隧道基础知识及三台阶七步开挖施工技术

隧道基础知识

及施工技术目录一、隧道分类二、专业术语三、隧道开挖方法四、三台阶七步开挖法五、二衬施工工艺流程六、监控量测七、施工控制要点一、隧道分类所处的地质条件分类土质石质1公路隧道长度划分根据隧道长度L≤500m短隧道500m<L<1000m中长隧道

1000m≤L≤3000m长隧道L>3000m特长隧道2断面划分根据开挖断面A≤10m2小断面10m2<A≤50m2

中等断面

50m2<A≤100m2

大断

面A>100m2

特大断面3隧道所在的位置山岭隧道水底隧道城市隧道隧道埋置浅埋隧道深埋隧道隧道的用途交通隧道水工隧道市政隧道矿山隧道4其他划分二、专业术语埋深：隧道洞顶至地表的土层厚度叫做埋深。浅埋隧道：隧道埋深不足隧道断面宽度2倍的隧道或区段。深埋隧道：隧道埋深大于隧道断面宽度2倍的隧道或区段。小净距隧道：指隧道中夹岩柱厚度小于1.5倍隧道开挖断面的宽度。埋深洞跨洞跨地表中夹岩柱钢架：用钢筋或型钢、钢管、钢轨等制成的支护骨架结构。钢架制作钢架试拼装钢架安装锚杆：锚入围岩岩体内加固围岩的一种杆形构件。锚杆分类系统锚杆：按一定的布置图式安设的锚杆群体局部锚杆：加固隧道内局部不稳定岩块而安设的锚杆超前锚杆：以一定角度斜插入开挖面拱部前方，对围岩进行预加固的锚杆安装后的系统锚杆安装后的系统锚杆初期支护：隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层。初期支护一般有喷射混凝土、喷射混凝土加锚杆、喷射混凝土锚杆与钢架联合支护等形式。石坊峪隧道由钢架、钢筋网及混凝土喷射构成初期支护隧道初支完成后效果二次衬砌：是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。主要作用是加固支护、优化路线防排水系统、美化外观、方便设置通讯、照明、监测等设施。二衬完成后效果防水板：又叫土工膜，是以高分子聚合物为基本原料制成的一种防渗材料。习惯上把>=0.8mm厚的土工膜叫防水板，<0.8mm的叫土工膜。EVA防水板：由EVA为基本原料制成的防水板称为EVA防水板。EVA全称为乙烯/醋酸乙烯酯共聚物（也称为乙烯-乙酸乙烯共聚物），是由乙烯（E）和乙酸乙烯（VA）共聚而制得，英文全称为：EthyleneVinylAcetate，简称EVA。超前支护：超前支护是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的一种辅助措施。1、超前锚杆或超前小钢管一般长3-5米，用于锚固前方围岩，搭配钢架施作2、超前管棚用于锚固前方围岩，适用于特殊困难地段，搭配钢架使用，管棚所用钢管一般选用直径70-180mm，壁厚4-8mm无缝钢管。短管棚超前支护，采用长度小于10米的小钢管长(大)管棚超前支护，采用长度为10-45米且较粗钢管钢插板超前支护，采用长度小于10米钢插板的称为板棚预支护超前小钢管加工超前小钢管施做完成后及模型效果图套拱：套拱是在洞口段施工时，采用管棚超前支护，固定或支撑管棚端部的拱形结构。套拱施工工艺流程1钢架加工2钢架试拼3安装底模板支撑4安装底模及钢架5安装导向管6模板安装7混凝土浇筑8套拱施工成型管棚：在隧道开挖前，沿开挖工作面的拱部外周插入直径为70～180mm的钢管而形成的棚护结构。管棚超前支护是为了在特殊条件下安全开挖，预先提供增强地层承载力的支护方法。主要用于对于围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中，如软弱、沙砾地层和软岩、岩堆、破碎带地段。安装导向管浇筑套拱混凝土钻孔钢管安装安装注浆阀注浆管棚施工工艺流程长管棚施工完成明洞：明洞是隧道的一种变化形式，它用明挖法修筑，在露天修筑衬砌，然后回填土石。这样修筑的构筑物，外形几乎与隧道无异，有拱圈、边墙和底板，净空与隧道相同，和地表相连处，也设有洞门、排水设施等。隧道拱圈：隧道断面起拱线以上的拱形衬砌。简称拱圈。隧道边墙：隧道拱圈以下两侧的墙体。有直墙和曲墙两种形式。仰拱：隧道底部凹面向上的拱形衬砌。拱圈、边墙、仰拱掌子面：隧道掘进方向上最前端的开挖作业面。“掌子面”是民间的叫法，最早是从煤窑来的，老窑工们形容挖煤的工作面“只有巴掌大的地方”，时间久了就成了“掌子面”，后来也指隧道、井、矿等的作业面。隧道建筑限界：指为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。建筑限界隧道监控量测：为了解正在施工或已运营的隧道围岩的岩石力学性质和支护结构的受力状态，保证施工安全和工程安全，采用各种量测仪器对围岩和支护结构所进行的量测工作。包括周边收敛、位移量测、拱顶下沉量测、地表下沉量测、锚杆内力抗拔、掌子面地质素描、围岩内部变形量测、围岩压力量测、支护及衬砌应力量测等拱顶下沉监测超前地质预报：是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩与地层情况做出的超前预报。光面爆破：通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后轮廓线符合设计要求，临空面平整规则的一种控制爆破技术。毫秒爆破：是指在爆破施工中采用一种特制的毫秒延期雷管，以毫秒级时差顺序起爆各个（组）药包的爆破技术。三、隧道开挖方法明挖先挖开地表面，再修建隧道衬砌结构，后回填土石恢复地面的隧道施工方法。中海明挖隧道暗挖不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法。主要有钻爆法、盾构法、掘进机法等隧道开挖施工十八字方针管超前、严注浆、短进尺强支护、早封闭、勤量测明挖先挖开地表面，再修建隧道衬砌结构，后回填土石恢复地面的隧道施工方法。中海明挖隧道暗挖不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法。主要有钻爆法、盾构法、掘进机法等明挖先挖开地表面，再修建隧道衬砌结构，后回填土石恢复地面的隧道施工方法。中海明挖隧道暗挖不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法。主要有钻爆法、盾构法、掘进机法等盾构法：使用盾构机进行开挖、衬砌等作业的隧道修建方法。钻爆法：在岩土中钻凿孔眼，装入炸药进行爆破开挖隧道的施工方法。爆破装药新奥法：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。新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。四、三台阶七步开挖法1、定义：三台阶七步开挖法：以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。2、适用范围：三台阶七步开挖法适用于开挖断面为100～180m2，具备一定自稳条件的Ⅳ、V级围岩地段隧道的施工。3、技术特点

