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隧道施工方法 陈秋南


隧 道 工 程

隧道工程
岩土与地下工程教研室张军伟

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『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 『 6.9 ▎隧道掘进机施工 『 6.10 ▎隧道施工现场监控量测

6

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『 6.1 ▎传统矿山法
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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
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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

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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。

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V Ⅴ 2 2 4

4
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3 6

4
X 9 1

3
6 7 Ⅶ 9X



7

1

50 15~20 15~20

15~20

15~20

20~10 15~20

20~50

下导坑

上导坑

上导坑

立模板, 养生 落底 灌浇混 7-10d 扩大 凝土

挖中 层

挖马 口砌 边墙

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图6-1 上下导坑先拱后墙法

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。

在拱圈保护下进行拱下作业,施工安全;
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上 下 导 坑 法

优点

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。 开挖两个导坑增加工程造价;

缺点

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。

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『 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。

Ⅴ 4 隧 道 工 程 3 2 3 4 4 2 Ⅴ



6
1

6
1

6



30~50 10~15 10~15 10~15 下导坑 拉槽 挑顶 扩大

40~50
灌拱

50~60 挖马口 砌边墙

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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。

『 6.2 ▎新奥法
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『 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New Austrian Tunneling Method,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

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『 6.2.2 ▎新奥法的基本概念
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以控制爆破(光面爆破、预裂爆破等)为 开挖方法;

新奥法

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。

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核心内容是充分发挥围岩的自承能力。 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 法的误 解

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。
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对新奥 法正确 认识

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。

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『 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。
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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;

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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
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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。

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2
3 1 3
掘进方向

2 1

图6-3 全断面施工方法 1-全断面开挖;2-锚喷支护;3-模筑混凝土
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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

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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;

全 断 面 施 工 工 序

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;

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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。

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。
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全断面 施工注 意问题

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。

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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。

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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 1 5 3 5 6

4

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图6-4 台阶施工方法 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

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(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。

1 2 B

掘进方向

1

2 >5B
a)

1 2 B

1
掘进方向

2
>(1~1.5)B
b)

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1 2
掘进方向

1 2 <B
c)

B

图6-5 台阶法
a)长台阶法 b)短台阶法 c)超短台阶法

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(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。

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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 。
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台阶 法注 意问 题

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。

3. 分部开挖法

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(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。

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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。

2 1 4 5 3 6 3 2

1 4

掘进方向
7

5

7

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

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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。

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(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

2 6 3 1 4 7

5

3
8

2

3

掘进方向
4 7

1

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

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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。

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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。

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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。

5 2 6 1 4 7 6 3 1 8 2 3 掘进方向 2 3 1

4
7

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

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(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。

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表6-1 施工中的现象及处理措施
施工中现象 净空位移量增大, 位移速率变快,掌子面 变得不稳定 开挖面顶部出现掉块 措施A 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 立即施喷混凝土和打锚杆 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。 措施B 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.加钢支撑 2.预支护围岩 3.改变施工方法 1.加强排水措施(井点降水等) 2.注浆止水 3.改变施工方法

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开挖面出现涌水或涌 水量增加

地基承载力不足,下 沉增大或产生底鼓。
喷混凝土层出现明显 裂缝、脱离甚至塌落 锚杆轴力增大,垫板 松弛或锚杆断裂。 瓦斯或岩爆

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
开挖后尽快喷射混凝土,并适当加厚 喷层或封闭支护。 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) 1.瓦斯检测并进行稀释 2.注水

1.缩短掘进长度 2.预加固地层 3.改变施工方法
1.挂钢筋网 2.打局部锚杆 3.设置系统锚杆 1.缩短掘进长度,尽快闭合支护 2.改变施工方法 1.全断面开挖 2.超前预裂爆破、切缝等释放能量

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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。

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『 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。
表6-2 传统矿山法与新奥法施工的区别
开挖方法 新奥法 传统矿山法

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临时支护
支护 永久支护 闭合支护 控制爆破 量测 施工方法

喷锚支护
复合式衬砌 强调 必须采用 必须采用 分块较少

木支撑为主、钢支撑
单层模注混凝土衬砌 不强调 可采用 无 分块较多

『 6.3 ▎新奥法的施工技术
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『 6.3.1 ▎新奥法施工程序
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。

施工准备 确定施工方法 开 挖 修改施工方案 改变开挖步骤、顺序

现场监控量测 是 是否符合管 理基准 防水层 二次衬砌

初期支护

修正支护参数

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竣工

图6-9 新奥法施工程序

『 6.3.2 ▎新奥法施工基本原则
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新 奥 法 施 工 基 本 原 则

少扰动 早支护

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。

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勤量测

紧封闭

『 6.3.3 ▎锚杆
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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 。

1. 锚杆的支护效应 (1) 悬吊效应 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。
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锚杆

松动岩块

图6-10 悬吊效应图

(2) 组合梁效应
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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。 (3) 加固梁效应

锚杆

图6-11 组合梁效应图

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

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拱效应

隧 道 工 程 σr σθ

锚杆间松动带

W

图6-12 加固效应

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。 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。

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锚 杆 种 类

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。

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:

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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。

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『 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。
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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。

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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

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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:

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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;

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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。

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细骨料

速凝剂

隧 道 工 程

粗骨料

搅拌机

干式
喷射机

喷头

水泥 压缩空气



图6-13 干喷、潮喷工艺流程

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细骨料 粗骨料 水泥 外加剂

速凝剂

搅拌机

湿式 喷射机
压缩空气

喷头

图6-14 湿喷工艺流程

3. 喷射混凝土的材料及其组成
(1) 喷射混凝土的材料
隧 道 工 程

水泥 砂子 喷射 混凝 土的 材料 石子

掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加 快、收缩小 。 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。

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速凝剂



(2) 喷射混凝土的配合比和水灰比
隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

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混凝土喷射机

隧 道 工 程

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空压机

搅拌机

5. 喷射混凝土的施工工艺(干式喷射)
隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

(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。

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隧 道 工 程

(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

原因
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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。

解决

7. 钢纤维喷射混凝土工艺
隧 道 工 程

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。

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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:
隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

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

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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。

明暗交界
隧 道 工 程

洞门位置

明洞段
洞口段
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暗洞段

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。

H

2. 进洞方法
隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

(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。

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『 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。

1 2
隧 道 工 程

1 5

2 4
3

5
4

3

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
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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。

隧 道 工 程

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。

1 2 3

5

4

6

7

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

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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。

『 6.5 ▎辅助施工方法
隧 道 工 程

预留核心土 喷射混凝土封闭开挖工作面

预支护措施

超前锚杆(亦可用小钢管) 管棚 临时仰拱封底 。

辅助 施工 方法

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预加固措施 预支护与预加 固双重作用

预注浆加固地层 地表喷锚预加固 超前小导管注浆等

『 6.5.1 ▎超前锚杆
隧 道 工 程

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。
超前锚杆 5~10° 超前锚杆

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掘进方向

掌子面

图6-18 超前锚杆设置方式

超前锚杆设计遵循的原则:
隧 道 工 程

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。
表6-3 超前锚杆、超前小钢管设计参数
围岩级别 Ⅳ Ⅴ 锚杆直径 (mm) 18~22 20~25 小钢管直径 (mm) 32 32

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锚杆、小钢 管长度 (m)
3~5 3~5

环向间距 (cm) 40~60 30~50

外插角

锚杆
5°~10° 5°~10°

小钢管
5°~10° 5°~10°

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。
隧 道 工 程

『 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。
钢管(φ 70~180) 钢管(φ 70~180) 1°~2°

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钢拱架

纵向连接钢筋

图6-19 管棚设置方式

隧 道 工 程

f 70~ f 180

钢管

注浆孔

钢筋笼

f10~f16注浆孔

100 100 100 100

200

200

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图6-20 管棚钢管构造

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。

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。
隧 道 工 程

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。

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『 6.5.3 ▎超前小导管注浆
隧 道 工 程

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。
小导管(f 38~f42) 小导管(钢管) 10°~15°

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纵向连接筋

钢拱架

图6-21 超前小导管设置方式

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。
隧 道 工 程

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。

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铁箍
隧 道 工 程

注浆孔

f 37~42钢管

注浆孔

≥30cm

锥头 预留止浆段 管壁梅花型布置注浆

图6-21 超前小导管钢管构造
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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。

『 6.5.4 ▎预注浆加固地层
隧 道 工 程

在开挖之前,先往地层中注浆以加固围岩。

预注浆加固地层

超前钻孔注浆加固

地表注浆加固

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。

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『 6.5.5 ▎地表锚喷预加固
隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

