塑性理论学派。松动压学派是以研究作用于隧道支护结构上的荷载---松动压为中心来解决支护结构设计问题的。粘、弹、塑性理论学派是以研究围岩中应力再分配为中心来解决隧道支护结构设计问题的。新奥法理论属于粘、弹、塑性理论学派的第二分支，因此，没有松动压的概念。 新奥法所使用的支护手段新奥法所使用的支护手段中，除了喷锚支护外，还有钢拱支架、U型可缩性支架、钢筋网、二次模注砼等，在特殊情况下，还要配合使用注浆加固、冻结加固等特殊手段，并且这些支护手段的最终目的是约束围岩变位，使围岩和支护结构共同形成支承结构。另外，新奥法构筑支护手段的时间效应和空间效应对形成支承环结构、保障围岩稳定有很重要的意义。施工经验表明，采用喷锚支护如果忽视时间效应和空间效应，不仅达不到预期效果，甚至会造成工程事故。 挪威法介绍NTM：NorwegianMethodofTunneling）简单地说就是由正确的围岩评价、合理的支护参数和高性能的支护材料三部分组成的一种经济而安全的隧道施工方法，它适用于公路隧道、铁路隧道、水工隧洞及大型地下工程。 挪威法介绍正确的围岩评价体系主要是采用Q系统。即用巴顿法进行围岩分级。而合理的隧道支护结构参数，是通过隧道施工中的观测和量测记录所求出的Q值来选择的，其中包括各种支护结构体系的数值解析检算。 挪威法介绍在支护体系上的最大特点是把一次支护作为水久衬砌，只是在运营后，如果有涌水、冰霜等危害的情况下，才修筑二次衬砌。通常一次支护是采用高质量（40～50MPa）的湿喷钢纤维混凝土和全长粘结型高拉力耐腐蚀的锚杆，而湿喷钢纤维混凝土的回弹量很小，通常仅为4％～6％。 挪威法介绍Q系统：Q值围岩评价法是70年代初（1974年），由巴顿（N.Barton）等人提出来的一种隧道围岩分级方法。在欧洲各国应用较广。虽然近二十几年隧道的支护技术有了很大的发展，特别是高质量的钢纤维混凝土的开发，并在隧道中得到了广泛的应用，但作为挪威法基本特征之一的Q系统隧道围岩评价法变化却不大，仅仅对岩体应力变量SRF进行了修正（1993年），即SRF考虑了埋深增加时的岩爆及软岩的膨胀性。 挪威法介绍Q值隧道围岩分级体系：1.将围岩分为6级(O.001～1000)2.岩体的变形系数分为3级（O.05～50GPa）3.抗剪强度分为2级(0.1～20MPa)。 挪威法介绍QRQDJrJwJJSRFnaRQD为岩石质量指标，Jn为节理组数，Jr为节理粗糙度系数，Ja为节理蚀变系数，Jw为裂隙水降低系数，SRF为应力降低系数。 挪威法介绍QRQDJrJwJJSRFna•第一个商数(RQD/Jn)代表岩体的结构，也是岩块大小和由不同节理组形成的楔形岩块大小的一个量值。•第二个商数(Jr/Ja)代表节理壁或充填料的粗糙度和摩擦特点。 挪威法介绍QRQDJrJwJJSRFna参数SRF是衡量以下这些项目的一个量值：(1)在开挖通过剪切带和含粘土挤压岩层情况下的松散荷载；(2)稳固岩层中的岩石应力；(3)塑性不稳固岩层中的挤压荷载。 挪威法介绍当以上的6个参数确定以后，就可以根据该式计算出Q值，由Q值就可确定围岩等级。根据围岩的等级就可决定隧道支护的规模和水准，N.Barton等人(1974年)最初提出的Q系统，支护主要是采用加网喷混凝土S(mr)。1978年以后,钢纤维喷混凝土S(Fr)已作为商品投入使用，到1984年已完全代替S(mr)。 挪威法介绍Q系统的经验支护设计N.Barton等人根据近l250个永久地下结构物的施工记录整理结果给出了经验设计方法，该方法是通过一张综合考虑各因素的图来选择隧道支护参数。该图的横轴是Q值，围岩类别示于图的上侧，纵轴表示隧道的宽度或高度被表示安全系数的ESR除之的量S。 挪威法介绍Q系统的支护设计卡(1993) 挪威法介绍•根据横轴Q和纵轴S的数值，将这张图划分成9个不同类型的支护区。•实际应用时，当我们决定了Q值和S值后，即可由Q值和S值在图上确定一点，看这一点落在图中的哪个区域，即可确定隧道支护类型。 挪威法介绍NTM和NATM的区别新奥法比较适用于软弱围岩。在软弱围岩中修建隧道，节理和超挖不是主要问题，无论人工或机械开挖，均能形成光滑轮廓，围岩能够形成完整的承载环，利用围岩作隧道的主要承载结构，是新奥法的理论核心，实践中必需做到。因此，新奥法强调围岩监测，根据监测结果决定二次支护施作时间和结构形式。 挪威法介绍NTM和NATM的区别NTM则更适用于硬岩。在硬岩中修建隧道，无论用钻爆法或掘进机开挖，节理和超挖都占主导地位。在此条件下，锚杆调动围岩强度的动力最强。因此，挪威法以锚杆作隧道主要支护手段。由于很可能超挖，因此，不宜使用钢拱架或网构拱架。由于节理充填物引起围岩不均匀，可能引起围岩失稳，因此要求用喷混凝土或喷钢纤维混凝土对系统锚杆补强。 隧道施工方法 施工方法简介•隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。钻爆法仍然是中国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法。客运专线隧道开挖常用的方法有全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑工法。•在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、埋置深度、支护条件、施工条件、环境条件、工期要求、工程量、机械配备能力、施工安全、经济性等相关因素进行综合分析，采用恰当的开挖方法，尤其应与支护条件相适应。 施工方法简介•从工程造价和施工速度考虑，施工方法选择顺序应为：全断面法→正台阶法→台阶设临时仰拱→中隔墙法→交叉中隔墙法→双侧壁导坑法。•从施工安全考虑，顺序正好反过来。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。•在大断面隧道中，单侧壁导坑（小隔壁法）和双侧壁导坑（眼镜法）采用较多，由于施工机械的发展和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。 施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，是最重要最基本的原则。•为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。•变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。 施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。•在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。•要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。减少开挖分部，也就有可能减少因分部过多而引起的围岩内的应力变化和围岩松弛。 施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。•为保证二次衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。•在隧道施工过程中，必须建立设计→施工检验→地质预测→量测反馈→修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。 隧道施工全断面开挖法•全断面开挖法是指将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。•全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，施工操作比较简单，便于施工组织和管理，较分部开挖法减少了爆破震动次数。但由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每个循环工作量较大，每次深孔爆破引起的震动较大，因此要求具有较强的开挖、出渣能力和相应的支护能力。 