隧道施工新技术

/隧道施工新技术第一节概述一、地下空间的利用和发展人类在地球上出现以来，已有300万年以上的历史，在这段漫长的时期内，地下空间作为人类防卫自然和外敌侵袭的防卫设施，而被利用。随着科学技术的发展和人类文明的进步，这种利用，也从自然洞窟的利用向着人工洞室方向发展。到现在，地下空间利用的形态，已千姿百态，远远超出为个人生活服务的利用领域，而扩大到作为集团的生活须要空间。尤其是现代，人口向城市集中，使城市人口密集，城市功能恶化。为了保持城市功能及交通所需的空间，也起先求助于地下空间。预料地下空间，作为人类在地球上平安而舒适生活的补充空间，在经济可持续发展的战略中，将占据重要地位，其利用和规模将会日益扩展。科学预料指出，21世纪将是大力开发地下空间的世纪。（一）地下空间利用发展的时代划分地下空间利用的发展过程和人类的文明历史是相呼应的，大致可以分为4个时代：第一个时代是原始时代。从人类出现起先到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用地下空间防卫自然灾难威逼的穴居时代。这个时代主要用兽骨等工具开挖出洞窟而加以利用。其次个时代是古代时期。从纪元前3000年到5世纪，是为城市生活而利用的时代，也就是所说的文明黎明时代。例如，在修建埃及金字塔时就起先了地下空间的建设。纪元前2200年间的古代，巴比伦王朝为了连接宫殿和寺院修建了长达1km的、横断幼发拉底河的水底隧道。在罗马时代也修筑了许多隧道工程，其中有的至今还在利用。第三个时代是中世纪时代。约从5世纪到14世纪的1000年左右的时期，这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，但由于对铜、铁等金属的需求，起先进行矿石的开采和利用。第四个时代是近代和现代，也就是从16世纪以后的产业革命起先的时代。这个时期由于炸药的独创和应用，加速了地下工程技术的发展。例如，有益矿物等地下资源的开采和应用，运输河隧道的修建以及随着城市的发展起先修建地下铁道，上下水道等，使地下空间利用的范围快速扩大。80年头后期，国际隧协提出“大力开发地下空间，起先人类新的穴居时代”的倡仪，得到了广泛的响应。日本也提出了利用地下空间，把国土扩大10倍的设想。各国政府都把地下空间的利用，作为一项国策，来推动其发展，使地下空间利用获得了快速的发展。地下空间的利用，已扩展到各个领域，发挥着重要的社会、经济的效益，成为国家重要的社会资源。（二）地下空间的利用形态地下空间的利用形态是多种多样的，归纳起来，大致有以下几种：为人类生存，确保平安的：如粮食的地下仓库，地下式住宅等；2、伴随城市的现代化发展，而利用地下空间，如城市有轨交通系统，上下水道，电力、瓦斯管道，地下商业街，地下停车场等；3、伴随科学技术的发展，而利用地下空间的：如地下水力发电站，地下能源发电站以及地下工厂，地下核能发电设施等；4、大规模国土的有效利用：如城市间、国家间的交通设施等；5、防卫和削减灾难的地下设施：如人防工程、各种储备设施、防卫洪水灾难的地下坝、地下河、防灾型城市的构思等。地下空间利用防灾措施胀地下空间利用防灾措施胀提高城市功能措施城市功能降低斗争放射能化学药品火灾提高城市功能生活、作业空间不足交通恶化功能恶化粮食、能源贮藏实力不足环境公害噪音振动利用地下特征施地震台风洪水施施施施施住宅住宅〃〃〃工厂发电设备〃〃能源粮食用水.铁路公路管道〃避难储备洪水〃办公楼地下街停车场文化设施..图1-1地下空间利用及其设施(三)地下空间利用和发展的重点目前各国都把地下空间利用的重点，放在城市建设上。地下空间作为城市重要资源，得到了多方面的应用。大致有：办公楼、地下街、地下停车场、交通设施、通讯设施、上下水道、废弃物处理设施、文化设施等。这些设施和地面设施一并构成了城市的主体空间网络。1、从城市地下空间利用的现状看，主要重点在发展联络城市各种设施的地下通道，如地下商业街、地下联络通道和城市有轨交通系统（地下铁道和轻轨）。例如，日本在全国20多个城市，共拥有150条地下街，总面积约为120万m2；加拿大的蒙特利尔已提出以地下铁道车站为中心，建设联络城市2/3设施的地下街网的宏伟规划。2、城市有轨交通系统（包括地铁、轻轨、单轨等运输系统），作为城市的基础设施和灾难防卫设施，得到了巨大的发展。有轨交通系统是城市国际化、现代化的一个重要标记。一些国家也正在探讨城市道路地下化的交通系统，如日本首都东京的地下环形道路的构思，可极大地减轻地面交通的压力。我国近几年掀起的“地铁和轻轨热”正方兴未艾。继北京地铁之后，上海、广州地铁已经投入运营。深圳、南京、天津、武汉、重庆、青岛地铁及轻轨已起先建设。还有成都、大连、长春、哈尔滨等城市的地铁和轻轨，都在规划、设计之中。总之，利用地下空间，开拓交通通道，增加交通面积，是解决城市“交通难”的根本性措施之一。3、跨海、江、河高速交通通道的基础设施建设，已引起各国政府的关注。以日本青函隧道的建成为契机，世界各国横断海峡的热忱快速高涨。穿越津轻海峡的青函隧道，于1988年3月13日正式运营。被称为“2000年梦幻”的英法海峡隧道，已经投入运营。许多被称为“幻想”的横断海峡的宏伟规划，都呈现出一片“现实”的曙光。横断直布罗陀的海峡隧道工程，联络意大利本土和西西里岛的墨西拿海峡隧道工程以及博斯普鲁斯海峡隧道工程等，都在规划和调查之中。印尼的联络爪哇和苏门答腊的规划，已起先探讨。作为国际高速公路支配的一部分，从日本福岗通过对马海峡到达韩国釜山的日韩隧道（全长约250km），也正在进行地区调查的前期作业。这是进入中国大陆的重要通道。在横断海峡的规划中，许多国家的工程师和专家提出了一些可供选择的方案。其中有：固定桥、浮桥、海中隧道（桥），沉管隧道、海底隧道等。从已建成的海峡隧道看，都属于海底方案。用于公路或铁路或两者混合运输。这主要是因为：它不干扰外界环境；不影响航运和潜艇航行；也不变更生态的和水理的环境；不受季节、恶劣气候的影响等，应当指出，这些通道方案绝大多数都是国际性的探讨，其经济的、社会的、技术的意义特殊重大。而且，都要有较长时期的基础探讨，赐予支持。最近几年我国曾先后对琼州海峡、台湾海峡、渤海湾、甬江、珠江、胶州湾、福建地坛海峡、南通和京沪高速铁路越江隧道等有关跨海、江、河通道工程进行过论证，越来越重视隧道跨海、江、河方案的选择，其中一些跨海的隧道工程方案已起先探讨。总体来说，我国的探讨是极不充分的，特殊是通道工程的基础性探讨，尚未起先，基本上是处于空白阶段。由于解决跨江、河、海的工程投资很大，从目前的财力、物力看，很难进行大规模的开发，但主动进行前期的基础性探讨和规划，还是很必要的。二、隧道工程概述（一）山岭隧道1、隧道的分类（1）隧道按长度分类，见表1-1。表1-1分类长度（m）特长隧道L＞10000长隧道3000＜L≤10000中隧道500＜L≤3000短隧道L≤500（2）隧道按埋置深度的分类深、浅埋隧道的分界深度，目前多以隧道开挖对地表不产生影响为度进行区分。一般可依据压力拱高度h1和宽度影响系数w参照表1-2确定。表1-2围岩类别Ⅵ～ⅣⅢⅡⅠ深埋隧道＞2h1＞2.5h1＞19w＞33w浅埋隧道≤2h1≤2.5h1≤19w≤33w2、影响坑道围岩稳定性的因素影响坑道围岩稳定性的因素大体上分为2大类：1类是客观存在的地质因素或称为内在的因素；1类是设计、施工因素或称为人为的外部的因素。前者是基本的，后者是通过前者而起作用的。前者包括：围岩的结构状态、岩石的基本性质、地下水状态和初始应力场的状态等，后者则有施工方法和支护措施、坑道的形态、尺寸、坑道的埋深等（图1-2）。岩土体结构状态岩石的工程性质岩土体结构状态岩石的工程性质地下水状态围岩的初应力状态坑道形态和尺寸支护方法和时间施工方法埋深地质变量(内在的)施工变量(人为的)图1-2影响坑道稳定性的因素3、隧道常见地质灾难隧道常见的地质灾难有围岩失稳，突然涌水、涌泥、岩爆、热害、地下有害气体等。围岩失稳又可分为岩体裂开、岩块的滑移和坠落、裂开性散岩（土）体的坍塌、松软岩体的塑性变形等。（二）地铁区间隧道1、区间隧道内设施区间隧道内要设置列车运行及平安检查用的各种设施。其中主要有：轨道、电车线路、线路标记、通信及信号用电缆、平安及列车诱导的通信线、待避洞及待避空间、灭火栓、防止浸水装置、排水沟、照明、通风设施等。这些设施的配置对隧道断面的形式和大小有很大的影响，故事先应对其相应关系加以充分探讨。2、区间隧道的横断面地下铁道区间隧道的断面，一般分为箱形和圆形两种，明挖法多接受箱形断面（图1-3），盾构法则多接受圆形断面（图1-4）。近几年，由于新奥法的应用，马蹄形断面已起先运用。双线式单线双线式单线复线上下型异高型图1-3箱形断面示意图图1-4圆形断面示意图定。当隧道位于曲线地段时，因线路外轨超高、列车偏斜等，其建筑限界应加宽并确保外侧有200mm～300mm的设施空间。在圆形断面中，其限界要加上150mm～200mm的施工富余量，并要设置修理人员的待避空间。

