【铁路实务】陈士甲 冲刺串讲班教案 10-第1篇-第5章-5.1-隧道围岩分级与施工方法-5.4-明挖隧道施工（5.5略）

第5章铁路隧道工程5.1隧道围岩分级与施工方法隧道围岩分级一、铁路隧道围岩分级目的铁路隧道围岩分级主要目的是评定围岩性质、判断围岩稳定性、选择隧道位置、选择支护和衬砌以及指导隧道施工。二、铁路隧道围岩分级因素及其确定方法铁路隧道围岩基本分级由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。围岩级别围岩特征土体特征围岩基本质量指标BQ围岩弹性纵波速度Ⅰ极硬岩,岩体完整＞550A：＞5.3Ⅱ极硬岩,岩体较完整；硬岩,岩体完整550~451A：4.5~5.3B：＞5.3C：＞5.0Ⅲ极硬岩,岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩,岩体完整351~450A：4.0~4.5B：4.3~5.3C：3.5~5.0D：＞4.0Ⅳ极硬岩,岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的粗角砾土、粗圆砾土、碎石土、卵石土、大块石土、黄土（Q、Q2）251~350A：3.0~4.0B：3.3~4.3C：3.0~3.5D：3.0~4.0E：2.0~3.0Ⅴ较软岩,岩体破碎；软岩，岩体较破碎至破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一般第四系坚硬、硬塑黏性土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）≤250A：2.0~3.0B：2.0~3.3C：2.0~3.0D：1.5~3.0E：1.0~2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状黏性土、饱和的粉土、砂类土等<1.0（饱和状态的土<1.5）三、隧道围岩级别的修正（1）围岩级别应在围岩基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水出水状态、初始地应力状态、主要结构面产状状态等因素进行修正。（2）围岩级别修正宜采用定性修正与定量修正相结合的方法，综合分析确定围岩级别。隧道施工方法隧道施工方法选择应根据环境条件、地质条件、隧道长度、断面大小、设备条件、工期要求、场地条件等因素综合确定，可选择钻爆法、掘进机（TBM）法、盾构法、明挖法等。采用钻爆法施工时，视围岩级别及断面大小等因素可选用全断面法、台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等，宜优先选用全断面法或台阶法开挖。围岩条件以岩石为主的长及特长隧道可采用掘进机（TBM）法。越江、海底、城市浅埋及对周边环境控制要求高的隧道可采用盾构法。5.2隧道超前地质预报与监控量测一、参建各方在超前地质预报工作中职责与分工1.建设单位应负责隧道超前地质预报实施大纲审批，并对地质预报工作实施情况进行监督和检查。2.勘察设计单位应进行隧道地质复杂程度分级，进行超前地质预报方案设计，编制工程概算，分析和研究施工超前地质预报成果，发现地质情况不符，按程序及时变更设计。3.施工图阶段，经评估为高风险和极高风险的软弱围岩及不良地质隧道，超前地质预报的责任主体为设计单位。其他隧道超前地质预报的责任主体单位为施工单位。二、超前地质预报常用方法1.地质调查法2.钻探法（超前水平钻探）3.物探法。包括弹性波反射法（地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和极小偏移距离高频反射连续剖面法等）、电磁波反射法（地质雷达探测）、高分辨直流电法等。4.超前导坑预报法监控量测地质复杂隧道宜由监控量测专门机构负责实施。对周边建筑物可能产生严重影响的城市铁路隧道，应实施第三方监测。