隧道工程施工基础知识讲义全

隧道工程施工基础知识王龙黑龙江科技大学2007 前言我们公司隧道项目较少，技术人员也较少人员参与过隧道施工，针对该情况本讲义的思路是先就我国隧道的情况做下简要介绍，就新奥法隧道道设计的基础理论做简要介绍，再按隧道施工的基本流程对一些实际施工的理论与操作、注意事项等做一些介绍。使参加培训人员对隧道工程施工有一个大概的认识。 一、我国隧道建设基本概况 二、新奥法原理矿山法是采用爆破主方式将洞室岩石取出，对周边围岩自稳能力及稳定性破坏也较大。矿山法又分传统矿山法和新奥法。传统矿山法施工设计理念是周边所有的力都是直接作用于隧道上，不考虑隧道围岩（围岩是指隧道开挖洞室周边岩体，一般是考虑施工影响隧道周边3-4米范围）开挖过后是无初期支护的，直接采用木支撑或钢支撑，拆除临时支撑后再进行衬砌，没有初期支护。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod。新奥法概念是由奥地利学者拉布西维兹教授二十世纪五十年代提出的。新奥法是以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射砼集合在一起作为主要支护手段，控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成锚杆、喷射砼和隧道围岩为三位一体的承载结构，共同承受荷载。监控量测要及时准确，发现变形有突变的趋势时，及时架设临时支撑，采取措施稳定后及时衬砌。 基本理论点：1）岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，围岩软弱时，采取措施对围岩注浆加固。2）为充分发挥岩体的承载能力，允许并控制岩体的变形。开挖后断面的应力是最大的，而初支最初受力为零，随着位移的变化围岩应力慢慢变小，而初支刚由于位移的产生受力越来越大，这两个力在位移到一定程度后，达到了新的平衡，新奥法是允许沉降变形的，有沉降变形是正常的，但如果变形速率过大，或突变，则应警惕。3）为改善支护结构受力性能，应尽快闭合，而成为封闭环。4）加强施工中对围岩变形、压力的观测，进行动态设计施工。5）二次衬砌原则上在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下施工的，在围岩软弱段应较早施工，此时理论已不单纯的是新奥法施工。6）在软弱围岩段要按照施工中严格按照设计要求，遵循新奥法施工原理，软弱地质洞身开挖应坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的原则，确保施工安全。 三、隧道施工工序隧道主要施工工序：洞口边仰坡开挖洞口排水施做洞口大管棚施做开挖出渣初支二衬 1、洞口边仰坡处理隧道进出口一般处于浅埋、风化岩层地段，一般采用φ108管棚进行超前加固后再进洞开挖。洞口刷边坡一般宜避开雨季，先检查边、仰坡以上的山坡稳定情况，清除悬石、处理危石，按设计进行刷坡，对不稳定段应开挖一段支护一段，保证山体的稳定，尽早施做洞口排水系统。 2、大管棚施工 3、开挖采用人工手持凿岩机钻眼爆破开挖，一般一个台架允许14把左右YT-28风钻同时作业。开挖效果的好坏跟眼位的实施与爆破的合理性有直接关系，钻眼时除楔形掏槽眼是倾斜的外，其他的均应与隧道轴线平行，特别是周边眼要求尤为严格，并使各眼位的眼底在同一个竖直面上。特殊要求地段，如靠近较高要求震速的建筑物等，可采用膨胀剂静态破碎。开挖台架如下图： 隧道的开挖一般采用多臂凿岩台车或人工持钻开挖，但在中国人力资源较低廉，多采用人工持钻在作业台架上钻眼爆破。钻眼分为三种，中间为掏槽眼，最外轮廓为周边眼，中间的部分为辅助眼，楔形掏槽眼一般用2米5以内的进尺，超过此进尺的一般采用直眼掏槽。