(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。

地表锚杆

水平锚杆 陡坎

衬砌拱顶外缘

钢拱架 弧形导坑

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图6-23 洞口上方陡坎加固

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
隧 道 工 程

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。

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『 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。

隧 道 工 程

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

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隧 道 工 程

(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。

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隧 道 工 程

(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。
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隧 道 工 程

(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。

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隧 道 工 程

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。

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隧 道 工 程

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。

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『 6.6.3 ▎溶洞

1. 溶洞的类型
隧 道 工 程

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

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隧 道 工 程

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624)。
浆砌片石

水流

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暗管,涵洞或小桥

图6-24 桥涵宣泄水流

隧 道 工 程

(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)。 锚杆
浆砌片石

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干 砌 片 石

浆砌片石或 混凝土护拱

混凝土填实

浆砌片石 片石、碎石回填密实

图6-25 溶洞堵填

图6-26 锚杆加固与护拱

隧 道 工 程

(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)。

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浆砌片石 水流

浆砌片石 承重墙 溶洞 涵管 拱基础 混凝土拱

浆砌片石

混凝土墙基

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

隧 道 工 程

(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。

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隧 道 工 程

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。

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『 6.6.4 ▎塌方
隧 道 工 程

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。

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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。
隧 道 工 程

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。

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(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。
隧 道 工 程

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。

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3. 预防塌方的施工措施
隧 道 工 程

选择安全合 理施工方法 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

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加强塌方预测

加强初期支护

4. 隧道塌方的处理措施
隧 道 工 程

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。

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(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。

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(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。

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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。
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『 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。 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 形成 条件

地层岩 性条件 地应力 条件

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隧 道 工 程

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。

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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

岩爆 防治 措施

强化 围岩

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。 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。

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弱化 围岩

3. 岩爆地段隧道施工的注意事项
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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。

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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。
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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。
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(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

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隧 道 工 程

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:

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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。

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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
隧 道 工 程

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。

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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。

隧 道 工 程

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。

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3. 瓦斯释放的方式
隧 道 工 程

渗出

施 工 喷出 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。 瓦 阶 斯 段 在短时间内,从煤层或岩层中,突然猛烈地喷出 突出 大量瓦斯,喷出的时间能从几分钟到几小时,喷 释 出时常有巨大轰响,并夹有煤块或岩石。 放 方 地层中瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和施工缝等通 式 运营 道渗入隧道内。瓦斯渗入量不仅与煤层中瓦斯含量、压 阶段
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。

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。

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4. 防止瓦斯事故的措施
隧 道 工 程

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

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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。

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6)采用防爆设施
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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。

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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。

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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。
瓦斯报警器

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『 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。

隧 道 工 程

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。

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加强调查,制订方案
因地制宜,综合治水

流沙治理措施

先护后挖,加强支护

尽早衬砌,封闭成环

『 6.7 ▎钻爆开挖和装渣运土
隧 道 工 程

『 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)。

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1. 爆破破岩作用及有关概念
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(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。 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。
图6-30 爆破周围区域划分

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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

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1) 临空面。又叫自由面,是指暴露在大气中的开挖面。

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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。

r
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p

图6-31 爆破漏斗

W

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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 n >1 称为标准抛掷爆破,其漏斗称为标准抛掷爆破漏斗 称为加强抛掷爆破或扬弃爆破

0.75<n<1 称为加强松动或减弱抛掷爆破
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n≤0.75 称为松动爆破

临空面数目的多少对爆破效果有很大影响,增加 临空面是改善爆破状况,提高爆破效果的重要途径。

2. 钻孔机具
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风动凿岩机 凿 岩 机 内燃凿岩机 电动凿岩机 液压凿岩机

以压缩空气为动力,结构简单,制造 维修容易,操作方便,作业安全,缺 点:压缩空气供应设备复杂,能量利 用率低,成本高,噪音大。

钻 孔 机 具

由液压马达驱动凿岩元件作冲击、回 转运动,通过压力补偿泵,根据岩石 坚硬程度调节油量、压力和冲击频率 进行凿岩,具有广泛的适应性。

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凿岩 台车

将多台凿岩机安装在一个专门的移动设备上,实现 多机同时作业,集中控制,称为凿岩台车。适宜于 在大断面或全断面隧道开挖中使用。

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风动凿岩机

内燃凿岩机

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液压凿岩机

电动凿岩机

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胶州湾隧道中运用三臂凿岩台车施工

3. 隧道内常用的爆破方法 (1) 炮眼种类和作用
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掏槽眼
炮 眼 种 类 和 作 用

针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点,为 提高爆破效果,先在开挖断面的适当位置(一 般在中央偏下部)布置几个掏槽炮眼,如图632中的1号炮眼。作用:让其最先起爆,为临近 炮眼的爆破创造临空面。 位于掏槽炮眼与周边炮眼之间的炮眼称为辅助眼, 如图6-32中的2号炮眼。作用:扩大掏槽炮眼炸 出的槽口,为周边炮眼爆破创造临空面。 周边眼。沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼,如 图6-32中的3号炮眼。作用:在于炸出一个合适 的爆破轮廓。

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辅助眼

周边眼

3
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3 2

3

3 2 2 3 3 3 3 3

3 3 3 3 2 3

2

1 1 3

1 1 3

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图6-32 炮眼种类

(2) 掏槽眼的形式 掏槽爆破质量的好坏,直接影响整 个隧道爆破的成败。根据施工方法、开挖断面大小、围岩状 况和凿岩机具的不同,可将掏槽方式分为斜眼掏槽和直眼掏 槽。

隧 道 工 程

1) 斜眼掏槽。它的种类很多,如锥形掏槽、爬眼掏槽、 各种楔形掏槽、单斜式掏槽等等。隧道爆破中比较常用的是 垂直楔形掏槽和锥形掏槽。 垂直楔形掏槽炮眼呈水平对称布置,如图6-33所示,爆 破后将炸出楔形槽口。 锥形掏槽炮眼呈角锥形布置,根据掏槽炮眼数目的不同 分为三角锥、四角锥及五角锥等,图6-34所示为四角锥掏槽, 它常用于受岩层层理、节理、裂隙等影响较大的围岩及竖井 的开挖爆破。
优点:操作简单,精度要求较直眼掏槽低,能根据岩层实际情况改 变掏槽角度和掏槽方式、掏槽眼数量少,炸出槽口大。缺点:因斜度影 响,炮眼最大深度受到开挖面宽度和高度限制,不便钻成深眼,也不便 于多台钻机同时钻眼,钻眼方向不易准确。

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图6-33 垂直楔形掏槽
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图6-34 锥形掏槽

2) 直眼掏槽。所有掏槽炮眼均垂直于开挖面的掏槽形 式,称为直眼掏槽。它不受围岩软硬和开挖断面大小的限制, 可以钻深眼,长短钻杆配合可实行多台凿岩机同时作业,爆 破碴石集中,便于快速出碴,从而为加快掘进速度提供了有 利条件,且不易打坏支撑排架及其他设备。

缺点:炮眼个数较多,炸药单耗量也要加大,另外必须 严格控制钻眼方向和相互距离,否则会影响掏槽效果。
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常用的直眼掏槽形式有柱状掏槽和螺旋形掏槽。
柱状掏槽是充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空 间,使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。作为临空孔的空眼数目,视 炮眼深度而定,一般当孔眼深度小于3.0m时取一个;孔眼深度为 3.0~3.5m时,采用双临空孔;孔眼深度为3.5~5.15m时采用三个孔,如图 6-35所示。 螺旋形掏槽的中心眼为空眼,邻近空眼的装药眼与空眼之间距离逐 渐加大,其联线呈螺旋形状,如图6-36所示。装药眼与空眼之间距离分 别为a=(1.0~1.5)D;b=(1.2~2.5)D;c=(3.0~4.0)D;d= (4.0~5.0)D。D为空眼直径,一般不宜小于100mm,亦可用f60~f70mm 的钻头钻成8字形双孔。爆破按1、2、3、4顺序起爆。

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c

4
隧 道 工 程

d

1
临空孔 装药孔

3 2
a b

单临空孔型 SUI DAO GONG CHENG

双临空孔型

三临空孔型

图6-35 柱状掏槽

图6-36 螺旋形掏槽

(3) 炮眼布置 1) 直线形布孔 将炮眼按垂直方向或水平方向,围绕掏 槽开口成直线形逐层排列,如图6-37所示。这种布孔图式, 形式简单容易掌握,同排炮眼的最小抵抗线一致,间距一致, 前排眼为后排眼创造临空面,爆破效果较好。

