第十三章地下工程施工教案精品课程

1、第十三章 地下工程施工一、施工特点：.受地质和水文地质条件影响大。如：断层、破碎带、高压含水层、流砂层，影响安全、进度等.工序多、工种多、干扰性大，且工作面小，劳动条件差，影响工作效率。如：测量放线、钻孔、装药、爆破、支护、出渣、衬砌、灌浆、质量检查等；设备噪音、废气污染等使洞内工作条件恶劣。.地下开挖易发生事故，安全问题突出。如：塌方冒顶、涌砂涌水，松动石块坠落等。二、隧洞开挖（一）开挖方式（钻爆法）.全断面开挖（）概念：隧洞整个断面一次钻孔爆破。每完成一个开挖循环，整个断面向前推进一段距离。（）适用）断面尺寸小（不超15m2）；）断面较大，但地质条件好，设备完善亦可采用。（）优点）工序之间

2、干扰小，运输布置方便，易于管理；）准备作业、辅助作业一次完成；）断面较大时，可采用大型机械，有利于加快进度。（）缺点：自由面较少，单位耗药量较大。（）开挖方法分类a.垂直掌子：适用于大型机械设备施工。目前采用较广。b.台阶式掌子：整个断面分为上下两层，上层一般超前2-2.5m，上下层同时爆破。.导洞开挖（）概念：先掘进开挖断面的一部分作为先导，称导洞，然后再扩大导洞至设计断面。（）适用：断面大，地质条件差，无大型设备。（）优点：可利用导洞探明地质情况，增加爆破临空面。（）分类）按开挖方式a.导洞专进：先全部贯通导洞，再扩大至设计断面。通风好，但速度慢，不常采用。b.并进法：导洞掘进一定距离后（

3、10-15m），然后导洞和扩大开挖同时进行。广泛采用。）按导洞在开挖断面中的位置：上导洞法、下导洞法。（）上导洞法）适用：地质条件差，地下水不多，机械化程度不高，且洞线短。）优点：顶部开挖规格易于掌握，支撑简单，施工安全，下部扩挖钻眼方便。 ）缺点：排水、出渣不便，且需二次铺设路轨（矿车出渣），且衬砌与开挖常常干扰。）衬砌方法：先拱后墙、先墙后拱。）先墙后拱：适用于地质条件较好隧洞。）先拱后墙：运用于地质条件较差情况。其缺点是开挖与衬砌需解决马口开挖（隧洞边墙处支撑混凝土顶拱的岩石）问题。处理方法如下：a.对开马口开挖：将同一衬砌段（长一般4-8m）的两个马口同时开挖，随即进行衬砌。用于石质较

4、好，拱圈与围岩粘结牢固条件，可减少施工干扰，避免爆破打坏对面边墙。b.错开马口开挖：每段两个马口的开挖不同时进行，先开挖一个马口并立即进行衬砌，当混凝土强度达70%后再开挖和浇筑另一个马口。用于石质松散破碎。注：马口开挖与衬砌之间互相干扰，进度慢，衬砌的整体性差，且顶拱易受爆破影响。c.不挖马口法：将隧洞拱座跨度挖大一些，使浇筑的顶拱直接支撑在边墙两侧的围堰上，不在进行马口的开挖。（）下导洞法：导洞布置在隧洞的下部。）适用：岩石稳定，地下水较多。）优点：下部出渣线路不必转移，排水方便，上部扩大，可利用岩石自重提高爆破效果，开挖与衬砌干扰小，施工速度快。）缺点：上部扩大钻眼困难，遇岩石破碎时，施

5、工不够安全。（二）导洞形状和尺寸.导洞形状：一般为上窄下宽的梯形断面。这样的断面受力条件好，也便于利用断面底角布置风、水、电等管线。.导洞断面尺寸：应在满足施工的前提下，尽可能减小断面尺寸（但应满足开挖、支撑、运输工具的大小和人行道的布置，安全距离不小于20cm），以加快进度，节约炸药用量。一般导洞高2.2-3.2m，宽2.5-4.5m（其中人行道宽0.7m）。（三）炮孔布置和装药量计算.炮孔布置（）掏槽孔：布置于开挖面的中心部位，最先起爆，爆出一个小的槽穴，以增加爆破临空面，提高周围炮孔的爆破效果。槽孔布置方式有楔形、锥形、垂直掏槽孔。掏槽孔较崩落孔深15-20cm，装药量增加20%。（）崩

