地下结构工程第讲讲稿一零

地下结构工程（第六讲）7、地下结构工程的施工新技术2002年5月14日包括四个方面的问题

7.1地下结构工程施工技术概述7.2钻爆法7.3TBM技术和盾构技术7.4非开挖技术与微型隧洞施工技术7.1地下结构工程施工技术概述地下结构工程按照规模分，有大、中、小不同类型。大的指大型洞室，或洞室群。如水电站地下厂房、主变室、调压室、地下仓库、地下体育馆、地下剧场、地下停车库；以及地下军事设施如飞机库、潜水艇库、弹药库等。特点是规模大，断面型式复杂，必须分多期（3期以上）开挖，且三维尺寸比较接近，三维效应明显，必须进行三维空间分析。

中型一般尺寸适中，断面可一次成型或2～3期完成开挖。隧洞一般属于这个范畴。某一个方向的尺寸远远大于其它两个方向，断面型式简单，往往可简化为平面问题分析。

小型或微型地下结构。一般指地下通道或管道。断面尺寸在1.5～2m以下，甚至施工人员根本无法进入的小型管道。规模不同，施工方法也会有所不同根据地下结构周围的介质情况，又可以分为软岩、硬岩中的地下结构施工。方法和考虑的问题又有不同。地下结构施工本身又主要分为互相矛盾的两类：开挖和支护（建造）。开挖是矛，支护是盾。硬岩难于开挖，但开挖出的洞室容易稳定，也不需要太多的支护。软岩容易开挖，但围岩却难以稳定，往往需要较强大的支护。无论开挖或支护，硬岩还是软岩，地下水都是很大的麻烦，必须认真对付。7.2钻爆施工法（DrillingandBlasting）钻爆法是常规、传统的开挖方法。它的优点是；比较灵活，可以很快地开始开挖施工；可以开挖各种形状、尺寸、大小的地下洞室；既可以采用比较简单便宜的施工设备，也可以采用先进、高效、比较贵的施工设备；既可以造应坚硬完整的围岩，也可以适应较为软弱破碎的围岩。一般短洞、地下大洞室、不是圆形的隧洞、地质条件变化大的地方都常用钻爆法。

但是钻爆法也有一定的局限性或缺点。由于采用炸药爆炸，造成有害气体，对通风要求较高，一般开挖隧洞，独头推进长度不能超过2ｋｍ，再长，通风问题就更困难了，不能及时散烟，就会影响工期。钻爆法由于采用爆炸，在城市人口密集地区不能采用。震动可能影响附近的建筑或居民生活，巨大的响声也是不允许的。长洞，又没有条件布置施工支洞、施工斜井的，往往不宜采用钻爆法。地质条件很差，特别软弱的地方，也不必采用钻爆法。下面分别介绍钻爆法的各工序:钻孔－装药放炮－排烟通风－清撬－出渣

7.2.1钻孔1、人工打钎。现代工程中已很少采用这种重体力劳动方式。2、风钻钻孔。风钻空压机提供压缩空气，一般风压6kg／cm2。空压机站通过固定的管路系统向各工作面供风。移动的空气压缩机向就近的工作面供风。前者多用电动，容量大，管理人员少，成本低，许多大工地经常采用这种方式。后者多用柴油，6m3/min的空压机带动１～２把风钻，没有电源的地方也可施工。小型工地，或大工地作为辅助，也常采用这种方式。

钻具也是多种多样的。1、手风钻，比较灵活，但操作起来劳动强度很大。2、气腿风钻，即用压缩空气支承与加力的风钻，也比较灵活，而劳动强度可以大大减轻，设备费用也很少。风钻可以打向下的孔，水平及斜向上的孔。孔径一般45mm，孔深一般3m，再深也可以，但要接长钻杆等等，比较麻烦。小型工程，或大型工程中作为辅助修边，常用风钻打孔。3、潜孔钻。潜孔钻也是风动工具，将风钻架设在履带车上，一般打向下垂直的孔，或稍为倾斜的孔，孔深可达６～８ｍ，多用于大型洞室向下作台阶扩挖。4、4、钻车、多臂台车。