T地下結構工程－教學11

地下結構工程（第六講）7、地下結構工程的施工新技術2002年5月14日包括四個方面的問題

7.1地下結構工程施工技術概述7.2鉆爆法7.3TBM技術和盾構技術7.4非開挖技術與微型隧洞施工技術7.1地下結構工程施工技術概述地下結構工程按照規(guī)模分，有大、中、小不同類型。大的指大型洞室，或洞室群。如水電站地下廠房、主變室、調(diào)壓室、地下倉庫、地下體育館、地下劇場、地下停車庫；以及地下軍事設施如飛機庫、潛水艇庫、彈藥庫等。特點是規(guī)模大，斷面型式復雜，必須分多期（3期以上）開挖，且三維尺寸比較接近，三維效應明顯，必須進行三維空間分析。

中型一般尺寸適中，斷面可一次成型或2～3期完成開挖。隧洞一般屬于這個范疇。某一個方向的尺寸遠遠大于其它兩個方向，斷面型式簡單，往往可簡化為平面問題分析。

小型或微型地下結構。一般指地下通道或管道。斷面尺寸在1.5～2m以下，甚至施工人員根本無法進入的小型管道。規(guī)模不同，施工方法也會有所不同根據(jù)地下結構周圍的介質(zhì)情況，又可以分為軟巖、硬巖中的地下結構施工。方法和考慮的問題又有不同。地下結構施工本身又主要分為互相矛盾的兩類：開挖和支護（建造）。開挖是矛，支護是盾。硬巖難于開挖，但開挖出的洞室容易穩(wěn)定，也不需要太多的支護。軟巖容易開挖，但圍巖卻難以穩(wěn)定，往往需要較強大的支護。無論開挖或支護，硬巖還是軟巖，地下水都是很大的麻煩，必須認真對付。7.2鉆爆施工法（DrillingandBlasting）鉆爆法是常規(guī)、傳統(tǒng)的開挖方法。它的優(yōu)點是；比較靈活，可以很快地開始開挖施工；可以開挖各種形狀、尺寸、大小的地下洞室；既可以采用比較簡單便宜的施工設備，也可以采用先進、高效、比較貴的施工設備；既可以造應堅硬完整的圍巖，也可以適應較為軟弱破碎的圍巖。一般短洞、地下大洞室、不是圓形的隧洞、地質(zhì)條件變化大的地方都常用鉆爆法。

但是鉆爆法也有一定的局限性或缺點。由于采用炸藥爆炸，造成有害氣體，對通風要求較高，一般開挖隧洞，獨頭推進長度不能超過2ｋｍ，再長，通風問題就更困難了，不能及時散煙，就會影響工期。鉆爆法由于采用爆炸，在城市人口密集地區(qū)不能采用。震動可能影響附近的建筑或居民生活，巨大的響聲也是不允許的。長洞，又沒有條件布置施工支洞、施工斜井的，往往不宜采用鉆爆法。地質(zhì)條件很差，特別軟弱的地方，也不必采用鉆爆法。下面分別介紹鉆爆法的各工序:鉆孔－裝藥放炮－排煙通風－清撬－出渣

7.2.1鉆孔1、人工打釬?，F(xiàn)代工程中已很少采用這種重體力勞動方式。2、風鉆鉆孔。風鉆空壓機提供壓縮空氣，一般風壓6kg／cm2。空壓機站通過固定的管路系統(tǒng)向各工作面供風。移動的空氣壓縮機向就近的工作面供風。前者多用電動，容量大，管理人員少，成本低，許多大工地經(jīng)常采用這種方式。后者多用柴油，6m3/min的空壓機帶動１～２把風鉆，沒有電源的地方也可施工。小型工地，或大工地作為輔助，也常采用這種方式。

