隧道工程及隧道机械Word文件下载.docx
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山岭硬岩隧道开挖方法:
可分为钻爆法,自由断面开挖法和全断面掘进法(法)。
洞口型式
2、隧道断面
隧道净空面积影响因素:
隧道建筑限界
线间距
应预留的空间:
安全空间、救援通道、工程技术作业空间、内部配件空间等
考虑空气动力学影响所需的空间
我国客运专线隧道内净空面积
350速度目标值断面
隧道施工开挖方法的选择
隧道施工开挖方法的选择:
主要依据断面形状、隧道长度、大小、地质条件、工期长短、周围环境等因素综合考虑确定,施工方法有钻爆法和全断面掘进机法。
钻爆法一般常用的开挖方法有:
全断面法、台阶法、侧壁导坑先掘进法、中隔壁法等。
隧道施工方法-新奥法
新奥地利隧道修建方法(简称新奥法)遵循这样一个原理,即主动地使隧道围岩(岩土体)成为环状承载“结构”的一部分。
-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,及时地进行支护,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、监控来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原则。
铁路隧道设计理念
二、围岩分级及隧道开挖方法
1、围岩的基本概念
围岩:
隧道工程影响范围内的岩土体。
2、围岩分级:
为了设计和施工的方便,将复杂的地层按工程性质,分为六级。
围岩的分级只要是按统计规律划分:
重点是各种围岩的坍塌高度。
按三车道隧道计,各种围岩的塌方高度和单位荷载重量为:
Ⅰ级:
约0.9m;
约25
Ⅱ级:
约1.8m;
约47
Ⅲ级:
约3.5m;
约88
Ⅳ级:
约7.2m;
约173
Ⅴ级:
约15.0m;
约345
Ⅵ级:
约31.0m;
约682
各级围岩塌方高度示意图
铁路围岩基本分级
钻爆法
钻爆法最早应用于采矿坑道,又称矿山法。
但矿山法又多采用钻孔爆破进行开挖,故称作钻爆法。
岩石破碎方法一是使用炸药的爆破方法,另一种是使用机械的切削掘进的方法。
选择爆破的方法还是选择机械开挖的方法,应该根据地质条件而决定。
3.隧道开挖方法
隧道开挖方法主要有全断面法、台阶法(以及由台阶法派生的环形开挖预留核心土法、弧形导坑左右台阶错开开挖支护法)、中隔壁法(法)、交叉中隔壁法(法)、双侧壁导坑法(眼镜工法);
还有意大利研究使用的岩土控制变形法,以及、盾构、铣挖法等非钻爆法等施工方法。
要根据地质条件、断面大小、结构形式、机械配备等因素合理选择开挖方法。
主要介绍以下几种方法:
隧道开挖方法
(1)全断面法
全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型,再施做初支和二次衬砌的隧道开挖方法,一般适用在地质条件较好的Ⅰ~Ⅱ级围岩,也可用在单线铁路隧道Ⅲ级围岩地段。
全断面法可采用大型机械作业,施工进度快,一般在150~180月。
全断面法
全断面法施工顺序:
按照设计断面形状一次开挖成形初期支护(锚杆、喷射混凝土)浇筑混凝土衬砌。
全断面法使用的施工机械
多臂式凿岩台车;
带有伸缩臂吊篮的多臂式凿岩台车;
装渣用短臂式液压挖掘机、轮式装载机、挖装机等,隧道用自卸卡车、集装箱式自卸卡车、有轨电瓶车或内燃机车、自行延伸式皮带输送机等;
喷射混凝土机械手;
锚杆钻机;
衬砌用混凝土搅拌联合设备、混凝土输送车、混凝土输送泵和衬砌钢模台车。
机械开挖的全断面法
采用机械开挖的全断面法的施工机械有液压反铲掘进机、动臂式旋转刀隧道掘进机和全断面隧道掘进机()
(2)台阶法
台阶开挖法是将隧道设计断面分两次或三次开挖,台阶间控制一定距离,采用同时并进的隧道开挖施工方法,一般用在Ⅲ级围岩,也可用在单线铁路隧道Ⅳ级围岩地段。
