地下工程暗挖法施工基本方法

1、地下工程暗挖法施工基本方法 不挖开地面，采用矿山法、机械法等方法修筑地下建筑物的方法，称为地下工程暗挖法。 一般使用在山岭的公路、铁路隧道、城市地下铁道等的修建中。 主要方法的分类见下框图。地下工程暗挖法施工全断面开挖上下导坑法分部开挖法掘进机（TBM)盾构法气压平衡土压破坏泥水平衡暗挖法 矿山法（钻爆法）机械法地下工程暗挖法施工施工准备场地准备、测量定线、三通一平、人员组织开挖爆破出渣运输初期支护二次衬砌钻炮眼、装炸药、联结引炮装置、爆炸通风、消除危石、装车锚喷支护临时支撑防水板铺设模注混凝土隧道的分部开挖 概述 分部开挖的主要目的： 是为了减小对围岩的扰动、保证掌子面的稳定、并能便利支撑，

2、以保安全。 分部开挖的方法： 是将掌子面（工作面）分为多个工作面，分部实施。 分部的大小与多少： 按地质条件与断面大小以及开挖和支护手段等，对周围环境影响等条件而定。隧道开挖实景照片隧道的分部开挖1、分部开挖方案 隧道施工方法有很多，但总归起来大体上有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类及若干变化方案，如下图示。隧道的分部开挖隧道基本施工方法隧道的分部开挖（1）全断面法 常用在硬岩中，利于大型机械化作业，施工速度快。（2）台阶法 多用于较软而节理发育的围岩中，有三种变化方案： a、长台阶法 上下台阶距离较远，上台阶超前50m以上或5倍洞跨，施工中上下部可配大中型机械平行作业。 b、短台阶法 上台

3、阶长度小于5倍但大于1倍洞跨，适用于较软弱的围岩，上下台阶施工干扰较大。 c、超短台阶法 上台阶仅超前35m，断面闭合较快。多用于机械化程度不高的各类围岩地段。隧道的分部开挖隧道的分部开挖预留台阶拱部开挖隧道的分部开挖（3）分部开挖法 可分为三种变化方案： a、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。上部留核心土支挡开挖工作面，利于及时施作拱部初期支护增强开挖工作面的稳定，核心土及下部开挖在拱部初期支护保护下进行，施工安全性好。一般环形开挖进尺为1m左右，不宜过长， 隧道的分部开挖 b、单侧壁导坑法（CD法-Center diaphgram） 围岩较差，跨

4、度大，地表沉陷难于控制时采用，此法单侧壁导坑超前，中部和另一侧的断面用正台阶法施工，故兼有正台阶法和双侧壁导坑法的优点，且洞跨可随机械设备等施工条件决定， 隧道的分部开挖 该方法还有一些变化方法，如在开挖单侧壁导坑时也采用台阶法，并及时用斜支撑支护，一般将这种方法称为CRD法。隧道的分部开挖 c、双侧壁导坑法 适用于浅埋大跨度隧道，地表下沉量要求严格，围岩条件特别差时，此法安全可靠，但速度慢，造价高。 隧道的分部开挖北京地铁西单站(双侧壁导坑法)隧道的分部开挖导洞凿除隧道的分部开挖1、各种分部开挖的力学效果分析 （1）台阶法的力学效果分析 在隧道施工中，台阶法使用最为广泛，不同的台阶长度对隧道

5、的稳定性将有不同的影响，特别在地质条件差，埋深浅时，确定合理的台阶长度尤为重要。 通过有限元法分析了台阶长度分别为、（D为隧道跨度）四种情况下对浅埋隧道洞口稳定性的影响。 隧道的分部开挖不同台阶长度下的地表下沉曲线隧道的分部开挖解析情况1.0D0.75D0.5D0.25D塑性区示意塑性区深度（m）7.05.55.04.0地表下沉（mm）35.0529.1824.4611.38拱顶下沉（mm）51.3444.6038.8223.30 不同台阶长度对隧道稳定性影响 隧道的分部开挖由上表和图可以看出：1、塑性区随台阶长度减小而显著减小，台阶长度从减小到，则塑性区深度减少82.86%。2、拱顶位移随台

