隧道常用施工方法及注意事项

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二○一○年七月.合肥隧道常用施工方法及注意事项中铁隧道集团报告分四局部：23一、隧道施工方法的分类及分析

目前隧道施工的方法很多，从大的方面讲，有明挖法、暗挖法、沉管法等几大类，其中暗挖法中又可分为钻爆法、掘进机、掘进机辅以钻爆法等几种。但隧道等地下工程其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖才能更有利于洞室稳定和便于支护；如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。在钻爆法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑和锚杆喷射混凝土支护两类。习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统矿山法〞；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法〞。“新奥法〞与“传统矿山法〞相比，在在理论根底、对围岩及支护的认识等方面都有很大的不同。4传统的矿山法是人们在长期的施工实践中开展起来的。它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。传统矿山法的理论根底为20年代提出的“松弛荷载理论〞，其核心内容是:稳定的围岩有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体那么可能可能坍塌，需要用支护结构予以支撑。作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力，它类似于地面工程考虑问题的思路。新奥法即奥地利隧道施工新方法〔NewAustrianTunnellingmethod——NATM〕，是奥地利学者腊布希维兹首先提出的。它是以喷射混凝土和锚杆作为主要的支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。567新奥法的应用和开展导致隧道及地下洞室工程理论进入到现代理论的新领域，也使隧道及地下洞室工程的设计和施工更符合地下工程实际，即设计理论—施工方法—结构体系的一致。运用新奥法原那么可以将一般用于山岭隧道的钻爆法的应用范围拓展到在软弱围岩，甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法或盾构法，称之为“浅埋矿山法〞。从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，钻爆法尤其是新奥法将是修建隧道的主流方法。8二、隧道施工方法选择的原那么及考虑因素隧道施工方法必须符合平安、快速、质量及环境的要求，同时应考虑其适应性，便于根据地质情况进行调整转换，选择施工方法时需考虑的根本因素大体上可归纳为：a.施工条件：实践证实，施工条件是决定施工方法的最根本因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前隧道施工队伍的素质和施工装备水平，有高有低，参差不齐，因此，在选择施工方法时，不能不考虑这个因素的影响。b.围岩条件：也就是地质条件，其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等。围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。9c.隧道断面积：隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响。目前隧道断面有向大断面方向开展的趋势，如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面，水电工程中的大断面洞室，更是屡见不鲜。在这种情况下，施工方法必须适应其开展。在单线和双线的铁路隧道中，越来越多地采用了全断面法及台阶法；而在更大断面的隧道工程中，先采用各种方法修小断面的导坑，再扩大形成全断面的施工方法极为盛行。d.埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，通常将埋深分为浅埋和深埋两类，有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下，由于埋深的不同，施工方法也将有很大差异。10e.工期：作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响根本施工方法的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的根本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。f.环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在城市条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。