根据台阶长度不同,分为长台阶(大于50m或大于5为断面宽度)、短台阶(5~50m或1~2B)、微台阶(3~5m或小于1B)及多段台阶4种形式。
(2)台阶法
上下台阶工法
2、上下台阶工法
工法
4、双侧壁导坑工法
“眼镜”工法
环形开挖预留核心土法
二、隧道开挖一般施工程序
1、开挖
2、支护
3、防水
4、衬砌
5、洞门
6、附属工程
(一)隧道开挖作业工序流程
1、开挖
①、开挖设备:
空压机、钻孔台架、风钻等
②、钻孔:
掏槽眼、周边眼、进度眼等
③、爆破:
硝铵炸药,段发雷管,导爆索
④、光面爆破的效果:
残眼率应在80%以上
⑤、出渣:
装渣机配合自卸汽车
隧道开挖
主要考虑液压凿岩台车(土质隧道或不适宜爆破隧道配置挖掘机、铣挖机)、风动凿岩机、空压机组设备的选型配套。
钻孔设备多采用风动式凿岩机或液压凿岩台车。
多功能台架
风动式凿岩机配合多功能台架是目前最为常见的钻进组合,其特点在于成本低、操作灵活,多功能台架除提供钻孔平台外,还可用于装药、找顶排危、安设钢架、钢筋网、钻设锚杆、喷射混凝土等作业,同时其可满足多人作业达到了快速施工的效果,从而向凿岩台车提出了挑战。
空压机有固定式和移动式两种,固定式需在洞外建站,利用高压风管供风,电能损耗大,移动式则可以随工作面移动,减少了高压送风管。
液压凿岩台车多从国外引进。
其钻孔能力强,在复杂地质、工期紧、难度大的隧道中优势明显,终因使用成本高而没有得到广泛使用。
日本古河台车T3210177Y
353E型全液压三臂凿岩台车
主要设备的配备
开挖设备:
、开挖台车、风钻
喷射设备:
喷射机、机械手
动力系统:
电力、高压风
运输系统:
装渣机、挖掘机、自卸汽车
通风系统:
大容量轴流通风机
防排水系统:
抽水机、防水板热合机
二次衬砌系统:
钢筋加工系统、混凝土拌合楼、混凝土输送车、混凝土输送泵、衬砌台车
2、支护
⑴、超前支护
①、超前锚杆
②、超前注浆小导管
③、大管棚
⑵、支护的组合
①、喷射混凝土
②、喷射混凝土+钢筋网
③、喷射混凝土+钢筋网+钢架
支护作业线
主要考虑管棚/锚杆钻机、混凝土喷射机、喷射机械手、钢架制作架设设备、自动计量混凝土搅拌站、混凝土运输车等设备的选型配套。
管棚钻机在国内施工使用较少,一般情况下采用潜孔钻机施作管棚孔。
钢架弯曲机为非标产品,一般由施工单位自行加工或委托厂家生产;
钢架架设机鲜有使用,现场钢架架设多利用自行加工的作业台架,由人工就位架立。
支护作业线
混凝土湿喷机强制性要求配置,以提高喷射混凝土品质、改善作业环境,但在渗水严重隧道还必须配置干喷机。
混凝土喷射机械手多为进口,因使用成本高未普遍使用。
制备喷射混凝土均要求采用具备自动计量功能的混凝土拌和站,一般及衬砌混凝土拌和站共用。
混凝土运输车有轮式、轨行式两种,结合施工方案配置。
喷射混凝土
1、喷射混凝土分为:
干喷:
干料拌合后进入喷射机,在喷头处加水;
潮喷:
潮湿的砂石料加水泥拌合,进入喷射机,在喷头处加水;
湿喷:
拌合成混凝土,直接喷向岩面。
2、配比:
碎石:
粒径15以下、粗砂、普通水泥。
3、技术要求:
自下而上,基本垂直岩面、每层4~6、风压0.1~0.15、水压较风压大0.05~0.1。
钢架、纵向联结钢筋
初期支护
初期支护由锚杆、钢筋网、钢架和喷射混凝土组成。
锚杆:
分楔形锚杆、注浆锚杆等。
钢筋网:
一般采用6~8圆钢,焊接而成。
钢架:
分型钢钢架和钢格栅两种。
喷射混凝土由:
小碎石、中粗砂、水泥和外加剂组成。
喷射工艺分为“半湿喷和湿喷两种。
装渣运输作业线
主要考虑装载机、挖掘机、立爪扒装机、挖装机、自卸汽车、电瓶机车、梭式矿车等设备的选型配套。
目前常用的装砟机械有立爪扒装机、装载机、挖掘机。