隧道施工全断面开挖法•有较大的断面进尺比（即开挖断面面积与掘进进尺之比），可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数较少，有利于围岩的稳定，但每次爆破震动强度却较大，要求进行严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。•全断面法一次开挖成形，开挖跨度较大，高度较高，隧道周边围岩出现更大范围的塑性化和更大的变形，隧道拱脚和墙脚处的应力集中更严重，隧道拱顶更不稳定，围岩自稳所要求的围岩自身强度较高。 隧道施工全断面开挖法•对于硬岩隧道，由于其自身强度一般比较高，所以围岩自身强度并不是影响隧道稳定与安全的决定因素，可通过采取超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前预加固，从而提高围岩的整体性。对于软岩隧道，由于其自身强度一般偏低，各种超前预加固措施对于围岩自身强度提高幅度有限，自身强度往往成为影响隧道稳定与安全的控制因素。 隧道施工全断面开挖法•全断面法主要适用于Ⅰ～Ⅲ级硬岩地层和Ⅱ级软岩地层。对于Ⅳ级硬岩地层，在采取超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施加固后，也可采用全断面法施工，但应根据具体围岩情况适当缩短开挖进尺。浅埋段、偏压段和洞口段不宜采用全断面法开挖。 隧道施工•台阶开挖法•台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，具有上下断面两个工作面或多个工作面，分步开挖。其优点是灵活多变、适用性强，有足够的作业空间和较快的施工速度，能较早地使支护闭合，有利于开挖面的稳定性和控制其结构变形及由此引起的地面沉降。缺点是上下部作业有互相干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。 隧道施工•台阶开挖法•台阶法适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩地层和洞口段、偏压段、浅埋段的Ⅰ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅱ、Ⅲ级软岩地层，但应视具体情况采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固，并根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。•根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔墙台阶法等。 隧道施工•台阶开挖法•①正台阶上下两部分步开挖法•将断面分成上下两个台阶开挖，上台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构。若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。•一般采用人工和机械混合开挖法，即上半断面采用人工开挖、机械出碴，下半断面采用机械开挖出、机械出碴。有时为解决上半断面出碴对下半断面的影响，可采用皮带运输机将上半断面的碴土送到下半断面的运输车中。 隧道施工•台阶开挖法•②正台阶分步开挖留核心土法•该法适用于较差的地层，上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土，用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面，用网构钢拱架做初期支护，拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。•当隧道断面较高时，可以分多层台阶法开挖，但台阶长度不允许超过1.5倍洞径。 隧道施工•台阶开挖法•③中隔墙台阶法开挖•当工作面地层自稳能力较差，上台阶开挖后拱脚支撑在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时，可采用中隔墙台阶法（通常配合临时仰拱使用）。通过中隔墙的分载作用，减轻两侧拱脚的压力，降低地表沉陷值，以确保施工安全。•采用中隔墙台阶法开挖时，上台阶开挖长度一般控制在1.5倍洞径内，并辅之以超前小导管注浆加固地层，留核心土环形开挖等措施。由于中隔墙的限制，一般上台阶采用人工开挖，人工出碴至下台阶，下台阶采用机械开挖、机械出碴。 隧道施工•台阶开挖法——中隔墙台阶法施工示意 隧道施工•台阶开挖法•台阶开挖时应注意台阶长度要适当。选用长台阶还是短台阶、微台阶，应根据两个条件来确定：其一是初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要求愈短；其二是上半断面施工时开挖、支护、出渣等机械设备所需的空间大小的要求。还应注意解决好上、下半断面作业的相互干扰问题，尤其是短台阶干扰较大，要注意作业组织，对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工。下部开挖时，应注意上部的稳定，若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖，若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺，若稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。 隧道施工•单侧壁导坑法•单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定距离，再开挖隧道断面剩余部分，变大跨断面为小跨断面的隧道开挖方法。•单侧壁导坑法主要适用于地层较差、断面较大，采用台阶法开挖有困难的，可采用人工配合机械开挖的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层。 隧道施工•单侧壁导坑法•采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合开挖、人工和机械配合出碴。断面剩余部分开挖时，可适当采用控制爆破以免破坏已完成导坑的临时支护。 隧道施工•中隔墙法•中隔墙法也称CD工法(CenterDiaphragm)，是以台阶法为基础，将隧道断面从中间分成左右部分，使上、下台阶左右各分成2或多部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。 隧道施工•中隔墙法•通过隧道断面中部的临时支撑隔墙，将断面跨度一分为二，减小了开挖断面跨度，使断面受力更合理，从而使隧道开挖更安全、可靠。•中隔墙法主要适用于地层较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙。 隧道施工•中隔墙法•采用该法进行隧道开挖时，台阶长度一般为1～1.5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)。先开挖一侧断面的最后一步与后开挖断面的第一步间应拉开1～1.5倍洞径的距离。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。 隧道施工•交叉中隔墙法•交叉中隔墙法也称CRD工法(CrossDiaphragm)。当CD工法仍不能保证围岩稳定和隧道施工安全要求时，可在CD工法的基础上对各分部加设临时仰拱，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环而改进发展的一种工法 隧道施工•交叉中隔墙法•最大特点是将大断面施工化成小段面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期围岩变形，每个步序受力体系完整。施工大量实例资料的统计结果表明，CRD工法比CD工法减少地表下沉近50%。