大断面隧道施工课件

大断面隧道的施工中的关键问题二、客运专线的隧道特点n首先，如何认识客运专线中隧道工程与一般线路中隧道工程有何不同。一、列车运行的高速度，引起的列车空空气气动动力力学问题突出学问题突出，不容忽视；这包括：隧道净空有效断面积的确定舒适性；列车运行产生的空气压对结构物的影响耐久性；对周边环境的影响缓冲结构的设置。三个方面的问题。二、考虑列车高速运营的特点，隧道的净空有效断面积增大，例如在350km/h速度的条件下,级围岩隧道的开挖断面积可达170m2，属属于于超超大大断断面面隧隧道道的的范范畴畴，与与三三车车道道公公路路隧隧道道的的开开挖挖断断面面积积相相当当，给给设设计计、施施工工提出来许多新课题；提出来许多新课题；三、由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加，特别是对一般地质条件下的初初期期支支护护技技术术和不良地质条件下的超前支护技术超前支护技术，提出来很高的要求；四、列车高速运行的作用，对洞内轨道（包括基底结构，如仰拱或铺底、混凝土填充层等）的影响增大，不仅需需要要加加强强基基底底结结构构，对衬砌结构也具有一定的影响，不容忽视。五、对衬砌混凝土的耐久性，如抵抗列车风压的疲疲劳劳特特性性；如何保证初期支护的喷喷混混凝凝土土的的耐耐久久性性?，以及大断面衬砌结构的抗开裂特性等，都提出来了明确的要求；大断面意味着什么？在同样围岩条件下，随着开挖断面积的增加，意味着：1、掌子面的稳定性的降低；2、施工难度、特别是施工安全管理的难度增大；3、施工风险的发生概率加大；4、结构物质量要求的提高。大断面隧道施工的基本问题安全：安全为主线，技术和管理为后盾，实现安全生产技术：以技术确保掌子面稳定和施工质量管理：以风险观点实现精细的工程管理n结合具体情况，主要谈三个问题：n1、初期支护；n2、初期支护的喷混凝土；n3、隧道防水板的铺设工艺。一、掌子面稳定性n 在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在通过各种不良地质地段时。n 从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式：n 掌子面挤出；n 掌子面拱部坍塌；n 上半断面拱脚下沉；n 底部鼓起等。n 从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方法也是多种多样的。n 超前支护；n 扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管；n 正面喷射混凝土和锚杆；n 底脚锚杆或锚管等。例如意大利在修建高速铁路隧道中，曾采用以下稳定掌子面的方法。这些方法都是为了确保掌子面稳定，减少施工风险而形成的。超前支护工程实践证实，在地质不良的地段，发展各种稳定掌子面的辅助工法并使之模式化是极为重要的。日本、意大利在这方面都做了极有成效的工作。定义：以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结构体。即：不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果的支护。适用范围：1、需要提高掌子面稳定性的土砂围岩；2、以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目的的场合；如浅埋地点、接近重要结构物施工的场合等模式化的超前支护 日本在新版“城市矿山法隧道技术标准”（2004年）中，把超前支护类型、参数及适用条件做了具体的规定。超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形构造为主，有的是以纵向连续性强的梁构造为主，也有具有两者功能的。其分类列于下表。超前支护方法分类超前支护的分类预计的功能混凝土拱壳方式隧道横向刚性大（拱结构）水平喷射注浆方式隧道纵向刚性大（梁结构）长钢管注浆方式预衬砌其标准参数如下。超前支护厚度：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.纵断方向充填长度：.搭接长度：.超前残余长度：.（.）水平喷射注浆方式其标准断面如下：喷射改良体直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.（）纵断方向改良长度：搭接长度：.超前残余长度：.（.）设置间距：（）长钢管注浆方式标准断面如下：钢管直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.（）纵断方向注浆长度：（m）搭接长度：.超前残余长度：.（.）设置间距：（）n 除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之急是如何提高超前支护技术的水平，一个重要措施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。预衬砌工法的机械n预衬砌工法采用的机械，有2大类：n1、排钻。示于下图。用其钻设槽形孔，中央的钻用于压注砂浆或混凝土，形成拱形混凝土壳体。n2、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同时充填混凝土。其机械概况示于下图。脚部的施工机械之一脚部施工机械之二二、支护结构在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。加强的途径有二。其一是改变过去采用的支护结构参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是改变材料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆等。第1种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因之一。