水利工程地下建筑工程.docx

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水利工程地下建筑工程

第六章地下建筑工程

本章主要结合平洞的施工，介绍地下建筑工程施工中的洞室开挖、衬砌施工和喷锚支护等主要问题。

第一节地下建筑工程的施工程序

    施工程序问题涉及到整个地下建筑物施工的全过程，要求在总体规划的基础上，安排各部位、各工种的先后施工顺序，以保证均衡、连续、有节奏地完成各项作业。

一、平洞的施工程序

    开挖和衬砌（支护）是平洞施工的两个主要施工过程。

处理好平洞开挖与临时支撑、平洞开挖与衬砌或支护的关系，以便各项工作在狭小的工作面上有条不紊地进行。

（一）平洞施工工作面

    工作面的数目可按下式进行估算。

（6-1）

   式中：

［T］— 平洞施工的限定工期，月；

          L— 平洞的全长，m；

          N— 工作面的数目；

          V—平洞施工的综合进度指标，m／月；

         lmax—施工支洞（或竖井）的最大长度（或高度），m；

         v—施工支洞（或竖井）的综合进度指标，m／月。

（二）平洞的开挖程序

    平洞开挖有全断面开挖、断面分部开挖和导洞开挖等方法。

（1）全断面开挖

    全断面开挖是将平洞整个断面一次开挖成洞。

衬砌或支护施工，须待全洞贯通以后或掘进相当距离以后进行，并视围岩开挖后允许暴露时间和总的施工安排而定。

    全断面开挖一般适用于围岩坚固稳定，对应 f≥8～10，有大型开挖衬砌设备的情况。

目前国内外的全断面开挖高度一般为8~10m，主要由使用的多臂钻凿岩机或全断面掘进机的工作高度（直径）控制。

采用全断面开挖方法，洞内工作场面比较大，施工组织因工作面宽而比较容易安排，施工干扰也较易解决，有利于提高平洞施工速度。

（2）断面分部开挖

    断面分部开挖是将整个断面分成若干层（通常为二层或三层），分层开挖推进，分部开挖适用于围岩较差、洞径过大的平洞开挖。

    如果围岩比较稳定，洞线又不太长，可先分部开挖掘进，贯通以后再进行衬砌；在地质条件较差，围岩允许暴露时间不宜过久条件下，可以采用上部开挖一段以后，将顶拱衬砌支护好，再进行下部开挖，以策安全。