是现在常用的比较先进的机具，多半是液压电动轮式移动，小型的只有一把钻，大型的可以有三把钻，成为多臂台车。多臂台车由１～２人操作，三个臂可同时打孔，可打水平孔、斜孔，也可打垂直孔。最大工作高度约可达１０ｍ，最佳工作高度则不超过8.5m。多臂台车钻孔深深度一般不超过过４～５ｍ，打打孔速度很快，，一般岩石中１１分钟就可钻进进１ｍ。钻孔孔孔径一般也是45mm，主要用于水平钻钻孔，开挖隧洞洞。多臂台车钻钻孔完毕后，即即可迅速撤至安安全地区，或转转移至其他工作作面。因此效率率很高，运用很很灵活，是我国国许多大型工地地的主要设备之之一。多臂台车车的设备备价格甚甚高。以以前几乎乎为瑞典典AtlasCopco公司所垄垄断，每每台要百百万美元元以上。。近年来来我国南南京水工工机械厂厂与之合合作生产产，每台台价格也也要人民民币百万万元以上上。多臂台车车上还有有一个可可升降移移动的工工作台，，可以用用来装药药、清撬撬、观测测、放线线。多臂臂台车也也可用来来打锚杆杆孔，安安装锚杆杆，是一一个多用用途的设设备。7.2.2装装药放放炮隧洞开挖挖时，掏掏槽孔装装药最多多，周边边孔装药药较少。。也就是是掏槽孔孔药卷直直径大些些，连续续装药；；周边孔孔药卷直直径小些些，例如如20mm，间隔装药药。中间间崩落孔孔在两者者之间。。布孔密度度、装药药数、每每ｍ‘石石方用药药量等爆爆破参数数均可在在施工中中视具体体情况修修正。一一般坚硬硬完整的的岩石，，要求爆爆破后块块度较小小，洞截截面较小小，则单单位开挖挖量炸药药用量较较多，例例如1.5～2.0kg／ｍ3.反之，用用药较少少，可小小于1.0kg／ｍ3.为了提高高爆破效效果，为为了减少少爆破对对周围建建筑及对对围岩的的破坏，，一个断断面上把把炸药分分成许多多组逐组组起爆。。中心掏掏槽孔附附近各组组之间可可以相隔隔几毫秒秒起爆，，即采用用毫秒延延迟雷管管、靠外外边几组组可以各各相隔1秒或2秒起爆爆，即采采用秒延延迟雷管管。每一一瞬间起起爆的炸炸药总量量要适当当控制，，例如不不超过10～20kg。水利水电电工地一一般常用用防水硝硝铵炸药药，每孔孔放两个个雷管，，用非电电导火线线引爆。。所谓非非电导火火索雷管管是一种种很细的的塑料管管，内涂涂厚度只只有几微微米的炸炸药。将将这种导导火索有有系统地地连接起起来，各各根导火火索通向向各孔中中的火雷雷管，这这些火雷雷管有分分级分时时的延迟迟效应。。用火雷雷管引爆爆总导火火索，各各导火索索以每秒秒近5000ｍｍ的燃烧烧速度，，点燃各各孔中的的火雷管管，经过过延迟，，各孔炸炸药分段段起爆。。采用这种种非电导导火线及及雷管，，主要原原因是为为了安全全，一般般电雷管管受到强强感应电电也会起起爆，这这是比较较危险的的，因为为洞内有有不少高高电压设设备。一一般火雷雷管，有有时会因因潮不能能起爆，，甚至造造成瞎炮炮。而非非电雷管管免除了了这些缺缺点，可可以保证证安全生生产。装药时，，一定要要用木棍棍操作。。用木棍棍将药卷卷推入孔孔内，用用木棍将将孔口堵堵塞段黄黄泥或沙沙压实。。铁棒棒容易与与石头撞撞击出火火星，引引起以外外事故。。7.2.3通通风排排烟通风的目目的是排排走洞内内因为爆爆破产生生的废气气，以及及由于施施工机械械、人员员、等其其他原因因产生的的废气，，并向洞洞内提供供新鲜的的空气。。通风还还能降低低洞内的的闷热程程度，改改善施工工环境。。爆破后产产生的有有害气体体：CO；NO等氮氧化化合物H2S（硫化氢））CH4(甲烷)洞内空气气中CO的浓度不不允许超超过50ppm。。