隧道施工工艺及施工技术课件

第七章 隧道施工工艺及施工技术,第一节 围岩预支护,(,预加固,),辅助稳定措施,稳定工作面,喷射混凝土封闭工作面,预留核心土挡护开挖面,超前锚杆锚固前方围岩,临时仰拱封底,管棚超前支护前方围岩,插板,长管棚,短管棚,注浆加固围岩和堵水,超前深孔围幕注浆,超前小导管注浆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,一 超前锚杆,1.,构造组成,超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。,超前锚杆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2.,性能特点及适用条件,特点：,柔性较大，整体刚度较小。,适用条件：,地下水较少的软弱围岩的隧道工程中，如土砂质地层、弱膨胀性地层、流变性较小的地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带等、浅埋无显著偏压隧道。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,3.,设计、施工要点,超前锚杆的超前长度为循环进尺的,35,倍，宜采用,35m,长，环向间距采用,0.31.0m,；外插角宜用,1030,；搭接长度宜为超前长度的,40%60%,左右，即大致形成双层或双排锚杆。,超前锚杆宜用,早强砂浆全粘结式锚杆,，锚杆材料可用不小于,22,的螺纹钢筋。,工程实例：,高速鄂陕界至安康段张哑子,2#,隧道，,出口端岩石破碎，容易出现顺层滑坡 ，采用超前锚杆进行预加固 。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,二 管棚,管棚是利用钢拱架沿开挖轮廓线以较小的外插角、向开挖面前方打入钢管或钢插板构成的棚架来形成对开挖面前方围岩的预支护。,1.,构造组成,第七章 隧道施工工艺及施工技术,超前大管棚施工,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2.,性能特点及适用条件,特点：,整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。,适用条件：,主要适用于围岩压力来得快来得大、对围岩变形及地表下沉有较严格要求的软弱破碎围岩隧道工程中。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,3.,设计、施工要点,长管棚长度不宜小于,10m,，一般为,1045m,；管径,70180mm,，孔径比管径大,2030mm,，环向间距,0.20.8m,；外插角,12,。,施工工艺流程为：设置管棚基地,水平钻孔,压入钢管,管棚支护条件下进行开挖,第七章 隧道施工工艺及施工技术,3.,设计、施工要点,两组管棚间的纵向搭接长度不小于,1.5m,；钢拱架常采用工字钢拱架或格栅钢架。,工程实例：,翔安端洞口位于,V,级围岩地段，最小埋深,6 m,，覆盖层为残积黏土、亚黏土，风化严重，稳定性差，洞口开挖后易导致滑坡、坍塌，围岩破损软弱，成洞比较困难。 对于浅埋软弱围岩洞口地段，尤其是在地质条件复杂多变的区域内，采用管棚,(40m),注浆作为辅助施工中的超前支护，效果明显。,工程实例：,上海威宁路站,预支护管幕,预支护管幕施工是本工程的重点，其施工步骤为：反力座和推进装置准备,钢管推进,清孔,灌注管内混凝土,封孔,工作面深孔注浆加固,进行隧道开挖。管幕按全周边封闭布置，各管间咬合。管幕布置如图所示,4,3,2,1,1,7,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,27,28,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,7300,4183,350,300,6,5,4,3,2,2883,图 管幕预支护钢管布置构造,第七章 隧道施工工艺及施工技术,三 超前小导管注浆,钻孔,15,小导管,钢支撑,0.2m,1.,构造组成,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2.,性能特点及适用条件,特点：,浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩块或颗粒胶结为整体起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。,适用条件：,适用于一般软弱破碎围岩，也适用于地下水丰富的软弱破碎围岩。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,3.,小导管布置和安装,小导管钻孔安装前，应对开挖面及,5m,范围内的坑道喷射,510cm,厚的混凝土封闭。,小导管一般采用,32mm,的焊接管或,40mm,的无缝钢管制作，长度宜为,36m,，前端做成尖锥形，前段管壁上每隔,1,020cm,交错钻眼，眼孔直径宜为,68mm,。,工程实例：广梧高速鹅公髻隧道,由于隧道洞口处岩体风化，土体松散，极易发生坍塌，施工进洞困难，采用大管棚结合小导管对洞口段进行注浆加固，然后再开挖，有效保证了洞口边仰坡安全，且使开挖部位形成棚幕和一层壳体，从而大大增加了进洞施工的安全性，确保顺利进洞 。,广梧高速鹅公髻隧道,第七章 隧道施工工艺及施工技术,四、超前深孔围幕注浆,1.,注浆机理及适用条件,(1),渗透注浆,采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里、凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，以提高地层的稳定性和强度。