但CRD工法施工工序复杂、隔墙拆除困难、成本较高、进度较慢。•CRD工法各分部间应拉开一定的距离，距离以保证掌子面稳定为准，一般为1～1.5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)，但在能保证掌子面围岩稳定的情况下，可适当缩短距离，以保证操作空间要求。 隧道施工•交叉中隔墙法•CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土及黄土组成的Ⅴ级围岩和软塑状黏性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等。•为了稳定工作面，采用CRD工法施工时，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆、掌子面封闭等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙和临时仰拱。 隧道施工双侧壁导坑法•双侧壁导坑法是双侧壁导坑超前中间台阶法的简称，也称眼镜（睛）工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法。 隧道施工•双侧壁导坑法•双侧壁导洞法以台阶法为基础，将隧道断面分成双侧壁导洞和上、下台阶4部分，将大跨度分成3个小跨度进行作业，其双侧壁导洞尺寸以满足机械设备和施工条件为主确定。•该工法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，钢架连接困难，而且成本较高，进度较慢。 隧道施工•双侧壁导坑法•双侧壁导坑法主要适用于断面很大、地层较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。•采用该法开挖时，双侧壁导坑超前的距离相等或不等。为了稳定工作面，经常和超前预注浆等辅助施工措施配合使用。一般采用人工、机械混合开挖，人工、机械混合出碴。 隧道施工•双侧壁导坑法•施工时，应先开挖两侧的侧壁导洞，在导洞内施工完支护后再开挖上台阶，当隧道跨度大而地层条件较差时，上台阶也可采用中隔墙法或环形留核心土法开挖后并及时施工初期支护结构，在拱、墙的保护下，逐层开挖下台阶至基底，并施工仰拱或底板。施工过程中，左右侧壁导洞错开不小于15m，这是基于在开挖中引起导洞周边围岩应力重新分布不影响已成导洞而确定的。上、下台阶之间的距离，视具体情况，按台阶法确定。 隧道施工双侧壁导坑法 隧道施工双侧壁导坑法 隧道施工•铣挖法•铣挖法是近年来兴起的一种新的施工方法，它通过采用一种叫铣挖机的设备，安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤等通用配置，应用于隧道掘进及轮廓修正的施工方法，适用于各种地质条件。•在中低硬度的岩石如风化岩、凝灰岩中最大可达到25～40m3/h（随岩石的密度、破碎度不同而不同）。可以快速准确的修整构造物轮廓，应用在隧道开挖中，不但可以解决令施工单位头疼的欠挖问题，还进而降低施工单位“宁超勿欠”，所引起的成本增大问题。 隧道施工•预切槽法•机械预切槽法是用专用的预切槽机沿隧道横断面周边预先切割或钻一条有限厚度的沟槽，在硬岩中，切槽可作为爆破的临空面，起爆顺序与传统爆破相反，不是由里向外而是由外向里逐层起爆，这种方法可以显著降低钻爆法施工的爆破振动速度。在松散地层中，切槽后立即向槽内喷入混凝土，在开挖面前方形成一个预筑拱，随后才将切槽所界定的掌子面开挖出来，这样就能有效地减少因掌子面开挖而产生的围岩变形与地表沉降，并使开挖工作能在预筑拱保护下安全高效进行。 隧道施工•台阶七步开挖法•洞身开挖采用台阶七步开挖法施工，是指在隧道开挖过程中，分七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系。 隧道施工台阶七步开挖法11161核心土62633m～5m2363m3m465456仰拱栈桥73m3m3m～8m74m～6m短台阶七步开挖法开挖步序图 隧道施工台阶七步开挖法 监测检测技术 监测检测•对于隧道工程，承载结构变化最直观的就是产生位移，可以利用不同的量测方法和量测仪器得到承载结构位移及内力的变化。通过以往获得大量的承载结构变形及内力量测结果，可以得出承载结构变形及内力变化与承载结构稳定之间的规律。结合已有的工程量测资料，利用类比法可以确定现有承载结构受力变化是否安全。隧道监控量测的实施运用，便是通过种种量测方法得到准确的承载结构变化的相关数据，利用数学方法进行分析，通过类比可以得出一定的结论。量测工作是新奥法构筑隧道非常重要的一环。 监测检测•新奥法量测工作的作用或目的为：掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计，指导施工；预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然；积累资料，为以后的新奥法设计提供类比依据；为确定隧道安全提供可靠的信息；量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以保证施工安全和隧道稳定。 监测检测隧道检测技术的主要内容•按隧道修建过程分，其主要内容包括：材料质量检测、超前支护与预加固围岩施工质量检测、开挖质量检测、初期支护施工质量检测、防排水质量检测、施工监控量测、混凝土衬砌质量检测、通风检测、照明检测等。 监测检测材料检测•隧道工程的常用原材料有：衬砌材料、支护材料、防排水材料。•支护材料包括锚杆、喷射混凝土和钢构件等，防排水材料包括注浆材料、高分子合成卷材、排水管和防水混凝土等。施工质量检测•主要内容包括：超前支护及预加固、开挖、初期支护、防排水和衬砌混凝土质量检测。 监测检测•支护质量主要指锚杆安装质量、喷射混凝土质量和钢构件质量。对于锚杆，施工质量检测的内容有锚杆的间排距、锚杆的长度、锚杆的方向、注浆式锚杆的密实度、锚杆的抗拔力等。对于喷射混凝土，施工中应主要检测其强度、厚度和平整度。对于钢构件，则要检测构件的规格与节间连接、架间距、构件与围岩的接触情况以及与锚杆的连接。此外，对支护背后的回填密实度也要进行探测。其中，用锚杆拉拔仪、扭力扳手等检测锚杆抗拔力，用锚杆质量检测仪、锚杆密实度检测仪检测锚杆砂浆密实度和长度，用凿孔、隧道激光断面仪、摄影机、混凝土测厚仪、地质雷达、超声波检测仪等检测支护结构厚度，用地质雷达、超声波检测仪检测支护结构缺陷及支护结构背后空洞。 监测检测•衬砌混凝土质量检测包括衬砌的几何尺寸、衬砌混凝土强度、混凝土的完整性、混凝土裂缝、衬砌背后的回填密度和衬砌内部钢架、钢筋分布等的检测。其中外观尺寸容易用直尺量测，混凝土强度及其完整性则需用无损探测技术完成，混凝土裂缝可用塞尺等简单方法检测，衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋分布等可采用地质雷达法和钻孔法检测。 监测检测按用途可分类1工程测试：为保证施工过程中隧道的稳定和有效地进行施工控制而必须进行的测试项目。如：隧道拱顶下沉、隧道收敛等。2检验测试：为保证和检验隧道工程质量而进行的测试项目。如：锚杆抗拔力及密实度检测、断面测量、支护结构厚度及缺陷检测等。 监测检测按测试内容分类按测试内容可分为：1围岩状态（包括原岩应力、松弛范围等）测试；2荷载（围岩压力及支护层间压力）测试；3支护结构状态（包括支护结构内力、位移等）测试。 监测检测测试项目及手段测试项目及手段1隧道周边位移及断面：精密水准仪、收敛计、全息摄影机、隧道断面仪。2围岩内部位移：钻孔多点位移计（机械式、电磁式）、地面挠度仪。3浅埋隧道地面沉降：精密水准仪、全断面沉降仪、激光扫平仪。一般用水平仪量测，量测精度±1mm。 监测检测测试项目及手段4原始地应力：水劈裂、应力解除、声发射、钻孔应力（应变、变形）计。5岩体破坏状态：岩体声波测试仪。6超前地质预报：浅层地震仪。7围岩压力及支护层间压力：压力传感器。8支护结构内力：混凝土应变仪（钢弦式、电阻式）。9锚杆轴力：（应变式、钢筋计）量测锚杆。 