NOx的浓度不不允许超超过25ppm。。CO2的浓度要要小于5000ppm，，H2S要小于10ppm，，CH4要小于1.5％％。氧气气浓度应应为18％。上式为爆爆炸后排排除烟尘尘所需的的风量Q（m3）。K，通风系数数，压入入时用0.4；；吸出时时0.3P，一次爆破破产生的的CO气体量m3，CO气体容许许浓度（（50ppm）），容许的最最长通风风时间，，一般10～20分钟钟隧洞的主主要通风风方式有有两种。。一种是是压入式式，新鲜鲜空气从从洞外用用鼓风机机一直送送到工作作面附近近。一种种是吸出出式，用用抽风机机将混浊浊空气由由洞内排排向洞外外。前者者风管为为柔性的的管壁，，一般是是加强的的塑料布布之类；；后者则则需用刚刚性的排排气管，，一般是是薄钢板板卷制而而定。我我国大多多数工地地均采用用压入式式。如果果鼓风距距离太长长，可用用几台轴轴流风机机串联接接力。根根据通风风量的要要求、通通风管路路长短及及直径，，可以选选择风机机的规格格。对于大型型地下洞洞室，通通风设计计更为复复杂，不不仅要计计算通风风量，选选择通风风设备，，更重要要的是要要组织好好气流方方向，不不要产生生死角，，回流区区，一般般要布置置一些通通风竖井井、斜井井。大型地下下洞室一一般从下下部洞室室进风，，从上部部洞室出出风，在在天气晴晴朗时，，这样像像烟囱一一样的排排风效果果是不错错的。但但在阴冷冷潮湿的的季节，，高处冷冷空气下下沉，低低处热空空气要上上升，有有可能堵堵塞在竖竖井或斜斜井中，，使得整整个地下下工程系系统通风风效果极极为恶化化。因此此，最好好在竖井井、斜井井中装设设排风设设备，加加以改善善。7.2.4清清撬危危岩清撬这一一工序十十分重要要。它是是在爆破破后将已已完全松松动，但但尚未掉掉落的石石块撬下下来。以以往是用用人工举举着长钢钢钎去撬撬，劳动动强度很很大，又又非常危危险。目目前，设设备较好好的工地地，或者者用液压压锤去敲敲打，或或者用正正反向挖挖土机的的挖斗去去扒、去去刮，总总之用设设备在远远距离操操作，这这样比较较安全。。一般开挖挖一个循循环后，，要清撬撬半小时时。清撬过度度、形成成不必要要的超挖挖，浪费费人力物物力；清清撬不够够，造成成局部掉掉块坍落落，容易易造成事事故。因因此，这这个工作作常由有有经验的的工人掌掌握。在软弱破碎围围岩中，围岩岩本身就不甚甚稳定越撬掉掉块越多，这这个工作有时时更难掌握，，只能将十分分危险的撬除除，紧接着立立刻喷混凝土土，一层不够够，再加一层层，然后加锚锚筋，加钢筋筋网再喷，务务必使围岩尽尽快稳定住。。7.2.5出出碴现代地下工程程中出碴的设设备归结起来来为两大类，，一种是装卸卸设备，一种种是运输设备备。最常用的装车车设备有两种种，一种是侧侧卸式轮式装装载机。它和和普通常见的的装载机类似似，但有几个个明显的特点点，一是正向向装碴之后，，侧向卸碴；；二是功率大大，斗容量大大，一般大中中工程常用的的斗容量达６６m3；三是转弯半径径小，活动灵灵活。以上特特点都是为了了适应地下工工程的特点，，适合在狭小小的场地，用用较少的设备备，较高速度度地完成任务务。与装碴机机配套的一般般常用自卸卡卡车，系无轨轨运输。另一种常用的的装载设备为为蟹爪式扒料料机，或气动动式翻斗装料料机。这两种种装碴机都可可以配合斗车车一类的有轨轨运输工具。。蟹爪式扒料料机前面有两两个大扒子，，可将石碴扒扒到中间的皮皮带运输机上上，皮带运输输机将石碴传传送到后面的的运输车斗中中去。气动式式翻斗装料机机前面是一个个装斗，装上上石碴后，迅迅速往后面翻翻倒，装到运运输车上去。。