区间隧道施工方法

隧道施工方法

几种施工方法一新奥法二盾构法三TBM四浅埋暗挖法新奥法新奥法新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod简称NATM，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹（L.V.RABCEWICZ）教授于50年代提出的，它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起，作为主要支护手段的一种施工方法。原理：新奥法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。新奥法隧道模型锚杆二次衬砌施工过程基本原则少扰动早喷锚勤测量紧封闭（1）充分保护围围岩，减少对对围岩的扰动动。（2）充分发挥围围岩的自承能能力。（3）尽快使支护护结构闭合。。（4）加强监测，，根据监测数数据指导施工工。测量断面大小及位位置台阶法环形开挖预留留核心土法中洞法交叉中隔壁法法中隔壁法双侧壁导坑法盾构法盾构机（软土土层掘进机）于1847年发明，它是是一种带有护护罩的专用设设备。利用尾尾部已装好的的衬砌块作为为支点向前推推进，用刀盘盘切割土体，，同时排土和和拼装后面的的预制混凝土土衬砌块。盾盾构机掘进的的出碴方式有有机械式和水水力式，以水水力式居多。。水力盾构在在工作面处有有一个注满膨膨润土液的密密封室。澎润润土液既用于于平衡土压力力和地下水压压力，又用作作输送排出土土体的介质。。软土层掘进进机原理盾构法是暗挖挖法施工中的的一种全机械械化施工方法法。它是将盾盾构机械在地地中推进，通通过盾构外壳壳和管片支承承四周围岩防防止发生往隧隧道内的坍塌塌。同时在开开挖面前方用用切削装置进进行土体开挖挖，通过出土土机械运出洞洞外，靠千斤斤顶在后部加加压顶进，并并拼装预制混混凝土管片，，形成隧道结结构的一种机机械化施工方方法。盾构机既是一一种施工机具具，也是一种种强有力的临临时支撑结构构。盾构机外外形上看是一一个大的钢管管机，较隧道道部分略大，，它是设计用用来抵挡外向向水压和地层层压力的。它它包括三部分分：前部的切切口环、中部部的支撑环以以及后部的盾盾尾。大多数数盾构的形状状为圆形，也也有椭圆形、、半圆形、马马蹄形及箱形形等其他形式式。土压平衡盾构构工作原理盾构推进时，，其前端刀盘盘旋转掘削地地层土体，切切削下来的土土体进入土舱舱。当土体充充满土舱时，，其被动土压压与掘削面上上的土压、水水压基本平衡衡，使得掘削削面与盾构面面处于平衡状状态(即稳定状态)。示意图如图图所示。由图图可知，这类类盾构靠螺旋旋输送机将碴碴土(即掘削弃土)排送至土箱，，运至地表。。由装在螺旋旋输送机排土土口处的滑动动闸门或旋转转漏斗控制出出土量，确保保掘削面稳定定。土压平衡盾构构机结构图刀盘盾尾施工1.在盾构法隧道道的起始端和和终结端各建建一个竖井，城市地铁一般般利用车站的的端头作为始始发或到达的竖井；2.盾构在始发竖井内安装就位；3.依靠盾构千斤斤顶推力（作作用在竖井后壁或新拼装好的的衬砌上）将将盾构从始发发工作井的墙墙壁开孔处推推出；4.盾构在地层中中沿着设计轴轴线推进，在在推进的同时时不断出土（（泥）和安装装衬砌管片；5.及时向衬砌背背后的空隙注注浆，防止地地层移动和固固定衬砌环位位置；6.盾构进入到达竖井并被拆除，如施施工需要，也也可穿越竖井井再向前推进。