隧道施工方法及重难点控制Word下载.docx

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1963年，由奥地利学者L·

腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（NewAstriaTunnellingMethod）”，简称“新奥法（NATM）”正式出台。

它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。

同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则，其中包括：

（1）因为岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，所以在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。

为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。

（2）为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。

一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；

另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。

为此，在施工中应采用能与围岩密贴、及时砌筑又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。

这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和参与工作的时间（包括底拱闭合时间）来控制岩体的变形。

（3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快使之闭合，而成为封闭的筒形结构。

另外，隧道断面形状要尽可能地圆顺，以避免拐角处的应力集中。

（4）在施工的各个阶段，应进行现场量测监视，及时提出可靠的、数量足够的量测信息，如坑道周边的位移或收敛、接触应力等。

并及时反馈用来指导施工和修改设计。

（5）为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，采用复合式衬砌。

上述新奥法的基本原则可扼要的概括为：

“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。

10.1.3隧道施工方法及其选择

一个多世纪以来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法。

习惯上将它们分成为：

矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。

矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。

由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。

有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。

掘进机法包括隧道掘进机（TunnelBoringMachine，简写为T．B．M．）法和盾构掘进机法。

前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。

沉管法，…等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。

选择施工方案时，要考虑的因素有如下几方面：

A．工程的重要性。

一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；

B．隧道所处的工程地质和水文地质条件；

C．施工技术条件和机械装备状况；

D．施工中动力和原材料供应情况；

E．工程投资与运营后的社会效益和经济效益；

F．施工安全状况，

G．有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。

应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。

对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。

必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。

从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，仍以采用新奥法为主，这也符合世界潮流。

所以，本书将着重论述新奥法施工中的有关问题，而概略地介绍传统的矿山法。

其它方法一般不用于山岭隧道，因此此处不作介绍，需要时可参考有关书籍。

10．2新奥地利隧道施工法

新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为：

全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。

10.2.1全断面法

按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。

它的施工顺序是：

A．用钻孔台车，钻眼，然后装药、联接导火线；

B．退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；

C．排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；

D．用装碴机将石碴装入出碴车，运出洞外；

E．安设边墙锚杆和喷混凝土；

F．必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；

G．开始下一轮循环；

H．在初期支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。

全断面法适用于IV~VI类岩质较完整的硬岩中。

必须具备大型施工机械。

隧道长度或施工区段长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。

根据经验，这个长度不应小于1km。

根据围岩稳定程度亦可以不设锚杆或设短锚杆。

也可先出碴，然后再施作初期支护，但一般仍先施作拱部初期支护，以防止应力集中而造成的围岩松动剥落。

全断面法的优点是：

工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；

工作空间大，便于组织大型机械化施工，因此，施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进成洞平均150m左右，高者已接近300m／月。