监测检测测试项目及手段10结构厚度：混凝土测厚仪、地质雷达、超声波检测仪。11结构缺陷及支护结构背后空洞：地质雷达、超声波检测仪。12抗拔力：锚杆拉拔仪。13锚杆砂浆密实度：锚杆密实度检测仪。 监测检测隧道变形量测•隧道变形（位移）是隧道围岩和支护结构力学形态变化最直接最明显的反映，也是影响围岩和支护稳定各因素的综合反映，并且变形也是在工程中最容易获取和最直观的信息，是铁路隧道监控量测的必测项目。 监测检测•地表下沉量测控制要点：•浅埋隧道洞顶地表下沉量测应在隧道尚未开挖前就开始进行，借以获得开挖过程中全位移曲线。测点和拱顶下沉量测布置在同一断面上。测点纵向间距与隧道埋深和开挖宽度有关，横向测点一般布置在4—6倍洞室宽范围，隧道中线附近密些，外侧渐稀，间距为2～5m。在开挖影响范围以外设置2～3个水平基点。 监测检测净空变化量测和拱顶下沉量测控制要点净空变化量测和拱顶下沉量测，应在同一断面上进行。以水平基线量测为主，必要时设置斜基线。对以下情况要调整量测的断面位置、间隔、频率：•a对膨胀性地质，地层长期不稳定时：缩短间隔、增加频率；•b早开挖或迟缓开挖时：调整断面位置、缩短间隔、增加频率；•c隧道的总长发生变化时：调整断面位置、增长或缩短间隔；•d地质良好，且是同样连续时：增长间隔、减少频率；•e地质变化显著时：调整断面位置、增长或缩短间隔、增加或减少频率；•f能很快取得测定值时：增长间隔、减少频率。拱顶下沉量测测点，一般布置在拱中和两侧拱腰，每断面布置三点，当受通风管阻碍或有其他障碍时，可适当移动位置。水准基点一般设在拱顶，选择在围岩稳定地段设置。 监测检测围岩稳定性判别标准•围岩稳定性判别标准问题，不仅同围岩类别以及其他地质因素有关，而且还同施工方法、支护手段等人为因素有关，是比较复杂的。因此，在评价围岩稳定程度时应根据工程的具体情况采用下述三种判别标准综合分析，以确定比较符合实际的标准。 监测检测围岩稳定性判别标准①根据实测位移或预计最终位移值判别：•在隧道开挖过程中若发现量测的位移总量超过某一临界值时，或者根据已回归函数预计最终位移将超过某一临界值时，表明围岩难以稳定，需要加强支护。 监测检测围岩稳定性判别标准②根据位移变化速率判断•位移变化速率大于某临界值时则认为围岩未稳定，反之则认为围岩已经达到基本稳定。可根据工程特点和围岩条件，制定本工程的位移临界变化速率的标准。③根据位移变形加速度判断•变形速率不断下降，表示围岩趋于稳定，支护是安全的；变形速率长时间保持不变，应及时调整施工程序和加强支护系统的刚度和强度；变形速率逐渐增加，表示围岩已达到危险状态，必须立即停工加固。 监测检测量测数据的处理•由于现场量测所得的原始数据，不可避免具有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测试错误，必须进行整理和数学处理：将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确认量测结果的可靠性；探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律、空间分布规律，判定围岩和支护系统稳定状态。 监测检测量测数据的处理•量测数据处理的主要内容包括：①绘制位移、应力、应变随时间变化的曲线——时态曲线；②绘制位移速率、应力速率、应变速率随时间变化的曲线；③绘制位移、应力、应变随开挖面推进变化的曲线——空间曲线；④绘制位移、应力、应变随围岩深度变化的曲线；⑤绘制接触压力、支护结构应力在隧道横断面上的分布图。 监测检测量测数据的处理•由于量测误差所造成的离散性，按实测数据所绘制的位移等物理量随时间或空间变化的散点图上下波动，很不规则，难以用来分析。因此，需要采用数学处理的方法，将实测数据整理成实验曲线或经验公式。•回归分析是目前量测数据处理的主要方法，通过对量测数据回归分析可以预测最终值和各阶段的变化速率。常用的回归曲线方程有：①对数函数，②指数函数，③双曲函数 监测检测关于变形释放•施作柔性的(其实还应该同时强调韧性)初期支护让围岩的变形有所释放的做法，对于初始地应力量值较大、塑性地压显著的深埋隧道是十分有效的。在那种情况下，围岩变形的适度释放，有助于围岩通过应力调整，发挥自承作用，消减作用在衬砌结构上的形变压力。相反地，如果过早地施作刚度较大的二次衬砌，将会降低支护系统的可靠性，甚至造成结构的裂损，这是为国内外一些工程所证实了的。 监测检测关于变形释放•但是绝不能认为，按新奥法原则修建隧道就必须采用柔性支护，让围岩变形释放。对于软弱围岩中的浅埋隧道，地应力量值本来就不大，致使岩体破坏，强度丧失的“临界变形值”比较小。在这种情况下，为了保护和发挥围岩的自承能力，需强调的是围岩变形的控制而不是释放。对于支护系统需强调的是刚性而不是柔性。这也正是在这种具体条件下新奥法原则的体现。 监测检测关于变形释放•在1992年版的“铁路隧道喷锚构筑法技术规则”(TBJl08-92)和1996年版的“铁路隧道施工规范”(TBJ204-96)以及“公路隧道施工规范”(JTJ042-94)中曾有关于二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作的规定，并且将水平收敛速度小于O.2mm／d作为“基本稳定”的一个标志。但是在最近发布的“铁路隧道喷锚构筑法技术规范”(TB10108-2002)及“铁路隧道施工规范”(TB10204-2002)中均删去了此类条文，规定“深埋隧道的二次衬砌一般情况下应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作”，而“浅埋隧道应及早施作二次支护。•事实上，等水平收敛速度小于0.2mm/d才能施作二次支护的规定本来就是从欧洲的高地应力围岩的深埋隧道的施工经验中引用的。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用•1、原理•探地雷达法是根据电磁波在不同介质中传播特性不同的原理进行工作的。由探地雷达天线发出的电磁波,经电性不均匀体反射后,由接收天线接收并被仪器记录。当仪器发出的脉冲，被一不同电阻抗的目标体反射回来后,探地雷达就会同时记录到发射脉冲和目标体反射回来的反射脉冲。被反射回来的脉冲将滞后于发射脉冲一段时间,这个时间是电磁脉冲通过周围介质的速度和目标体的埋藏深度的函数。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用t2h发射的单脉冲信号以时间和振幅的函数记录下来,称之为一次扫描。当天线沿着测量面移动时,记录测量面不同位置上的多次扫描,得到时间域脉冲信号的剖面,构成探地雷达记录。若已知地层的速度，即可得到目标体的深度分布。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌背后回填密实度的判识•密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；•不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；•空洞：衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌内部钢架、钢筋位置分布的的判识•钢架：分散的月牙形强反射信号；•钢筋：连续的小双曲线形强反射信号。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌界面的判识•非复合衬砌隧道：振幅较强、同相轴比较连续的第一组波就是衬砌界面的反射信号，在该界面上读取的即为隧道的衬砌厚度。•复合式衬砌隧道：当第一次衬砌与第二次衬砌间存在间隙时，在该界面上读取的即为隧道的第二次衬砌厚度。•有初期支护隧道：当初期支护与二次衬砌间存在间隙时，在该界面上读取的即为二次衬砌的厚度。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌背后空隙的判识•空隙是指隧道衬砌背后没有全部回填，衬砌与围岩间存在的空洞。