施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。监控量测超前支护上部弧形导坑开挖，施作初期支护断面检查左右侧错开开挖中台阶，施作初期支护左右侧错开开挖下台阶，施作初期支护开挖上、中、下台阶预留核心土分段开挖隧底，施作初期支护施作仰拱施作仰拱填充否满足围岩稳定性评判、修正支护参数三台阶七步开挖法施工工艺流程1）上部弧形导坑环向开挖，施做拱部初期支护；123456-16-26-374、三台阶七步开挖步骤2）中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护；23456-16-26-373）中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。6-16-26-374）施做仰拱二衬、仰拱填充。最后施工整体二次衬砌隧道开挖施工工艺流程1超前地质预报2定位测量3爆破开挖4出渣5岩面初喷6锚杆支护7钢筋网安装8钢拱架安装9超前支护10喷射混凝土11初支成型三台阶立体效果图5、三台阶七步开挖法施工应符合下列要求以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。6、具体施工步骤第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3~5米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3~1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5米，开挖后立即初喷3~5cm砼。上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。上导开挖、安装钢架安装锁脚锚杆喷射混凝土第2、3步，左右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。中台阶施工第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。下台阶施工完成喷射混凝土施工第6步，上中下台阶预留核心土：各台阶开挖分别开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧道开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4~6m。第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为2~3m开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4~6m。7、初期支护流程三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程如右图：开挖清理岩面初喷混凝土封闭岩面施做系统锚杆、挂钢筋网安装钢架复喷混凝土至设计厚度测量数据分析、反馈初期支护施工工艺流程施做初支后上中下三台阶效果8、仰拱施工隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在2—3m。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，应停止前方工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。短距离跳槽的次数不得多余3次，每次跳槽间隔不得大于10m。全幅施做隧底仰拱，上面铺设栈桥隧底开挖后，应及时清除虚渣、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。仰拱开挖后初喷仰拱钢架安装施做初支仰拱初支完成仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。仰拱二衬钢筋绑扎、止水带安装仰拱中心排水沟模板及端模安装仰拱二衬混凝土浇筑完成仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。仰拱填充混凝土施工仰拱填充完成9、隧道防排水石坊峪隧道防排水系统由环向Ω型半圆排水管、隧道拱脚处纵向排水管、横向排水管、隧道中心排水管、EVA防水板和橡胶止水带构成。