采用全断面法应注意下列问题：

摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；

各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；

加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；

加强对施工人员的技术培训，实践证明，施工人员对新奥法基本原理的了解程度和技术熟练状况，直接关系到施工的效果。

10．2．2台阶法

台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的，如图10.2.1所示。

至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：

A．初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；

B．上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。

（a）长台阶法

（b）短台阶法

（C）超短台阶法

图10.2.1

在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。

在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。

现将各种台阶法叙述如下：

（1）长台阶法。

这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。

施工时上下都可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。

当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，即为半断面法。

长台阶法的作业顺序为：

1）对于上半断面。

用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。

安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。

用铲斗为1．6m3的推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。

根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断时再将临时底拱挖掉。

但从经济观点来看，最好不这样做，而改用短台阶法。

2）对于下半断面。

用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。

装碴直接运至洞外。

安设边墙锚杆（必要时）和喷混凝土。

用反铲挖掘机开挖水沟。

喷底部混凝土。

开挖下半断面时，其炮眼布置方式有两种：

平行隧道轴线的水平眼；

由上台阶向下钻进的竖直眼，又称插眼，如图10—2－2所示。

前一种方式的炮眼主要布置在设计断面轮廓线上，能有效地控制开挖断面。

后一种方式的爆破效果较好，但爆破时石碴飞出较远，容易打坏机械设备。

图10.2.2

3）待初期支护的变形稳定后，或根据施工组织所规定的日期敷设防水层（必要时）和建造内层衬砌。

长台阶法的纵向工序布置和机械配置如图10.2.3所示。

相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。

所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。

（2）短台阶法。

这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于1~1．5倍洞跨。

上下断面采用平行作业。

短台阶法的作业顺序和长台阶相同。

由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，Ⅱ~Ⅵ类围岩都能采用，尤其适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。

短台阶法的缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。

为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；

或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道，将上台阶的石碴直接装车运出。

过渡坡道的位置可设在中间，亦可交替他设在两侧。

过渡坡道法在断面较大的三车道隧道中尤为适用。

采用短台阶法时应注意下列问题：

初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。

初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合，要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。

（3）超短台阶法。

这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前3~5m，只能采用交替作业。

超短台阶法施工作业顺序为（图10.2.4）：

用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺。

安设拱部描杆、钢筋网或钢支撑。

喷拱部混凝土。

用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。

安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土（必要时加喷拱部混凝土）。

开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。

灌注内层衬砌。

如无大型机械也可采用小型机具交替地在上下部进行开挖，由于上半断面施工作业场地狭小，常常需要配置移动式施工台架，以解决上半断面施工机具的布置问题。

由于超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。

在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。

所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面

的场合。

当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。

超短台阶法的缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。

采用超短台阶法施工时应注意以下问题：

在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。

最后还应指出，在所有台阶法施工中，开挖下半断面时要求做到以下几点：

1）下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采用其它有效措施确保初期支护体系的稳定性；

采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初期支护两侧同时悬空；

又如，视围岩状况严格控制落底长度，一般采用1~3m，并不得大于6m。

2）下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。

3）量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。

10．2．3分部开挖法

分部开挖法可分为三种变化方案：

台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图10.2.5。

（1）台阶分部开挖法。

又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部（图中的1、2、3）、上部核心土（4）、下部台阶（5）等三部分。

根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。

环形开挖进尺为0.5~1.0m，不宜过长。

上部核心土和下台阶的距离，一般为1倍洞跨。

（a）台阶分步开挖法

（b）单侧壁导坑法

（c）双侧壁导坑法

图10.2.5

台阶分部开挖法的施工作业顺序为：

用人工或单臂掘进机开挖环形拱部。

架立钢支撑、喷混凝土。

在拱部初期支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。

根据初期支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。

单侧壁导坑法的施工作业顺序为；

1）开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土），应尽快使导坑的初期支护闭合；

2）开挖上台阶，进行拱部初期支护，使其一侧支承在导坑的初期支护上，另一侧支承在下台阶上；

3）开挖下台阶，进行另一侧边墙的初期支护，并尽快建造底部初期支护，使全断面闭合；

4）拆除导坑临空部分的初期支护；

5）建造内层衬砌。

单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。

（3）双侧壁导坑法，又称眼镜工法。

当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。

现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1／2左右。

这种方法一般是将断面分成四块：

左、右侧壁导坑

（1）、上部核心土

（2）、下台阶（3）。

导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1／3。

左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

双侧壁导坑法施工作业顺序为：

10.2.4施工中可能发生的问题及其对策

新奥法施工的基本原则，是根据围岩性质允许产生适量的变形，但又不使围岩松动塌落。

在设计、施工过程中，若对围岩性质判断不准或情况不明，或喷射混凝土、打锚杆、立钢支撑时间和方法有误，围岩松动就会超过预计。

此时，应根据观察和量测结果找出原因，进行改正。

但是，很多场合不能明确原因，因此只能针对所发生的现象采取措施。

根据实践经验，将新奥法中经常出现的一些异常现象及应采取的措施列于表10.2.1中，其中A指进行比较简单的改变就可解决问题的措施，B指包括需要改变支护方法等比较大的变动才能解决问题的措施。