鉆具也是多種多樣的。1、手風鉆，比較靈活，但操作起來勞動強度很大。2、氣腿風鉆，即用壓縮空氣支承與加力的風鉆，也比較靈活，而勞動強度可以大大減輕，設備費用也很少。風鉆可以打向下的孔，水平及斜向上的孔?？讖揭话?5mm，孔深一般3m，再深也可以，但要接長鉆桿等等，比較麻煩。小型工程，或大型工程中作為輔助修邊，常用風鉆打孔。3、潛孔鉆。潛孔鉆也是風動工具，將風鉆架設在履帶車上，一般打向下垂直的孔，或稍為傾斜的孔，孔深可達６～８ｍ，多用于大型洞室向下作臺階擴挖。4、4、鉆車、多臂臺車。是現(xiàn)在常用的比較先進的機具，多半是液壓電動輪式移動，小型的只有一把鉆，大型的可以有三把鉆，成為多臂臺車。多臂臺車由１～２人操作，三個臂可同時打孔，可打水平孔、斜孔，也可打垂直孔。最大工作高度約可達１０ｍ，最佳工作高度則不超過8.5m。多臂臺車車鉆孔深深度一般般不超過過４～５５ｍ，打打孔速度度很快，，一般巖巖石中１１分鐘就就可鉆進進１ｍ。。鉆孔孔孔徑一般般也是45mm，主要用于于水平鉆鉆孔，開開挖隧洞洞。多臂臂臺車鉆鉆孔完畢畢后，即即可迅速速撤至安安全地區(qū)區(qū)，或轉轉移至其其他工作作面。因因此效率率很高，，運用很很靈活，，是我國國許多大大型工地地的主要要設備之之一。多臂臺車車的設備備價格甚甚高。以以前幾乎乎為瑞典典AtlasCopco公司所壟壟斷，每每臺要百百萬美元元以上。。近年來來我國南南京水工工機械廠廠與之合合作生產(chǎn)產(chǎn)，每臺臺價格也也要人民民幣百萬萬元以上上。多臂臺車車上還有有一個可可升降移移動的工工作臺，，可以用用來裝藥藥、清撬撬、觀測測、放線線。多臂臂臺車也也可用來來打錨桿桿孔，安安裝錨桿桿，是一一個多用用途的設設備。7.2.2裝裝藥放放炮隧洞開挖挖時，掏掏槽孔裝裝藥最多多，周邊邊孔裝藥藥較少。。也就是是掏槽孔孔藥卷直直徑大些些，連續(xù)續(xù)裝藥；；周邊孔孔藥卷直直徑小些些，例如如20mm，間隔裝藥藥。中間間崩落孔孔在兩者者之間。。布孔密度度、裝藥藥數(shù)、每每ｍ‘石石方用藥藥量等爆爆破參數(shù)數(shù)均可在在施工中中視具體體情況修修正。一一般堅硬硬完整的的巖石，，要求爆爆破后塊塊度較小小，洞截截面較小小，則單單位開挖挖量炸藥藥用量較較多，例例如1.5～2.0kg／ｍ3.反之，用用藥較少少，可小小于1.0kg／ｍ3.為了提高高爆破效效果，為為了減少少爆破對對周圍建建筑及對對圍巖的的破壞，，一個斷斷面上把把炸藥分分成許多多組逐組組起爆。。中心掏掏槽孔附附近各組組之間可可以相隔隔幾毫秒秒起爆，，即采用用毫秒延延遲雷管管、靠外外邊幾組組可以各各相隔1秒或2秒起爆爆，即采采用秒延延遲雷管管。每一一瞬間起起爆的炸炸藥總量量要適當當控制，，例如不不超過10～20kg。水利水電電工地一一般常用用防水硝硝銨炸藥藥，每孔孔放兩個個雷管，，用非電電導火線線引爆。。所謂非非電導火火索雷管管是一種種很細的的塑料管管，內(nèi)涂涂厚度只只有幾微微米的炸炸藥。將將這種導導火索有有系統(tǒng)地地連接起起來，各各根導火火索通向向各孔中中的火雷雷管，這這些火雷雷管有分分級分時時的延遲遲效應。。用火雷雷管引爆爆總導火火索，各各導火索索以每秒秒近5000ｍｍ的燃燒燒速度，，點燃各各孔中的的火雷管管，經(jīng)過過延遲，，各孔炸炸藥分段段起爆。。采用這種種非電導導火線及及雷管，，主要原原因是為為了安全全，一般般電雷管管受到強強感應電電也會起起爆，這這是比較較危險的的，因為為洞內(nèi)有有不少高高電壓設設備。一一般火雷雷管，有有時會因因潮不能能起爆，，甚至造造成瞎炮炮。