隧道工程-新奥法施工技术方案

隧道工程新奥法施工技术方案一、新奥法介绍20世纪60年代由于岩石锚杆、喷射混凝土机械和岩石力学方面技术的进展，人们对开挖隧道过程中所出现的围岩变形、松弛、崩塌等现象有了深入的认识。1963年奥地利学者L。腊布兹维奇教授命名的“新奥地利隧道施工法”（NATM）正式出台，它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要的支护方法，理论量测和经验相结合的一种施工方法，同时也是一系列指导隧道设计和施工的原则。新奥法的基本原则可简要的概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、早封闭”，我国的隧道工作者将其总结为“光面爆破,喷锚支护、监控量测”三要素。二、某隧道的新奥法施工某隧道根据设计图纸和现场调查，隧道所处围岩是Ⅲ类围岩，属于浅埋和偏压隧道，自承能力较差。施工时根据不同的围岩结构，分别采用或综合使用超前锚杆预加固、喷锚体系及格栅式钢构架作为初期支护方案。开挖采用短台阶光面爆破法；弃碴采用人工配合装载机或机动翻斗车清理，即时施工临时支护体系。洞门施工先期进行，并与不少于5m的洞内二次衬砌同时施工以保证结构的连续性和稳定性，避免影响洞内施工；仰拱和铺底分段进行，与二次衬砌及时闭合；防水层在初期支护完毕二次衬砌之前施工；避车洞、排水沟、电气化接触网支架、洞口挡墙等最后施工并抓好隧桥、隧路的施工关系，避免相互干扰，确保工期。2．1钻爆开挖作业线 根据围岩性质及施工设备选取正台阶开挖法（台阶长度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨），上下断面采用平行作业，上台阶开挖要留取核心土。该法因为可缩短支护结构的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，适用范围很广。钻爆开挖工序流程图见下页为减少隧道施工所引起的对围岩和山体稳定，施工中贯彻“早进（洞）、晚出（洞）、少刷少挖”的思想。隧道进洞前首先清理坡面危岩，用砂浆锚杆对仰坡进行加固，然后用超前小导管对洞口进行预加固。白家河Ⅱ号隧道进口仰坡加固时先清除仰坡危石，拆除洞顶水渠，在洞顶20m×40m（高×宽）范围内的采用喷锚挂网联合防护方案：超前锚杆采用ZW—II型全长粘接型早强砂浆锚杆（Φ22），长3－5m，间距1.2m×1.2m,表面挂网Φ6×Φ8，网格间距20cm×20cm,喷砼厚10cm。进口洞口土石方采用明挖法进行，自上而下逐段开挖,分层高度2m，纵向按设计长度5m一次成型，挖掘机作业，挖不动的岩石地段采用弱爆破进行开挖，装载机装碴、出碴。隧道出口土石方采用人工利用风镐配合光面爆破短台阶法开挖，上台阶长取洞跨的2～4倍。弃碴利用装载机配合自卸汽车装运。在对隧道洞口土石方施工完毕后，洞口边坡由人工按设计坡度进行刷坡，刷坡后，喷射10cm砼以稳定边坡,防止坍塌。由现场实际观察，白家河Ⅱ 号隧道出口仰坡较陡，曾是山民的采石场，弃用后形成的高大边仰坡。左侧坡脚为堆积虚碴，隧道中线右侧为山体，需刷出设计坡度。仰坡顶部左右两侧均有可耕地，覆盖1～3米黄土层，经流水冲刷，不易稳定。仰坡坡脚下为乡村公路，公路外侧为渭河，河中水边3m处是白家河渭河大桥1＃墩。根据设计采用喷锚加固，加固范围为14m×28m（高×宽），采用Φ28砂浆锚杆，长8～15m，间距1.5m×1.5m，表面挂A3φ6钢筋网，网格间距25cm×25cm，喷200号混凝土，厚10cm。白家河Ⅱ号隧道进口段（DK1413+794～+801），属Ⅱ类浅埋段，进洞必须采用辅助施工措施，加固后方可进行开挖。