隧道工程 教学课件 作者 陈秋南 第六章隧道施工方法.ppt

6隧道工程SUIDAOGONGCHENG『第六章▎隧道施工方法『6.1▎传统矿山法『6.2▎新奥法『6.3▎新奥法的施工技术『6.4▎洞口段及明洞施工方法『6.5▎辅助施工方法『6.6▎特殊地质地段的施工方法『6.7▎钻爆开挖和装渣运输『6.8▎隧道支护施工『6.10▎隧道施工现场监控量测『6.9▎隧道掘进机施工 『6.1▎传统矿山法在传统的矿山法中，历史上形成的变化方案很多，其中包括全断面法、台阶法、侧壁导坑法等。鉴于我国隧道施工中已很少采用传统矿山法，仅介绍其中具有代表性的上下导坑先拱后墙法和下导坑先拱后墙法。『6.1.1▎上下导坑先拱后墙法是软弱地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用的最广泛的方法之一，它主要用于不稳定的或稳定性较差的Ⅲ~Ⅳ级围岩。施工顺序（图6-1）：开挖下导坑1，并尽快架设木支撑；在下导坑开挖面后约30~50m处开挖上导坑2和架设木支撑，然后上导坑落底3；上、下导坑间开挖漏斗（见图中虚 线所示），以便于上部开挖出碴。由上导坑向两侧开挖④（“扩大”），边开挖边架设扇形木支撑；在扇形支撑之间立拱架模板，灌注拱圈混凝土（Ⅴ），边灌注边顶替、拆除扇形支撑；开挖中层⑥（“落底”）；左右错开，纵向跳跃开挖马口⑦、⑨，每个马口的纵向长度不宜超过拱圈灌注节长的一半；紧跟马口开挖后，立即架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土Ⅷ、Ⅹ；挖水沟、铺底（在隧道底部铺设不小于10cm厚的混凝土）。应说明的是，上导坑由2和3两部组成，这是因为当在软弱地层中施工时，由于木支撑难以及时支护，往往拱顶围岩会有较大的下沉，所以必须留足沉落量（20~50cm），这就导致上导坑开挖高度较高，使得工人施工很不方便，故一般分为上、下两部开挖。 图6-1上下导坑先拱后墙法下导坑上导坑上导坑落底扩大立模板，灌浇混凝土养生7-10d挖中层挖马口砌边墙优点：在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易。缺点：开挖两个导坑增加工程造价；开挖马口时施工干扰大；衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理。16344279ⅦⅤX123467Ⅶ9XV5015~2015~2015~2015~2020~1015~2020~50 开挖两个导坑增加工程造价；开挖马口时施工干扰大；衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理。优点在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易。缺点上下导坑法『6.1.2▎下导坑先拱后墙法下导坑先拱后墙法主要用于Ⅱ~Ⅲ级围岩。施工顺序如图6-2：以下导坑领先，2、3、4部开挖完成时，断面如蘑菇形，以后步骤与上下坑先拱后墙法相同。 图6-2下导坑先拱后墙法下导坑先拱后墙法有出渣方便，施工安全的优点。缺点是：消耗的木材钢轨较多，棚架易因爆破受损，挖马口还影响施工进度，衬砌的整体性也差。Ⅶ6Ⅴ下导坑30～5011Ⅶ6443210～1510～15拉槽挑顶50～6040～5010～15扩大灌拱挖马口砌边墙3246Ⅴ 『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NewAustrianTunnelingMethod，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，是包含设计于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，如图6-3所示。全断面法常适用于Ⅰ~Ⅲ级硬岩的石质隧道，可采用深孔爆破施工。 1-全断面开挖；2-锚喷支护；3-模筑混凝土掘进方向231231图6-3全断面施工方法优点：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，工序少，干扰少，便于施工组织与管理，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，对围岩的震动次数较少，有利于围岩稳定。缺点：是由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每 循环工作量相对较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。①用钻孔台车钻眼，然后装药、联接导火线；②退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；③排除危石；④喷射拱圈混凝土，必要时安设拱部锚杆；⑤用装碴机将石碴装入运输车辆，运出洞外；⑥喷射边墙混凝土，必要时安设边墙锚杆；⑦根据需要可喷第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑧开始下一轮循环；⑨通过量测判断围岩和初期支护的变形，待基本稳定后，施作二次模注混凝土衬砌。全断面施工工序 1)加强对开挖面前方的工程地质和水文地质的调查。2)各工序机械设备要配套。3)加强各种辅助施工方法的设计和施工检查。4)重视和加强对施工操作人员的技术培训。5)在选择支护类型时，应优先考虑锚杆和喷射混凝土、挂网、拱架等支护型式。全断面施工注意问题2.台阶法是新奥法中适用性最广的施工方法，多适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩中。它将断面分成上半断面和下半断面两部分分别进行开挖，如图6-4所示，随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层。根据台阶的长度，它有长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种方式。 1—上半部开挖2—拱部喷锚支护3—拱部衬砌4—下半部中央部开挖5—边墙部开挖6—边墙部喷锚支护及衬砌2614553图6-4台阶施工方法1)长台阶法如图6-5a，上、下开挖断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞宽。施工时，上、下部可配备同类机械进行平行作业。当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，习惯上又称为“半断面法”。 （2）短台阶法如图6-5b，这种方法也是分成上下两个断面开挖，两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于1~1.5倍洞宽，或5~50m，上下断面基本上可以采用平行作业，其作业顺序和长台阶法相同。短台阶法能缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，当遇到软弱围岩时需慎重考虑，必要时应采用辅助施工措施稳定开挖工作面，以保证施工安全。图6-5台阶法掘进方向掘进方向B21B2(1~1.5)B12212B1a)>5B112掘进方向b)c)a)长台阶法b)短台阶法c)超短台阶法 (3)超短台阶法如图6-5c，这是一种适于在软弱地层中开挖的施工方法，一般在膨胀性围岩及土质地层中采用。为了尽快形成初期闭合支护以稳定围岩，上下台阶之间的距离进一步缩短，上台阶仅超前3~5m，不能平行作业，只能采用交替作业，因而施工进度会受到很大的影响。在软弱围岩中采用超短台阶法施工时应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对围岩采用预加固或预支护措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小导管等。