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。多臂台车钻孔深度一般不超过４～５ｍ，打孔速度很快，一般岩石中１分钟就可钻进１ｍ。钻孔孔径一般也是45mm，主要用于水平钻孔，开挖隧洞。多臂台车钻孔完毕后，即可迅速撤至安全地区，或转移至其他工作面。因此效率很高，运用很灵活，是我国许多大型工地的主要设备之一。

多臂台车的设备价格甚高。以前几乎为瑞典AtlasCopco公司所垄断，每台要百万美元以上。近年来我国南京水工机械厂与之合作生产，每台价格也要人民币百万元以上。多臂台车上还有一个可升降移动的工作台，可以用来装药、清撬、观测、放线。多臂台车也可用来打锚杆孔，安装锚杆，是一个多用途的设备。

7.2.2装药放炮

隧洞开挖时，掏槽孔装药最多，周边孔装药较少。也就是掏槽孔药卷直径大些，连续装药；周边孔药卷直径小些，例如20mm，间隔装药。中间崩落孔在两者之间。布孔密度、装药数、每ｍ‘石方用药量等爆破参数均可在施工中视具体情况修正。一般坚硬完整的岩石，要求爆破后块度较小，洞截面较小，则单位开挖量炸药用量较多，例如1.5～2.0kg／ｍ3.反之，用药较少，可小于1.0kg／ｍ3.

为了提高爆破效果，为了减少爆破对周围建筑及对围岩的破坏，一个断面上把炸药分成许多组逐组起爆。中心掏槽孔附近各组之间可以相隔几毫秒起爆，即采用毫秒延迟雷管、靠外边几组可以各相隔1秒或2秒起爆，即采用秒延迟雷管。每一瞬间起爆的炸药总量要适当控制，例如不超过10～20kg。水利水电工地一般常用防水硝铵炸药，每孔放两个雷管，用非电导火线引爆。所谓非电导火索雷管是一种很细的塑料管，内涂厚度只有几微米的炸药。将这种导火索有系统地连接起来，各根导火索通向各孔中的火雷管，这些火雷管有分级分时的延迟效应。用火雷管引爆总导火索，各导火索以每秒近5000ｍ的燃烧速度，点燃各孔中的火雷管，经过延迟，各孔炸药分段起爆。采用这种非电导火线及雷管，主要原因是为了安全，一般电雷管受到强感应电也会起爆，这是比较危险的，因为洞内有不少高电压设备。一般火雷管，有时会因潮不能起爆，甚至造成瞎炮。而非电雷管免除了这些缺点，可以保证安全生产。装药时，一定要用木棍操作。用木棍将药卷推入孔内，用木棍将孔口堵塞段黄泥或沙压实。铁棒容易与石头撞击出火星，引起以外事故。7.2.3通风排烟通风的目的是排走洞内因为爆破产生的废气，以及由于施工机械、人员、等其他原因产生的废气，并向洞内提供新鲜的空气。通风还能降低洞内的闷热程度，改善施工环境。

爆破后产生的有害气体：CO；NO等氮氧化合物H2S（硫化氢）CH4(甲烷)

洞内空气中CO的浓度不允许超过50ppm。NOx的浓度不允许超过25ppm。CO2的浓度要小于5000ppm，H2S要小于10ppm，CH4要小于1.5％。氧气浓度应为18％。上式为爆炸后排除烟尘所需的风量Q（m3）。K，通风系数，压入时用0.4；吸出时0.3P，一次爆破产生的CO气体量m3，CO气体容许浓度（50ppm），容许的最长通风时间，一般10～20分钟隧洞的主要通风方式有两种。一种是压入式，新鲜空气从洞外用鼓风机一直送到工作面附近。一种是吸出式，用抽风机将混浊空气由洞内排向洞外。前者风管为柔性的管壁，一般是加强的塑料布之类；后者则需用刚性的排气管，一般是薄钢板卷制而定。我国大多数工地均采用压入式。如果鼓风距离太长，可用几台轴流风机串联接力。根据通风量的要求、通风管路长短及直径，可以选择风机的规格。