白家河Ⅱ号隧道进口5米段处于Ⅱ类围岩段，采用格栅钢架3榀/2m，拱部纵向连接筋间距0.5m，拱部挂网，喷10cm厚砼，拱部增加Φ42超前小导管，环向间距40cm，纵向间距2.4m的联合支护方案。小导管超前注浆加固施工工艺     a小导管设计参数规格：外径Φ42，壁厚3.5mm，长3.6m的无缝钢管环向间距：40cm纵向间距：2.4m倾角：70搭接长度：大于1mb钢管加工    将小导管端部加工成尖锥形，尾部焊上Φ6钢筋加固箍，管壁四周钻Φ10mm压浆孔，尾部留1m不设压浆孔。 c施工步骤（1）、打管：对洞面按设计尺寸放线，画出拱部外开挖轮廓线，沿外轮廓线人工用风枪钻眼，辅以锤击安设小导管到位，首批小导管外露0.5米与明洞或洞门连成一体。（2）、注浆加固：第一排小导管施作完成后即可进行注浆，注浆前喷砼封闭工作面，先行单液注浆，单液注浆以水泥为主，添加5%的水玻璃（重量比），经过现场实验，如可行性差，达不到固结围岩的目的，则改为双液注浆。双液注浆参数：水泥与水玻璃的体积比取1：1.5水泥浆的水灰比取1：1水玻璃浓度35波美度，模数2.4施工中通过现场实验，根据实验效果进一步确定合适的注浆参数。注浆设备选用BW— 250/50的水泥浆，浆液由水泥砂浆拌合机和TBW50/15混浆泵拌制，注浆压力0.5～1.0MPa，为充分发挥机械效能，加快注浆进度，在小导管前制作安设分浆器，一次可注入3～5根导管。爆破时，采用超短台阶法进行开挖，密钻眼，少装药，采用微震控制。（3）、开挖及支护：注浆固结完成后，即可进行开挖，不用爆破时，人工用风镐开挖，拱部采用留核心土法开挖，作业程序见下图。需爆破，每循环进尺0.8～1.0米，台阶长度1～3米。每部开挖后及时喷5cm砼封闭岩面，设立钢支架、打锚杆、挂网、二次喷砼、闭合仰拱，形成闭合环形受力结构。当拱部掘进2米后，施作第二道超前小导管，以后每掘进2.5米，施作第一排小导管，前后两排小导管搭接长度1.1米。超前小导管的尾部焊接在钢架上，与钢架连成整体。（4）、施工要点：小导管要在开挖轮廓线上按设计位置和角度打入。画出草图，对孔位进行编号、钻孔、打管、注浆过程中认真填写施工记录和质量检测记录。注浆前严格检查机具、管路及接头处的牢靠程度，以防压力爆破伤人。单液注水泥浆压力突然升高，可能发生管堵，应停机检查。双液注浆时压力突然升高，则关停水玻璃泵，进行单液注浆或清水，待泵正常时进行双液注浆。注浆施工一般按单管达到设计注浆量作为注浆结束标准，当注浆压力达到设计终压不小于20分钟，进浆量仍达不到注浆终量时，亦可结束注浆。开挖过程中，要随时观察注浆效果，分析量测数据，发现问题后必须停工处理。隧道的开挖采用钻孔爆破法。使用凿岩台车进行直眼掏槽（设备机具允许的话，优先采用斜眼掏槽）。采用光面爆破技术，推行“浅眼、密眼、少装药”的爆破思想，采用非电毫秒雷管不对称起爆网络起爆。隧道施工中采用光面爆破技术对围岩扰动轻微，大大减少了超欠挖量，节约了大量的混凝土和回填片石，减轻了应力集中，避免局部坍塌，促进了施工安全，并为喷锚支护创造了条件。为获得良好的光面爆破效果，可采取以下措施：（1）适当加密周边眼，E=(8～18)d   E为孔距，d为炮眼直径。（2）合理确定光面爆破层的厚度，光面爆破层厚度就是周边眼的最小抵抗线，一般取50～90cm。（3）合理用药，要求炸药要有较高的破岩能力，又要减轻爆破对围岩的扰动，宜采用低猛度、低炮速、低爆性能好的炸药。（4）采用下直径药卷不偶合装药结构，光面爆破的不偶合系数最好大于2。（5）保证光面爆破眼同时起爆，使用即发雷管与导爆索起爆是最好的方法，同段毫秒雷管次之。