工作示意图竖井施工竖井施工盾构机安装安装就位推进沙土搬运和管管片运输沙土搬运衬砌衬砌指的是为为防止围岩变变形或坍塌，，沿隧道洞身身周边用钢筋筋混凝土等材材料修建的永永久性支护结结构。衬砌技技术通常是应应用于隧道工工程、水利渠渠道中。衬砌砌简单说来就就是内衬，常常见的就是用用砌块衬砌，，可以是预应应力高压灌浆浆素混凝土衬衬砌。二次衬砌二次衬砌是隧隧道工程施工工在初期支护护内侧施作的的模筑混凝土土或钢筋混凝凝土衬砌，与与初期支护共共同组成复合合式衬砌。模筑衬砌模筑衬砌指立立拱架或模板板后修筑的隧隧道衬砌。在在全断面开挖挖隧道灌筑整整体混凝土衬衬砌时，可实实行综合机械械预制装配式衬衬砌预制装配式衬衬砌是将若干在工工厂或现场预预制的构件运运入坑道内，，用机械拼装装而成，一经经装配，即可可承受围岩压压力。⑴一经经装配成环，，不需养生时时间，即可承承受围岩压力力；一经装配成环，不不需养生时间间，即可承受受围岩压力；大量构件可以在工工厂成批生产产，在洞内进进行机械化拼拼装，从而改改善了劳动条件，节省了劳动动力；拼装时，不需要临临时支护如拱拱架、模板等等，从而节省省了大量的支支撑材料及劳劳动力；拼装速度因采用了了机械化而提提高，缩短了了工期，还可可能降低造价价。缺点，在坑道内需需要足够的拼拼装空间，制制备构件的尺尺寸要求有一一定的精度，，接缝多，防防水较困难等等，由于以上上原因，在我我国铁路上未未能推广使用用。挤压混凝土衬衬砌挤压混凝土衬衬砌可以是素素混凝土，也也可以是钢筋筋混凝土，但但应用的最多多的是钢纤维维混凝土。挤压混凝土的的衬砌一次成成型，内表面面光滑，衬砌砌背后无空隙隙，故无需注注浆，且对控控制地层移动动特别有效。。但因挤压混混凝土衬砌需需要较多的施施工设备，其其中包括混凝凝土成型用的的框模，拼拆拆框模的系统统，混凝土配配制车、泵、、阀、管等组组成的混凝土土配送系统。。而且，混凝凝土制备、配配送、钢筋架架立等工艺较较为复杂，在在渗漏性较大大的土层中要要达到要求尚尚有困难。故故挤压混凝土土衬砌的应用用尚不广泛。。管片管片运输管片运输管片运输管片拼装管片拼装盾构到达竖井TBMTBM发展历史简介介隧道掘进机(TunnelBoringMachine)是一种用机械械破碎岩石、、出碴与支护护实行连续作作业的综合设设备，它是由由盾构技术发发展而来的。。1818年英国布鲁诺诺(Brunel)受蛀虫钻孔启启示，最早提提出盾构雏形形与施工方法法。1846年意大利人Maus发明隧道掘进进机(盾构)。1851年美国人查理理士·威尔逊研制出出TBM试用于花岗岩岩掘进未获成成功。1881年波蒙特开发发出压缩空气气式TBM，成功用于英英吉利海峡隧隧道直径2.1m的勘探导坑。。美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一一台软岩TBM，1956年又成功研制制中硬岩TBM。2023/3/15532023/3/1554TBM法的概述与应应用掘进机（TunnelBoringMachine），简称TBM，是一种修建建岩质隧道的的工厂化施工工技术。在机机械施工中很很长一段时期期，把在土质质隧道中采用用的机械称为为盾构，而把把在岩质隧道道中施工的机机械称为掘进进机，或岩石石掘进机。由由于机械制造造技术的快速速发展，这种种区分越来越越不明显，因因此目前多把把掘进机和盾盾构并称为盾盾构掘进机。2023/3/1555TBM主要制造商美国罗宾斯德国海瑞克公司德国威尔特公司加拿大拉法特日本三菱公司Robbins2023/3/1556TBM刀盘结构示意图TBM破岩方式主要有：：挤压式与切削式式1.