Ω型半圆排水管安装在初支背后紧贴岩面处，并连接至隧道拱脚处纵向排水管。纵向排水管半边打Φ6~8mm孔眼，并通过连接三通和横向排水管相连接，横向排水管再连接至隧道中心排水管将水排出隧道。

EVA防水板安装后，来自初支面渗出的水经防水板与初支之间的缝隙向下渗入半边打孔的纵向排水管，再经横向排水管和隧道中心排水管排出隧道。Ω型半圆排水管隧道侧壁纵向排水管铺设土工布及EVA防水板横向排水管中心纵向排水管侧壁纵向排水管五、二衬施工工艺流程1铺设土工布2铺设防水板3防水板完成4绑扎二衬钢筋5台车定位6端头模板及止水带安装7混凝土浇筑8二衬施工成型六、监控量测监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据可运用工程类比法及时分析反馈，必要时应根据分析结果调整支护参数，以保证施工安全。量测项目可分为必测项目和选测项目。石坊峪隧道监控量测必测和选测项目如下表：项目名称方法及工具布置测试时间1~5天16天~1个月1~3月3个月以上必测项目地质及支护状态观察岩性、结构面产状及支护裂缝观察和描述，地质罗盘等全长度开挖后及初期支护后进行每次爆破后及初期支护后周边收敛各种类型收敛剂及测杆每10~50m一个断面每断面2~3对测点1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月拱顶下沉水平仪、水准尺或测杆每10~50m一个断面每断面2~3对测点1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月地质超前预报地震法超前预报仪TSP202每隔100~150m一个断面选测项目地表下沉精密水准仪洞室中心线上，并与洞轴线正交平面的一定范围内布设必要数量测点开挖断面距量测断面<2B时，1~2次/天；开挖断面距量测断面<5B时，1次/2天；开挖断面距量测断面>5B时，1次/周（B为隧道最大开挖宽度）围岩内部洞内钻孔安设单点或多点位移计每代表地段1~2个断面，每断面2~11个测点1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月位移围岩压力各种类型压力盒每代表地段2~10个断面，每断面3~5个测点1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月锚杆轴力各种测力锚杆每代表地段2~10个断面，每断面2~5个测点1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月钢支撑内力即外力支柱压力计或其他测力计每10榀钢支撑一对测力计1~2次/天1次/2天1~2次/周1~3次/月隧道内布置的监控量测测点隧道净空收敛测量隧道锚杆拉拔力测量管理等级工

程

对

策Ⅲ正常施工Ⅱ采取工程对策，包括加强超前支护等，缩短台阶开挖长度，调整初期支护强度、刚度等，同时加强监控量测I停止开挖，加强初期支护，加强监控量测根据监控量测分析隧道各项位移数据，隧道位移管理应符合下列三个等级：七、施工控制要点隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟应铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。1、初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右，有条件时应尽量缩短闭合时间；2、仰拱应超前施做，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30—40m，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行；3、二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度