无轨运输因有着社会资源丰富、机动灵活、弃砟不需二次倒运的优势而被普遍采用,但其对隧道内污染严重。
一般配置载重15t以上自卸汽车,斗容量3m3左右的侧卸式轮式装载机,配置数量及隧道断面、隧道长度及路况有关。
装渣运输作业线
有轨运输适合于长大隧道和小断面隧道,但其机动性差,一次投入大、常需二次倒运;
装砟采用立爪扒砟机或挖装机,出砟选用16m3以上的梭式矿车、采用18t以上电瓶车牵引,采用46钢轨。
隧道均配置挖掘机作为爆破后排危、出砟后清理掌子面的设备,以此减少辅助作业占用时间。
3、防水
①、围岩注浆防水
②、防水板
③、二次衬砌中的变形缝防水
④、二次衬砌中的施工缝防水
工程防水的总体要求
防水板铺设、衬砌作业线
主要考虑自动计量混凝土搅拌站、混凝土运输车、混凝土输送泵、钢模板台车、仰拱栈桥等设备的选型配套。
防水板铺设一般使用及断面相匹配的自制作业台架,可采用轮式或轨行式;
衬砌台车普遍采用拱墙整体式钢模板台车,根据隧道规模在9m、10.5m、12m三者间选择,混凝土搅拌站必须采用自动计量系统,混凝土输送泵可根据电力供应情况选择电动或内燃型,混凝土运输车根据施工方案选用轮式或轨行式;
仰拱栈桥型号根据工程规模选择。
防水板
1.防水是一项综合性工程,地下水不发育的隧道,一般采用1~2、等防水卷材。
2.二衬的施工缝、变形缝处多采用止水条(带)。
地下水发育的隧道,增加围岩注浆的措施。
附设防水板
结构防水
地下工程的防水,是综合性问题,必须在各个环节上加强措施,主要有:
1、围岩地密实度及防渗性能的提高;
2、混凝土喷层的密实度;
3、防水板的完整性能;
4、二次衬砌的密实度及施工缝的防水处理;
5、不同阶段有不同的施工管理重点。
一般防排水横断面
1、一般防排水系统
4、衬砌
⑴、仰拱
⑵、隧道铺底
⑶、矮边墙
⑷、钢筋绑扎
⑸、衬砌台车的就位及灌注混凝土
⑹、混凝土养生
一次性衬砌
1.一次性衬砌是传统性设计,无初期支护,开挖后立即灌混凝土。
施工时常采用“先拱后墙”方法。
2.这种设计的缺陷是结构防水性能较差,结构的整体性不好,边墙及拱脚接触处,是最薄弱的位置;
同时在开挖过程中,经常有坍塌事故发生。
这种设计已逐渐被淘汰。
复合型衬砌
复合型衬砌由
初期支护+防水板+二次衬砌组成。
二次衬砌的时机
为了充分利用初期支护的承载作用,二次衬砌必须在完成总变形量的80~90%或变形速率0.1~0.2(周边位移)0.07~0.15(拱顶下沉),方可进行二次衬砌。
矮边墙
仰拱
通风辅助作业线
通风设备选型取决于隧道长度、隧道断面、运输方式、有无瓦斯等有害气体及隧道有无平行导坑等因素。
在距主工作面100m左右应设局扇以加速气流循环,设平导采用巷道式通风的隧道,在联络道间设射流风机,防止污风回流;
在开挖面需安放捕尘器,防止粉尘扩散。
5、洞门
①、洞口的排水系统
②、洞门:
削竹式、端墙式、遮阳式
③、洞口的景观及环境保护
6、附属工程
①、行人、行车横通道
②、紧急停车带
③、水沟
④、电缆沟
一、铁路隧道钻爆法施工作业要点
1.超前地质预报目的
由于不能完全准确地探明隧道所穿越的地层及洞身周边的地质情况,特别是存在的对隧道施工安全有很大威胁的岩溶、断层、富水裂隙、暗河等也不能准确判释和提示,因此施工中进行超前地质预测预报是确保施工安全必不可少的手段。
1.超前地质预报-预报方法
主要有地质分析法、钻探法、物探法和超前导坑法
地质分析法:
包括地质素描、地层分界线及构造线、地下和地表相关性分析、地质作图等。
钻探法:
包括深孔水平钻探、5~8m加深炮孔探测及孔内摄影。
物探法:
包括地震波反射法、声波反射法、电磁波反射法、红外探测法等。
超前导坑法:
包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法。