,适用条件：破碎岩层、砂卵石石层、中细、粉砂层等有一定渗透性的地层,第七章 隧道施工工艺及施工技术,渗透注浆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(2),劈裂注浆,采用高压浆液强行挤压孔周，在注浆压力的作用下，浆液作用的周围土体被劈裂并形成裂缝，通过土体中形成的浆液脉状固结作用对粘土层起到挤压加固和增加高强夹层加固作用，以提高其强度和稳定性。,适用条件：颗粒较细的粘土质不透水,(,浆,),地层,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),压密注浆,用浓稠的浆液注入土层中，使土体形成浆泡，向周围土层加压使得到加固。,(4),高压喷灌注浆,通过灌浆管在高压作用下，从管底部的特殊喷咀中喷射出高速浆液射流，促使土粒在冲击力、离心力及重力作用被切割破碎下，随注浆管的向上抽出与浆液混合形成柱状固结体，以达到加固之目的。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,正洞,平行导坑,(c),平导超前注浆,正注浆区域,已注浆区域,(a),洞内超前注浆,(b),地表超前注浆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2.,注浆范围,确定其塑性破坏区的大小,(,R,0,r,0,),，这也就是应加固区的大小。,注浆数量应根据加固区需充填的地层孔隙数量来确定。,3.,注浆数量及注浆材料选择,工程实例：,厦门翔安,(,海底,),隧道全长约,5.9 km,，其中海域段长约,4.2km,。隧道设双向,6,车道，采用,3,孔隧道型式，两侧为行车主洞，中间为服务隧道。海域,F1,、,F2,、,F3,为局部发育风化深槽，,F4,为风化囊，岩体主要为全、强风化花岗岩，每处长约,50100 m,。在穿越风化深槽施工时需重点考虑的因素有：,1.,此类风化岩体强度低、自稳能力差，易发生渗透破坏；,2.,在海域范围内地层中存在地下水，在穿越风化槽时，很有可能遇到小范围水囊及裂隙水；,3.,地下水静水压力较大，衬砌结构需承受较大压力。,以上这些因素给施工带来了相当大的难度和风险,大管棚,+,深孔帷幕注浆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,五、水平旋喷预支护,喷射注浆法，又称旋喷法，分为垂直和水平旋喷注浆两种方法。,水平旋喷注浆法：使用旋喷注浆机，沿着隧道掌子面周边的设计位置旋喷注浆形成旋喷柱体，通过固结体的相互咬合形成预支护拱棚。,水平旋喷钻机,宝兰二线东巨寺沟隧道,第七章 隧道施工工艺及施工技术,六、机械预切槽法,用专用的预切槽机沿隧道横断面周边预先切割或钻一条有限宽度的沟槽。,1.,基本原理,第七章 隧道施工工艺及施工技术,在硬岩中，切槽可作为爆破的临空面，起爆顺序与传统的爆破相反。,在松散地层中，切槽后立即向槽内喷入混凝土，在开挖面前方形成一个预筑拱，随后才将切槽所定的开挖面开挖出来，这样有效地减少因开挖面开挖而产生的围岩变形与地表沉降，并使开挖工作能在预筑拱保护下安全有效地进行。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,第二节 装渣与运输,一、装渣,装渣就是把开挖下来的石渣装入运输车辆。,(,一,),渣量计算,出渣量应为开挖后的虚渣体积，可按下式计算：,式中，,Z,单循环爆破后石渣量；,R,岩体松胀系数，见表；,超挖系数，视爆破质量而定，一般可取,1.151.25,；,L,设计循环进尺；,S,开挖断面面积。,岩体级别,土石名称,砂砾,粘性土,砂夹卵石,硬粘土,石质,石质,石质,石质,松胀系数,1.15,1.25,1.30,1.35,1.6,1.7,1.8,1.85,第七章 隧道施工工艺及施工技术,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(,二,),装渣方式,装渣的方式可采用,人力装渣或机械装渣,。,人力装渣,：劳动强度大、速度慢，在短隧道缺乏机械或断面小无法使用机械装渣时才考虑采用。,机械装渣,：速度快、可缩短作业时间，目前隧道施工中经常采用，但仍需配少数人工辅助。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(,三,),装渣机械,(1),翻斗式装渣机,(2),蟹爪式装渣机,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),立爪式装渣机,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(4),挖斗式装渣机,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(5),铲斗式装渣机,第七章 隧道施工工艺及施工技术,二、运输,隧道施工的洞内运输,(,出渣和进料,),分为,有轨运输,和,无轨运输。,1.,出渣车辆,有轨运输较普遍采用的出渣车辆有,斗车、梭式矿车和槽式车,等。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,斗车,第七章 隧道施工工艺及施工技术,梭式矿车,第七章 隧道施工工艺及施工技术,槽式列车,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2.,牵引机车与道路,常用的牵引机车分,电动,和,内燃,两类。,3.,调车设备和轨道延伸,常用的调车设备有,简易道岔、平移调车器、水平移车器和浮放道岔,等。,4.,轨道布置与调车方法,常用的轨道布置形式有单车道和双车道。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,5.,机车、斗车数目的确定和列车运行图,(1),机车、斗车数目的确定,机车牵引定数,Q,c,式中,F,机车牵引力；,列车的单位阻力，,N/t,，考虑附加阻力，可近似取,80 N/t,；,i,p,坡度单位阻力；,W,机车自重，,t,。