挤压式主要是通过水平推进油油缸使刀盘上的滚滚刀强行压入岩体体，并在刀盘旋转转推进过程中联合合挤压与剪切作用用破碎岩体。滚刀类型：圆盘型型、楔齿形、球齿齿型2.切削式主要利用岩石抗弯、抗抗剪强度低(仅为抗压强度的5~10%)的特点靠铣削(即剪切)与弯断破碎岩体。。在两种破岩方式总总的破岩体积中，，大部分并不是由由刀具直接切割下下来的，而是由后后进刀具剪切破碎碎的，先形成破碎碎沟或切削槽是先先决条件TBM破岩方式与原理2023/3/1558TBM的优缺点优点：快速---约为钻爆法的4~6倍；优质---洞壁光滑，超挖量量少；高效---节约衬砌，节约人人工劳动；安全---安全性加大，作业业环境安全；环保---非爆破开挖，尘土土、气体、噪音污染少，减少辅辅助洞室，减少地地表破坏；自动化、信息化程程度高。2023/3/1559缺点：1、设备购置及使用用成本大；2、施工途中不能改改变开挖半径；3、地质适应性较差差;4、断面适应性较差差;5、运输困难。TBM施工法始于二十世世纪三十年代，限限于机械技术水平平，其应用实例甚甚少。五六十年代代随着机械工业与与掘进机技术水平平的不断提高发展展较快。迄今为止止，世界上采用TBM施工的隧道超过1000座，总长度超过4000km，以逐步成为长大大隧道修建的主要要施工方法之一。。国外典型应用——英吉利海峡隧道由2条外径8.6m单线铁路隧道与1条外径5.6m辅助隧道组成。全全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海海平面下100m，全部采用TBM施工。英国侧6台，岸边段3台海底段3台(单向推进21.2km)。法国侧5台，岸边段2台海底段3台。最深处需承受受10atm水压力，平均月进进尺1000m/月。隧道建成标志着TBM施工技术的最高水水平，也是融合英英、美、法、德等等国TBM施工技术于一体的的最高成就。国内外应用概况国内应用国内TBM研发制造始于二十十世纪六十年代中中期，共生产10余台直径2.5~5.8m的TBM，先后用于下列水水电与煤矿井巷工工程。国产机型月月均进尺20~300m，累计总掘进长度度12km。云南西洱河水电站站引水隧道引滦入津新王庄隧隧道陡河电站的引引水隧道引大入秦总干渠38号隧道北京落坡岭水电工工程贵州猫跳河水电站站引水隧道福建龙门滩引水隧隧道江西萍乡、山西怀怀仁、山西古交、、云南羊场煤矿楔齿型与球齿型滚滚刀破岩原理最初由楔齿尖端在在滚刀转动情况下下产生切向张力破破坏岩石的表面，，切人深度为λ。然后由齿尖的楔楔入力继续引起剪剪切破坏，楔入深深度为h。由于各齿环的齿齿节是不同的，因因此加大了楔齿的的破岩效果。球齿齿型滚刀的破岩原原理与楔齿型滚刀刀相同，适用于硬硬岩掘进。2023/3/1563TBM的结构类型，构造造和工作原理一、全断面TBMTBM基本构造TBM由破岩机构、推进进机构、岩碴装运运机构、导向调向向机构及吸尘、通通风装置等几部分分组成。破岩机构滚刀或削刀在强大大轴推力的作用下下旋转，切削与剪剪切破碎岩石。推进机构主支撑鞋顶撑洞壁壁以支承和推进机机身。副支撑鞋控控制振动与方向。。出碴机构破岩形成的片状石石碴，由安装在刀刀盘上的铲碴斗铲铲起，铲斗旋转到到顶部卸入集料斗斗，经皮带机装车车运出洞外。导向及调向机构导向机构是用来指指示和校核掘进机机推进的方向，使使其保证符合设计计的轴线和坡度的的要求。通风及吸尘装置掘进机工作时将产产生大量的热量与与粉尘。故对通风风、降尘要求较高高。一般在刀盘头头部安装有吸尘设设备和喷水装置，，掘进时连续喷水水降尘。