浅埋暗挖隧道设计与施工(摘要)课件.ppt

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1、前言隧道工程是线性地下空间。水平线穿越地质体的特性决定了在隧道工程建造过程中地质状态的千变万化。地质的复杂性要求施工管理过程中必须针对每个掌子面具体问题具体分析。地下水是隧道工程的最重要的灾害源，必须予以高度的重视隧道工程管理是一门综合学科，管理者应涉历的专业技能工程测量工程地质岩土力学结构力学材料力学工程机械隧道通风（流体力学）等目目 录录一、暗挖隧道施工技术一、暗挖隧道施工技术二、软弱围岩施工二、软弱围岩施工三、暗挖隧道辅助工法三、暗挖隧道辅助工法四、超前地质预报四、超前地质预报五、关于隧道风险评估五、关于隧道风险评估六、机械化发展六、机械化发展七、隧道施工各阶段重点关注要素七、隧道施工各

2、阶段重点关注要素2围岩稳定性的“时空效应”围岩稳定有时间性空间越大，越不利于自稳围岩岩稳定的定的“时空效空效应”理念要牢理念要牢记于心，于心，贯穿于隧道施工的全穿于隧道施工的全过程程。暗挖暗挖隧道施工隧道施工方法方法按破岩机理分按破岩机理分钻爆法爆法 非爆开挖非爆开挖按开挖断面分按开挖断面分全断面法全断面法 分部开挖法分部开挖法分部开挖法：分部开挖法：台台阶法法（上下台（上下台阶法、三台法、三台阶法、三台法、三台阶预留核心土留核心土环形七步开挖法、三形七步开挖法、三台台阶临时仰拱法等）仰拱法等）双双侧壁壁导坑法、中隔壁法（坑法、中隔壁法（CD)、交叉中隔壁法（、交叉中隔壁法（CRD)其他：其他

3、：导洞法洞法中中导洞法（双洞法（双连拱隧道）拱隧道）顶管法管法 钻爆法是最常爆法是最常规的暗挖隧道开挖方法，其关的暗挖隧道开挖方法，其关键是是钻爆爆设计和光面爆破和光面爆破暗挖隧道分部开挖示意图台阶法台阶法该工法一般适合于该工法一般适合于级围岩，要级围岩，要求台阶长度不大于求台阶长度不大于1 1倍洞径，仰拱倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于距掌子面距离不大于2 2倍洞径。倍洞径。环形导坑环形导坑(预留核心土预留核心土)法法该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。挖仰拱。该工法步

4、骤多，工艺要求高。CDCD法（中隔壁法）法（中隔壁法）该工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，以减少沉降，采用，以减少沉降，防止坍方。防止坍方。该工法是将隧道分工法是将隧道分为左右两部分左右两部分进行开挖，先在一行开挖，先在一侧采用采用台台阶法分法分层开挖及支开挖及支护，再开挖隧道另一，再开挖隧道另一侧。每台。每台阶纵向向长度度35m。初期支初期支护仰拱仰拱紧跟下台跟下台阶，封，封闭成成环。CRDCRD法（交叉中隔壁法）法（交叉中隔壁法）该工法在特殊条件下采用。工法在特殊条件下采用。该工法是将大断面隧道上、下、左、右分工法是将大断面隧道上、下、左、右分

5、块开开挖，并施作初期支挖，并施作初期支护和和临时横撑（横撑（临时仰拱），每台仰拱），每台阶纵向向长度度35m，步步，步步封封闭成成环。CRDCRD工法、双侧壁导坑开挖照片工法、双侧壁导坑开挖照片隧道施工安全步距要求铁建设2010 120号文7.隧道、级围岩地段、隧道浅埋、下穿建筑物及邻近既有线地段施工开挖应按照爆破安全规程采用控制爆破,或采用非爆破方法。8.软弱围岩隧道、级地段采用台阶法施工时,应符合以下规定:(1)上台阶每循环开挖支护进尺、级围岩不应大于1榀榀钢架间距,级围岩不得大于2榀榀钢架间距 (2)边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀榀。(3)仰拱开挖前必须完成完成钢架架锁脚脚锚杆杆,每

