隧道工程隧道施工方法.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,第六章隧道施工方法,隧道施工方法概述,主要开挖方法,新奥法的概念,隧道岩土控制变形分析工法简介,隧道洞口施工,主要内容,铁路隧道工程施工技术指南,TZ204-2008,铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南,TZ321-2007,铁路隧道监控量测技术规程,TB 10121-2007,铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南,铁建设,2007106,号,铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南,(,试行,),经规标准,2007119,号,铁路隧道施工机械配置的指导意见,铁建设,2008777,号,客运专线铁路隧道工程施工技术指南,TZ214-2005,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准,铁建设,2005160,号,新,施工指南,参考书,第一节 隧道施工方法概述,一、隧道施工的概念,隧道施工,是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。,隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道长期地安全使用。,隧道工程特点,隧道工程全部为,隐蔽工程,，工程地质和水文十分重要，甚至起决定性的作用；,隧道施工,工作面少,(,正常情况下只有进、出口两个工作面,),，工期较长；,隧道,施工环境差,，采取有效措施加以改善；,工程施工不受季节变换及气候变化的影响；,施工工地一般都位于偏远的深山狭谷之中，往往远离既有交通线，运输不便，供应困难；,隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改，所以，除了事先必须审慎规划和设计外，施工中还要做到不留后患。,隧道施工方法可按以下方式分类：,传统矿山法,隧道施工方法,山岭隧道,施工方法,浅埋及软土,隧道施工方法,水底隧道,施工方法,矿山法（钻爆法）,掘进机法,新奥法,地下连续墙法,盖挖法,明挖法,浅埋暗挖法,盾构法,沉埋法,盾构法,隧道施工方法的选择,主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。,施工方法选择需要考虑的因素,工程的重要性。,一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；,地质和水文条件，,其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等,施工技术条件和机械装备状况,围岩级别,是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。,实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本的因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。,施工,中动力和原材料,供应情况,；,隧道的,横断面积,隧道横断面的形状和尺寸，对施工方法选择也有一定的影响。,隧道的,埋深,隧道的埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，在同样的地质条件下，由于埋深不同，施工方法也有很大差异。,工期,作为设计条件之一的工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因此，工期决定了在均衡生产的条件下，对应配备的开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。,工程投资与运营后的,社会效益和经济效益,；,施工安全状况。,有关污染、地面沉降等,环境方面,的要求和限制。,当隧道施工对周围环境产生不良影响,(,如爆破震动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等,),时，环境条件也成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在某些条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。,应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。,从目前我国山岭隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，仍以采用,新奥法,为主，这也符合世界潮流。,二、山岭隧道的常规施工方法,山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法。