台阶法优点：开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度，有利于稳定，上部开挖支护后，下部作业较安全。缺点：上下部作业互相干扰，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。 1)台阶数不宜过多，台阶长度要适当，一般以一个台阶垂直开挖到底，保持平台长2.5m~3m为好。2)个别破碎地段可配合喷锚支护和挂网施工。3)上部开挖时，因临空面较大，易使爆破面渣块较大，不利于装渣，应适当密布中小炮孔。3)采用台阶法开挖关键问题是台阶的划分形式。台阶划分要求做到爆破后渣量较大，钻孔作业面与出渣运输干扰少。台阶法注意问题3.分部开挖法(1)台阶分部开挖法又称环形开挖留核心土法，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。上部留核心土可以支挡开挖工作面，增强开挖工作面的稳定，施工安全性较好。一般环形开挖进尺为0.5m~1.0m，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖，开挖和支护顺序如图6-6所示。 掘进方向7541327126453图6-6台阶分部开挖法1—上弧形导坑开挖2—拱部喷锚支护3—拱部衬砌4—中核开挖5—下部开挖6—边墙部喷锚支护及衬砌7—灌筑仰拱优点：与超短台阶法相比，台阶的长度可以加长，相当于短台阶法的台阶长度，减少了上下台阶的施工干扰，施工速度可加快。而且较侧臂导坑法的机械化程度高。缺点：开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，将可能使围岩变形增大，需要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。 (2)单侧壁导坑法适用于围岩稳定性较差（如软弱松散围岩），隧道跨度较大，地表沉陷难于控制地段。该法确定侧壁导坑的尺寸很重要，一般侧壁导坑的宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，导坑可分二71583426掘进方向743132图6-7单侧壁导坑法1—侧壁导坑开挖2—侧壁导坑锚喷支护及设置中壁墙临时支撑3—后行部分上台阶开挖4—后行部分下台阶开挖5—后行部分喷锚支护6—拆除中壁墙7—灌筑仰拱8—灌筑洞周衬砌次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便，开挖和支护顺序如图6-7所示。 优点：是通过形成闭合支护的侧导坑将隧道断面的跨度一分为二，有效地避免了大跨度开挖造成的不利影响，明显地提高了围岩的稳定性。缺点：是因为要施作侧壁导坑的内侧支护，随后又要拆除，增加了工程造价。(3)双侧壁导坑法又称眼镜工法，适用于在软弱围岩中，当隧道跨度更大（如三车道公路隧道等）或因环境要求，且要求严格控制地表沉陷地段。开挖和支护顺序如图6-8所示。导坑尺寸拟定的原则同单侧壁导坑法，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑应错开开挖，以避免在同一断面上同时开挖而不利于围岩稳定。 231347掘进方向64385172612图6-8双侧壁导坑法1—侧壁导坑开挖2—侧壁导坑锚喷支护及设置中壁墙临时支撑3—后行部分上台阶开挖4—后行部分下台阶开挖5—后行部分喷锚支护6—拆除中壁墙7—灌筑仰拱8—灌筑洞周衬砌双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多一点，对围岩的扰动次数增加，且初期支护全断面闭合的时间延长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工期间变形几乎不发展。该法施工安全，但进度慢，成本高。 (4)其他施工方法中隔墙法（简称“CD”法）和交叉中隔墙法（简称“CRD”法）是两种适用于软弱地层的施工方法，特别是对于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下铁道施工中，因其造价高，故在山岭隧道中很少采用，但在特殊情形中，也可采用，如膨胀土地层。『6.2.5▎新奥法施工中可能发生的问题及处理措施新奥法施工的基本原则：是根据围岩性质允许产生适量的变形，但又不使围岩松动失稳。根据实践经验，将新奥法中经常出观的一些异常现象及应采取的措施列于表6-1中。 1．全断面开挖2．超前预裂爆破、切缝等释放能量1．瓦斯检测并进行稀释2．注水瓦斯或岩爆1.缩短掘进长度，尽快闭合支护2.改变施工方法1.增补锚杆(根数、直径、密度)2.改变锚杆型号或类型(如将砂浆锚杆改为中空锚杆)锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂。1.挂钢筋网2.打局部锚杆3.设置系统锚杆开挖后尽快喷射混凝土，并适当加厚喷层或封闭支护。喷混凝土层出现明显裂缝、脱离甚至塌落1.缩短掘进长度2.预加固地层3.改变施工方法1.加厚底脚处的喷射混凝土，增加支撑面积。2.尽快施作仰拱，形成闭合支护地基承载力不足，下沉增大或产生底鼓。1.加强排水措施(井点降水等)2.注浆止水3.改变施工方法1.加速混凝土硬化(增加速凝剂等)2.喷射混凝土前作好排水3.设置钢筋网，或将钢筋网格加密。开挖面出现涌水或涌水量增加1.加钢支撑2.预支护围岩3.改变施工方法立即施喷混凝土和打锚杆开挖面顶部出现掉块1.缩小开挖断面，改变施工方法。2.预支护围岩(打超前导管等)3.必要时设置钢支撑1.缩短掘进长度，保留核心土2.向掌子面或隧底喷射混凝土，形成封闭支护净空位移量增大，位移速率变快，掌子面变得不稳定措施B措施A施工中现象表6-1施工中的现象及处理措施 注：A指进行比较简单的改变就可解决问题的措施；B指包括需要改变支护方法等比较大的变动才能解决问题的措施。『6.2.5▎新奥法与传统矿山法的区别新奥法与传统矿山法的基本施工程序看上去大致相同，但实际上对隧道结构产生的效果却截然不同。现将二者的主要区别列于表6-2。分块较多分块较少施工方法无必须采用量测可采用必须采用控制爆破不强调强调闭合支护单层模注混凝土衬砌复合式衬砌永久支护木支撑为主、钢支撑喷锚支护临时支护支护传统矿山法新奥法开挖方法表6-2传统矿山法与新奥法施工的区别 『6.3▎新奥法的施工技术『6.3.1▎新奥法施工程序否修改施工方案改变开挖步骤、顺序修正支护参数是确定施工方法施工准备开挖现场监控量测初期支护防水层二次衬砌竣工采用新奥法施工的隧道，施工时应视其规模、地质条件以及安全合理施工的要求，充分利用现场量测信息指导施工，根据已建立的量测管理基准，对隧道的施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整。其主要施工程序如图6-9所示。图6-9新奥法施工程序是否符合管理基准 『6.3.2▎新奥法施工基本原则少扰动新奥法施工基本原则早支护勤量测紧封闭在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间；是指开挖后及时施作初期喷锚支护，使围岩的变形进入受控制状态；指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式和开挖方法，确保施工得以安全和顺利地进行；指要尽快形成对围岩的封闭形支护，这样做可以有效控制围岩变形，使得支护和围岩共同进入良好的工作状态。 『6.3.3▎锚杆1.锚杆的支护效应是利用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。使用机械装置、粘结介质，将其安设在地下工程的围岩或其他工程体中，形成能承受荷载，阻止围岩变形的锚杆支护。