6、落炮孔：均匀布置在掏槽孔与崩落孔之间，炮眼一般与开挖面垂直，且眼底落在同一平面上。其作用是爆落岩体。起爆顺序由内向外。炮孔间距一般为80-100cm（中硬岩石）。（）周边炮孔：布置在开挖面四周，一般最后起爆，其作用是控制开挖轮廓线。为获得平整光滑的开挖面，可采用光面爆破和预裂爆破。周边孔距离开挖边线10-20cm，以利钻孔，钻孔应略向外倾斜。为保证开挖面的规格，每个角上应布置角孔，底部孔考虑到抬炮影响，应加大装药量或加密炮孔。.炮孔数目和深度（）炮孔数目：按下面经验公式计算：k1：系数，一个临空面取2.7，两个临空面取2.0；f：岩石的坚固系数；s：开挖断面面积。（）炮孔深度：根据开挖断面的大

7、小、围岩类别、钻孔机具和掘进循环时间进行选择。一般为2.5-4.0m。当岩石破碎时也可取1m左右。.装药量计算炸药用量直接影响开挖断面的轮廓、掘进速度、围岩稳定和爆破安全。炸药用量一般需经过现场试验确定，开工前可按下式计算：Q：一次掘进中的炸药用量；K：单位炸药消耗量；S：开挖断面面积；L：崩落孔炮孔深度。注：各种炮孔的装药深度和药卷直径有所不同，见下表：名称掏槽孔崩落孔周边孔装药深度0.6-0.67L0.4-0.55L0.4-0.55L药卷直径3/4d3/4d1/2d表中：L指各类炮孔的孔深，d指各类炮孔的孔径。炮孔其余部分用1:3粘土与砂的混合物堵塞。（四）钻孔作业一般占掘进循环时间的四分

8、之一强。钻孔机具有风钻和钻孔台车。（五）装渣运输是一项繁重的作业，约占循环作业时间的50-60%，是影响掘进速度的关键。.装渣（）人工装渣（）机械装渣：装载机、短臂正向铲等。.运输（）窄轨运输：用于断面小，轨距一般为600mm。（）自卸汽车运输：用于断面大，一般为12T、20T、32T汽车。（六）隧洞临时支护为确保施工安全，应对稳定性较差的围岩进行支护。支护原则是及时、可靠、方便、经济。分为喷锚支护和构架支撑两类。一般宜优先选用喷锚支护。.木支撑：适用于断面不大的导洞和临时性支洞。具有重量轻、加工架立方便、破坏前有显著变形等优点。但费用较高，已较少采用。.钢支撑：用于破碎而不稳定的岩层，能承受

9、很大的山岩压力、耐久性好、所占空间小，可多次使用，也可不拆除作为永久支护。但费用高，一般在不良地质条件下采用。.预制混凝土支撑：刚性大、耐久性好，能承受较大的山岩压力。一般用作永久支撑。其缺点是重量大，运输安装不便，须采用机械化施工。（七）隧洞开挖辅助作业.通风与防尘（）目的：排除钻孔、爆破等产生的有害气体和岩尘，供给新鲜空气，改善洞内的温度、湿度、气流速度。（）通风方式有自然通风和机械通风两种。自然通风一般用于掘进长度不超过40m。）压入式：将新鲜空气沿风管送到工作面，洞内污浊空气自然流出。）吸出式：将污浊空气由风管排出，新鲜空气自然流入洞内。）混合式：经常性供风使用压入式，爆破后排烟时用吸

10、出式。所以具有上述两种方法的优点。.排水与供水隧洞施工需及时排出地下涌水和施工废水，同时洞内钻孔、作业面洒水、混凝土养护等施工用水，需用管路供水。.供电与照明分为动力用电和照明用电。（八）隧洞循环作业指在一定的时间内，将开挖面掘进一定深度（即循环进尺）所完成的各项工作。循环时间是指开挖每循环一次所用时间的总和。一般以钻孔开始算起，循环时间为4、6、8、12小时等。.编制循环作业图编制循环作业图的关键是确定一个循环的掘进深度，一般先确定一个循环时间，再推算出相应的掘进深度。（）计算一个循环的掘进深度。步骤如下：）计算开挖面的炮孔数）计算开挖面掘进1m时的炮孔总长：炮孔利用系数，约为0.8-0.9

