浅埋暗挖隧道的设计与施工

1、,浅埋暗挖隧道的设计与施工,目 录,P2,一、与施工有关的勘测设计问题 二、暗挖隧道施工技术 三、软弱围岩施工 四、暗挖隧道辅助工法 五、超前地质预报 六、关于隧道风险评估 七 、机械化发展,一、与施工有关的勘测设计问题,矿山法,新意法,设计施工理念,新奥法,设计施工理念,矿山法【mine tunnelling method】是一种传统的施工方法。它的基本原理是，利用具有足够强度和刚度的结构去抵抗由于隧道开挖而形成的地层地层松弛荷载。 新奥法【New Austrian Tunneling Method;NATM】是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支

2、护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。 新意法，即岩土控制变形分析法 ，是在围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上提出来，其基点是注重掌子面前方超前核心围岩的稳定。意大利全断面预加固隧道施工工法适用于软弱地层，大断面隧道开挖及用于浅埋隧道控制地面沉降和挤压地层的深埋隧道开挖，在特殊地质中施工具有很大的优势。,隧道设计理念的发展和传承,隧道结构设计方法 目前我国隧道的设计方法与国外基本一致，一般采用标准设计、类比设计及解析设计三种方法，从地下工程设计现状看，多数采用经验设计。 有些

3、学者提出隧道工程是门艺术，这门“艺术”指的就是实践。,常用的衬砌支护结构,整体式衬砌：适用盾构和部分TBM施工的管片衬砌。传统矿山法用的的混凝土衬砌，砌块等。,复合式衬砌：即隧道开挖后采用喷锚为主，进行初次支护，混凝土衬砌为二次衬砌，两者间主要设防水板。,喷锚衬砌：地质条件好的隧道中使用，挪威法，新奥法,地铁设计规范 GB50157-2003,围岩分级,见施工期隧道工程围岩分级指导意见.docx,初期支护和衬砌的设计依据是勘测阶段的围岩分级,地铁设计规范（GB50157-2003）第10.1.2条规定:“暗挖结构的围岩分级按现行铁路隧道设计规范确定”。,铁路围岩分级和荷载最初来源对1000多次

4、坍方空腔高度的统计,浅埋隧道的界定,铁路、公路隧道设计规范的分界思路 假定在一定围岩类别条件下承载拱和坍落体存在,且要保证承载拱稳定,分界标准是坍落体高度的2025倍。,简易推断：覆盖层H为隧道开挖跨度B的2025倍,浅埋隧道的界定,城市浅埋隧道的问题更复杂, 除了埋深、围岩条件的关系外，还有隧道表面的荷载传递的问题,深埋应定义为隧道衬砌结构所受围岩压力为形变压力,浅埋隧道衬砌结构所受围岩压力为松动压力,初期支护,TB10003-2005铁路隧道设计规范,初期支护的设计主要是工程经验和工程统计，关键是施工过程中的修正,初期支护,关于初期支护的刚度 初期支护是一种柔性支护，允许和围岩一起变形 围

5、岩的变形压力在山岭隧道中往往大于松散压力，对围岩变形约束越大，需 要的结构刚度和强度越大。 对于地铁隧道而言，由于埋藏浅，初始地应力很小，荷载是地层松散压力。地铁隧道多采用格栅钢架+喷射混凝土 ，对于易坍方的地段，宜采用型钢钢架，以快速形成支护能力 关于初喷和复喷的问题 开挖后初喷可以迅速使开挖后圆顺，避免切向应力集中 关键是迅速闭合成环 在形成静定或超静定结构前，初期支护的承载能力很弱 围岩稳定的时空效应影响各工序与掌子面距离 当仰拱完成后，一般不会发生隧道内的坍塌 关注地下水的影响 地面的塌陷与隆起,二 暗挖隧道施工技术,暗挖隧道施工方法,按破岩机理分 钻爆法 非爆开挖 按开挖断面分 全断