总之，如何正确选择施工方法，应根据设计文件、施工调研情况、地质围岩级别、结合隧道长度、断面大小、纵坡情况、衬砌方法、工期要求、装备水平、队伍素质等综合因素决定。但必须符合快速、平安、质量及环境的要求，到达躲避风险，加快施工进度与节约投资的目的。11121、全断面法全断面开挖法是按设计断面将整个隧道开挖断面一次钻孔，一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。主要适用于非浅埋Ⅰ～Ⅲ级硬岩地层。浅埋段、偏压段和洞口段不宜采用。如确实地质条件较好，也可采取先开挖小导坑，然后再扩大的施工方法，这对保持围岩稳定是有利的。三、隧道常用施工方法适用情况及本卷须知13该法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，钻爆施工效率较高，可采用深眼爆破，提高施工速度，且工序少、便于施工组织和管理，较分部开挖法减少了对围岩的振动次数。但由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，深孔爆破用药量大，引起震动大，因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。14采用下导洞超前大断面法，利用凿岩台车开挖，导洞尺寸应满足装碴运输要求，超前长度以不超过10m为宜，除找顶外不须用任何支护，后部紧跟多功能风钻台架，其优点为：(1)可以超前预报；(2)爆破减振30％，炸药比全断而爆破减少5％～10％；(3)扩大爆破，炮眼利用率为100％，所以提高开挖速度2～3倍：(4)炮眼半孔保仃率80％，线形超挖<10cm；(5)爆破碴堆、碴块均匀、集中，便于快速出碴；(6)纵向爆破冲击波小，对后部工序影响小。在朔黄线寺铺尖隧道获得成功，并取得较好效益。15施工要点:①配备钻孔台车或多功能台架及高效率装运机械设备，缩短循环作业时间，合理采用平行交叉作业工序，提高施工进度。②利用深孔爆破增加循环进尺，控制周边眼间距及角度改善光面爆破效果，减少超欠挖。③及时施做初期支护，围岩条件变化时及时调整施工方法。④有条件时采用导洞超前的开挖方法，合理组织施工保证隧道施工平安。⑤二次衬砌及时施作，Ⅰ~Ⅱ级围岩距掌子面距离≤200m，Ⅲ级围岩≤90m。162、台阶法台阶法施工是将隧道结构断面分成两个或几个局部，即分成上下两个断面或几个断面分部进行开挖的隧道开挖方法。该法适用于铁路双线隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩，单线隧道Ⅴ级围岩亦可采用，但支护条件应予以加强。该法具体可分为正台阶法、三台阶临时仰拱法、环形开挖预留核心土开挖法等。17该施工方法的优点是对地质变化的适应性较强，工序转换较容易，并能较早地使初期支护闭合，有利于控制沉降。台阶长度一般应控制在1~1.5倍洞径，为及早使初期支护封闭成环，也可适当缩短台阶长度，当围岩较稳定，短台阶能保持时，台阶长度亦可适当缩短至3~5m，上下台阶同时钻眼爆破，以起到加快施工进度，减少设备配置的目的。台阶长度的设置应有利于施工操作和机械设备效率的发挥，同时应利于支护及早封闭成环，一般控制在一倍洞径以内。台阶法施工的循环进尺，要根据开挖跨度和围岩类别、自稳时间严格控制，并与初期支护钢架设计间距相对应。每次以架立1～2榀钢架为宜。18台阶上部开挖视围岩自稳条件，可采用一次开挖成形和环形导坑预留核心土开挖法。当围岩自稳性很差时，必须采用小导管或锚杆(注浆)等超前支护措施；土质隧道还可采用人工预切槽，槽内嵌设钢架，喷混凝土预支护后再开挖的方法。下部断面(中、下层台阶)是开挖作业的重要环节。近年来，在下部开挖中，因方法欠妥，作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起，必须引起高度重视。在开挖顺序上，宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的做法，不宜采用拉中槽挖马口的方法。侧槽开挖长度，靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖，人工清壁扒碴，严禁使用重型机械开挖和装碴，以免对围岩过大扰动、破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性。19施工要点:①根据围岩条件合理确定台阶长度和台阶数量，台阶长度一般为3~5m，台阶高度根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定，上台阶高度宜为2.5m。②上台阶施作钢拱架时，采用扩大拱脚和锁脚锚杆等措施，控制围岩和初期支护变形，必要时施作临时仰拱。③下台阶在上台阶喷射混凝土到达设计强度70%以上时开挖，当岩体不稳定时需缩短进尺，必要时下台阶分左、右两部错开开挖，并及时施做初期支护和仰拱。④施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题，下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。⑤下台阶施工时要保证初支钢架整体顺接平直，螺栓连接牢靠。⑥仰拱及填充超前二次衬砌且分别全幅浇筑，仰拱距掌子面距离：Ⅲ级围岩≤90m，Ⅳ级围岩≤70m，二次衬砌及时施作。20台阶法施工图示