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,每列车牵引的斗车数目,n,式中,Q,c,机车牵引定数，,t,；,Q,斗车载重量，,t,。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,出渣需要的斗车数量,y,式中,N,每班出渣总车数，即,V,开挖数量,(,实方,),，,m,3,；,K,土石松散系数，松软土石为,1.11.2,，坚硬岩石为,1.151.6,；,m,斗车容积，,m,3,；,n,1,每工班车辆循环次数，即 ；,第七章 隧道施工工艺及施工技术,n,2,斗车装满系数，一般取,0.70.9,；,T,每工班净出渣时间，,min,；,t,车辆循环一次需要的时间，,min,。,需要机车数量,式中,m,1,每工班机车的循环次数，即,m,1,=,T/T,p,；,T,p,机车循环一次需要的时间，,min,，由调车、编组、运行、会车、卸渣等时间综合求得；,N,、,n,、,T,同前。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(2),列车运行图,列车运行图是根据隧道施工方法，轨道布置及机车车辆配备情况，各施工工序在隧道中所处的位置和进度安排，以及装渣、调车、编组、运行、错车、卸渣、列车解体等所需要的时间，综合考虑确定列车数量后编制而成的。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,图示列车运行图横坐标表示时间，纵坐标表示距离，列车的运行用斜线表示，装渣、卸渣、编组、解体、调车等用水平线表示。,图中：,洞 外,洞 内,卸渣,编组站,时间,(min),10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,第一组列车,第二组列车,第三组列车,会让站,装渣,130,第七章 隧道施工工艺及施工技术,自卸汽车（翻斗车）,(,二,),无轨运输,主要指汽车运输。,重点内容,第七章隧道施工工艺及施工技术,1.,装渣方式。,2.,常用装渣机械及特点。,3.,运输方式及特点。,4.,常用调车设备。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,第三节 初期支护,一、初期支护的基本概念,隧道开挖后，立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,1.,灵活性：,支护类型、参数、数量可灵活调整。,2.,及时性：,喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力；,锚喷支护工程特点,:,3.,密贴性：,喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达,70kg/cm,3,；,第七章 隧道施工工艺及施工技术,4.,深入性：,锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈。,5.,柔性：,容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；,6.,封闭性：,可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,二、锚杆,锚杆,(,索,),是用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。,1,、锚杆的支护效应,(1),支承围岩：,锚杆,喷射混凝土,轴力,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(2),加固围岩,:,承,载,拱,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),提高层间摩阻力，形成,“,组合梁,”,:,P,P,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(4),“,悬吊,”,作用,:,第七章 隧道施工工艺及施工技术,锚杆分类：,2,、锚杆的种类及各自的设计施工要点,(1),端头锚固式,(2),全长粘结式,(3),摩擦式,(4),混合式,第七章 隧道施工工艺及施工技术,锚杆分类：,2,、锚杆的种类及各自的设计施工要点,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的种类及各自的设计施工要点,端头锚固式锚杆，利用内、外锚头的锚固来限制围岩变形松动。安装容易，工艺简单，安装后即可以起到支护作用，并能对围岩施加预应力。但杆体易腐蚀，锚头易松动，影响长期锚固力，一般用于硬岩地下工程中的临时加固。隧道工程中，常用做局部锚杆 。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的种类及各自的设计施工要点,预应力锚索施工,第七章 隧道施工工艺及施工技术,全长粘结式锚杆，采用水泥砂浆,(,或树脂,),作为填充粘结料，不仅有助于锚杆的抗剪和抗拉以及防腐蚀作用，而且具有较强的长期锚固能力，有利于约束围岩位移。安装简便，在无特殊要求的各类地下工程中，可大量用于初期支护和永久支护。隧道工程中，常用做系统锚杆和超前锚杆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,摩擦式锚杆是用一种沿纵向开缝,(,或预变形,),的钢管，装入比钢管直径小的钻孔，对孔壁施加摩擦力，从而约束孔周岩体变形。安装容易，安装后立即起作用，能及时控制围岩变形，又能与孔周变形相协调。但其管壁易锈蚀，故一般不适于作永久支护。隧道工程中，常由于端头机械锚固容易失效，或全长粘结不便施工,(,不能生效,),，而采用全长摩擦式锚杆,第七章 隧道施工工艺及施工技术,混合式锚固锚杆是端头锚固方式与全长粘结锚固方式的结合使用，它既可以施加预应力，又具有全长粘结锚杆的优点。