其设备尺寸寸较小，生产产率不如爪式式扒料机。常用运输设备备有无轨、有有轨两大类。。无轨运输即即自卸卡车，，其载重量自自8吨至25吨不等。在在隧洞中调头头是一个重要要的问题。一一是选用朝两两个方向都可可以驾驶的特特制翻斗车；；或是离掌子子面不远处设设置一个调头头的转盘，卡卡车开上转盘盘，转盘转180度卡车车退至掌子面面，装好石碴碴后正向开出出洞去。再一一种办法是开开挖丁字岔洞洞或将洞加宽宽，以便汽车车调头。对于于大型地下厂厂房来讲，由由于洞室宽敞敞，一般汽车车调头不会成成为严重的问问题。无轨运输最大大的好处是比比较灵活，坡坡度可以陡到到10％，甚甚至再陡一些些。但缺点是是汽车排出废废气多，因此此通风条件要要好；再者是是设备贵、损损耗大，尤其其是轮胎，要要有充足的备备品。另一类是有轨轨运输，最轻轻便的是轨距距为610mm的小斗车，每每车装载0.6m3；几个车连成一一列，由电瓶瓶车或小柴油油车拖动。这这种方式目前前只在小型工工地上运用，，生产率较低低。一般大中中型工地采用用有轨运输时时多用特制的的大型出碴车车，车身长，，高度矮，容容量可达10～20m3车厢底部为一一可动的履带带，在车身一一端装料，由由于履带同步步转动，很快快就将全车身身装满。有轨运输的优优点是废气排排出量少，比比较干净。缺缺点是不够灵灵活，要不断断延伸、维护护轨道；再有有就是坡度不不能太大，常常用坡度均在在0.1～0.3％以下下。因此，多多用于平直坡坡小的隧洞中中，而在大型型地下厂房中中很少采用。。7.2.6其其他辅助助工作隧洞或地下洞洞室开挖中还还有许多重要要的辅助工作作。排水、照照明、机修，，都是必要的的，缺一不可可。风、水、、电供应也是是必须的。隧洞若是上坡坡掘进，一般般采用明沟自自流向外排水水。如果是下下坡掘进，就就要用水泵向向外排水。一一般设一移动动的集水箱，，掌子面上的的水，用小型型潜水泵排入入集水箱，再再用集水箱上上的泵经比较较永久固定的的排水管道排排至洞外。照明、机修、、风、水、电电均有专人负负责，随开挖挖掘进向前延延伸。TBM——（FULLFACE）TUNNELBORINGMACHINE（全断面）隧隧道掘进机SHIELD（TBM）——盾构（全断面面隧道掘进机机）盾构掘进技术术综合了机械械、冶金、材材料、电子、、计算机、自自动控制、化化学、岩土、、系统管理等等各方面先进进技术7.3TBM及盾构技术TBM和盾构是当代代地下施工技技术的集中体体现7.3.1盾构掘进机的的历史1818年由由法国人布鲁鲁内尔(Brunel)发明，1823年他制定定计划并在1825年开开工，用在伦伦敦泰晤士河河过河隧道施施工上，后来来曾多次发生生掌子面因水水压崩塌的事事故而导致停停工。Brunel改进了盾构机机并于1834年工程再再次上马，1841年成成功打通了隧隧道。1869年，，开始建设泰泰晤士河第二二条过江隧道道，Barlow和Great采用Greathead发明的圆形盾盾构和铸铁管管片，顺利建建成隧道。1887年，，Greathead在南伦敦铁路路隧道工程组组合使用盾构构和压气施工工法，奠定了了目前盾构施施工的基础。。这种方法在在19世纪末末达到实用化化程度。1917年日日本在新泻县县折渡隧道试试用盾构，没没有成功；1930年在在关门铁道隧隧道中首次采采用了盾构获获得成功，二二战中停止。。直到战败后后的50年代代后期，才又又开始在东京京、大阪、名名古屋等城市市地铁隧道中中采用。