    分部开挖的主要优点是不一定需要大型设备，就能进行大断面洞室的开挖，比较机动灵活，能适应地质条件的变化。

采用分部开挖、分部衬砌支护的措施，使施工组织比较复杂，施工速度受到影响。

断面分部开挖从开挖形态上通常分为台阶法开挖和导洞法开挖。

    （三）平洞衬砌或支护施工

平洞开挖以后，除地质条件特别好，一般都要进行衬砌或支护。

若地质和设备条件允许，应尽量减少断面衬砌的分缝分块数目。

断面衬砌的顺序，常见的有自下而上、自上而下两种方式。

前者先衬砌底拱（底板），后衬砌边拱（边墙）、顶拱，或边顶拱一次衬砌；后者先衬砌顶拱，在顶拱防护下衬砌边拱（边墙）、底拱（底板）。

自下而上衬砌多用于地质条件较好的场合，自上而下衬砌适合于围岩自承能力较差的情况。

    一般说来，当平洞沿线地质条件较好，断面不大，洞线不长时，多采用一次开挖或分部开挖成洞，然后进行衬砌支护的方式。

如果开挖时遇到局部危岩，可用锚杆、挂网、喷混凝土或其它措施如木支架进行临时支撑。

对于围岩较差的平洞，通常是按先拱后墙，先分部开挖拱部，随即在拱部断面中修筑拱圈，然后在拱圈的防护下开挖中部断面，修筑（边墙）和底拱（底板）。

三、地下厂房的施工程序

    上世纪70年代以前，大断面地下厂房开挖多采取多导洞分层施工方法。

自从鲁布革水电站地下厂房开始，大都采用喷锚支护技术、岩锚吊车梁结构和大型施工机械，简化了分部开挖程序，加快了施工进度。

    地下厂房施工时通常可分为顶拱、主体和交叉洞等三大部分。

    在松散破碎的不良地层中施工时，宜采用插钎、插板、喷锚支护或预灌浆等方法，先加固以后，再分部开挖，分部衬砌，并注意尽量减少对岩体的扰动。

四、竖井和斜井的施工程序

    水利水电工程中的竖井和斜井包括调压井、闸门井、出线井、通风井、压力管道和运输井等。

     1．竖井

    竖井施工有全断面法和导井法。

（1）全断面法 竖井的全断面施工方法一般按照自上而下的程序进行，该法施工程序简单，但施工时要注意：

①做好竖井锁口，确保井口稳定；②起重提升设备应有专门设计，确保人员、设备和石渣等的安全提升；③涌水和淋水地段要做好井内外防水排水设施；④围岩稳定性较差或在不良地层中修筑竖井，宜开挖一段衬砌一段，或采用预灌浆方法加固后再进行开挖、衬砌；⑤井壁有不利的节理裂隙组合时，要及时进行锚固。

（2）导井法 导井法施工是在竖井的中部先开挖导井，其断面一般为4～5m2，然后再扩大开挖。

扩大开挖时的石碴，经导井落入井底，由井底水平通道运出洞外，以减轻出碴的工作量。

    2．斜井

    斜井是指倾角为6o～48o的斜洞。

倾角小于6o的洞室，其施工条件与平洞相近，可按平洞的方法施工；倾角大于 48o的洞室，施工条件与竖井相近，可按竖井的要求考虑

第二节钻孔爆破法开挖

地下建筑物开挖,目前广泛采用钻孔爆破法.

一、钻孔爆破设计

     钻爆设计的主要任务是：

     ① 确定开挖断面的炮孔布置，包括各类炮孔的位置、深度及方向；

     ② 确定各类炮孔的装药量、装药结构及堵孔方式；

     ③ 确定各类炮孔的起爆方法和起爆顺序。

     1.炮孔类型

     开挖断面上的炮孔，按作用的不同，分为：

     ①淘槽孔；②崩落孔；③周边孔。

     2.炮孔数目

     初步计算常用公式为：

式中：

 N——一次掘进循环中开挖面上的炮孔总数；

       Q——一次爆破的炸药用量，kg;

      γ——单个炮孔每米装药量，kg/m;

      d——药卷直径，cm;

      Δ——炸药容重，kg/cm3

       k——装药压紧系数，通常对硝铵炸药k=0.1，对硝化甘油炸药   k=1.2；

       α——炮孔的装药系数;

        W——炮孔深度,m;

        K——单位耗药量,kg/m3

        S——开挖断面面积,㎡。

3.炮孔深度

炮孔深度的确定，主要与开挖断面的尺寸、掏槽型式、岩层性质、钻机型式、自有面数目和循环作业时间的分配等因素有关。

    合理的炮孔深度，能提高爆破效果，降低开挖费用和加快掘进速度。

二、钻孔爆破开挖轮廓的控制

    地下建筑物采用钻孔爆破法开挖，其轮廓控制主要取决于周边孔的布置及其爆破参数的选择。

为了降低糙率，减少回填和整修工程量，目前洞挖作业的轮廓控制普遍推广光面爆破。

其施工方法是沿设计开挖线布置小孔径、密间距的周边孔，采用低密度、低爆速、低猛度和高爆力的光爆炸药，不耦合连续装药或间隔装药，进行弱震爆破，炸除沿洞周留下的厚度为最小抵抗线的光爆层，形成光面。

三、钻孔爆破循环作业

    循环作业的主要工序一般有：

钻孔准备、钻孔、装药、设备撤离、起爆、通风排烟、安全检查、临时支撑、出渣准备、出渣、延长运输线路和风水电管线等。

第三节掘进机开挖

全断面隧道掘进机（TunnelBoringMachine, 简写为TBM）是一种专用的开挖设备。

它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出碴及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。

一、掘进机的类型和工作原理

    根据破碎岩石的方法，掘进机大致可分为挤压式和切削式两种类型。

    根据掘进机的作业面是否封闭可分为开敞式、单护盾和双护盾掘进机。

    掘进机一般由刀盘、机架、推进缸、套架、支撑缸、皮带机及动力间等部分组成。

掘进时，通过推进缸给刀盘施加压力，滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘山的集料斗转至顶部通过皮带机将岩渣运至机尾，卸入其它运输设备运走。