（6）要为周边眼光面爆破创造临空面，可以在开挖程序和起爆顺序上保证。光面爆破成缝试验方法⑴．试验目的确定周边眼的装药量、装药结构、堵塞长度和炮眼间距等。⑵．试验步骤（一）核对隧道地质情况。（二）选择与隧道实际地质条件相似的洞内或露天试验厂。（三）按施工要求确定炮眼深度。（四）单孔爆破成缝试验。单孔爆破成缝试验前，参照有关规范初选单孔装药量、装药集中度及装药结构等参数。单孔试验时，通过调整药量、装药结构、堵塞长度等，直到爆破后孔口只出现裂缝不产生爆破漏斗为止。此时装药深度即为实际的临界深度（装药重心至孔口距离）。⑶．光面爆破试验根据排孔爆破得出的炮眼间距E，参照光面爆破参数表中的相对距离E/W，定出不同的抵抗线W，进行试验，得出最小抵抗线W值。根据以上试验得出的E、W、q、E/W各值，在洞内进行爆破，再次调整各值，得出最佳参数供实际使用。2．2装运作业线 提倡有轨运输无轨装碴的施工方案，代替过去的无轨运输，使用反铲装碴机，装载设备尽可能在原地工作，减少对隧道（尤其隧底）的扰动，提倡铺底超前的施工保护地层防止翻浆冒泥，也有利于少超挖，节约工程投资。白家河II＃隧道根据较短又为单线的特点采用Z4H-3回转式轮胎装载机装碴，发挥其行走快、机动灵活的特点进行作业。3．3喷锚支护（初期支护）作业线喷锚支护是新奥法重要组成部分，它的理论原理是喷锚支护能及时支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。由于喷锚支护结构柔性好，它能同围岩共同变形，构成共同工作的承载体系。承担了隧道衬砌施工前全部的围岩压力。在变形过程中，它能调整围岩变形的发展，避免岩体坍塌的发生，防止应力集中和过大的松散压力出现。喷锚支护结构不再把围岩仅视作荷载，同时还把它视为承载结构的重要组成部分。喷锚支护的使用也是有一定条件的，在围岩的自承能力差、有涌水和大面积淋水处、地层松软处就很难成型，锚杆尤其在淤泥软弱土层中几乎不起任何作用。白家河II＃隧道均采用喷锚施工支护，III类围岩均设1榀/m钢格栅加强支护，喷射混凝土采用初喷+复喷的湿喷混凝土新方法。初喷+复喷的喷射混凝土的方法的好处是及时封闭工作面，及时与围岩形成承载环，防止围岩的变形发展 ，为下一步的锚杆施工创造一个安全的工作环境。湿喷混凝土具有回弹小、抗渗好的特点，适合于基岩裂隙水少、无大范围的涌泥和涌水地层。首喷混凝土应紧跟开挖面及时施作，首喷3～5cm混凝土，在表层形成一保护层，再施作锚杆和挂网。当设计有格栅时应装好格栅，进行二次喷射。在喷射结束后4h内不得进行爆破作业。喷射混凝土机具配备⑴．强制式搅拌机：计量设备应精确，正式使用前须试拌，试拌成功后方可使用。⑵．喷射设备：采用P2-5（B）型喷机⑶．供风设备：21.5m3/min压风机供风⑷．供水设备：在隧道入口管路上设置增压水泵喷射混凝土材料：水泥：     普通425#砂子：     Ux≥2.5  中粗砂  含水率   5～7%石子：     10～15mm  级配合理外加剂：   速凝剂喷射顺序先墙后拱，自下而上。岩面凹凸不平处，应先喷凹处找平。喷射时分段分片进行，每片均自下部起水平方向横扫移动往返喷射，然后上移喷射，每段长度不大于6m。洞口段一次喷射厚度不少于10cm，洞内喷射厚度根据要求喷射3～5cm，厚度要均匀有光泽。喷射应垂直进行，喷嘴到喷面0.6～1.0m。喷射混凝土终凝2h后要喷水养护不少于7d。喷射混凝土符合各季施工和安全、劳动保护要求。水泥砂浆锚杆施工 锚杆为钢筋灌浆锚杆。