,将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“,传统的矿山法,”；,将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“,新奥法,”。,第二节 新奥法的概念,新奥法,即奥地利隧道施工新方法,(,NATM,),，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。,核心内容,：充分保护，利用围岩的承载能力。,施工要点,：控制爆破、锚喷支护和施工监测。,实施方法,：设计、施工和监测三位一体的动态模式。,新奥法施工程序,施工准备,确定施工方案,开挖,是否符,合管理,基准？,防水隔离层,二次支护,竣 工,是,修改施工方案,改变开挖方法和顺序,修正支护参数,否,初期支护,量测监控,必要时须超前支护或预先进行地层改良,隧道施工应遵循的基本精神和原则,在施工中必须充分保护围岩，避免过渡破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，因此，采用控制爆破技术是必要的；,为了充分发挥围岩的承载力，应允许并控制围岩的变形,允许围岩变形达到不在围岩中形成松弛的量级；,必须限制围岩变形，使围岩不会过渡松弛而丧失或大大降低承载力；,变形的控制主要通过支护阻力,(,即各种支护结构,),的效应达到的；,支护结构的类型,支护结构参与工作的时间,各种支护手段的相互配合,底部封闭时间,1,次掘进长度,必须在施工中进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计；,在施工过程中，必须建立设计施工检验地质预报量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断的提高和完善隧道施工技术；,选择支护手段，一般应选择大面积、牢固与围岩紧密接触、能及时施设和应变能力强的支护手段；,在可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法；,多采用喷砼、并与锚杆、金属网联合使用,要与钢支撑或格栅等配合使用,临时仰拱也是重要的、不容忽视的支护手段,在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的；,为保证二次衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。,新奥法施工的基本原则可以归纳：,少扰动,开挖时要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。,早支护,开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。,勤量测,指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩,(,或围岩加支护,),的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法,紧封闭,一方面指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减。另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。,开挖方法分类：,1,全断面法,(,全断面法、导洞超前全断法,),2,台阶法,(,两台阶、三台阶、三台阶七步开挖法、环形导坑预留核心土法等,),3,中隔壁法,(,中隔壁法和交叉中隔壁法,),4,侧壁导坑法,(,单侧壁导坑法和双侧壁导坑法,),5,其他方法,(,中洞法和洞桩法等,),第三节 主要开挖方法,对于上述3种隧道断面形式，均在隧道掌子面后方施作初期支护(包括钢支撑和喷射混凝土)，并施作仰拱使隧道封闭成环，最后施作二次混凝土衬砌。,(3)隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。,中隔壁一次拆除长度不宜大于15m。,第四节 隧道岩土控制变形分析工法简介,3）套拱段拱架安设时要保证中线、法线的准确，其安设误差在允许误差范围之内，保证其不偏、不斜、不前俯、不后仰，并对上断面脚部按设计抬高5cm。,施工阶段则边实施作业边监控量测，然后优化调整，使开挖面和洞身结构体系形成平衡，保持稳定。,七、交叉中隔壁法(CRD),在施工过程中，必须建立设计施工检验地质预报量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断的提高和完善隧道施工技术；,第一阶段：确定了隧道三种变形类型(掌子面挤出变形、预收敛变形及收敛变形)及相应的隧道不稳定的表现形式(围岩脱落、剥落、掌子面坍塌及隧道塌方)。