隧道施工技術(shù)探討(侯彥博)

隧道施工技術(shù)講義

中鐵二十局滬昆客專（貴州段）指揮部第三工程隊(duì)二O一三年三月前言

針對我們公司隧道項(xiàng)目較少，技術(shù)人員也較少人員參與過隧道施工的現(xiàn)實(shí)情況，本講義的思路是先就隧道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論做一些普及介紹，再按隧道施工的基本流程對一些實(shí)際施工的理論與操作、注意事項(xiàng)等做一些介紹。一、隧道設(shè)計(jì)施工基礎(chǔ)知識隧道設(shè)計(jì)施工的分類：分為兩大類：掘進(jìn)法和礦山法。兩大類施工設(shè)計(jì)理念的區(qū)別：掘進(jìn)法是以盾構(gòu)或TBM在地面以下暗挖隧道的一種施工方法。采取機(jī)械掘進(jìn)將巖石粉碎取出，該方法對巖體自穩(wěn)能力及巖體的整體性破壞較小，且掘時法可以適用于礦山法無法施工的地段，如海底隧道的施工?，F(xiàn)一般超過六、七公里的隧道用掘進(jìn)法的慢慢在增多。

TBM和盾構(gòu)機(jī)的區(qū)別：1）TBM用于硬巖，盾構(gòu)機(jī)用于土層的挖掘。2）兩者的掘進(jìn)，平衡，支護(hù)系統(tǒng)都不一樣。3）TBM比盾構(gòu)技術(shù)更先進(jìn)，更復(fù)雜。4）工作的環(huán)境也不一樣，TBM是硬巖掘進(jìn)機(jī)，一般用在山嶺隧道或大型引水工程，盾構(gòu)是軟土類掘進(jìn)機(jī)，主要是城市地鐵，及小型管道。

礦山法是采用爆破主方式將洞室?guī)r石取出，對周邊圍巖自穩(wěn)能力及穩(wěn)定性破壞也較大。礦山法又分傳統(tǒng)礦山法和新奧法。傳統(tǒng)礦山法施工設(shè)計(jì)理念是周邊所有的力都是直接作用于隧道上，不考慮隧道圍巖（圍巖是指隧道開挖洞室周邊巖體，一般是考慮施工影響隧道周邊3-4米范圍）開挖過后是無初期支護(hù)的，直接采用木支撐或鋼支撐，拆除臨時支撐后再進(jìn)行襯砌，沒有初期支護(hù)。新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是NewAustrianTunnellingMethod。新奧法概念是由奧地利學(xué)者拉布西維茲教授二十世紀(jì)五十年代提出的。新奧法是以維護(hù)和利用圍巖的自穩(wěn)能力為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射砼集合在一起作為主要支護(hù)手段，控制圍巖的變形與松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，形成錨桿、噴射砼和隧道圍巖為三位一體的承載結(jié)構(gòu)，共同承受荷載?；纠碚擖c(diǎn)：1）巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對它的擾動，圍巖軟弱時，采取措施對圍巖注漿加固。2）為充分發(fā)揮巖體的承載能力，允許并控制巖體的變形。開挖后斷面的應(yīng)力是最大的，而初支最初受力為零，隨著位移的變化圍巖應(yīng)力慢慢變小，而初支剛由于位移的產(chǎn)生受力越來越大，這兩個力在位移到一定程度后，達(dá)到了新的平衡，新奧法是允許沉降變形的，有沉降變形是正常的，但如果變形速率過大，或突變，則應(yīng)警惕。3）為改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能，應(yīng)盡快閉合，而成為封閉環(huán)。4）加強(qiáng)施工中對圍巖變形、壓力的觀測，進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)施工。5）二次襯砌原則上在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下施工的，在圍巖軟弱段應(yīng)較早施工，此時理論已不單純的是新奧法施工。6）在軟弱圍巖段要按照施工中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，遵循新奧法施工原理，軟弱地質(zhì)洞身開挖應(yīng)堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早襯砌”的原則，確保施工安全。