其次节开挖及支护技术山岭隧道和城市隧道（包括地下铁道）的施工过程可简洁概括为两个过程：一是开挖；二是支护。隧道施工就是依据其实际状况接受合理的开挖方式和开挖方法、牢靠的支护措施来完成结构。施工前选择完成开挖和支护工程而须要接受的技术措施及配备的机械设备、劳动力、材料等；特殊要重视一些帮助施工方法和措施的应用，做到因地制宜，岩变我变。一、开挖技术隧道施工开挖技术包括开挖方式（含开挖方法）、运输方式和风水电保障三部分。㈠开挖方式及方法隧道施工开挖方式共分三类：人力开挖、机械开挖和钻爆法开挖。人力开挖是指在围岩不稳定的土质短隧道中，人工或人工手持风镐作业来完成开挖；机械开挖是指利用一种能自行掘进的机械装置进行隧道施工作业；钻爆法开挖是指通过钻眼、装药、爆破作业来完成隧道开挖。机械开挖又分为全断面掘进机法、悬臂式掘进机法和盾构法。下面重点介绍掘进机法和钻爆法。1、掘进机法隧道掘进机是一种利用回转刀具开挖（同时裂开和掘进）隧道的机械装置。因此机械修筑隧道的方法，称为掘进机法。其又分为全断面掘进机法（TBM法）和悬臂式掘进机法。（1）.全断面掘进机法（TBM法）①TBM法的优缺点（表2-1）表2-1优点缺点开挖作业能连续进行,速度快,工期短;对围岩的损伤小,可减轻支护工作量,超挖小,衬砌也省;开挖表面平滑,在水工隧洞无衬砌区间阻力小;振动、噪音小,对四周居民和结构物影响小;因机械化施工,作业人员少;平安性和作业环境改善。机械设计时间长,购置费和运输、组装、解体等的费用高，初期支护标准高，很难用于短隧道；施工途中不能变更开挖直径；地质的适应性受到限制。对特软、特硬围岩，均存在不少问题；开挖断面的大小、形态变更难，在应用上受到确定的制约。②接受TBM法的基本条件（表2-2）表2-2条件内容1地质条件（1）是否存在塑性地压是确定适用性的重要因素。断面裂开带和软弱围岩等地质地带以及蛇纹岩等膨胀性地质地带，有很大地压作用，掌子面难以自稳状况下，TBM掘进极为困难。（2）在软弱岩层、断面裂开带中，如涌水严峻，掌子面倒塌和承载力低下，在极端状况下，机体会产生下沉，支撑反力降低等问题。（3）开挖的难易，一般用试验比较简洁的抗压强度来判定。比较适合的抗压强度约在200Mpa以下。（4）岩层的裂隙（节理、层理、片理）对开挖效率影响极大。（5）进行机械开挖时，刀具的磨耗问题是恒久存在的。（6）机械开挖，在裂开带、风化带等难以自稳的困难条件下，都要实行帮助施工方法协作施工。2开挖长度适宜隧道长度最好是在3000m以上。3当地条件（1）运输分割重量受道路条件限制，约在35t左右。（2）运②输分割尺寸是3.5m×3.5m左右。①开挖②②撑靴缩合 ③③撑靴缩合图2-1放开式TBM的工作示意图③TBM的种类、性能和特征（表2-3）表2-3序号TBM基本内容备注④支护技术山岭隧道TBM施工法中，支护形式多以喷混凝土、锚杆、金属网、钢支撑为支护的主体，依据地质条件及隧道用途，也接受管片和二次混凝土衬砌作为永久衬砌。TBM法通常和NATM法一样，要基于事前调查，进行预设计，设定支护模式，并在掘进中依据对围岩状况的推断，修正支护形式。在TBM的支护设计中，一般考虑以下几点：为确保高速掘进，支护时间尽可能短或平行作业；洞壁是光滑的，松驰比爆破法小，支护可以接受轻型的；支护的施工位置（和掌子面距离）；开挖后到构筑支护的时间尽量短；是永久或短暂性的；构筑支护时对TBM装置的影响；支撑靴挤压对洞壁的影响。为对围岩稳定有利，构筑支护的位置应尽可能地接近掌子面；在放开式TBM法中，由于装置对构筑支护的空间有限制，同时喷混凝土的粉尘和回弹对装置也有影响，故通常是在TBM主体的后部构筑支护。接受锚喷支护时，要留意以下几点：粉尘和回弹对装置的影响；装置和后方设备的清扫；开挖断面和锚杆长度及位置；支护效果发生的时间；粉尘对洞内环境的影响；支撑靴对喷层的损害。⑤帮助施工方法对TBM法来说，帮助施工方法是指在通常状况以外的地质条件或施工时所接受的对策。最好开挖前能消退阻碍围岩稳定的因素；如无平安上的问题，对小事故，在TBM施工后处理，是经济的，对掘进进度也是有利的。常见事故见表2-4，代表性对策见表2-5。（2）悬臂式掘进机法悬臂式掘进机是一种集开挖、装载、运输于一体的综合机械化施工设备，具有无爆破振动，对围岩扰动小，连续开挖作业、效率高、超挖小、节约衬砌材料、施工环境污染少的优点，适用于Ⅱ、Ⅲ类软岩隧道施工，在国外软岩隧道施工中广泛应用。铁道部于1999年立项，由石家庄铁道学院主持探讨开发铁路软岩隧道悬臂式掘进机及其施工技术。1999年11月召开了该项目总体方案评审会，2000年11月2日组织召开该项目实施研讨会。曾建议在渝怀铁路第19标段沙坝隧道进口段Ⅲ级围岩带和青藏铁路风火山隧道冻土地带进行其施工技术科研试验。表2-4围岩状况现象位置事故埋深小拱顶掉块地表下沉土压增大刀盘地表盾构掌子面倒塌结构物变异破损不能掘进强度不足掉块崩落盾构盾构后部刀头后带运输机刀盘支撑靴盾构和壁面间被岩石卡住，不能前进后筒部脱出时，盾构上部岩块落下超挖增大落石损伤机械石碴堵塞掌子面倒塌，刀盘不能转动支撑靴不能达到壁面，壁面受挤压处倒塌膨胀性围岩围岩挤出盾构支撑靴刀盘刀头支撑靴全体被箍住不能掘进，被箍住不能更替，不能回转掌子面挤出不能掘进粘附粘土不能开挖刀头磨耗异样挤压力不足被挤压的洞壁倒塌，承载力不足，TBM下沉高温围岩洞内温度上升全体洞内作业环境恶化，机械系统故障高透水性高地下水位大量涌水高压涌水全体刀盘全体TBM被沉没因流砂，掌子面倒塌因水压，掌子面倒塌机械系统故障有毒瓦斯，缺氧空气全体作业人员退避，不能进行开挖表2-5事故现象放开式盾构式掉块崩落喷混凝土、钢支撑、锚杆、排水钻孔、压浆压浆、人力开挖、变更施工方法承载力不足设置反力材、设置反力壁、喷混凝土盾构千斤顶推动、设置反力材机体被卡住设置反力材、变更机构构造扩宽TBM、外周盾构千斤顶推动、变更机械构造、盾构背面注入润滑剂涌水排水钻孔、涌水处理排水钻孔、涌水处理机体下沉改良地层、变更机构构造改良地层、变更机械构造①主要技术性能我国自行设计研制的铁路软岩隧道掘进机，即JSBZ132型振动截割臂式隧道掘进机（图2-2），由石家庄铁道学院主持探讨开发，南京晨光集团有限责任公司制造生产。能进行切截开挖、装载、转载、装车、并帮助喷、锚、网、格栅等支护作业。其主要技术性能有：最大截割高度8.0m底盘静止时开挖宽度6.0m最大切割岩石硬度100Mpa卸料高度2.2～3.4m(可调)总装机功率264kw供电电压1140V出碴系统施工实力150m3/h行走方式履带式驱动能源电动——液压机组总重83T接地比压0.12Mpa外形尺寸(长×宽×高)3.5×2.3×3.0m图2-2JSBZ132型振动截割臂式隧道掘进机示意图②全断面开挖施工模式A、主要配套设备(表2-6)表2-6设备名称型号数量单位厂家备注臂式掘进机JSBZ132型1台南京晨光集团多功能台架1台自制施工支护可移动变电站KSGZY-500/61台沈阳、抚顺低压1140V可移动变电站SJL1-360/61台沈阳、抚顺低压380V湿式除尘器JTC-1型1台镇江煤矿机械厂150—200m3/min电动全站仪徕佧TCRA11011台导向定位限制电子水准仪DL-12001台日本GPS1台美国天宝注：其它设备和钻爆法同。B、施工开挖工序：臂式掘进机先在掌子面开出0.4～0.5m深的槽口,然后逐步旋转式扩大截割面,边开挖边装碴。