对于大型独地下洞室艇，通风设坝计更为复趣杂，不仅裁要计算通收风量，选婆择通风设堤备，更重明要的是要瞧组织好气俘流方向，下不要产生牌死角，回易流区，一达般要布置股一些通风尸竖井、斜蹄井。大型地奸下洞室是一般从闹下部洞是室进风毫，从上旗部洞室替出风，颈在天气侄晴朗时寻，这样升像烟囱必一样的宿排风效务果是不泳错的。普但在阴衣冷潮湿顽的季节续，高处错冷空气贴下沉，皆低处热浸空气要巴上升，做有可能浆堵塞在鼻竖井或目斜井中诵，使得伶整个地慕下工程种系统通我风效果慕极为恶烘化。因腥此，最膛好在竖册井、斜临井中装悟设排风画设备，钉加以改伪善。7.2浩.4仆清撬匀危岩清撬这姓一工序场十分重窃要。它态是在爆砖破后将正已完全斥松动，串但尚未消掉落的补石块撬肝下来。庆以往是燃用人工派举着长赴钢钎去盯撬，劳着动强度脚很大，故又非常催危险。许目前，财设备较露好的工兄地，或槽者用液畏压锤去河敲打，拿或者用围正反向粒挖土机屿的挖斗伪去扒、疾去刮，友总之用缸设备在樱远距离申操作，魔这样比叠较安全桥。一般开武挖一个然循环后倦，要清峰撬半小弊时。清撬过御度、形还成不必拖要的超疤挖，浪傍费人力售物力；勒清撬不我够，造购成局部丽掉块坍吗落，容穴易造成蚊事故。月因此，绕这个工猛作常由窄有经验恰的工人达掌握。在软弱萄破碎围袍岩中，报围岩本凭身就不董甚稳定主越撬掉饱块越多疏，这个配工作有胸时更难横掌握，伪只能将疮十分危殖险的撬候除，紧铸接着立局刻喷混惠凝土，倦一层不尚够，再像加一层所，然后法加锚筋竟，加钢昌筋网再盗喷，务帐必使围诸岩尽快删稳定住鬼。7.2.抢5出获碴现代地火下工程油中出碴右的设备没归结起青来为两刷大类，笛一种是锻装卸设尘备，一竟种是运剥输设备颂。最常用的勒装车设备陪有两种，会一种是侧尸卸式轮式泛装载机。贼它和普通逆常见的装否载机类似舱，但有几卡个明显的裕特点，一漏是正向装钥碴之后，倚侧向卸碴罗；二是功毫率大，斗纱容量大，鲜一般大中捉工程常用王的斗容量扫达６m3；三是转弯奇半径小，崖活动灵活责。以上特煤点都是为轧了适应地荐下工程的猎特点，适泄合在狭小氧的场地，范用较少的邻设备，较心高速度地国完成任务互。与装碴票机配套的卖一般常用捷自卸卡车欣，系无轨映运输。另一种经常用的佩装载设屑备为蟹岩爪式扒采料机，壮或气动裳式翻斗距装料机宣。这两皇种装碴才机都可旨以配合警斗车一跳类的有模轨运输砌工具。剃蟹爪式圣扒料机私前面有具两个大础扒子，弟可将石种碴扒到丧中间的至皮带运逝输机上绩，皮带做运输机似将石碴拘传送到惰后面的压运输车绞斗中去浙。气动邪式翻斗封装料机肝前面是敏一个装渣斗，装游上石碴落后，迅户速往后弄面翻倒睁，装到露运输车和上去。锋其设备渡尺寸较利小，生艳产率不蕉如爪式私扒料机蝇。常用运看输设备粘有无轨察、有轨谦两大类旦。无轨读运输即搬自卸卡炼车，其梁载重量嗽自8吨何至25抹吨不等乱。在隧躁洞中调耀头是一天个重要仪的问题渐。一是坏选用朝及两个方尾向都可猴以驾驶控的特制杆翻斗车束；或是钻离掌子辆面不远庭处设置狱一个调酿头的转砖盘，卡漏车开上介转盘，藏转盘转裹180滑度卡车盐退至掌劣子面，僻装好石厚碴后正粱向开出熄洞去。叔再一种摄办法是奶开挖丁御字岔洞偷或将洞胞加宽，来以便汽这车调头凝。对于软大型地森下厂房城来讲，粗由于洞案室宽敞火，一般崇汽车调造头不会尝成为严篇重的问杰题。无轨运输垃最大的好想处是比较珍灵活，坡悼度可以陡戏到10％炒，甚至再缝陡一些。袄但缺点是托汽车排出角废气多，概因此通风号条件要好统；再者是彻设备贵、林损耗大，缝尤其是轮猫胎，要有胆充足的备匠品。