一、围岩监控量测项目必测项目有：（删除一项）序号监控量测项目常用量测仪器备注1洞内、外观察现场观察、数码相机、罗盘仪2拱顶下沉水准仪、钢挂尺或全站仪3净空变化收敛计、全站仪4地表沉降水准仪、铟钢尺或全站仪隧道浅埋段5拱脚下沉水准仪或全站仪不良地质和特殊岩土隧道浅埋段二、量测1.监控量测断面及测点布置原则（1）浅埋及下穿建筑物在隧道开挖前布设地表沉降测点。二、量测1.监控量测断面及测点布置原则（1）浅埋及下穿建筑物在隧道开挖前布设地表沉降测点。（2）地表沉降测点横向间距为2～5m。在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围应不小于H0十B2.拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上，并在开挖12h内埋设。监控量测断面间距：必测项目监控量测断面间距围岩级别断面间距V~VI5~10IV10~30Ⅲ30~503.全断面开挖应布设一条水平测线，两条斜测线，台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等分部开挖法应在每个分部布设一条水平测线、两条斜测线，必要时增加水平测线和斜测线数。通过综合这三条测线的监测数据，工程师可以全面了解开挖面的变形情况三、监控量测频率和控制基准B为最大开挖宽度按距开挖面距离确定的监控量测频率断面距开挖面距离（m）检测频率（0-1）B2次/d（1-2）B1次/d（2-5）B1次/（2~3d）＞5B1次/7d三、监控量测频率和控制基准按位移速度确定的监控量测频率位移速度（mm/d）监控量测频率≥52次/d1-51次/d0.5-11次/（2~3d）＜0.51次/7d三、监控量测频率和控制基准位移控制基准四、工程安全性评价工程安全性评价应根据位移控制基准，分三个管理等级，并根据位移管理等级采用相应的应对措施。（见下页）管理等级距开挖面1B距开挖面2B工程对策Ⅲ量测小组负责人应向现场技术负责人汇报，并通知现场继续施工Ⅱ量测小组负责人应向现场技术负责人汇报，现场技术负责人对分析结果进行复核，并将复核结果立即反馈到有关各方。监理单位立即召集有关各方进行综合评价，提出处理意见。现场在上报分析结果的同时，应加密监控量测频次，必要时采取适当工程措施。Ⅰ量测小组负责人应立即向现场技术负责人汇报，确定后采取应急措施（包括暂停施工、实施应急支护、撤离工作面作业人员和设备等），加强现场观测，防止危害。同时立即将信息反馈到有关各方。建设单位应召集有关各方综合评价，制定处理方案。五、暂停掘进情况当拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施。六、工程措施1.工程对策分一般措施和辅助施工措施。一般措施包括：（1）稳定开挖工作面；（2）调整开挖方法；（3）调整初期支护强度和刚度并及时支护；（4）降低爆破振动影响；（5）围岩与支护结构间回填注浆。辅助施工措施包括：（1）地层预处理，包括注浆加固、降水、冻结等方法；（2）超前支护，包括超前锚杆（管）、管棚、超前插板、水平高压旋喷法、预切槽法等。预切槽法：它利用专门的切槽机械沿隧道外轮廓切割出一定深度的沟槽，并在切槽内填筑混凝土，形成预支护拱，在这个拱的保护下开挖隧道。这种方法在开挖前先做好一层衬砌5.3隧道钻爆法施工洞身工程施工一、钻爆法施工（一）钻爆设计钻爆设计的内容应包括炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼）的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序，钻眼机具和钻眼要求、主要技术指标及必要的说明等。岩石隧道光面爆破一次开挖进尺不宜大于3.5m,爆破参数应通过试验确定。一般四周炮眼称为周边眼，底部周边眼也可以称为底板眼。中间炮眼称为掏槽眼，其余炮眼称为辅助眼。光面爆破：掏槽眼→辅助眼→周边眼隧道爆破应根据地质、水文条件及环境保护要求选择适当的炸药品种和型号，掏槽眼宜选用高猛度的炸药，周边眼宜选用低密度、低爆速、低猛度或高爆力的炸药。低密度：平整低爆速：控制裂缝低猛度：减少冲击高爆力：在保证爆破效果的同时，减少对炮眼眼壁岩体的破坏。