调动车辆时只截割、不装碴，碴堆较高时可只装碴，不截割。出碴：和钻爆法同施工支护：利用横跨于掘进机上的可拆装式可前后移动的上下两层多功能台架进行施工支护平行作业。在围岩裂开带，可停止开挖，掘进机工作机构可帮助举升钢拱架作业。二次衬砌：仰拱、防水板及混凝土衬砌施工和钻爆法同。多功能台架可作为防水板施工作业平台。通风除尘:臂式掘进机工作部件全部为电力—液压驱动，不配置内燃发动机，且无爆破烟尘危害，工作面要求风量比钻爆法低；有轨运输方案中，可按隧道允许最低风速大于0.15m/s限制风量。钻爆法选用的通风设备可以满意掘进机施工要求。截割施工中矿尘发生较大，必需实行有效的除尘措施。一是掘进机装备有喷雾除尘系统，可向开挖面喷射高压水雾除尘；二是工作面设JTC—1型湿式除尘器进行除尘，其除尘效率达95—98%，耗水量24L/min，重约250kg。2、钻爆法钻爆法施工方法的选择要考虑施工条件、围岩条件、隧道横断面积、埋深、工期、环境条件等。下面仅依据围岩条件和环境条件进行分类介绍。（1）硬岩条件硬岩条件下的隧道开挖方法较简洁，一般分为反台阶法、单侧壁导坑法、预留光爆层法和全断面法等。①反台阶法：在硬岩、单双线隧道开挖中可接受此法，特殊是硬岩单线隧道开挖中，为快速掘进、降低开挖成本，常接受此法。如，阳涉铁路二期工程南坪隧道和渝怀铁路涪陵隧道均接受此法施工，见图2-3。②预留光爆层法：为了确保开挖轮廓线圆顺、不超欠挖，削减对围岩的扰动和快速掘进，在硬岩隧道施工中常接受此法。分为上半断面和全断面两类，一般上半断面预留光爆层法接受居多，见图2-4。③全断面法全断面法施工中，依据围岩、设备、工期等因素，一般分为二类：一是接受风枪和三层多功能作业平台进行钻孔爆破开挖；二是接受液压钻孔台车钻眼爆破开挖。风枪钻眼成本低，限制超欠挖较好，但速度慢，效率低。钻孔台车钻眼进度快，但超欠挖限制较难、对整机性能要求高，且成本相对较高。依据施工中的探究，又产生一种全断面开挖施工方法，即所谓“套打法”。“套打法”是接受多功能作业台架协作二臂液压钻孔台车进行隧道全断面开挖，钻孔台车进行下导坑4.5×6m钻眼，多功能作业台架上人工持风枪施钻周边眼及部分帮助眼；每循环下导坑超前3-5m见图2-5。新原高速公路6标段雁门关隧道支配接受此法开挖施工。22121L>2L光爆层≥1m图2-3反台阶法图2-4预留光爆层法图2-5“套打法”施工概貌示意图“套打法”优缺点表2-7优点缺点1、进度较快；2、超欠挖限制较好，轮廓圆顺；3、对围岩扰动小；4、施工方法灵敏多变；5、爆破炸药用量省；6、人机协作效率高；7、围岩适用性宽。1、施工组织协调难度大；2、高压风及高压电进洞需同时配套；3、掏槽眼方式较单一。④单侧壁导坑法当新建隧道接近建筑物时，为减轻振动，也接受单侧壁导坑法施工。如株六铁路新关寨隧道和石密峰1#隧道支配施工方案。见图2-6。ⅡⅡ线Ⅰ线≤2mⅢ线1324新关寨隧道关寨隧道(拱部未衬砌)图2-6新关寨隧道施工步骤（2）软岩条件软岩条件施工方法有：台阶法（长台阶法、短台阶法和超短台阶法）、侧壁导坑法（单侧壁和双侧壁）、眼镜法、CRD法、中壁法和七步平行流水作业法等，见图2-7。双侧壁导坑法、眼镜法、CRD法及中壁法一般用于大跨度地段（三线及喇叭口段），最经济的施工方法为七步平行流水作业法。①中壁法(图2-7)施工工序：①部：a、在上一循环超前支护下，弱爆破开挖；b、初喷4cm厚混凝土；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑，打锚杆；d、复喷混凝土，钢架处喷混凝土需覆盖钢架；e、施作超前支护；f、准备下一循环工作。②部：该部相对于①部为短台阶法，在①部施工到确定距离后：a、弱爆破开挖；b、初喷混凝土厚4cm；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑；d、复喷混凝土，钢架处喷射混凝土需覆盖钢架；e、准备下一循环工作。③部：该部相对于②部为短台阶法，在②部施工到确定距离后：a、弱爆破开挖；b、初喷混凝土厚4cm；c、架设格栅钢架（包括中壁），打锚杆，并施作工字钢横撑；d、复喷混凝土，钢架处喷射混凝土需覆盖钢架；e、准备下一循环工作。④部同①部、⑤部同②部、⑥部同③部施工。②七步平行流水作业法（图2-7）A、技术特点a、施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行施工，工效高；部分软岩地段可以接受反铲挖掘机干脆开挖下半断面，减小了对围岩的扰动。b、在地质结构困难多变，软硬围岩相间的隧道施工中，便于调整施工方法，进度稳定，工期有保障。c、能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时施工支护、节约投资。d、爆破施工可以分成多个作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既削减了对围岩扰动，又充分利用了时间空间，还增加了爆破临空面，降低了炸药消耗。图2-7软岩隧道施工方法概貌示意图图2-7软岩隧道施工方法概貌示意图e、混凝土仰拱超前施作，不仅便于初期支护及早闭合成环承载，而且变更了洞内作业和运输环境。f、全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了混凝土衬砌的施工质量，运营病害少。g、无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。B、工艺原理短台阶七步平行流水作业法是接受2-3层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施作刚好闭合，构成稳固的初期支护体系，爱惜围岩的自然承载力，有效抑制围岩变位。经量测监控信息反馈指导施工，以刚好调整支护参数和混凝土衬砌施工时间。在断层带，裂开带等自稳性较差地层和富水地层中，可接受大管棚、迈式注浆锚杆和小导管预注浆固结、止水等帮助施工措施后，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护；混凝土仰拱紧跟下台阶并刚好施作尽早闭合成环，构成支护体系受力。C、施工工艺流程图（图2-8）开挖上部弧形导坑，并施作初期支护开挖上部弧形导坑，并施作初期支护左右错位开挖中台阶并施作初期支护左右错位开挖下台阶并施作初期支护施作混凝土仰拱使初期支护闭合成环监控量测反馈，施作防水层，灌筑混凝土衬砌图2-8短台阶七步平行流水作业法施工流程（3）多年冻土条件凡温度等于或低于0℃且含有固态水的土（石），称之为冻土。连续保持冻结状态三年或以上者，称为多年冻土。青藏铁路风火山隧道为多年冻土整体分布区的隧道。①多年冻土分类（图2-9）多年冻土按垂直构造分类多年冻土按垂直构造分类按水平分布分类按冻结发展趋势分类按冻结状态分类按含水量分类连接多年冻土非连接多年冻土多冰冻土富冰冻土坚硬冻土整体多年冻土断续多年冻土岛状多年冻土发展型冻土退化型冻土松散冻土含冰土层饱冰冻土塑性冻土少冰冻土②多年冻土的不良地质现象由于多年冻土的冻胀、土中水的转移、地下水承压水头的上涌以及山坡泉水、地表水流等，在多年冻土区常形成厚层地下冰、冰锥、冰丘以及当冻土溶化时产生的热融沉陷，融冻滑坍等不良地质现象。A、厚层地下冰：由于水份不断向多年冻土上、下限旁边转移，伴随着上、下限的变迁所形成的厚度大于0.3m的地下析出冰(也有少量属于埋藏的冰川冰)。其结构形态以层状居多，方格状、整体状较少。厚层地下冰内多存在悬浮土块，土块还大体上保存了母岩被层理，节理切割的形态，其排列也有着明显的定向性。由于受到外界条件影响，厚层地下冰易发生形变，因而它是热融滑塌、热融沉陷、热融湖塘及导致建筑物变形的基本缘由，形变对建筑的稳定性有较大的影响。隧道在此层通过应设法绕避，或应有相应的工程治理措施。B、热融滑坍：由于自然营力和人为活动，一旦有厚层地下冰分布斜坡的热平衡状态被破坏，土体在重力作用下，沿融冻界面移动而形成的滑坍。热融滑坍可能使隧道洞门结构物基础失去稳定，边仰坡挤垮，端翼墙推裂，洞口建筑物也有被融冻泥流堵塞、掩埋的可能。