第8章-3山岭隧道的矿山法施工

1、 山岭隧道的矿山法施工 2山岭隧道施工的特点1、充分认识工程地质条件水文地质条件的重要性；2、狭长建筑物，有时需要增辟工作面；3、地下施工环境较差，必须采取有效措施加以改善。4、隧道大多穿越崇山峻岭，运输不便 。5、隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改。 3隧道施工及设计的两大理论及其发展过程1、隧道施工的核心问题： 开挖：如何开挖才能有利于洞室稳定和便于支护。 支护：如何支护才能保证洞室稳定和便于开挖。隧道施工的两大理论：松弛荷载理论（20年代）：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载，不稳定岩体则可能坍塌，需要支护，支护的荷载为围岩的松弛荷载；该理论代表人物：泰沙基，普氏。岩承理论（50年代）：围

2、岩稳定是岩体自身有承载能力，不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果这个过程中提供必要的限制，则围岩仍然稳定。 第一节 山岭隧道施工传统矿山法 传统的隧道施工方法是随挖随用钢材或木材支护，然后，从上到下，或从下到上砌筑刚性衬砌，不进行施工量测。这也和当时的机械设备、建筑材料、技术水平相一致的。第一节 山岭隧道施工新奥法（NATM） New Austria Tunneling Method二十世纪六十年代以来，人们对开挖隧道过程中所出现的围岩变形、松弛、崩塌等现象有了更深入的认识，为提出新的、经济的隧道施工方法创造了前提。1963年，由奥地利学者L.v.腊布兹维奇教授（L.v.Rabcewicz）

3、命名为“新奥地利隧道施工法（New Austria Tunneling Methord）”，简称“新奥法（NTAM）”正式出台。新奥法（NATM）是由传统的矿山法发展起来的，传统的矿山法施工是把地层压力视作外力荷载，而新奥法是把围岩和支护结构作为一个统一的受力体系来考虑，围岩既是荷载的来源，又是支护结构体系的一部分，围岩和支护结构相互作用。第一节 山岭隧道施工新奥法以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。是指导隧道设计和施工的原则和理论体系。新奥法施工的基本思想是：充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混

4、凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、量测来指导地下工程的设计与施工。7新奥法的基本原则： (1)少扰动：减少扰动次数、强度、范围和持续时间（钻爆法施工时严格进行控制爆破、尽量用大断面开挖、短进尺、支护紧跟而缩短围岩应力松弛时间）； (2)早喷锚：使围岩不致因过度变形而失效，变形适度发展，充分发挥围岩自承能力； (3)勤量测：评价围岩稳定状态，判断其动态发展趋势，及时调整开挖及支护； (4) 紧封闭：喷锚封闭，避免岩石长时间暴露而强度衰减，阻止围岩过度变形。 8施工程序：9开挖作业1、开挖方法 基本原则：在保证围岩稳定前提下，选择恰当开挖方

5、式，尽量提高掘进速度。 按开挖隧道断面分类：全断面法，台阶法和分部开挖法。 即：以安全为前提，综合考虑工程地质及水文地质条件、围岩类别、埋置深度、断面大小、施工机械、经济、工期等。 当隧道施工对周围环境产生不利影响时，环境条件业作为选择施工方法的因素之一。如：城市地铁对地表沉降要求严格控制；地下水流失对居民用水产生影响时。10具体工法新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，可分为：全断面法台阶法分部开挖法 12全断面法按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。它的施工顺序是： 钻眼装药爆破开挖出整个隧道断面排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土装碴运出洞外安设边墙锚杆和喷射混凝土必要时

6、可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土开始下一轮循环在初次支护变形稳定后灌注内层衬砌。 适用条件：级围岩；单、双线隧道；13优点：工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；作业空间大，速度快，便于组织大型机械化施工。缺点：围岩稳定性低，且需较强的开挖、出碴、支护能力；爆破效果好，震动次数少，利于围岩稳定，但每次爆破强度大。 要求：摸清前方地质情况；机械务求配套；加强通风；定期对人员培训。 14台阶法将开挖断面分成上、下两部分进行开挖；适用条件：级级围岩台阶法上下台阶法弧形导坑开挖留核心土法16 （a）长台阶法。上台阶一般50m以上或大于5倍洞径，上下步可采用同类机械平行作业。 优缺点：干扰少、机械

7、配套、通风和测量工作简单、可进行单工序作业，但要求围岩稳定性较好。 （b）短台阶法。上台阶长度小于5倍大于11.5洞径。 优缺点：可缩短仰拱封闭时间，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰较大。 （c）超短台阶法。上台阶长度仅35m，适用于机械化程度不高的地段。 优缺点：断面闭合较快，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰很大。施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：（1）初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；（2）上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备，施工场地大小的要求。软弱围岩以前者为主,围岩条件较好时仅考虑后者。 18分部开挖法(a) 环形开挖留核心土法