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图6-37 直线形布孔

图6-38 多边形布孔

图6-39 弧形布孔

2) 多边形布孔 如图6-38所示,围绕着掏槽开口,由里 向外将炮孔逐层布置成正方形,长方形或多边形等基本规则 的图式。 3) 弧形布孔 如图6-39所示,顺着拱部弧形轮廓线,把 炮孔布置成逐层的弧形图式。此外,还可将开挖面上部炮孔 布置成弧形,下部炮孔布置成直线形,以构成混合形布孔图 式。

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4) 圆形布孔 当开挖断面为圆形时,可将炮孔围绕断面 中心逐层布置成圆形图式。这种布孔图式,多用在圆形隧道、 泄水洞以及圆柱形竖井的开挖中。 (4) 周边眼的控制爆破 周边眼的爆破结果,反映了整 个洞室爆破的成洞效果。实践表明,采用一般方法进行爆破, 不仅对围岩扰动大,而且难以爆破出理想的开挖轮廓,目前 多采用控制爆破技术进行爆破。 1) 光面爆破 通过正确确定周边眼的各爆破参数,使爆 破后的围岩断面轮廓整齐,最大限度地减轻爆破对围岩的震 动和破坏,尽可能维持围岩原有完整性和稳定性的爆破技术。 其主要标准为:开挖轮廓成型,无明显的爆破裂缝;围岩壁 上均匀留下50%以上的半面炮眼痕迹;岩面平整,超挖和欠 挖符合规定要求,无危石等。

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光面爆破对围岩扰动小,尽可能保存了围岩自身原有的 承载能力,从而改善了衬砌结构的受力状况;又由于围岩壁 面平整,减小了应力集中和局部落石现象,增加了施工安全 度;减小了超挖和回填量,若与锚喷支护相结合,能节省大 量混凝土数量,降低工程造价,加快施工进度;因光面爆破 可减轻震动和保护岩体,所以它是在松软及不均质的地质岩 体中较为有效的开挖爆破方法。
光面爆破的分区起爆顺序为:掏槽眼→辅助眼→周边眼 →底板眼。 光面爆破的成功与否主要取决于爆破参数的确定。其主 要参数包括:周边炮眼的间距,光面爆破层的厚度,周边炮 眼密集系数和装药集中度等。

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a 周边炮眼间距E 在不偶 合装药的前提下,光面爆破应 满足炮孔内静压力合力必须小 于爆破岩体的极限抗压强度, 而大于岩体的极限抗拉强度的 条件,如图6-40。周边炮眼间 距与岩体的抗拉、抗压强度以 及炮眼直径有关。

E

F

图6-40 周边眼布置

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b 光面层厚度及炮眼密集系数 光面层就是周边炮眼爆 破的那一部分岩层。其厚度就是周边炮眼的最小抵抗线。 周边炮眼间距E与最小抵抗线W 的比值k称为周边炮眼的 密集系数。其大小对光面爆破效果影响较大。实践表明,光 面爆破以k=0.8左右为宜,光面层厚度一般应取50~90cm。

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c 装药量 周边炮眼的装药量,通常用线装药密度,即 每米长炮眼的装药数量来表示。该数量既能提供足够的破岩 能量,又不会造成围岩过度的破坏。通常应根据围岩条件、 炸药品种、孔距和光面层厚度等因素综合考虑确定,一般控 制在0.04~0.4kg/m。 在光面爆破中,常采用的技术措施有: a.使用低爆速、低猛度、低密度、传爆性能好、爆炸威 力大的炸药。 b.采用不偶合装药结构。这样通过空气间隙再作用到炮 孔壁上的冲击波强度将大为减弱,空气间隙起到了缓冲的作 用,故不偶合装药爆破又叫缓冲爆破。

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c. 严格掌握与周边炮眼相邻的内圈炮眼的爆破效果, 周边炮眼应同步起爆。要求周边眼必须采用同段雷管同时起 爆,并尽可能减少同段雷管的延期时间差。
d. 严格控制装药集中度,必要时采用间隔装药结构。 但为了克服眼底岩石的夹制作用,常在炮眼底部加强装药。 2) 预裂爆破 预裂爆破实质上是光面爆破的一种,其爆 破原理与光面爆破相同,只是分区起爆顺序不同。它是由于 首先起爆周边眼,在其他炮眼未爆破之前先沿着开挖轮廓线 预爆破出一条用以反射地震应力波的裂缝而得名。预裂爆破 的分区起爆顺序为:周边眼→掏槽眼→辅助眼→底板眼。

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预裂爆破的周边眼间距、预留内圈岩层厚度、装药量及 装药集中度均较光面爆破要小;但相应增加了周边眼数量和 钻眼工作量。

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由于贯通裂缝的存在,使得主体爆破产生的应力波在向 围岩传播时受到大量衰减,从而更有效地减少了对围岩的扰 动,所以预裂爆破更适用于稳定性较差的软弱破碎岩层中。

『 6.7.2 ▎装渣与运输
将开挖的石碴迅速装车运出洞外,是提高隧道掘进速度 的重要环节。该项作业往往占全部开挖循环作业时间的 35~50%,控制着隧道的施工速度。

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装碴运输作业由三个环节组成:装碴、运输和卸碴。 1. 装渣 (1) 渣量计算 出碴量应为开挖后的虚碴体积,单循环 爆破后石碴量可按下式计算:

Z ? R ?? ? L? S

(6-1)

式中 R——岩体松胀系数,见表6-4;
隧 道 工 程 岩体级别

? ——超挖系数,视爆破质量而定,一般取1.15~1.25; L——设计循环进尺(m); S——开挖断面面积(m2)。
表6-4 岩体松胀系数R值
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ

土石名称
SUI DAO GONG CHENG 松胀系数R

石质
1.85

石质
1.8

石质
1.7

石质
1.6

砂夹卵石
1.35

硬粘土
1.30

粘性土
1.25

砂砾
1.15

(2) 装渣方式 可采用人力装碴或机械装碴。人力装碴 仅在短隧道缺乏机械或断面小而无法使用机械装碴时才考虑 采用。机械装碴速度快,可缩短作业时间,目前隧道施工一 般都采用机械装碴,但仍需配备少数人工辅助。

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(3) 装渣机械 装碴机械的类型很多,按其扒碴机构型 式可分为:铲斗式、蟹爪式、立抓式、挖斗式。铲斗式装碴 机为间歇性非连续装碴机,有翻斗后卸、前卸和侧卸三种卸 碴方式。蟹爪式、立抓式、挖斗式装碴机是连续装碴机,均 配备刮板(或链板)转载后卸机构。
装碴机的走行方式有轨道走行和轮胎或履带走行两种。 隧道施工中常用的几种装渣机有: 1) 翻斗式装渣机。 又称铲斗后卸式装碴机,有风动和 电动之分。该机具有构造简单,操作方便,对洞内无废气污 染的特点,但装载宽度一般只有1.7~2.2m,主要适用于小断 面或规模较小的隧道中。

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2) 蟹爪式装渣机。 它是一种连续装碴机械,在前端装 有倾斜受料盘,其上装有一对蟹爪。装碴时全机向前推进, 将受料盘插入碴堆,两个蟹爪连续交错扒取石碴,经皮带 (或链条)输送机将石碴装入车辆。该类机具装碴效率较高。 因受蟹爪扒碴限制,岩碴块度较大时,其工作效率显著降低, 故主要用于块度较小的岩碴和土的装碴作业。 3) 挖斗式装碴机。 这种装碴机是近几年发展起来的较 为先进的隧道装碴机。其扒碴机构为自由臂式挖掘反铲,其 他同蟹爪式装碴机。 4) 铲斗式装碴机。这种装碴机多采用轮胎走行,如图 6-41a;也有采用履带走行的,如图6-41b。

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该类装碴机转弯半径小,移动灵活,铲取力强,铲斗 容量大,达0.76~3.8m3,工作能力强,卸碴准确方便,具有 装碴效率高,适用性强的特点,通常与大型自卸汽车配套使 用。它采用燃油发动机驱动,燃油废气污染洞内空气,需配 备净化器或加强通风。

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图6-41 铲斗式装渣机
a) 轮胎式 b) 履带式

2. 运输
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(1) 有轨运输 有轨运输基本上不排出有害气体,对空 气污染较轻,设备构造简单,容易制作;占用空间小而且固 定等。不足之处在于轨道铺设较复杂,维修工作量大;调车 作业复杂;开挖面延伸轨道影响正常装碴作业等。
有轨运输较普遍采用的出碴车辆有斗车、梭式矿车和槽 式列车等。其中斗车是应用最为广泛的出碴工具。