11、）计算开挖面1m时的钻孔时间：n台风钻同时工作系数，取0.75-0.8。）计算开挖面1m时的出渣时间）确定其他辅助作业时间T辅）计算一个循环的掘进深度）确定一个循环内各作业所需的时间）编制循环作业图.循环作业图编制示例（九）隧洞掘进机一种将碎岩和出渣实行连续作业的综合机械设备，可实行全断面开挖，效率高，进度快，对围岩破坏小，开挖壁面平整光滑。三、隧洞衬砌目的：防围岩风化、松动塌落，减少糙率、增大输水能力。隧洞衬砌方法与一般水工混凝土施工基本相同，但也有其特殊性。（一）隧洞衬砌的分段与分块隧洞一般较长，受结构和施工能力的限制，一般需分段、分块浇筑。分段长度一般为6-18m。分段处可是永久缝也可是

12、临时施工缝。.浇筑段之间设伸缩缝或施工缝（）逐段浇筑：一段浇筑完成后，待混凝土达一定强度后，再浇筑相邻一段。施工进度较慢。当隧洞较长时，可采用分段流水作业以加快进度。（）隔断浇筑（跳仓浇筑）：可以避免窝工，但封拱次数多，施工比较困难。.浇筑段之间设空档（）方法：先在相邻段之间设空档（1m左右），然后对各段进行独立浇筑，最后对空档进行浇筑。（）特点：大部分衬砌可尽快完成，但空档填补困难，封拱次数太多，一般用于地质破碎情况。.横断面分块浇筑（）施工方法：横断面浇筑顺序为先底拱后边墙和顶拱。接缝面应进行凿毛处理，必要时可设键槽，且分缝处应有受力主筋通过。（）分块位置：接缝一般设在弯矩、剪力较小处，并

13、考虑施工方便。底拱中心角一般为900。（二）衬砌模板.底拱模板（）中心角较小时，可以不用表面模板，而只安装浇筑段之间的端部模板，采用弧形刮梁将表面作成弧形，然后人工抹平。（）中心角较大时，一般采用悬吊式弧形模板，注意运输系统的支撑不要与模板的支撑连在一起，避免运输产生的震动引起模板位移。.边墙和顶拱模板（）装配式模板：现场架立，用预埋锚杆、铁件和对撑的方式固定。拼装拆移频繁，进度慢、费用高。（）移动式模板：有木模台车和钢模台车。钢模台车可大大缩短立模时间，加快施工进度，目前运用广泛。（三）衬砌内的钢筋绑扎洞内钢筋形状比较简单，但运输和安装比较困难。应注意工序之间的配合，可用钢筋绑扎台车来完成。

14、例如小浪底导流洞衬砌，采用顶拱钢筋台车进行顶拱钢筋绑扎，底拱模板台车和顶拱模板台车进行混凝土的浇筑。（四）混凝土浇筑.混凝土运输常采用皮带机、混凝土泵、斗车和手推车。.混凝土的浇筑应注意两边墙混凝土均衡上升，避免一侧压力过大，使模板产生位移。一般可由两侧端口向中间合拢。.封拱在浇筑顶拱时，对最后一个预留窗口封堵混凝土的工作。常采用如下方法进行封拱。（）封拱盒封拱：将窗口浇成长方形，待混凝土强度达到980kPa后，拆模，将窗口凿毛，安装封拱盒。封拱时混凝土从盒侧活门装入，用千斤顶将混凝土压入窗口内，如此重复2-3次，即可完成封拱。一般非泵送混凝土时采用。（）混凝土泵封拱：封拱时导管末端装铅直尾管

