1、,隧道施工技術(shù),長安大學(xué)陳建勛教授ChanganuniversityJian-xunCHEN,隧道施工的基本原則和理念隧道施工技術(shù)隧道施工案例日本隧道施工技術(shù),大斷面隧道施工技術(shù),隧道施工的基本原則和理念大斷面隧道施工技術(shù)隧道施工案例日本隧道施工技術(shù),隧道施工技術(shù),（一）隧道設(shè)計施工的兩大理論及其發(fā)展過程,隧道及地下洞室工程，其核心問題，都歸結(jié)在開挖和支護兩個關(guān)鍵工序上。即如何開挖，才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護：若需支護時，又如何支護才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。這是隧道及地下工程中兩個相互促進又相互制約的問題。,隧道施工的基本原則和理念,一、隧道施工的基本原則,一種理論是二十世紀2

2、0年代提出的傳統(tǒng)的“松弛荷載理論”。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載；不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統(tǒng)的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問題的思想，至今仍被廣泛的應(yīng)用著。,隧道施工的基本原則和理念,另一種理論是二十世紀50年代提出的現(xiàn)代支護理論，或稱“巖承理論”。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲

3、、米勒-菲切爾、芬納-塔羅勃和卡斯特奈等人。,隧道施工的基本原則和理念,這是一種比較現(xiàn)代的理論，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問題的思路，而更接近于地下工程實際，半個世紀以來已被廣泛接受和推廣應(yīng)用，并且表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。,隧道施工的基本原則和理念,由以上可以看出，前一種理論更注意結(jié)果和對結(jié)果的處理；而后一種理論則更注意過程和對過程的控制，即對圍巖自承能力的充分利用。由于有此區(qū)別，因而兩種理論體系在過程和方法上各自表現(xiàn)出不同的特點。收斂-約束法是巖承理論在隧道工程實踐中的代表方法。,隧道施工的基本原則和理念,（二）用一個彈簧來理解收斂-約束法的力學(xué)原理,1.隧道開挖前力學(xué)狀態(tài),隧道施工的基本原則

4、和理念,2.隧道開挖后力學(xué)狀態(tài),隧道施工的基本原則和理念,3由力學(xué)平衡方程可知，彈簧在P0作用時處于平衡狀態(tài)；彈簧在發(fā)生變形u后，在PE的作用下又處于平衡狀態(tài)，假設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為K，則有：,P0=PE+Ku,隧道施工的基本原則和理念,4.對公式P0=PE+Ku的討論（1）當u=0時，P0=PE即不允許圍巖變形，采用剛性支護，不經(jīng)濟；（2）當u時，PE；當u時，PE即圍巖發(fā)生變形，可釋放一定的荷載（卸荷作用），所以要允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。是一種經(jīng)濟的支護措施，圍巖的自穩(wěn)能力P=P0-PE=Ku；（3）當u=umax時，發(fā)生塌方，產(chǎn)生松馳荷載，不安全。,隧道施工的基本

5、原則和理念,5要點（1）圍巖是受洞室開挖影響的那一部分巖（土）體，圍巖是三位一體的即：產(chǎn)生荷載、承載結(jié)構(gòu)、建筑材料。（2）隧道是修筑在應(yīng)力巖體中的，具有特殊的建筑環(huán)境，不能等同于地面建筑。（3）隧道結(jié)構(gòu)體系=圍巖+支護體系。,隧道施工的基本原則和理念,6隧道設(shè)計施工的基本原則（要點）（1）巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應(yīng)當采用控制爆破（光面爆破、預(yù)裂爆破）或機械掘進。（2）應(yīng)允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大大

6、降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時筑砌又能隨時加強的柔性支護結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護等,隧道施工的基本原則和理念,6隧道設(shè)計施工的基本原則（要點）（3）通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進行設(shè)計變更及日常的施工管理。即實施施工監(jiān)控量測。（4）為了防止隧道滲漏水，或為了承受由于錨桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌（初期支護防水層二次襯砌）。（5）為了改善支護結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。,隧道施工的基本原則和理念,二、隧道施工的基本理念,隧道施工的基本