为了避免粉尘危害，掘进机头部装有喷水及吸尘设备，在掘进过程中连续喷水、吸尘。

掘进机开挖方向的控制，多采用激光制导。

二、掘进机的应用及其优缺点

    目前已生产的掘进机大多适用于圆形断面，地质条件良好、岩石硬度适中、岩性变化不大的隧洞。

对于非圆形断面隧洞的开挖，通常通过调整刀盘倾角来实现的。

 掘进机一般多用于平洞的全断面开挖。

    掘进机开挖与传统钻爆法比较，具有许多优点。

它利用机械切割、挤压破碎，一能使掘进、出碴、衬砌支护等作业平行连续地进行，工作条件比较安全，节省劳力，整个施工程能较好地实现机械化和自动控制；在地质条件单一、岩石硬度适宜的情况下，可以提高掘进速度；掘进机挖掘的洞壁比较平整，断面均匀，超欠挖量少，围岩扰动少，对衬砌支护有利。

    掘进机开挖的主要缺点有：

   （a）设备复杂，设备昂贵，设备安装费时。

   （b）掘进机不能灵活适应洞径、洞轴线的走向、地质条件与岩性等方面的变化。

   （c）刀具更换、风管送进、电缆延伸、机器调整等辅助工作等占用时间较长。

   （d）掘进机掘进时释放大量热量，工作面上环境温度较高，因此要求有较大的通风设备。

    由此可见，选择掘进机掘进方案，必须结合工程具体条件，通过技术经济比较确定。

第四节衬砌施工

混凝土和钢筋混凝土衬砌的施工，有现浇、预填骨料压浆和预制安装等方法。

现浇衬砌施工，和一般混凝土及钢筋混凝土施工基本相同。

下面仅就洞室施工的特点，作一些说明。

1．平洞衬砌的分缝分块及浇筑顺序

    平洞由于很长，纵向通常要分段进行浇筑。

当结构上设有永久伸缩缝时，可以利用永久缝分段。

当永久缝间距过大或无永久缝时，则应设施工缝分段。

分段长度一般为 4－18m，视平洞断面大小、围岩约束特性以及施工浇筑能力等因素而定。

     分段浇筑的顺序有：

①跳仓浇筑；②分段流水浇筑；③分段留空档浇筑等不同方式。

    衬砌施工在横断面上也常分块进行。

一般分成底拱（底板）、边拱（边墙）和顶拱。

横断面上浇筑的顺序，正常情况是先底拱（底板），后边拱（边墙）和顶拱，其中边拱（边墙）和顶拱，可以连续浇筑，也可以分块浇筑，视模板型式和浇筑能力而定。

后两种饶筑顺序，由于在浇筑顶拱、边拱（边墙）时，混凝土体下方无支托，应注意防止衬砌的位移和变形，并做好分块接头处反缝的处理，必要时反缝要进行灌浆。

2 ．平洞衬砌模板

    平洞衬砌模板的型式依隧洞洞型、断面尺寸、施工方法和浇筑部位等因素而定。

    对底拱而言，当中心角较小时，可以象底板浇筑那样，不用表面模板，只立端部挡板，混凝土浇筑后用型板将混凝土表面刮成弧形即可。

当中心角较大时，一般采用悬挂式弧型模板。

    浇筑边拱（边墙）、顶拱时，常用桁架式或钢模台车。

3．衬砌的浇筑

　　隧洞衬砌多采用二级配混凝土。

对中小型隧洞，一般采用斗车或轨式混凝土搅拌运输车将混凝土运至浇筑部位；对大中型隧洞，则多采用3~6m3的轮式混凝土搅拌运输车运输。

在浇筑部位，通常用混凝土泵将混凝土压送并浇入仓内。

4 衬砌的封拱

    平洞的衬砌封拱是指顶拱混凝土即将浇筑完毕前将顶拱范围内未充满混凝土的空隙和预留的进出口窗口予以浇筑、封堵填实的过程。

    封拱方法多采用封拱盒法和混凝土泵封拱。

　　封拱盒封拱，在封拱前，先在拱顶预留一小窗口，尽量把能浇筑的两侧部分浇好，然后从窗口退出人和机具，并在窗口四周立侧模，待混凝土达到规定强度后，将侧模拆除，凿毛之后安装封拱盒。