6、面法 分部开挖法 分部开挖法： 台阶法 （上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土环形七步开挖法、三台阶临时仰拱法等） 双侧壁导坑法、中隔壁法（CD)、交叉中隔壁法（CRD) 其他：导洞法 中导洞法（双连拱隧道）顶管法 钻爆法是最常规的暗挖隧道开挖方法，其关键是钻爆设计和光面爆破,暗挖隧道分部开挖示意图,台阶法,该工法一般适合于级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于2倍洞径。,环形导坑(预留核心土)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，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。,CD法（中隔壁法）,该工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，以减少沉降

7、，防止坍方。该工法是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开挖隧道另一侧。每台阶纵向长度35m。初期支护仰拱紧跟下台阶，封闭成环。,CRD法（交叉中隔壁法）,该工法在特殊条件下采用。该工法是将大断面隧道上、下、左、右分块开挖，并施作初期支护和临时横撑（临时仰拱），每台阶纵向长度35m，步步封闭成环。,CRD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

8、阶每循环开挖支护进尺、级围岩不应大于1榀钢架间距,级围岩不得大于2榀钢架间距 (2)边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀。 (3)仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆,每循坏开挖进尺不得大于3m。 (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。 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。,关于进一步加强铁路隧道设计施工安全管理工作的通知(建技2010352号) 增加了时间要求,关于光面爆破,光面爆破是岩质隧道技术管理的源头 安全 质量 效益 影响光面爆破的因素 围岩整体性 爆

9、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 一般是拱部好于边墙 预留光爆层 光面爆破关键在于管理,铣挖法是近年来兴起的一种新的施工方法，将铣挖机安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤、液压剪等通用配置，应用于隧道掘进及轮廓修正、铣挖机为隧道开挖提供了一种崭新的施工方法，适用于软岩隧道。兰渝和合福（闽赣）都有应用。,关于非钻爆技术 铣挖法,横向铣挖机,纵向铣挖机,铣挖头,预切槽技术,用特制的链式机械切刀沿断面周边连续切割出一条厚约数十厘米，深数米的窄槽，同时应用与切刀一体化的混凝土灌注设备注入混凝土，形成一个连续的，起预先支护作用的混凝土拱壳。然

10、后在“拱壳”支护下进行工作面的全断面机械挖掘,关于隧道场地布置,洞内三管两线布置图,洞外场地布置以洞内的需求为宗旨 场地布置以大宗物流运送为主线，兼顾动力供应，保证运输线路通畅。 因地制宜 科学安排（经计算分析） 注意留够新风距离 供水宜采用变频增压技术,关于监控量测,目测是隧道监控量测的一个重要项目 要求有严格的安全值班制度和良好的照明条件 应根据设计文件安排量测项目 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 目前采用有尺量测的较多。由于隧道断面大，采取有尺量测时，施工干扰大、耗时长。 应大力推广采用全站仪利用贴片反射进行量测。,三 软弱围岩施工,软弱围岩定义,一般公路、铁路级以

11、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 铁路隧道围岩基本分级,由于埋深关系，地铁隧道以土质软弱围岩居多,(一)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

12、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。,变形量大 变形集中发生在工序转换期 一旦大变形形成，就难以控制。,土质浅埋隧道变形特征,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

13、，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽; 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/地表沉降槽,拱顶下沉和边墙内移,P37,针对不同的软弱围岩变形特征，从支护参数、断面形式、施工工法以及施工设备等几个方面考虑控制变形的手段：,软岩加固技术,P38,1）长锚杆加固塑性圈：根据塑性区范围及软质片岩厚度，锚杆长度812m不等，锚杆采用R32N自进式锚杆，间距11.2m，结合锚杆向围岩中压注水泥浆液；,长锚杆加固塑性圈,软岩加固技术,P39,2）提高支护刚度：初期支护是受力主体，它要求有一定的强度、刚度以抑制围岩的变形。通常采用格栅钢架I16型钢钢架I18型钢钢架I20