当然，表中只列出大致的对策标准，优先用哪种措施，要视各个隧道的围岩条件、施工方法、变形状态综合判断。

施工中的现象及其处理措施表10.2.1

施工中的现象

措施A

措施B

开挖面及其附近

正面变得不稳定

1.缩短一次掘进长度。

2.开挖时保留核心土。

3.向正面喷射混凝土。

4.用插板或并排钢管打入地层进行预支护

1.缩小开挖断面。

2.在正面打锚杆。

3.采取辅助施工措施对地层进行预加固

开挖面顶部掉块增大

1.缩短开挖时间及提前喷射混凝土。

2.采用插板或并排钢管。

3.缩短一次开挖长度。

4.开挖面暂时分部施工。

1.加钢支撑。

2.预加固地层

开挖面出现涌水或者涌水量增大

1.加速混凝土硬化（增加速凝剂等）。

2.喷射混凝土前作好排水。

3.加挂网格密的钢筋网。

4.设排水片。

1.采取排水方法（如排水钻孔、井点降水……等）。

2.预加固地层

地基承载力不足，下沉增大

1.注意开挖，2.不3.要损坏地基围岩。

4.加厚底脚处喷混凝土，5.增加支撑面积。

1.增加锚杆。

2.缩短台阶长度，3.及早闭合支护环。

4.用喷混凝土作临时底拱。

5.预加固地层。

产生底鼓

及早喷射底拱混凝土

1.在底拱处打锚杆。

喷混凝土

喷混凝土层脱离甚至塌落

1.开挖后尽快喷射混凝土。

2.加钢筋网。

3.解除涌水压力。

4.加厚喷层。

打锚杆或增加锚杆

喷混凝土层中应力增大，产生裂缝和剪切破坏。

1.加钢筋网。

2.在喷混凝土层中增设纵向伸缩缝。

1.增加锚杆（用比原来长的锚杆）。

2.加入钢支撑。

锚杆

锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂。

1.增强锚杆（加长）。

2.采用承载力大的锚杆。

3.为增大锚杆的变形能力，4.在垫锚板间加入弹簧等。

钢支撑

钢支撑中应力增大，产生屈服

松开接头处螺栓，凿开喷混凝土层，使之可自由伸缩。

1.增强锚杆。

2.采用可伸缩的钢支撑，3.在喷混凝土层中设纵向伸缩缝。

净空位移增大，位移速度变快。

1.缩短从开挖到支护的时间。

2.提前打锚杆。

3.缩短台阶、底拱一次开挖的长度。

4.当喷混凝土开裂时，5.设纵向伸缩缝。

2.缩短台阶长度，3.提前闭合支护环。

4.在锚杆垫板间夹入弹簧垫圈等。

5.采用超短台阶法，6.或在上半端面建造临时底拱。

10.3传统的矿山法

在传统的矿山法中，历史上形成的变化方案很多，其中也包括：

全断面法、台阶法、侧壁导坑法、…等。

它与新奥法的根本区别，除了施工原理不同外，在具体作业上还有：

传统的矿山法中不强调采用锚喷支护，而大量采用钢、木支撑；

不强调要及早闭合支护环；

很少采用复合式衬砌，而是大量采用刚度较大的单层衬砌；

不进行施工量测等。

近年来，由于施工机械的发展，以及传统矿山法明显的不符合岩石力学的基本原理和不经济，已逐渐由新奥法所取代。

只有在一些缺少大型机械的中、短隧道中，或不熟悉新奥法的施工单位还采用传统的矿山法。

本书只简单地叙述一、二种典型的，并具有中国特色的，现在仍可能采用的传统矿山法。

10．3．1漏斗棚架法

全名叫下导坑漏斗棚架法，亦称下导坑先墙后拱法。

它是硬岩层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国八十年代前修筑公路、铁路隧道采用得最广泛的方法之一。