隧道允许超挖值应符合下表的要求。隧道应严格控制欠挖。岩石个别突出部分（每1㎡不大于0.1㎡）欠挖不应大于5cm。（二）钻爆法施工分类1.全断面法施工（1）定义：按设计断面一次基本开挖成型的施工方法。（2）一般适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，IV、V级围岩在采取有效的超前预加固措施稳定开挖工作面后，也可采用全断面法开挖。（3）全断面开挖施工要求①Ⅰ、Ⅱ级围岩开挖循环进尺不宜大于3.5m，III级围岩循环进尺不宜大于3.0m；②IV、V级围岩在采取有效的超前预加固措施稳定开挖工作面后，若采用全断面法开挖，循环进尺不得大于2m。2.台阶法施工：（1）台阶法分为二台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法等。（2）一般适用于Ⅲ级围岩，IV、V级围岩在采取必要的超前支护措施稳定开挖工作面后也可选用台阶法。单线隧道及围岩地质条件较好的双线隧道可采用二台阶法施工。隧道断面较高、单层台阶断面尺寸较大时可采用三台阶法施工；当地质条件较差时，为增加掌子面自稳能力，可采用三台阶预留核心土法开挖。5.3隧道钻爆法施工三台阶预留核心土法：（3）台阶法施工要求①采用台阶法开挖隧道时，应根据围岩条件合理确定台阶长度和高度。台阶长度不宜过长，宜控制在一倍洞径以内。②台阶形成后，各台阶开挖、支护宜平行作业。③下台阶开挖，左右侧宜交错进行。④循环进尺：Ⅲ级围岩循环进尺不宜超过3.0m；IV级软弱围岩上台阶循环进尺不宜超过2榀钢架设计间距，V、VI级围岩上台阶循环进尺不宜超过1榀钢架设计间距（0.6m）；IV、V级围岩下台阶循环进尺不宜超过2榀钢架设计间距；初期支护设计钢架未封闭成环的隧道，仰拱一次开挖长度不宜大于3m（三）钻爆施工需要的基本机具和材料钻爆法需要的基本机具包括：凿岩机械（风枪、钻孔台架或凿岩台车）、风源（压风机及风管）水源（高位水池及水管）。钻爆作业所需要的材料主要是炸药和雷管、导爆管、导火索。二、隧道支护（一）隧道支护类型铁路隧道支护类型包括超前支护、初期支护和二次衬砌。初期支护在设计中承受部分围岩压力，施工中通过信息反馈监控量测，并根据反馈信息及时修改支护参数，初期支护施作后即成为永久性承载结构一部分，它与围岩共同构成了永久的隧道结构承载体系。铁路隧道常用支护形式为锚喷支护，主要采用锚杆和喷射混凝土、钢筋网片、钢支撑等材料，共同组成支护结构，同时起控制围岩过大变形的目的。它是现代隧道工程中最常见也是最基本的支护形式和方法。非爆破开挖和爆破开挖初期支护分别于8h和12h内完成开挖、架设钢架、喷混凝土作业。仰拱距开挖工作面距离应尽量缩短，IV、V、VI级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35m。（二）超前支护对于围岩裂隙较多、破碎、富水地质条件，如洞口地段、断层地段，不良地质隧道应按照设计或经批准方案，进行超前支护，以提高围岩强度、自稳和止水能力。超前支护主要包括预注浆、超前小导管、超前锚杆、超前管棚等方式。（1）预注浆根据设计和围岩情况可采用全孔一次性注浆、分段前进式注浆、分段后退式注浆三种方式。①孔深小于6m或地层裂隙较均匀的地层，可采取全孔一次性注浆。②裂隙发育或破碎难以成孔的岩层，深孔注浆可采用分段前进式注浆；围岩局部破碎，可以成孔的岩层，可采用分段后退式注浆。③钻孔注浆施工应在止浆墙强度达到设计强度的75%以上后进行；注浆过程中应做好施工记录，包括孔位、孔径、孔深浆液配合比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆等内容；注浆结束后，应通过检查孔、物探等方法检查确认注浆效果。（2）超前小导管①超前小导管沿隧道拱部均匀布设环向间距：宜为30～50cm外插角：宜为10°～15°；长度：应大于2倍循环进尺，宜为3.5～5.0m搭接长度：不应小于1.0m；应与钢架构成联合支护。