,一、洞口地段的一般概念,铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南TZ321-2007,在,选择开挖方法,时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工区长度、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析，采用恰当的开挖方法。,隧道施工地质条件变化时，应及时变更设计，调整施工方法，做好工序衔接，并采用相应的辅助施工措施，以保证施工安全。,仰拱和填充应超前拱墙衬砌施工，并适度紧跟开挖工作面。,全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。,一、全断面开挖法,适用条件,(1)IIV,级围岩，在用于,级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。,(2),有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。,(3),隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于,lkm,，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。,流程图,流程图,隧道机械化施工作业线,全断面法施工特点,(1),开挖断面与作业空间大、干扰小；,(2),有条件充分使用机械，减少人力；,(3),工序少，便于施工组织与管理，改善劳动条件；,(4),开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。,全采用全断面法应注意的问题,(1),摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；,(2),各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；,(3),加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；,为控制超欠挖，提高爆破效果，有条件时可采用导洞超前的方法进行全断面开挖,下导洞一般超前全断面,510m,，其循环进尺为,23m,。,二、下导洞超前法,优点：,下导洞能起到超前地质预报作用，便于采取应急措施，防患于未然。,当地下水较丰富时，利用超前下导洞降低地下水位效果好，对于大断面隧道尤为适用；,隧道下导洞进行作业，没有二次倒运，便于大型机械出碴、运料。扩挖时爆破临空面大，对围岩扰动也相对较小，各种消耗也较节省；,适用条件：,单线隧道,、,级围岩；,双线隧道,、,级围岩；,地下水状态：有渗水或股水。,三、台阶法,台阶法可以按,台阶长度,、,开挖分部,分为多种形式。,可根据地层条件、断面大小和机械配备情况选用。,根据台阶长度不同,，划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种。,施工中采用哪一种台阶法，要根据两个条件来决定，,第一,是对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短，,第二,是对上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备需要施工场地大小的要求。,根据开挖分部,，台阶法可分为上下两部分台阶法、上中下三步台阶法、三台阶七步开挖法、弧形导坑预留核心土法等。,流程图,适用条件：,两部台阶法可用于双线隧道,III,级以上围岩，也可用于单线隧道,IV,级以上围岩地段。,三部台阶法可用于客运专线双线隧道,III,、,IV,级围岩、单线隧道,VI,级围岩。,台阶法施工应符合下列规定：,根据围岩条件和施工机械配备情况合理确定台阶长度、台阶高度及台阶数量，其各部形状应有利于保持围岩稳定时的前提下尽量便于机械作业。,当围岩自稳能力较好，隧道开挖跨度不大时，为方便作业，台阶长度宜控制在,1050m,以内，围岩稳定性较差时，台阶长度宜控制在,310m,。,上部断面使用钢架时，可采用扩大拱脚和施作锁脚锚杆,(,管,),等措施，防止拱部下沉变形。上下断面初期支护钢架连接应平顺，螺栓连接应牢固。,台阶法施工应符合下列规定：,围岩整体性较差时，施工中应采取措施减少下部开挖时对上部围岩和支护的扰动，下部断面开挖应两侧交错进行，下部断面应在上部断面喷混凝土达到一定强度后开挖。,当围岩不稳定时进尺宜为,11.5m,，落底后应立即施作初期支护。,仰拱应及时施作，使支护及早闭合成环。,1,、长台阶法,长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用于地质条件较差的,、,、,V,级围岩,长台阶法,1,2,5,L,1,2,L,2,、短台阶法,1,2,L,1,2,(11.5),L,短台阶法,适用于地质条件差的,、,V,级围岩，台阶长度定为,1015m,，即,12,倍开挖宽度，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此台阶长度不宜过短。