C、冰锥和冰丘在寒季（负温季节）流出封冻地表或封冻冰面的地下水或河水，经结冰后形成丘状隆起的冰体，称为冰锥。当地下水受冻结的地面和下部多年冻土或不透水层的遏阻，冻结膨胀在薄弱地带把地表抬起形成丘状隆起的土丘，称为冰丘。无论冰锥还是冰丘，都给隧道结构物带来较为严峻的冻害，一般状况下隧道应设法绕避，否则，应有牢靠的工程措施以保证结构物的稳定。③多年冻土地区隧道设计的基本原则隧道位置应选择在地质条件较好的地段，尽量避开多年冻土的不良地质地段。合理选择隧道埋置深度和结构形式。尽量将隧道设于不受季节性影响的多年冻土或非冻土层之中，或置于溶化后不致产生不匀整沉陷的土层中。多年冻土地区隧道进洞的高度应较非多年冻土地区为低。洞口位置尽量避开冰锥、冰丘、厚层地下冰、多年冻土沼泽等不良地质地段，并应避开使隧道纵向穿越厚层地下冰，为了抑制冻胀、融沉而导致结构变形、破坏，一般状况下宜接受翼墙式洞门；依据冻土结构状况及其物理力学性质确定边仰坡坡率。须要时以粗颗粒换填或在墙背面设保温层，使土体保持永冻状态。洞门端、翼墙宜接受200号砼整体灌筑。设置于多年冻土的隧道，可按降低一级围岩类别选用衬砌断面，以抵制冻胀和融沉所产生的不匀整变形，或将衬砌断面加强以增加其刚度，保证结构的稳定。衬砌结构接受砼（或钢筋砼）带仰拱曲边墙封闭式整体衬砌，标号不低于200号，所用水泥标号不应低于425号。洞身位于多年冻土层时，基底铺设0.3m厚的泡沫混凝土垫层;通过冻胀性较大的围岩时,断面尺寸除满意净空要求外,预留适当的冻胀变形量。做好洞内、外的防排水设施。洞外防排水主要是做好洞口边仰坡、出洞口上坡、地表为沟谷地段疏导等防排水系统。洞内防水主要是提高砼的密实度，使衬砌满意抗渗标号不低于0.6Mpa的要求，并对施工缝进行防水处理，以提高衬砌的整体防水性能；洞内排水关键是充分利用自然或人为热源（气热、电热、水热、隔热保温等），使衬砌背后在任何季节都能保持液态水通畅排出。一般接受防塞或采暖式水沟，施工便利，造价也低。④施工留意事项a、多年冻土地区隧道施工，开挖暴露时间切忌过长，以免冻土溶化造成施工困难。b、开挖后应立刻支撑，以防冻土热融后变软、剥落、滑坍而影响施工平安。c、在多年冻土中开挖隧道，其耗药量要比一般地区大，温度越低，耗药量越大。故在供应材料用量时予以考虑。d、衬砌施工必需重视混凝土质量，应严格按低温早强砼施工要求办理。水和骨料均需加热，并留意砼的养护，以确保施工质量。e、掺外加剂防水混凝土，须要在较高气温顺湿度条件下养护，尤其在冬季施工，确定要有保温顺升温措施。（4）城市地铁城市地铁施工方法有3种：明挖法、浅埋暗挖法和盖挖法。①明挖法：指干脆挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最终回填基础或复原地面的施工方法。其主体结构施工和地面上工程相像。按基坑开挖和支护分为放坡开挖、悬臂支护开挖、围护结构有支撑开挖（水平支撑、斜支撑、锚杆支撑）。深圳地铁4标、11标明挖地段施工即接受围护结构水平支撑开挖，见图2-10。图2-10水平支撑支护开挖简图a)立面图b)平面图A、围护结构深圳地铁11标香密湖车站明挖接受钻孔咬合桩作为围护结构，其施工流程见图2-11；深圳地铁4标大剧院车站明挖接受地下连续墙作为围护结构，其施工流程见2-12。图2-11钻孔切割咬合桩施工流程图图2-12地下连续墙施工过程1—泥浆站；2—挖槽机；3—清孔；4—吊放钢筋笼；5—浇灌混凝土B、地下埋设物的保安措施进行工程施工前，应调查地下埋设物的有无、种类、位置、形态，必要时会同埋设管理部门进行试挖加以确认。施工前，应视其状况，用平安牢靠的方法实行保安措施进行施工。移设改移：将影响施工的埋设物改移到不影响的地点。设置紧急装置：设置万一泄漏发生时紧急遮断用的管道等。变更管型：旧管或年头许久或强度上有问题，需变更管型替代。悬吊防护：不阻碍施工，但不能确保埋设物平安，接受防护专用梁悬吊来保证其功能及构造。临时防护：不适于悬吊防护者，可用支持梁等临时防护。在无阻碍时也可兼作回填时永久防护之用。移设的位置、时间及管型变更的范围、遮断装置的设置地点等，要探讨施工的影响范围，事前和道路管理者及埋设物管理者充分协商，事前加以处理好，使其对施工无阻碍。这些处理措施，因埋设物的状态，各种手续等的关系，须要较长时间，有时达数月之久，要予以充分考虑。为了预防由开挖而引起的支挡背后的不匀整下沉造成的埋设物折损事故等，应在埋设物或其旁边的地层中设置下沉量测用的观测孔（下沉量测标），观测埋设物的动态。假如埋设物发生异样或可能发生异样时，应立刻和有关人员联络并实行中断施工、禁止用火、截断交通、疏导旁边的居民、通行人员避难等，并通报警察、消防、道路管理者有关单位等必要措施。②浅埋暗挖法：是指在特殊条件，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法，它包括短台阶法、上台阶分部开挖法、上台阶临时中柱法（上台阶临时仰拱法）、眼镜法、CD法、CRD法等。A、施工的基本原则依据国内外的工程实践，浅埋暗挖法的施工应贯彻以下原则：a、管超前：指接受超前导管注浆防护，事实上就是接受超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；b、严注浆：在导管超前支护后，立刻进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道四周形成一个具有确定强度的壳体，以增加围岩的自稳实力；c、短开挖：1次注浆，多次开挖，即限制1次进尺的长度，削减对围岩的松驰；d、强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必需特殊坚实，具有较大的刚度，以限制开挖初期的变形；c、快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为刚好限制围岩松弛，必需接受临时仰拱封闭，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载实力；f、勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，驾驭施工动态，刚好反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。B、施工方法比较表2-8施工方法上台阶临时中柱法上台阶临时仰拱法眼镜施工方法CD施工方法CRD施工方法示意图1施工方法平安性不够平安需有帮助施工方法平安较平安平安2施工难度大大一般易易3技术难度低低一般较高高4预料地表沉降(mm)88803877305施工速度快快慢一般一般6工程造价低低高中高7适用范围技术娴熟、工程条件好跨度较大、工程环境好工程跨度大、平安要求高地质条件差、平安要求高地质差、跨度大、平安要求很高C、施工实例图2-13国家计委地下停车场带仰拱的中隔壁法施工步骤图2-14北京地铁西单车站双眼镜法施工程序图图2-15深圳地铁4标区间隧道型式③盖挖法：是由地面对下开挖至确定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工，主体结构可以顺作，也可逆作。逆筑法是随着从上部开挖，在底板和中层板、侧墙修筑之前，先行修筑顶板或中层板的方法，为了使其稳定要运用挡土支撑，并开挖到指定深度后修筑主体。逆筑法适用于以下场合：a、接近开挖地点有重要结构物时；b、有强大土压和其它水平力作用，用一般挡土支撑不稳定，而须要强度和刚度都很大的支撑时；c、开挖深度大，开挖或修筑主体需较长时间，特殊须要保证施工平安时；因进度上的理由，须要在底板施工前修筑顶板，以便进行上部回填和开放路面时。逆筑法的施工步骤见图2-16。图2-16逆筑法的施工步骤④环境爱惜一般说，公害是指伴随事业活动等产生的、涉及相当范围的大气污染、水质污染、土壤污染、噪声、振动、地层下沉及恶臭等，对人的健康或生活环境造成危害的现象，其中，噪声及振动约占总数的40%以上。在施工中的噪音、振动、地层下沉、尘埃、交通堵塞等对沿线居民的生活环境都会给以或多或少的影响。