此法的基本施工程序（图10.3.1）是：

首先开挖下导坑①，在下导坑开挖面后约30~50m处，开始架设“漏斗棚架”，然后在漏斗棚架上方开挖②、③部（“挑顶”）和④部（“扩大”）。

它们的间距以互不干扰为原则，一般可采用15~20m。

挑顶和扩大爆下的石碴直接堆放在棚架上，并通过漏斗口向下装入矿车内运出洞外。

石碴装完后即可拆除棚架，开挖⑤（“刷帮”）和⑥边墙、水沟。

此时整个隧道开挖完毕。

在一定的安全距离（10~20m）外灌注边墙Ⅶ和拱圈Ⅷ混凝土。

最后铺底砌水沟。

图10.3.1

下导坑的形状一般为梯形，坚硬围岩中也可用矩形。

其宽度2.8～3.0。

（铺单运输线），或3.8~4.4m（铺双运输线），高度视装碴机装载高度而定，一般约2.8~3.0m，见图10.3.2。

在中长隧道中为运输畅通多采用双线导坑。

图10.3.2

漏斗棚架的结构构造如图10.3.3所示。

采用漏斗棚架法施工时应注意如下问题：

下导坑开挖是领先工序，它的开挖速度直接影响整个隧道的施工进度，因此，要千方百计予以保证；

漏斗棚架是卸、装碴的关键结构，必须具有足够的强度和刚度以承受爆破时石碴的冲击作用；

挑顶时如发现拱顶有坍塌的预兆，应立即用圆木支顶住。

漏斗棚架法施工的优点：

便于人力、小型机具开挖；

挑顶、扩大的石碴通过漏斗棚架装车，效率高，节省人力和机械；

工作面多，可以安排较多的人力和机具，进行平行作业，加快施工进度。

漏斗棚架法的缺点：

设置棚架需消耗大量木材和钢材；

断面分块多，对围岩扰动大，而且拱顶围岩暴露过长，所以，只适用于Ⅳ~VI类围岩；

工作面多虽可平行作业，但相互干扰大，尤其刷帮开挖容易损坏风、水管、电力线和堵塞运输。

图10.3.3

10．3．2上下导坑先拱后墙法

上下导坑先拱后墙法，又称拱圈支承法，是软地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用得最广泛的方法之一。

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图10.3.4

此法的基本施工程序（图10.3.4）是：

首先开挖下导坑①，并尽快架设木支撑。

在下导坑开挖面后约30~50rn处开挖上导坑②和架设木支撑。

上、下导坑间开挖漏斗（如图中虚线所示），以便于上断面出碴。

距上导坑15~20米，进行上导坑落底开挖③。

然后由上导坑向两侧开挖④（“扩大”），边开挖边架设扇形支撑。

在扇形支撑之间立拱架模板，灌注拱圈混凝土Ⅴ，边灌注边顶替、拆除扇形支撑。

开挖中层⑥（“落底”）。

左右错开，纵向跳跃开挖马口⑦、⑨，每个马口的纵向长度一般取拱圈灌注节长的一半。

紧跟马口开挖后，立即架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土Ⅷ、Ⅹ。

挖水沟、铺底。

采用上下导坑先拱后墙法施工时应注意下列问题：

开挖马口时要绝对避免拱圈两侧拱脚同时悬空；

边墙灌注到顶部时要仔细地做到与拱脚的联接，保证衬砌的整体性。

和漏斗棚架法比起来，它有如下优点，拱部围岩暴露时间短，开挖马口、灌注边墙都是在拱圈保护下进行的，因此，施工安全，能适用于较软弱的Ⅱ、Ⅲ类围岩。

其缺点是衬砌整体性差，开挖两个导坑成本高、速度慢。

10.4不良地质条件下隧道施工

10.4.1概述

在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的特殊地质地段。

如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆等。

在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道支撑变形，衬砌结构断裂，严重影响施工进度、安全和质量。

隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地威胁着施工安全。

隧道通过特殊地质地段施工