而非非電雷管管免除了了這些缺缺點，可可以保證證安全生生產(chǎn)。裝藥時，，一定要要用木棍棍操作。。用木棍棍將藥卷卷推入孔孔內(nèi)，用用木棍將將孔口堵堵塞段黃黃泥或沙沙壓實。。鐵棒棒容易與與石頭撞撞擊出火火星，引引起以外外事故。。7.2.3通通風排排煙通風的目目的是排排走洞內(nèi)內(nèi)因為爆爆破產(chǎn)生生的廢氣氣，以及及由于施施工機械械、人員員、等其其他原因因產(chǎn)生的的廢氣，，并向洞洞內(nèi)提供供新鮮的的空氣。。通風還還能降低低洞內(nèi)的的悶熱程程度，改改善施工工環(huán)境。。爆破后產(chǎn)產(chǎn)生的有有害氣體體：CO；NO等氮氧化化合物H2S（硫化氫））CH4(甲烷)洞內(nèi)空氣氣中CO的濃度不不允許超超過50ppm。。NOx的濃度不不允許超超過25ppm。。CO2的濃度要要小于5000ppm，，H2S要小于10ppm，，CH4要小于1.5％％。氧氣氣濃度應應為18％。上式為爆爆炸后排排除煙塵塵所需的的風量Q（m3）。K，通風系數(shù)數(shù)，壓入入時用0.4；；吸出時時0.3P，一次爆破破產(chǎn)生的的CO氣體量m3，CO氣體容許許濃度（（50ppm），容許的最最長通風風時間，，一般10～20分鐘鐘隧洞的主主要通風風方式有有兩種。。一種是是壓入式式，新鮮鮮空氣從從洞外用用鼓風機機一直送送到工作作面附近近。一種種是吸出出式，用用抽風機機將混濁濁空氣由由洞內(nèi)排排向洞外外。前者者風管為為柔性的的管壁，，一般是是加強的的塑料布布之類；；后者則則需用剛剛性的排排氣管，，一般是是薄鋼板板卷制而而定。我我國大多多數(shù)工地地均采用用壓入式式。如果果鼓風距距離太長長，可用用幾臺軸軸流風機機串聯(lián)接接力。根根據(jù)通風風量的要要求、通通風管路路長短及及直徑，，可以選選擇風機機的規(guī)格格。對于大型型地下洞洞室，通通風設計計更為復復雜，不不僅要計計算通風風量，選選擇通風風設備，，更重要要的是要要組織好好氣流方方向，不不要產(chǎn)生生死角，，回流區(qū)區(qū)，一般般要布置置一些通通風豎井井、斜井井。大型地地下洞洞室一一般從從下部部洞室室進風風，從從上部部洞室室出風風，在在天氣氣晴朗朗時，，這樣樣像煙煙囪一一樣的的排風風效果果是不不錯的的。但但在陰陰冷潮潮濕的的季節(jié)節(jié)，高高處冷冷空氣氣下沉沉，低低處熱熱空氣氣要上上升，，有可可能堵堵塞在在豎井井或斜斜井中中，使使得整整個地地下工工程系系統(tǒng)通通風效效果極極為惡惡化。。因此此，最最好在在豎井井、斜斜井中中裝設設排風風設備備，加加以改改善。。7.2.4清清撬撬危巖巖清撬這這一工工序十十分重重要。。它是是在爆爆破后后將已已完全全松動動，但但尚未未掉落落的石石塊撬撬下來來。以以往是是用人人工舉舉著長長鋼釬釬去撬撬，勞勞動強強度很很大，，又非非常危危險。。目前前，設設備較較好的的工地地，或或者用用液壓壓錘去去敲打打，或或者用用正反反向挖挖土機機的挖挖斗去去扒、、去刮刮，總總之用用設備備在遠遠距離離操作作，這這樣比比較安安全。。一般開開挖一一個循循環(huán)后后，要要清撬撬半小小時。。清撬過過度、、形成成不必必要的的超挖挖，浪浪費人人力物物力；；清撬撬不夠夠，造造成局局部掉掉塊坍坍落，，容易易造成成事故故。