7、理念：愛護圍巖、內(nèi)實外美、重視環(huán)境、動態(tài)施工。所謂愛護圍巖：一層含義是不損傷或少損傷遺留圍巖的固有支護能力，這可以通過采用機械開挖技術(shù)和控制爆破技術(shù)予以解決；一層含義是通過各種手段和方法增強圍巖的支護能力，如采用支護技術(shù)、加固或予加固技術(shù)以及各種輔助施工技術(shù)等。這些技術(shù)形成了隧道施工的核心技術(shù)。所謂內(nèi)實外美：關(guān)鍵是內(nèi)實，而內(nèi)實的關(guān)鍵就是要做到四密實，即：混凝土密實、噴混凝土密實、噴混凝土與圍巖密實、二次襯砌與初期支護密實。這牽涉到混凝土、噴混凝土、回填、支護接觸等技術(shù)。,隧道施工的基本原則和理念,所謂重視環(huán)境：一層含義是指內(nèi)部環(huán)境，即施工作業(yè)環(huán)境；一層是對外部環(huán)境，即對周邊環(huán)境的影響。重視環(huán)境

8、是時代的要求，許多環(huán)境技術(shù)都是因時代的變遷而得到發(fā)展，許多基準都是因環(huán)境的要求而制定。所謂動態(tài)施工：是指隧道施工過程中地質(zhì)條件是不斷變化的，力學(xué)動態(tài)是不斷變化的，因而采用的各種施工方法和技術(shù)也應(yīng)該是不斷變化的，來適應(yīng)這種不斷變化的過程。因此，隧道施工的各種決策都要在施工階段的地質(zhì)技術(shù)、施工階段的量測技術(shù)和施工階段的質(zhì)量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進行管理。,隧道施工的基本原則和理念,隧道施工技術(shù),隧道施工的基本原則和理念隧道施工技術(shù)隧道施工案例日本隧道施工技術(shù),隧道施工技術(shù),公路隧道建設(shè)寬度分級,隧道施工：開挖和支護,核心問題：（1）如何開挖，方能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護；（2）若需要支護時，又如何支

9、護才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。,隧道施工技術(shù),一、隧道主要施工（開挖）方法,隧道施工技術(shù),全斷面開挖法,隧道施工技術(shù),環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,隧道施工技術(shù),雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,隧道施工技術(shù),機械化施工,mechanizedconstruction,隧道施工技術(shù),（一）概述軟弱圍巖的自支護能力比較弱，甚至沒有自支護能力。因此，在軟弱圍巖中施工最重要的是：如何提高圍巖的自支護能力，來保證開挖及后續(xù)作業(yè)的進行。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，基本方法是控制圍巖的松弛、流失。原則是：穩(wěn)定掌子面、及時閉合和加固地層。具體方法：1）穩(wěn)定掌子面的方法：正面噴混凝土和錨桿；超前支護；留核心土。2）及時閉合的方法：臨時仰拱或

10、底部橫撐；加強基腳；向底部地層注漿加固；底部錨桿；改變施工方法。3）加固地層：注漿加固；超前支護；地表面加固。,二、軟弱圍巖大斷面隧道修建技術(shù),隧道施工技術(shù),（二）掌子面自穩(wěn)性評價,日本根據(jù)近9000個掌子面的數(shù)據(jù)，其中典型的崩塌事例列于表。,隧道施工技術(shù),掌子面崩塌現(xiàn)象:（1）在斷層中，根據(jù)斷層破碎程度可能產(chǎn)生小的崩塌，也可能出現(xiàn)很大規(guī)模的崩塌，可能出現(xiàn)一次，也可能出現(xiàn)多次。（2）在互層圍巖中，崩塌一般多是小規(guī)模的。例如第三紀的砂巖頁巖互層，可能由于少量的涌水使固結(jié)度低的砂巖層流出，殘留的泥巖也會呈塊狀剝落。崩塌的程度因砂巖的固結(jié)度、層理面間隔、層理面的固結(jié)度、砂巖層的滯水水量、水壓等而異。