第2种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。支护结构的构成隧道的支护结构包括：初期支护；喷混凝土喷混凝土、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护；二次衬砌包括仰拱及底板；临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。喷混凝土的几个关键性的性能指标1、设计基准强度2、初期强度：3、附着强度；4、附着配比；5、回弹率；6、粉尘量。1、设计基准强度 喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌混凝土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经成为可能，因此喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展的趋势。例如，日本第二东名名神高速公路，在大大断断面面隧隧道道中，采用材龄28天的抗压强度36N/mm2作为设计基准强度。也有的国家规定在不良地质条件下采用高强度喷混凝土的建议。n 在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中，很少有采用小于C25等级的喷混凝土。n 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。喷混凝土抗压强度划分喷混凝土抗压强度划分EFNARC的标准强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试件24283236404448立方体试件30354045505580挪威的标准挪威的标准喷混凝土抗压强度划分喷混凝土抗压强度划分抗压强度(MPa)C30C35C40C45C50C55立方体试件的最小抗压强度303540455055取样试件的最小抗压强度19.222.425.628.832.035.22、初期强度n 一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初期强度的目的。n 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强度为标准。n 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小时的强度作为基准的。初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。日本日本 喷混凝土初期强度设定事例喷混凝土初期强度设定事例单位类别材龄3小时抗压强度（N/mm2）材龄24小时抗压强度（N/mm2）道路协会喷混凝土5铁道建设运输设施高品质喷混凝土1.58道路公团喷混凝土5高强度喷混凝土210高强度纤维喷混凝土210n 欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示的初期强度。J1：（AB）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合J2：(BC)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合J3：(C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合）3、附着强度 喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定。喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G规定的附着强度如下表所示，通过附着试验核查。附着强度最小值（MPa)附着的划分与混凝土的附着与岩体的附着非结构物0.50.1结构物1.00.5挪威规定附着强度在0.21.8MPa之间。附着强度测定事例岩类等矿物粒子大小附着强度粗糙面破坏面片岩粘土矿物、绿泥石非常细0.240.180.280.11云母片岩石英、长石、云母中位0.580.190.850.35片麻岩（叶状构造）石英、斜长石、云母、角闪石中位0.190.050.510.11片麻岩（叶状构造）石英、斜长石、云母、角闪石中位1.530.281.8砂岩（裂隙多）石英、长石细（1.1）破坏面（1.1）破坏面砂岩石英、长石细1.81.8泥灰岩方解石、粘土矿物细1.491.84石灰岩方解石细1.580.121.540.30大理岩方解石中位1.380.301.520.28花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、黑云母粗0.340.121.120.20花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、黑云母中位1.040.321.400.26花岗岩、闪绿岩石英、斜长石。黑云母细中位1.480.451.710.14辉绿岩斜长石、辉石细中位1.560.251.7木版1.71.7喷混凝土表面1.71.74、附着配比对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。它与喷射配比喷射配比、喷射工艺以及喷射工的技术熟练程喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。喷射后喷混凝土强度（附着配比）C30C35C40C45C50C55喷射前喷混凝土强度（喷射配比）C38C43C48C54C60C655、回弹率及粉尘浓度n 回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有重要的影响。n 因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重要课题。n 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于20，粉尘浓度不能大于5mg/m3，否则，就是不合格。