隧道工程施工基础知识详解Word格式文档下载.docx

1、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。洞门一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。隧道附属建筑物一避车洞、防排水设备、通风系统等。隧道施工一施工方法、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

2、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 966km1979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 760km2、 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

3、：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。

4、（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

5、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

6、术。3、国外隧道发展概况第一座铁路隧道:18251830年在美国修建，全长 1190m.18571871年，法一意的仙尼斯山隧道，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

7、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

8、。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

9、 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

10、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。（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

11、、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 技术要占：八、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

12、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咼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

13、 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）

14、 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，

15、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胀，保护原有岩体强度。巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原 有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷 射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂 隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。 （提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用， 隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解 体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。（3）粘结性：喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生

16、三 种作用：1联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围 岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反 应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷 后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是 可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落， 从而保持围岩的稳定性。2复和作用，即围岩与支护构成一个复合体 （受力体系） 共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支 撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有 把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支 架消极承担的弱点。3增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填

17、平，消除因岩面不平引起的应力集中 现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面， 使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力 C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。柔性：喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共 同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生 变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控 制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充 分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩， 对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变 形，防止围岩发生松动破坏。5、新奥法原则因为隧洞的主要承载部分是围岩，支护结构起到发挥和 保护

18、围岩承载能力的作用。在静力学理论中，隧道的结构可 视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构，承载环的闭合 起到了关键作用，因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中 就及早完成，保证衬砌环的稳定与完整。从应力的重分布来 考虑，全断面掘进是比较理想的开挖方式。因此，施工方式 归根结底要把握一个出发点，那就是保护，调动和发挥围岩 的自承能力，在此基础上根据工程实际条件把握好以下原 则。（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。岩体是结构 体系中的主要承载单元，在施工中必需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。（2） 充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的 变形。（3） 为了改善支护结构

19、的受力性能，施工中应尽快闭 合而成为封闭的筒形结构。（4） 在施工中的各个阶段，应进行现场量测监视，及 时提供可靠的数量足够的量测信息。（5） 为了铺设防水层，成为了承受锚杆锈蚀，围岩性质恶化，流变，膨胀所引起的后续荷载， 可采用复合式衬砌（6） 二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳 定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提 高了支护体系的安全度。6、新奥法施工基本要点可归纳为以下7点：1洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而 衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩 的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁，就

20、能有效地防止围 岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支 撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束 状态，最为理想。2预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护 层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。其刚度 不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔 性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽 量不使其有弯矩破坏的可能。这种支护和传统的支护不同， 不是因受弯矩破坏，而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的 抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的 承载能力。一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷 设高质量的防水层，并修筑为提高安

21、全度的二次支护。前后 两次支护与围岩之间都只有径向力作用。3衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是 加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的 开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空 间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。4为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行 室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应 力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围 岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便 适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。量测监控是新 奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时 间的变化动态。衬砌的做法和施

22、作时间是依据围岩变位量测 决定的。5隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承 环和衬砌环组成的结构，且两者存在共同作用。圆筒只有在 闭合后才能在力学上起圆筒作用，所以除在坚硬岩层之外， 敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时，就相应地推迟了它的闭合时间 ，在隧道纵方向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。另外，为 防止引起围岩破坏的应力集中，断面应做到无角隅，最好采 用圆形断面，及开挖断面的圆顺性，以减小应力集中。6围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、衬 砌中仰拱的闭合时

23、间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化 因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。从应力重分 布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的 ；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩多次扰动受损。7岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前 提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的 经验，提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法 还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程 地质性质、坑道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素，需在 各种设计与施工规程的实施过程中，依据量测数据加以修 正。现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，

24、 后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后 提出设计。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充 分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加 以验证。7、新奥法适用范围1具有较长自稳时间的中等岩体；2弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；3强风化的岩石；4刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；5坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；6微裂隙的，但很少粘土的岩体；7在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩 石；在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合1有强烈地压显现的岩体；2膨胀性岩体（要与仰拱与底部锚杆相配合） ；3在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；4在蠕动性岩体中，要与冻