②小导管的安设应采用引孔（钻孔）顶入法，钻孔方向应顺直，钻孔深度和直径应与导管匹配，钻孔采用吹孔法清孔，小导管口应安装孔口阀门，外露长度不宜小于30cm。（3）超前管棚①超前小导管沿隧道拱部均匀布设外插角：宜为1°～5°；搭接长度：不应小于3.0m；应与钢架构成联合支护。管棚施工应符合下列要求：①洞口管棚一般采用套拱内埋设导向管定位，套拱长宜为2～3m。套拱施工时应将导向管牢固、准确固定在拱架上，再浇筑混凝土。（三）初期支护（1）喷射混凝土隧道喷射混凝土应采用湿喷工艺。喷射混凝土应与岩面、钢架、钢筋网密贴，不得留有空洞和间隙，初期支护与围岩面应成为整体的支护体系。喷射混凝土3h强度应达到1.5MPa，24h强度应达到10.0MPa。喷射混凝土配合比应满足设计强度和喷射工艺要求，并通过试喷确定。喷射混凝土施工应符合下列要求：①初喷混凝土应在开挖后及时进行，厚度不小于4cm；复喷混凝土应在钢筋网及钢架安装后及时进行，未设钢筋网及钢架时应及时复喷至设计厚度。②喷射作业应分段、自下而上连续进行；喷射角度应与受喷面垂直，喷嘴与受喷面距离宜为0.6～1.8m。③后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。若终凝1h后再喷射，应先用风吹、水洗基面。（清除基面上的灰尘、杂物）④喷射作业紧跟开挖作业面时，下一循环爆破应在喷射混凝土终凝3h后进行。锚喷支护施工中，应做好锚喷支护施工记录，并检查喷射混凝土的强度、厚度、平整度及锚杆抗拔力等。（2）锚杆锚杆主要分为砂浆锚杆、中空注浆锚杆和自进式锚杆。自进式锚杆（钻进、注浆、锚固一体化）锚杆安装应符合下列要求：①自进式锚杆杆体钻进至设计深度后，应用水或空气洗孔，并及时安装止浆塞。②锚杆应安装垫板，在砂浆体的强度达到10MPa后，垫板应用螺帽上紧并与喷层面紧贴，未接触部位必须楔紧。（3）钢筋网钢筋网施工应符合以下要求：①钢筋网应在初喷混凝土后铺挂，使其与喷射混凝土形成一体。②采用双层钢筋网时，第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设，其覆盖厚度不应小于3cm。③钢筋网搭接长度应为1～2个网格，应与其他固定装置连接牢固。④保护层厚度不得小于2cm。（4）钢架初期支护钢架应工厂化制造，出厂前应进行检验。钢架加工应符合下列要求：①钢架宜按设计要求选用钢筋、型钢等制成。当采用格栅钢拱架时，应采用八字结格栅钢架。②型钢钢架宜采用冷弯成型；格栅钢架应采用胎膜焊接，并以1：1大样控制尺寸。钢架安装应符合下列要求：①钢架应在初喷混凝土后及时架设。②安装时各节钢架连接板间应以螺栓连接牢固、密贴，沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或混凝土预制块与初喷混凝土楔紧。（四）二次衬砌（1）常用的衬砌形式在永久性隧道及地下工程中常用衬砌形式有三种：整体混凝土衬砌、复合式衬砌及锚喷衬砌。（2）二次衬砌施作时间二次衬砌一般在围岩变形基本稳定后施作。在高地应力弱软围岩、膨胀岩等可能产生大变形，且变形长期不能趋于稳定的不良地质隧道，二次衬砌可提前施作，衬砌结构应有足够的强度和刚度。（3）二次衬砌施工二次衬砌施工采用衬砌台车作模板，拱、墙应一次整体浇筑。混凝土应分层对称、边浇筑边振捣，最大下落高度不能超过2m，台车前后混凝土高度差不能超过0.6m，左右混凝土高度不能超过0.5m。（五）仰拱和底板仰拱和底板施工应符合下列要求：①基底开挖应圆顺、平整，不得欠挖，超挖部分应用同强度等级的混凝土回填。②仰拱、底板混凝土浇筑前应将基底虚渣、杂物、积水等清除干净。③仰拱宜超前拱墙模注衬砌。④仰拱施作应各段一次成型，不得分部浇筑，施工时宜用桥，避免影响洞内交通⑤仰拱填充应在仰拱混凝土终凝后施作。⑥采用板式无砟轨道隧道，底板应与无砟轨道底座统一施工。⑦仰拱（含填充）或底板混凝土强度达到5MPa后，行人方可通行，达到设计强度的50%，且不破坏混凝土时，车辆方可直接通行。5.4明挖隧道施工明挖法施工是从地表面向下开挖，在预定位置修筑铁路隧道。一般在洞口修筑路堑有困难地段或浅埋隧道具备明挖条件时宜采用明挖法施工。地下水控制应根据工程