8、19CD法CRD法20 优缺点：每个坑道跨度减小，利于稳定，易于局部支护，但扰动次数多；导坑超前利于地质调查，但导坑面小，速度慢。双侧壁导坑法超前支护111236-16-26-354栈桥仰拱衬砌7 挖掘装载隧道掘进机Cut and load machine 29第四节 施工辅助措施预加固和预支护的应用条件；发挥的作用； 超前锚杆、插板、小导管等预支护; 管棚； 超前小导管注浆介于预支护和预加固之间; 开挖工作面及围岩预注浆预加固.30 软弱围岩掌子面容易坍方，如下图示。施工辅助措施超前锚杆：沿开挖轮廓线以稍大的外插角向前方安装锚杆。一般采用22的螺纹钢筋，长度一般35m，环向间距0.31m，外

9、插角1030，搭接长度为超前长度的40%60%。管棚：长度大于10m，一般1045m，管径70180mm，孔径比管径大20mm30mm，环向间距0.20.8m，外插角12，搭接长度不小于1.5m，钢拱架采用工字钢或格栅钢架。超前小导管注浆：小导管一般布置在隧道拱部，超前小导管注浆支护的目的是改变地层力学参数，提高地层承载能力。若小导管前端焊一个简易钻头，则可钻孔，插管一次完成，称自进式锚杆。直径32mm40mm，长36m，钻孔倾角15。小导管注浆例注浆锚杆 某区间隧道采用超前小导管注浆加固地层 管棚的配置和形状 一般说，多采用图3所示的形状。 图3 管棚的配置和形状某地铁隧道拱部正在采用大管棚

10、加固地层 39 超前深孔帷幕注浆 注浆孔：可用冲击式钻机或旋转式钻机钻孔； 注浆管：采用带孔眼的焊接钢管或无缝钢管，孔眼段长度根据注浆范围定； 注浆顺序：先上方后下方，先内圈后外圈，先无水孔后有水孔，先上游后下游。 中管棚43 掌子面正面喷混凝土 喷射310cm左右的混凝土，覆盖掌子面，来防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性。喷混凝土不是作为轴力构件发挥作用的，是防止剥离的。常常与正面锚杆同时使用。 44施工中可能发生的问题及对策主要为初期支护及开挖过程，问题及对策如表。根据监控量测结果和发生的现象及时采取措施。 45施工中可能发生的问题及对策48 (1) 愉怀铁路最长隧道，全长11.068km

11、； (2) 穿越高压富水的毛坝向斜、桐麻岭背斜段， 预估正常涌水量为9.8万m3/d，最大为14.5万 m3/d，最大静水压4.6MPa； (3) 揭露了5个深埋充填型溶洞，多次发生突水和伤亡事故，施工难度极大毛坝向斜冷水河桐麻岭背斜1#2#3#4#5#五、工程案例工程概况49 岩溶突水的水力特征 (1)突发性 揭示的岩溶突水瞬时发生， 3#溶洞正洞超前下导坑施工时，掌子面突发爆喷型突泥，瞬间，硬塑软塑状粘土塞满244m长的下导坑空间，涌泥量4200m3 。 (2)高压性 圆梁山隧道岩溶预估静水压力高达4.6MPa, 2#溶洞突水后进行水压测试为2.73MPa；施工中均出现了射水、涌泥、喷沙现

12、象；将钻孔中钻杆冲出8m。 (3)富水性 预估正常涌水量为9.8万m3/d，最大涌水量为14.5万 m3/d。5#溶洞施工时，突发大规模涌水突泥，最大涌水量2万m3/h。涌水涌泥持续28分钟后渐小。 50溶 洞1#2#3#4#5#涌水涌砂频数（次）717459最大涌水量（m3/h）4006900030002000200000涌砂涌泥总量（m3）40101276400550025900平均涌砂涌泥量（m3/次）6596160011002878现场岩溶突水事故统计表51 圆梁山隧道现场突水涌泥情况 2002年11月10日，2#溶洞DK354+440处突然发生涌水涌砂，最大涌水量69000m3/h。

13、2#溶洞523#溶洞 2002年9月10日， 3#溶洞正洞超前下导坑施工到DK354+879处时，掌子面突发爆喷型突泥，瞬间，硬塑软塑状粘土塞满244m长的下导坑空间，涌泥量4200m3 。 535#溶洞4#溶洞4#溶洞是由多个小岩溶溶隙组成的溶隙群段，该溶洞开挖施工后，受降雨影响，多次发生大规模涌水涌泥。2001年7月14日，隧道突发大规模涌水突泥，最大涌水量2万m3/h。涌水涌泥持续28分钟后渐小，涌泥量1.5万m3。随后进行超前探孔时，由探孔中再次发生突水喷泥，喷射距离达40m。542、钻眼爆破掘进 （1）钻眼机具 钻头： 直径：一般有38mm，40mm，42mm，45mm，48mm。