,优点：,短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。,缺点：,上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。,采用短台阶法时应注意的问题：,初期支护全断面闭合要在距开挖面,30m,以内，或距开挖上半断面开始的,30,天内完成。,初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合。,要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。,1,2,35m,微台阶法,1,2,L,3,、微台阶法,适用于,，,，,级围岩，一般为,35m,的台阶长度。,微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。,上台阶弧形导坑领先，下台阶两侧开挖，再开挖中部核心土。,四、弧,(,环,),形导坑预留核心土法,流程图,施工要求：,环形开挖进尺一般为,0.51.0m,；,开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两,榀钢架之间采用钢筋连接，并加锁脚锚杆，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过,30m,；,预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求；,必要时进行超前支护；,上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开,35m,进行平行作业。,特点：,开挖工作面稳定性好；施工干扰大、工效低,适用条件：,适用于具有一定自稳条件的单线隧道,IV,、,V,级围岩地段，也可适用于具有一定自稳条件的双线隧道,III,、,IV,级围岩地段。,对于稳定性较好的双线隧道,III,级围岩及单线隧道,IV,级围岩也可不预留核心土。,五、三台阶七步开挖法,三台阶七步开挖法是以弧形导坑预留核心土法为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。,流程图,流程图,适用条件：,适用于具有一定自稳条件的单线隧道,IV,、,V,级围岩地段，也可适用于具有一定自稳条件的双线隧道,III,、,IV,级围岩地段。,对于稳定性较好的双线隧道,III,级围岩及单线隧道,IV,级围岩也可不预留核心土。,施工要求：,三台阶七步开挖法应以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破，各分步平行作业，平行施作初期支护，各分部初期支护应衔接紧密，及时封闭成环。,仰拱应紧跟下台阶施作，及时闭合构成稳固的支护体系。,拱部超前支护完成后，环向开挖上台阶弧形导坑，预留核心土长度宜为,35m,，宽度宜为,(1/31/2)B,。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过,1.5m,，上台阶开挖矢跨比应大于,0.3,。,施工要求：,中台阶及下台阶左、右侧开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过,1.5m,，开挖高度宜为,33.5m,，左、右侧台阶错开,23m,。,上、中、下台阶预留核心土开挖进尺与各台阶循环进尺一致。,仰拱循环开挖长度宜为,23m,，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为,46m,。,六、中隔壁法,(CD),中隔壁法,(CD,法,),是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在隧道一侧采用二部或三部分层开挖，施作初期支护和中隔墙临时支护，再分台阶开挖隧道另一侧，并进行相应的初期支护的施工方法,流程图,流程图,适用条件：,适用于,IVV,级围岩的隧道，也可用于浅埋地段隧道。,施工要求：,1,、,中隔壁法左右部的台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工设备确定。每侧按两部或三部分台阶开挖，开挖后应及时施作初期支护、中隔壁；两侧先后距离宜保持,1020m,，上下断面的距离宜保持,35m,。,2,、,各部开挖时，相邻部位的喷混凝土强度应达到设计强度的,70%,以上。,施工要求：,3,、,先行侧的中隔壁应设置为向外鼓的弧形。,4,、,中隔壁在浇筑仰拱前逐段拆除。中隔壁一次拆除长度不宜大于,15m,。临时支护拆除后应及时施作仰拱和二次衬砌。,5,、,特殊情况下可将中隔壁浇筑在仰拱中，待铺设防水板时再割断。,七、交叉中隔壁法,(CRD),交叉中隔壁法,(CRD),法是分部开挖、支护，分部闭合成小环，最后全断面闭合成大环。每开挖一部均及时施作初期支护、中隔壁及临时仰拱。,流程图,适用条件：,适用于,V,、,VI,级围岩及围岩较差的浅埋地段隧道。