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有轨运输常用的牵引机车分电动和内燃两类。隧道施工 中常用的电动牵引车为蓄电池电机车,俗称电瓶车。它具有 体积小,无废气污染,不需架设供电线路,使用较安全等特 点,但也存在需要有专门的充电设备,牵引力有限等不足。 内燃机车具有较大的牵引动力,但在机车运行中排出有毒废 气,必要时需安装废气净化装置或配备强大的通风设施。

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常用的轨道布置形式有单车道和双车道。单车道运输能 力较低,一般用在地质条件较差或小断面开挖的隧道中。双 车道可使进出隧道的列车各行一股道,具有互不影响、车辆 周转快的特点,是提高隧道运输效率的主要方法之一。 较常用的调车设备有简易道岔、平移调车器、水平移车 器和浮放道岔等。轨道延伸,是指隧道开挖面附近不足一节 钢轨长度部分和掘进进尺部分实施的临时性轨道延伸,常用 的方法有扣轨、爬道、短轨节等。待开挖面向前推进后,将 连续的几根短轨换成长轨。 (2) 无轨运输 无轨运输主要是指汽车运输。不需铺设 复杂的运输轨道,具有运输速度快、管理工作简单、配套设 备少等特点。但由于内燃机排放大量废气,对洞内空气污染 较为严重,需要有强大的通风设备。

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无轨运输采用大型自卸汽车,如图6-42所示。在隧道工 程中,应选用车身低短、车斗容量大、转弯半径小、车体坚 固、轮胎耐磨、配有废气净化装置、并能双向驾驶的自卸汽 车,以增加运行中的灵活性,避免洞内回车和减轻对洞内空 气的污染。

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图6-42 大型自卸汽车

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由于无轨运输采用的装碴、运碴设备都是自配动力,属 自行式,其调车作业主要是解决会车、错车和装碴场地问题。 根据不同的隧道开挖断面和洞内运输距离,常用的调车方式 有: 1)有条件构成循环通路时,最好制定单向行使的循环方 案,以减少会车、错车需用场地及待避时间。 2)当开挖断面较小,只能设置单车通道而装碴点距洞口 又较近时,可考虑汽车倒行进洞至装碴点装碴,正向开行出 洞,不设置错车、回车场地,如果洞内运行距离较长时,可 在适当位置将导洞向侧壁加宽构成错车、回车场地,以加快 调车作业; 3)当隧道开挖断面较大,足够并行两辆汽车时,应布置 成双车通道,在装碴点附近回车,空车、重车各行其道,可 以提高出碴速度。

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3. 卸渣
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卸碴工作主要是考虑石碴如何处理以及卸碴场地的布置。 由洞内运出的石碴,一般可考虑进行三方面处理:① 选用合 乎强度标准的岩块加工成衬砌混凝土材料的粗骨料;② 用作 路基填方或洞外工作场地填方;③ 弃置于山谷或河滩。
在弃碴场地的选择上,应考虑卸碴方便,不占良田,不 堵塞航道,不污染环境。

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『 6.8 ▎隧道支护施工
『 6.8.1 ▎临时支护
临时支护又称支撑,主要用于解决隧道施工安全问题, 有木支撑、钢支撑、钢木混合支撑、锚杆支撑、钢筋混凝土 支撑、喷射混凝土支撑等型式。

木支撑
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易加工、重量轻、拆装运输方便。但易损坏,倒 用次数少,利用率低,消耗大量木材,占用净空 多,不利于机械化施工。 承载力大,经久耐用,倒用次数多,占用空间 小;但投资费用高,装拆不便。一般在围岩压 力较大的隧道施工中使用。
在煤矿开挖中使用普遍。耐久性很好,但构件笨 重,受撞击时易折断,运输安装不便,在隧道施 工中,一般只在平行导坑、斜井、横洞等辅助隧 道中作临时支撑用。 锚杆支撑能锚固地层,提高围岩的稳定性。喷射 混凝土支撑能及时支护隧道并控制岩体在开挖隧 道后的初期变形。锚杆支撑及喷射混凝土支撑或 者它们的联合支撑,是隧道临时支护的重要手段 之一。

钢支撑 临 时 支 护

钢筋混凝 土支撑 锚杆支撑 及喷射混 凝土支撑

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『 6.8.2 ▎初期支护
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初期支护是在隧道开挖后围岩自稳能力不足的条件下, 为保证隧道在施工期间的稳定和安全所采取的工程措施,初 期支护主要采用锚杆和喷射混凝土来支护围岩,初期支护施 作后即成为永久性承载结构的一部分,它与围岩共同构成了 永久的隧道结构承载体系。 初期支护主要型式为锚喷支护,采用锚喷支护可以充分 发挥围岩的自承能力。锚喷支护包括锚杆支护、喷射混凝土 支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支 护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土 支护、喷钢纤维混凝土与锚杆及钢筋网联合支护以及上述几 种类型加设钢拱架而成的联合支护等。

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『 6.8.3 ▎二次衬砌
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隧道二次衬砌是为了保证隧道在服务年限中的稳定、耐 久,以及作为安全储备的工程措施。 目前隧道支护通常采用复合式衬砌,其由初期支护和二 次衬砌组成,初期支护帮助围岩达成施工期间的初步稳定, 二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。 1. 混凝土材料及模板的选择

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(1) 模筑混凝土的材料与级配 模筑混凝土的材料与级 配,应符合隧道衬砌的强度和耐久性要求,同时必须重视其 抗冻、抗渗和抗侵蚀性等。 1) 水泥。 拌制混凝土的水泥,可用硅酸盐水泥、普通 硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和快 硬硅酸盐水泥等,必要时也可采用其他特种水泥。

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2) 砂子。 拌制混凝土的细骨料应选用坚硬耐久、粒径 在5mm以下的天然砂或机制砂。砂中不应有粘土团块、炭煤、 石灰、杂草等有害物资混入。 3) 石子。 拌制混凝土用的粗骨料,应为坚硬耐久的碎 石、卵石或两者的混合物。颗粒级配为连续级配。 4) 外加剂和混合材料。为了改善和提高混凝土的各种 技术性能,可适当掺入各种类型的化学外加剂。按作用的不 同,外加剂可分为早强剂、减水剂、加气剂、防冻剂、密实 剂(防水剂)和缓凝剂等。使用前必须经过试验,确定其性 质、有效物资含量、溶液配制方法和最佳掺量。 5) 水。普通混凝土用水的要求与喷射混凝土相同。凡 能供饮用的水,均可拌制混凝土。

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(2) 模板类型与选择 混凝土浇注时必须采用模板。隧 道内常用模板类型有:整体移动式模板台车、分体移动式模 板台车、拼装式拱架模板。 1) 整体移动式模板台车。主要适用于全断面一次开挖 成形或大断面开挖成形的隧道衬砌施工中。生产能力大,可 配合混凝土输送泵联合作业,是一种先进的模板设备。但其 尺寸较固定,可调范围小,影响其适用性,且一次性设备投 资较大。 2) 分体移动式模板台车。种台车将走行机构与整体模 板分离,一套走行机构可以解决几套模板的移动问题,即提 高了走行机构的利用率,又可以多段衬砌同时施作。

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3) 拼装式拱架模板。拱架可采用型钢制作或现场用钢 筋加工成桁架式拱架。为便于安装和运输,常将整榀拱架分 解为2~4节,进行现场组装;为减少安装和拆卸工作量,可 以作成简易移动式拱架,即将几榀拱架连成整体,并安设简 易滑移轨道。 拼装式拱架模板灵活性大,适应性强,尤其适用于曲线 地段。因其安装架设较费时费力,故生产能力较模板台车低。 在中小型隧道及分部开挖时,使用较多。

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2. 模筑衬砌施工准备工作 (1) 断面检查 根据隧道中线和水平测量,检查开挖断 面是否符合设计要求,欠挖部分按规范要求进行凿除,并作 好断面检查记录。

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(2) 放线定位 根据隧道中线、标高及断面设计尺寸, 测量确定衬砌立模位置,并放线定位。放线定位时,为了保 证衬砌不侵入建筑限界,须预留误差量和预留沉落量,并注 意曲线地段的加宽。 (3) 清除浮渣 整平墙脚基面 墙脚地基应挖至设计标高, 并在灌筑前清除虚碴,排除积水,找平支承面。
(4) 拱架模板整备 使用拼装式拱架模板时,立模前应 在洞外样台上将拱架和模板进行试拼,检查其尺寸、形状, 不符合要求的应予修整。配齐配件,模板表面要涂抹防锈剂。 洞内重复使用时亦应注意检查修整,并注意曲线加宽后的衬 砌及模板尺寸。 (5)立模 根据放线位置,架设安装拱架模板或模板台车 就位,安装和就位后,应作好各项检查,包括:位置、尺寸、 方向、标高、坡度、稳定性等。