施工时，特殊要留意以下各点：A、防止噪声施工噪声受到《噪声限制法》等有关法令的限制，施工时，要遵守这些法令，并力求接受噪声小的机械和方法。B、防止振动施工振动受到《振动限制法》等有关法令的限制，施工时应遵守这些法令。此外，振动因振动源的特性、土质、和其它物体的共振及个人的感受程度等而异，但从敬重防止公害的精神动身，应接受振动小的机械和方法。明挖隧道施工中的振动源，显著的有打桩机、铺路碎石机、混凝土搅拌机等，因其施工性优越而广为运用，但接受这些机械时要留意施工环境，并实行相应的措施。C、防止地层下沉施工中产生的地层下沉和土质、施工方法、施工好坏有关，尤其在软弱地层中施工，问题更大。在这种地层中接受刚度大的挡土支挡以减小地层松弛，接受止水性支挡以防止地下水位下降，并使地层压密等，力求防止地层下沉。D、防止地下水位降低明挖隧道施工，一般都是在地下水位以下深层开挖。此时，地下水位必定降低，尤其是接受非止水性支挡，接受降低地下水位方法、地下水流被截断等状况，其影响更大。地下水位的降低，不仅是造成前述地层下沉的缘由之一，也会干脆造成井水枯竭等事态，所以要设置代替水道的设备，以防止对沿线造成危害。E、防止尘埃飞散明挖隧道施工，除了处理大量的弃土外，由于多种施工用资材、机械、运输车等使尘埃集聚在现场内。在强风时，这些尘埃飞扬，对沿线居民和通行者造成苦恼。所以，现场要经常保持清洁，进行清扫、洒水等。F、防止压注危害由于多接受压注法，开发出许多浸透性较好的压注药液，但这也造成压注公害的发生。作业时要进行充分管理，慎重施工，以便不引起对人体和动植物的影响、对四周地下水的影响、对四周地层和结构物的隆起、埋设管的填充堵塞等。此外，依据四周状况有可能产生使地层隆起的重大影响时，或旁边有水井和公用水域时，要事前设测点，并以适当频率观测，进行水质检查等。G、废弃物处理建筑废弃物包括：弃碴、淤泥、砼块等。施工中废弃物应严格按有关法令办理。H、交通平安措施施工时应依据有关法令，不要影响既有结构物及埋设物、交通、公众等，并确保其平安。占用路面进行施工的时间及区域，应得到道路管理者和公安局的许可，在规定的范围内施工。在施工区域内应设保安灯等保安措施，以明确施工区域。在路面设置特地人员，经常巡察整个施工区域，并由专属作业班，进行经常的路面修理。对出入施工区域的施工车辆，要设特地人员指挥、诱导，以防止事故的发生。占用路面进行施工时，要确保步行人员的平安，尤其是在没有人行道和车行道区分的道路上，确定要设人行专用通道。占用路面夜间施工时，或在夜间路上留有作业带时，四周要设照明，以保交通平安。施工材料不得已积累在路上时，事先要取得道路管理者、公安局的许可，并不得阻碍交通。除上述外，施工机械和设备等也会阻碍沿线的美观，应考虑现场状况，实行相应措施。（二）运输方式隧道施工运输方式分为两类：无轨运输和有轨运输。其配套设备、机具见表2-9。表2-9序号设备、机具无轨运输有轨运输1装碴装载机、反铲挖掘机、挖掘装载机、铲装机立爪装碴机、挖斗装碴机、挖掘装载机、轮式装载机2轨道钢轨24～43kg/m钢轨3轨距762mm或900mm4枕木木枕、槽钢或工字钢5运输自卸车或铰接式自卸车电瓶车+梭式矿车（或矿斗或箱式列车）6砼轮式砼输送车电瓶车+轨行式砼输送车7能源柴油或电力电力（充电）（三）风水电保障1、高压风：接受内燃空压机或电动空压机压缩产生。电动空压机分为无螺杆式空压机和螺杆式空压机。目前正从无螺杆式向螺杆式过渡。另有接受电动液压站带动液压钻的施工方法，可以配套2-6支液压钻，目前均运用在小断面引水隧洞中。2、高压水：常规方案均为高山水池上下两趟水管供应水压，后接受一趟水管的高山水池供应水压，目前在北方寒冷地区进行隧道施工时，已接受无塔衡压供水装置来供应施工所需水压。3、电源：自备电源基本已接受康明斯柴油机和西门子电机配套的200～300kw发电机，须要时多台并车供应电源。当接受钻孔台车钻孔或挖装机装碴或接受竖井混合式通风方式时，要实行高压进洞方式供电；也可接受低压进洞，洞内两台变压器升、降电压方式供电。二、支护技术坑道支护体系是由围岩和支护结构两部分组成的。在通常状况下，围岩是主要的承载单元，而支护结构是帮助性的，但也是不行缺少的。在某些特殊状况下，支护结构也是主要的承载单元。支护结构的基本作用在于：保持坑道断面的运用净空；防止围岩质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护体系有足够的平安度。因此，任何一种类型的支护结构都应具有和上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。一个志向的支护结构应满意下列基本要求：1、必需能和四四周岩大面积地坚实接触，即保证支护——围岩体系作为一个统一的整体工作。2、重视早期支护的作用，并使早期支护和永久支护相互协作，协调一样地工作。3、要允许坑道—支护体系产生有限制的变形，以充分协调地发挥两者的共同作用。4、必需保证支护结构架设刚好。5、作为支护结构要依据坑道围岩的动态，刚好地进行调整和修改，以适应不断变更的围岩状态。支护结构包括初期支护（或施工支护）、防排水系统和混凝土衬砌等。㈠初期支护(或施工支护)锚喷支护是隧道初期支护或施工支护施工中接受的主要支护手段之一。和传统支护、相比，它在机理和工艺上具有一些独特的工作特性：刚好性、粘贴性、柔性、深化性、灵敏性和密封性。这也是构成锚喷支护作用原理的基本要素。锚喷支护的支护类型有：喷射混凝土、锚杆、钢筋网和格栅（钢拱架）等。1、锚喷支护设计和施工的基本原则锚喷支护合理设计和施工原则应从各方面体现支护原理，以期达到支护上牢靠和经济上合理的目的。见表2-10。表2-10序号基本原则措施1实行各种措施，确保围岩不出现有害松动①在洞室布置和造型上适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征，尽量争取较好的受力条件。②施工过程中尽量削减围岩强度的恶化。如接受限制爆破技术；削减对围岩扰动次数；支护刚好快速等。③合理利用开挖面的“空间效应”，抑制围岩变形。要求支护作业面和开挖面的距离限制在确定范围内。④尽量削减其它外界因素（主要是水和潮气）对围岩的影响。2调整限制围岩变形，在不进入有松动的条件下适度发展，以便最大限度地发挥围岩自身承载实力①初期支护接受分次施作的方法。②调整支护封底时间。3保证锚喷支护和围岩形成共同体施工中保证明现围岩、喷层和锚杆之间具有良好的粘结和接触，使三者共同受力。4选择合理的支护类型和参数并充分发挥其功效①优化考虑选用喷砼支护或锚喷联合支护。②支护参数的设计应贯彻“等强度支护”的设计思想和整体加固和局部加强相结合的原则。③选择合理的锚杆类型和参数，在围岩中有效形成承载环。④选择合理的喷层厚度，充分发挥围岩和喷层自身的承载力。⑤合理配置钢筋网。⑥合理选择钢支撑。5实行正确的施工方法施工方法的正确性和合理性对锚喷支护的成败和效果有重大影响，特殊是开挖程序、掘进进尺、支护和闭合时机等至关重要。6依据现场监测数据指导设计施工要求地质勘测、设计、施工及监测密切协作，结为一体。2、喷射混凝土⑴喷射混凝土的作用和效果见表2-11。表2-11喷射混凝土的作用和效果概念图①支承围岩由于喷层和围岩密贴和粘结，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化。此外，喷层本身的抗冲切实力阻挡不稳定块体的塌滑。②“卸载”作用由于喷层属柔性，能有限制地使围岩在不出现有害变形的前提下，进入确定程度的塑性，从而使围岩“卸载”。同时喷层的柔性也能使喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。③填平补强围岩喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘结在一起，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力、摩阻力，有利于防止围岩松动，并避开或缓和围岩应力集中。