暗挖施工技术(砂卵石地质)

1、 研究内容： 一、隧道开挖方法与比选 二、超前支护方法与比选 三、车站暗挖施工方法及施工要点 一、隧道施工方法与比选 隧道施工方法根据围岩级别、隧道长度、断面结构和尺寸、支护 衬砌的设计、机械设备的配置和施工条件等综合因素而确定。 具体方法有：明挖法、盖挖法、矿山法（钻爆法）、掘进机(TBM) 法、盾构法、沉埋法、顶进法，其中矿山法又分为传统矿山法和新奥 法。 传统矿山法和新奥法的区别：在于对围岩的认识和处理不同，传 统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。 而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的 支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支

2、护结构共 同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松 动破坏。，表现在支撑方式上，传统矿山法一般采用木支撑、钢支撑， 支撑步骤多、耗材多，切开挖分块多；新奥法主要采用锚喷支护，开 挖分块少，施工效率高。 隧道掘进机（Tunnel Boring Machine & TBM） ：在我国和日本 专指指全断面岩石隧道掘进机，是用机械破碎岩石、出碴和支护实行 连续作业的一种综合设备。 1、矿山法隧道施工主要方法 常见的矿山法隧道施工方法可以有：全断面法、台阶法、环形取土 留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁法（CD）、交叉中隔壁法 （CRD）、洞桩法（PBA）等 开挖方法开挖方法横断面示意

3、图横断面示意图施工方法施工方法使用范围使用范围 全断面法全断面开挖 初期支护 全断面二次衬砌 13级围岩,中小跨 度隧道 台阶法1上层台阶开挖、初 支，下层台阶开挖、 初支，全断面二衬 34级围岩，中小 跨度 环形开挖六 核心土法 上弧形导坑开挖、 初支，核心土开挖， 下台阶侧壁开挖、 初支，超前仰拱， 全断面二衬 45级围岩、一般 土质，中小跨度隧 道 开挖方法开挖方法横断面示意图横断面示意图施工方法施工方法使用范围使用范围 双侧壁导坑 法 先行侧坑开挖、初支， 后行开挖、初支，上层 台阶开挖、初支，拆侧 壁，下层开挖，初支， 超前仰拱，全断面二衬 大跨度、围岩 质量差 中隔壁法 （CD）

4、先行导坑自上而下顺序 开挖、初支，后行导坑 自上而下开挖初支，超 前仰拱，全断面二衬 围岩较差、跨 度大、浅埋、 地表沉降要求 严格 交叉中隔壁 法（CRD） 自上而下，分格开挖、 初支，超前仰拱，全断 面二衬 开挖方法开挖方法横断面示意图横断面示意图施工方法施工方法使用范围使用范围 洞桩法 （PBA ） 按先下后上,先两边后中间施工 导洞，由边到中施工条基、边柱、 中柱、冠梁，开挖顶部、二衬， 继续向下开挖完成 超大断面，地 铁上一般为车 站施工采用 2、方案比选 （1）工程概况： 车站横穿道路为暗挖施工，暗挖段长61.5m，暗挖段内净空尺寸为 宽8.2m，高8.1m；外径尺寸为宽9.8m，

5、高9.7m；拱顶覆土8.6m。 隧道拱部位于第四系中、下更新统冰水沉积层的中密卵石层 ，围 岩级别为级；渗透系数K=20m/d。施工期间茶店子路继续交通，且沿 茶店子路管线不迁改。 （2）总结工程特点： 围岩自稳能力差级、埋深很浅、地下水丰富、隧道长度短、跨 度中等，矢跨比约为1、地表沉降要求严格。 （3）施工方案确定 见下表 施工方法施工方法适用范围适用范围可否采用可否采用不采用原因不采用原因 全断面法13级围岩,中小跨度隧道否围岩 台阶法34级围岩，中小跨度否围岩 环形开挖六核心 土法 45级围岩、一般土质，中小 跨度隧道 否地表沉降要求 双侧壁导坑法大跨度、围岩质量差否地表沉降要求 中隔