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3. 混凝土的制备与运送
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混凝土应采用机械搅拌,严格 按照选定的配合比供料和加水,特 别要严格控制加水量,保证水灰比 的正确性,使混凝土硬化后能获得 设计要求的强度和耐久性。当隧道 不太长时搅拌站可设在洞外,减少 洞内干扰。隧道较长时一般应设在 洞内,或采用搅拌车运送混凝土, 以防运输时间过长而离析或初凝。

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混凝土搅拌运输车

混凝土运输应使用专制的运送斗车。途中运输的时间应 尽量缩短,一般不应超过45min。运至灌筑地点的混凝土如 有离析现象时,应进行再搅拌后方可灌筑入模。由搅拌站运 出的混凝土,在任何情况下均不得在中途加水。

4. 混凝土灌注施工
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1) 保证捣固密实,使衬砌具有良好的抗渗防水性能, 尤其应处理好施工缝。
2) 整体模筑时,应注意对称灌筑,两侧同时或交替进 行,以防止未凝混凝土对拱架模板产生偏压而引起误差。

3) 衬砌混凝土灌筑应分段进行,混凝土灌筑时的自由 倾落高度不宜超过2m。 4) 混凝土应分层灌筑,每层厚度根据拌合能力、运输 条件、灌筑速度、捣固能力等决定,一般为15~30cm。
5) 拱脚及墙脚以上1m范围内的超挖,应用同级混凝土 进行回填灌筑。其他部位的超挖可用浆砌片石回填密实。 6) 混凝土灌筑必须保证其连续性。若不能连续灌筑, 应按照施工接缝进行处理,务使衬砌具有较好的整体性。

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7) 衬砌的分段施工缝应与设计沉降缝、伸缩缝及设备 洞位置统一考虑,合理确定位置。 8) 灌筑拱圈混凝土时,应从两侧拱脚开始,同时向拱 顶分层对称地进行,层面应保持辐射状。灌筑到拱顶时,需 要改为沿隧道纵向进行灌筑,边灌筑边铺封口模板,并进行 人工捣固,最后堵头,这种封口称为“活封口”,如图6-43。 当两段衬砌相接时,纵向活封口受到限制,此时只能在拱顶 中央留出一个50×50cm的缺口,待后进行“死封口”封顶。

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缺口支撑及模板 钢拱架

木盒 活动底板

预留缺口 千斤顶

图6-43 拱部衬砌封口(死封口)

5. 模筑混凝土灌注作业机械化
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在全断面开挖时,灌注混凝土衬砌有着良好的条件来实 现综合机械化。模筑混凝土灌筑作业机械化是把配料、混凝 土搅拌、运输、立模、灌注、捣固等主要施工过程的机械化 配套进行,也即采用机械化搅拌站、全断面金属模板台车、 混凝土泵和输送管道所进行的综合模筑施工作业。 6. 混凝土的养护与拆模

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一般情况下,衬砌混凝土灌筑后10~20h即应开始浇水养 护。养护延续时间和每天洒水次数,应根据衬砌灌筑地段的 气温、相对湿度和所用水泥的品种确定。使用普通硅酸盐水 泥时一般应连续养护7~14d。在严寒地区冬季灌筑混凝土时, 应采取防寒措施,防止冻坏衬砌。

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为防止混凝土开裂和损伤,拆模工作应满足下列要求: 1)直边墙混凝土应达到设计强度的25%。 2)曲边墙和围岩压力不很大的拱圈混凝土需达到设计 强度的70%。 3)围岩压力很大的拱圈要求达到设计强度的100%。 4)所有养护与拆模工作,都必须遵照有关的规程进行。 拆模工作应谨慎从事,防止碰伤边、角、楞面。混凝土衬砌 应做到内实、外光、顺直美观。
7. 压浆、仰拱和底板 (1) 压浆 由于超挖回填不密实和混凝土坍落度的影响, 往往在衬砌背后与围岩之间留有空隙,使衬砌与围岩不密贴, 不能很好的控制围岩的进一步变形和水的渗透,因此在多数 情况下需要进行压浆工作,以达到限制围岩后期变形,改善 衬砌结构受力工作状态的目的。

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压浆工作宜在与衬砌作业区保持70~100m距离范围内, 同时向前推进,如留待隧道衬砌完成后再压浆,效果不好。 一般只在拱顶部位进行压浆,压浆浆液材料多采用单液 水泥浆。
(2) 仰拱和底板 若设计无仰拱,则铺底通常是在开挖 完毕且拱墙修筑好后进行,以避免与开挖和拱墙衬砌作业相 互干扰。若设计有仰拱,说明侧压和底压较大,则应及时修 筑仰拱使衬砌环向封闭,避免边墙挤入造成开裂甚至失稳。 仰拱和底板施工占用洞内运输道路,对前方开挖和衬砌 作业的出碴、进料造成干扰。因此,应对仰拱和底板的施作 时间、分块施工顺序和与运输的干扰问题进行合理安排。 仰拱和底板可以纵向分条、横向分段灌筑。纵向通常可 分为左右两部分,交替进行;横向分段长度应视边墙施工缝、 伸缩缝、沉降缝及运输要求来确定。

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待仰拱和底板纵向贯通,且混凝土达到一定强度后,方 能允许车辆通行。其端头可以采用石碴填成顺坡通过。
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灌筑仰拱和底板时,必须把隧道底部的虚碴、杂物及淤 泥清除干净,排除积水。超挖部分应用同级混凝土或片石混 凝土灌筑密实。

『 6.9 ▎隧道掘进施工
隧道掘进机施工方法是一种采用专门机械切削破岩来开 挖隧道的施工方法,这种专门机械就称为隧道掘进机。有的 适用于软弱不稳定地层,称为(机械化)盾构,目前盾构在 我国的交通隧道施工中,一般还只用于城市地铁施工。有的 适用于坚硬岩石地层,习惯上所说的隧道掘进机就是指这类 岩石掘进机(Tunnel Boring Machine),简称TBM。
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上海地铁隧道运用盾构机进行施工

『 6.9.1 ▎掘进机的类型
1. 全断面掘进机
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分为开敞式和护盾式两类。一般而言,开敞式掘进机适 合于硬岩隧道,护盾式掘进机适合于软岩隧道。 (1) 开敞式掘进机 如图6-44所示,就是一种开敞式掘 进机,目前世界上生产的开敞式掘进机基本有两种型式:单 撑靴式和双撑靴式(撑靴即千斤顶)。

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单水平撑靴掘进机如图6-45所示,在机身的水平方向每 侧只设置了一个水平撑靴,故称为单撑靴式。 双水平撑靴掘进机如图6-46。在机身的前后每侧有两个 水平撑靴,它可以沿着镶着铜滑板的主机架前后移动。

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图 10-1 全断面掘进机

图6-44 全断面掘进机

开敞式掘进机结合工程实践中取得的丰富经验,仍在不 断改进和发展。如有的将双水平撑靴改为X型撑靴或T形撑靴, 如图6-47,也有的将切削刀盘三轴承组合形成为前后两组轴 承的简支型。开敞式掘进机的切削刀盘如图6-48。

2 1

3

4

5

隧 道 工 程

11

10

9

8

7

6

图6-45 单水平撑靴式掘进机
1—掘进刀盘 2 —拱顶护盾 3—驱动组件 4—主梁 5—出碴输送机 6—后下支撑 7 —撑靴 8— 推进千斤顶 9—侧护盾 10—下支撑 11—刀盘支撑

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图6-46 双水平撑掘进机
1—掘进刀盘 2—顶护盾 3—轴承外壳 4—前水平撑靴 5—后水平撑靴 6—齿轮箱 7—出碴输送机 8—驱动电 机 9—星形变速箱 10—后下支撑 11—扭矩筒 12—推进千斤顶 13—主机架 14—前下支撑(仰拱括板)

推力千斤顶

撑靴 主梁

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单撑靴型 撑靴 推力千斤顶
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双撑靴型