25、结法或预加固法等配合； 在下列场合中应用应慎重1大量涌水的岩体；2由于涌水会产生流砂现象的围岩；3极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；4开挖面完全不能自稳的岩体等。&矿山法与新奥法区别（1）理念不同：矿山法认为巷道围岩是一种荷载，应 用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种 承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷 射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成 支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致 松动破坏。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄 的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与 围岩紧密结合，形成围岩-支护系

26、统，保持两者的共同变形， 故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。新奥法允许围岩由一定量的变形，以利于发挥围岩的固 有强度。同时巷道的支护结构，也应具有预定的可缩量，以 缓和巷道压力。围岩的变形是控制在一定范围内的，必须避免围岩变形 过大，从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护 结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产生一定的变形，以 缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。新奥法施工过程中量测工作的特殊性由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复 杂性，以及对工程设计参数的精确要求，得要通过许多量测 手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护 结构工作状态进行监测。

27、并用监测结果修改初步设计，指导 施工。（2）施工条件和环境不同：新奥法与传统矿山法相比， 除了能节省大量木材外，还能及时施作，因而能有效的控制 围岩变形，并充分发挥围岩的承载能力。强调闭合支护使得 新奥法更符合岩体力学的原则，有利于稳定围岩；控制爆破 比常规爆破要优越得多，它能按设计要求有效的形成开挖轮 廓线，并能将爆破对围岩的扰动降低到最低的程度，新奥法 的分块在同样的条件下都要少于传统的矿山法，这是因为采 用了喷锚支护的缘故。同时，因为没有了矿山法中纵横交错 的密布的木支撑，使得新奥法施工的工作空间大为阔展，给 施工创造了有利条件。（3）新奥法明显进步在于隧道工程现场建立起信息收 集和信息

28、反馈系统，进而弄清了围岩、支护的变形及位移与 应力分布和变化的关系，为隧道设计和施工提供了可靠的依 据。这正是隧道及地下工程的基本特点所决定的，即对监控 量测信息施工的重视。（4） 新奥法和矿山法是在不同的历史时期创立起来的 专门系统工程技术，是隧道设计和施工的技术法则，而不是 般意义上的施工技术或施工方法，更不是“工法”。即新 奥法和矿山法表述的是各自的工程原理和技术指导原则，尤 其是新奥法的工程原理和技术指导原则与传统的工程技术 方法有很大的区别，它要求信息化的设计一施工组织模式。 如果没有在隧道施工现场建立起来有效的量测、监控系统， 并用于指导设计和施工，就妄谈什么“新奥法”。（5） 有

29、一种“矿山法包括新奥法，新奥法是矿山法的 一个分支”的说法是不正确的。二者解释原理、技术法则有 区别，但对其实施具有较多共同的方法和工艺。P6.第二部分 新奥法施工力学基础P7. 1、隧道结构物与地面建筑物的差异地面结构体系一般都是由结构和地基所组成 ，地基在结构底部起约束作用，除自重外，载荷来自外部。地下结构体系由周边围岩和支护结构所组成，即地下结 构=支护结构+周边围岩，而且以地层为主，各种围岩在很大 程度上是地下结构承载主体，支护仅用来约束地层，使它不 产生过大变形而破坏、坍塌。在稳固地层中可以不设支护结 构.如陕北的黄土窑洞。地下结构所承受的载荷主要来自地层 ,称为地层压力或围岩压力。在地下结构体系中 ，地层既是承载结构的主要组成部分，又是荷载的主要来源，这种二合一的机理与地面结 构完全不同。P8.隧道施工力学过程隧道开挖后的力学过程，需了解清楚 ：1、 隧道开挖、支护、衬砌就是围岩应力变化后、再分 布、再平衡的过程。2、 隧道的地质环境。3、 软围岩隧道施工十八字方针的意义（管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测） 。4、 开挖和支护过程，围岩内应力、应变有一定规律。5、 围岩稳定性判别准则和判据。6、 确定围岩