把隧道洞壁附近具有裂隙、节理的不稳定岩体，用锚杆固定在深层的坚固稳定的岩体上，将不稳定岩体的重量传递给深层坚固岩体承担，起到悬吊效应，如图6-10所示。(1)悬吊效应图6-10悬吊效应图 (2)组合梁效应锚杆可将若干层层状岩体串联在一起，增大层间的摩阻力形成组合梁效应，如图6-11所示。图6-11组合梁效应图(3)加固梁效应按一定间距在隧道周边呈放射状布置的成组锚杆(或称系统锚杆)，可使一定厚度范围内有节理、裂隙的破裂岩体或软弱岩体紧压在一起形成连续压缩带。这种加固效应在使用预应力锚杆时显得十分明显，如图6-12所示。在锚杆预张应力P的作用下，每根锚杆周围都形成一个两头呈圆锥形的筒状压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此搭接，形成锚杆 一条厚度为W的均匀压缩带。在均匀压缩带中产生了径向压应力sr，给压缩外的围岩提供了径向支护抗力，使围岩接近于三向受力状态，增加了围岩的稳定性。图6-12加固效应2.锚杆的种类锚杆须具备的两个基本条件：①受力后产生变形，且其本身不受破坏；②与围岩保持紧密接触。锚杆间松动带拱效应0r+Lr0θσrσWDD 1)全长粘结型锚杆，包括普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。2)端头锚固型锚杆，包括机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥端头锚杆等。3)摩擦型锚杆包括缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆等。4)预应力锚杆和自钻锚杆等。锚杆种类3.锚杆的布置和质量检查锚杆的布置分为局部布置和系统布置。局部布置主要用在坚硬而裂隙发育或有潜在龟裂及节理的围岩，重点加固不稳定块体。锚杆局部布置时，拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉，拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。系统布置的锚杆应用在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩条件下，并符合下列规定： 1）锚杆一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩层层面明显时，应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。2）锚杆应按矩形排列或梅花形排列。3）锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时，可采用长短锚杆交错布置。4）两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.0m，三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m。锚杆质量检查，包括长度、间距、角度、方向、抗拔力等。其中主要是抗拔力试验，对于重要工程可增加灌浆密度试验。『6.3.4▎钢拱架在围岩条件较差地段或地面沉降有严格限制时，应在初期支护内增设钢拱架。常用的钢拱架有：钢筋格栅拱架、工字形型钢拱架、U形型钢拱架和H形型钢拱架。 1）钢拱架支护必须有足够的刚度和强度，能够承受隧道施工期间可能出现的荷载。2）钢拱架支护间距宜为0.5~1.5m。钢拱架应分节制作，节段与节段之间通过钢板用螺栓连接或焊接。3）采用钢拱架支护的地段连续使用钢拱架的数量不小于3榀；钢拱架支护榀与榀之间必须用直径18~22mm的钢筋连接，连接筋的间距不大于1m，并在钢拱架支护内缘、外缘交错不置。4）钢拱架与围岩之间混凝土保护层厚度不应小于40mm；临空一侧的混凝土保护层厚度不应小于20mm。『6.3.5▎喷射混凝土1.喷射混凝土的特点 喷射混凝土是用喷射机把渗有速凝剂的粗细骨料混凝土以适当的压力，高速喷射到隧道岩壁表面凝结而成的混凝土。由于混凝土颗粒在高速度喷射的猛烈冲击下，混凝土被连续地捣固和压实，具有密实的结构和较好的物理力学性能。喷射混凝土具有充填裂隙加固围岩、封闭围岩壁面防止风化和喷射混凝土与围岩组成共同承载体系等特点。喷射混凝土与普通模筑混凝土比较有如下优越性：1）喷射混凝土致密，早期强度高，可与围岩牢固粘结形成整体，改传统模筑混凝土的消极支护为积极支护，且薄层柔性喷射混凝土与围岩能够共同变形，从而减少作用在支护结构上的压力；2）能及时支护，有效地控制围岩的有害变形，有利于安全施工； 3）不用模板、拱架，节省大量钢木材料，相应的降低了隧道工程的造价；施工工艺简单，操作方便，机械化程度高，减轻劳动强度，提高施工效率。2.喷射混凝土的喷射方式(1)干喷将砂、石、水泥按一定比例干拌均匀投入喷射机，同时加入速凝剂，用高压空气将混合料送到喷头，再在该处与高压水混合后以高速喷射到岩面上。其工艺流程如图6-13所示。(2)潮喷将砂、石料预加水，使其浸润成潮湿状，再加水泥拌合均匀，从而降低上料和喷射时的粉尘，其工艺流程同干喷。(3)湿喷用湿喷机压送拌合好的混凝土，在喷头处添加液态速凝剂，再喷到岩面上。工艺流程如图6-14所示。 细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机速凝剂压缩空气喷头水图6-13干喷、潮喷工艺流程细骨料粗骨料水泥搅拌机湿式喷射机速凝剂压缩空气喷头水外加剂图6-14湿喷工艺流程 3.喷射混凝土的材料及其组成掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。水泥喷射混凝土的材料砂子石子速凝剂水应符合普通混凝土所要求的用砂标准。采用坚硬、耐久的卵石或碎石。石子的最大粒径与混凝土喷射机的输料管直径有关，一般不宜超过管内径的1/3。加速混凝土的凝结、硬化，提高早期强度；减少回弹量；防止因重力作用而引起的流淌或脱落；增大一次喷射厚度，缩短分层喷射的时间间隔。用水的要求与普通混凝土相同，水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。(1)喷射混凝土的材料 (2)喷射混凝土的配合比和水灰比1)配合比指每1m3喷射混凝土中水泥、砂子和石子的重量比例。2)水灰比它也是影响喷射混凝土地强度和其他物理力学性能的重要因素。若水灰比过小，不仅料束分散，回弹量增多，粉尘大，而且喷层上会出现干斑，砂窝等现象，影响喷射混凝土的密实度。当水灰比过大时，会造成喷层流淌、滑移，甚至大片坍落，影响混凝土强度。4.喷射混凝土的机械(具)设备喷射作业的机械(具)设备主要包括：混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。 混凝土喷射机 空压机搅拌机 5.喷射混凝土的施工工艺(干式喷射)在喷射作业中要掌握好几个问题：(1)风压、水压参考风压与混合料水平运送长度(输料管长度)的简单关系初步选择风压，一般要求风源风压应稳定在0.4～0.65Mpa才能在喷嘴处使风压稳定在0.1～0.25Mpa范围内。若风压过小，则喷射动能太小，粗骨料冲不进砂浆层而脱落；若风压过大，则喷射动能大，粗骨料会碰撞岩面而回弹。为保证高压水从水环孔眼中告诉射出形成水雾，使干拌合料充分湿润水化，水压要比风压高0.1～0.15MPa。一般规定喷射作业区的系统水压应大于0.4Mpa。 (2)喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度通常在喷头上接一个直径为100mm长为0.8～1.0m的塑料拢料管。它使水泥充分水化，且喷射混凝土束集中及回弹石子不致伤害喷射手。当风压适宜时，喷嘴与受喷岩面之间的距离以0.8～1.2m为宜。喷嘴与受喷岩面的角度，一般应垂直或稍微向刚喷射过的混凝土部位倾斜（不大于10°），以使回弹物收到喷射束的约束，抵消部分弹回的能量而减少回弹量。