由于空气与混凝土的介电常数差异较大，衬砌与围岩之间有明显的空隙，图像中就会表现为衬砌界面反射信号增强，如果空洞较大，还会在界面信号下方产生绕射信号。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌背后回填密实的判识•回填密实是指衬砌与围岩密贴、无间隙。由于衬砌混凝土与围岩的介电常数差异较小，如果衬砌密贴，地质雷达图像中就会表现为振幅较弱的界面反射信号或没有界面反射信号。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用衬砌背后基本密实的判识•基本密实是指隧道衬砌背后绝大部分已回填密实，只有局部存在空隙。这种情况地质雷达绝大部分图像与回填密实图像的征状相同，只有局部衬砌界面呈强反射信号。 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用scan687m0.0脱空砼衬砌表面脱空0.501.00 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用0.00.50钢拱架，1榀/米1.00 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用scan1162m0.0衬砌表面砼衬砌与围岩的交界面0.501.00围岩 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用scan4040m0.00.501.00边墙片石回填不密实边墙片石回填不密实1.50 监测检测探地雷达在隧道工程检测上的应用scan5525m0.00.40脱空0.80 关键质量控制 防排水施工质量控制•地下工程防水的设计和施工应遵循“防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理”的原则。以防为主、防排结合、因地制宜、综合治理的原则。•对隧道防排水施工质量控制，从严格按要求对防水材料、排水设施位置及安装过程进行监督检查，严格控制防、排水设施施工工艺如防水层铺挂、焊接、止水带及止水条安设、排水管、盲沟铺设，排水板及环向盲管铺设、中心水沟安装等，并在隧道原设计防排水方案的基础上，根据不同段落地下水出水量及出水点位置，及时作出特殊的防排水措施加强方案，确保地下水排泄畅通，防水措施严密有效，保证隧道完成后不产生渗漏水现象。 柔性防水层•柔性防水层分两层，缓冲垫层铺底与初期支护表面接触，对防水板与初期支护接触的一侧形成保护，其表面再铺挂防水板。柔性防水层不仅起到防水的作用，由于防水板光滑将初期支护与二次衬砌隔开，它们之间基本不传递剪力，只传递压力，使二衬均匀受压受弯，减少由于局部应力使二衬出现裂纹。所以防水层对基面的要求很高，不能有突出物和明水，在施工防水层之前先对基面进行处理。 防水板焊缝施工质量控制防水板的焊缝质量检查，检查方法有目测、机械检查、充气检查、撕裂破坏检查。•目测：肉眼观察有溶浆均匀溢出、无气泡，则质量较好；•机械检查：用平口丝刀沿焊缝外边缘稍用力，检查是否有虚焊、漏焊部位，如果有漏点，做好标记及时修补；•充气检查：其方法是用5号针头向两条焊缝空腔内注入空气，长度2m，两端封闭，当压力达到2．5MPa时，停止充气，持续10～15min，压力下降小于10％，说明焊缝合格，否则应补漏；•撕裂破坏检查：将试焊样品切成1cm长条，进行撕裂测试，所有断裂均发生在焊缝以外，说明焊缝合格。 接缝防水质量控制•施工缝、变形缝等处是结构防水的薄弱环节，在施工中应严格按施工工艺操作。如果操作不当往往引起渗漏水,整治起来非常麻烦。•在两次浇筑混凝土之间设施工缝，灌注前应对施工缝进行处理，首先清除表面的水泥浆薄膜、松动石子或软弱混凝土，然后在二衬中部设置止水条。施工缝的基面必须进行凿毛，并涂刷混凝土界面处理剂，使两次混凝土浇注接触良好，减小可能出现的裂缝。•遇水膨胀止水条安装前检查是否受潮膨胀。采用塑料、橡胶、金属止水条时，要求施工单位采取有效措施确保位置准确、固定牢靠。•变形缝处止水带接头连接质量。 防水体系问题•有治标的、治本的、也有纯理论方案。•应把隧道与地下工程防水视为一个系统工程，根据工程具体要求和情况，建立起完整的防水体系。将防水原则、防水设计、材料选择、防水施工工艺、防水施工管理、防水施工队伍选择等都纳入防水体系中。•解决了材料的质量而解决不了施工工艺，即优良环境下的高级材料实验、恶劣环境下的低级质量施工；理想完善的防水方案、现实缺陷的防水效果，总是无法实现设计意图，达不到较理想的防水效果。•防水根本在于“混凝土结构自防水”。确保防水混凝土达到规定的密实性、抗渗性和抗裂性，才能有效地防水、防腐，从而提高耐久性。 混凝土耐久性•大多数土建结构由混凝土建造。混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题，并非我国所特有，但是至今尚未引起我国政府主管部门和广大设计与施工部门的足够重视。 混凝土耐久性•我国铁路隧道用低强度的C15混凝土作衬砌材料，密实度和抗渗性差，不耐地下水与机车废气侵蚀，开裂与渗漏严重。•对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明，漏水的占50.4%，其中1/3渗漏严重，并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电，影响正常运行。 混凝土结构的耐久性问题使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有：•1由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求，使水泥细度增加，早强的矿物成份比例提高，这些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值，而国外则同时还要求不高于规定的最高值，如果强度超过了也被认为不合格，这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。 混凝土结构的耐久性问题•2工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期限的在国外要被罚款，因为意味着工程质量有遭到损害的可能。 混凝土结构的耐久性问题•为了提高混凝土耐久性，在混凝土中合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段，国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料。•工程技术界的一些过时的看法，对改善混凝土的耐久性能造成阻力。如顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂，而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段；又如，希望加大水泥用量来保证混凝土强度，而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。 混凝土结构的耐久性问题•重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床，水泥生产排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5-1/6，而我国排放的二氧化碳量已居世界第二。我国现在每年生产5亿多吨水泥，与之相伴的是年耗20多亿方的砂石，长此以往实难以为继。•延长结构使用寿命意味着节约材料，而耐久的混凝土一般又应是水泥用量较低和矿物掺合料（工业废料）用量较高的混凝土，所以耐久的混凝土正适应环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年，有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费，国际上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势，如提出城市环境中的桥梁至少应有150年。 