14、形式：有一字形，十字形，形，柱齿形。 55 风动凿岩机： 风动凿岩机优缺点：结构简单，操作方便，使用安全，但压缩空气供应设备复杂，凿岩速度比液压凿岩机低。 56 液压凿岩机： 液压的优缺点：动力消耗少，凿岩速度快，适应性高，环境保护好，但结构复杂，造价高，重量大，多用于台车上。57 凿岩台车： 多台凿岩机安装在一个专门的移动设备上，可同时作业，集中控制，主要有三种形式：轨道走行式，轮胎走行式，履带走行式。 58 （2）爆破材料 炸药： 炸药的主要性能为： (a) 敏感度（感度）：炸药爆炸对外能的需要程度，包括：热感度、火焰感度、机械感度、爆轰感度； (b) 爆速：爆轰波在炸药内部的传播速度，一

15、般密度越大，爆速越大； (c) 爆力：炸药爆炸时对周围介质作功的能力； (d) 猛度：炸药爆炸后对与之接触固体的局部破坏能力； (e) 殉爆距离：一个药包爆炸后，能引起与之不相接触的邻近药包爆炸的最大距离；被动药包殉爆主要是主动药包爆炸后的冲击波引起。在设计装药结构时很有用，采用柱面状间隔装药，但药卷间距不得大于殉爆距离。 59 工程中常用的炸药： (a) 铵梯炸药：无瓦斯隧道中使用，简称岩石炸药，其中2号岩石炸药最常用；有瓦斯隧道中使用，为煤矿炸药，在岩石炸药中加食盐消焰。 (b) 水胶炸药：抗水性强，常用于水下爆破，含水量大，爆温低，安全。 (c) 乳化炸药：硝酸铵，硝酸钠水溶液与碳质燃料

16、通过乳化作用，形成乳脂状混合炸药。 (d) 硝化甘油炸药：抗水性强，密度大，爆炸威力大，适用于有水和坚硬岩石爆破，但敏感度高，安全性差，价格贵。 隧道工程常用的炸药直径2240mm，长165500mm。60 （3）起爆材料 导火索与火雷管 导火索是用来传递火焰给火雷管，并使火雷管在火焰作用下爆炸的传爆材料之一；火雷管为最简单的一种雷管，为即发式。 61 电雷管 电雷管是在火雷管中加设电发火装置而成的。可分为即发式和迟发式。 62 迟发雷管按延期时间差可分为：秒迟发和毫秒迟发系列。国产秒迟发雷管共分为7段，段数越大延期越长，最长延期时间为(7.0+1.0)s；国产毫秒迟发雷管有五个系列：第一、五

17、系列为高精度系列，第二系列为工程中最常用系列，第三、四系列延期时间为100ms和300ms，段别有9、15、20段。 导爆管与非电雷管 塑料导爆管是用来传递微弱爆轰给非电雷管，使之爆炸的传爆材料之一，外径2.95mm，内径1.4mm，内壁涂一层高能炸药，在冲击波作用下可沿管道方向连续稳定爆轰，从而起爆非电雷管，弱爆轰在管内传播速度为1600m/s2000m/s。 优点：抗电、抗火、抗冲击性能好。 塑料导爆管的发爆：可用8号火雷管、导爆索、激发枪、专用激发器发爆。 6364 （4）爆破方法 石质隧道爆破机理： 岩石隧道钻眼爆破应满足条件： (a) 开挖轮廓成型规则，岩面平整，超欠挖量符合规定；

18、(b) 爆破对围岩的扰动破坏小，以保证围岩稳定； (c) 爆破后石碴块度适中，符合装碴作业要求；钻眼工作量小，炸药、爆材消耗小； (d) 防止对周围设备的破坏，减少对环境尤其是水的污染。6566 爆破参数: (a) 炸药用量： Q=k L S 式中：k为炸药单耗kg/m3，L为掘进长m，S为面积m2，k=0.72.5kg/m3。 (b) 炮眼直径D：不偶合系数=D/ ，应控制在1.11.4之间，对掏槽眼及辅助眼应用较小值，对周边眼应用较大值。 (c) 炮眼数目N： 式中：装药系数，为药卷总长度与炮眼长度比值；-药卷单位长度质量kg/m；q单孔平均装药量，q=L。67 (a) 掏槽眼布置：作用是先在开挖面上掏出一个小型槽口，以形成临空面。掏槽形式有斜眼掏槽和直眼掏槽。 斜眼掏槽：锥形、楔形、爬眼。斜眼掏槽优缺点：可按岩层情况选择掏槽方式和角度，易把石碴抛出，掏槽眼个数少，但施工不便； 炮眼布置: 三种炮眼：掏槽眼，辅助眼，周边眼。6869 直眼掏槽：大直径中空孔、双临空孔、三临空孔、单临空孔。直眼掏槽优缺点：可用多机同时钻眼，施工速度快，石碴抛掷距离短，但炮眼个数多，炸药单耗大，位置及方向要求精度高。中空眼的作用