钢筋为20MnSi钢；水泥425#；速凝剂掺量为水泥用量的2%～4%，要求初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min，使用时要准确计量。砂的粒径不大于3mm，使用前必须过筛。灌浆锚杆用水泥沙浆的配合比，灰骨比1：1～1：2，水灰比为0.38～0.45。锚杆安装在初喷混凝土后进行，锚机施工按设计进行。钻前要放线、定位，做出标记，位置准确，孔距误差不超过±15cm，钻孔应保持直线，并尽量与所在部位的岩层主要结构面垂直，钻孔深度误差为±5cm，钻孔直径大于钢筋直径15mm，不同类型的锚杆制作及安装应符合设计和规范要求。灌浆前应将孔眼吹净，水泥沙浆应拌合均匀，随拌随用。灌浆饱满，从孔底开始均匀进行，不得中断，严防拔管过快，导致砂浆脱节和灌浆不满。锚杆安装前钢筋应除锈矫直；灌浆后应立即将钢筋匀速插入，位置居中；孔口可用木楔临时封固；钢筋尾端外露长度要小于喷层厚度；安装好后不得敲击和碰撞。锚杆插入深度不应小于设计深度的95%。洞内锚杆安装后用垫板封固，对于不平整的岩面根据需要选用斜形和球面形垫板。格栅钢架施工格栅钢架的节点要对称焊接，焊接长度应大于4cm。钢架外轮廓与围岩间预留5cm空隙。钢架安装的允许偏差：横向和高程为±5cm，垂直度为±2° 。安装前应清除脚下的虚碴及其他杂物，超挖部分用混凝土回填；钢架在开挖工作面前人工组装，各节钢架间以螺栓连接；沿钢架外缘每隔2m用楔子临时楔紧。相邻两榀钢架间，每隔1m采用1根直径22mm拉杆连接。钢架与围岩之间的混凝土厚度不得小于4cm。复喷混凝土施工锚杆与格栅钢架安设好后进行二次喷混凝土，二次喷射厚度按设计控制，在一次喷射终凝后进行，终凝后间隔1h以上时，受喷面应用风水冲洗。二次喷射着重处理好锚杆、支撑和钢筋网之间的关系，钢架和围岩之间的空隙必须用混凝土填实，二次喷射必须将钢筋网及钢架全部覆盖。喷锚支护施工流程图如下：下一循环修改参数2．4衬砌施工作业线根据我国多年的铁路隧道施工经验来看，复合式衬砌是隧道的首选形式，否定过去单一喷锚支护结构（对于I、II级短隧道可设单一的喷锚支护，但洞口段应设不小于5m的混凝土衬砌段）、减薄衬砌结构、临时初期支护加整体模筑衬砌结构等。模筑衬砌完成后，作用在初期支护体系上的约30%荷载转移到二次衬砌上，二次衬砌除作为受力储备，还有隧道防水和装饰作用。衬砌设计提倡曲墙有仰拱式的结构形式，并允许衬砌厚度在在纵向上不均匀，提高衬砌混凝土的强度等级，采用特种混凝土（如聚丙烯纤维混凝土、压缩混凝土等）改善混凝土的抗渗性等性能，施工提倡采用液压模板台车、自动化混凝土搅拌机、混凝土输送泵等先进机械设备。 白家河II＃隧道采用衬砌台车，模筑混凝土二次衬砌（整体式衬砌）施工。防水层的施作在二次衬砌施工前进行，并超前二次衬砌5～20m。灌筑二次衬砌混凝土，应由下向上，先边墙后拱部一次灌完，中间不留工作缝，边墙混凝土灌至拱脚附近，可中断1～2h（不得超过终凝时间），等边墙混凝土下沉基本稳定后再灌筑拱部混凝土。二次衬砌和初期支护之间的空隙，初期支护和围岩之间的空隙均须压浆加固，一般先压水泥砂浆，再压纯水泥浆，必要时在局部或个别地段压注化学浆液。工艺流程图如下页：2．5施工监控和量测施工量测也是新奥法的重要思想。隧道作为土木工程的一种结构体系，与建筑在地面的结构有明显差异。隧道所穿过的地层是千变万化的，可能遇到各种各样的地质现象。因此为了预防突发事故以及保证线路的正确、满足隧道断面净空尺寸、减少超欠挖量，隧道施工必须使用各种地质仪器和量测仪表对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测和测量，及时提供信息和数据，作为调整和修改支护设计的依据并动态性的指导隧道施工。