11、崩塌的時間多在涌水狀況有急劇變化的時期發(fā)生。（3）在強風(fēng)化的圍巖中，會產(chǎn)生比較大的崩塌，有涌水時崩塌的規(guī)模會更大。,隧道施工技術(shù),（4）在有層理面的容易崩塌的圍巖中，會產(chǎn)生比較大規(guī)模的崩塌。根據(jù)層理面的強度、涌水的狀況，在幾小時內(nèi)就會產(chǎn)生多次崩塌，瞬時發(fā)生大規(guī)模崩塌的情況也不少。（5）在砂層中，多發(fā)生比較小規(guī)模的和中等規(guī)模的崩塌。在沒有涌水的砂礫層中，掌子面可能是自穩(wěn)的，但會從拱頂發(fā)生小規(guī)模的掉落。埋深對掌子面的自穩(wěn)定性也有很大影響。淺埋與深埋相比，主要是淺埋難以形成承載拱。同時，在這種情況下多數(shù)會有地形偏壓、表層軟弱堆積物、風(fēng)化帶等對隧道開挖有很大影響的特殊問題。,隧道施工技術(shù),圖1埋深與隧

12、道縱斷面內(nèi)的下沉a)開挖上半斷面（埋深小時）；b)開挖下半斷面（埋深小時）；c)開挖上半斷面（埋深大時）；d)開挖下半斷面（埋深小時）。,圖2地表下沉,隧道施工技術(shù),（三）穩(wěn)定掌子面的方法,有代表性的穩(wěn)定掌子面的工法的分類列于表1。,表1穩(wěn)定掌子面工法的分類,隧道施工技術(shù),掌子面穩(wěn)定性降低的原因，視圍巖條件而異，在多數(shù)情況下，可考慮以下幾點：凝聚力不足而崩塌（未固結(jié)圍巖、裂隙性圍巖）；因地下水而崩塌（未固結(jié)圍巖、裂隙性圍巖）；因強度不足產(chǎn)生大變形而崩塌（膨脹性圍巖）。此外，作為特殊情況，也有掌子面沿地質(zhì)結(jié)構(gòu)面擠出的情況。根據(jù)功能不同，穩(wěn)定掌子面的方法可分為以下幾種：支持圍巖的（超前支護、短管棚

13、等）；改良圍巖的（注漿等）；發(fā)揮錨桿作用的（斜錨桿、正面錨桿等）；噴混凝土加強的等。,隧道施工技術(shù),（四）控制地層松弛的加固方法穩(wěn)定圍巖和控制地表下沉的方法包括：（1）壓注法以加固圍巖、止水為目的而采用的工法。向砂質(zhì)土壓注易于獲得較好的效果，在黏性土中的效果不好。為進行有效地壓注，要采用與圍巖性質(zhì)相適應(yīng)的藥液和方法。（2）凍結(jié)法在山嶺隧道中采用較少，但其加固圍巖、止水的效果非常好，可靠性高。在軟弱粉砂層、大量涌水圍巖、接近結(jié)構(gòu)物施工的場合是很合適的。缺點是從準備時間到發(fā)揮效果的時間很長。,隧道施工技術(shù),（3）垂直錨桿法是一種用錨桿從隧道上方加固地層的一種方法。一般從地表面鉆60125mm的鉆孔

14、，而后插入鋼筋。其作用是：利用砂漿和周邊圍巖的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止洞口滑坡，施工實例較多。,隧道施工技術(shù),（4）管棚法一般多在洞口施工時采用。根據(jù)使用的鋼管直徑分類，有小直徑鋼管管棚和中、大直徑鋼管的管棚。在埋深小的隧道，正上方有建筑物時，也可采用此法。最近，利用特殊的鉆孔機械，邊鉆孔、邊注漿，在土砂隧道中產(chǎn)生較好的效果。,隧道施工技術(shù),（5）水平高壓旋噴法在掌子面與隧道軸線平行，用特殊機械鉆孔，同時向管體內(nèi)高壓噴射水泥漿液，形成5070cm的圓柱體的工法。材料3天的強度可達810MPa，改善圍巖的效果很高。是改善掌子面自穩(wěn)性和控制地表下沉的較好的方法。但施工設(shè)備多，系統(tǒng)龐大。,大