安全控制 施工安全工作的依据1中华人民共和国安全生产法2建设工程安全生产管理条例（国务院第393号令）3铁道部关于安全生产的规定4建设单位关于安全生产的管理规定5经批准的施工组织设计6《铁路工程施工安全技术规程》(TB10401.1-2003、J259-2003) 安全管理体系1安全管理制度：必须建立安全生产责任制，安全管理规章制度、安全操作规程已制定。2持证上岗：国家规定的特种作业人员，以及在施工过程中容易发生伤亡事故的有关作业人员（电工、电焊工、架子工、装卸工、爆破工等），必须经专业培训和考核取得特种作业证后，持证上岗。3编制的施工组织设计中，必须符合分部安全生产技术措施和施工现场临时用电方案，瓦斯隧道应有预防瓦斯突出、喷出的措施和揭煤方法。对模板工程、起重吊装工程、脚手架工程、拆除、爆破工程达到一定规模的危险性较大的分部分项工程应当编制专项施工方案，每分项工程开工前，应制定安全操作细则，并向施工作业人员进行交底。 施工场地安全管理1临时油库设置应符合国家有关消防规定。2爆破器材库必须符合防爆、防潮、防雷、防火、防鼠等要求，并应有良好的通风和防爆照明设备，库房距厂矿、村镇、人口稠密处所、交通要道及其它建筑物的安全距离，必须符合国家《爆破安全规程》（GB6722）的有关规定。3施工现场设置安全防护设施，进入施工现场的人员应按规定使用劳动保护用品，有毒、粉尘侵害的作业应具有防护措施。4易燃和可燃材料的存放场所与作业场地应配设消防器材，保持足够防火间距并留出消防通道施工防火要符合消防安全规定。5作业区及生活区应设置消防设施，消防器材应有专人管理，定期检查，房屋、库棚、场地的消防安全距离应符合有关规定。6各种气瓶的运输、存放和使用应符合规定，氧气瓶与乙炔瓶、氧气瓶及易燃品严禁同室储存，放置地点不得靠近热源和电器设备，距明火的距离不得小于10m。 施工作业过程1每分项、分部工程开工前，要编制的安全操作细则及进行安全作业交底记录。2检查工地临时用电是否符合有关规定，有无乱拉、乱接线现象。3隧道钻爆施工中：⑴爆破现场安全防护措施及安全警戒。⑵施工现场安全突发事件的应急预案是否完善。4隧道施工：⑴隧道竖井、斜井的提升系统应经过安全检算，并经安全部门检查合格后方可使用。⑵提升系统的钢丝绳必须符合使用要求，在使用前应进行拉力试验，并在使用中定期检查、修理和更换。⑶经常检查洞内空气质量检测记录，有毒、有害物质的浓度要符合国家规定的标准。 塌方产生的原因•地质条件的复杂多变，支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重•通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物•由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因 不良地质段预防塌方的方法一般常用主要方法有：•1.超前导洞法，可以探明前方地质条件，确定本段开挖和支护方法，•2.强支护是预防塌方的主要措施。对地质不良地段主要采取“锚喷、网喷、喷混凝土与钢支撑或格栅钢架相结合”的支护方法。•3.加强围岩变形观测是预防塌方的有效方法之一。洞室开挖后，岩体的重新稳定过程中，围岩都存在变形，当变形超过允许范围时，就发生塌方。在隧道新奥法施工中，通过量测仪器对围岩的变形量和变形速率的观测分析，推测其最大变形量，估算是否会发生塌方，提前作出预告，以决定采取合理的支护。目前采取的观测方法有位移观测、收敛位移观测、压力量测等，最常用是收敛位移量测，即量测隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化。 岩爆引起塌方的预防方法•岩爆产生机理：岩爆是高应力区，地下洞室开挖中围岩脆性破坏时应变能突然释放所造成的一种动力失稳现象，由于岩体中储藏的能量通常以弹性变形的形式储聚，高应力集中区内，弹性变形越大，储备的能量越多，开挖后围岩表面应力被解除，具有高度弹性的脆性岩层由于爆破冲击波的作用，动应力和应变静应力瞬量叠加和释放产生了脆性断裂，形成了岩爆，对岩爆的及时支护，既保障施工安全，还可以减少因岩爆所引起塌方的产生。•当洞室埋深较大、开挖岩体完整性较好，且干燥无水时，应预防岩爆的发生。 岩爆引起塌方的预防方法•开挖时的预防隧洞爆破开挖，既可以使围岩应力得到部分释放，也可以产生新的应力集中，发生岩爆。在可能发生岩爆区段内采取二次开挖，先开挖上半断面，减少光面爆破的周边眼间距，且尽量分布均匀，以使开挖轮廓线相对圆顺，减少新的应力集中。周边眼采用小药卷或间隔装药，爆破时导爆管段位增加，降低同段起爆药量，以尽量减少爆破对围岩的扰动，诱发岩爆的产生。 岩爆引起塌方的预防方法•开挖后，岩爆洞段的处理方法(1)爆破后立即向工作面、爆破面喷水，充分湿润围岩，可以很好缓释围岩应力。(2)清除松动围岩后，素喷混凝土支护，厚度为5cm左右，目的是将表部破裂岩块连固在一起，进一步圆顺开挖轮廓线，缓解应力集中，有很好的削减岩爆的作用，对轻微岩爆还可以取到一次防护成功，避免诱发中强岩爆。实验表明，含钢纤维混凝土，其抗拉强度明显强，能取得很好的支护效果。(3)对中强岩爆洞段，在初期喷护后，应尽快采用浅孔密锚网喷混凝土的补强支护，锚杆可用Φ22，长度为2.0～3.0m，间距1.0～2.0m梅花型交错布置，尾部加垫紧贴岩面，挂20cm×20cm，Φ6或Φ8钢筋网，喷混凝土10～15cm支护。 富水洞段塌方的预防•在地下水丰富的断层破碎带，大量的渗水、淋水甚至于涌水的部位，不仅影响施工的进度和质量，还容易造成塌方。在此种地段施工时，及时排水是预防塌方的关键。•在了解岩石节理裂隙破碎带的走向、倾向和倾角后，对于少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出，称为排水孔法或排水管法。•通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管边排水、边喷射混凝土，称为金属网法。•如遇较大涌水，在支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或没有时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向。 尽量消除人为因素的影响•--抢施工进度，对围岩的自稳能力过于乐观，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。•--要对工期作合理的安排，在思想上要有对可能出现的各种不良地质情况有打持久战的准备，在技术上对可能遭遇的塌方有详细对应的技术措施。•--当出现断层或其它不良地质现象时，一定要对地质情况作详细的分析，充分了解围岩和其稳定性，按照就低不就高的原则进行开挖和支护，并且加强围岩的变形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取相应的支护，抑制围岩的进一步变形，能很好预防塌方的发生。 瓦斯隧道瓦斯，又名沼气，化学名称叫甲烷。它是一种无色、无臭、无味、易燃、易爆的气体。如果空气中瓦斯的浓度在5．5％~16％时，有明火的情况下就能发生爆炸。瓦斯爆炸会产生高温、高压、冲击波，并放出有毒气体。1瓦斯隧道开挖施工方案及安全措施，应注意以下内容：（1）安全管理制度及机构设置。（2）上岗人员资质及安全培训考核情况。（3）施工通风设计及瓦斯监控方案。2瓦斯隧道机电设备防爆（1）对机电设备和电缆的日常检查与周期维护记录。（2）供电、配电、用电设备防爆、接地与漏电保护、避雷措施。 瓦斯隧道3瓦斯隧道防火（1）洞外消防水池设置和消防用砂备料情况。（2）防火措施的落实情况。（3）作业人员登记簿，抽查个人自救器携带情况。4瓦斯隧道钻爆作业（1）炸药及电雷管等火工用品是否符合钻爆设计。（2）抽查装药、封堵、爆破网络连线施工作业。 