6、壁法（CD） 围岩较差、跨度大、浅埋、地 表沉降要求严格 可 交叉中隔壁法 （CRD） 可 洞桩法（PBA ）超大断面，地铁上一般为车站 施工采用 否施工难度大，大材 小用 CRD法比CD法的地表沉陷和结构侧向水平位移小50%，因此在 相同条件下推荐使用CRD法。 施工方法施工方法 地表总沉陷地表总沉陷(mm) 地表沉降最大化倾斜率地表沉降最大化倾斜率 侧向水平位移侧向水平位移 (mm) CD 7784 6 20 CRD 2630 2.3 9 CD、CRD法施工效果对比 二、超前支护的方法与比选 超前支护：隧道在浅埋地段、自稳性差的软弱破碎地层，由于开挖后 围岩的自稳时间小于完成支护所需时间，

7、或初期支护的强度不能满足围 岩要求，是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于开挖的辅助措 施的一种， 浅埋暗挖：浅埋暗挖法沿用新奥法 (New Austrian Tunneling Method)基本原理，初次支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌 作为安全储备；初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。 结论：根据上节总结工程特点：围岩自稳能力差级、埋深很浅、地 下水丰富、隧道长度短、跨度中等，地表沉降要求严格。本工程属于软 弱地质浅埋暗挖工程，需要进行超前支护。 1、必要性论证 超前支护方一般有：管棚法、超前导管法、超前钻孔注浆法、超 前锚杆法、地表锚杆与注浆加固法、水平旋喷注浆法、冻结法、

8、掌子 面喷射砼、临时仰拱、墙式遮挡法等，这些方法在施工中可以单独使 用，也可以根据工程需要平行使用。 2、超前支护方法 （1）管棚法：其主要原理是在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线 外的设定部位水平铺设钢管，并可以通过钢管向围岩注浆，对管棚周 围的围岩进行加固，使管棚成为隧道后续开挖的防护伞（棚），达到 安全施工的目的。使用设备为管棚钻机。 （2）超前导管法：用于自稳时间短的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏 压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护，采用锤击或 钻机顶入时。 （3）超前锚杆是沿开挖轮廓线，以较大的外插角，向开挖面前方安 装锚杆，形成对前方围岩的预锚固(预支护)，在提前形成的围

9、岩锚固 圈的保护下进行开挖、装渣、出渣和衬砌等作业。主要适用于围岩应 力较小，地下水较少、岩体软弱破碎，开挖面有可能坍塌的隧道 （4）地表锚杆与注浆加固法：由地面钻孔打入锚杆注浆或直接注 浆的一种预加固方法，作用原理是通过砂浆对锚杆的握裹力,以及砂浆 与周围孔壁之间的粘结力实现的土体加固的。 （5）冻结法：在不稳定含水地层中修建地下工程时，借助人工制 冷手段暂时加固地层和隔断地下水的一种特殊施工方法，常用于竖井 工程。常用的制冷方法是液态氮。 （6）临时仰拱：是指为控制沉降，在开挖完的台阶底部钢架封闭 成环喷射混凝土，或直接喷射混凝土，待进行下步施工时拆除。 （7）墙式遮挡法：采用地下墙的方式

10、抵抗侧面土压力。 序序 号号 支护措施支护措施使用条件使用条件可否采用可否采用不能采用的原因不能采用的原因 1管棚法56级围岩，无自稳能力， 或地面有荷载 可 2超前导管 法 5级围岩，自稳能力低可 3超前钻孔 注浆法 56级围岩，富水围岩可 4超前锚杆 法 45级围岩，防止局部剥 落或局部塌陷 可 5地表锚杆 与注浆加 固法 5级围岩，埋深小于50m否路面不能破，物工 作面 6水平旋喷 桩 56级围岩（如淤泥、流 沙等），富水，地面交通 复杂，管线较多 否砂卵石土成桩效果 差 序序 号号 支护措施支护措施使用条件使用条件可否采用可否采用不能采用的原因不能采用的原因 7冻结法含水率大于10%，