喷射拱部时应沿径向喷射。(3)一次喷射的厚度及各喷层之间间隔时间当喷层较厚时需分层喷射。一次喷射的厚度应根据喷射效率、回弹损失、混凝土颗粒之间的凝聚力和喷层与受喷面间的粘着力等因素确定。 (4)喷射分区与喷射顺序为了减少喷射混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象，喷射时应按照分段、分部、分块、由下而上，先边墙后拱墙和拱腰，最后喷拱顶的原则进行。6.喷射混凝土堵管问题的处理粗集料过大；混合料湿度过大致使摩擦力增大；输料软管弯头过小及风压偏；司机操作不对，如先开马达后给风；混合料未吹完就停风；误开放气阀而停风等。喷射机司机立即关闭马达，随后关闭风源，喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。当找到堵管部位后，可将风压升到0.3～0.4Mpa(不超过0.5Mpa)，并用锤击堵管部位，使其畅通。排出堵管时，喷嘴前方严禁站人，以免被喷伤。原因解决 7.钢纤维喷射混凝土工艺喷射混凝土在抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击性等方面都存在明显的不足，喷层开裂、剥落时有发生，并导致落石、渗水等一系列病害。钢纤维喷射混凝土是指在喷射混凝土中加入一定数量的钢纤维。由于钢纤维均匀分布在混凝土中，为混凝土提供了非连续性的微型配筋，从而提高了材料的抗拉、抗弯、抗冲击和耐磨性以及早期强度、韧性和延展性，并改善了其他物理力学性能。钢纤维喷射混凝土的物理力学性能，受到钢纤维的形状、长径比、掺入量及在混凝土中的分布状态，排列方向等各种因素的影响。 8.喷射混凝土的质量检查为了确保喷射混凝土的质量，应作如下几方面检查：1）每批原材料进库(场)，均用进行质量检查与验收。2）喷射混凝土强度检查。3）喷层与围岩粘结情况的检查。4）喷层厚度的检查。『6.3.6▎复合式衬砌复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌要以下规定：1）初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射泥土、锚杆、钢筋网和钢拱架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。 2）二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。3）在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑初期支护并预留适当的变形量。『6.4▎洞口段及明洞施工方法『6.4.1▎洞口段施工方法1.洞口段的概念所谓“洞口段”，是指隧道开挖可能给洞口地表造成不良影响(下沉、塌穴等)的洞口范围。一般情况下，可将洞口浅埋段划分为洞口段，见图6-15。 图6-15洞口段的一般范围注：H为深浅埋分界处覆盖层厚度，约为2～2.5倍天然拱高度。隧道洞口工程主要包括边仰坡土石方、边仰坡防护、路堑挡护、洞门圬工、洞口排水系统、洞口检查设备安装和洞口段洞身衬砌等。洞门结构一般在暗洞施工一段以后再做。边仰坡防护应及时作好。洞门位置明暗交界H明洞段暗洞段洞口段 2.进洞方法洞口段施工中最关键的工序就是进洞开挖。洞口段施工方法的确定取决于诸多因素，如地质条件、地形条件、施工机具配备情况、洞外相邻建筑的影响、隧道自身构造特点等。其中最主要的是地质条件。(1).全断面法进洞当洞口段围岩为Ⅰ~Ⅱ级，地层条件良好时，一般可采用全断面直接开挖进洞，初始10m~20m区段的开挖，应将爆破进尺控制在2m~3m。洞口3m~5m区段可以挂网喷混凝土及设钢拱架予以加强，其余施工支护一般采用素喷混凝土支护，视情况也可在拱部设置局部锚杆。(2).台阶法进洞当洞口段围岩为Ⅲ~Ⅳ级，地层条件较好时，可采用台阶法进洞。爆破进尺控制在1.5m~2.5m。施工支护采用系统锚杆和钢筋网喷射混凝土，必要时设置钢拱架加强施工支护。 (3).其它进洞方法当洞口段围岩为Ⅴ级及以上，地层条件很差时，还可考虑采用环形开挖留核心土法、侧壁导坑法或下导坑法等。开挖进尺应控制在1.0m以下，宜采用人工开挖，必要时才采用弱爆破。施工支护必须紧贴开挖工作面，然后才能进行开挖，随挖随支。施工支护采用网喷混凝土，系统锚杆；钢拱架纵向间距为0.5~1.0m，必要时可施做临时仰拱。开挖完毕后及早施作钢筋混凝土衬砌。若洞口有坍方、落石的威胁，或仰坡不甚稳定，还可用接长明洞的方式进洞。『6.4.2▎明洞施工方法1.先墙后拱法又称“全部明挖先墙后拱法”，如图6-16。适用于埋深较浅，且按临时边坡开挖能暂时稳定的对称式明洞。 图6-16明洞先墙后拱法图1-台阶1开挖2-台阶2开挖3-台阶3开挖4-灌注边墙5-灌注拱部优点：衬砌整体性好，施工空间大，有利于施工。缺点：是土方开挖量大，刷坡较高。2.先拱后墙法当路堑边坡较高、明洞埋置较深，或明洞位于松软地层中，不能明挖一挖到底时(全部明挖可能引起边坡坍塌)，应采用先拱后墙法施工，如图6-17。3213211：n1：m5454 施工步骤：开挖拱部以上土石(挖至拱脚)，灌注拱圈，作外贴式防水层，进行初步回填，然后暗挖拱脚以下土石，灌注边墙，故又称明拱暗墙法。优点：土石方开挖量较小，刷坡较低。缺点：衬砌整体性较差，边墙的施工空间窄小，防水层施作不方便。图6-17明洞先拱后墙法1-上台阶开挖2-灌注拱部3-下台阶中央开挖4-左侧马口开挖5-灌注左侧边墙6-右侧马口开挖7-灌注右侧边墙641：m12357 『6.5▎辅助施工方法预留核心土喷射混凝土封闭开挖工作面超前锚杆(亦可用小钢管)管棚临时仰拱封底。预支护措施辅助施工方法预加固措施预注浆加固地层地表喷锚预加固超前小导管注浆等预支护与预加固双重作用 『6.5.1▎超前锚杆在隧道开挖之前，在开挖面的拱部一定范围内，沿隧道断面的周边，向地层内打入一排纵向锚杆(或小钢管)，通过锚杆对围岩的加固作用，形成超前于工作面的围岩加固棚，在此棚的保护下进行开挖。开挖一个进尺后，再打入一排纵向锚杆，再掘进，如此往复推进，如图6-18所示。图6-18超前锚杆设置方式 超前锚杆设计遵循的原则：1）超前锚杆设置范围，对于拱部宜为隧道拱部外弧全长的1/6~1/2。2）锚杆长度定为3~5m，拱部超前锚杆纵向两排之间应有1m以上的水平搭接段；锚杆间距，Ⅳ级围岩定为40~60cm，Ⅴ级围岩宜为30~50cm。3）充填砂浆宜采用早强砂浆，其强度等级不应低于M20。超前锚杆主要适用于土砂质地层、膨胀性地层、裂隙发育的岩体以及断层破碎带等，其设计参数见表6-3。5°~10°5°~10°30~503~53220~25Ⅴ5°~10°5°~10°40~603~53218~22Ⅳ小钢管锚杆外插角环向间距(cm)锚杆、小钢管长度(m)小钢管直径(mm)锚杆直径(mm)围岩级别表6-3超前锚杆、超前小钢管设计参数 注：1.外插角指锚杆或小钢管与隧道纵向开挖轮廓线的夹角。2．锚杆或小钢管的长度应与实际掘进循环长度一起考虑。3．中空锚杆目前的最小直径为25mm。『6.5.2▎管棚当隧道位于松软地层、遇到塌方、浅埋隧道，要求限制地表沉陷量，或很差的地质条件下进洞时，均可采用管棚预支护。在所有的预支护措施中，它是支护能力最强大的，但其施工技术也较复杂，造价较高。设置方式如图6-19。图6-19管棚设置方式钢拱架1°～2°钢管(φ70～180)钢管(φ70～180)纵向连接钢筋 钢管构造如图6-20，管壁上须留注浆孔，孔径为10～16mm，孔眼间距为100～200mm，呈梅花形布置。钢管注浆有两种方式，一种是通过管壁上的注浆管向地层内注浆，另一种主要是为了增加钢管刚度，向钢管内注入混凝土。图6-20管棚钢管构造f70～f180200200100100100100钢管注浆孔钢筋笼f10～f16注浆孔 管棚设计遵循的原则：1）管棚的形状和导管的布置应根据隧道开挖面的形状选择。