6、阶长度减小而减小明显，台阶长度从减小到，则拱顶位移减少54.62%。3、地表下沉随台阶长度减小而大幅减小，台阶长度从减小到，则地表下沉减少67.53%。4、地表沉降槽宽度台阶长度减小而减小，台阶长度从减小到，则地表沉降宽度减少50%以上。 可见在隧道洞口的施工过程中，当选用台阶法时应尽量缩短台阶长度，以保证隧道的稳定性。 隧道的分部开挖（2）单侧壁、双侧壁法和台阶法的力学效果分析比较 分析中取隧道开挖宽度为14.28m ,隧道高度为。进行了有限元分析。 台阶法 单侧壁导坑法 双侧壁导坑法 各种施工方法的塑性区图 二、隧道的分部开挖情况 拱顶位移（cm)边墙位移(cm)仰拱位移(cm)台阶法5.

7、3426.0229.406单侧壁导坑法4.3783.79714.306双侧壁导坑法3.5123.3110.339部分计算结果 隧道的分部开挖由上表和图可以看出：1、双侧壁导坑法位移最小，拱顶位移为台阶法的66%，边墙位移为台阶法的55%。塑性范围也最小。可以认为，在大断面隧道施工中，双侧壁导坑法是较安全的方法。2、单侧壁导坑法与台阶法相比，拱顶位移为台阶法的82%，边墙位移为台阶法的63%。 仰拱位移是台阶法的152%，塑性范围比台阶法大；拱部的塑性范围与台阶法略小。因此，单侧壁导坑法的薄弱部位是仰拱。只要能够控制仰拱位移，将比台阶法优。3、从力学观点来看，双侧壁导坑法最优，单侧壁导坑法次之，

8、台阶法最次。隧道施工方法的选择涉及的因素很多，因此，应综合考虑确定。隧道的分部开挖（3）隧道仰拱的力学行为 对隧道有仰拱和无仰拱的有限元分析。 塑性区分布 隧道的分部开挖有无仰拱拱顶拱肩边墙墙角仰拱无仰拱2.08.02.08.86.0有仰拱04.00.56.00减小（%）100507532100 塑性区范围(m) 可以看出，有仰拱比无仰拱二次衬砌安全系数提高了22%。仰拱对改善结构受力状态，提高承载能力有非常重要作用。隧道的分部开挖3、分部开挖方法比选 注：表示优选顺序情况围岩条件台阶法单侧壁导坑法 双侧壁导坑法 长短超短CDCRD单线隧道 软弱浅埋 软弱偏压 双线隧道 软弱浅埋 软弱偏压 三

9、线隧道 软弱浅埋 软弱偏压 隧道的分部开挖 （施工方法基本条件比较 ）条件全断面法台阶法单侧壁法双侧壁法隧道断面单、双、三线双、三线双、三线三线围岩条件硬岩较硬岩土质松软地层土质松软地层安全性一般较安全较安全安全施工机械大型大型或中型中型或小型小型工序及工期简单、工期快简单、工期快较多、较慢复杂、工期慢造价低较低较高高围岩变化的适应性向低较难，向高适应向低及高变化均能适应各种适应性不强向低变化适应主应力竖直向水平转移 双三线稳定增加，单线降低 断面洞室稳定性增加最明显 洞室稳定性降低 洞室稳定性降低 管线布置很方便方便较方便不方便辅助支护不容易很容易一般一般关键部支护 一般好较好较好新奥法施工

10、一、新奥法（ NATM）新奥法即奥地利隧道施工法(New Austrian Tunnelling Method) 奥地利隧道工程师腊布希维兹首先提出的。 定义：以控制爆破（光面、预裂爆破等）为开挖方法；以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，动态修正设计参数和变动施工的一种隧道施工法。 核心内容：是充分发挥围岩的自承能力。围岩是承载的主体，结构是安全贮备。新奥法施工 即设计理论施工方法结构(体系)工作状态(结果)的一致性。 新奥法作为一种施工方法，已在世界范围内得到了广泛的应用。本节介绍的重点。 新奥法与传统矿山法技术相比，不仅手段不同，更重要是工程概念不同。新奥法技术的应