爆破一般采用乳化炸药，炮眼采用非电毫秒雷管，起爆雷管采用电雷管。爆破采用微差爆破，从掏槽眼往外一般用1、3、5、7、9、11、13、15段雷管起爆，超爆顺序是段数越少越早起爆，但起爆时间差较小。一般IV级围岩如分上下断面，则上半断面单方炸药耗量为0.7Kg/M3,下半断面一般为0.4Kg/M3,因为下台阶有临空面,故耗药量较少.光面爆破为周边眼间隔.装药,并配以导爆索.,因地质条件的多变性，要根据爆破效果不断进行调整爆破方案，包括炮眼间距及装药量。 掏槽眼常用的为楔形掏槽图中所示为楔形掏槽 4、爆破光面爆破：光面爆破的目的是沿设计轮廓线爆破后留下的围岩光滑平整，控制超欠挖，降低对周边围岩的干扰，充分利用围岩的自稳能力。光面爆破：沿设计轮廓打一排小间距眼（眼孔位小些更好），小药量装药。光面爆破的分区起爆顺序：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼。辅助眼则应由里向外逐层起爆。 装药结构 装药量的计算炮孔装药量：掏槽孔Q=η*L*r式中：η---炮孔装药系数，取0.9;L---孔深,一般LIII=3.2米,LIV=2.2米LV=1.3米r---每米长度炸药量,r=0.78kg/m经验值:QIII=2.24kg,QIV=1.54kg,,QV=1.1kg辅助孔QIII=η*L*r=0.8*3.1*0.78=1.93取1.9kgQIV=η*L*r=0.8*2.1*0.78=1.31取1.3kgQV=η*L*r=0.8*1.3*0.78=0.81取0.8kg周边孔通常周边眼装药量为辅助孔的1/3---Q/4。 隧道爆破的安全距离隧道爆破时，个别飞石对人员安全距离设定为150m，巷道内对设备安全距离设定为100m(指非机动设备)。当然有条件离得越远越好。 4、初期支护：初期支护包含超前管棚（锚杆）支护、钢筋网、锚杆、拱架、喷射砼。 4.1拱架的加工与安装工字钢拱架的分节要与弧度相对应，因为冷弯机一次只能加工一个弧度。拱架的加工要预试拼，保证连接板的角度正确性，加工节数以方便施工的重量为宜。拱架要保证垂直，同时要直线段每10米打一个十字线，曲线每5米打一个十字线，保证左右两侧同步。拱架要与锚杆焊接，只靠锁脚锚杆不能保证拱架的稳定性，锁脚锚杆与拱架连接宜加U形卡。拱架应落在硬底上，否则加设砼垫块。规范要求拱架与围岩间的空隙应间断用砼块塞实，将围岩受力直接传递至拱架上。 4.2喷射砼喷射砼：利用压缩空气把一定配合比的砼料由管道喷嘴以高速高压喷出，在受喷面形成砼层。增长快，强度增长快，密实性好，施工准备简单，适用性强。分为干喷、湿喷两种。干喷：预拌干料或潮料，建议砂石料有一定含水量，以用手攥住成团在手内不松散，自由落至地上散开为宜。正常回弹量约一般30%。所用砂：宜用粗砂，砂过细则干缩量大，增加回弹量。但回弹量较大，劳动条件差，粉尘较大。所用米石：5-20的米石为宜。所拌喷浆料含水量以用手攥住手内成团，自然丢落散开为宜。外加剂：速凝剂、增粘剂等，一般只用速凝剂。湿喷：预拌砼，在通过湿喷机时加液体速凝剂，该施工方法不太成熟，虽然施工环境好，但回弹量较大。 喷射施工应由下向上，先墙后拱施工。开挖面找顶后考虑到安全应初喷一层厚约5cm厚砼。喷射时先送风，后开机，先对岩壁喷水湿润，再给料，结束时先停料，再停风、水。风压控制在0.45-0.7Mpa。作业完成后，及时清理喷浆机内余料。喷射手与受喷面距离为.6米-1米，根据喷射砼回弹情况不断调整。终凝后洒水养护7天。检验要求：喷射击队砼的平均厚度大于设计厚度，检查点数的60%以上大于设计厚度，最小不小于设计厚度的1/2。在对喷射砼强度要求高时，掺加钢纤维，可大大提高强度。喷射砼时在分步或台阶法开挖时，如果还要接拱架，则用砂堆住拱脚，以避免接腿时凿除喷射砼。 