6、循坏开挖进尺不得大于3m。3榀榀 (4)隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环,、级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35m。台台阶长度不超度不超过10米米.18 软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌应及时施作,二次衬砌距掌子面的距离:级围岩不得大于90m,、级围岩不得大于70m。原原则上不超上不超过200米米关于关于进一步加一步加强铁路隧道路隧道设计施工安全管理工作的通知施工安全管理工作的通知(建技2010352号)增加了增加了时间要求要求关于光面爆破 光面爆破是岩光面爆破是岩光面爆破是岩光面爆破是岩质质隧道技隧道技隧道技隧道技术术管理的源管理的源管理的源管理的源头头安全质量效益影响光面爆破的因

7、素围岩整体性爆破参数周边眼的数量间距钻孔质量（方向）隧道断面大小和开挖长度合理的临空面一般是拱部好于一般是拱部好于边墙 预留光爆留光爆层光面爆破关光面爆破关键在于管理在于管理关于隧道场地布置洞内三管两线布置图1.洞外场地布置以洞内的需求为洞外场地布置以洞内的需求为宗旨宗旨2.场地布置以场地布置以大宗物流运送为主大宗物流运送为主线，兼顾动力供应线，兼顾动力供应，保证运输线，保证运输线路通畅。路通畅。3.因地制宜因地制宜 科学安排科学安排（经计算分析）（经计算分析）4.注意留够新风距离注意留够新风距离5.供水宜采用变频增压技术供水宜采用变频增压技术关于监控量测目目测是隧道是隧道监控量控量测的一个重

8、的一个重要要项目目要求有严格的安全值班制度和良好的照明条件l应根据根据设计文件安排量文件安排量测项目目主要包括拱顶下沉和水平收敛，浅埋段应进行地表沉降量测l目前采用有尺量目前采用有尺量测的的较多。由于多。由于隧道断面大，采取有尺量隧道断面大，采取有尺量测时，施工干施工干扰大、耗大、耗时长。应大力推广采用全站仪利用贴片反射进行量测。软弱围岩定义一般公路、铁路级以下围岩为软弱围岩。城市隧道由于埋藏较浅，围岩多为、甚至级。地铁设计规范（GB50157-2003）规定:“暗挖结构的围岩分级按现行铁路隧道设计规范确定”。因此，目前地铁、轨道交通围岩分级应依照现行铁路隧道设计规范确定。表3 铁路隧道围岩基

9、本分级级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度p(km/s)极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的粗角砾土、粗圆砾土、碎石土、卵石土、大块石土、黄土（Q1、Q2）1.53.0软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一般第四系坚硬、硬塑黏性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎石土、卵石土、粗圆砾土、细圆砾土、粗角砾土、细角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）1.02.0受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状黏性土，饱和

10、的粉土、砂类土等1.0（饱和状态的土1.5）由于埋深关系，地铁隧道以土质软弱围岩居多(一一)软弱围岩主要工程地质特点软弱围岩主要工程地质特点 软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，工程地质特点有：(1)岩体破碎松散、粘结力差：一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒顶。(2)围岩强度低、遇水易软化：一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地

11、段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。(3)岩体结构面软弱、易滑塌：主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。1.变形量大2.变形集中发生在工序转换期3.一旦大变形形成，就难以控制。土质浅埋隧道变形特征土质浅埋隧道变形特征掌子面开挖掌子面开挖前已有前已有10%30%的变形的变形软弱围岩变形由三部分组成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;三三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;掌子面鼓出/

12、地表沉降槽拱顶下沉和边墙内移P24针对不同的不同的软弱弱围岩岩变形特征，从形特征，从支支护参数参数、断面形式断面形式、施工工法施工工法以及以及施工施工设备等几个方等几个方面考面考虑控制控制变形的手段：形的手段：软岩加固技术软岩加固技术P251）长锚杆加固塑性圈杆加固塑性圈：根据塑性区范根据塑性区范围及及软质片片岩厚度，岩厚度，锚杆杆长度度812m不等，不等，锚杆采用杆采用R32N自自进式式锚杆，杆，间距距11.2m，结合合锚杆向杆向围岩中岩中压注水泥注水泥浆液；液；长锚杆加固塑性圈长锚杆加固塑性圈软岩加固技术软岩加固技术P262）提高支）提高支护刚度度：初期支：初期支护是受力是受力主体，它要求