机房内专专设通风降温设备备。全断面TBM分类开敞式TBM：配置钢拱架安装装器与喷锚等辅助助设备。常用于硬硬岩，采取有效支支护手段后也可应应用于软岩隧道。。双护盾TBM：适用于各种地质质，既能适应软岩岩，也能适应硬岩岩或软硬岩交互地地层。单护盾TBM：常用于劣质地层层。单护盾TBM推进时利用管片作作支撑，其原理类类似于盾构。与双双护盾TBM相比，掘进与安装装管片不能同时进进行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0mSingleShieldTBM①护盾；②液压推进进油缸；③管片；；④刀盘；⑤装渣渣斗；⑥皮带输送送机DoubleShieldTBM①可伸缩护盾；②刀刀盘；③活动支撑撑鞋；④辅助推进进油缸；⑤管片GripperTBM①支撑鞋；②钢支架架举升器；③锚杆杆安装机构；④钢钢筋网举升器2023/3/1570自由断面TBM2023/3/1571自由断面TBM的优缺点优点：①开挖断面面形状自由由；②易于适应应地质条件件的变化；；③开挖速度度快；④围岩松弛弛少；⑤噪声、振振动少；⑥轻量、小小型、机动动性好；⑦人员少，，安全性高高；⑧机械购置置费用低。。2023/3/1572缺点：①地质条件件的适用范范围小；②发生粉尘尘；③有涌水时时易于泥化化；TBM法隧道的施施工流程、、技术要点点和辅助工工法TBM施工主要流流程施工准备→→全断面开开挖与出渣渣→外层管管片式衬砌砌或初期支支护→TBM前推→管片片外灌浆或或二次衬砌砌Robbins开敞式TBM循环作业流流程STEP1:作业开始。。主支撑前前位撑紧洞洞壁，后支支撑腿提起起。刀盘转转动，推进进油缸伸出出，TBM前部前移一一个作业行行程STEP2:准备换步。。刀盘停转转，后支撑撑腿抵住仰仰拱承重STEP3:主支撑回缩缩。推进油油缸回缩将将自由态主主支撑前拉拉回位STEP4:主支撑回位位后伸出支支撑鞋抵紧紧岩壁，后后支撑提起起，TBM定位找正，，坡道上必必要时先定定坡度。STEP5:返回第一步步，TBM准备下一循循环掘进。。掘进机法施施工技术要要求基本原则TBM掘进断面大大可达10m以上，小仅仅为1.8m。由于TBM与辅助施工工技术日臻臻完善以及及现代高科科技成果(液压新技术术、电子技技术与材料料科学技术术等)的应用大大大提高了TBM对各种困难难条件的适适应性，因因此简单从从开挖可能能性来考虑虑TBM的适用范围围是不全面面的。判定依据隧道围岩的的抗压强度度、裂缝状状态、涌水水状态等岩岩性条件机械构造、、TBM直径等机械械条件；隧道断面、、长度、位位置状况、、地址条件件等。TBM工法选用流流程(参见下页流流程图)初步调查地质构造分分析地表调查弹性波速度度阻抗试验钻孔调查开挖直径刀具直径与与数量马达刀具转转速后续设备等等循环、支护护辅助工法、临时时设计与钻爆法比比较线路决定地质调查当地条件TBM规格决定施工计划经济分析实施计划变更线路其他方法NoYesTBM工法研究流流程框图α＜2挤出性——膨胀性围岩2＜α＜4轻微挤出性——地压大的围岩4＜α＜10地压大——有地压的围岩α＞10几乎无地压的围岩二、工程地地质条件主要调查影影响TBM使用的地质质条件。影响TBM选用的地质质因素隧道地压。。是否存在在塑性地压压？指标：围岩岩强度比(软岩)；围岩抗剪剪强度比(似砂土软岩岩)围岩强度比比断层破碎带带、软弱泥泥岩以及蛇蛇纹岩等膨膨胀性岩层层掘进困难难涌水状态。。涌水范围围、大小与与压力会造造成工作面面崩塌与承承载力低下下，应慎用用。