隧道工程施工基础知识详解.docx

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隧道工程施工基础知识详解

隧道工程施工基础知识讲解

赵源林

各位同仁下午好，感谢局给我们这次机会，让我们一起系统的学习隧道施工基础知识。

下面由我给各位介绍，有不对之处欢迎指正，以帮助我在今后工作中提高。

见天我主要介绍以下几个方面：

概念、新奥法力学基础、围岩的工程性质、隧道施工方法、隧道辅助施工工法、不良地质隧道施工、隧道施工临时工程、体会。

当然，隧道系统性内容较多（如未介绍的地质学、爆破学、监控量测等），需要各位在施工中不断积累、总结、提升

P1.隧道施工基础

P2.第一部分概念

P3.隧道基本概念

地下工程—修筑于地下的建筑结构物称为地下结构。

为建设这些地下结构所进行的工程，通称为地下工程。

隧道—保持地下空间作为交通、水工通道的地下工程，称为隧道。

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。

隧道可分为交通隧道，水工隧道，市政隧道，矿山隧道。

优点：

1、可直线穿越障碍物；2、与障碍物间无冲突并节约土地，输送速度快，输送能力大。

缺点：

1、与其它工程相比，隧道工程属于最难人工建筑物之一。

影响因素多，隧道受地质、水文状态等多方面的影响；2、难以保证计算准确性，与其它结构不同，没有精确计算隧道力学的方法，计算结果的准确性受力学模型的限制；3、施工难度大，可发生如塌方、地下涌水、突泥、瓦斯等多种意外情况；4、造价高、波动大，在不同地质条件下，造价的波动大约为5倍，有时可达9～10倍。

导坑—隧道修建首先在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道，称之为导坑。

如平行导坑、超前导坑、泄水洞等。

衬砌—在坑道周围修建的支护结构。

包括初期支护和二次衬砌。

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；二次衬砌一般是混凝土或钢筋混凝土结构。

洞门—在隧道两端外露部分为保护洞口和排放流水所修建的挡土墙式结构。

端墙式、斜截式。

隧道附属建筑物—避车洞、防排水设备、通风系统等。

隧道施工—施工方法、施工技术和施工管理的总称。

P4.隧道发展历史

1、中国隧道发展史

隧道及地下工程的发展是我国20世纪最伟大的科技成就之一，它有力地促进了我国交通运输的发展。

同时也带动了土木工程、水利工程等学科的发展，在我国国民经济建设中起到了重要的作用。

在20世纪，尤其是最后20年，我国的隧道及地下工程科技水平由落后状态而一跃进入世界先进行列。

目前我国的隧道总长度及修建技术水平均为世界领先。

1888年至1911年，铁路隧道237座，总延长数42.199km。

1911年至1949年，铁路隧道427座，总延长113.8km。

1950年至1979年，铁路隧道2118座，总延长966km。

1979年至2005年，修建铁路隧道2802座，总延长2156km。

2006年在建的隧道1785座，总延长2164km。

即将开工的的高速铁路隧道146座，总延长184km。

目前规划及在建铁路隧道长度约2300km，其中特长隧道约760km。

2、中国隧道建设四阶段

（1）起步阶段（时间跨度为50年代至60年代初）,代表性工程有:

宝成铁路于1952年7月开工，1956年建成通车，全长669km。

其中隧道304座，总延长84428m，占线路总长的12.64%。

宝成铁路隧道是我国自行设计和建造的，,积累了山岳地区修建隧道设计和施工的经验。

是我国隧道建设进步的重要标志。

其中秦岭隧道北洞口创造了121.6m月成洞的记录。

川黔铁路上的凉风垭隧道，该隧道长度4270m，于1959年6月贯通。

该隧道首次采用平行导坑和巷道式通风，为长隧道施工积累了很宝贵的经验。

该阶段采用钻爆法施工，以人工和小型机械凿岩、装载为主，临时支护采用原木支架和扇形支撑。

隧道施工基本无通风，由于技术水平落后，人工伤亡事故时有发生。

（2）稳定发展阶段（时间跨度为60年代至80年代初）,代表性工程有:

京原铁路（北京至山西原平）上的驿马岭隧道，是70年代中国铁路最长隧道全长7032m，1967年2月开工，1969年10月竣工，机具设备的提高：

普遍采用了带风动支架的凿岩机、风动或电动装载机、混凝土搅拌机、空压机和通风机等。

支护工艺的提高：

采用了锚杆喷射混凝土技术，这是隧道施工技术的重要里程碑，同时较好地解决了施工安全问题。

（3）技术突破与创新阶段（时间跨度为80年代中期至90年代中期）,代表性工程有:

衡广铁路复线的大瑶山双线隧道（1981年11月开工到1989年12月建成）是这一时期的最典型的代表，隧道全长14295m，这是我国20世纪最长的双线铁路隧道。

大瑶山实现了大断面施工。

在这一阶段，施工设备、支护理论和技术均有较大的突破，主要表现在两个方面：

具有国际先进水平的大型配套机械设备的应用，包括二臂和四臂大型液压式钻孔台车、大型轮式装载机、模板台车和注浆钻机等。

以复合式衬砌为基础的新奥法综合技术，即利用锚喷技术作成隧道的初期支护，以控制围岩变形；中间敷设塑料板防水层；最后利用模板台车进行永久支护。

（4）高速发展阶段（90年代中期以后），代表性工程有:

这一时期的标志性工程是位于西康铁路的秦岭隧道，全长18420m。

在该隧道施工中，采用了目前最先进的全断面隧道掘进机技术，即TBM技术。

3、国外隧道发展概况

第一座铁路隧道:

1825～1830年在美国修建,全长1190m.

1857～1871年,法—意的仙尼斯山隧道,长12850m;

1898年意大利修建了辛普伦隧道,长19700m;

1971年日本新干线上修建了大清水隧道,长22230m.

除铁路隧道外,一些越江跨海隧道相继修建.美国修建了宾西发尼亚东河水底隧道,长为7190m;日本修建了新关门隧道,长18675m。

1988年又修建了青函海底隧道，长达53850m,是当时世界上最长的水底隧道。

1993年建成了英法海峡隧道，长49.6km。

由于欧洲汽车运输量的急剧增长，迫切需要扩大公路网，随之出现了不少的公路隧道。

奥地利修建了阿尔贝格公路隧道，长13980m;瑞士修建了圣哥达公路隧道，长16285m。

此外，日本还于己于1997年建成了东京湾公路隧道，长9.1km。

*随着隧道工程科学技术的进步，隧道开挖及支护技术也得到了迅速发展，尤其是新奥法的应用实现了信息化施工，TBM的应用使隧道掘进完全实现了机械化。

P5.矿山法与新奥法

1、矿山法

（1）概念：

暗挖法的一种，主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。

因借鉴矿山开拓巷道的方法而命名。

用矿山法施工时，将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌。

当地层松软时，则可采用简便挖掘机具进行，并根据围岩稳定程度，在需要时应边开挖边支护。

分部开挖时，断面上最先开挖导坑，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。

分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动，分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。

在坚实、整体的岩层中，对中、小断面的隧道，可不分部而将全断面一次开挖。

如遇松软、破碎地层，须分部开挖，并配合开挖及时设置临时支撑，以防止土石坍塌。

喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成新奥法。

（2）分类

按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法（类似地铁车站逆做法）及先墙后拱法两大类。

后者又可按分部情况细分为漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法。

在松软地层中，或在大跨度洞室的情况下，又有一种特殊的先墙后拱施工法──侧壁导坑先墙后拱法。

此外，结合先拱后墙法和漏斗棚架法的特点，还有一种居于两者之间的蘑菇形法。

（3）常用方法

台阶法、CD工法（跨度大）、CRD工法、双侧壁导坑法、联拱隧道中洞法等。

2、新奥法

（1）概念

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，需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。

（2）分类

（3）常用方法后部将详细介绍。

3、新奥法核心

新奥法机理就是利用围岩自承能力，同时允许围岩发生一定的变形，这就需要一方面对围岩进行保护，另一方面约束围岩超度变形，并及时掌握围岩变形和承载状态，所以其三大核心为：

光面爆破、锚喷支护、监控量测。

（1）光面爆破

隧道光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一。

是指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，掌子面平整、规则的一种控制爆破技术。

隧道应用光面爆破技术开挖与传统的方法相比，最显著的优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，充分发挥围岩的自承作用，确保施工安全，同时，又能减少超、欠挖，提高工程质量和效率，节约成本。

要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点：

A、根据围岩特点，合理选定周边眼的间距和最小抵抗线，尽最大努力提高钻眼质量。

B、严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布。

及线均匀性

C、周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。

为满足装药结构要求，可借助导爆索（传爆线）来实现空气间隔装药。

D、采用毫秒微差有序起爆。

要安排好开挖程序，使光面爆破具有良好的临空面。

E、边孔直径小于等于50mm。

（2）锚喷支护

喷锚支护指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用（根据地质情况也可分别单独采用）加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。

喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久性支护。

喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系，防止岩体松动、分离。

把一定厚度的围岩转变成自承拱，有效地稳定围岩。

当岩体比较破碎时，还可以利用丝网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅助喷锚支护。

作用原理：

喷锚支护在洞室开挖后，支护及时，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能，由于其为柔性支护，一定程度上能够承受与围岩共同变形。

它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。

在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。

它不像传统的模筑混凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。

对喷锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步探索和改进。

（3）监控量测

简称围岩监测。

为了解正施工中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，采用各种量测仪器对围岩和支护结构所进行的量测工作。

包括对围岩和支护结构的应力、应变、变形和弹性波参数的监测

4、新奥法施工特点

（1）及时性：

新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。

在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。

（2）封闭性：

由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