13、有一定的主体，它要求有一定的强度、度、刚度度以抑制以抑制围岩的岩的变形。通常采用形。通常采用格格栅钢架架I16型型钢钢架架I18型型钢钢架架I20 型型钢钢架架H175型型钢钢架架等手段逐等手段逐级进行加行加强试验，以控制以控制围岩的岩的变形。形。刚性支性支护措施措施软岩加固技术软岩加固技术P273）分分层加加强支支护，逐步控，逐步控制制变形：支形：支护结构形式构形式为“第一第一层初期支初期支护第二第二层加加强支支护+模筑模筑衬砌砌”的双的双层支支护体系。体系。分分层支支护措施措施软岩加固技术软岩加固技术模筑衬砌模筑衬砌 在铁路隧道中在铁路隧道中衬砌承受全部围岩压力衬砌承受全部围岩压力P284

14、）优化开挖断面，改善化开挖断面，改善结构受力条件构受力条件图图 原有断面原有断面 图图 优化断面优化断面-I乌鞘岭乌鞘岭F4大变形段断面大变形段断面软岩加固技术软岩加固技术常见的控制拱脚下沉技术有：常见的控制拱脚下沉技术有：（1 1）锁脚锚管技术）锁脚锚管技术 锁脚锚管当它作为承载结构时，主要是传递来自于上部初期支护的压力，因此，应尽量沿拱脚切线方向设置。若施作不到位，将降低锚管作用效果。图 锁脚锚管控制拱脚沉降控制拱脚沉降P30 2）临时仰拱技术临时仰拱技术 临时仰拱在台阶法开挖的软岩大断面隧道中经常使用，能让上台阶临时封闭成环，有效地控制上半段面支护的沉降，保证下台阶开挖的安全。图 台阶法

15、临时仰拱控制拱脚沉降控制拱脚沉降（3 3）扩大拱脚技术扩大拱脚技术 扩大拱脚是通过展宽基础，减小地基压力的方法，实现控制支护沉降的又一种有效的技术手段。其关键是基础要有足够的宽度，设计宽度一般为0.81.0m。施作时，若拱脚宽度不够，将造成沉降过大，达不到设计要求。图 扩大拱脚控制拱脚沉降控制拱脚沉降常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。图 掌子面挤出坍方 图 整体失稳坍方关于塌方关于塌方关于塌方关于塌方软弱弱围岩隧道施工的核心是岩隧道施工的核心是“控制控制变形、防止坍方形、防止坍

16、方”巩固前方巩固前方 稳定后方定后方喷射混凝土封闭掌子面防止塌方扩大加快完成后方的仰拱和衬砌（即使初支变形，也要完成仰拱）对于变形侵限的初支“先支后先支后换”密切关注地表，做好应急回填通过塌体一般需注浆加固关于塌方关于塌方塌方隧道地面坍坑塌方隧道地面坍坑P35（1）洞口大管棚洞口大管棚长度不足、度不足、质量欠缺；量欠缺；（2）超前小超前小导管施做不到位，施工方法管施做不到位，施工方法选择不当；不当；（3）初期支初期支护强度不足，度不足，钢架架连接不可靠、接不可靠、锁脚不脚不稳固，落底固，落底钢架架悬空榀数空榀数过多，工序失衡、封多，工序失衡、封闭不及不及时；（4）监控量控量测不到位；不到位；（

17、5）超前地超前地质预报不及不及时、不准确，掌子面地、不准确，掌子面地质素描有欠缺、素描有欠缺、隐患未患未发现；（6）现场施工施工对围岩特性岩特性认识不足，支不足，支护措施不到位，台措施不到位，台阶落底两落底两侧同同时开挖，仰拱开挖不符合要求；开挖，仰拱开挖不符合要求；（7）停工后初支暴露停工后初支暴露时间过长，二，二衬严重滞后等。重滞后等。关于施工中易发生问题的环节主要的辅助工法（见表2）超前预支护管棚小导管锚杆注浆帷幕注浆深孔注浆旋喷竖直旋喷桩水平旋喷桩降水排水洞外井点降水洞内真空降水P38采用先进的施工设备。如采用先进的施工设备。如采用采用PST-60摇臂钻机和摇臂钻机和SM-14钻机钻机