另一类是披有轨运输田，最轻便往的是轨距迹为610mm的小斗管车，每缎车装载棕0.6m3；几个车连轨成一列，慕由电瓶车昆或小柴油孝车拖动。掀这种方式浓目前只在晨小型工地摧上运用，村生产率较槐低。一般友大中型工英地采用有田轨运输时债多用特制铸的大型出念碴车，车贺身长，高袖度矮，容乒量可达1犯0～20m3车厢底享部为一淡可动的章履带，箱在车身蜻一端装名料，由病于履带汤同步转膏动，很蝇快就将俯全车身摔装满。有轨运棵输的优劳点是废勿气排出垒量少，起比较干乏净。缺洪点是不吧够灵活胁，要不主断延伸团、维护求轨道；案再有就尸是坡度究不能太胡大，常间用坡度丹均在0垦.1～揭0.3删％以下骡。因此授，多用烦于平直餐坡小的灿隧洞中秧，而在句大型地贝下厂房港中很少累采用。7.2.惯6其监他辅助工漠作隧洞或地号下洞室开飞挖中还有现许多重要程的辅助工坟作。排水绒、照明、撕机修，都会是必要的坝，缺一不贴可。风、粒水、电供薄应也是必抢须的。隧洞若是辜上坡掘进季，一般采眉用明沟自驱流向外排瘦水。如果链是下坡掘组进，就要教用水泵向败外排水。损一般设一挣移动的集蒜水箱，掌宴子面上的梨水，用小察型潜水泵胀排入集水乌箱，再用材集水箱上指的泵经比靠较永久固湿定的排水荒管道排至糊洞外。照明、机若修、风、单水、电均份有专人负盈责，随开目挖掘进向干前延伸。TBM——（径FUL旦L佳FAC沙E）TUNNE宝LBORI疏NGMACHI凤NE（全断面朋）隧道掘是进机SHIE另LD（坦TBM）狡——盾构（全寺断面隧道叉掘进机）盾构掘进焦技术综合妹了机械、慢冶金、材摘料、电子运、计算机披、自动控铜制、化学反、岩土、门系统管理刷等各方面利先进技术7.3TBM及盾构技帖术TBM和盾构顺是当代胀地下施驱工技术断的集中用体现7.3恒.1盾构掘育进机的幻玉历史181摇8年由纵法国人狼布鲁内辩尔(Bru棚nel准)发明，毫182乌3年他爸制定计烈划并在令182泛5年开易工，用讲在伦敦牲泰晤士墙河过河终隧道施挨工上，鼓后来曾苍多次发区生掌子旧面因水危压崩塌密的事故晴而导致凉停工。Bru姑nel改进了笼盾构机悉并于1匙834哭年工程周再次上牺马，1凶841需年成功穷打通了话隧道。186格9年，查开始建岁设泰晤掠士河第耳二条过境江隧道祥，Bar吴low和Grea悔t采用Gre秃ath选ead发明的圆膏形盾构和跟铸铁管片学，顺利建猴成隧道。刷1887希年，Gre软ath党ead在南伦狗敦铁路由隧道工次程组合序使用盾远构和压旅气施工君法，奠氏定了目鸽前盾构仓施工的彻基础。罩这种方恢法在1伴9世纪角末达到减实用化介程度。191覆7年日四本在新含泻县折智渡隧道板试用盾扛构，没案有成功叼；19末30年烟在关门战铁道隧烘道中首芦次采用管了盾构婚获得成离功，二醋战中停联止。直平到战败始后的5酸0年代廉后期，倡才又开夹始在东痰京、大股阪、名撕古屋等章城市地哗铁隧道义中采用猴。19魂75年为研制了绒砾石泥仰水盾构茄机，1使976垫年研制洪了泥土宁加压盾踢构机，偷198付1年研颤制了气饮泡盾构爆机。中国在5篮0年代中逢期开始研锋制盾构，浴1966污年上海隧肚道公司用偿10m直径的盾不构成功地凝修建了黄请浦江水底毛公路隧洞赴。但中间只停止了很塔长时间。胡在20世纤纪末的9修0年代，绵广州地铁摔和上海黄萄浦江过江滨隧道施工页又开始使片用，北京拾则是从今劳年地铁5饱号线雍合搂宫站段施艺工开始7.3墨.2盾构掘减进机的湾工作原丸理1。后部镰锁定装置呜伸出定位2。推辜进器前丈伸钻头崖钻进3。前锁没定伸出后碍锁定退回4。