15、斷面隧道施工技術(shù),（6）隔斷墻法一般作為止水的輔助工法采用，但也有用于控制地表下沉的對策而采用的。它可以降低開挖引起的地表下沉及其向周圍的傳播。在隧道兩側(cè)用剛性材料構(gòu)筑地中墻，用以隔斷下沉向周圍的波及。施工時要注意地表條件的影響。,（7）預(yù)襯砌法應(yīng)該指出，控制圍巖松弛和地表下沉的方法，許多是與止水方法相聯(lián)系的，很難截然分開。為了說明的方便，一些方法將在地下水對策中加以說明。,隧道施工技術(shù),隧道施工技術(shù),（五）斷面及時封閉在軟弱圍巖中，斷面及時閉合是成功的關(guān)鍵，許多工程實踐，都充分地證實了這一點。我們在這方面的教訓(xùn)也是深刻的。在任何情況下，使隧道斷面能在較短時間內(nèi)閉合是極為重要的，在巖石隧道中，

16、因圍巖的結(jié)構(gòu)作用，能“自封閉”；而在軟弱、土砂圍巖中，則必需改變“重視上部支護、忽視斷面閉合”的做法。,隧道施工技術(shù),圖1臨時仰拱施工例,（1）臨時仰拱在臺階法中，常常采用修筑臨時仰拱的方法，如圖。,隧道施工技術(shù),（2）改變施工方法如將全斷面法改為超短臺階法，或?qū)D法改為CRD法等，也可以大大縮短斷面封閉時間?！纠緾D法與CRD法日本望洋臺隧道是長401m的2車道公路隧道。圍巖是軟弱的土砂，埋深很小，隧道進口位于滑坡地形，為了控制滑坡，采用了抗滑樁和集水井。開挖隧道時，為確保掌子面的穩(wěn)定，采用了CRD法，同時進行了大范圍的實地量測，一邊確認隧道和周邊圍巖的穩(wěn)定，一邊進行控制變形和拆除中壁的

17、作業(yè)，整個工程安全地建成圖1。該隧道埋深最大為1.2D（D：隧道開挖寬度，約15m）。整個隧道以未固結(jié)的土砂為主。圍巖的N值在15左右，變形系數(shù)為70Pa左右。距隧道進口170m范圍，顯著地受滑坡影響。,隧道施工技術(shù),圖1CD法施工示意圖,隧道施工技術(shù),從試驗施工中可得到：斷面的位移從拱頂?shù)焦安看蠖际窍鲁恋内厔?，變化緩慢，下沉值最大?mm左右；如設(shè)中壁拆除后的累計下沉值為100%，則拆除前后產(chǎn)生的下沉值的比率大約是10%，最大是13%；構(gòu)件的應(yīng)力變化小，全閉合時的中壁應(yīng)力大，拆除時應(yīng)力向拱部周邊重新分布；拆除后對隧道縱向的影響很小，拆除前后變化1mm左右的范圍約在1.3D；拆除長度最大的情況

18、是10m/日，沒有觀測到異常位移。根據(jù)量測結(jié)果的反分析求出圍巖的變形系數(shù)，再進行正分析評價隧道的穩(wěn)定性。,隧道施工技術(shù),在CD和CRD法中一個關(guān)鍵技術(shù)是中壁的拆除工藝。在中壁拆除作業(yè)的施工管理中最重要的問題是判定中壁拆除時間和中壁拆除后的安全性。一般在隧道施工中維護斷面的穩(wěn)定基本上是用拱頂下沉和凈空收斂來判定的。因此，在中壁拆除時間的判定和作業(yè)的安全性基準，也是以這種方法為依據(jù)的?；鶞手担禾岢鲆r砌施工階段的位移收斂，大致是“1周的位移增量在1mm以下”，因此在拆除中壁時一般也要參考這個基準基于實測數(shù)據(jù)決定管理基準。考慮前后臺階的進度，在拱頂下沉7天內(nèi)增量在2mm以下，作為拆除中壁的基準。即：拱