现场监控项目有：（1）地质超前预报。目前比较使用比较先进的TSP203地震波探测仪、红外线探测仪进行超前地质预报。此外还采用先行导坑进行探测隧道前方地质情况。（2）围岩和支护变形情况。目前隧道施工提倡“无尺量测”，普遍使用全站仪对隧道拱顶、边墙、隧底的位移进行监控和测量。三、总结3.1国内外隧道及地下工程施工现状 地下空间作为人类在地球上安全而舒适生活的补充空间，在经济可持续发展的战略中，将占据重要地位，其利用和规模将会日益发展。科学预测指出：21世纪将是大力开发地下空间的世纪。20世纪80年代后期国际隧协（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡议得到广泛的响应。截止1999年已建成6876座铁路隧道总长3670km，公路隧道1684座总长628km，二者每年以200～250km的速度增加。水工隧道400座长度超过400km。地铁100多公里。我国15个大城市拟建地铁，总长超过3000km，十五期间我国计划修建地铁1000km。规划中的琼洲海峡双线铁路隧道长34km，渤海双向四车道公路隧道长110km。目前如要开工的兰武二线乌鞘苓双线电气化铁路隧道长20.5km将成为我国最长的铁路隧道，而在建的秦岭终南山双向四车道公路隧道长18.4km将成为我国最长的公路隧道。“长（长度）、大（断面）、难（施工难度）、新（新技术、新工艺、新材料等）、高（质量要求）”是今后我国隧道施工的方向和面临的主要困难。目前，隧道施工国际上常采用新奥法、挪威法以及TBM硬岩掘进机法。地铁施工有明挖法、盖挖法和盾构法。我国目前还不能自行生产TBM硬岩掘进机和盾构机，需引进。我国的“863计划”研制国产盾构机。在40多年的隧道施工中，我国的隧道工作者总结出了丰富隧道施工经验，如浅埋暗挖地铁施工法。隧道技术的发展表明：今后隧道技术研究方向为非爆破的机械化施工、合理规划与环境保护、设计可靠合理、使用安全等方面，隧道施工要向“安全、快速、低耗、环保、省力”的方向发展。 3.2国内隧道施工技术现状及发展方向1、开挖作业线：依据围岩的好坏选取全断面法、正台阶法（取消半断面法）、CD法、CRD法等开挖方法；取消风钻打眼，用液压钻代替风钻；电脑凿岩台车采用控制钻孔精度；装药（尤其周边眼的装药）采用小药卷连续装药；用乳胶炸药代替硝铵炸药，使用散装炸药；在保证绝对安全下，钻眼和装药平行作业；使用红外断面测定仪进行量测。2、喷锚作业线：取消找顶；淘汰干喷法，对围岩较好的隧道采用湿喷，对围岩较差的隧道采用潮喷；采用初喷+复喷的喷射方案；提高喷射混凝土的强度等级；喷射混凝土加外掺剂改善其工作性能，减小回弹率；锚杆短而密的布设原则；不能自稳的地层不能借用新奥法的柔性支护理论，而采用刚性支护体系。3、防排水作业线：隧道防排水应贯彻以堵为主、限排为辅的原则；采用无钉铺设工艺；提高砼的防渗性能；优化砼灌注和封顶工艺；提高防水材料防渗性能、抗拉、抗折强度以及使用寿命。4、衬砌作业线：提高衬砌混凝土的强度等级；使用特种混凝土提高衬砌混凝土的防渗性能，避免裂缝的产生；免振捣砼的研究。5、其它：隧道施工机械设备的研制和开发（钻孔机械、喷机、监控仪器等、注浆设备）；隧道施工的应用软件开发等等。3.3白家河II＃隧道施工意义白家河II＃隧道是我局施工的第一条岩体隧道，它揭开了我局挤占隧道和地下工程市场的序幕,扩宽了我局生产经营空间。白家河II＃隧道虽短，“麻雀虽小，但五脏俱全” ，通过白家河II＃隧道的施工以及多次的参观学习，我们积累了岩体隧道新奥法施工经验，并为其它复杂地质条件下的隧道及地下工程施工作了一定的理论储备。