新奧法實(shí)際運(yùn)用與理論不相符的地方：1）設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)一成不變，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際開挖揭示的圍巖狀況來進(jìn)行不斷調(diào)整；2）、對二次襯砌的厚度設(shè)計(jì)不承載部分沒必要做得太厚，在日本及歐洲國家一般采用35厘米，二襯里加鋼筋只是起到抗震作用，對正常情況下起的作用很?。?）、超前錨桿（管）注漿液注砂漿不利。因?yàn)樵谙乱谎h(huán)施工時前方還未凝固，宜采用快凝漿液，如水泥水玻璃漿液體等。這樣才能在下一循環(huán)前固結(jié)前方松散圍巖，超到超前支護(hù)的作用；4）對拱架背后的超挖回填部分，從道理上來講，是圍巖級別較好時用開挖出來的巖石噴漿密填亦可，而設(shè)計(jì)規(guī)范要求用同級噴射砼來進(jìn)行回填。其實(shí)背后不能有空洞是因?yàn)榉乐箾_擊荷載，空洞巖石的垮落沖擊力較大，可能對初支、二襯造成破壞，而只要填充密實(shí)，荷載可以有效傳遞至初支上；5）我們的錨桿施工設(shè)計(jì)上全部設(shè)計(jì)為垂直于初支面進(jìn)行施工，我認(rèn)為這也是不科學(xué)的，應(yīng)該垂直于巖層面施工才能達(dá)到最佳的效果；6）仰拱并不是全部圍巖都設(shè)，設(shè)仰拱的目的是為了將初襯封閉成環(huán)形，圓形受力效果是最佳的，最有利的，但是如果不封閉時監(jiān)控量測能達(dá)到收斂及下沉穩(wěn)定，施工仰拱就沒有意義了。這時的隧道路面與外面的路基是沒有任何區(qū)別的，只要回填壓實(shí)達(dá)到要求即可了。而且隧道設(shè)計(jì)成圓形也是相同道理，為了增加開挖后圍巖受力較好，這造成的后果是增大了開挖方量，在II、III級圍巖段采用直墻也能滿足要求，在道理上是這樣的，當(dāng)然斷面增加類別將增大投資是另外一回事。還有在仰拱段噴射砼，這樣施工的噴射砼強(qiáng)度是比較低的，因?yàn)閲娚溥^程中除通過高壓風(fēng)將噴射砼壓密在一起的噴射砼料外，還有一部分是粘結(jié)不了的就會回彈，這部分料結(jié)合非常松弛，可以說我們仰拱的噴射砼的強(qiáng)度是遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的。以上只是個人的一些理解，不一定正確，僅供參考大家。一些設(shè)計(jì)理念隧道設(shè)計(jì)一般要早進(jìn)洞，晚出洞，避免隧道邊坡上一些危石影響運(yùn)行，盡量減少對原地貌的破壞。隧道的排水原來為“以排為主，排堵結(jié)合”，但實(shí)際操作中經(jīng)常造成隧道山頂無水，現(xiàn)已改為“以堵為主，排堵結(jié)合”。隧道施工方法

隧道常用施工方法：全斷面法，上下臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑、CD法，CRD法等。全斷面法與上下臺階法較簡單，一般圍巖較好不立拱架的斷面可采用全斷面法，立拱架的我建議采用上下臺階法可提高工效。三臺階七步法洞身開挖采用短臺階七步開挖法施工，是指隧道整個斷面開挖分三個臺階七個開挖面，以前后七個不同的位置相互錯開同時開挖，然后分部同時支護(hù),形成支護(hù)整體，盡量縮短作業(yè)循環(huán)時間，逐步向縱深推進(jìn)的作業(yè)方法，形成開挖及施作初期支護(hù),混凝土仰拱緊跟下臺階及時施作構(gòu)成穩(wěn)固的初期支護(hù)體系

。雙連拱隧道斷面左右線施工需注意的問題一般左右線要錯開30米左右，即一條隧道進(jìn)去30米后，再進(jìn)行第二條隧道的施工，地質(zhì)比較差時最好將一條隧道施工后再進(jìn)行另外一條隧道的施工。二、隧道施工主要工序一座隧道的施工，進(jìn)場之后要做好項(xiàng)目管理策劃與變更策劃，編制施工組織，按之實(shí)施。下面就簡要按照這個順序介紹一下。進(jìn)洞