2）导管环向间距应根据地层性质、地层压力、导管设置部位、钻孔机具和隧道开挖文式等条件确定，一般为30~50cm，纵向两组管棚间应有不小于3.0m的水平搭接长度。3）导管宜选用热轧无缝钢管，外径宜为80~180mm，长度为10~45m分段安装时，分段长4~6m，前后两段管子之间用丝扣连接或焊接，连接的长度为10～45m。4）导管上的注浆孔孔径宜为10~16mm，间距宜为15~20cm，呈梅花形布置。5）当需增加管棚钢架支护的刚度时，可在钢管内注入水泥砂浆。6）在护拱上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设的管棚孔不得侵入隧道开挖轮廓线，孔深设计宜为10~45m。护拱的基础应放在稳定的基础上。 『6.5.3▎超前小导管注浆超前小导管注浆也是一种广泛使用的辅助施工措施，它往往与钢拱架一起设置。设置方式如图6-21所示。小导管注浆属渗入性注浆，虽然钢管本身的支护能力不如管棚，但其注浆加固地层的效果比管棚好。它适用于较干燥的砂土层、砂卵(砾)石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段。图6-21超前小导管设置方式小导管(钢管)纵向连接筋钢拱架10°～15°小导管(f38～f42) 超前小导管设计遵循的原则为：1）小导管宜采用直径42~50mm的无缝钢管，长度宜为3~5m。2）小导管前部注浆孔孔径宜为6~8mm，间距宜为10~20cm，呈梅花形布置，尾部长度不小于30cm。3）小导管环向设置间距可为20~50cm，外插角10°~30°，两小导管间纵向水平搭接长度不小于100cm。4）小导管应与钢拱架组成支护系统。超前小导管支护刚度和预支护效果均大于超前锚杆，如图6-22。在开挖掘进之前，先用喷射混凝土将开挖面和5m范围内的隧道围岩壁面封闭，然后沿拱部周边一定范围打入小导管，导管的外插角宜控制在10~15°。小导管插入钻孔后应外露一定长度(约20cm)，以便连接注浆管。两组小导管前后纵向搭接长度不小于1m。导管的尾部通常从格栅钢拱架的腹部穿过并与钢拱架焊接牢固，共同组成预支护系统。 图6-21超前小导管钢管构造小导管注浆以加固围岩为主，因此通常压注水泥砂浆，水灰比为0.5~1.0。当岩体破碎，围岩止浆效果不好时，亦可采用水泥～水玻璃双液注浆。注浆以后应进行效果检查，可以用地质钻取注浆后的岩芯检查，也可以用声波探测仪测量岩体声波速度，判断注浆效果。检查结果如未达到要求，应进行补孔注浆。f37～42钢管锥头注浆孔预留止浆段铁箍≥30cm注浆孔管壁梅花型布置注浆 『6.5.4▎预注浆加固地层在开挖之前，先往地层中注浆以加固围岩。超前钻孔注浆加固注浆加固地层的灌注管一般采用带孔眼的焊接钢管或无缝钢管，为了防止浆液反流，要堵塞钻孔壁与灌注管之间的孔隙，常用的堵塞方式有两种，一种是普通堵塞，就是用铅丝、木楔等材料在注浆孔口将缝隙堵死，它适用于浅孔注浆；另一种是专用的止浆塞，用橡胶制作，套在注浆管上，靠注浆压力使其挤紧孔壁来止浆，这种方法多用于深孔注浆。地表注浆加固预注浆加固地层 『6.5.5▎地表锚喷预加固在浅埋洞口地段，由于覆盖层较薄，可能会形成边挖边塌的局面，使得进洞困难；在偏压洞口段，往往一侧边坡开挖过高，形成不稳定边坡，危及施工和运营。在这样的情况下，可采用地表锚喷加固。通过对地表的预加固，可以使得进洞顺利进行，也可以为改变坡率创造条件。(1)洞口边仰坡表层预加固先按设计坡度刷坡，然后沿坡面喷射混凝土，必要时加设钢筋网。适用于松软砂土质地层坡面的加固，可防止表层的剥落和滑塌。(2)洞门上方陡坎加固和仰坡加固如图6-23所示，洞门上方陡坎系指洞门端墙施工前，衬砌拱顶外缘至仰坡坡脚的陡立壁面。如果岩体较软弱，可往陡坎中水平打入锚杆(或小导管)，锚杆布置宽度以隧道洞宽为准，并喷射混凝土将陡坎面封闭，必要时加设钢筋网。 图6-23洞口上方陡坎加固(2)洞口浅埋段预加固当洞口自然坡面较平缓，围岩软弱，隧道覆盖层浅，洞口开挖后地层不能自稳时，以锚杆加固为主，最好能将锚杆伸至衬砌拱圈外缘的设计位置，以增加锚杆锁固围岩的能力。地表锚喷预加固喷射混凝土厚度一般为5～10cm，锚杆常用20锰硅螺纹钢筋，直径16～22cm，长度一般为3～6m，或依具体情况而定，钢筋网用A3钢筋，直径6～8mm，编扎成40cm×40cm的网格，焊接于锚杆地表出露端。 『6.6▎特殊地质地段施工方法特殊地质地段是指膨胀地层、软弱黄土层、塌方、岩溶、岩爆、流砂、高地温、瓦斯等地层。特殊地质地段隧道，由于岩层的地质条件成因复杂，地质条件具有突变性，事故具有突发性，对隧道施工的危害极大。因此除了应遵守一般技术要求外，还应采取针对性较强的辅助施工方法。『6.6.1▎膨胀性围岩1.膨胀性围岩的特性隧道开挖不久，常见到围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。隧道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的推移，会出现支撑破坏、衬砌变形。 膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，都将破坏围岩的稳定性。2.膨胀土围岩对隧道施工的危害由于膨胀土围岩的特殊工程地质性质及其围岩压力特性，使隧道存在普遍开裂、内挤，甚至局部坍塌等变形现象。膨胀土隧道围岩变形常具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难等特点。施工中常见出现围岩裂缝、隧道下沉、围岩膨胀突出和坍塌、底鼓以及衬砌变形和破坏等现象。3.隧道在膨胀土围岩中的施工要点 (1)加强对围岩压力及流变的调查和量测在施工过程中，除了位移量测外，还应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，分析其变化规律。对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。(2)合理选择施工方法在膨胀土隧道中常用的施工方法有：短台阶或超短台阶法、单侧壁导坑法、眼镜工法等。后两种方法适于跨度较大的隧道，但它们的断面闭合时间较迟，必须注意防止边墙混凝土受压向隧道内挤。另外环形开挖留核心土法、中隔墙法等也可采用，具体选择应依据施工条件而定。 (3)加强支护膨胀性围岩地段隧道，除开挖后需立即喷射混凝土外，应及早进行支护。当膨胀压力较大时，应根据实际情况及围岩变形状态，可采用不同类型的型钢支撑，或钢管环箍支撑、钢格栅支撑等。拱圈灌注后，拱脚部位应立即设置足够强度的横撑，以抵挡两侧围岩向内挤压变形。『6.6.2▎黄土1.黄土对隧道施工的影响(1)黄土节理在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节理，并有一定延续性。在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于隧道顶部，则极易产生“塌顶”。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。 (2)黄土冲沟地段、黄土溶洞与陷穴隧道在黄土冲沟或塘边地段施工时，当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塘边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。黄土溶洞与陷穴是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压，(3)水对黄土隧道施工的影响黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后则呈不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成隧道坍塌。 