因因此，，這個個工作作常由由有經(jīng)經(jīng)驗的的工人人掌握握。在軟弱弱破碎碎圍巖巖中，，圍巖巖本身身就不不甚穩(wěn)穩(wěn)定越越撬掉掉塊越越多，，這個個工作作有時時更難難掌握握，只只能將將十分分危險險的撬撬除，，緊接接著立立刻噴噴混凝凝土，，一層層不夠夠，再再加一一層，，然后后加錨錨筋，，加鋼鋼筋網(wǎng)網(wǎng)再噴噴，務務必使使圍巖巖盡快快穩(wěn)定定住。。7.2.5出出碴碴現(xiàn)代地地下工工程中中出碴碴的設設備歸歸結起起來為為兩大大類，，一種種是裝裝卸設設備，，一種種是運運輸設設備。。最常用用的裝裝車設設備有有兩種種，一一種是是側卸卸式輪輪式裝裝載機機。它它和普普通常常見的的裝載載機類類似，，但有有幾個個明顯顯的特特點，，一是是正向向裝碴碴之后后，側側向卸卸碴；；二是是功率率大，，斗容容量大大，一一般大大中工工程常常用的的斗容容量達達６m3；三是轉轉彎半半徑小小，活活動靈靈活。。以上上特點點都是是為了了適應應地下下工程程的特特點，，適合合在狹狹小的的場地地，用用較少少的設設備，，較高高速度度地完完成任任務。。與裝裝碴機機配套套的一一般常常用自自卸卡卡車，，系無無軌運運輸。。另一種種常用用的裝裝載設設備為為蟹爪爪式扒扒料機機，或或氣動動式翻翻斗裝裝料機機。這這兩種種裝碴碴機都都可以以配合合斗車車一類類的有有軌運運輸工工具。。蟹爪爪式扒扒料機機前面面有兩兩個大大扒子子，可可將石石碴扒扒到中中間的的皮帶帶運輸輸機上上，皮皮帶運運輸機機將石石碴傳傳送到到后面面的運運輸車車斗中中去。。氣動動式翻翻斗裝裝料機機前面面是一一個裝裝斗，，裝上上石碴碴后，，迅速速往后后面翻翻倒，，裝到到運輸輸車上上去。。其設設備尺尺寸較較小，，生產(chǎn)產(chǎn)率不不如爪爪式扒扒料機機。常用運運輸設設備有有無軌軌、有有軌兩兩大類類。無無軌運運輸即即自卸卸卡車車，其其載重重量自自8噸噸至25噸噸不等等。在在隧洞洞中調(diào)調(diào)頭是是一個個重要要的問問題。。一是是選用用朝兩兩個方方向都都可以以駕駛駛的特特制翻翻斗車車；或或是離離掌子子面不不遠處處設置置一個個調(diào)頭頭的轉轉盤，，卡車車開上上轉盤盤，轉轉盤轉轉180度度卡車車退至至掌子子面，，裝好好石碴碴后正正向開開出洞洞去。。再一一種辦辦法是是開挖挖丁字字岔洞洞或將將洞加加寬，，以便便汽車車調(diào)頭頭。對對于大大型地地下廠廠房來來講，，由于于洞室室寬敞敞，一一般汽汽車調(diào)調(diào)頭不不會成成為嚴嚴重的的問題題。無軌運運輸最最大的的好處處是比比較靈靈活，，坡度度可以以陡到到10％，，甚至至再陡陡一些些。但但缺點點是汽汽車排排出廢廢氣多多，因因此通通風條條件要要好；；再者者是設設備貴貴、損損耗大大，尤尤其是是輪胎胎，要要有充充足的的備品品。另一類類是有有軌運運輸，，最輕輕便的的是軌軌距為為610mm的小斗斗車，，每車車裝載載0.6m3；幾個車車連成成一列列，由由電瓶瓶車或或小柴柴油車車拖動動。這這種方方式目目前只只在小小型工工地上上運用用，生生產(chǎn)率率較低低。一一般大大中型型工地地采用用有軌軌運輸輸時多多用特特制的的大型型出碴碴車，，車身身長，，高度度矮，，容量量可達達10～20m3車廂底底部為為一可可動的的履帶帶，在在車身身一端端裝料料，由由于履履帶同同步轉轉動，，很快快就將將全車車身裝裝滿。。