④覆盖围岩表面喷层干脆粘贴岩面，形成防风化和止水的防护层，并阻挡节理裂隙中充填物流失。⑤阻挡围岩松动喷层流紧跟掘进工程后刚好进行支护，早期强度较高，因而能刚好向围岩供应抗力，阻挡围岩松动。⑥支配外力通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力匀整分担。⑵钢纤维喷射混凝土钢纤维喷混凝土，又名钢纤维增加喷混凝土，是近年来国内外发展起来的新型喷射混凝土技术。它在松软、裂开围岩和特殊地下工程中获得愈来愈广泛的应用，收到良好效果。①钢纤维喷射混凝土是在一般喷射混凝土中，拌入适量钢纤维后形成的一种新型复合材料。它变更了一般混凝土的脆性弱点，具有高强度、大变形及破坏后存在较高残余强度的特点。使喷射混凝土的韧性、冲击阻力、抗弯强度、抗剪强度、耐用系数和乏累极限等都得到极大改善。其柔性大大超过了一般喷射混凝土，抗弯强度大约增加50%～100%，抗压强度可以提高30%～50%，韧性及冲击阻力也比一般喷射混凝土提高数倍。②钢纤维喷射混凝土一般都利用现有喷射混凝土设备和施工工艺，即在干式、潮式、湿式和SEC喷射混凝土中，都可以掺加适量钢纤维，成为钢纤维喷射混凝土。钢纤维从几何形态分，其断面有圆形、矩形、扁形及不规则断面；其形态有直形纤维、波形纤维、弯曲或带钩纤维。钢纤维通常并不是由拉力折断，而是从混凝土中拉出，故接受弯曲或带钩的钢纤维，具有很高的抗拉力，和直形纤维比较，只用较少数量就能达到相同的特性；它还能使各个纤维跨接裂缝，使喷射混凝土开裂后还有确定韧度。同时较长的纤维能跨接较宽的裂缝，增加混凝土的韧度。钢纤维最适宜的直径为0.25mm～0.5mm，最大可达0.7mm；长度多为20mm～30mm，最长可达50mm～60mm。纤维掺量一般占总体积的0.5%～2.0%，或者为混凝土总重量的2%～4%。③钢纤维喷射混凝土的材料，除增加钢纤维外，其余和干式、潮式、湿式和SEC喷射混凝土是一样的，故其材料选择和配比也适用于相应的钢纤维喷射混凝土。④钢纤维喷射混凝土工艺流程钢纤维混凝土的喷射工艺流程，亦基本接受干式、潮式、湿式和SEC喷射混凝土的工艺流程。不同点在于：A、混合和搅拌：钢纤维喷射混凝土的混合和搅拌，关键是匀整地加入钢纤维，防止形成钢纤维团。B、喷射机的修改现有的喷射设备不需修改就可用于钢纤维混凝土的喷射。作修改一般是为了削减堵管，而消退如像90°弯头或胶管直径突变等这样一些扼流处。假如管子直径须要变小，应运用缩成锥形的长渐缩管。堵管一般发生在喷嘴出口处，这是由于直径突然减小和方向突然变更所致。胶管内径一般用50mm以上，运用效果较好，最好内径应为钢纤维长度的2倍。⑶模喷混凝土由于喷射混凝土作业中，存在高回弹和高粉尘现象，造成奢侈和污染作业环境。模喷是彻底解决回弹和粉尘的根本之道，湿喷技术的发展为模喷供应了技术保证。深圳科苑立交浅埋暗挖隧道挂模湿喷技术的成功应用，为在特殊地理及地质条件下的隧道施工开拓了另一条蹊径。应在试验探讨基础上扩大其应用范围。①模喷混凝土力学性能测试（粘结强度、抗压强度、密实度）。②模喷条件下喷射方式、角度、材料及协作比。③模喷支护结构和围岩稳定性。④立足于现有设备，Ⅰ-Ⅲ类围岩以拱架为模板基础，Ⅳ-Ⅴ类围岩则重点探讨作为永久支护。3、锚杆⑴锚杆的作用和效果见表2-12。表2-12锚杆的作用和效果概念图①支承围岩锚杆能限制约束围岩施加压力，从而使处于二轴应力状态的洞室内表面旁边的围岩保持三轴应力状态，因而能制止围岩强度的恶化。②加固围岩由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区的节理裂隙、裂开面等得以联结，因而增大了锚固区围岩的强度（即C、φ值）。锚杆对加固节理发育的岩体和围岩松动区是特殊有效的，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”。③提高层间摩阻力，形成“组合梁”对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，从结构力学观点来看，就是形成“组合梁”。④“悬吊”作用“悬吊”作用是指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定围岩联结起来。这种作用主要表现在加固局部失稳的岩体。⑵锚杆类型：常用的锚杆有全长粘结型砂浆螺纹锚杆、WT25中空注浆锚杆和自进式注浆锚杆。自进式注浆锚杆集钻、注、锚于一体，其在抗弯、抗剪强度和表面粘结等方面的优越性能，以及便利的操作性能够保证困难地质下的锚固质量。WT25中空注浆锚杆是先钻孔，再插入中空锚杆，最终通过中空进行压注浆液，确保锚固效果。全长粘结型砂浆螺纹锚杆运用普遍，施工中砂浆的饱满度对锚固效果至关重要，特殊是拱部径向锚杆施作较难保证锚固效果。为保证效果，目前引用锚固剂代替砂浆，锚固效果很好，能满意要求。4、钢筋网：钢筋网的作用和效果，见表2-13。表2-13钢筋网的作用和效果概念图①防止收缩裂缝或削减裂缝数量和限制裂缝宽度。②提高支护的抗震实力。③使喷层应力得到匀整分布，改善其变形性能，增加锚喷支护的整体性。④增加喷层的柔性。⑤提高喷层承载力，承受剪力和拉力。5、格栅（钢拱架）⑴格栅（钢拱架）运用条件：①自稳时间很短的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩，在锚杆或喷射混凝土支护发挥作用前，可能发生围岩失稳或塌坍紧急时。②浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，须要提高初期支护的早期强度和刚度时。③在难以施作锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形需增加支护抗力时。④当须要施作超前支护，设置格栅（钢拱架）作为超前锚杆（或超前小钢管等）的支撑构件时。⑵钢拱架①钢拱架为刚性拱架，以往我国多用工字钢、旧钢轨和钢管制造，这种钢拱架的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作永久衬砌。在Ⅰ、Ⅱ类软弱裂开围岩中施工或处理坍方时运用较多，但这类钢拱架和喷射混凝土粘结不好，和围岩间的空隙难于用喷射混凝土紧密充填，导致钢拱架旁边喷射混凝土出现裂缝。工字钢和钢轨的垂直和水平方向不是等强度和等钢度的，简洁横向失稳，扭曲破坏。钢管钢架断面的各向强度和刚度相同，抗压、抗扭曲强度高，钢管内充填砂浆或混凝土时，其强度更高。钢拱架常用10-20号工字钢，11kg/m～24kg/m轻轨或38kg/m、43kg/m钢轨，φ100mm～φ180mm钢管。②可缩式钢拱架在Ⅰ、Ⅱ类围岩和膨胀性或地应力大的地层中，围岩压力和变形较大，若接受一般支护阻挡围岩变形，使支护衬砌承受更大的围岩压力而导致损坏。因此，接受钢架接头能滑移的可缩式钢架，支护断面随围岩变形而缩小，允许围岩有较大的变形，并随之卸载，从而维护支护衬砌的稳定。A、类型：通常接受φ125mm、φ150mm、φ180mm钢管钢架和U25、U29、U36等U型钢架2种。B、接头设计参数的选定a、可缩接头一般在单线隧道设2个，双线隧道设3个。b、每个可缩接头最大可缩量不宜超过100mm。c、可缩接头的滑动阻力，一般接受钢架可能承受最大轴力的50%进行设计。C、可缩接头结构形式a、钢管钢拱架可缩接头宜接受外套管式（图2-17），U型螺栓卡环箍紧，套管一般长约40cm，套管外侧用2～４个U型螺栓卡环。套管可接受纵向通缝，通缝应保证卡环箍紧后仍有1mm～5mm缝隙。套管内２根主管的间距按设计可缩量确定，不宜超过100mm。66图2-17钢管钢架可缩接头（单位：mm）1-套管（l=670、φ外146、φ内128）；2-螺母M20；3-主管（φ外127、φ内116）；4-垫圈；5-钢压块（200×35×60）；6-U型螺栓（φ20）b、U型钢架可缩接头宜接受搭接，搭接长度一般为40cm。每个接头设2个卡环（图2-18）。可缩接头卡环螺母扭矩和滑动轴力的关系可通过试验确定。