X型配置

T型配置

图6-47 掘进机撑靴形式

隧 道 工 程

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1

2

3

4

5

6

7

图6-48 掘进机切削刀盘
1—铲斗 2—中心刀 3—扩孔边 4—扩孔刮碴器 5—面刀 6—铲齿 7—边刀

隧 道 工 程

(2) 护盾式掘进机 针对开敞式掘进机只能用于硬岩的缺陷, 陆续开发出了各种型式的的护盾式掘进机,分为单护盾掘进机和 双护盾掘进机两大类。单护盾掘进机(如图6-49)只能用于软岩 或开挖面自稳时间相对较短的地质条件较差的地层。而双护盾掘 进机(如图6-50)既能用于软岩,又能用于硬岩,对地质条件的 适用能力较强。
1 2 3 4 5 6

7

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12

11

10

9

8

图6-49 单护盾掘进机
1—掘进刀盘 2—护盾 3—驱动组件 4—推进千斤顶 5—管片安装机 6—超前钻机 7—出碴输送机 8—拼装好的管片 9—提升机 10—铰接千斤顶 11—主轴承、大齿圈 12—刀盘支撑

1

隧 道 工 程

图6-50 双护盾掘进机
SUI DAO GONG CHENG 1—掘进刀盘 2—前护盾 3—驱动组件 4—推进油缸 5—铰链油缸 6—撑靴护盾 7—尾护盾 8—出 渣输送机 9—拼装好的管片 10—管片安装机 11—辅助推进靴 12—水平撑靴 13—伸缩护盾 14— 主轴承大齿圈 15—刀盘支撑

2. 臂式掘进机
又称为部分断面掘进机,是一种集切削岩石、自动行走、 装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。

臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动小、超 挖量小、安全性高、适应性强,以及费用相对较省等优点。
隧 道 工 程

『 6.9.2 ▎隧道掘进机的施工
1. 破岩机理
粉碎岩石粒 在掘进时切削刀盘上的滚刀 岩石龟裂纹 沿岩石开挖面滚动,切削刀盘均 匀地对每个滚刀施加压力,形成 对岩面的滚动挤压,切削刀盘每 转动一圈,就会贯入岩面一定深 度,在滚刀刀刃与岩石接触处, 切削石碴 相邻刀具产生 岩石被挤压成粉末,从这个区域 的粉碎岩石粒 滚刀 开始,裂缝向相邻的切割槽扩展, 图6-51 掘进机切削岩三种机理 形成片状石碴,从而实现破岩, 参见图6-51。

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不同的岩石需要不同的滚刀压入岩石的最低压强值,才 能达到较理想的贯入深度。
隧 道 工 程

滚刀的刀间距要合适,刀间距太大,开挖不出片状石碴, 使开挖效率降低。刀间距太小,则会使石碴块太小,浪费设 备的功率。 掘进机施工还应注意岩石的磨蚀性和岩体的裂隙程度, 当岩体节理裂隙面间距越大时,切割也就会越困难。关于裂 隙度与滚刀的磨损规律,我国还缺乏研究成果,有待于进一 步总结。表6-5是通用于世界的裂隙分级标准。
表6-5 裂隙分级参考表
裂隙分级 裂隙面间距(cm) 0~Ⅰ 160 Ⅰ 80~40 Ⅱ 20 Ⅲ 10 Ⅳ 5

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2. 掘进作业
(1) 掘进循环过程 以开敞式掘进机为例进行说明。图6隧 道 工 程

52是开敞式掘进机掘进作业循环过程的示意图:

水平撑靴 前下支撑 后下支撑

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a) 图6-52 开敞式掘进机掘进作业循环过程

图6-52a:掘进循环开始时,水平撑靴已移动到主机架的前 端,将撑靴撑紧在洞壁上。前下支撑(即仰拱刮板)与底部的岩面 轻微接触,收回后下支撑,此时切削刀盘可以转动,推进千斤顶 将转动的切削刀盘向前推进一个行程,此即是掘进状态。

隧 道 工 程

前下支撑

水平撑靴

后下支撑

b)

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水平撑靴
前下支撑

后下支撑

c) 图6-52 开敞式掘进机掘进作业循环过程

图6-52b:在向前推进到达推进千斤顶行程终点处,结 束开挖,切削刀盘停止转动,前下支撑支承切削刀盘。
隧 道 工 程

图6-52c:伸出后下支撑,此时整个机器的重量全部由 前、后支撑支承。收回两对水平支撑靴,移动水平撑靴到 主机架的前端。由于掘进头部重,在掘进过程中,往往出 现“栽头”的现象,此时,可以通过前、后下支撑来调整 掘进机掘进的上、下方向。
又回到图6-52a,当水平撑靴移到前端限位后,又重新 撑紧在洞壁上。收回后下支撑,此时前下支撑与底部岩面 又转换成浮动接触状态,然后开始下一个掘进循环。
(2) 出渣与除尘 沿着刀盘周围布置的刮板和铲斗,把

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切削下来的石碴从开挖断面的底部铲起,并在刀盘转动中 随刀盘送到顶部,然后沿着刀盘内碴槽落到输送机上方的

碴斗内,再通过皮带输送机送到后配套上的矿车中,掘进 机只要一开动,皮带输送机就开始不停地运转。
隧 道 工 程

刀盘在切削岩石时会产生大量的粉尘,切削刀盘的内 腔室与集尘器风管相连通,将开挖面含有粉尘的空气收集 于集尘器中,以达到除尘效果。除尘器是掘进机通风系统 的一部分,它安装在后配套上。此外,用来冷却滚刀的喷 水装置也可以起到一定的除尘作用。

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『 6.9.3 ▎隧道掘进机施工配套的支护形式
用掘进机施工的隧道,其衬砌结构一般是由初期支护 和二次砌砌组成。不同型式的掘进机,要求采用不同的支 护型式。不管是哪种类型的衬砌,为了安放轨道运碴,都 必须设置预制仰拱块,它也是最终衬砌的一部分。

1. 管片式衬砌
隧 道 工 程

如图6-53所示,使用护盾掘进机时,一般采用圆形管 片衬砌,一般是分为5~7块,在洞内拼装而成。其优点是适 合软弱围岩,特别是当围岩允许承载力很低,撑靴不能支 撑岩面时,可利用尾部推力千斤顶,顶推已安装的管片获 得推进反力;当撑靴可以支撑岩面时,双护盾掘进机可以 使掘进和换步同时进行,提高了循环速度;利用管片安装 机安装管片速度快、支护效果好,安全性强,但是它的造 价高。为了防水的需要,块与块之间必须安装止水带,并 需在管片外壁和岩壁间隙中压入豆石和注浆。为了生产预 制管片,需要有管片工厂,如工地施工场地允许,最好是 设在现场,以方便运输。

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注浆充填 封顶块

TBM开挖断面

隧 道 工 程

相邻块

标准块 仰拱块

管片厚度

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图6-53 全周预制钢筋混凝土管片衬砌

2. 复合式衬砌 使用开敞式掘进机,可以先施作初期支护,然后浇灌 二次模筑混凝土永久性衬砌,即复合式衬砌,如图6-54所 示,其底部为预制仰拱块。

隧 道 工 程

由于掘进机的掘进速度很 快,不可能使二次模筑混凝土 衬砌作业与开挖作业保持一样 的进度,当衬砌作业落后较多 时,就依靠初期支护来稳定围 岩。初期支护以锚杆、挂网和 喷混凝土支护为主,地质条件 较差时还可设置钢拱架。掘进 机上可设置前后两排共4台锚 杆钻机,以满足对围岩进行锚 杆支护作业的需要。拱部的锚 杆作业是非常必要的,锚杆作 业应能与掘进开挖同时进行。

模注混凝土衬砌

预制仰拱块

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图6-54 复合式衬砌

隧 道 工 程

根据地质条件也有用喷射混凝土做为二次混凝土衬砌的, 就是采用二次喷射混凝土作为永久衬砌。在喷射混凝土中安装 了钢筋网,还加入了钢钎维。但普遍的做法是采用模筑混凝土 衬砌作为二次衬砌,使用模板台车进行混凝土灌注。

『 6.10 ▎隧道施工现场监控量测
『 6.10.1 ▎监控量测的目的和任务
在隧道的施工过程中,使用各种仪器设备和量测元件, 对地表沉降、围岩与支护结构的变形、应力、应变进行量测, 据此来判断隧道开挖对地表环境的影响范围和程度、围岩的 稳定性和支护的工作状态,这种工作称为新奥法的现场监控 量测。
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采用新奥法设计和施工的隧道,应将监控量测项目列入 文件,并在施工中实施。
隧 道 工 程

1. 监控量测的目的

监 控 量 测 目 的

提供监控设 计的依据和 信息 预报及监 视险情 校核隧道工程理 论计算结果、完 善工程类比法

① 掌握围岩力学形态的变化规律; ② 掌握支护的工作状态信息并及时反馈, 指导施工作业。 ① 作出工程预报,确定施工对策与措施; ② 监视险情,以确保安全施工。 ① 为理论解析、数值分析提供计算数据与 对比指标; ② 为工程类比提供参考依据; ③ 为隧道工程设计和施工积累经验资料。