封堵时，先将混凝土料从盒侧活门转入，再用千斤顶顶起活动封门板，将盒内混凝土压入待封部位即告完成。

　　混凝土泵封拱的施工程序是：

①当混凝土浇至顶拱仓面时，撤出仓内各种器材，尽量筑高两端混凝土；②当混凝土达到与进人孔齐平时，仓内人员全部撤离，封闭进人孔，同时增大混凝土的坍落度（达14～16cm），加快混凝土泵的压进速度，连续压送混凝土；③当排气管开始漏浆或压入的混凝土量已超过预计方量时，停止压送混凝土；④去掉尾管上包住预留孔眼的铁箍，从孔眼中插入防止混凝土塌落的钢筋；⑤拆除导管；③待顶拱混凝土凝固后，将外伸的尾管割除，并用灰浆抹平。

５．压浆混凝土施工 

    压浆混凝土又称预填骨料压浆混凝土，它是将组成混凝土的粗骨料预先填入立好的模板中，尽可能振实以后，再利用灌浆泵把水泥砂浆压入，凝固而成结石。

这种施工方法适用于钢筋稠密、预埋件复杂、不容易浇筑和捣固的部位。

洞室衬砌封拱或钢板衬砌回填混凝土时，用这种方法施工，可以明显减轻仓内作业的工作强度和干扰。

第五节喷锚支护

喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土锚杆支护、喷混凝土锚杆钢筋网支护和喷混凝土锚杆钢拱架支护等不同支护型式的统称。

它是地下工程支护的一种新型式，亦是新奥地利隧道工程法（新奥法）的主要支护措施。

一、喷锚支护原理

    喷锚支护是充分利用围岩的自承能力和具有弹塑变形的特点，有效控制和维护围岩稳定的新型支护。

它的原理是把岩体视为具有粘性、弹性、塑性等物理性质的连续介质，同时利用岩体中开挖洞室后产生变形的时间效应这一动态特性，适时采用既有一定刚度又有一定柔性的薄层支护结构与围岩紧密粘结成一个整体，以期既能对围岩变形起到某种抑制作用，又可与围岩“同步变形”来加固和保护围岩，使围岩成为支护的主体，充分发挥围岩自身承载能力，从而增加了围岩的稳定性。