图2-18U型钢架可缩接头1-U25型钢架；2-U型螺栓（φ20）；3-螺母M20；4-U型接连板D、可缩接头的施工可缩接头处应预留20cm左右宽的部位暂不喷射混凝土，待可缩接头合拢或围岩变形基本稳定后，再将预留部位喷满混凝土。⑶格栅格栅是由钢拱架支撑发展而来，它是由钢筋焊接而成的构架，其在纵、横向的强度、刚度和稳定性基本相同，且能和锚杆、超前支护的构件连为一体，是隧道及地下工程中一种新型的支撑形式。它是随着新奥法（NATM）的发展而出现的。像喷混凝土支护工艺已成为新奥法的要素之一一样，格栅喷混凝土支护也已被越来越广泛地接受，成为新奥法的一项革新。①格栅支撑的特点：A、立刻支护作用开挖后立刻架设能起到立刻支护的作用，且有确定的承载实力，可以在喷混凝土施作以前和施作后早期强度形成以前及单独运用时单独承载。B、加劲筋作用和喷混凝土结合紧密成为钢筋混凝土结构，在其中起骨架作用，使喷混凝土整体性好，不会造成混凝土回弹和纵向断裂现象，而钢拱架则不行，它和喷混凝土壳体分别，造成回弹和空洞及壳体纵向不连续，整体性差，不能形成钢筋混凝土结构。C、组合结构作用除了和喷混凝土结合外，还能很便利地和钢丝网、锚杆、超前支撑等支护手段相结合，构成以格栅为核心的格栅+钢丝网+锚杆+超前支护相结合的组合支护结构，起先作为临时支护后又能转化为永久支护。而钢拱架则不成，它和喷混凝土间形成断裂缝，钢材锈蚀无法防止，不具备耐久性，因此不能作为永久支护考虑。D、墙板和支架作用可作为喷混凝土和开挖后续断面的墙板、灌注混凝土衬砌的墙板及架设超前支撑的支架。E、结构补强作用对破损衬砌、破损拱架等可以运用格栅喷混凝土进行补强处理。F、经济性好和钢拱架相比，造价低，材料利用率高。国外有资料表明，接受格栅比接受钢拱可节约大约60％的劳动强度和支护费用。国内和工字钢比较结果，节约钢材13％，钢材性能提高36％。另外经济效益还包括提高喷混凝土质量、削减回弹、节约水泥、提高工效、削减人力消耗等，所以效益是特殊明显的。G、和围岩连接性好特殊是喷混凝土后，包袱在其中和围岩密贴有利于受力，有利于和围岩共同作用形成兼有钢筋混凝土结构强度和岩石构造强度的壳体结构。整体性好，防水性好。H、运用灵敏，适应性广每米架长重量轻，操作便利灵敏，不仅可以用于全断面开挖，而且适于分部开挖。随着扩大开挖，格栅能便利地持续下去，装卸便利，在不变更间距的状况下可以通过加大格栅来增加支护。②格栅的形式A、格栅断面有3根和4根主筋组成的2种形式（图2-19）。四主筋型的每根钢筋相同，在等高状况下，其抗弯和抗扭惯性矩大于三主筋型，故多用于软岩、土砂地层的双线隧道。三主筋型是由上面双筋和下面单筋组成，上主筋面积尽量和下主筋总面积相等，多用于单线隧道。主筋直径不宜小于22mm，并宜接受20MnSi或A3钢筋。图2-19格栅钢架断面B、格栅的断面高度应于喷射混凝土厚度相适应，一般为120mm～180mm。C、格栅的主筋和联系钢筋的连接方式较多，主要接受图2—20的形式，联系钢筋直径不宜小于10mm。图2-20格栅钢拱架构造（单位：mm）D、格栅接头形式有：a、螺栓连接板接头。连接板焊于主筋端部，通过螺栓将两段钢架连接板紧密地连在一起。b、套管螺栓接头。套管螺栓干脆套在主筋上，将两段钢架连接在一起。c、侧导坑法施工大断面隧道的钢架接头联结如图2-21，格栅钢架L和作临时支护的格栅钢架M用螺栓、连接板连接，而格栅钢架L、R则用螺栓、套筒和连接板连接。图2-21侧导坑法施工格栅接头连接（单位：mm）㈡、防排水系统防水、排水技术是为防止地表水、地下水、工业和民用的给水、排水、腐蚀性液体以及空气中的湿气、水蒸气等，对地下建筑物某些部位的渗透侵入，而从建筑材料上和构造上所实行的措施。防水的功能要求是，接受有效、牢靠的防水材料和技术措施，保证建筑物某些部位免受水的侵入和不出现渗漏水现象，保证建筑物具有良好、平安的运用环境、运用条件和运用年限。1、地下水的防治原则及措施⑴防治原则①由于隧道所处位置的不同，所遇到的地下水的类型和埋藏条件也不相同，因此必需针对地下水存在的特点，实行“防、截、排、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，达到防水牢靠、经济合理的目的。实践证明，地下防水工程是集材料、规划、设计、施工、维护为一体的综合性、系统性工程，它们之间既有各自独立，又有关联。材料是基础，规划和设计是前提，施工是关键，维护是保证，已成为专家们的共识。因此，为了保证地下工程的防水质量。应全面考虑，综合决策。⑵防水措施主要有隔水、排水、堵水等①隔水利用不透水或弱透水材料，将地下水隔绝在建筑空间之外，称为隔水法。隔水可以通过外加的防水层起作用，也可以把结构本身作为隔水层，后者称为结构自防水。防水层有柔性和刚性2种。柔性的有各种卷材和喷涂料，刚性的有防水砂浆、防水板材、金属薄片、结构自防水等。②排水排水是隧道防水措施之一，是将水在渗漏进隧道内部之前加以疏导和解除，包括地表水的解除，人工降低地下水位和将水引入隧道后再有组织地排走等几种做法。这种防水措施的主要特点是解除了水量较大的重力水对地下建筑的干脆威逼，卸掉了这些水的静水压力，对于承压水的防治效果尤为有效。③堵水向岩土体中注入防水材料，堵塞水流通路而形成1个隔水层，是一种堵水措施，也称注浆止水。堵水还有另外含义，就是当防水结构或防水构造受到破坏后渗漏水时，向破坏处（孔隙、裂缝等）及其旁边注入防水材料，起修复作用，故常称为堵漏。此外，在预制构件的接缝处，要做好密封措施，事实上也是一种堵水方法。由于在现实中地下水的埋藏、运动和渗漏机理相当困难，单独实行某一种措施，往往不能起到完全的防水作用，因此必需综合治理，将两种或更多的措施协作运用，互为补充，才能取得较好的防水效果。2、防水施工目前接受较多的施工方法有混凝土结构自防水施工、水泥砂浆抹面防水施工、卷材防水施工、喷涂膜防水施工，以及架空地板和离壁衬套墙内排水施工等。⑴混凝土结构自防水施工混凝土结构自防水，是以工程结构本身的混凝土密实性实现防水功能的一种做法。它使结构承重和防水合为一体，造价低，工序简洁，施工便利。①一般防水混凝土依靠调整协作比的方法，变更混凝土内部孔隙特征（形态和大小），堵塞漏水通路，不加其它防水措施，仅以提高混凝土自身密实性达到防水的目的，如接受防水水泥及合理的骨料级配等。其原则是首先满意抗渗性能要求，同时考虑抗压强度和施工和易性。必要时，满意抗浸蚀性、抗冻性及特殊要求，水泥用量不应小于320kg/m3。当掺用活性粉细料时，水泥用量不小于280kg/m3。按抗渗性、施工和易性、强度要求确定水灰比。按结构条件和施工方法，综合考虑用水量，选用坍落度。防水混凝土的砂率不小于35%。在防水混凝土砂率及最小水泥用量均已确定时，还应对灰砂比进行验证。②外加剂防水混凝土外加剂防水混凝土是靠掺入少量有机或无机物外加剂改善混凝土的和易性，提高密实性的抗渗性，以适应工程须要的防水混凝土。按所掺外加剂种类不同可分为：减水剂防水混凝土、加气剂防水混凝土、三乙醇胺防水混凝土和氯化铁防水混凝土等。⑵材料防水施工山岭隧道及地铁区间隧道一般接受防水卷材全截面防水，均应接受无钉孔铺设和爬焊热合工艺施作复合防水层，各类附属洞室铺设防水板时，先依据附属洞室的大小和形态加工防水板，将其焊在洞室内壁的初期支护上，并和边墙防水板焊接成一个整体。地铁区间隧道施作防水层前，须对初期支护背后进行充填压浆和劈裂注浆止水。隧道拱墙一般设φ50mm软式透水管盲沟，墙脚纵向设φ100mm软式透水管盲沟，和环向盲沟、墙脚泄水孔三通连接。施工缝一般设止水带或止水条防水。㈢混凝土衬砌隧道工程衬砌类型大体上有：整体式衬砌、锚喷衬砌、装配式衬砌、复合式衬砌和薄型衬砌等。见图2-22。整体式衬砌锚喷衬砌装配式衬砌复合式衬砌图2-22衬砌类型示意图整体式衬砌：洞室开挖后干脆灌注混凝土的衬砌。一般设计较厚，是一种刚性结构。锚喷衬砌：由喷混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆喷混凝土或锚杆钢筋网喷混凝土、钢纤维喷混凝土等构成的衬砌。有时作为初期支护和混凝土衬砌形成复合式衬砌。由于锚喷支护是一种柔性结构，故能更有效地利用围岩的承载实力维护洞室稳定，其受力性能一般优于整体式衬砌。装配式衬砌：由预制构件在洞内拼装而成的衬砌称为装配式衬砌。