机械条件TBM不仅受地质质条件约束束，还受到到开挖直径径、开挖机机构的约束束。在硬岩中开开挖大直径径隧道很是是困难。日日本实例的的最大直径径仅为5m左右。目前TBM多数是单轴轴回转式。。若开挖直直径越大，，刀头内周周与外周的的周差速越越大，将对对刀头产生生种种不良良影响。随着开挖直直径的增大大，需要增增大推力，，支撑靴也也要增大，，将导致运运输困难与与承载力问问题。开挖长度TBM进场需经历历运输、组组装等过程程。根据其其直径与型型式、运输输途径、组组装基地状状况等不同同，需准备备1~2个月。TBM后续设备长长100~200m，为正规地地进行掘进进也需先筑筑一段长200m左右的隧道道。隧道长度小小于1000m时，其运行行成本急剧剧增大。达达3000m左右时的成成本大致是是一定的。。国外在断面面10~30m2、长1000km以上的隧道道开挖，优优先考虑采采用TBM施工。最佳开挖长长度为3000km以上，短隧隧道慎用。。五.工程所在地地的道路设设施TBM的运输与组组装要求注注意工程所所在地的基基础设施条条件。搬运运计划应考考虑道路宽宽度、高度度与重量等等限制，根根据组装条条件充分调调查运输时时的分割方方法(即最小分割割尺寸与重重量)。TBM一般在工厂厂试组装、、试运输后后分割。分分割重量约约为35t，断面3.5×3.5m左右。TBM施工电耗较较高，约为为同规模其其他工法施施工的双车车道隧道的的1.5倍，规划时时应充分考考虑。TBM选用应考虑虑的条件工程规模：：隧道形状状、长度、、直径、埋埋深、走向向；地质情况：：岩石类型型与强度、、节理分布布与发育程程度、断层层、暗河、、溶洞、地地下水分布布、已有地地表建筑、、河流等基础设施：：交通运输输能力、水水电来源、、进出洞口口场地施工进度与与企业能力力(制造维修、、经济、施施工管理与与习惯)掘进机法施施工要点TBM施工管理措措施TBM工厂化施工工是一项管管理系统工工程。施工工与设备管管理水平的的提高是其其高效率与与高效益的的保证。在在一般地质质条件下，，国外掘进进机净掘进进时间在40～50％左右。提高设备完完好率，强强调预防性性维修。选择合理掘掘进系数，，定时检查查、更换与与调换刀具具配件储备与与供应定岗定责，，标准化作作业地质超前预预报控制测量与与施工测量量精度电力专供洞口平纵面面条件、作作业场地、、大型临时时工程等施施工准备衬砌施工技技术要点衬砌结构一一般是由临临时或初期期支护以及及二次衬砌砌组成。在在隧道设计计时，就应应确定基本本支护形式式。引水隧隧道大都采采用护盾式式TBM进行管片衬衬砌的结构构形式；公公、铁隧道道除进行临临时支护外外，一般视视地质情况况采用二次次喷射混凝凝土或二次次模注混凝凝土作为永永久衬砌。。管片式衬砌砌护盾式TBM一般采用圆圆形全周管管片式衬砌砌。该类衬衬砌适合于于软弱围岩岩。管片间间应安装止止水条，并并在管片外外圆与洞壁壁间隙间压压入豆石与与注浆。二次模筑混混凝土衬砌砌开敞式掘进进机一般随随开挖先施施作临时支支护，再进进行二次模模注混凝土土衬砌。亦亦可采用二二次喷射混混凝土作为为永久衬砌砌，加钢筋筋网或钢纤纤维。国产首台自自主知识产产权敞开式式TBM长长沙下线直直径8米米达到世界界先进水平平一个多世纪纪以来，其其核心技术术长期被国国外垄断，，甚至直到到今年10月前，国国内的TBM还全部部依赖进口口。国产首台敞敞开式TBM下线现现场国产首台敞敞开式TBM下线现现场浅埋暗挖法法定义浅埋暗挖法法是在距离离地表较近近的地下进进行各种类类型地下洞洞室暗挖施施工的一种种方法。