,施工要求：,根据地质条件，隧道断面的分部，应以初期支护受力均匀，便于发挥人力、机械效率为原则，一般水平方向分两部，上下分二至三步开挖。,先行施工部位的临时支撑,(,中隔壁、临时仰拱,),，均应有向外,(,下,),鼓的弧度。,各部开挖及支护应自下而上，开挖后及时施作初期支护、中隔壁、临时仰拱，步步成环。,施工要求：,同一层左右两部分开挖工作面相距不宜大于,15m,，上下层开挖工作面相距宜保持,34m,，且待喷混凝土达到设计强度的,70%,后开挖相邻部位。,宜缩短各部开挖工作面的间距，使初期支护尽早封闭成环。,根据监测结果，中隔壁及临时仰拱在仰拱浇筑前逐段拆除，每段拆除长度宜不大于,15m,。,八、双侧壁导坑法,(,眼镜工法,),双侧壁导坑法是先开挖隧道两侧导坑，及时施作导坑四周初期支护及临时支护，然后再根据地质条件、断面大小，对剩余部分采用二部或三部开挖的方法。,流程图,适用条件：,一般用于双线隧道,V,、,VI,级围岩及浅埋地段。,施工要求：,侧壁导坑形状宜近于椭圆形断面，导坑断面宽度宜为整个断面的,1/3,。,侧壁导坑、中槽部位宜采用短台阶开挖，各部距离应根据隧道埋深、断面大小、结构类型等选取。各部开挖后应及时进行初期支护及临时支护，并尽早封闭成环。,施工要求：,两侧壁导坑超前中槽部位,1015m,，可独立同步开挖和支护；中槽部位采用台阶法开挖，并保持平行作业。,中槽开挖后，拱部钢架与两侧壁钢架的连接是难点，在两侧壁导坑施工中，钢架的位置应准确定位，确保各部架设钢架连接后在同一个垂直面内，避免钢架发生扭曲。,根据量测信息，初期支护稳定后拆除临时支护，一次拆除长度不得大于,15m,，并加强监测。,临时支护拆除完成后，应及时施作仰拱及二次衬砌。,第四节 隧道岩土控制变形分析工法简介,20,世纪,70,年代中期，意大利的,Pietro Lunardi,教授开始对数百座隧道进行理论和现场试验研究，并逐步创立了,岩土控制变形分析法,(ADECO-RS,法,),，该方法用中文解释为“,新意法,”。在过去数十年内，“新意法”广泛应用于意大利的铁路和公路领域，并已纳入意大利的隧道设计和施工规范。“新意法”还应用于欧洲其它一些国家的隧道项目。,Pietro Lunardi.Design and Construction of Tunnels,Analysis of controlled deformation in rocks and soils (ADECO-RS),2008,2006,年,7,月，铁道部有关领导考察了意大利高速铁路隧道施工现场。,2006,年,10,月，意大利特莱维集团,(Trevi Group),组团来中国，考察了郑西客运专线黄土隧道施工现场，并与中国同行进行了学术交流。同年,11,月，在北京召开的“中国高速铁路隧道国际学术研讨会”上，意大利特莱维集团对“新意法”作了专题报告。,在武广客运专线浏阳河隧道中，相关施工单位对“新意法”的部分要素进行了尝试性应用。截止目前，“新意法”还没有在我国得到真正的应用。,一、基本原理,隧道掘进时对隧道周边及前方一定范围的围岩产生扰动，改变了围岩原始应力状态。在开挖面周边区域内，围岩由三轴应力逐渐转变为平面应力状态，开挖面及前方一定范围内围岩应力重分布。开挖后围岩变形也在扰动区域内提前发生。,当开挖面前方围岩的应力状态处于弹性范围内时，在开挖轮廓线附近产生弹性变形，称为“拱部效应”，这时开挖面处于稳定状态；,施工技术条件和机械装备状况,在场地清理作施工准备时，应平整洞顶地表，排除积水，整理隧道周围流水沟渠。,隧道施工的洞口地段，是指隧道进口(或出口)附近对隧道施工有影响的地段。,洞口地段自然灾害及处置措施,必须在施工中进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计；,清除套拱段上断面土方，在套拱结束段留中部长1.,5倍洞径为宜），其爆破进尺控制在1.,早支护开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。,实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本的因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。,3、对于浅埋和偏压隧道，应采用地表预加固和围岩超前支护方法，做到“先护后挖”。,另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。,施工中采用哪一种台阶法，要根据两个条件来决定，第一是对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短，第二是对上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备需要施工场地大小的要求。,三维挤出试验法相对较为繁琐，以三维挤出试验为基础。