超前地质预报按预报长度可分为长距离预报(大于200m)、中长距离预报(30~200m)和短距离预报(小于30m)。
1.超前地质预报
2.超前支护
超前支护是针对软弱不良地层而采取的辅助工法。
施工前需根据围岩条件、施工方法、进度要求、机械配套及工程所处环境等情况,选择简单方法或同时采用几种综合辅助施工方法来加固地层,确保不塌方、少沉陷。
通常辅助施工方法有:
地表加固地层、洞内加固地层(或工作面)、洞内防排水、冻结法等。
2.超前支护-注浆加固
设备配备和使用,钻孔布设,钻机定位,注浆效果检查。
4.初期支护
按照新奥法原理,初期支护是为了及时封闭开挖后的围岩,控制围岩的变形和松弛,充分发挥围岩自身的支护作用,并和二次衬砌共同形成结构承担荷载。
初期支护一般由喷射混凝土、锚杆、钢筋网、格栅(型钢)钢架等组成。
1
2
5.仰拱及二次衬砌
二次衬砌、仰拱和初期支护共同形成隧道的主体结构,承受荷载。
仰拱要超前二次衬砌一定距离并全幅施作;
二次衬砌施作时机要根据不同围岩情况和监控量测结果确定。
6.仰拱及二次衬砌
(1)仰拱
钻爆法主要施工设备
*1超前地质钻机-深孔水平钻探
*2管棚钻机
*3凿岩台车(凿岩机)
*4装碴机械(装载机、挖装机,立爪式装载机)
*5出碴机械(自卸汽车、矿车、皮带输送机)
6喷锚支护机械(锚杆钻机、湿喷机械手)
7模板台车
凿岩机
2.装载机
翻斗车
实例
针对三都隧道,中铁隧道集团加强了超前地质预测预报方面的工作。
项目部采用全程贯通探测,异常地段采用地质雷达、红外探水、进口多功能C6地质水平钻机超前钻孔探测、地质素描等手段对隧道施工前方的地质、水文情况进行综合分析,同时在每个开挖循环钻3个~8个超前炮孔近距离了解掌子面前方地质情况。
项目部根据量测速率的变化分级进行管理,利用专用网络对监控量测数据实施动态监控,根据量测数据反馈指导现场施工,保证施工安全。
开工以来,项目部已多次成功预报出隧道前方的溶洞和不良地质,避免了数次涌水和突泥的发生
开挖方面,项目部为三都隧道出口配备了2台三臂凿岩台车,2009年4月底开始使用,开挖月进度最高达到198.6米的单口掘进速度,目前已开挖近400米。
每台台车配备6名操作人员,分两个作业班组进行施工。
凿岩台车在实际使用中提高了施工工效,单孔5米深的炮孔成孔时间为1.5分钟~2分钟,全断面开挖单循环时间控制在3小时~4小时,加快了掘进的速度。
项目部采用全断面光面爆破,现场实际统计平均线性超挖均能控制在10厘米以内。
同时凿岩台车兼顾施钻系统锚杆眼孔的任务,提高了初期支护的施工效率和质量。
出渣
出渣方面,根据隧道断面大小,项目部在三都隧道出口配备了220挖掘机1台,用于找顶扒渣工序施工,配备2台380装载机及6台自卸汽车。
通风找顶完成后,由2台装载机同时向1台汽车进行装渣运输作业。
隧道开挖机械
一、隧道开挖作业工序流程
二、钻孔机械
凿岩机隧道施工中爆破炮眼的钻孔,锚杆孔的成形,围岩的破碎多使用凿岩机,破碎机和凿岩台车。
凿岩机分类
按驱动方式分:
液压驱动和压缩空气驱动。
按动作机能分:
冲击式、回转式和冲击回转式。
凿岩机的种类有:
气腿式凿岩机、手持式凿岩机和导轨式凿岩机等。
驱动方式对比
液压、空气两种驱动方式比较:
液压驱动方式的优点是,作业效率高,大约是空压式的2倍,作业时无油烟,振动低,噪声小。
空压式一般多为人工操作的支架(腿)式凿岩机,作业效率低,振动、噪声大,作业时粉尘多,但维修保养简单。
凿岩机的选择
凿岩机的选择应根据价格、维修费用、使用性能、施工条件以及地质条件等综合因素决定。
液压式凿岩机优点:
1.液压式凿岩机的输出功率、工作效率均比空压式凿岩机高。
2.液压式凿岩机的性能、动力费用也显得优越。
3.液压式凿岩机作业时噪声小,振动低,无排油等现象,施工现场环境不受污染。
缺点:
液压式凿岩机造价高,维修操作需要专业人员。
凿岩机工作原理