首先施工洞頂及邊坡排水溝，對洞口邊坡按設(shè)計(jì)要求刷坡，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行噴錨支護(hù)進(jìn)行刷坡，對上部的危古進(jìn)行處理，施工大管棚，在洞門邊坡外側(cè)密貼立一到兩榀拱架，即使設(shè)計(jì)沒有也要架設(shè)，與巖體用錨桿連接后噴錨鎖口。如果洞口較軟弱，不需要爆破，則明洞施工后再進(jìn)行開挖，以防洞口滑坍失穩(wěn)。洞門宜盡快施作，以保證形象。開挖采用人工手持鑿巖機(jī)鉆眼爆破開挖，一般一個臺架允許14把左右YT-28風(fēng)鉆同時作業(yè)。開挖效果的好壞跟眼位的實(shí)施與爆破的合理性有直接關(guān)系，鉆眼時除楔形掏槽眼是傾斜的外，其他的均應(yīng)與隧道軸線平行，特別是周邊眼要求尤為嚴(yán)格，并使各眼位的眼底在同一個豎直面上。特殊要求地段，如靠近較高要求震速的建筑物等，可采用膨脹劑靜態(tài)破碎。開挖臺架如下圖：隧道的開挖一般采用多臂鑿巖臺車或人工持鉆開挖，但在中國人力資源較低廉，多采用人工持鉆在作業(yè)臺架上鉆眼爆破。鉆眼分為三種，中間為掏槽眼，最外輪廓為周邊眼，中間的部分為輔助眼，楔形掏槽眼一般用2米5以內(nèi)的進(jìn)尺，超過此進(jìn)尺的一般采用直眼掏槽。爆破一般采用乳化炸藥，炮眼采用非電毫秒雷管，起爆雷管采用電雷管。爆破采用微差爆破，從掏槽眼往外一般用1、3、5、7、9、11、13、15段雷管起爆，超爆順序是段數(shù)越少越早起爆，但起爆時間差較小。一般IV級圍巖如分上下斷面，則上半斷面單方炸藥耗量為0.7Kg/M3,下半斷面一般為0.4Kg/M3,因?yàn)橄屡_階有臨空面,故耗藥量較少.光面爆破為周邊眼間隔.裝藥,并配以導(dǎo)爆索.,因地質(zhì)條件的多變性，要根據(jù)爆破效果不斷進(jìn)行調(diào)整爆破方案，包括炮眼間距及裝藥量。掏槽眼主要分為楔形掏槽與直眼掏槽圖中所示為楔形掏槽直眼掏槽的原理：將炮孔分為兩段，炮泥間隔，內(nèi)側(cè)裝藥，外側(cè)不裝藥，分布在空孔周圍，上下分段微差順序起爆，使下分段藥能充分利用上分段裝藥爆后巖體內(nèi)的殘余應(yīng)力和新自由面，增強(qiáng)對巖石的破壞作用，改善巖石的效果，以獲得較深的槽腔。隧道開挖炮孔布置圖：這是考慮進(jìn)尺2米，一般是1米。以上的數(shù)據(jù)只是指導(dǎo)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)要根據(jù)實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整。爆破微差爆破：我們用的爆破為微差爆破又稱毫秒爆破，就是利用毫秒雷管或其他毫秒延期引爆裝置，實(shí)現(xiàn)裝藥按毫秒量級時間間隔順序起爆的方法。與同時起爆和秒差爆破比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1）降震減害，爆破危害減小，震幅減小，沖擊波強(qiáng)度減小，飛石距離減?。?）增強(qiáng)破碎能力，爆后塊度更均勻；3）爆炸威力增大，強(qiáng)度及能力明顯提高。預(yù)裂（光面）爆破：預(yù)裂（光面）爆破的目的是沿設(shè)計(jì)輪廓線爆破后留下的圍巖光滑平整，控制超欠挖，降低對周邊圍巖的干擾，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力。預(yù)裂爆破是先周邊眼爆破，以便在設(shè)計(jì)輪廓線處形成一條裂縫，隨后再進(jìn)行主爆破，爆破的順序是：周邊眼→掏槽眼→輔助眼→底板眼。光面爆破：沿設(shè)計(jì)輪廓打一排小間距眼（眼孔位小些更好），小藥量裝藥。光面爆破的分區(qū)起爆順序：掏槽眼→輔助眼→周邊眼→底板眼。輔助眼則應(yīng)由里向外逐層起爆。