有軌運運輸?shù)牡膬?yōu)點點是廢廢氣排排出量量少，，比較較干凈凈。缺缺點是是不夠夠靈活活，要要不斷斷延伸伸、維維護軌軌道；；再有有就是是坡度度不能能太大大，常常用坡坡度均均在0.1～0.3％以以下。。因此此，多多用于于平直直坡小小的隧隧洞中中，而而在大大型地地下廠廠房中中很少少采用用。7.2.6其其他他輔助助工作作隧洞或或地下下洞室室開挖挖中還還有許許多重重要的的輔助助工作作。排排水、、照明明、機機修，，都是是必要要的，，缺一一不可可。風風、水水、電電供應應也是是必須須的。。隧洞若若是上上坡掘掘進，，一般般采用用明溝溝自流流向外外排水水。如如果是是下坡坡掘進進，就就要用用水泵泵向外外排水水。一一般設設一移移動的的集水水箱，，掌子子面上上的水水，用用小型型潛水水泵排排入集集水箱箱，再再用集集水箱箱上的的泵經(jīng)經(jīng)比較較永久久固定定的排排水管管道排排至洞洞外。。照明、、機修修、風風、水水、電電均有有專人人負責責，隨隨開挖挖掘進進向前前延伸伸。TBM——（（FULLFACE）TUNNELBORINGMACHINE（全斷斷面））隧道道掘進進機SHIELD（（TBM）————盾構（（全斷斷面隧隧道掘掘進機機）盾構掘掘進技技術綜綜合了了機械械、冶冶金、、材料料、電電子、、計算算機、、自動動控制制、化化學、、巖土土、系系統(tǒng)管管理等等各方方面先先進技技術7.3TBM及盾構構技術術TBM和盾構構是當當代地地下施施工技技術的的集中中體現(xiàn)現(xiàn)7.3.1盾構掘掘進機機的歷歷史1818年年由法法國人人布魯魯內(nèi)爾爾(Brunel)發(fā)明，，1823年他他制定定計劃劃并在在1825年開開工，，用在在倫敦敦泰晤晤士河河過河河隧道道施工工上，，后來來曾多多次發(fā)發(fā)生掌掌子面面因水水壓崩崩塌的的事故故而導導致停停工。。Brunel改進了了盾構構機并并于1834年年工程程再次次上馬馬，1841年年成功功打通通了隧隧道。。1869年年，開開始建建設泰泰晤士士河第第二條條過江江隧道道，Barlow和Great采用Greathead發(fā)明的的圓形形盾構構和鑄鑄鐵管管片，，順利利建成成隧道道。1887年年，Greathead在南倫敦鐵鐵路隧道工工程組合使使用盾構和和壓氣施工工法，奠定定了目前盾盾構施工的的基礎。這這種方法在在19世紀紀末達到實實用化程度度。1917年年日本在新新瀉縣折渡渡隧道試用用盾構，沒沒有成功；；1930年在關門門鐵道隧道道中首次采采用了盾構構獲得成功功，二戰(zhàn)中中停止。直直到戰(zhàn)敗后后的50年年代后期，，才又開始始在東京、、大阪、名名古屋等城城市地鐵隧隧道中采用用。1975年研制制了礫石泥泥水盾構機機，1976年研制制了泥土加加壓盾構機機，1981年研制制了氣泡盾盾構機。中國在50年代中期期開始研制制盾構，1966年年上海隧道道公司用10m直徑的盾構構成功地修修建了黃浦浦江水底公公路隧洞。。但中間停停止了很長長時間。在在20世紀紀末的90年代，廣廣州地鐵和和上海黃浦浦江過江隧隧道施工又又開始使用用，北京則則是從今年年地鐵5號號線雍合宮宮站段施工工開始7.3.2盾構掘進機機的工作原原理1。后部鎖鎖定裝置伸伸出定位2。