11、松散、 不稳定地层 可 8掌子面喷 射砼 掌子面围岩破碎、渗水严 重 可 9临时仰拱围岩与支护变形的临时措 施、用于三台阶法和CD法 否不适用与CRD法 10墙式遮挡 法 隧道上方两侧有建筑物否场地限制 结合工程情况分析施工区域内地质条件差，施工安全要求高，管 棚法相比较于其他的支护方法具有更高的安全性、可靠性，很适合本 工程使用采用。 3、超前支护方法共存性论证 根据上节分析，确定管棚法为本工程首先采用的超前支护方法， 还有超前导管法、超前钻孔注浆法、超前锚杆法、冻结法、掌子面喷 射砼等可以平行使用。 （1）管棚与小导管的共存性：从施工方法和作用机理上看，两者 有重复性，但是从施工参数上分析

12、，两者就可以共存而且可增大安全 性。 管棚环向间距一般为25-40cm，因为工程所处的为砂卵石地质， 所以管棚环向间距不能取小值，而间距过大会造成管间注浆不充分， 施工中会有土体从管缝中塌落，不仅增加喷射混凝土和二衬混凝土用 量，还可能造成安全事故，如果在管棚的间隙中打入超前小导管就能 一定程度上弥补这个缺陷。因此可以同时采用管棚和超前导管法。 （2）由于采用了管棚和小导管法支护，同时也具有注浆的功能， 因此超前钻孔注浆法就没有使用的必要了。超前锚杆法的支护效果和 管棚的效果是重复的，且没有管棚的效果好也没有采用的必要。 （3）冻结法多用于竖井的开挖，且造价高，而且管棚、注浆的方 法可以达到加

13、固土体和防水的效果，所以不采用冻结法。 三、车站暗挖施工介绍 茶店子路站是成都地铁*号线工程中的一个中间站。车站主体 长212m，暗挖段长61.64m，其中暗挖部分1121m2；暗挖断面为双马 蹄形，外径尺寸拱高9.7m，宽9.8m，内净空尺寸为宽8.2m，高8.1m； 隧道中心间距为13.7m，拱顶埋深为8.58m。 1、工程概况 2、施工方案 （1）施工步骤顺序 施工方法和顺序：采用 CRD法施工，全断面分四次开 挖，施工总共分六步进行，施 工顺序如下：。 左侧上部开挖、初支， 右侧上部开挖、初支， 左侧下部开挖、初支， 右侧下部开挖、初支， 仰拱超前浇筑， 全断面二衬衬砌， 施工严格遵从

14、管超前、严 注浆、短开挖、强支护、快封 闭、勤量测的原则， 隧道自外向内依 次为： 拱顶：管棚-小导 管-工字钢支撑- 喷射混凝土初支- 防水层-二衬结构； 侧墙：锚杆-钢筋 网-喷射混凝土初 支-防水层-二衬 结构； （2） 隧道断面设计 （3）超前支护方法 1）管棚施工的设计参数要求 管棚的长度：一般为20-80m，特殊情况下，管棚打设长度可以达到 100m300m。 管棚直径：常用的为89mm、108mm、159mm。 管棚壁厚：一般为6mm，中间用同直径的壁厚1012mm钢管车丝扣连接。 管棚中心位置距开挖线：20-30cm；开孔位置偏差为2cm。 管棚倾角：外插角(仰角)一般1-3为

15、宜，可根据实际情况调整。 环向间距：根据现场地质条件、管棚管径确定，一般为25-40cm，有防 水作用时的取值偏小。 钢管内可增设由4根 20螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼提高钢管刚 度和强度，固定环采用外径42（壁厚3.5mm），长4cm的短管环，短管 间距1m。施工中应利用大管棚向地层注浆。 外插角对施工的影响：由于管棚长度大，对空位和空身倾斜度不好控 制，因此施工时需要预设一定的外插角，外插角过大会造成施工时挖 土量过大同时造成衬砌混凝土量增加，增加成本，外插角过小或没有 的话，施工中如控制不好，管棚就有可能侵入衬砌结构范围内导致衬 砌厚度不够，影响施工质量。 钻机种类有很多种有潜 孔钻