若洞内排水不良，洞内道路会泥泞难行，不论是无轨还是有轨运输都会给道路的维护、机械的使用与保养、隧道的铺底或仰拱施工等作业造成很大的困难。2.黄土隧道施工要点黄土隧道施工，应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切割而形成的不稳定部位，在施工时应加强支护措施，防止坍塌，确保安全施工。施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，要求施工工序紧凑，精心组织施工。开挖方法宜采用短台阶法或环形开挖留核心法，初期支护应紧跟开挖面施作。黄土围岩开挖后不能暴露时间过长，否则围岩壁面会风化至内部，使得土体松弛加快，以至发生坍方。 做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。3.黄土隧道的洞门设计应遵循的原则非湿陷性黄土地基上的洞门设计应考虑地表水冲刷防护；湿陷性黄土地基上的洞门，应根据黄土的物理性质，对端、翼墙地基采取适当的换填夯实措施；黄土隧道洞门墙背上的压力可按库仑理论计算，同时应考虑土壤粘聚力的作用，根据地质条件选择合理的洞门形式，同时要对洞门的稳定性进行相关演算。『6.6.3▎溶洞 1.溶洞的类型溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种类型。当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞位于隧道顶部，洞穴大且岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理。有时溶洞或溶槽位于隧道掌子面前方且有大量淤泥质充填物，当隧道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入隧道，难以遏止，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或地下暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道。有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。2.隧道溶洞处理措施 隧道通过岩溶区，应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，据以确定施工方法。在岩溶地段，隧道常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”四种。(1)引遇到地下暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。应在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵管或小桥等设施渲泄水流，或开凿泄水洞将水排除洞外(如图6-24)。图6-24桥涵宣泄水流 (2)堵对已停止发育、跨径较小，无水的溶洞，可根据具体情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石回填封闭；或加深边墙基础，加固隧道底部(如图6-25)。当隧道拱顶有溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或网锚喷加固，必要时可考虑注浆，并加设隧道护拱及拱顶回填进行处理(如图6-26)。图6-25溶洞堵填图6-26锚杆加固与护拱干砌片石混凝土填实浆砌片石浆砌片石锚杆浆砌片石或混凝土护拱片石、碎石回填密实 (3)越当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过(图6-27)。隧道底部遇有较大溶洞并有流水时，可在隧道底部以下砌筑圬工承重墙，支承隧道结构，跨越而过，在承重墙内应套设涵管引排溶洞水(图6-28)。隧道过墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或隧底以下筑拱跨过(图6-29)。图6-27加深边墙基础图6-28在承重墙内设涵管图6-29筑拱跨越溶洞 (4)绕岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采用迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道前方的施工，以节省时间，加快施工进度，同时处理溶洞。绕行开挖迂回导坑时，应与溶洞保持一定的间距，以防止洞壁失稳。3.溶洞地段施工的注意事项1)当施工到达溶洞边缘时，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。同时应利用探孔或物探作超前预报，设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。2)施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。当溶洞较大、较高且顶部破碎时，应先喷射混凝土加固，再在靠近溶洞顶部附近打入锚杆，并应设置施工防护架或钢筋防护网。 3)爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，控制爆破药量，减少对围岩的扰动，防止一次爆破后溶洞内的填充物突然大量涌入隧道，或溶洞水突然袭击隧道，造成严重损失。4)在溶洞充填体中掘进，如充填物松软，可用超前支护施工。如充填物为极松散的砾石、块石堆积或流塑状粘土及砂粘土等，可于开挖前采用地表注浆、洞内注浆或地表和洞内注浆相结合加固。如遇颗粒细、含水量大的流塑状土壤，可采用劈裂注浆技术，注入水泥浆或水泥水玻璃双液浆进行加固。5)溶洞末做出处理方案前，不要将弃碴随意倾填于溶洞中。因弃碴覆盖了溶洞，不但不能了解其真实情况，反而会造成更多困难。 『6.6.4▎塌方1.发生塌方的主要原因(1)不良地质及水文地质条件1）隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲摺、错动发育地段，一经开挖，潜在应力迅速释放、围岩失稳，轻则引起围岩掉块、坍落，重则引起坍方。2）当通过各种堆积体时，由于围岩结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌。3）在软弱结构面发育或泥质充填物过多的地层中，均易产生较大的坍塌。4）隧道穿越地层覆盖过薄地段，如在沿河傍山、偏压地段、沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段极易发生坍方。 5）岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，因而发生滑坍。6）地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧了岩体的失隐和坍落。(2)隧道设计考虑不周1）隧道选定位置时，地质勘查不细，未能作详细的分析，或未能查明可能坍方的因素。没有绕开可以绕避的不良地质地段，使得隧道选址不合理。2）设计本身可能存在不合理的地方。(3)施工方法和措施不当1）施工方法与地质条件不相适应；地质条件发生变化时，没有及时改变施工万法；工序间距安排不当，致使支护应该尽快闭合而没有闭合。 2）喷锚支护不及时，围岩暴露时间过久。喷射混凝土的质量、厚度不符合要求。3）按新奥法施工的隧道，没有按规定进行量测，或信息处理失误、或反馈不及时，导致决策失误，丧失了对围岩的有效控制。4）没有科学地进行控制爆破，围岩爆破用药量过多，因而扰动过度，引起坍塌。5）对危石检查不重视、不及时，或处理危石措施不当，引起岩层坍塌。2.塌方前的预兆1）量测信息所反应的变形速度或数值超过允许值。2）喷射混凝土产生纵横向裂纹或龟裂。