19、頂下沉量：7天的增量小于2mm；凈空收斂值：7天增量小于4mm（拱頂下沉的2倍）。,隧道施工技術(shù),安全性問題：根據(jù)計算中壁拆除后的下沉增量是12mm，因此決定拱頂下沉的增量12mm作為管理水平，并提出表2的中壁拆除的管理基準。,表2中壁拆除的管理基準,隧道施工技術(shù),（六）有關(guān)臺階長度問題臺階長度之所以定為1倍洞徑（D），主要因為：承載拱的跨度約為1倍洞徑。在1倍洞徑區(qū)段周圍地層產(chǎn)生橫向和縱向兩個承載拱的作用，這對開挖是有利的，臺階長度超過1倍洞徑將失去縱向承載拱受力結(jié)構(gòu)，僅有橫向平面承載拱受力結(jié)構(gòu)。上臺階若選用大于1.5倍洞徑的長臺階，在開挖時縱向變位大，上臺階斷面形狀不利于受力，而且容易引起

20、周圍地層松動，塑性區(qū)增大，造成拱腳附近受力大而使其失去穩(wěn)定性。上臺階若過短，小于1倍洞徑，因洞內(nèi)縱向破裂面超過工作面，易造成洞頂土體下滑，引起工作面不穩(wěn)定，所以軟弱地層不能采用短臺階法施工，但是若用硬巖爆破法施工時，為了便于風(fēng)鉆打眼，可設(shè)置超短臺階。,隧道施工技術(shù),縱向承載拱上臺階過長引起松動荷載開挖過程縱向變位影響長度,隧道施工技術(shù),從安全角度考慮，臺階長度定為1倍洞徑是合理的，施工機械的配置也應(yīng)遵守這個原則。因此，在采用正臺階法施工時，應(yīng)樹立一個概念，不要分長臺階、短臺階、微臺階，這是長期施工經(jīng)驗教訓(xùn)的總結(jié)，有關(guān)施工規(guī)范中也取消了這種說法，也不再提半斷面法開挖。需要說明的是，在V級砂卵石地

21、層中進行大斷面正臺階開挖，必須同時實施深孔注漿和小導(dǎo)管超前支護、預(yù)注漿輔助工法。,隧道施工技術(shù),隧道施工技術(shù),隧道施工的基本原則和理念隧道施工技術(shù)隧道施工案例日本隧道施工技術(shù),工程案例1大跨黃土隧道施工方法1、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法適用于地層較穩(wěn)定，但掌子面可能坍塌而引起前方圍巖失穩(wěn)，其實際為臺階法的一種，拱部采用環(huán)形導(dǎo)坑開挖，利用核心土施壓掌子面，下部開挖也是先開挖兩側(cè)，保持中部巖柱不動，其核心是保持掌子面穩(wěn)定。該方法廣泛應(yīng)用于雙線黃土隧道和公路隧道的施工，其特點工序簡單，施工進度快，但對大跨隧道和新黃土隧道有一定的安全風(fēng)險。,臺階七步開挖法：,洞身開挖采用臺階七步開挖法施工，是指在隧道開挖過程中，分七個開挖面，以前后七個不同的位置相互錯開同時開挖，然后分部同時支護，形成支護整體，縮短作業(yè)循環(huán)時間，逐步向縱深推進的作業(yè)方法。,第1步：拱部進行超前支護后，采取上弧導(dǎo)預(yù)留核心土短臺階開挖。開挖后及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設(shè)工字鋼架并復(fù)噴至設(shè)計厚度，形成較穩(wěn)定的承載拱。第2、3步：在承載拱的支護下，分別開挖中導(dǎo)左右邊墻，以一定的時間差進行中導(dǎo)邊墻初期支護，使同一斷面處暴露開挖面僅