第六章隧道施工方法

隧道施工方法概述

主要開(kāi)挖方法介紹

新奧法的概念

隧道巖土控制變形分析工法（新意法）簡(jiǎn)介

隧道洞口施工主要內(nèi)容

第四節(jié)隧道巖土控制變形分析工法簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代中期，意大利的Pietro

Lunardi教授開(kāi)始對(duì)數(shù)百座隧道進(jìn)行理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并逐步創(chuàng)立了巖土控制變形分析法(ADECO-RS法)，該方法用中文解釋為“新意法”。

在過(guò)去數(shù)十年內(nèi)，“新意法”廣泛應(yīng)用于意大利的鐵路和公路領(lǐng)域，并已納入意大利的隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。“新意法”還應(yīng)用于歐洲其它一些國(guó)家的隧道項(xiàng)目。

Pietro

Lunardi.DesignandConstructionofTunnels,Analysisofcontrolleddeformationinrocksandsoils(ADECO-RS),20082006年10月，意大利特萊維集團(tuán)(TreviGroup)組團(tuán)來(lái)中國(guó)，考察了鄭西客運(yùn)專(zhuān)線黃土隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，并與中國(guó)同行進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。同年11月，在北京召開(kāi)的“中國(guó)高速鐵路隧道國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)”上，意大利特萊維集團(tuán)對(duì)“新意法”作了專(zhuān)題報(bào)告。在武廣客運(yùn)專(zhuān)線瀏陽(yáng)河隧道中，相關(guān)施工單位對(duì)

“新意法”的部分要素進(jìn)行了嘗試性應(yīng)用。截止目前，“新意法”還沒(méi)有在我國(guó)得到真正的應(yīng)用。

一、基本原理

隧道掘進(jìn)時(shí)對(duì)隧道周邊及前方一定范圍的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，改變了圍巖原始應(yīng)力狀態(tài)。在開(kāi)挖面周邊區(qū)域內(nèi)，圍巖由三軸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖面及前方一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布。開(kāi)挖后圍巖變形也在擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)提前發(fā)生。

當(dāng)開(kāi)挖面前方圍巖的應(yīng)力狀態(tài)處于彈性范圍內(nèi)時(shí)，在開(kāi)挖輪廓線附近產(chǎn)生彈性變形，稱(chēng)為“拱部效應(yīng)”，這時(shí)開(kāi)挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)；

如果開(kāi)挖后圍巖處于彈~塑性狀況，開(kāi)挖輪廓四周及開(kāi)挖面將朝隧道內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，“拱部效應(yīng)”將從開(kāi)挖輪廓周?chē)庖频降貙又校恕稗D(zhuǎn)移”只能通過(guò)足夠的支護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)和控制；

如果開(kāi)挖后圍巖產(chǎn)生破壞~滑移的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖大變形隨之產(chǎn)生，圍巖極不穩(wěn)定，“拱部效應(yīng)”難以形成，極易引起坍塌。這時(shí)必須采取人工支護(hù)措施協(xié)助圍巖形成“拱部效應(yīng)”。因此，隧道“拱部效應(yīng)”的形成及其位置取決于開(kāi)挖后圍巖的變形特征及其大小?；拘g(shù)語(yǔ)1、超前核心土：是隧道掌子面前方一定體積的土體，呈圓柱形，圓柱體的高度和直徑大致等于隧道直徑。3、隧道預(yù)收斂：是隧道掌子面前方的理論輪廓線的收斂變形，完全取決于超前核心土的強(qiáng)度及變形特性與其原始應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系。2、掌子面擠出變形：是開(kāi)挖介質(zhì)對(duì)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的變形反應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，主要發(fā)生在超前核心土內(nèi)；擠出變形的大小取決于超前核心土的強(qiáng)度、變形特征及其所處的原始應(yīng)力場(chǎng)；擠出變形發(fā)生在掌子面表面，沿隧道水平軸線方向發(fā)展，其幾何形狀大概呈軸對(duì)稱(chēng)(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋狀突出。開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究的三個(gè)階段

第三階段：進(jìn)行了人為調(diào)節(jié)和改良超前核心土強(qiáng)度以調(diào)節(jié)隧道變形的試驗(yàn)，研究了如何將超前核心土作為穩(wěn)定圍巖的工具。第二階段：試驗(yàn)證實(shí)所有變形及變形引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象均直接或間接與掌子面前方超前核心土的強(qiáng)度有關(guān)。

第一階段：確定了隧道三種變形類(lèi)型(掌子面擠出變形、預(yù)收斂變形及收斂變形)及相應(yīng)的隧道不穩(wěn)定的表現(xiàn)形式(圍巖脫落、剝落、掌子面坍塌及隧道塌方)。