台阶法施工照片

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213、环形开挖预留核心土法

环形开挖预留核心土法是先开挖上部导坑弧形断面留核心土平台，再开挖下部两侧边墙、中部核心土的隧道开挖方法。一般适用在单线隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩，也可用在双线隧道Ⅲ～Ⅳ级围岩地段。22施工要点:

①开挖前应在拱部进行超前支护，环形开挖每循环长度0.5～1m，开挖后及时施作喷锚支护、安装钢架支撑。②每两榀钢架之间采用钢筋连接，并设置锁脚锚杆，全断面初期支护封闭距拱部开挖面不超过15m。③预留核心土面积大小根据围岩地质情况，便于施工和满足开挖面的稳定。④上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m进行平行作业。⑤仰拱及填充超前二次衬砌且分别全幅浇筑，距离掌子面≤70m。全断面衬砌时间根据监控量测稳定情况及时施作。

23环形开预留核心土法图示环形开挖预留核心土施工照片

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244、中隔壁法〔CD法〕中隔壁法〔CD法〕是将隧道断面左右一分为二，先挖一侧，并在隧道中部设立利用钢支撑及喷混凝土的临时支撑隔墙，领先开挖一侧超前一定距离后，再开挖另一侧的隧道开挖方法。该法变大跨为小跨，使断面受力更合理，对减少沉降，保证隧道开挖平安、可靠具有良好效果。该法适用于较差地层，如采用人工或人工配合机械开挖的Ⅳ~Ⅴ级围岩和浅埋、偏压及洞口段。

25施工过程中，为保证初支稳定，除喷锚支护外，须增加型钢或钢格栅支撑，并采用超前大管棚、超前锚杆、超前注浆小导管、超前预注浆等一种或多种辅助措施进行超前加固。由于地层软弱，断面较小，只能采用小型机械或人工开挖及运输作业，工序多，施工进度较慢。必要爆破时，应控制药量，防止损坏中隔墙。临时中隔墙型钢支撑规格应与初期支护所采用的一致。每步台阶长度可控制在3~5m。26施工要点:①左右部的台阶开挖高度根据地质情况、隧道断面大小和施工设备而定。②台阶开挖长度3~5m，及时施作初期支护和中隔壁临时支护，左、右两侧洞体施工纵向拉开间距不大于15m。③后一侧开挖形成全断面时，应及时完成全断面初期支护闭合。④中隔壁设置为弧形临时支护，隧道左右开挖面初期支护连接平顺，确保钢架连接状态良好。⑤初期支护稳定后分段撤除中隔壁临时支护，一次撤除长度应根据变形监控量测信息确定，但不宜超过15m，并加强撤除过程监控量测。⑥临时支护撤除后及时施做隧道仰拱和二次衬砌。27中隔壁法开挖图片

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285、交叉中隔壁法〔CRD法〕当采用中隔壁法〔CD法〕仍然无法保持围岩稳定和隧道施工平安时，可采用交叉中隔壁法〔CRD法〕开挖。该法的特点是各分部增设临时仰拱和两侧交叉开挖，每步封闭成环，且封闭时间短，以抑制围岩变形，到达围岩沉降可控，初期支护平安稳定的目的。该法除喷锚支护及增设足够强度和刚度的型钢或钢格栅支撑外，还应采用多种辅助措施进行超前加固。交叉中隔壁法〔CRD法〕适用于断层破碎带、碎石土、卵石土、圆砾土、湿陷性黄土、全风化的花岗岩地层的Ⅴ~Ⅵ级围岩及较差围岩中的浅埋、偏压及洞口段等。29根据量测统计资料显示，控制沉降CRD法比CD法能减少沉降50%；但CD工法又优于侧壁导坑法；而侧壁导坑法又优于台阶法〔当采用超前支护时二者近似〕。为确保平安和经济效果，选择施工方法顺序为：洞跨小于12m时应优先采用正台阶法；当洞跨大于12m或洞跨虽小于12m但沉降难以控制时，应选用CD法或CRD法。双侧壁导坑法，在襄渝线狗磨湾隧道〔266.55m三线隧道段〕，内昆线曾家坪一号隧道三线段及杭州万松岭双向四车道公路隧道洞口黄土段均采用双侧壁导坑法施工，获得成功。杭州解放路延伸工程1标段新城隧道和正在建设的厦门市东通道〔翔安海底隧道洞口段〕由于地层是全风经~强风化段，加上主洞跨度大，也采用了CRD工法施工。30施工要点:①隧道按左右局部块实施开挖，每块小断面开挖高度根据地质条件、断面大小和施工设备而定。②每块小断面开挖长度3~5m，及时设置临时仰拱封闭、步步成环，尽量缩短成环时间，必要时进行掌子面临时支护。③中隔墙设置为弧形临时支护，隧道左右开挖小断面底部临时仰拱应保持在同一断面上，螺栓连接牢固，及时施作锁脚锚杆〔管〕。④初期支护稳定后分段撤除中隔壁临时支护，一次撤除长度应根据变形监控量测信息确定，但不宜超过15m，并加强撤除过程监控量测。⑤临时支护撤除后及时施做隧道仰拱和二次衬砌。31交叉中隔壁法施工图示