推進器器前伸鉆頭頭鉆進3。前鎖定定伸出后鎖鎖定退回4。前部定定位推進器器向前拉5。重復17.3.3盾構掘進機機的構成一個盾構系系統(tǒng)大體可可由幾個重重要環(huán)節(jié)組組成。首先先是盾構機機械，即開開挖隧洞的的主體設施施，其次是是洞身的管管片的制作作，再就是是管片的運運輸與安裝裝，最后灌灌漿封堵，，同時還有有裝碴、出出碴以及其其它輔助設設施。1、面板和切切削器2、護盾及及洞形保持持裝置3、動力和和控制裝置置4、泥漿供供給系統(tǒng)5、管片定定位安裝系系統(tǒng)6、管片運運輸系統(tǒng)7、灌漿系系統(tǒng)8、永久混混凝土襯砌砌系統(tǒng)盾構機為一一臥式圓筒筒形鋼結構構，盾內(nèi)設設有操縱控控制、固壁壁出碴、運運輸安裝等等各類系統(tǒng)統(tǒng)設施。盾盾構機體可可分為盾頭頭、盾身、、盾尾二部部分，盾頭頭為全斷面面刀盤，在在各種形狀狀的刀盤架架上，根扼扼地質(zhì)情況況設計安裝裝合理的刀刀頭。盾頭頭切削巖土土，并取碴碴出碴，必必要時在這這里更換刀刀頭、維護護刀具；盾盾身為操縱縱控制盾構構機運行的的地方，這這里設有控控制室，并并有機械手手在這里安安裝管片；；盾尾外部部主要是對對管片與開開挖周邊形形成的空隙隙進行填充充灌漿，其其內(nèi)部主要要是將出碴碴系統(tǒng)和管管片運輸系系統(tǒng)與后方方有機地銜銜接。盾構機的尺尺寸是這樣樣確定的：：依據(jù)隧洞洞直徑的要要求，考慮慮管片厚度度（即洞身身的厚度））確定盾殼殼外徑；根根據(jù)切削、、維修、出出碴、安裝裝管片、灌灌漿等要求求，確定其其長度。盾構技術的的關鍵在于于根據(jù)地質(zhì)質(zhì)條件與地地下水狀況況合理選用用相應的盾盾構機械，，以達到開開挖效率高高、設備制制造價格和和工程投資資較低、安安裝簡便快快捷、使用用壽命長、、操作與維維護方便等等要求。目前國際上上常用的盾盾構機械可可主要分為為泥水加壓壓式和士壓壓平衡式兩兩大類。除了采用泥泥漿或土加加壓之外，，國外還有有采用某種種化學發(fā)泡泡劑產(chǎn)生大大量泡沫在在掘進掌子子面加壓的的泡沫盾構構機。遇到較復雜雜的地質(zhì)情情況也可采采用混合式式盾構或其其它類型如如壓氣式盾盾構。7.3.4襯砌管片的構造采用盾構法法施工時，，襯砌通常常采用若干干鋼筋混凝凝土管片來來進行，一一般為7～～11片，，當隧洞直直徑很大時時，還可以以增加管片片數(shù)量，其其中一片為為關鍵片，，其它各片片可以是同同一種規(guī)格格，也可分分為兩種規(guī)規(guī)格。管片厚度及及鋼筋布置置由洞身所所受內(nèi)外壓壓力情況計計算確定，，管片長度度與寬度，，則主要考考慮每個管管片的重量量和安裝效效率來確定定，一般每每片重量達達4～7t。管片與管片片間在縱向向和環(huán)向均均有螺栓或或鍵銷連接接，當洞外外荷載遠大大于內(nèi)荷載載時，也有有在安裝、、灌漿后把把螺栓再拆拆下來的情情況。管片片與管片之之間接縫均均采用企槽槽設計，接接縫的密封封采用在槽槽中加彈力力橡膠圈和和灌漿的辦辦法來解決決。管片安裝后后，及時地地沿隧洞周周圍進行認認真的灌漿漿，是防止止地層下沉沉的重要措措施，同時時可以均勻勻地向周圍圍巖土縫隙隙灌漿，因因此也是保保證洞身完完整、進行行有效承載載的基礎