6、喷射机械n 喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决策。大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日本从修建第2东名高速公路起，就开始研究对策。研究和实践获得如下的成果。日本第二东名高速公路隧道事例n净空断面积：约150m2n开挖断面积：最大200m2n采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少30；n锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减少30；n采用高规格钢支撑（HH154）；n二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cmn不设变形富余量。1、喷混凝土的高强度化主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。高强度喷混凝土要求的强度列于下表。种类 要求强度目标强度3小时1天28天28天高强度配比2以上10以上36以上50以上一般强度配比 5以上18以上高强度喷混凝土的标准配比列于下表要求强度（N/mm2）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）单位水泥用量（kg）单位速凝剂对水泥的用量（）见上表181045010高强度钢纤维喷混凝土主要用于裂隙发育的围岩，标准的钢纤维混入率为体积比的0.75。其标准配比列于下表。要求强度（N/mm2）28天弯曲韧性（cm）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）单位水泥用量（kg）单位速凝剂对水泥用量（）见表1如图所示1810450102、高承载力锚杆在清水进行了下表的试验施工。喷混凝土钢支撑厚度（cm）强度（N/mm2）规格间距（m）标准2018H2001.5高强度 12.540、SFRC长度（m）横向间距（m）纵向间距（m）承载力（kN）标准6.01.21.51801组6.02.01.53102组4.0和6.01.01.5180和3103组4.00.81.5180从试验施工结果看，第1组的施工循环、成本最理想。第3组最差。因此，把第1组作为标准组合。3、高规格钢支撑采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度590N/mm2、破断延伸率17以上的高规格钢支撑。屈服点（N/mm2）抗拉强度（N/mm2）破断延伸率（）拉伸试验片炭素当量Ceg高规格钢440 590 171A 0.47一般规格钢 245400510 171A与过去采用的钢支撑比，可以小型化，其比较列于下表过去采用的高规格钢NH-250 x250 x9x14HH-200 x201x9x12NH-200 x200 x8x12HH-154x151x8x12NH-150 x150 x7x10HH-123x125x6.5 x84、二次衬砌同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验，二次衬砌的混凝土的强度等级从18N/mm2提高到30N/mm2。其结果是，采用18N/mm2时的衬砌厚度在BD2级围岩中，为50cm，在D级围岩中为60cm，而采用30N/mm2时相应的厚度分别为40cm和50cm。减少了10cm。5、施工方法的研究在总长度83km的隧道中，用台阶法修建了80的隧道。台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方法就是中央导坑超前开挖法。两种开挖方法的示意图如下。二、改善隧道防水技术，是当前要解决的关键问题之一应该指出：对隧道工程来说，地下水的影响和处理是至关重要的。大家都有体会，有水无水、水大水小、一般涌出和异常涌出，在设计施工上的处理是完全不同的。此外，隧道运营期间，结构物耐久性的降低，在许多场合，都与地下水有关。因此，切实地提高隧道的防水技术，是当务之急。n在隧道设计和施工中，一定要区分：n 运营隧道结构的防水和排水；n 施工中的止水和排水。n这是两个不同的概念。n防水是对结构物性能的基本要求。不是主次的问题。n国内外的施工实践指出：设置防水板的隧道，都能够满足隧道结构物防水的基本要求。关键在于防水板的防水板的铺设质量铺设质量。因此，在防水板铺设工艺上，都是采用机械铺设的方法。此外也在试验确保隧道防水性能的新工艺。防水板铺设工艺的改善n为了解决防水问题，一个最切实可行的方法，就是从改善防水板的铺设工艺着手。目前我们采用的人工铺设方法，很难避免对防水板的损伤，而且工艺复杂、费时、费力。最近，我们收集到日本的几个专利和日本“矿山法隧道防水指南”，说的都是防水板机械铺设方法。这些铺设机械的构造并不复杂，那个工程局都有条件制造。n 山岭隧道的防水方法，一般是采用在喷混凝土和衬砌间设置防水板的方法。但因喷混凝土的表面多数凹凸不平，铺设防水板时，为适应凹凸表面要考虑有适当地富余。如果富余不足或过于富余，防水板会发生拉伸或挠曲，其结果会妨碍混凝土的充填。为此。在山岭隧道衬砌施工中，强烈要求开发不妨碍混凝土的充填，而且与喷混凝土密着的防水构造。新的铺设方法试验施工是：把通常1.5m宽的防水板在工厂加工成宽6.0m（长跨）的防水板。沿专用的活动模板台车的外周将防水板展开，并设置在规定的位置固定好，向防水板和喷混凝土间的灌注回填的充填材。之后，组立钢筋、灌注混凝土。n向防水板和喷混凝土间压注的充填材是用盾构隧道的经过改良的充填材。在洞外设置压注设备，最大压送450m。从洞外分别压送固化的A液和B液，在压注地点前混合，在左右侧上部、肩部和拱顶5处设压注管，从下向上依次压注。n 下面是展开防水板专用的活动模板构造。防水板的表面展开会过去的状况。铺设机械图中9：防水板14：拱形钢轨10围岩11：初期支护13：升降装置12：台车吊篮式台架带有展开机的台架