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2. 监控量测的任务
隧 道 工 程

1)通过对围岩与支护的观察和动态量测,以达到合理 安排隧道施工程序、日常施工管理、确保施工安全、修改设 计参数和积累资料。

2)通过对围岩和支护的变位、应力量测,掌握围岩的 支护的动态信息并及时反馈,修改支护系统设计,指导施工 作业和管理等。
3)经监测数据的分析处理与必要的计算和判断后,进 行预测和反馈,以保证施工安全和隧道围岩及支护衬砌结构 的稳定。 4) 对已有的隧道工程的监测结果,可以分析和应用到 其他类似工程中,作为指导设计和施工的重要依据。

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『 6.10.2 ▎监控量测的内容和方法
1. 监控量测项目选择
隧 道 工 程

根据围岩条件、隧道工程规模、支护类型和施工方法等 进行监控量测项目的选择。 监控量测项目可分为必测项目和选测项目。不同级别的 围岩必测项目和选测项目也不同。《公路隧道施工规范》 (JTJ042-94)对复合式衬砌隧道规定见表6-6:

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(1) 必测项目 是隧道施工时必须进行监控量测的项目, 是用以判断围岩的变化情况,测定支护结构工作状态经常进 行的量测项目,也是为设计、施工中确保围岩稳定,并通过 判断围岩的稳定性来指导设计、施工的经常性量测。

必测项目对监视围岩稳定性、指导设计与施工有直接意
义。

表6-6 必测项目和选测项目
类别
隧 道 工 程

项 目 洞内地质和支护状况观察

必测项目

周边位移
拱顶下沉 锚杆或锚索内力及抗拔力 地表下沉 围岩体内位移(地表设点) 围岩体内位移(洞内设点)

选测项目

围岩压力及层间支护间压力 钢支撑内力及外力

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支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测
围岩弹性波测试

(2) 选测项目是应进行或必要时进行监控量测的项目, 是用以判断围岩松动状态,喷锚支护效果和积累技术资料为 目的的量测,对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补

充测试,以求更深入地掌握稳定状态与锚喷支护的效果,对 未开挖区的设计与施工具有指导意义。
隧 道 工 程

选测项目量测项目较多,一般只根据需要选择其中部分 项目进行测试。 2. 量测方法 (1) 洞内观察与地质素描 在开挖后及初期支护后进行 观察并描述隧道围岩地质、地下水情况、初期支护情况。它 与隧道施工进展同步进行的,是隧道设计和施工过程中不可 缺少的一项重要地质详勘工作。 主要仪器:地质罗盘、照相机等。 (2) 周边位移(收敛) 在开挖后的洞壁上及时安设测点, 用收敛计(如图6-55)量测两测点间的距离,两次测定的距 离之差为该时段的收敛值。根据收敛值或位移速度,可判断 围岩与支护是否稳定。

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锚头

套点

钢尺

拉手

测力计

手轮 螺杆 测微计

套点

锚头

隧 道 工 程

图6-55 收敛计

每10~50m一个断面,每断面2~3对测点,相应量测的基 线就有1条、2条、3 条、6条等,如图6-56所示。

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图6-56 周边位移测线布置

隧 道 工 程

(3) 拱顶下沉 隧道拱顶内壁点垂直 方向的绝对位移值称为拱顶下沉量。在 开挖后的拱顶壁面上及时安设测点,通 过已知的高程水准点,用悬吊钢尺和水 准仪测出测点高程,如图6-57所示,两 次测定的高程之差即为拱顶下沉量,根 据拱顶下沉量和下沉速度,可准判断围 岩的稳定状态和支护效果。

测点

悬挂钢卷尺

图6-57 拱顶下沉量测

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每10~50m一个断面,每断面1个或3个测点。一般与周边位移 布设在同一断面上,以便使两项测试结果能够相互验证,协同分 析与应用。 (4) 地表下沉 在隧道浅埋段,每5~50m一个断面,每断面 7~11个测点,如图6-67所示。用水准仪和塔尺进行量测。

2~5m间隔

不动点
隧 道 工 程

地表测点

不动点

图6-58 地表下沉量测

(5) 围岩内部位移 在测试断面处打孔,安放位移计(图 6-59)进行量测,每5~100m一个断面,每断面2~11个测点。
5.2m

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千分表

多点位移计

固定点

固定点

图6-59 机械式位移计

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(6) 围岩压力及层间支护压力 在围岩与初期支护之间 (图6-60)、初期支护与二次衬砌之间(如图6-61)安放压力 盒,进行量测。每一断面布设多个测点,宜15~20个测点。
喷射混凝土 防水层

喷射混凝土 压力盒
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二次衬砌 压力盒

围岩

围岩

引出导线

引出导线

图6-60 围岩与初期支护间 压力量测

图6-61 初期支护与二衬间 压力量测

隧 道 工 程

(7) 锚杆内力 在测试断面打孔,安放焊接好的钢筋和钢 筋应力计(如图6-62),进行量测。了解锚杆轴力及其应力分 布状态;再配合以岩体内位移的量测结果就可以设计锚杆长度 及锚杆根数,掌握岩体内应力重分布的过程。每10m一个断面, 每一断面布设多个测点。
围岩 钻孔(填充锚固剂)

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钢筋计

钢筋

对焊焊接

图6-62 锚杆内力量测及钢筋应力计

(8) 钢支撑内力 在钢支撑侧面焊接钢筋应力计或表面应 变计,或在横断面上安放压力盒,进行量测。每一断面布设多 个测点。一般与围岩压力相应布设。
隧 道 工 程

(9) 支护、衬砌内力 在初期支护内(如图6-63)及二次 衬砌内部(如图6-64)安放应变计,二次衬砌内钢筋用钢筋应 力计焊接,进行量测。每一断面布设多个测点,宜11个测点。
喷射混凝土 防水层

喷射混凝土 应变计

二次衬砌

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围岩

围岩

应变计

引出导线

引出导线

图6-63 喷射混凝土内部应力量测 图6-64 二次衬砌内部应力量测

隧 道 工 程

(10) 围岩声波测试 每一个断面布设多对或 个测孔,如图6-65所示, 钻孔深度大于锚杆长度, 钻孔内每隔0.2~0.5米测 试一个点。用超声波仪 测试围岩松动圈及破碎 等情况。

围 岩 塞子

发 接接 水
射 收收 1 2

电缆 超声波仪

图6-65 围岩声波测试

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(11) 爆破振动测试 爆破震动测试是为了以下目的:① 洞口附近地表的震动监测;② 浅埋隧道地表建筑物的震动监 测;③ 双洞小间距隧道爆破监测;④ 连拱隧道中隔墙的震 动监测;⑤ 为改善爆破效果、降低震动效应所需的震动监测。 爆破震动测试传感器布置如图6-66 所示。

爆破 传感器
隧 道 工 程

传感器

图6-66 爆破振动测试

(12) 地质超前预报 地质雷达是利用电磁波在不同介质 中传播速度不同,传播时间也不同。当开挖面前方有断层或 破碎带等时,将产生相应的信号异常,如图6-67两线间信号。 也可用较先进的TSP系统。 3. 量测频率
表6-7 量测频率
洞内埋设项目 地表埋设项目 监测频率 1~15d L<2B 1~2次/天 16d~1个月 2B<L<5B 1次/2天 1~3个月 L>5B 1 ~2 次/ 周 1~3次/月 32次 大于3个月 量测次数

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距离/m 0 1.0 2.0

10

300

400

20

500

600

30

图6-67 地质雷达检测信号

v =0.1m/ns时的深度/m

隧 道 工 程

100

200

时间/ns
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隧 道 工 程

当观测值相对稳定时,可适当降低观测频率;当出现 下列任一条件时,应当加密观测:① 实际开挖地质条件变 差;② 观测值达到报警指标;③ 观测值变化速率加快; ④ 出现危险事故征兆时。

『 6.10.3 ▎监控量测数据处理与应用
1. 量测数据的整理 在量测数据的整理时,要绘制观测值F与观测时间t、 观测值F与距离L、观测值变化率dF/dt与观测时间t的散点 图或曲线图,如图6-68和图6-69(CB、CD为两侧线,BD为 水平线)。 当观测数据趋于平缓时,进行回归分析,推算出最终 值和变化规律。回归曲线方程函数有对数型、指数型和双 曲型等,如图6-70。
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收敛—时间关系
4.00 3.00