,如果开挖后围岩处于弹塑性状况，开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形，“拱部效应”将从开挖轮廓周围往外移到地层中，但此“转移”只能通过足够的支护措施来实现和控制；,变形现象解释（*）,支护结构参与工作的时间,如果开挖后围岩处于弹,塑性状况，开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形，“拱部效应”将从开挖轮廓周围往外移到地层中，但此“转移”只能通过足够的支护措施来实现和控制；,如果开挖后围岩产生破坏,滑移的应力状态，围岩大变形随之产生，围岩极不稳定，“拱部效应”难以形成，极易引起坍塌。这时必须采取人工支护措施协助围岩形成“拱部效应”。,因此，隧道“拱部效应”的形成及其位置取决于开挖后围岩的变形特征及其大小。,基本术语,1,、超前核心土,：是隧道掌子面前方一定体积的土体，呈圆柱形，圆柱体的高度和直径大致等于隧道直径。,2,、掌子面挤出变形,：是开挖介质对隧道开挖产生的变形反应的主要表现形式，主要发生在超前核心土内；挤出变形的大小取决于超前核心土的强度、变形特征及其所处的原始应力场；挤出变形发生在掌子面表面，沿隧道水平轴线方向发展，其几何形状大概呈轴对称,(,掌子面鼓出,),，或在掌子面形成螺旋状突出。,3,、隧道预收敛：,是隧道掌子面前方的理论轮廓线的收敛变形，完全取决于超前核心土的强度及变形特性与其原始应力状态间的关系。,开挖介质变形反应研究的三个阶段,第一阶段,：确定了隧道三种变形类型,(,掌子面挤出变形、预收敛变形及收敛变形,),及相应的隧道不稳定的表现形式,(,围岩脱落、剥落、掌子面坍塌及隧道塌方,),。,第二阶段,：试验证实所有变形及变形引起的不稳定现象均直接或间接与掌子面前方超前核心土的强度有关。,第三阶段：,进行了人为调节和改良超前核心土强度以调节隧道变形的试验，研究了如何将超前核心土作为稳定围岩的工具。,开挖介质变形反应研究成果,1,、,开挖介质对隧道开挖作业的变形反应预示着是否能够形成成拱效应及成拱效应的位置，即预示着隧道所能达到的稳定等级。,2,、,变形反应从掌子面前方的超前核心土开始，逐步沿隧道向后发展；变形反应不仅包括收敛变形，而是由挤出变形、预收敛变形和收敛变形组成。收敛变形只是错综复杂的应力,-,应变过程的最后阶段。,3,、,掌子面,超前核心土体系的变形反应与隧道洞身变形之间存在直接联系，前者是因，后者是果，从而强调对掌子面,超前核心土体系的变形反应进行监测的重要性，而不仅仅只对隧道洞身的变形进行监测。,开挖介质变形反应研究成果,4,、,对超前核心土进行防护和加固，提高其刚度，可以控制超前核心土的变形,(,挤出变形及预收敛变形,),，从而可控制隧道洞身的收敛变形。,研究绪论证实：可以把超前核心土视作一种新的隧道长期和短期稳定的工具；超前核心土的强度及变形特性是隧道变形的真正原因；可以通过对超前核心土进行防护和加固，提高其强度，以达到控制超前核心土变形，并最终控制隧道变形的目的；超前核心土的强度和变形特性对隧道的长期和短期稳定起决定作用。,工作程序表,时期,阶段,概述,设计,勘测,诊断,处治,自然平衡状态分析,无稳定措施时变形现象的分析与预测（*）,采用稳定措施时变形现象控制（*）,施工,作业,监控,最终设,计调整,运用稳定方法控制变形现象（*）,变形现象的控制与监测（*）,此变形现象被作为隧道掘进过程中围岩的反应（开挖处挤压及隧道轮廓处收敛监测，以及岩层内部的变化监测）,变形现象解释（*）,开挖面和隧道支护体系稳定平衡,注：（*）变形现象是指，开挖面挤压及在岩层体内部一定的变化距离内的收敛。,二、实施要点,该工法分为两个实施阶段：在设计阶段完成地质勘察、诊断及处理措施设计；施工阶段则边实施作业边监控量测，然后优化调整，使开挖面和洞身结构体系形成平衡，保持稳定。,设计阶段,勘察,诊断,处治,设计阶段,实施,监测,反馈,依据获取的信息，将隧道各地段围岩进行分级,(A,、,B,、,C,三级,24,个亚级,),，每一分级条件下围岩具有相似的地质及地质力学特征。,1.,设计阶段,(1),勘察阶段,(2),诊断阶段,(3),处治阶段,在不采用隧道掘进机（,TBM,）开挖的情况下，可以依据下述原则：,尽量采用全断面掘进。,隧道开挖后，根据不同级别的围岩特性采取必要的预加固、预支护及初期支护措施以减小变形、防止塌方。,施作混凝土二次衬砌，必要时用钢筋混凝土二次衬砌，尽快浇注仰拱以阻止开挖产生的极速变形。,2.,施工阶段,(1),实施阶段,设计完成后，进入实施阶段。根据设计确定的典型纵、横断面，进行隧道开挖和支护。对于软弱不良地层，一般需要进行超前加固，然后进行全断面机械化开挖，进度可达,50m/,月。,(2),监控量测,监控和施工同时进行，目的是监测地层对开挖和稳定措施的真正反应。反应以变形现象表现出来。为此，在开挖面前方、开挖面上及后方安装合适的监测点。,掌子面前方预收敛,分层沉降监测仪,挤出变形,滑动式纵向测微计,地表及地层收敛,杆式分层径向变形仪,收敛变形,特制条带式变形计,(3),设计调整,通过监测结果的分析和解释，施工主管决定是否继续按设计的断面和施工方案进行施工，或对某些措施进行调整，以保证开挖面和洞周围岩之间的稳定平衡，确保隧道建成。