交叉中隔壁法施工局部开挖交叉中隔壁法施工全景

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326、双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是采用先开挖隧道两侧导坑，及时施作导坑四周初期支护及临时支护，必要时施做边墙衬砌，然后再根据地质条件、断面大小，对剩余局部采用二台阶或三台阶开挖的方法，其实质是将大跨度的隧道变为三个小跨度的隧道进行开挖。与台阶法开挖相比，侧壁导坑法尤其是双侧壁导坑法开挖引起的地表下沉量较小，因此特别适用于扁坦大跨度浅埋隧道开挖。施工时，需注意临时支护结构要巩固可靠、及时，必要时用“先撑后挖〞方式进行开挖(如插板法等)。33该法优点是平安可靠，坑道暴露时间短，开挖面小，施工进度较慢，本钱较高，但其在施工平安尤其在控制地表下沉方面，优于其它施工方法。此外，由于两侧导坑先行，能提前排放隧道拱部和中部土体中的局部地下水，为后续施工创造条件。因此城市浅埋、软弱、大跨隧道和山岭软弱破碎、地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法。在Ⅴ~Ⅵ级围岩的浅埋、偏压及洞口段，也可采用此法施工。34施工要点:①侧壁导坑形状应近似椭圆形，导坑断面宽度一般为整个断面的1/3。②两侧侧壁导坑超前中部10~20m，可独立同步开挖支护，中部采用台阶法开挖，保持平行作业。③导坑开挖后应及时进行初期支护及临时支护，设置锁脚锚杆，并尽早封闭成环。④根据监控量测信息，初期支护稳定后撤除临时支护，一次撤除长度不超过15m，并加强监控量测。⑤临时支护撤除完成后，及时施作仰拱并进行二次衬砌。35双侧壁导坑施工照片

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双侧壁导坑法开挖横断面示意图2213456ⅠⅡⅠⅡⅢⅠⅡⅠⅡ36四、对隧道施工的几点理解与建议〔一〕、超前地质预报超前地质预报目前已作为一项工序纳入了隧道施工管理，这是非常必要也是非常正确的，但是对怎样理解和运用超前地质预报我觉得有必要进行探讨。地质超前预报的方法是在必要时采取的方法，没有普遍性，日常施工中应更多地利用掌子面观察的方法，在结合以往工程经验的根底上，根据掌子面的观察进行预报与地质评价，如凿孔过程中发现有岩粉异常喷出，可能遇到了瓦斯或有害气体；听到岩石劈裂声且随后出现岩块弹射现象可能是岩爆；凿孔异常喷水可能是大量涌水的先兆；37隧道塌方也有先兆等等此类比较简便而现实的方法，应成为进行地质预报的主要方法和途径。〔二〕、监控量测监控量测是新奥法施工的核心，必须认真、快速获取结果，掌握洞身的变化特点，尤其要重视一倍洞径处的稳定性，这往往是塌方、变形的最危险时间的区段。必须重视时空变化效应，纵向一次支护的监控长度一般为洞径的6倍左右，6倍洞径以后必须确保结构的变化速率不变或快速减少，6倍洞径以内只施作仰拱和边墙根底，尽量不进行拱部混凝土的灌注。38〔三〕、重视初期支护的施工质量支护是平安的保证。初期支护应及时施作，早封闭，快成环，控制变形。开挖后，岩石暴露时间要控制在2～4小时以内，应先初喷4～5cm厚混凝土封闭岩面，然后安装格栅、锚杆等初期支撑，再复喷至设计厚度。软弱地层必须采用潮喷混凝土，不提倡湿喷混凝土。因湿喷工艺不过关，不能将围岩的的承载力提高，形成围岩、喷层两张皮。湿喷早期强度低，回弹量大。潮喷可以把围岩裂隙阻死，形成围岩组成的承载拱，这正是强调围岩爆破后不找顶及时初喷的原因。格栅钢架安装须符合设计位置，紧贴围岩，中间有空隙时，必须用喷混凝土充填密实，绝不允许填塞木柴和片石，出现“两层皮〞现象；39有很多隧道坍塌都是与初支背后空洞有关，这方面有血的教训，因此，施工中必须加强对此道工序的控制。两榀格栅钢架之间必须用斜拉杆焊接，拱脚处要根据现场情况采用纵向托梁、锁脚猫管〔猫杆〕或扩大拱脚等措施进行加强，这是保证下步开挖平安最重要的措施，必须认真落实；钢架落底接长时应沿隧道两侧交错进行，根据