15、，尾管距岩面20cm，以保证混凝土自流扩散。尾管数目由仓面和混凝土料的扩散半径（m左右）确定。封拱步骤如下：）当混凝土浇到顶拱仓面时，撤出各种器材，使混凝土面形成斜坡。）当混凝土面浇到与进人孔齐平时，撤出施工人员，封闭进人孔。）增大混凝土的坍落度（达到16cm左右）和泵送速度，继续压送混凝土。）当通气管开始漏浆，或压入混凝土量超过预计方量时，说明顶拱已填满，停止送混凝土。对尾管处理后，再拆除导管。）待顶拱拆模后，将外露尾管气焊割除，用砂浆抹平衬砌表面。四、隧洞灌浆.分类：有回填灌浆和固结灌浆两种。（）回填灌浆：填塞岩石与衬砌之间的空隙，以弥补混凝土浇筑质量的不足，只限于顶拱范围内。（）固结灌浆

16、：加固围岩，一提高围岩的整体性和强度，灌浆范围为四周围岩。.施工要求（）为节省钻孔工作量，在衬砌时预留直径为38-50mm的灌浆钢管，并固定在模板上。（）一般灌浆孔沿轴线每2-4m布置一排，排与排之间交叉布置。（）灌浆必须在衬砌混凝土达到一定强度后进行。（）灌浆前，先用压缩空气清孔，再用压力水冲洗。（）灌浆在断面上应自下而上进行，利用上部管排气，在洞轴线方向采用隔排灌注、逐步加密的方法。（）为保证灌浆质量和防止衬砌结构被破坏，应严格控制灌浆压力。对回填灌浆：无压洞第一序孔用100-304kPa,有压洞200-405kPa；第二序孔压力提高1.5-2倍。固结灌浆压力可高一些。五、喷锚支护指采用喷

17、射混凝土、钢筋锚杆、钢筋网对洞室围岩进行单独或联合支护的统称。可作为临时支护也可作为永久支护。同现浇混凝土衬砌相比，可节约工期1/2-1/3，节约水泥1/2-1/3，减少劳力和投资1/2以上。（一）锚杆支护为了加固围岩而锚固在岩体中的金属杆件。锚杆与围岩共同工作，使原来不稳定的围岩趋向稳定，并成为有一定承载能力的结构。.锚杆的作用（）悬吊作用：利用锚杆把不稳定的岩体固定在完整的岩体上。（）组合岩梁：将层理面近似水平的几层岩层用锚杆串联起来，形成一个矩形岩梁，能够承受一定的荷载。（）承载岩拱：通过锚杆的加固作用，使顶部缓倾斜岩层形成一定厚度的承载岩拱。注意：在层理、裂隙近似垂直，或者在松散、破碎

18、的岩层中，锚杆的作用将明显降低。.锚杆的分类（）张力锚杆）楔缝式张力锚杆：由楔块、锚栓、垫板、螺帽组成。）胀圈式张力锚杆：由锥形螺帽、胀圈、锚栓、垫板、螺帽组成。）特点：张力锚杆易锈蚀，使用年限短，一般作临时支护。（）钢筋砂浆锚杆）锚固方式：可在钻孔内先注入砂浆后插入锚杆，也可先插入锚杆后注砂浆。）特点：锚固力较大，钢筋不易锈蚀，使用年限长，多用于永久支护。（）锚杆的布置）按布置形式分类：系统锚杆和局部锚杆两种。前者用于提高围岩的强度和稳定性，后者用语局部围岩的稳定。）布置要求a.锚杆应尽量与岩层的结构面垂直，当结构面不明显时，与周边轮廓线垂直。b.岩面上，锚杆宜布置成梅花形。c.系统锚杆插入深度为1.5-3.5m，其间距为插入深度的1/2，但不得大于1.5m。d.局部锚杆必须插入稳定岩体，间距与深度根据情况确定。.举例如小浪底导流洞进口边坡锚杆在喷混凝土天后进行，有张拉锚杆和砂浆锚杆。张拉锚杆固端用速凝树脂药卷固定，张拉后，用纯水泥浆灌注。用套筒扳手进行张拉，扭矩不小于350N.m。（二）喷混凝土支护指将水泥、砂、石子和速凝剂等材料，按一定比例混合后，装入喷射机中，用压缩空气将混合料压送到喷嘴处与水混合（干喷），或直接半和成混凝土（湿喷），然后再喷到岩石表面及裂隙中，使之起到支护作用。其优点是支护