,隧道完工后，必须继续进行系统的监测，以保证隧道在整个寿命期的安全。,1,、地层变形反应的分析方式不同,新奥法对地层变形反应的分析仅限于掌子面的后方，仅对隧道收敛进行分析；新意法不仅对掌子面后方的地层变形反应,(,收敛,),进行分析，而且更注重对掌子面及掌子面前,方地层的变形,反应,(,掌子面挤,出变形和预收,敛,),进行分析。,三、与新奥法的比较,2,、地层变形反应的控制方式不同,由于对地层变形反应的分析方式不同，新奥法与新意法对地层变形反应的控制方式也不同。,新奥法采用锚杆、喷射混凝土、钢拱架、施作仰拱 等手段，仅对掌子面后方的隧道施加约束作用；新意法不仅要求隧道的支护措施,(,包括二次衬砌和仰拱,),要与掌子面保持适当距离，不能落后掌子面太远，对隧道提供连续的约束作用，而且要求对超前核心土采取适当的防护和加固措施，提高其强度和变形特性，对隧道提供超前约束作用。,三、与新奥法的比较,四、国外应用实例,意大利罗马,-,那不勒斯高速铁路隧道工程,意大利罗马,-,那不勒斯高速铁路线上共有隧道,22,座，总长为,21.8 km,，均采用“新意法”进行设计和施工。隧道工程采用“一揽子”承包合同。该工程于,1994,年开工,全断面机械化开挖，施工进度很快,(,达到每工作面约,100 m/,月,),，且持续、稳定。施工工期、造价、安全、质量等都得到了很好的控制。“新意法”在该工程中的应用取得了成功。,意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路隧道工程,意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路全长约,92km,，其中隧道总长,84.5 km,。隧道穿越复杂多变的、极差的地层，断面面积约,140 m,2,。该项目采用“新意法”编制设计规范，并以此为基础进行工程招标和施工设计。该工程地质条件虽很差，但是，由于按“新意法”进行设计和施工，把风险降到了最低，因此仍以“交钥匙”合同方式发包。该工程于,1998,年开工，全断面开挖，机械化程度很高。工程进展顺利，每个工作面平均月成洞,50m,。“新意法”在该工程中的应用取得了巨大成功。,Vasto,隧道全长约,6 200 m,，最大埋深约,135 m,，直径约,12 m,，位于意大利,Ancona-Bari,铁路线上。除靠近洞口段外，,Vasto,隧道全部穿越黏土地层。在隧道深度处，地层饱水且对断层极为敏感。,1984,年，从北洞口开始,Vasto,隧道的开挖作业。开挖作业一直接续到,1990,年，期间不断发生严重事故，进度缓慢。,该隧道原设计情况为台阶法开挖，开挖后立即进行喷射混凝土、钢拱架和钢筋网初期支护；二次衬砌采用,1 m,厚的钢筋混凝土，二次衬砌紧跟掌子面，并在保留核心土的情况下进行浇筑，随后浇筑隧道边墙混凝土，最后浇筑仰拱混凝土。,隧道第,1,次发生严重变形后，施工单位采取了许多措施，企图恢复隧道掘进，但是这些措施最终都没有发挥作用，最终在,km38+075,里程处,(,覆盖层厚度为,38 m),发生了严重坍方，波及隧道掌子面及其后方大约,40m,范围。同时，隧道二次衬砌结构产生严重变形,(,大于,1m),，致使无法继续施工。,Vasto,隧道出现上述问题后，,Pietro Lunardi,教授应邀为该工程提供解决方案，使隧道恢复施工，并完成隧道剩余工作量。,Pietro Lunardi,教授遂对该隧道提出了基于“新意法”原理的设计、施工方案，其基本原则是对掌子面前方的超前核心土进行超前约束和加固，以控制其变形。,采用特性线法和三维挤出试验法这,2,种方法对隧道线路的应力一应变特性进行预测,(,见图,2),。这,2,种方法对低、中、高应力状态都有效。特性线法较为直接，以特性线理论为基础，根据实际情况运用分析法或数值法进行计算；三维挤出试验法相对较为繁琐，以三维挤出试验为基础。,在,Vasto,隧道中，除了洞口附近很短区段外，运用上述,2,种方法均预测到可能会发生相当大的挤出变形，导致掌子面不稳定，并最终导致巨大的预收敛及收敛变形,(,径向收敛超过,100 cm),。预测的变形值很高，可能会导致严重的失稳现象，如掌子面坍塌，并最终导致隧道坍方。,决定采取复合防护技术，即既在超前核心土的周围形成超前约束效应,(,保护作用,),，并对超前核心土进行直接加固,(,加固作用,),，之后进行全断面开挖。,根据隧道开挖过程中将遇到的不同地质类型，设计了,3,种不同的隧道断面并采用了不同的超前支护措施，见图,3,。,对于上述,3,种隧道断面形式，均在隧道掌子面后方施作初期支护,(,包括钢支撑和喷射混凝土,),，并施作仰拱使隧道封闭成环，最后施作二次混凝土衬砌。,一旦确定了隧道的断面类型，就可以进行玻璃纤维锚杆超前核心土的加固设计。加固设计包括确定需要施作的玻璃纤维锚杆的数量、长度以及在掌子面的几何布置形状。,1992,年，,2,个洞口的施工同时恢复，北洞口主要是对隧道坍方段进行治理，而南洞口则开始隧道开挖。每周工作,7 d,，平均进度为月成洞约,50 m,。