瓦斯隧道5瓦斯隧道揭煤防突（1）超前探测与瓦斯突出危险性预测①超前钻孔位置、钻探记录和岩芯。②施工、试验检测记录。应在距煤层垂直距离5m处开挖工作面打瓦斯测压孔，或在距煤层垂直距离不小于3m处的开挖工作面进行突出危险性预测，预测方法和临界指标应符合《铁路瓦斯隧道技术规范》要求。 瓦斯隧道（2）防治煤与瓦斯突出措施与效果检验①确定有煤与瓦斯突出危险时，在揭煤前制定包括技术、组织、安全、通风、监测、抢险、救护等技术组织措施，并进行审批和落实情况检查。②瓦斯钻孔排放施工设计方案。③施工、试验检测记录。防突措施实施后，进行效果检验，以确认防突措施是否有效。防突措施效果检验应在距煤层垂直距离2m的岩层以外进行。防突措施效果检验方法、指标及临界值应根据实测数据确定或按现行《铁路瓦斯隧道技术规范》要求进行，防突措施无效时应采取补充防突措施。 瓦斯隧道（3）石门揭煤与煤巷掘进①石门揭煤施工设计方案。②施工、试验检测记录。揭开煤层后应检查开挖面前方10m范围内煤与瓦斯的突出危险性，如各项指标均符合要求，可掘进5m，再检测10m，掘进5m，始终保持工作面前方有5m的安全区。如任何一项指标超过临界值，应采取补充防突措施直至有效。 瓦斯隧道预防塌方•瓦斯是从煤层中突出的一种可燃可爆气体。当隧道穿过含有煤层的洞段时，不仅要注意煤层的稳定问题，更应防范瓦斯爆炸所引起的塌方，因此引起塌方的预防方法主要是及时向洞内通风，将洞内瓦斯气体稀释和排出，在施工时减少金属间的互相撞击，以减少引发气体爆炸的火花、火星产生。 怎样预防井下瓦斯爆炸•要加强隧道内通风，采用各种通风措施，保证隧道内瓦斯不超过规定含量，严格检查制度，低瓦斯隧道每班至少检查2次，高瓦斯隧道每班至少检查3次，发现有害气体超过规定，应及时采取封闭等必要措施。每个作业人员应注意，在进入隧道时，严禁携带烟蒂和点火物品，不要使用电炉和灯泡取暖。 现场救护•当听到或看到瓦斯爆炸时，应面背爆炸地点迅速卧倒，如眼前有水，应俯卧或侧卧于水中，并用湿毛巾捂住鼻口。距离爆炸中心较近的作业人员，在采取上述自救措施后，迅速撤离现场，防止二次爆炸的发生。•瓦斯爆炸后，应立即切断通往事故地点的一切电源，马上恢复通风，设法扑灭各种明火和残留火，以防再次引起爆炸。所有生存人员在事故发生后，应统一、镇定地撤离危险区。遇有一氧化碳中毒者，应及时将其转移到通风良好的安全地区。如有心跳、呼吸停止，立即在安全处进行人工心肺复苏，不要延误抢救时机。 环境控制 隧道施工对环境的影响因素•--弃碴污染若处理不当，如侵占耕地、占用或堵塞河道阻碍其正常的防洪排涝功能、可能引起洪水泛滥、引发新的水土流失现象等，都将会对环境造成严重的不良影响；若妥善处理好这些弃碴，不仅会改善环境，还可以为人们节省大量生产原料，带来可观的经济效益。•--大气污染隧道施工期间的运输车辆及施工机械均是大功率的设备，且隧道又是一个相对封闭的空间，车辆设备在行驶和作业过程中在洞外会扬起尘土，在洞内会产生大量有害气体，以及放炮产生的炮烟与灰尘，这些均会破坏施工环境，影响空气质量，对洞内施工人员产生危害，因此必须采取有效措施保证人们正常工作，减少大气污染。 隧道施工对环境的影响因素•--水污染隧道在施工过程中对水的污染主要是隧道施工产生的污水，污水中含有悬浮物、油类物质、石屑及石粉，处理不当将对河水产生污染。•--噪声及震动对施工人员的影响隧道采用钻爆法开挖，爆破震动、冲击波以及设备噪声对现场施工人员都会有损害，同时会使工作效率降低，影响安全生产。 隧道内施工环境保护措施•---加强工作面的通风，降低有害气体浓度•---掌子面放炮后由专人喷洒水雾进行除尘，以减少空气中的悬浮颗粒•---采取有效措施，降低洞内温度•---采用有轨运输，降低废气排放•---提高油料燃烧率，减少尾气有害成分的含量•---采用湿喷混凝土技术进行初期支护，减少了空气中空气悬浮物 超前地质预报 超前地质预报•隧道施工超前地质预报是在隧道洞内外地质调查、掌子面素描结果的基础上，根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果；采用地球物理探测手段对隧道施工掌子面进行探测，运用地质学、数学、物理学、逻辑学等各学科知识结合预报人员经验，对隧道工程可能遇到的各种不良地质体及因此可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模的判断和预报。 超前地质预报地质超前预报内容及应用原则•隧道所在地区地质分析与宏观地质预报：采用传统的地质分析方法，辅以必要的物探技术等手段，主要是宏观的预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，随时提出修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。 超前地质预报地质超前预报内容及应用原则•隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报：在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、工艺、工期等要求，以先进的物探技术为主要探测手段，并辅以必要的超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法。主要预报掌子面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。 超前地质预报地质超前预报内容及应用原则•重大施工地质灾害临警预报：在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、工艺、工期等的要求，以超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法为主，综合利用各种有效的物探手段，针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。 超前地质预报隧道施工超前预报分类如何对隧洞施工超前预报合理分类，目前国内外尚未见到系统的分类标准。但超前预报分类的必要性是显而易见的：•①正确的分类是制定有关规程、细则或指南所需要的；•②正确的分类有利于把超前预报纳入施工计划和管理的全过程；•③正确的分类有利于指导科研立题及其管理。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•1、按预报的作用划分•⑴常规预报：是勘测设计阶段地质工作的继续，也是隧洞施工的一个作业过程。其目的是结合施工进程，收集地质资料，判断围岩类别，了解掌子面前方短距离内的工程地质条件，为正确选择断面大小、衬砌类型、施工方法和支护设计或修改施工设计等提供依据，其成果可作为隧洞竣工后维修养护参考。该预报是短距离预报的主要任务，目前已有比较成熟的经验。多以地质素描为主，配合简单的物探测试了解掌子面前方地质条件。常规预报应以施工单位为主，作定量预报、并结合施工进行，预报时尽量不占或少占施工作业时间。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•⑵成灾预报：隧洞施工中的地质灾害，是指隧洞施工过程中因前方地质条件的突然变化，导致施工失去控制的非常事件。该事件可引起人员伤亡、机械设备失效并严重破坏、甚至被迫长时间停工，致使工程部门蒙受重大的经济损失。隧洞地质灾害主要有大规模塌方、涌水、涌泥、涌石、岩爆、瓦斯等。成灾预报是对可能的灾害性地质条件进行预报，以指导隧洞施工中的防灾和减灾工作。该预报是中、长距离预报的主要任务，是为隧洞施工战略决策服务的。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•⑶专门预报：对特殊地质问题进行预报，如膨胀岩、侵蚀性地下水、高地温、岩溶等。这些特殊地质条件，常常使施工陷入困境或破坏隧洞衬砌，如果处理不及时或处理失当，甚至可能酿成大的地质灾害。可见，专门预报也是隧洞施工预报的重要内容之一。该预报应由设计、科研和施工部门组成专门小组，采用综合手段作定性和定量预报。 