18、进行水平旋喷加固以及掌子面玻璃纤维锚固技术进行水平旋喷加固以及掌子面玻璃纤维锚固技术图图 进行超前预加固施工进行超前预加固施工辅助工法辅助工法关于水平旋喷关于水平旋喷P39水平旋喷桩的桩径效果水平旋喷桩的桩径效果P40施工中采用的降水方法：施工中采用的降水方法：垂直深井降水、超前真空深孔降水、垂直深井降水、超前真空深孔降水、轻型井点降水型井点降水。辅助工法辅助工法 关于降水关于降水 多级轻型井点降水管网 集水井P41掌子面泥化掌子面泥化现象明象明显，稳定性定性较差，基底呈稀糊状，隧道差，基底呈稀糊状，隧道变形大，支形大，支护破坏乃至坍塌，施工破坏乃至坍塌，施工进度度缓慢，施工慢，施工难度和度和

19、风险极高极高。桃桃树坪隧道坪隧道降水前降水前 掌子面砂层溜塌情况 粉细砂流动 P42兰兰渝渝铁铁路路桃桃树树坪坪隧隧道道三三级降降水水系系统完完成成后后，在在掌掌子子面面后后方方布布置置6台台真真空空降降水水泵，其其中中单台台水水泵最最大大抽抽水水量量约在在6 m3/h，平平均均日日抽抽水水量量约在在600800m3/d。通通过水水平平真真空空降降水水结合合大大口口井井降降水水后后，上上、中中、下下台台阶在开挖在开挖过程中均达到无水作程中均达到无水作业，降水效果良好。，降水效果良好。大口井降水大口井降水 真空降水管路真空降水管路P44 地地质超前超前预报有地有地质调查法、超前法、超前钻探法、物

20、探法和超前探法、物探法和超前导坑法。坑法。1）地地质调查法法：包括：包括隧道地表隧道地表补充地充地质调查、掌子面和洞身地、掌子面和洞身地质编录，地，地质作作图等。等。2）超前超前钻探法探法：包括：包括超前地超前地质钻探、加深炮孔探探、加深炮孔探测及孔内及孔内摄像像。3）物探法物探法：弹性波反射法性波反射法；TSP203 TRT6000 电磁波反射法磁波反射法；地地质雷达雷达 红外探外探测；探水探水 高分辨直流高分辨直流电法法 探水探水 4）超前超前导坑法坑法：包括平行超前：包括平行超前导坑法、正洞超前坑法、正洞超前导坑法等。坑法等。地质超前预报的方法地质超前预报的方法P45TSP地地质超前超前

21、预报系系统：震波能量来源震波能量来源 爆破爆破TSP203系系统统工作原理工作原理图图TSP地质超前预报系统数据处理图地质超前预报系统数据处理图目前常用的方法目前常用的方法 地震波法地震波法P46TRT6000地地质超前超前预报系系统特点：无线、三维成像、加速度传感器、锤击震源传感器可反复使用TRT6000系统三维成像技术是基于地震能量在不同介质中以不同的衰减率和速度传播。通常，与破碎或裂隙发育的岩土体或空洞条件相比，地震波在完整坚硬的介质中传播时，具有更高的传播速度和更低的衰减。地震波在岩土传播过程中遇到具有不同震动特性的岩土界面时，地震波会产生反射。绝大多数地质结构异常及岩性变化，在地震信

22、号可及的距离范围内，均可形成可探测的地震发射。TRT6000系统通过对收集到的各类地震波信号的综合分析处理，绘制三维全息岩土地质结构图像。P47地地质超前超前预报可采用可采用长距离距离预报、中距离、中距离预报和短距离和短距离预报。1）长距离距离预报：预报长度度100m以上。采用地以上。采用地质调查法、地震波法、地震波反射法及反射法及100m以上的超前以上的超前钻探等。探等。2）中距离中距离预报：预报长度度30100m以上。采用地以上。采用地质调查法、法、弹性波反射法及性波反射法及30100m以上的超前以上的超前钻探等。探等。3）短距离短距离预报：预报长度度30m以内。采用地以内。采用地质调查法