開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究成果2、掌子面—超前核心土體系的變形反應(yīng)與隧道洞身變形之間存在直接聯(lián)系，前者是因，后者是果，從而強(qiáng)調(diào)對(duì)掌子面—超前核心土體系的變形反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要性，而不僅僅只對(duì)隧道洞身的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1、變形反應(yīng)從掌子面前方的超前核心土開(kāi)始，逐步沿隧道向后發(fā)展；變形反應(yīng)不僅包括收斂變形，而是由擠出變形、預(yù)收斂變形和收斂變形組成。收斂變形只是錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程的最后階段。開(kāi)挖介質(zhì)變形反應(yīng)研究成果3、對(duì)超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其剛度，可以控制超前核心土的變形(擠出變形及預(yù)收斂變形)，從而可控制隧道洞身的收斂變形。研究緒論證實(shí)：可以把超前核心土視作一種新的隧道長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定的工具；超前核心土的強(qiáng)度及變形特性是隧道變形的真正原因；可以通過(guò)對(duì)超前核心土進(jìn)行防護(hù)和加固，提高其強(qiáng)度，以達(dá)到控制超前核心土變形，并最終控制隧道變形的目的；超前核心土的強(qiáng)度和變形特性對(duì)隧道的長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定起決定作用二、實(shí)施要點(diǎn)

該工法分為兩個(gè)實(shí)施階段：在設(shè)計(jì)階段完成地質(zhì)勘察、診斷及處理措施設(shè)計(jì)；施工階段則邊實(shí)施作業(yè)邊監(jiān)控量測(cè)，然后優(yōu)化調(diào)整，使開(kāi)挖面和洞身結(jié)構(gòu)體系形成平衡，保持穩(wěn)定。設(shè)計(jì)階段勘察診斷處治設(shè)計(jì)階段實(shí)施監(jiān)測(cè)反饋

依據(jù)獲取的信息，將隧道各地段圍巖進(jìn)行分級(jí)(A、B、C三級(jí)24個(gè)亞級(jí))，每一分級(jí)條件下圍巖具有相似的地質(zhì)及地質(zhì)力學(xué)特征。1.設(shè)計(jì)階段(1)勘察階段(2)診斷階段(3)處治階段

在不采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）開(kāi)挖的情況下，可以依據(jù)下述原則：①盡量采用全斷面掘進(jìn)。②隧道開(kāi)挖后，根據(jù)不同級(jí)別的圍巖特性采取必要的預(yù)加固、預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)措施以減小變形、防止塌方。③施作混凝土二次襯砌，必要時(shí)用鋼筋混凝土二次襯砌，盡快澆注仰拱以阻止開(kāi)挖產(chǎn)生的極速變形。2.施工階段(1)實(shí)施階段

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入實(shí)施階段。根據(jù)設(shè)計(jì)確定的典型縱、橫斷面，進(jìn)行隧道開(kāi)挖和支護(hù)。對(duì)于軟弱不良地層，一般需要進(jìn)行超前加固，然后進(jìn)行全斷面機(jī)械化開(kāi)挖，進(jìn)度可達(dá)50m/月。(2)監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控和施工同時(shí)進(jìn)行，目的是監(jiān)測(cè)地層對(duì)開(kāi)挖和穩(wěn)定措施的真正反應(yīng)。反應(yīng)以變形現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)。為此，在開(kāi)挖面前方、開(kāi)挖面上及后方安裝合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。掌子面前方預(yù)收斂—分層沉降監(jiān)測(cè)儀擠出變形—滑動(dòng)式縱向測(cè)微計(jì)地表及地層收斂—桿式分層徑向變形儀收斂變形—特制條帶式變形計(jì)(3)設(shè)計(jì)調(diào)整

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析和解釋?zhuān)┕ぶ鞴軟Q定是否繼續(xù)按設(shè)計(jì)的斷面和施工方案進(jìn)行施工，或?qū)δ承┐胧┻M(jìn)行調(diào)整，以保證開(kāi)挖面和洞周?chē)鷰r之間的穩(wěn)定平衡，確保隧道建成。隧道完工后，必須繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，以保證隧道在整個(gè)壽命期的安全。1、地層變形反應(yīng)的分析方式不同新奧法對(duì)地層變形反應(yīng)的分析僅限于掌子面的后方，僅對(duì)隧道收斂進(jìn)行分析；新意法不僅對(duì)掌子面后方的地層變形反應(yīng)(收斂)進(jìn)行分析，而且更注重對(duì)掌子面及掌子面前方地層的變形反應(yīng)(掌子面擠出變形和預(yù)收斂)進(jìn)行分析。三、與新奧法的比較2、地層變形反應(yīng)的控制方式不同由于對(duì)地層變形反應(yīng)的分析方式不同，新奧法與新意法對(duì)地層變形反應(yīng)的控制方式也不同。三、與新奧法的比較新奧法采用錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、施作仰拱

等手段，僅對(duì)掌子面后方的隧道施加約束作用；新意法不僅要求隧道的支護(hù)措施(包括二次襯砌和仰拱)要與掌子面保持適當(dāng)距離，不能落后掌子面太遠(yuǎn)，對(duì)隧道提供連續(xù)的約束作用，而且要求對(duì)超前核心土采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)和加固措施，提高其強(qiáng)度和變形特性，對(duì)隧道提供超前約束作用。