隧 道 工 程

Δ /mm

2.00 1.00 0.00 3月2日 3月6日 3月10日 3月14日 3月18日

CB

CD

BD

t/d

图6-68 收敛-时间关系图
收敛变化率-时间关系 1.00 dΔ /dt(mm/d) 0.50 0.00 -0.50 -1.00 3 月4 日 3月8日 3月12日 3月16日 3月20日 CB CD BD SUI DAO GONG CHENG

t/d

图6-69 收敛变化率-时间关系图

5.00 4.50
隧 道 工 程

4.00 3.50 3.00

u/mm

2.50 2.00 1.50

u = 0.8095Ln(t) + 1.4171 2 R = 0.7885

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1.00 0.50 拱顶下沉 拱顶下沉回归方程

0.00 1月1日

1月6日 1月11日 1月16日 1月21日 1月26日 1月31日 2月5日 2月10日

t/d

图6-70 拱顶下沉量-时间关系图

隧 道 工 程

在量测数据的整理时,要绘制观测值F与观测时间t、观 测值F与距离L、观测值变化率dF/dt与观测时间t的散点图或 曲线图,如图6-68和图6-69(CB、CD为两侧线,BD为水平 线)。
1) 对数函数,如

u ? a lg(1 ? t )
b u?a? lg(1 ? t )
2) 指数函数,如
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(6-2)
(6-3)

u ? ac

?h / t
? ht

(6-4)

u ? a(1 ? e

)

(6-5)

3) 双曲函数,如
隧 道 工 程

t u? a ? bt
式中

(6-6)

1 2 u ? a[1 ? ( ) ] 1 ? bt
52

(6-7)

a、b——回归常数; t——初始读数后的时间(d); u——位移值(mm)。
104

掌子面前方约 10m处有异常

5

208 156

10

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2. 量测数据的分析与应用 (1) 地质预报 探测掌子 面前方几米至几十米,甚至几 百米的围岩的工程地质和水文 地质情况,如图6-71所示。

312 300

15

416 364

图6-71 隧道超前地质预报

20

(2) 周边位移 作出位移与时间及与距掌子面的距离的关 系图,其正常曲线和反常曲线如图6-72所示。现场量测主要以 围岩周边位移作为围岩稳定性评价及围岩稳定状态判断
隧 道 工 程

的标准:
正常曲线
正常曲线

位移/mm

位移/mm

反常曲线

反常曲线

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O

时间/d

O

距掌子面的距离/m

图6-72 位移正常曲线和反常曲线

d 2u ①   2 ? 0 dt
d 2u ②   2 ? 0 dt

表示围岩趋于稳定,其支护结构是安全的;

变形速率较长时间保持不变,应发出警告,及 时加强支护系统;

表示已进入危险状态,须立即停工,采取 有效的工程措施进行加固。
隧 道 工 程

d 2u ③   2 ? 0 dt

(3) 围岩内位移 围岩内位移观测是为了准确判断围岩 的变形发展趋势,当总位移量和位移变化率过大时,必须加 强支护或调整施工措施,以控制围岩的松动范围,如加密锚 杆数量或加大锚杆长度等。 (4) 锚杆内力 锚杆内力是检验锚杆效果与锚杆强度的 依据,若锚杆轴力超过锚杆的屈服强度时,应改用高强钢材 加工锚杆或增加锚杆数量或加大直径。 (5) 围岩压力 围岩压力大时,根据变形量有两种:① 变形量也很大时,应加强支护,以限制围岩变形和控制围岩 压力的增长;② 变形量不是很大时,表明支护时间和支护 封底时间可能过早,或支护尺寸及刚度太大,应适当调整修 正支护设计参数。

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围岩压力很小但变形量很大时,表明围岩将失去稳定, 应立即停止开挖,加强围岩支护和采取辅助施工措施进行加 固处理。而围岩压不大,变形量也不大表明围岩和支护自稳 性好。
(6) 喷层压力 喷层应力太大,或出现明显裂损或剥落、 起鼓等现象时,应作处理,一般是适当增加喷层厚度。喷层 已较厚,仍然出现明显裂损、起鼓等现象时,则不一定再增 加喷层厚度,而应采取下列措施:① 增强锚杆的长度和直 径等;② 改变封底时间;③ 调整施工措施;④ 选择二次衬 砌的最佳时机;并且要继续加强监控量测。 (7) 地表下沉 正常情况是地表下沉量不大,且出现稳 定,在没有出现稳定时,应继续进行观测,直至稳定。而地 表下沉量较大,或出现增加的趋势时,应采取措施:

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隧 道 工 程

① 适当增加喷混凝土厚度;② 增加锚杆数量;③ 加挂 钢筋网;④ 增加钢支撑数量;⑤ 超前支护;⑥ 缩短开挖循 环进尺;⑦ 提前封闭仰拱;⑧ 预注浆加固围岩。
(8) 围岩声波测试 围岩声波波速量测得Vp-L关系曲线, 既反映围岩动态变化和物理力学特征,又用于确定围岩松动 区范围。围岩声波数据分析时与围岩内位移相互结合,综合 分析和判断围岩的松弛情况。 围岩松动圈

如图6-73所示,锚杆 长度大于围岩松动区范围 时,锚杆才起到加固作用; 如果围岩松动区范围大于 锚杆长度时,必须加长锚 杆,使锚杆长度超过围岩 松动圈。

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锚杆

开挖内轮廓面

图6-73 岩石松动圈与锚杆关系

隧 道 工 程

围岩声波测试实例, 如图6-74,测试孔中Vp-L 关系曲线,可以看出此点 的围岩松动区范围约为 2.8m。
(9) 爆破振动测试根 据测到的震动波形,确 定当次爆破震动峰值速 度及其对应的主频率, 结合地质和支护状况的 观测,定出围岩质点震 动速度的安全控制值, 控制爆破的最大一段药 量。

2 0 1.0

3

4

5

1.5

围岩松动 区范围

2.0

2.5

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3.0

3.5

图6-74 Vp-L关系曲线

隧 道 工 程

当隧道向前掘进一段距离,测出震动随距离的衰减趋势 时,利用回归分析方法及时寻求震动峰值速度随比例距离的 衰减规律,绘制震动峰值速度随比例距离的衰减曲线,如图 6-75所示,优化爆破参数。
10 5
— 水平振速vx拟合 -- 竖直振速vy拟合 △ 水平振速vx × 竖直振速vy

6
振动速度(cm/s)

5 4 3 2 1 0 1 2 3

拱腰处径向振速 拱脚处径向振速 拱腰处切向振速 拱脚处切向振速

振速v (cm/s)

7

1 0.5

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4

0.1 0.01

0.05

0.1

0.5

1

测点

比例药量

图6-75 振动峰值速度曲线及回归曲线

Q 1.2570 水平向震动速度: Vx ? 23.6770 , r = 0.8735 ( ) R
隧 道 工 程

1 3

Q 1.5983 竖直向震动速度: Vy ? 84.1016 ( ) R
式中
Q——最大一段药量;
R——爆源离测点的距离(m); r——回归相关系数。

1 3

, r = 0.9185

Vx、Vy——水平向及竖直向振动速度(cm/s);

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『 6.10.4 ▎监控量测管理
1. 隧道施工监控量测组织 由施工单位组织或委托监测单位成立专门监测小组,进行 现场监测、观测值的计算和绘图、信息反馈(提交报告)等。

隧 道 工 程

监控量测应按照监控量测方案认真组织实施,并与其他施工 环节紧密配合,不得随意中断工作。各项监测预埋点应牢固可靠, 并应易于识别和应妥善保护,不得任意撤换和人为破坏。

2. 竣工文件中应列入监控量测资料
隧道监控量测资料列入竣工文件是为了新奥法施工的资料 积累,并为隧道运营管理服务。竣工文件中应包括下列量测资 料:

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1) 现场监控量测计划。

2) 实际测点布置图。
3) 围岩和支护的位移-时间曲线图、空间关系曲线图以及量测 记录汇总表。

4) 经量测变更设计和改变施工方法地段的信息记录。
5) 现场监测说明。

3. 运营阶段的监控量测
隧 道 工 程

已竣工并交付运营的隧道工程,经报批后应进行长期运营 量测。运营量测是为了考验某些新技术、新方法、新材料、新 工艺的长期可靠性和稳定性,应予以高度重视。 运营量测测点,应由施工单位埋设,并办理移交运营管理 单位的手续,然后由运营管理单位设专人进行隧道运营阶段监 控量测工作任务。 运营量测的费用应列入隧道工程概算中,并必须执行专款 专用的相关规定。

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