二、喷锚支护型式

    根据围岩不同的破坏形态采用不同的支护型式。

围岩的破坏形态主要可归纳为局部破坏和整体破坏。

     1.局部破坏：

通常采用锚杆支护，有时根据需要加作喷混凝土支护。

     2.整体破坏：

常采用喷混凝土锚杆支护、喷混凝土锚杆钢筋网支护和喷混凝土锚杆钢拱架支护等不同支护型式。

三、锚杆支护

    锚杆是锚固在岩体中的杆件，用以加固围岩，提高围岩的自稳能力。

工程中常用锚杆有金属锚杆和砂浆锚杆，其锚固方式基本分为集中锚固和全长锚固，锚杆的布置有局部锚杆和系统锚杆。

四、喷混凝土施工

    喷混凝土是将水泥、砂、石等集料，按一定配比拌和后，装入喷射机中，用压缩空气将混合料压送到喷头处，与水混合后高速喷到作业面上，快速凝固而成一种薄层支护结构。

    喷混凝土的施工方法有干喷和湿喷。

    干喷时，将水泥、砂、石和速凝剂加微量水干拌后，用压缩空气输送到喷嘴处，再与适量水混合，喷射到岩石表面。

也可以将干混合料压送到喷嘴处，再加液体速凝剂和水进行喷射。

这种施工方法，便于调节水量，控制水灰比，但喷射时粉尘较大。

    湿喷是将集料和水拌均以后送到喷嘴处，再添加液体速凝剂，并用压缩空气补给能量进行喷射。

湿喷法主要改善了喷射时粉尘较大的缺点。

第六节地下工程施工辅助作业

 　 通风、散烟、除尘、排水、照明和风水电供应等，是地下工程施工中的辅助作业。

做好这些辅助作业可以改善施工人员作业环境，为加快地下工程施工，创造良好的条件。

一、通风、散烟及除尘

    通风、散烟及除尘的目的是为了创造满足卫生标准的洞内工作环境。

这在长洞施工中尤为重要。

　   1 ．卫生标准

    地下工程施工过程洞内空气质量应符合洞内作业的卫生标准，见表6－7。

表6-7　洞内空气卫生标准

气体名称

允许浓度

附      注

体积（％）

重量（mg/m3）

氧    气（O2）

≥20

    一氧化碳的最高容许浓度与作业时间

二氧化碳（CO2）

≤0.5

作业时间

最高容许浓度（mg/m3）

  甲    烷（CH4）

≤1

1h以内

50

一氧化碳（CO）

≤0.0024

≤30

0.5h以内

100

氮氧化合物换算成二氧化氮（NO2）

≤0.00025

≤5

15~20min

200

 二氧化硫（SO2）

≤0.0005

≤15

反复作业时间的间隔应大于2h以上

 硫化氢（H2S）

≤0.00066

≤10

 醛类（丙烯醛）

≤0.3

含有10%以上游离二氧化硅的粉尘

2

含有

80%以上游离SiO2的生产粉尘不宜超过1mg/m3

含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘

6

含有10%以下游离二氧化硅的其他粉尘

10

同时，要求洞内的气温不能超过28oC，并且洞内的风速也需满足表6-8中的规定。

表6-8 洞内温度与风速的关系

温度（oC）

<15

15~20

20~22

22~24

24~28

风速（m/s）

<0.5

0.5~1.0

1.0~1.5

1.5~2.0

>2.0

2. 通风方式

　洞内通风方式有自然通风和机械通风两种。

自然通风只适用在长度不超过40m的短洞。

实际工程中多采用机械通风。

　  机械通风的基本形式有压入式、吸出式和混合式三种。

    有时为了充分发挥风机效能，加快换气速度，施工中常利用帆布、塑料布或麻袋等制成帘幕，防止炮烟扩散，使排除污浊气体的范围缩小。

帘幕设在靠近工作面处，但要有一定的防爆距离，－般为12～15m。

有条件时也可以设置水幕或压气水幕来代替帆布一类的帘幕。

    机械通风方式的选择，取决于洞室型式、断面长度和隧洞长度。

竖井、斜井和短洞开挖，可采用压入式通风；小断面长洞开挖时，宜采用吸出式通风；大断面长洞开挖时，宜采用混合式通风。

    3 通风量计算

　　通风量的计算，可根据下列三种情况分别计算，取其中最大者，并应根据通风方式和长度考虑漏风增加值，漏风系数一般取1.2～1.5。

（1）施工人员所需的通风量

式中：

Q—通风量， m3／min；

m—同时在洞内工作的最多人数；

q—每人所需的通风量，取3m3／min。

（2）冲淡有害气体的通风量

式中：

 A—工作面上同时爆破的最大炸药量，kg；

B—每千克炸药产生的一氧化碳气体量，按40L计算； 

1000—表示 1m3等于1000L；

0.02％—爆破后连续通风使一氧化碳浓度降至0.02％时，即可进入工作面工作；

t—通风时间，可采用20min。

此外，在开挖过程中若有其它有害气体时，应保证将其冲淡至表6－7的规定。

    （3）洞内使用柴油机械施工时，按每马力3m3／min风量，并与同时工作人员所需风量相加计算。

    计算的通风量应按最大、最小容许风速和洞室温度所需的风速进行校核。

二、风水电及排水

    在洞室开挖过程中，关于供风（压缩空气）、供水、供电、照明及排水等辅助作业，虽不像钻孔爆破、出碴运输等工作那样，直接影响开挖掘进的速度、质量和安全，但它们对于保证钻爆和运输作业的正常进行，都有影响，在整个开挖循环作业中，必须统筹考虑，不能疏漏。

    对所有必要的辅助作业，不仅在循环作业图表中，要安排一定的时间，使风水电管线的延长或拆移有切实的保证，而且在制订开挖施工技术规程和措施计划时，对于各项辅助作业都要提出相应的技术标准和要求。

　　所有辅助作业都应与开挖掘进工作密切配合。

输送到工作面的压缩空气，不仅风量要充足，而且风压不应低于0.5MPa；施工用水的数量、质量和压力，应满足钻孔、喷水、喷锚作业、混凝土衬砌、灌浆、消防和生活等方面的要求；洞内的供电线路，宜按动力、照明、电力起爆的不同需要，分开架设，并注意防水和绝缘的要求；洞内照明，为安全计应采用36V或24V的低压电，保证洞室沿线和工作面的照明亮度；洞内排水系统必须畅通，保证工作面和路面没有积水。