接受装配式衬砌可加快施工速度，提高工程质量，一般用于盾构法施工隧道。复合式衬砌：分两次修筑，中间加设薄膜防水层的衬砌称为复合式衬砌。复合式衬砌的外层常为锚喷支护，内层常为混凝土整体式衬砌。1、仰拱施工软岩隧道施工中一般尽早闭合混凝土仰拱，使支护结构整体受力承载。为确保仰拱混凝土施工质量和削减对掘进等其它工序的影响，常接受移动式栈桥（无轨运输）和防干扰活动作业平台（有轨运输）进行混凝土仰拱施工。防干扰活动作业平台施工见图2-23。图2-23仰拱施工示意图2、混凝土衬砌混凝土仰拱超前施工闭合后，依据监控量测结果可支配混凝土衬砌施工。目前接受自动计量拌合站、砼输送车、全断面液压钢模台车和砼输送泵进行混凝土灌注施工；全断面液压钢模台车长度为8-12m。当接受有轨运输斜井或竖井帮助施工时，一般接受洞内、外各一台输送泵接力灌注混凝土衬砌；大断面隧道可接受2台输送泵左右对称灌注，既缩短衬砌时间，又防止衬砌台车偏移。施工中挡头模板接受制式钢模，确保施工缝处砼质量。三、帮助施工措施（一）帮助施工方法在隧道开挖和支护时，把主要使掌子面稳定、地表稳定和处理地下水的任何手段，都统称为“帮助施工方法”。帮助施工方法，有的是接受一般的设备、机械进行的，以稳定掌子面为主要目的的施工手段；有的不能接受通常的设备、机械，以围岩加固为主要目的的施工手段；有的为降低地下水位、隔水和处理地下水等的施工手段。1、适用帮助施工方法的围岩及地形条件（表2—14）表2-14序号围岩及地形条件存在问题措施1未固结围岩（砂层、粘土层、岩堆）①围岩强度小，掌子面自稳性差；②刚性低，变形大；③因涌水，掌子面变得不稳定。加固围岩；排水；超前支护；正面喷砼封闭。2膨胀性围岩①围岩开裂、内挤；②支护结构破损；③使净空断面缩小。防止水浸湿；削减扰动；少分部开挖；刚好喷锚防护和闭合结构。3大量、高压涌水围岩①掌子面渗透而倒塌；②支护下沉、变异和断面异样；③地表下沉；④变更水文环境。集中引排；砂浆充填；防水板；帷幕止水。4浅埋隧道①掌子面不稳定；②地表开裂、下沉；③支护结构变异。垂直锚杆悬吊；管棚；水平高压旋喷；药液压注等。5接近结构物的隧道①地表开裂、下沉；②支护结构变异；③结构物位移、变形。对结构物量测管理；加固围岩；止水；增加支护结构。2、稳定掌子面的帮助施工方法山岭隧道施工，如掌子面不稳定，施工是不行能的。近年来，由于山岭隧道的增加，在自稳性差的围岩中施工的状况愈来愈多，因此，掌子面稳定问题就成为隧道开挖技术中的重要问题。同时，掌子面自稳性和开挖断面的大小有密切关系，因此，开挖方法的选择，对选定稳定掌子面的帮助施工方法有很大的影响。依据地质条件，在掌子面不能获得稳定的状况下，开挖要接受分割断面的方法或缩短一次开挖进尺。但有时就是分部开挖或缩短进尺也不能取得效果，而接受大断面开挖方法反而成功的状况也不少。这主要是因接受了各种帮助施工方法，提高了掌子面和拱顶的稳定而取得的。帮助施工方法是在开挖之前施工的，以图稳定掌子面的方法，依据其功能的不同，可分为以下几种：①提高构件的弯曲刚度支持围岩的（钢插板、超前支护、短管棚、钢管桩支撑等）；如雷公山隧道、堰岭隧道、西山坪隧道和贵阳水厂输水洞等。②改良围岩的（小导管、迈式锚杆、洞内深孔和地表深孔注浆等）；如广州地铁、小团山隧道、宝塔山隧道和靠椅山隧道、堰岭隧道等。③发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）。④喷混凝土加强的。3、稳定地表的帮助施工方法地表下沉主要是因开挖造成的隧道周边围岩松驰而引起的。在未固结的围岩中，也可能是因为围岩强度不足而引起的。此外，地表下沉也是隧道上部不能形成承载拱、埋深小的围岩是常见的现象。防止地表下沉的主要措施是改善掌子面上方的围岩状况。同时地表下沉和掌子面的稳定性有关，因此，防止地表下沉的对策多和掌子面稳定对策同时实施。（1）稳定地表的帮助施工方法，是指不能接受通常机械施工的帮助施工方法。一般说，这种帮助施工方法都是先在开挖面前方的围岩中施工，而后在其范围内开挖，再进行超前施工，再开挖的。此种帮助施工方法大体上分为：改善整体围岩和改善掌子面上方围岩为目的的两大类。①改善整体围岩的帮助施工方法：药液压注法、冻结法、垂直锚杆法。②改善掌子面上方围岩的帮助施工方法：管棚法、水平高压旋喷法。（2）稳定围岩和限制地表下沉的帮助施工方法①药液压注法药液压注法是以加固围岩、止水为目的而接受的施工方法。向砂质土压注易于获得较好的效果，在黏性土中的效果很离散。为进行有效地压注，要接受和围岩性质相适应的药液和方法。如广州地铁洞内深孔注浆、宝塔山隧道和小团山隧道的地表深孔注浆法。②冻结法冻结法在山岭隧道中接受较少。但其加固围岩、止水的效果特殊好，牢靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结构物施工的场合是很合适的。但从准备时间到发挥效果的时间很长。地层人工冻结技术最早于1862年在英国应用。冻结法最初应用最多的领域是矿山工程。我国于1955年在开滦煤矿林西风井首次运用冻结法。目前，随着城市地下工程的日益增多，尤其是地铁建设的兴起，冻结技术已起先应用于地铁隧道施工中。如1997年北京地铁复八线“大-热区间”应用水平冻结技术成功完成了长度为45m的隧道顶板地层冻结封水加固工程；2000年广州地铁二号线纪越区间的长度为63m的全断面地层冻结封水加固止沉工程等。A、适用范围及方式冻结法可广泛用于矿井建设、地基基坑、隧道、地下停车场、地铁盾构机出入口和竖井、水利工程等。冻结法既可用于各类不稳定土层（粘土、砂土或砂砾土），又可用于含水丰富的裂隙岩层。在涌水量较大的流砂层应用更能显示出冻结法相对于其它工法的优越性。通常，当地下水含盐量不大，且地下水流速不大于40m/d，均可运用冻结法。冻结法可实行的方式有水平、垂直和倾斜。B、地层冻结技术的原理人工地层冻结技术是利用人工制冷技术（多指盐水冻结技术），首先在需加固的地层中钻孔铺管，安装冻结器，利用制冷压缩机供应的冷量，通过低温盐水在冻结器中循环，带走地层热量，使地层中的水结冰，将自然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时加固体，达到加固地层，隔绝地下水和地下工程联系的目的。从而在冻结体的爱惜下进行竖井或隧道等地下工程的开挖施工，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终复原到原始状态。人工制冷除以盐水为冷媒体外，还可接受液氮和干冰冻结。C、地层冻结技术特点a、冻结加固地层强度高，抗压强度可达12-13MPa。b、封水效果好，可保证开挖工作面在无水条件下作业。c、整体支护性能好。冻结体形成后，冻结体内不会存在任何缝隙，是一个完整的支护体。d、平安性好。在冻结体的掩护下，可保证隧道掘进的平安施工。e、灵敏性好。冻结结构物的形态和扩展范围可作到人为限制。f、环保型工法。由于冻结法是一种临时措施，地层冻结仅仅是将地层中的水变成冰，并且所加固地层最终要复原到原始状况，因而能够爱惜城市地层地质结构和地下水不受污染。D、冻结法施工工艺冻结法的施工主要工序：钻孔→冻结器铺设→冷冻系统安装→冻结制冷→隧道开挖和衬砌。冻结工程详细工序流程见图2-24。1-准备；2-孔口设施制作；3-制冷站土建工程；4-供电、供水系统施工；5-冻结孔钻孔及测斜；6-盐水干管施工；7-制冷设备安装；8-冻结管试漏及供液管下放；9-集配液圈安装；10-系统试运转；11-主动冻结期及测温孔监测；12-隧道开挖掘衬及维护冻结（包括监测）；13-隧道永久衬砌及维护冻结；14-工程完工、设备拆除；15-结束图2-24冻结工程基本工序流程网络图E、地层冻结施工的关键技术人工地层冻结的关键技术是冻结孔钻进和冻结器敷设。地铁建设中，冻结孔依据地面和施工条件，可选择水平冻结、垂直冻结和水平垂直冻结等方案。a、钻孔施工冻结孔施工首先依据冻结设计要求的冻结孔直径和间距进行布孔，同时，选择合适的钻机、钻头和钻具组合，以及适合施工要求的泥浆循环系统。施工要点如下：（a）钻机假如在隧道内施工冻结孔，由于受施工场地和空间限制，要求