前僻部定位由推进器淘向前拉5。重复污17.3惠.3盾构掘锈进机的瘦构成一个盾经构系统龄大体可喉由几个怎重要环肆节组成层。首先犁是盾构灾机械，系即开挖所隧洞的马主体设虚施，其耍次是洞肆身的管呀片的制限作，再烛就是管愿片的运邻输与安蜻装，最伙后灌浆丈封堵，悦同时还尾有装碴碑、出碴功以及其莲它辅助怠设施。1、面扩板和切夹削器2、护之盾及洞吼形保持院装置3、动多力和控性制装置4、泥浆展供给系统5、管片赚定位安装则系统6、管片共运输系统7、灌浆医系统8、永久抛混凝土衬吼砌系统盾构机鼓为一卧远式圆筒高形钢结眠构，盾影内设有要操纵控荷制、固枣壁出碴艰、运输芦安装等傻各类系妖统设施既。盾构执机体可互分为盾批头、盾谎身、盾谣尾二部蒸分，盾当头为全桑断面刀锦盘，在烘各种形筋状的刀孟盘架上维，根扼含地质情篮况设计烈安装合车理的刀慨头。盾阳头切削倦岩土，叼并取碴岛出碴，股必要时寨在这里助更换刀藏头、维郑护刀具私；盾身礼为操纵确控制盾无构机运吸行的地仅方，这篇里设有辅控制室摩，并有惹机械手端在这里长安装管亦片；盾队尾外部荣主要是薄对管片结与开挖储周边形色成的空访隙进行论填充灌恩浆，其婆内部主刻要是将服出碴系菜统和管推片运输耐系统与隔后方有阅机地衔免接。盾构机的妹尺寸是这兄样确定的公：依据隧植洞直径的辰要求，考读虑管片厚鸡度（即洞须身的厚度明）确定盾膨壳外径；辽根据切削耐、维修、漆出碴、安恳装管片、名灌浆等要察求，确定漂其长度。盾构技菜术的关狮键在于愤根据地茧质条件旧与地下呜水状况横合理选屯用相应追的盾构驱机械，剧以达到乔开挖效喘率高、甚设备制田造价格怕和工程很投资较晋低、安汗装简便恶快捷、庆使用寿销命长、括操作与晶维护方琴便等要简求。目前国飘际上常音用的盾哀构机械摄可主要舟分为泥绍水加压压式和士叙压平衡爹式两大锡类。除了采用肥泥浆或土怎加压之外顿，国外还筋有采用某壮种化学发习泡剂产生爹大量泡沫朱在掘进掌胜子面加压童的泡沫盾格构机。遇到较环复杂的更地质情挥况也可连采用混忽合式盾爹构或其弹它类型夹如压气唇式盾构卷。7.3.欢4衬砌管均片的构造采用盾构自法施工时染，衬砌通侵常采用若污干钢筋混只凝土管片列来进行，渡一般为7至～11片薄，当隧洞芳直径很大饭时，还可服以增加管喝片数量，竞其中一片姿为关键片云，其它各像片可以是挂同一种规侮格，也可殿分为两种债规格。管片厚掌度及钢册筋布置山由洞身凤所受内撞外压力卧情况计腾算确定要，管片冻长度与逗宽度，谢则主要乒考虑每匆个管片膜的重量千和安装包效率来输确定，耍一般每亏片重量恐达4～幅7t。管片与捧管片间伸在纵向手和环向农均有螺离栓或键联销连接淡，当洞丸外荷载件远大于清内荷载宗时，也辽有在安限装、灌溉浆后把集螺栓再翼拆下来豆的情况舒。管片无与管片亦之间接烘缝均采颗用企槽经设计，盏接缝的变密封采匠用在槽脆中加弹景力橡胶烈圈和灌搁浆的办找法来解轧决。管片安呀装后，尿及时地沫沿隧洞栗周围进楚行认真洲的灌浆尘，是防瓣止地层辩下沉的常重要措截施，同味时可以团均匀地织向周围繁岩土缝侄隙灌浆馅，因此阵也是保供证洞身来完整、瓦进行有脆效承载貌的基础鲁条件。盾构机械耽装有非常唐可靠的操番作系统，属对灌浆压汉力与灌浆谁量都能进理行控制和泄监测，故斧能实现灌百浆的预期岭效果。7.3.洪5各种新扫型盾构可以打传出转弯授隧道的但盾构掘斜进机可转直乐角弯的非球型盾匹构各种方简形断面喝盾构多圆断尤面的盾安构机7.4非开挖制技术和的微型隧抄洞施工懒技术微型隧洞括施工技术弟（Micr赵o-Tu笼nnel端ing犯Tech珍nolo感gy）或称“团