凿岩机一般具有4种机能,即冲(打)击、回转、推力和冲洗。
凿岩机钻孔或破碎岩石时,首先以推力压在岩体上,随之活塞打击钻杆,通过连接在钻杆上的钻头,将打击能量传递给岩石,使之破碎。
钻杆钻头的回转由〔液压或气压)马达驱动齿轮实现,有的采用来复线及棘轮机构,在活塞作往复运动的同时,实现回转。
钻孔破碎的岩石碎片、粉尘,通过中空钻杆的中心孔向内注入水或压缩空气。
凿岩机的钻杆、钻头
凿岩机所产生的打击和回转力矩经钻杆、钻头传递给岩石。
钻头是直接破碎岩石的主要部件。
钻头上的刀头有焊接在钻头上和压入钻头上2种形式。
刀头的材质为超硬质合金材料。
钻头的刀头形状有一字形、十字形、三角形、多角形和球形。
钻杆
钻杆是凿岩机中承受恶劣工作条件最严重的部件。
钻杆的材质为特殊钢,经调质、高频淬火、渗碳等热处理。
常用材料有碳素钢、高碳素钢和碳素工具钢等。
钻杆设为中空式是为了喷射水或高压空气用。
钻杆外形多为六角形,也有的是圆形。
钻杆及钻头的连接多为螺纹或锥形连接。
1238凿岩机工作原理
1238系列液压凿岩机冲击机构基本工作原理相同,均为外阀式结构,采用前、后腔交替回油、用换向阀控制活塞的运动。
高压油经高压进油路1到后腔通道3,进入冲击缸体后腔,推动活塞a向前做等加速运动;
1、高压进油路,2、前腔通道,3、后腔通道,4、前推阀通道,
5、后推阀通道,6、回油通道,7、换向阀排油通道,8、阀定位通道
有效的缓冲机构
钻头在钻凿岩石时,岩石对钻头的反冲击力极大,液压吸振机构可有效地缓和来自钻杆的冲击波。
反弹力经钎尾1的花键端面传给轴套2,再经轴套2传给缓冲活塞3,缓冲活塞的锥面及缸体间充满液压油,形成液垫。
1.凿岩台车
在移动式台车上装设数台液压式凿岩机和数台伸缩臂式吊篮,便形成了凿岩台车。
凿岩台车作业效率高,机动性强,节省能源,可实现任意方向的钻孔。
特别是近几年在凿岩合车上装设了电脑,当钻孔位置确定后,可实现全自动控制钻孔。
作业效率高,施工精度高。
凿岩台车
凿岩台车有下列优点
凿岩台车是目前隧道全断面开挖的主要机具之一,它具有下列优点:
(1)节省劳力,劳动强度低,操作者不直接承受凿岩机的振动;
(2)钻孔速度高,由于采用液压或压缩空气推进而且推进方向和钻机方向一致,钻孔平均速度达20~30/,最高可达60/;
(3)可利用长钻杆(最长钻杆达7180),减少换钻杆时间,还可钻凿较大较深的炮孔;
(4)定向性好,可提高作业效率;
(5)机动性好;
(6)液压钻臂可进一步发展自动化控制,确保炮眼方向、深度等等。
凿岩台车类型
凿岩台车有履带式、轮胎式和龙门式3种。
履带式凿岩台车的行走机构为履带式,整机重心低,布置紧凑,适合于软地基坑道内的行走。
行走速度一般3~5;
轮胎式凿岩台车可以行使在较硬的地面上,机动性强,适合多种开挖面的钻孔,最高行使速度可达12;
龙门式凿岩台车是在轨道行走的台车上装置凿岩机。
适合于小断面隧道的施工。
凿岩台车组成
凿岩台车由钻臂、推进器、底盘、台车架、稳车机构、风水系统、液压系统、操纵系统等部分组成,如图所示。
底盘
履带式底盘由液压马达驱动,调动灵活、工作可靠、爬坡能力强,可用于倾角较小的巷道,但结构复杂、履带易磨损、使用寿命较短,在软岩巷道中使用困难,在有轨巷道中使用存在压轨问题。
轮胎式底盘由液压马达驱动,调动灵活、工作可靠、不易压坏胶管和电线,但结构较复杂,轮胎易磨损,使用寿命较短。
钻臂
掘进钻臂是凿岩台车的核心部件,它支撑着凿岩机按规定的炮孔位置打孔,又是给予凿岩机一定推进力的机构。
它还可以用来提举重物,如组装拱形支架、装药等,因此也可以称之为台车的机械手。
为了获得良好的爆破效果,要求工作面炮孔有较好的平行精度,因此,钻臂应有平动机构,钻臂移位时推进器保持平行移动。
臂杆
臂杆都是悬臂的,它支撑着凿岩机、推进器,并可以把它们升送到需要的空间位