3）在坑顶或坑壁发现不断掉下土块、小石块或构件支撑间隙不断漏出砂、石屑。4）岩层层理、节理缝或裂隙变大、张开。5）隧道内渗水、滴水突然加剧或变浑。 3.预防塌方的施工措施选择安全合理施工方法加强塌方预测预防塌方施工措施先排水短开挖弱爆破强支护快衬砌勤检查、勤量测观察法一般量测法微地震学测量法和声学测量法加强初期支护 4.隧道塌方的处理措施隧道发生坍方后，应及时迅速的处理，切忌拖延。处理时必须详细观测坍方的范围、形状及坍穴的地质构造，查明坍方发生的原因和地下水活动情况，制定切实可行的处理方案。可按下列方法进行处理：(1)小坍方坍穴不高，且纵向延伸不长，首先加固坍体两端洞身，并抓紧喷射混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部，再进行清碴。在确保安全的前提下，也可在坍碴上架设临时支架，稳定顶部，然后清碴。临时支架的拆除须待灌筑衬砌混凝土达到要求强度后方可进行。最后要用浆砌片石或干砌片石将坍穴填满。 (2)大坍方坍穴高、坍碴数量大，且坍碴体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。在查清坍穴规模大小和穴顶位置后，可采用管棚法和注浆固结法稳固围岩和碴体，待其基本稳定后，按先上部后下部的顺序清除碴体，并尽快完成模注混凝土衬砌(加强型)。对衬砌背后的空穴，可先用浆砌片石回填一定厚度，再以弃碴填实。当坍穴很大，全部填满有困难时，也可考虑采用喷锚支护等方法稳定坍穴洞壁，或请设计单位共同做出处理。(3)坍方冒顶指一直坍到了地表。在清碴前应先支护陷穴口，地层极差时，可在陷穴口附近地面布置地表锚杆对地层予以加固，洞内坍体可采用管棚等方法穿越。同时，地表陷穴要用雨布遮盖，周围开挖临时排水沟，以防雨水流入洞内。 (4)洞口坍方指进洞方法不当导致洞口地表塌方，需采取明洞的方法(现场也称之为“暗洞明作”)进洞。一般来说，接了明洞以后都可以解决问题，但增加了工程造价。(5)防排水的处理措施隧道坍方往往与地下水的活动密切相关，故“治坍应先治水”是隧道施工的基本常识。一旦发生坍方，首先应积极采取措施，截断地表水渗入坍体范围，在洞内防止地下水渗入坍方地段，以免坍方继续扩大。具体措施有：1)地表沉陷和裂缝，用粘土紧密夯实，周围开挖截水沟，防止地表水渗入。2)坍方冒顶时，在陷穴口地表四周挖沟排水，设雨棚遮盖穴顶。陷穴口的回填应高出地面，用粘土或圬工封口。 3)坍体内有地下水活动时，应用管槽引至排水沟排出，以防止水对坍体的继续破坏。『6.6.5▎岩爆是岩体中聚集的高弹性应变能，因隧道开挖而发生的一种应力释放现象。地层岩性条件地应力条件岩爆形成条件只发生于结构完整或基本完整的脆性硬岩地层中。多见于石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体；岩爆多发生于埋深大的隧道中，因只有埋深大才足以形成高地应力。 岩爆的工程现象：当隧道开挖时，岩体受到急剧破坏，岩片由围岩壁面上突发性地飞出，发出爆裂声，而且大都发生在隧道掌子面附近及侧壁上，有时频繁出现，有时甚至会延续一段时间后才逐渐消失。1.隧道内岩爆的特点1)岩爆在未发生前并无明显的预兆，虽然经过仔细找顶，但并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠落。在没有支撑的情况下，对施工安全威胁甚大。2)岩爆时，岩块自洞壁围岩母体迸射而出，一般呈中间厚边缘薄的不规则片状，块度大小多呈几厘米长宽的薄片，个别达几十厘米长宽。严重时，上吨重的岩石从拱部弹落，造成岩爆坍方。 3)岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近，个别的也发生在距新开挖工作面较远处，岩爆多发生在爆破后2~3小时。4)在溶孔较多的岩层里，则不会发生岩爆。2.岩爆的防治措施喷射混凝土或喷钢纤维混凝土、锚杆加固、喷锚支护、网锚喷联合、钢支撑网喷联合等。目的是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，达到延缓或抑制岩爆发生的目的。强化围岩弱化围岩岩爆防治措施往岩层中注水，注水能改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。解除围岩中的高地应力，方法有超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。目的是消减围岩中的能量，便能量平和地转化或释放。 3.岩爆地段隧道施工的注意事项1)如设有平行导坑，则平导应超前于正洞一定距离，以了解地质，判断是否会发生岩爆，为正洞施工达到相应地段时加强防治提供依据。如有条件，可采用声波探测预报岩爆工作。2)爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等。爆破应严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的扰动。3)根据岩爆发生的频率和规模情况，必要时应考虑缩短爆破循环进尺。初期支护和衬砌要紧跟开挖面，以尽可能减少岩层的暴露面和暴露时间，防止岩爆的发生。 4)岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段；采用摩擦型锚杆进行支护，增大初始锚固力；喷射钢钎维混凝土，抑制开挖面围岩的剥落；采用钢支撑加固。5)充分作好岩爆现象观察记录，以备分析。『6.6.6▎高地温一般在火山地区修建隧道会遇到高温高热的情况，如日本某地的发电厂工程的隧道，其围岩温度高达175℃。在高温隧道中发生过施工人员被地层中喷出的热水或硫化氢等有害气体烫伤或中毒的事例。1.高地温的热源①地球的地幔对流；②火山岩浆集中处的地热；③放射性元素的裂变热成为热源。 对隧道工程造成施工影响的，主要是火山的热源和放射性元素的裂变热源。(1)火山的热源由火山供给的热使地下岩浆附近的地下水成为热水，这种热水(泉水)成为热源又将热供给周围的岩层。隧道穿过这种岩层时，就会发生高温高热的现象。(2)放射性元素裂变热的热源根据日本文献介绍，由于地壳内岩石中含有放射性物质，其裂变热产生地温，地下温度随深度的增加而增加，其平均增温率为3℃/100m。这说明如果覆盖层很厚，即使没有火山热源供给，也可能形成高温、高热。2.隧道在高地温地区的施工措施 1)为保证隧道施工人员进行正常的安全生产，我国有关部对隧道施工作业环境的卫生标准专门有规定。如铁道部规定，隧道内气温不得超过28℃；交通部规定，隧道内气温不宜高于30℃。国外的资料介绍，日本规定隧道内温度低于37℃。2)为达到规定的标准，在施工中一般采取通风和洒水的措施降温。3)应密切注意高温地段的衬砌混凝土施作。在高温(如70℃)的岩体及喷射混凝土上浇筑二次混凝土衬砌时，即使厚度再薄，水化热也不易逸出，由于混凝土里面和表面的温差，在早龄期有可能存在裂缝。因此，对二次混凝土衬砌应采取防止裂缝的措施: a.为了防止高温时的强度降低，应选定合适的水灰比，并考虑到对温泉水的耐久性，宜采用高炉矿碴水泥。混凝土配合比和掺合剂应作试验优选。b.在防水板和混凝士衬砌之间设置隔热材料，可在一定程度上隔断由围岩传播过来的热量，使混凝土内的温度应力降低。c.适当缩短衬砌混凝土的浇筑长度。d.用防水板和无纺布组合成缓冲材料，将二次混凝土衬砌与喷混凝土隔离，可使混凝土衬砌的收缩不受约束。4)根据隧道内的高温程度、劳动强度和劳动效率，合理确定劳动工时，以保证施工人员的健康，同时也保证了进度的顺利开展。 『6.6.7▎瓦斯地层瓦斯是地下隧道内有害气体的总称，其成分以沼气（甲烷CH4）为主，一般习惯即称沼气为瓦斯。当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等岩层，或从其附近围岩破碎、节理发育的地层中穿过时，可能会遇到瓦斯。