14、 型钢钢架H175型钢钢架等手段逐级进行加强试验，以控制围岩的变形。,刚性支护措施,软岩加固技术,P40,3）分层加强支护，逐步控制变形：支护结构形式为“第一层初期支护第二层加强支护+模筑衬砌”的双层支护体系。,分层支护措施,软岩加固技术,模筑衬砌 在铁路隧道中衬砌承受全部围岩压力,P41,4）优化开挖断面，改善结构受力条件,软岩加固技术,常见的控制拱脚下沉技术有： （1）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,P43,2）临时仰拱技术,临时仰拱在台阶法开挖的软

15、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 台阶法临时仰拱,控制拱脚沉降,（3）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,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,软弱围岩隧道施工的核心是“控制变

16、形、防止坍方” 巩固前方 稳定后方 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,塌方隧道地面坍坑,P48,（1）洞口大管棚长度不足、质量欠缺； （2）超前小导管施做不到位，施工方法选择不当； （3）初期支护强度不足，钢架连接不可靠、锁脚不稳固，落底钢架悬空榀数过多，工序失衡、封闭不及时； （4）监控量测不到位； （5）超前地质预报不及时、不准确，掌子面地质素描有欠缺、隐患未发现； （6）现场施工对围岩特性认识不足，支护措施不到位，台阶落底两侧同时开挖，仰

17、拱开挖不符合要求； （7）停工后初支暴露时间过长，二衬严重滞后等。,关于施工中宜发生问题的环节,四 隧道施工辅助工法,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,表2 常用辅助工法及其原理简介,表2 常用辅助工法及其原理简介,P53,采用先进的施工设备。如采用PST-60摇臂钻机和SM-14钻机进行水平旋喷加固以及掌子面玻璃纤维锚固技术,图 进行超前预加固施工,辅助工法关于水平旋喷,P54,水平旋喷桩的桩径效果,P55,施工中采用的降水方法：垂直深井降水、超前真空深孔降水、轻型井点降水

18、。,辅助工法 关于降水,多级轻型井点降水管网,集水井,P56,掌子面泥化现象明显，稳定性较差，基底呈稀糊状，隧道变形大，支护破坏乃至坍塌，施工进度缓慢，施工难度和风险极高。,桃树坪隧道降水前,掌子面砂层溜塌情况,粉细砂流动,P57,兰渝铁路桃树坪隧道三级降水系统完成后，在掌子面后方布置6台真空降水泵，其中单台水泵最大抽水量约在6 m3/h，平均日抽水量约在600800m3/d。通过水平真空降水结合大口井降水后，上、中、下台阶在开挖过程中均达到无水作业，降水效果良好。,大口井降水,真空降水管路,五 超前地质预报,P59,地质超前预报有地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑法。 1）地质调查法：

19、包括隧道地表补充地质调查、掌子面和洞身地质编录，地质作图等。 2）超前钻探法：包括超前地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄像。 3）物探法： 弹性波反射法； 电磁波反射法； 红外探测； 高分辨直流电法等。 4）超前导坑法：包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法等。,地质超前预报的方法,城市地铁隧道以施工期的补充钻探为主,P60,TSP地质超前预报系统：,TSP203系统工作原理图,TSP地质超前预报系统数据处理图,常用方法,TSP地质超前预报系统,地震反射法预报,目前常用的方法,P61,地震反射法预报：,地震反射法原理示意图,地震反射法数据处理图,P62,地质超前预报可采用长距离预报、中距离预报和短距离预报。 1）长距离预报：预报长度100m以上。采用地质调查法、地震波反射法及100m以上的超前钻探等。 2）中距离预报：预报长度30100m以上。采用地质调查法、弹性波反射法及30100m以上的超前钻探等。 3）短距离预报：预报长度30m以内。采用地质调查法、弹性波反射法、电磁波反射法（地质雷达探测）、红外探测及小于30m的超前钻探等。,地质超前预报的距离,P63,电法,图2.4-6 乌鞘岭隧道V8不同高程CSAMT二维反演图,六 隧道风险评估,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-