在在城镇软弱弱围岩地层层中，在浅浅埋条件下下修建地下下工程，以以改造地质质条件为前前提，以控制地表表沉降为重重点，以格栅（（或其他钢钢结构）和和喷锚作为为初期支护护手段，按按照十八字字原则进行行施工，称称之为浅埋埋暗挖法。。浅埋暗挖法法是在距离离地表较近近的地下进进行各种类类型地下洞洞室暗挖施施工的一种种方法。继继1984年王梦恕院院士在军都都山隧道黄黄土段试验验成功的基基础上，又又于1986年在具有开开拓性、风风险性、复复杂性的北北京复兴门门地铁折返返线工程中中应用，在在拆迁少、、不扰民、、不破坏环环境下获得得成功。同同时，结合合中国特点点及水文地地质系统，，创造了小小导管超前前支护技术术、8字型网构钢钢拱架设计计、制造技技术、正台台阶环形开开挖留核心心土施工技技术和变位位进行反分分析计算的的方法，提提出了“管管超前、严严注浆、短短开挖、强强支护、快快封闭、勤勤量测”18字方针，突突出时空效效应对防塌塌的重要作作用，提出出在软弱地地层快速施施工的理念念。由此形形成了浅埋埋暗挖法，，创立了适适用于软弱弱地层的地地下工程设设计、施工工方法。基本原理浅埋暗挖法法沿用新奥奥法(NewAustrianTunnelingMethod)基本原理，，初次支护护按承担全全部基本荷荷载设计，，二次模筑筑衬砌作为为安全储备备；初次支支护和二次次衬砌共同同承担特殊殊荷载。应应用浅埋暗暗挖法设计计、施工时时，同时采采用多种辅辅助工法，，超前支护护，改善加加固围岩，，调动部分分围岩的自自承能力；；并采用不不同的开挖挖方法及时时支护、封封闭成环，，使其与围围岩共同作作用形成联联合支护体体系；在施施工过程中中应用监控控量测、信信息反馈和和优化设计计，实现不不塌方、少少沉降、安安全施工等等，并形成成多种综合合配套技术术优点由于造价低低、拆迁少少、灵活多多变、无须须太多专用用设备及不不干扰地面面交通和周周围环境等等特点，浅浅埋暗挖法法在全国类类似地层和和各种地下下工程中得得到广泛应应用。施工原则管超前、严严注浆、短短开挖、强强支护、快快封闭、勤勤量测管超前严注浆短开挖强支护快封闭勤测量施工步骤施工方法全断面全断面开挖挖法施工操操作比较简简单，全断断面一次钻钻孔，并进进行装药连连线，再起起一次爆破破成型，同同时施作初初期支护，，铺设防水水隔离层，，进行二次次筑模衬砌砌。这种开开挖的优点点是全断面面开挖法有有较大的作作业空间，，有利于采采用大型配配套机械化化作业，提提高施工速速度，且工工序少，便便于施工组组织的管理理。缺点是是由于开挖挖面较大，，围岩稳定定性降低，，且每个循循环工作量量较大;另外深孔爆爆破引起的的震动较大大，因此要要求进行精精心的钻爆爆设计，并并严格控制制爆破作业业。台阶法台阶法施工工就是将结结构断面分分成两个或或几个部分分，分步开开挖。根据据地层条件件和机械配配套情况，，台阶法又又可分为正正台阶法、、多台阶法法等。台阶阶法开挖优优点很多，，能较早地地使支护闭闭合，有利利于控制其其结构变形形及由此引引起的地面面沉降。台台阶法开挖挖的优点是是灵活多变变，适用性性强，具有有足够的作作业空间和和较快的施施工速度。。缺点是上上下部作业业互相干扰扰，应注意意下部作业业时对上部部稳定性的的影响，还还应注意台台阶开挖会会增加围岩岩扰动的次次数等。中隔墙法中隔墙法也也称CD工法，主要要适用于地地层较差和和不稳定岩岩体，且地地面沉降要要求严格的的地下工程程施工。当当CD工法仍不能能满足要求求时，可在在CD工法的基础础上加设临临时仰拱，，即所谓的的交叉中