裝藥結(jié)構(gòu)裝藥量的計(jì)算炮孔裝藥量：掏槽孔Q=η*L*r式中：η---炮孔裝藥系數(shù)，取0.9;L---孔深,一般LIII=3.2米,LIV=2.2米LV=1.3米

r---每米長度炸藥量,r=0.78kg/m

經(jīng)驗(yàn)值:QIII=2.24kg,QIV=1.54kg,,QV=1.1kg輔助孔

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周邊孔通常周邊眼裝藥量為輔助孔的1/3---Q/4。隧道爆破的安全距離隧道爆破時，個別飛石對人員安全距離設(shè)定為150m，巷道內(nèi)對設(shè)備安全距離設(shè)定為100m(指非機(jī)動設(shè)備)。當(dāng)然有條件離得越遠(yuǎn)越好。

初期支護(hù)：初期支護(hù)包含超前管棚（錨桿）支護(hù)、鋼筋網(wǎng)、錨桿、拱架、噴射砼。拱架的加工與安裝

工字鋼拱架的分節(jié)要與弧度相對應(yīng)，因?yàn)槔鋸潤C(jī)一次只能加工一個弧度。拱架的加工要預(yù)試拼，保證連接板的角度正確性，加工節(jié)數(shù)以方便施工的重量為宜。拱架要保證垂直，同時要直線段每10米打一個十字線，曲線每5米打一個十字線，保證左右兩側(cè)同步。拱架要與錨桿焊接，只靠鎖腳錨桿不能保證拱架的穩(wěn)定性，鎖腳錨桿與拱架連接宜加U形卡。拱架應(yīng)落在硬底上，否則加設(shè)砼墊塊。規(guī)范要求拱架與圍巖間的空隙應(yīng)間斷用砼塊塞實(shí)，將圍巖受力直接傳遞至拱架上。噴射砼噴射砼：利用壓縮空氣把一定配合比的砼料由管道噴嘴以高速高壓噴出，在受噴面形成砼層。增長快，強(qiáng)度增長快，密實(shí)性好，施工準(zhǔn)備簡單，適用性強(qiáng)。分為干噴、濕噴兩種。干噴：預(yù)拌干料或潮料，建議砂石料有一定含水量，以用手攥住成團(tuán)在手內(nèi)不松散，自由落至地上散開為宜。正?；貜椓考s一般30%。所用砂：宜用粗砂，砂過細(xì)則干縮量大，增加回彈量。但回彈量較大，勞動條件差，粉塵較大。所用米石：5-20的米石為宜。所拌噴漿料含水量以用手攥住手內(nèi)成團(tuán)，自然丟落散開為宜。外加劑：速凝劑、增粘劑等，一般只用速凝劑。濕噴：預(yù)拌砼，在通過濕噴機(jī)時加液體速凝劑，該施工方法不太成熟，雖然施工環(huán)境好，但回彈量較大。噴射施工應(yīng)由下向上，先墻后拱施工。開挖面找頂后考慮到安全應(yīng)初噴一層厚約5cm厚砼。噴射時先送風(fēng)，后開機(jī)，先對巖壁噴水濕潤，再給料，結(jié)束時先停料，再停風(fēng)、水。風(fēng)壓控制在0.45-0.7Mpa。作業(yè)完成后，及時清理噴漿機(jī)內(nèi)余料。噴射手與受噴面距離為.6米-1米，根據(jù)噴射砼回彈情況不斷調(diào)整。終凝后灑水養(yǎng)護(hù)7天。檢驗(yàn)要求：噴射擊隊(duì)砼的平均厚度大于設(shè)計(jì)厚度，檢查點(diǎn)數(shù)的60%以上大于設(shè)計(jì)厚度，最小不小于設(shè)計(jì)厚度的1/2。在對噴射砼強(qiáng)度要求高時，摻加鋼纖維，可大大提高強(qiáng)度