,第五节 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，是指隧道进口,(,或出口,),附近对隧道施工有影响的地段。,隧道洞口工程主要包括边、仰坡土石方；边、仰坡防护；端墙、翼墙等洞门圬工；洞口排水系统；洞口检查设备安装；洞口段洞身衬砌。,一般情况下，将由于隧道开挖可能给上坡地表造成不良影响的洞口范围称为洞口加强段。,洞口位置,明洞段,过渡段,洞口段,隧道洞身段,上下部开挖分界线,23m,1 2D,洞口位置,洞口地段的特点为：洞口地段地层一般较破碎，多属堆积、坡积、严重风化或节理裂隙发育的松软岩层，稳定性较差；当岩层层面坡度与洞门主墙开挖坡度一致时，容易产生纵向推滑力；洞口附近山体覆盖层较薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道处于沟谷一侧或傍山时，通常会产生侧向压力。,二、洞口地段施工注意事项,洞口段施工时应注意以下事项：,l.,在场地清理作施工准备时，应平整洞顶地表，排除积水，整理隧道周围流水沟渠。之后施做洞口边、仰坡顶处的天沟。,2.,洞口施工宜避开雨季和融雪期。在进行洞口土石方工程时，不得采用深眼大爆破或集中药包爆破，以免影响边、仰坡的稳定。,3.,洞口部分圬工基础必须置于稳固的地基上。,4.,洞门拱墙应与洞内相邻的拱墙衬砌同时施工连接成整体，确保拱墙连接良好。,5.,洞口段洞身施工时，应根据地质条件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素选择开挖方法和支护方式。,6.,洞门完成后，洞门以上仰坡脚受破坏处，应及时处理。如仰坡地层松软破碎，宜用浆砌片石或铺种草皮防护。,洞口段施工中最关键的工序就是进洞开挖。隧道进洞前应对边仰坡进行妥善防护或加固，作好排水系统。,洞口地段自然灾害及处置措施,灾害现象,问题点,主要措施,滑坡,由于洞口挖方破坏了原坡面的平衡状态，导致滑坡；在原地层滑坡线上开挖，导致出现新的滑坡,地表锚杆、注浆桩、深基桩、挡墙、土袋等,崩塌落石,在陡坡山崖处开挖，即使围岩条件较好也极可能出现崩塌或落石,喷射混凝土、地表锚杆、锚索、防落石棚、注浆,偏压,由于地形的非对称性，作用在隧道横断面上的荷载不平衡，加大隧道结构上的压力，导致结构剪切破坏。,平衡压重填土、护坡挡墙、挖切土体、减轻偏压力,泥石流,泥石流的冲击力极大，多从沟谷冲下，危害结构物安全,沿沟谷设梯级防沙坝,雪崩,与泥石流同样具有极大冲击力，多发生在沟谷或陡坡处,沿沟谷设梯级防沙坝，洞口顶部设防护棚,三、洞口的施工方法,1,、洞口段地层条件良好，洞口段围岩为,级以上,，宜采用正台阶法进洞（台阶长度以,1.5,倍洞径为宜），其爆破进尺控制在,1.52.5m,，并严格按照设计及时做好支护。,洞口段开挖方法的确定取决于工程地质、水文地质和地形条件、隧道自身构造特点、施工机具设备情况、洞外相邻建筑的影响等诸多因素。施工中应根据实际，综合选定洞口段开挖进洞方案。,三、洞口的施工方法,2,、洞口段围岩为,级及以下,时，可采用环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁法（,CD,法）、交叉中隔壁法（,CRD,法）等分部开挖法进洞，开挖前应按设计对围岩进行预加固。,3,、对于,浅埋和偏压隧道,，应采用地表预加固和围岩超前支护方法，做到“先护后挖”。,当地层条件差，可采用套拱法施工进洞时，套拱施工工艺流程：,套拱施工各项作业应参照以下要求进行：,1,开挖,根据测量组放线，对拱架安设要求部位进行掏槽开挖，土槽宽（纵向方向）与初期支护厚度相同。土槽开挖采用人工开挖风镐辅助的方式进行。土槽挖好后，要求内表面成型好，无超挖和欠挖，以保证初期支护的厚度。清除套拱段上断面土方，在套拱结束段留中部长,1.0m,宽,5.0m,的核心土体以抵抗掌子面前的土体压力。在掏槽过程中注意不可损坏注浆管，以便立拱架时将拱架与注浆管相焊接。,2,拱架的加工、架设,套拱段拱架宜采用工字钢，为确保套拱段的初期支护净空尺寸、防止因拱顶下沉及侧墙收敛而侵入净空，拱架尺寸在原设计拱架的基础上外放,20cm,。其具体加工要求及安设工艺详见施工工艺及技术要求。在加工及架设拱架过程中要注意以下几点：,1,）在拱架架设前，将拱架脚部铺垫,5cm,厚的砂浆找平层，并在砂浆上铺设,5cm,厚方木板，以防拱架下沉。在铺设木板时要注意对拱架标高的控制。,2,）第一榀拱架要镶嵌于事先挖好的土槽中，并与注浆小导管焊接。在安设时不能随意切割拱架及钢管，并将各连接螺栓上齐、拧紧，不得用小型号的螺栓替代。,3,）套拱段拱架安设时要保证中线、法线的准确，其安设误差在允许误差范围之内，保证其不偏、不斜、不前俯、不后仰，并对上断面脚部按设计抬高,5cm,。,4,）上断面拱架架设完成以后，在拱架中焊接,22,钢筋作为纵向连接筋。纵向连接筋环向间距为,1.0m,，要在第一榀预留,30cm,在未开挖土体中，有利于与下一榀拱架纵向连接筋相连接。在焊接纵向连接筋的同时挂双层钢筋网，钢筋网采用,8,钢筋，网格间距,200200mm,，挂设时两片钢筋网搭接