23、、法、弹性波反性波反射法、射法、电磁波反射法（地磁波反射法（地质雷达探雷达探测）、）、红外探外探测及小于及小于30m的超的超前前钻探等。探等。地质超前预报的距离地质超前预报的距离隧道风险评估体系国际隧协 Guidelines for tunnelling risk management 隧道风险管理指南-2004铁道部铁路隧道风险评估与管理暂行规定铁建设2007200号关于印发铁路建设工程安全风险管理暂行办法的通知铁建设2010162号关于铁路高风险隧道安全管理工作的实施意见工管质201136号交通部 公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南中华人民共和国住房和城乡建设部城市轨道交通地下工程建设

24、风险管理规范(GB 50652-2011)2012-01-01实施主要内容主要内容目录：1总则2术语3基本规定4工程建设风险等级标准5规划阶段风险管理6可行性研究风险管理7勘察与设计风险管理8招标、投标与合同签订风险管理9施工风险管理附录本规范用词说明附:条文说明现场施工风险管理实施工作，主要包括：1 施工中的风险辨识和评估。2 风险评估报告应以正式文件发送给工程建设各方，并经风险交流后形成现场风险管理实施文件记录。3 施工对邻近建（构）筑物影响风险分析。4 施工风险动态跟踪管理。5 施工风险预警预报。6 施工风险通告。7 现场重大事故上报及处置。隧道施工各阶段重点关注要素洞口段洞口段 隧道进

25、洞隧道进洞 进洞场地布置 变仰坡稳定 水池位置 系统规划排水 进出洞物流通顺 避免交叉干扰 单口掘进出洞方案单口掘进出洞方案 小导洞出洞 先加固变仰坡 再扩大断面洞身段洞身段 正常掘进正常掘进 形成步进规范的作业循环 地质变化点地质变化点 岩性界面 整合界面 不整合界面 构造影响地段 断层 次生断层 关注岩层倾角变化 富水地段 设计图标注的构造位置与超前地质预报成果的应用 结构变化点结构变化点结构变化点结构变化点 断面变化 交叉口应用超前预报结果，提前进行工法转换应用超前预报结果，提前进行工法转换应用超前预报结果，提前进行工法转换应用超前预报结果，提前进行工法转换 关于隧道测量问题导线测量量双

26、导线洞内外控制点导线点的维护断面断面测量量拱腰最易侵限拱腰最易侵限拱腰最易侵限拱腰最易侵限有的隧道断面设计轮廓线与在拱腰处建筑限界仅5cm间距断面加宽断面加宽缓和曲线（南昆铝厂隧道）台台台台车设计车设计 维护维护 与与与与变变形形形形检查检查隧道建筑限界【structural approach limit of tunnel】指为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。关于衬砌开裂问题80%的开裂是由于空洞引起仰拱虚碴拱部托空边墙托空 沉降（仰拱虚沉降（仰拱虚沉降（仰拱虚沉降（仰拱虚碴碴）造成的）造成的）造成的）造成的纵纵向向向向张张性开裂性

27、开裂性开裂性开裂仰拱高压注浆可致闭合边墙边墙的局部弯拉裂的局部弯拉裂的局部弯拉裂的局部弯拉裂缝缝锚杆填充注浆压压性开裂（性开裂（性开裂（性开裂（闭闭合性裂合性裂合性裂合性裂纹纹）伴随裂缝边缘混凝土剥落需加固地层拆除补强剪裂剪裂剪裂剪裂缝缝一般有错台衬砌强度问题 振捣孔位置带来的问题（强度不足）关于变形与塌方处理 拱形支撑拱形支撑拱形支撑拱形支撑套拱是控制变形发展的最有效手段受力状态合理拆除困难材料重复利用率低 单单点支撑点支撑点支撑点支撑优点支撑及时压杆稳定性问题承载力不高 桁架支撑桁架支撑桁架支撑桁架支撑基础处理问题连接节点问题 坍方坍方坍方坍方处处理理理理稳定前方坍体喷混封闭坍体注浆预留排水孔巩固后方