11、用和发展，导致隧道及地下工程理论步入到现代理论的新领域。新奥法施工1、新奥法与矿山法施工比较新奥法支护工作状态矿山法支护工作状态新奥法施工 传统支护与新奥法围岩表面的应力状态比较 传统支护不能及时向围岩提供径向抗力，围岩松动，表现为摩尔圆与包络线相切。c、下降，包络线位置下移与摩尔圆相交，造成岩体破坏，形成松动围压。 新奥法施工，由于喷混凝土渗入岩体裂隙，起到加固作用，提高了岩体的c、值，包络线上移，连续喷层对围岩表面作用有封护抗力Pi，使岩体的稳定性得到保证。新奥法施工2、隧道施工的力学过程新奥法施工3、隧道施工力学过程的研究（1）地质工程体的研究 指洞室的地质环境。包括地质体形成；初始应力

12、场；地质体的物理、力学、构造和时间特性及其分类等。科学地认识地质环境是对地下结构体系的正确设计和施工的前提。（2）坑道开挖后围岩力学动态和过程 坑道开挖前围岩处于初始应力平衡状态，当开挖后破坏了这种平衡，出现了应力重新分布；构造应力的释放，坑道周围岩体的性质变化；断面收敛、甚至坑道崩塌等各种物理现象。了解和认识从毛洞的形成到其破坏的全过程，有助于充分发挥岩体这一支护体系的重要作用。（3）坑道支护体系的评价 一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成因此，支护体系设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应的评定。而后者的关键是正确认识各类支护结构（模筑混凝土、喷混凝土、锚杆、钢支撑等）的构造

13、及其支护效应，正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其相互作用机理，即建立两者的相互作用力学模式。新奥法施工（4）时间对整个支护体系的影响及评价 各种材料（岩石、混凝土、金属材料等）长期性质，都与时间有关。构成坑道支护体系的岩体和结构材料也将受时间的影响，如参与工作的时间、围岩压力的时间效应、岩体或混凝土徐变、流变对应力应变的影响等。（5）施工和支护过程的力学评价 洞室的形成是通过开挖和支护两个施工阶段完成的，因此，施工及支护方法对整个坑道的稳定给予重要的影响。如开挖爆破、支护等对结构的应力状态产生影响。 隧道工程是经验性极强的学科，长期以来凭经验设计、施工。大量、丰富的经验中有许多是符合科

14、学的，提高到理论上来认识和理解，是隧道施工力学的一个重要任务。 新奥法施工4、隧道设计施工基本思路隧道设计施工基本思路新奥法施工5、新奥法施工流程图新奥法施工6、新奥法施工的基本原则 基本原则为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”少扰动：隧道开挖时，尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。能用机械开挖的就不用钻爆法；采用钻爆法时，严格控制爆破；采用大断面开挖；根据围岩类别、开挖方法、支护条件选择合理的掘进进尺；自稳性差的围岩，掘进进尺应短；支护要紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间。新奥法施工早喷锚：开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩变形进入受控制状态。一方面是使围岩不致因变形过度而产生坍塌

15、失稳；另一方面是使围岩变形适度发展，以充分发挥围岩的自承能力。 勤量测：以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态或动态发展趋势，以便及时调接支护形式、开挖方法。量测是现代隧道及地下工程理论的重要标志之一，也是掌捏围岩动态变化过程的手段和进行工程设计、施工的依据。紧封闭：一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，另一方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭形支护，这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。新奥法施工7、新奥法的优点（1）支护有效及时，避免松弛压力发生；（2）几乎保持住遗留岩体的强度；理想地适应遇到的岩体；（3）采用量测控制支护过程，使隧道变形和下沉极小；（4）施工支护同时是永久支护的一部分；（5）喷层厚度小，节省开挖工作量并减小了隧道开挖跨度；（6）在23m很小的埋深条件下也是可以应用的；（7）在稳定性较差的岩体中，能进行迅速的掘进；（8）较经济，安全。新奥法施工8、新奥法的缺点（1）良好的施工组织和管理，熟练的技术和量测人员；（2）开挖中