超前地质预报隧道施工超前预报分类2、按距掌子面的距离划分•隧洞施工超前预报距离与隧洞施工速度和工程实际需要密切相关。结合我国隧洞开挖技术水平和快速施工要求，按掌子面前方距离可分为三类：•⑴短距离预报：0～15m。就我国目前快速施工的水平，一般采用钻爆与TBM相结合的方法。一个循环进尺约2～3m，二个循环是4～6m，三个循环是6～9m。实践表明，预报三个循环的前方地质条件，即能满足安全施工要求。根据我国目前的探测技术，要预报掌子面前方15m范围内的地质条件并不困难，且测试基本可与施工同步进行。对成灾预报而言，短距离预报相当于临灾预报或防灾处理阶段。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•⑵中距离预报：15～50m。对于防灾预报来说，只有15m范围内的临灾预报是不够的。发现有可能成灾的地质条件，马上要准备处理，显然太紧张。比较理想至少应有30m的距离。因此，进行范围超过15m的中距离预报是隧洞施工所必须的。另外，从目前已有的预报实践来看，用物探方法在开挖面上进行20～40m的超前探测已十分有效。说明物探方法在中、长距离预报中是有潜力的。•⑶长距离预报：50m以上为长距离预报。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•3、按采用的手段划分•⑴经验预报：在以往工程经验的基础上，凭感觉就能进行的预报。它对临灾预报有特殊意义，如凿孔过程中发现有岩粉异常喷出，可能遇到了瓦斯或有害气体；听到岩石劈裂声且随后出现岩块弹射现象可能是岩爆；凿孔异常喷水可能是大量涌水的先兆；隧洞塌方也有先兆等等。直接预报法或地质分析法的预报效果与从事预报人员的经验丰富程度密切相关。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•⑵采用仪器预报：预报目的不同，方法各异，所用仪器也是多种多样的。如地质分析法只需罗盘、地质锤、放大镜、稀盐酸和皮尺等；水平钻孔法需用大型水平钻机；物探方法需各种物探仪器等。•⑶综合预报：地质体是复杂的综合体。企图用单一方法查明隧洞的全部地质条件是不可能的，因此应采用综合预报方法。根据地质条件的差异和不同精度要求，适时选用若干种方法相互补充和印证，才能获得良好效果。 超前地质预报隧道施工超前预报分类•4、按精度划分•⑴定量预报：“定量”是对前方地质体具体位置、规模、设计参数变化等给出量的概念；对灾害性地质条件，除明确灾害性质外，还应明确可能成灾的位置、规模和影响范围等。当然对量的精度要求也是相对的，如短距离预报精度要求最高；中距离预报精度要求次之；长距离预报则以定性为主，强调战略上的指导作用。•⑵定性预报：定性是对定量而言。定性一定要准，具体位置的精度可不作严格规定。 超前地质预报地质超前预报方法主要有以下几种：•传统地质分析法•超前平行导坑预报法•超前水平钻孔法•物探法以及特殊灾害地质所采用的相关预测方法。 超前地质预报地质超前预报方法•1、地质分析法•地质调查与推断是隧道地质超前预报最基本的方法，可以随时进行，不干扰施工，其他预报方法的解释应用，都是在地质资料分析判断基础上进行的。通过收集分析地质资料，地表详细调查，隧道内地质编录、素描、数码照相、超前风钻、涌水量预测等方法，了解隧道所处地段的地质条件，运用地质学理论，对比、论证、推断，预报隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。 超前地质预报地质超前预报方法•2、超前平行导坑预报法•在隧道上导坑或隧道的附近开挖一平行的小断面导坑，对导坑出露的地质情况进行地质编录、素描、做图，综合分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况，根据地质理论预测相应段隧道的工程地质和水文地质条件，以及可能发生地质灾害的位置、性质、规模，并提出防治措施意见。 超前地质预报地质超前预报方法•3、超前水平钻孔法•用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示隧道掌子面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。超前水平钻孔的方向控制和钻探工艺有一定的技术难度，对施工干扰大。 超前地质预报地质超前预报方法•4、物理探测法•物理探测法是利用物体物性差异进行地质判断的间接方法，采用物探技术进行超前预报的优点是快速、超前探测距离大、对施工干扰相对小、可以多种技术组合应用。物探方法的应用受环境及经验的影响，准确解释物探资料具有一定的技术难度。物探技术存在一定局限性，在地质超前预报中应进一步结合地质理论，提高物探成果解译水平。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•①TSP超前预报系统•TSP202、TSP203超前预报系统由瑞士安伯格量测技术公司开发生产，具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点。其基本原理是:首先在洞内指定的震源点用小量炸药激发，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被两个三维高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状及岩石动力参数。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•②负视速度法•负视速度法是将常规地震勘探中的钻孔垂直地震剖面法应用于水平状态的隧道中，具有明显的方向特征，开挖面前方反射信息不受周围干扰，识别不良地质体界面的精确度高，预报距离可达100m以上，对施工干扰很小。其基本原理是:在隧道掌子面后方一定距离，沿边墙布置激振点和系列接受点;激发时产生的地震波信号在围岩中传播，当有断层或岩层变化界面时产生反射波，返回的信号被接受点的检波器接受，由此可确定反射界面的位置；对纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性、密实程度的变化。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•③水平声波反射法•沿巷道两侧分别布置激发点、检波点观测系统，各检测点所接受的反射波路径相等，反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观，对反射界面的倾角没有限制，适用的范围较为广泛。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•④地质雷达法•地质雷达是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态和位置的电磁技术。探测距离一般小于30m，在潮湿含水层中小于10m。该方法主要是配合地震反射法，通过测定与岩溶含水性有关介电常数的变化来探测充水地质体，如含水的断层、岩性界面和溶洞等。试验表明，采用地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前平导中应用可对正洞起到超前预报的作用。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•⑤红外探水法•地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，探测掌子面或洞壁四周这种变化，可以推测是否有隐伏的含水体。该方法测量快速，施工干扰小，有较高的定性判别准确率，但无法预报水量和含水体前方具体位置等定量指标。 超前地质预报地质超前预报方法——物理探测法•⑥特殊地质的预测方法•特殊地质的预报方法采用专门仪器进行。例如当确定隧道接近或通过煤系地层、储气构造时，可采用沼气氧气两用报警仪，在隧道进行长期跟踪量测，根据数据的积累统计分析，对掌子面前方的有害气体进行预测，为隧道安全施工提供依据。 谢谢！ 请批评指正！