1975年研制制了砾石泥水水盾构机，1976年研研制了泥土加加压盾构机，，1981年年研制了气泡泡盾构机。中国在50年年代中期开始始研制盾构，，1966年年上海隧道公公司用10m直径的盾构成成功地修建了了黄浦江水底底公路隧洞。。但中间停止止了很长时间间。在20世世纪末的90年代，广州州地铁和上海海黄浦江过江江隧道施工又又开始使用，，北京则是从从今年地铁5号线雍合宫宫站段施工开开始7.3.2盾构掘进机的的工作原理1。后部锁定定装置伸出定定位2。推进器前前伸钻头钻进进3。前锁定伸伸出后锁定退退回4。前部定位位推进器向前前拉5。重复17.3.3盾构掘进机的的构成一个盾构系统统大体可由几几个重要环节节组成。首先先是盾构机械械，即开挖隧隧洞的主体设设施，其次是是洞身的管片片的制作，再再就是管片的的运输与安装装，最后灌浆浆封堵，同时时还有装碴、、出碴以及其其它辅助设施施。1、面板和切切削器2、护盾及洞洞形保持装置置3、动力和控控制装置4、泥浆供给给系统5、管片定位位安装系统6、管片运输输系统7、灌浆系统统8、永久混凝凝土衬砌系统统盾构机为一卧卧式圆筒形钢钢结构，盾内内设有操纵控控制、固壁出出碴、运输安安装等各类系系统设施。盾盾构机体可分分为盾头、盾盾身、盾尾二二部分，盾头头为全断面刀刀盘，在各种种形状的刀盘盘架上，根扼扼地质情况设设计安装合理理的刀头。盾盾头切削岩土土，并取碴出出碴，必要时时在这里更换换刀头、维护护刀具；盾身身为操纵控制制盾构机运行行的地方，这这里设有控制制室，并有机机械手在这里里安装管片；；盾尾外部主主要是对管片片与开挖周边边形成的空隙隙进行填充灌灌浆，其内部部主要是将出出碴系统和管管片运输系统统与后方有机机地衔接。盾构机的尺寸寸是这样确定定的：依据隧隧洞直径的要要求，考虑管管片厚度（即即洞身的厚度度）确定盾壳壳外径；根据据切削、维修修、出碴、安安装管片、灌灌浆等要求，，确定其长度度。盾构技术的关关键在于根据据地质条件与与地下水状况况合理选用相相应的盾构机机械，以达到到开挖效率高高、设备制造造价格和工程程投资较低、、安装简便快快捷、使用寿寿命长、操作作与维护方便便等要求。目前国际上常常用的盾构机机械可主要分分为泥水加压压式和士压平平衡式两大类类。除了采用泥浆浆或土加压之之外，国外还还有采用某种种化学发泡剂剂产生大量泡泡沫在掘进掌掌子面加压的的泡沫盾构机机。遇到较复杂的的地质情况也也可采用混合合式盾构或其其它类型如压压气式盾构。。7.3.4衬砌管片的构造采用盾构法施施工时，衬砌砌通常采用若若干钢筋混凝凝土管片来进进行，一般为为7～11片片，当隧洞直直径很大时，，还可以增加加管片数量，，其中一片为为关键片，其其它各片可以以是同一种规规格，也可分分为两种规格格。管片厚度及钢钢筋布置由洞洞身所受内外外压力情况计计算确定，管管片长度与宽宽度，则主要要考虑每个管管片的重量和和安装效率来来确定，一般般每片重量达达4～7t。管片与管片间间在纵向和环环向均有螺栓栓或键销连接接，当洞外荷荷载远大于内内荷载时，也也有在安装、、灌浆后把螺螺栓再拆下来来的情况。管管片与管片之之间接缝均采采用企槽设计计，接缝的密密封采用在槽槽中加弹力橡橡胶圈和灌浆浆的办法来解解决。管片安装后，，及时地沿隧隧洞周围进行行认真的灌浆浆，是防止地地层下沉的重重要措施，同同时可以均匀匀地向周围岩岩土缝隙灌浆浆，因此也是是保证洞身完完整、进行有有效承载的基基础条件。盾构机械装有有非常可靠的的操作系统，，对灌浆压力力与灌浆量都都能进行控制制和监测，故故能实现灌浆浆的预期效果果。7.3.5各种新