16、机、电动钻机、气动 钻机、跟管钻机等等；又 有履带式和轮式之分。 跟管钻机与常规钻机的 区别：常规钻机是先钻孔 成孔后再将钢管推进形成 管棚；跟管式钻机施工为 钻头推进时套管直接跟进， 一次性形成管棚。 2）超前小导管参数要求： 钢管直径 ：30-50mm； 钢管长：3-5m； 钢管钻设注浆孔间距：为100-150 mm；距后端100cm内不开孔 钢管沿洪的环向布置间距：为300-500 mm； 钢管沿拱的环向外插角：为10-15； 小导管是受力杆件，因此两排小导管在纵向应有一定搭接长度，钢管沿 隧道纵向的搭接长度一般不小于1m 。 3）超前注浆： 利用大管棚和小导管向土体注浆。 注浆材料：一

17、般采用单液水泥浆、水泥-添加剂浆液、水泥-水玻璃双浆 液。 水泥-添加剂浆液：主要添加剂为早强剂，强度与单液水泥浆大致相同， 胶凝时间缩短一半，为6-15小时。 水泥-水玻璃双浆液：主要由水泥浆和水玻璃按一定比例混合而成，强 度比单液水泥浆偏小，胶凝时间大大缩短，一般为十几秒到十几分钟。 其它材料：根据工程情况和施工要求的不同还有其他材料，包括铬木素 类、脲醛树脂类、丙烯酰胺胺类、聚氨酯类、水玻璃等。比如水玻璃可 以在瞬间凝结；丙烯酰胺胺类在注浆后一段时间内黏度不变，在某一时 间点瞬间凝结。这是这一类注浆材料造价偏高。 （4）开挖、初支方法 整个断面分成4个导坑开挖支 护，每部分施工时采用人工

18、 开挖配以机械谨慎开挖，注 意短进尺开挖，每一循环控 制在0.50.8m。 每一循环开挖后应立即初喷 约40mm厚砼、然后挂网、架 立钢架、打锚杆，钢架与喷 层间隙应楔紧，架立钢架后， 立即分层续喷砼至设计厚度。 隧道同一断面两侧相邻导坑 的前后工序宜保持约15m的安 全距离，每个导坑内的台阶 长度控制在46m的距离。 u锚杆喷射混凝土 锚杆：两侧侧墙各75范围内设置锚杆，采用直径32mm自进式锚杆，锚杆 间距为60*120cm，呈梅花状； 钢筋网：采用直径8mm钢筋，间距为150mm*150mm，设置两层全环钢筋网； 喷射混凝土：采用C25，抗渗S6早强混凝土，喷射厚度为350mm。 喷射混

19、凝土要求：主要有混凝土强度、喷射厚度、喷射混凝土与围岩黏结 强度等，这些可以通过实验的方法检测。施工中影响喷射混凝土这些质量 的因素主要有混凝土原材料质量、喷射压力、碰头和围岩的距离等，同时 施工现场的管理也是影响施工质量的一个重要因素。 u喷射混凝土后注浆 喷射混凝土时预留初支后注浆管，顶部间距为2m，侧墙上间距为3m，注浆 的目的是填充开挖造成的土体松动。 u钢架安装 中隔壁采用I22a型钢加工而成，全环钢架间距为0.6m，每榀(pn )钢架分 为8个单元拼接而成，横隔壁和竖隔壁分别由两个单元组成。 每榀个单元构件的拼接采 用螺栓连接 钢架施工均按设计位置安 设，在安设过程中当钢架 和喷层之间有较大间隙时 设骑马垫块，垫块按每单 元3处计。 钢架之间用 22（螺纹钢 筋）纵向连接钢筋焊接在 一起，钢架中心间距0.6m, 连接钢筋环向间距0.5m内 外交错设置。 钢架拼接示意图钢架拼接示意图 锁脚锚杆（管）：是通过钻 孔打入锚管的方式，向土体 注浆，以改善围岩的力学性 能，从而提高围岩自稳能力。 一般在上部开挖完后下部未 开挖前施工，常用在CRD法 和台阶法中。 （5）防水层 u防水层施做在初支和二衬之间全断面铺设， 制作方法为在二衬施工前在喷射的混凝土 上铺设防