如果隧道内空气中瓦斯浓度达到爆炸限度，一旦与火源接触，就会引起爆炸，给隧道施工安全带来很大的危害。1.瓦斯的性质1)瓦斯(沼气)为无色、无臭、无味的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起，发生类似苹果的香味，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人窒息或发生死亡事故。 2)瓦斯比重为0.544，仅为空气的一半，所以瓦斯容易积聚在隧道顶部，其扩散速度比空气大1.6倍，很容易透过裂隙发育、结构松散的岩层。3)瓦斯不能自燃，但极易燃烧。2.瓦斯的燃烧和爆炸性当隧道中的瓦斯浓度小于5%遇到火源时，瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸。瓦斯浓度在5%～6%到14%～16%时，遇到火源具有爆炸性。瓦斯浓度大于14%～16%时，一般不爆炸，但遇火能平静地燃烧。瓦斯燃烧时，一旦遇到障碍而受压缩，就会形成爆炸。爆炸时能发生高温。发生瓦斯爆炸后的隧道内完全无氧，而充满氮气，二氧化碳及一氧化碳气。这些有害气体很快传到邻近的隧道和工作面，来不及躲避的人员，都会中毒窒息，甚至死亡。 3.瓦斯释放的方式比渗出强烈，从煤层或岩层裂缝或孔洞中放出，喷出时间有长有短，通常有较大的响声和压力。渗出缓慢、均匀、不停地从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，有时带有一种嘶音。此种方式释放的瓦斯量为最大且不易被人发觉。喷出突出在短时间内，从煤层或岩层中，突然猛烈地喷出大量瓦斯，喷出的时间能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。地层中瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和施工缝等通道渗入隧道内。瓦斯渗入量不仅与煤层中瓦斯含量、压差有关，而且与衬砌材料、接缝材料的渗透性质有关，也与隧道内空气的流动速度等因素有关。施工阶段运营阶段瓦斯释放方式 4.防止瓦斯事故的措施1)隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援等措施。2)在选择瓦斯地区的施工方法时，要求各工序间距尽量短．尽快对瓦斯地段进行衬砌封闭，并保证混凝土的密实性，以防瓦斯溢出。故尽量选择分部少的施工方法，只要条件许可，应尽可能采用全断面开挖，或采用台阶法。3)加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。把空气中瓦斯浓度吹淡到爆炸浓度以下的1/5～1/10，排出洞外。4)洞内空气中允许的瓦斯浓度应控制在下述规定以内:①在洞内总回风风流中小于0.75%；②从其他工作面进来的风流中小于0.5%；③在掘进工作面为2%以下；④工作面 装药爆破时在1%以下；⑤当开挖工作面风流中和电动机附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停工、停机，撤出人员，切断电源，进行处理。开挖工作面内，局部积聚的瓦斯浓度达到2%时，在附近20m内，也必须停止工作，切断电源，进行处理。因瓦斯浓度超过规定而切断电源的电气设备，都必须在瓦斯浓度降到1%以下时，方可重新开动。5)如开挖进入煤层，瓦斯排放量较大，使用一般的通风手段难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。在开挖前沿掌子面的整个周边，呈辐射状布孔注浆，形成一个全封闭截堵瓦斯的惟幕。特别对煤层垂直方向和断层地带进行阻截注浆，其效果会更佳。开挖后及时进行喷锚支护，保证其厚度，以免漏气和防止围岩失稳。 6)采用防爆设施a)在瓦斯散发区段，使用防爆安全型的电器设备。机械施工时，要防止金属与坚石撞击、摩擦而发生火花。b)采用非电毫秒爆破，并使用安全炸药，采用毫秒雷管时，最后一段的延迟时间不得超过130ms。c)洞内使用防爆灯或蓄电池灯照明。只准用电缆，不准使用皮线。7)严格执行有关制度a)严格执行瓦斯防爆的技术安全规则与有关制度。指定专人定时或随时测量洞内风流和瓦斯含量。瓦斯检查手段可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪。 瓦斯报警器b)洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电筒及其他易燃品带入洞内。c)进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育。抢救人员未经专门培训不准在瓦斯爆炸后进洞抢救。『6.6.8▎松散地层、流砂松散地层指漂卵石地层、极度风化破碎已失岩性的松散体、砂夹砾石和含有少量粘土的土层、无胶结松散的干沙等。其特点是：结构性弱、稳定性差，在隧道施工中极易发生坍塌，若有地下水则坍塌更易发生。 松散地层常用施工方法：先支护后开挖、密闭支撑、边挖边封闭的方法。施工时主要是为了减少对围岩的扰动，必要时采用超前注浆预加固地层的方法，及早控制地下水。流沙是沙土或粉质粘土在水的作用下丧失其内聚力后形成的，多呈糊浆状。开挖时容易引起围岩失稳坍塌，支护结构变形，甚至倒塌破坏，因此对隧道施工的危害极大。治理流沙必先治水，以减少地层的含水量为主。加强调查，制订方案因地制宜，综合治水先护后挖，加强支护尽早衬砌，封闭成环流沙治理措施 『6.7▎钻爆开挖和装渣运土『6.7.1▎钻爆开挖钻爆开挖作业是在岩体上钻凿出一定孔径和深度的炮眼，并装上炸药进行爆破，从而达到开挖的目的，是隧道施工中较关键的基本作业。开挖作业应做到的要求：①按设计要求开挖出断面(包括形状、尺寸、表面平整、超欠挖等要求)；②石碴块度(大小)适中，抛掷范围相对集中，便于装碴运输；③钻眼工作量少，掘进速度快，少占作业循环时间，尽量节省爆破器材；④在充分发挥爆破能力的前提下，减小对围岩的震动破坏；⑤减少对施工用机具设备及支护结构的破坏，减少对周围环境的破坏（特别是隧道洞口地段爆破时）。 1.爆破破岩作用及有关概念(1)无限介质中的爆破作用假定将药包埋置在无限介质中进行爆破，则在远离药包中心不同的位置上，其爆破作用是不相同的。大致可以划分为四个区域，如图6-30所示。图6-30爆破周围区域划分1)压缩粉碎区。它是指半径为R1范围的区域。该区域内介质距离药包最近，受到的压力最大，故破坏最大。当介质为土壤或软岩时，压缩形成一个环形体孔腔；介质为硬岩时，则产生粉碎性破坏，故称为压缩粉碎区。震动区4R3R2RR1压缩粉碎区抛掷区破坏区 2)抛掷区。R1与R2之间的范围叫抛掷区。在这个区域内介质受到的爆破力虽然比压缩粉碎区小，但介质的结构仍然被破坏成碎块。炸药爆炸能量除对介质产生破坏作用外，尚有多余能量使被破坏的碎块获得运动速度，在介质处于有临空面的空间时，则在临空面方向上被抛掷出去，产生抛掷运动。3)破坏区。该区又叫松动区，是指R2与R3之间的区域。爆炸能量在此区域内只能使介质破裂松动，已没有能力使碎块产生抛掷运动。4)振动区。R3与R4之间的范围叫爆破震动区。在此范围内，爆破能量只能使介质发生弹性变形，不能产生破坏作用。(2)爆破的基本概念1)临空面。又叫自由面，是指暴露在大气中的开挖面。 2)爆破漏斗。在有临空面的情况下，炸药爆破形成的一个圆锥形的爆破凹坑就叫爆破漏斗。爆破抛起的岩块，一部分落在漏斗坑之外形成一个爆破堆积体或飞石，另一部分回落到漏斗坑之内，掩盖了真正的爆破漏斗，形成看得见的爆破坑，叫做可见爆破漏斗，如图6-31所示。图6-31爆破漏斗R1RWrp 3)爆破作用指数。爆破漏斗半径r与最小抵抗线W的比值n(n=r/W)称为爆破作用指数，这是一个描述爆破漏斗大小，爆破性质，抛掷堆积情况等因素的重要相关系数。通常爆破作用指数相应的爆破效果也不同。n=1称为标准抛掷爆破，其漏斗称为标准抛掷爆破漏斗n＞1称为加强抛掷爆破或扬弃爆破0.755B2B