4.3锚杆锚杆的作用：1）悬吊作用：锚杆将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落。减跨作用：在隧道顶层岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加支点，使隧道跨度减小，使顶板岩体的应力减小。2）组合梁作用：在层状岩体中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一起，类于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高顶板岩层的自承力。3）挤压加固作用：锚杆进入围岩后，随着岩体的变形其两端附近岩体形成圆锥形压缩带，从多的锚杆形成多个圆锥形压缩带，类于承压拱，提高围岩自稳能力。 锚杆主要类型：有砂浆锚杆、中空锚杆、自进式锚杆、中空锚杆、组合锚杆等。砂浆锚杆：以螺纹钢筋加工而成，以YT-28钻机钻孔，先注M20砂浆，再将锚杆打入，加设垫板。中空锚杆与砂浆锚杆区别杆体中空，先将锚杆插入，再注浆。自进式锚杆是自带钻头，用YT-28钻机直接将锚杆打入岩体，主要用于成孔困难地段，因锚杆与岩体接触紧密，注浆压力可达较大，注浆加固松散破碎岩体时常用。组合锚杆与中空锚杆施工方式相同，优势为降低成本。锚杆的施工因人工开挖的局限性，在拱顶时不容易打好角度，宜用专用锚杆机。 隧底（仰拱及充填）采用分段整幅全宽一次浇筑方案，拱墙采用全断面液压模板台车一次整体衬砌。在洞口设置混凝土搅拌站，混凝土运输车运输，混凝土输送泵泵送入模。5、二次衬砌： 5.1仰拱及铺底1、施工方法仰拱及铺底砼施工测量放样，软弱围岩段一次施工3米（铁道部120号文）其他围岩地段一次施作10m。在仰拱、铺底或填充工作面上搭设移动式仰拱栈桥（即临时便桥，使在仰拱施工时机械通过施工段）。行车栈桥采用工字钢制作，一端支撑在枕木垛上，另一端支撑在已浇筑完的混凝土上，下面设橡胶垫对混凝土面进行保护。行车过桥移动利用机械牵引，桥下预留满足施工需要的空间。2、混凝土施工人工辅助清理底部浮碴杂物；将上循环仰拱混凝土接头凿毛处理，按设计要求安装仰拱钢筋，并预留与边墙衬砌连接筋；浇注仰拱混凝土时由仰拱中心向两侧对称进行。仰拱与边墙衔接处加强捣固，以保证混凝土的密实。混凝土浇筑采用泵送，一次浇注成型，人工摊铺，插入式振捣棒捣固，初凝之前抹平压光。为保证仰拱曲率，采用纵向挂线控制。3、隧底填充在施工混凝土前，清除仰拱面的碎渣、粉尘，并冲洗干净，达到没有积水、没有浮渣。仰拱混凝土达到设计强度70%后，即安排浇注隧底填充混凝土。本标段隧道仰拱填充与仰拱所用混凝土不是同一标号，待仰拱混凝土强度达到设计强度的85%以后，一次浇注填充混凝土到设计标高。 5.2拱墙衬砌在一般情况下，二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作，但在软弱围岩段宜早进行衬砌。变形基本稳定应符合隧道周边位移速度有明显减缓趋势。 5.3模板台车砼二次衬砌施工采用全断面钢模台车，衬砌台车要做专门设计，满足刚度和强度要求。砼在自动计量拌和站拌和，搅拌运输车运输，泵送砼，先从下面窗口开始灌注，插入式振动器振捣，封顶采用输送泵接刹尖孔，附着式振捣器振捣。 5.4衬砌压浆施工A、衬砌施工时，在拱顶预埋注浆管，预埋注浆管采用能与注浆机出浆口匹配的塑料PVC管，塑料管伸入混凝土端紧靠防水板，用密度纸包住端口，防止砼堵塞注浆管。B、隧道衬砌完成后，在洞内沿线路正坡方向进行衬砌压浆施工，压浆所用的水泥砂浆浆液在现场拌制，施工时根据实际情况调整施工配比。人工搭设门架式移动作业台架，注浆采用注浆机，由低向高压浆施工，分段逐孔实施，待邻孔有浆液渗出时，结束注浆，用纸袋或草袋封闭注浆口，而后移动作业台架进行下一循环施工。