第五節(jié)隧道洞口施工一、洞口地段的一般概念

隧道施工的洞口地段，是指隧道進(jìn)口(或出口)附近對(duì)隧道施工有影響的地段。

隧道洞口工程主要包括邊、仰坡土石方；邊、仰坡防護(hù)；端墻、翼墻等洞門(mén)圬工；洞口排水系統(tǒng)；洞口檢查設(shè)備安裝；洞口段洞身襯砌。

一般情況下，將由于隧道開(kāi)挖可能給上坡地表造成不良影響的洞口范圍稱(chēng)為洞口加強(qiáng)段。洞口位置明洞段過(guò)渡段洞口段隧道洞身段上下部開(kāi)挖分界線2~3m1~2D洞口位置

洞口地段的特點(diǎn)為：洞口地段地層一般較破碎，多屬堆積、坡積、嚴(yán)重風(fēng)化或節(jié)理裂隙發(fā)育的松軟巖層，穩(wěn)定性較差當(dāng)巖層層面坡度與洞門(mén)主墻開(kāi)挖坡度一致時(shí)，容易產(chǎn)生縱向推滑力；洞口附近山體覆蓋層較薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道處于溝谷一側(cè)或傍山時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生偏壓作用。二、洞口地段施工注意事項(xiàng)l.在場(chǎng)地清理作施工準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)平整洞頂?shù)乇?，排除積水，整理隧道周?chē)魉疁锨?。之后施做洞口邊、仰坡頂處的天溝?.洞口施工宜避開(kāi)雨季和融雪期。在進(jìn)行洞口土石方工程時(shí)，不得采用深眼大爆破或集中藥包爆破，以免影響邊、仰坡的穩(wěn)定。3.洞口部分圬工基礎(chǔ)必須置于穩(wěn)固的地基上。4.洞門(mén)拱墻應(yīng)與洞內(nèi)相鄰的拱墻襯砌同時(shí)施工連接成整體，確保拱墻連接良好。5.洞口段洞身施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素選擇開(kāi)挖方法和支護(hù)方式。6.洞門(mén)完成后，洞門(mén)以上仰坡腳受破壞處，應(yīng)及時(shí)處理。如仰坡地層松軟破碎，宜用漿砌片石或鋪種草皮防護(hù)。

洞口段施工中最關(guān)鍵的工序就是進(jìn)洞開(kāi)挖。隧道進(jìn)洞前應(yīng)對(duì)邊仰坡進(jìn)行妥善防護(hù)或加固，作好排水系統(tǒng)。洞口地段自然災(zāi)害及處置措施災(zāi)害現(xiàn)象問(wèn)題點(diǎn)主要措施滑坡由于洞口挖方破壞了原坡面的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致滑坡；在原地層滑坡線上開(kāi)挖，導(dǎo)致出現(xiàn)新的滑坡地表錨桿、注漿樁、深基樁、擋墻、土袋等崩塌落石在陡坡山崖處開(kāi)挖，即使圍巖條件較好也極可能出現(xiàn)崩塌或落石噴射混凝土、地表錨桿、錨索、防落石棚、注漿偏壓由于地形的非對(duì)稱(chēng)性，作用在隧道橫斷面上的荷載不平衡，加大隧道結(jié)構(gòu)上的壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剪切破壞。平衡壓重填土、護(hù)坡?lián)鯄Α⑼谇型馏w、減輕偏壓力泥石流泥石流的沖擊力極大，多從溝谷沖下，危害結(jié)構(gòu)物安全沿溝谷設(shè)梯級(jí)防沙壩雪崩與泥石流同樣具有極大沖擊力，多發(fā)生在溝谷或陡坡處沿溝谷設(shè)梯級(jí)防沙壩，洞口頂部設(shè)防護(hù)棚三、洞口的施工方法1、洞口段地層條件良好，洞口段圍巖為Ⅲ~Ⅳ級(jí)以上，宜采用臺(tái)階法進(jìn)洞（臺(tái)階長(zhǎng)度以1.5倍洞徑為宜），其爆破進(jìn)尺控制在1.5~2.5m，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及時(shí)做好支護(hù)。

洞口段開(kāi)挖方法的確定取決于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和地形條件、隧道自身構(gòu)造特點(diǎn)、施工機(jī)具設(shè)備情況、洞外相鄰建筑的影響等諸多因素。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際，綜合選定洞口段開(kāi)挖進(jìn)洞方案。三、洞口的施工方法2、洞口段圍巖為Ⅴ級(jí)及以下時(shí)，可采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）等分部開(kāi)挖法進(jìn)洞，開(kāi)挖前應(yīng)按設(shè)計(jì)對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固。3、對(duì)于淺埋和偏壓隧道，應(yīng)采用地表預(yù)加固和圍巖超前支護(hù)方法，做到“