C、压浆施工完成一段后，重复进行检查压浆，检查压浆的浆液采用水泥净浆，若邻孔仍有渗浆，则继续进行水泥砂浆浆液压注。 5.5注意事项A、衬砌台车设计制造时必须以隧道设计断面为准，应考虑施工误差（一般放大5cm）、贯通测量调差及预留沉落等因素。钢结构及钢模必须有足够的强度、刚度和稳定性。B、二次衬砌在初期支护变形稳定前施工的，拆模时的砼强度达到设计强度的100%；在初期支护变形稳定后施工的，拆模时的砼强度达到8MPa。 四、其他综合内容隧道施工调查的基本内容1工程概况：包括工程环境、工程地质、水文地质、工程规模、数量和特点、难点、重点。2临时设施调查：包括大型临时设施，如材料厂、便道、电力、通信干线、码头、便桥等的设置地点、规模和标准；小型临时设施和临时房屋的标准和数量。3砂、石等大堆材料供应。4生产及生活供水、供电条件。5施工通信条件。6地方防疫和民族风俗。7当地对环境保护的一般规定和特殊要求，工程对环境可能造成的近、远期影响。8其他尚待解决的问题。 常见的隧道开挖方式常见的开挖方式有全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法。全断面法与上下台阶法较简单，一般围岩较好不立拱架的断面，可采用全断面法，凡立拱架围岩段施工，建议采用上下台阶法可提高工效。 隧道的通风要求洞内氧气体积比不得低于20%，CO2不得大于0.5%,CO不得高于24ppm。一般未做简算，一般一千米左右隧道用2*55kw轴流式风机。主要有以下几种通风形式： 隧道的坍塌及处理1、隧道坍塌的原因：A、不按设计要求，支护过薄弱，一般出现在围岩级别较弱段；B、衬砌未及时跟进，未掌握监控量测变形所显示的围岩的变化。塌坍都是有征兆的，如沉降收敛速率突然变大初期支护有变形，喷射砼开裂，拱架扭曲等。主要可能是因下雨造成围岩性能发生改变，或偏压累积等因素造成，但二衬衬砌完毕后一般不会有问题，不能排除特例。希望大家只从别处学这种经验，不要亲自实践。 2、坍塌的处理：A、首先要对坍方前后各10米左右初期支护进行加强，避免坍方体影响面扩大。如采用注浆管固结围岩，加设临时工字钢拱架进行处理，最好有条件先对该段进行二次衬砌；B、隧道一旦坍方，就等他坍方完全稳定后再进行处理，不要冒险去作业；C、对坍方体进行注浆加固后，再在坍方体内进行开挖掘进，与正常段相比就是增加注浆固结，各初期支护参数都进行加强；D、及时施作二次衬砌，因上方有坍方空洞，因此一般拱部衬砌上设1米厚护拱，在施工时拱顶预留钢管，在护拱及二衬完成后，吹砂约厚1米作为缓冲层，对上部空洞不再作处理。E、对地表引起的塌坑等要进行封堵，避免地表水渗入。其他常见的不良地质情况有：煤层瓦斯、突水突泥、溶洞等，一般在长大隧道里（超过3000米）较多出现。 一些常识空压机配置：根据一台风钻约为3立方米风压来计算，直角拐头有风损，因此尽量减少弯头，并且管道距离长也有风损；现在一般所采用的为风冷空压机，少用水冷，耗能较高，现在用的一种可根据用风量自动调节输出功率的空压机较好。隧道施工所用水为高压水，压力约需高差70-80米，现在一般用加压泵，如果上下行线隧道100m2左右的断面，则水池约150立方米。高压水池，因为隧道施工所用水是高压水，一般高差应在70米左右，但现在一般用加压泵，如果是公路隧道上下行线则高压进洞：一般隧道施工长度超过1200米，就要进行高压进洞；喷射砼回弹量一般为20-30%。 五监控量测技术 耽误大家的时间了，谢谢大家。希望大家能根据自己的思路还着问题来学习隧道相关知识，个人体会中不足及谬误之处给予指正，以期共同提高。谢谢！ 2019ppt资料141欢迎批评指导！！快乐工作，快乐生活！感谢您的聆听！！ 让我们一起努力，把最好的教育献给我们的孩子！