但安装施工较复杂，一般用于大体积、大范围工程结构的加固，如高边坡、大坝、大型地下洞室等,大型地下厂房,高边坡,第七章 隧道施工工艺及施工技术,普通水泥砂浆锚杆,(1),构造组成,砂浆,杆体,垫板,螺母,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的布置,分为局部布置和系统布置。,局部布置,它主要用在裂隙围岩。重点加固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区为重点加固区域。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的布置,局部布置,布置原则：拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉；拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的布置,局部布置,锚杆的间距为,式中,D,锚杆间距，,m,；,d,锚杆直径，,m,；,Ra,锚杆钢筋的设计强度，,Pa,；,K,安全系数，可取,K,1.52.0,；,P,危石或不稳定块体的重力，,N,，当侧墙存在不稳定块体时，,P,值为下滑力减去抗滑力；,A,危石或不稳定块体出露面积，,m2,。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,2,、锚杆的布置,局部布置,锚杆锚杆深入稳定岩体的深度为,式中,Lm,锚入稳定岩体的深度（其值不宜小于杆体直 径的,3040,倍），,m,；,砂浆的粘结强度，,N/m2,；,Ra,、,d,与前式相同,第七章 隧道施工工艺及施工技术,系统布置,系统布置的原则：,(1),在隧道横断面上，锚杆宜垂直隧道周边轮廓布置，对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置，或使其与层面呈斜交布置。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),锚杆间距不宜大于锚杆长度的,1/2,，在,、,级围岩中，锚杆间距宜为,0.51.2m,，但当锚杆长度超过,2.5m,时，若仍按间距不大于,1/2,锚杆长度的规定，则锚杆间的岩块可能因咬合和连锁不良而导致掉块坠落，为此，其间距不宜大于,1.25m,。,(2),在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵、横间距为,0.61.5m,，其密度约为,0.63.6,根,/m,2,；,三、喷射混凝土,第七章隧道施工工艺及施工技术,(,一,),喷混凝土的作用,(2),“,卸载,”,作用,(1),支撑围岩,(3),填平补强围岩,承载圈,N,N,粘结,粘结,剪切,剪切,第七章隧道施工工艺及施工技术,(4),覆盖围岩表面,(5),阻止围岩松动,(6),分配外力,潮气,裂隙水,第七章隧道施工工艺及施工技术,(,二,),喷混凝土的特点及力学性能,(1),喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。,1.,喷混凝土的特点,(2),与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。,第七章隧道施工工艺及施工技术,2.,喷层的力学性能,(3),喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在,10min,左右终凝，一般,2h,后即具有强度，,8h,后可达,2MPa,，,16h,后达,5MPa,一天后可达,7 8 MPa,，四天达到,28d,强度的,70%,左右。,(4),试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。,喷射混凝土的主要力学特性有,强度,和,变形特性,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(1),主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷射混凝土与岩石的粘结强度，与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系,(,表,),。,注意：,喷射混凝土层与岩石之间的粘结力取决于岩石表面的清洁度，所以喷射前应清洗岩石表面,(2),变形机理,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷层的受力变形分为三个阶段，第一阶段为粘结抵抗，第二阶段为梁效应，第三阶段为薄壳效应。,薄壳效应阶段,挠曲阶段,粘着阶段,25,50,75,100,0,20,40,60,80,变形,(mm),承载能力,(kN,),喷层逐渐拉伸破坏,图,7-4-,17,喷射混凝土变形曲线,在变形初期，喷层起粘结抵抗作用，粘结抵抗效应主要取决于围岩质量,(,围岩表面矿物成份,),及其表面清洁程度，并在一定程度上随喷层厚度增加而增强。,(2),变形机理,第七章隧道施工工艺及施工技术,相对破坏荷载,相对厚度,h,/,r,0,1/15,1/12,1/8,1/5,弯曲破坏,剪切破坏,图,7-4-18,喷层相对厚度与相对破坏荷载,当,h/r0=1/81/12,时，支护能力最大，喷层处于从剪切破坏到弯曲的过渡阶段。,所以喷层要具有柔性，必须控制其厚度，柔性较好且有足够抗力的喷层厚度应控制在：,h,=(0.0250.033),r,0,3,、喷射工艺种类,喷射混凝土的工艺流程有,干喷、潮喷、湿喷和混合喷,四种。,第七章隧道施工工艺及施工技术,细骨料,粗骨料,水泥,搅拌机,干式,喷射机,压缩空气,速凝剂,水,喷头,干喷、潮喷工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,细骨料,粗骨料,水泥,水,外加剂,搅拌机,湿式,喷射机,压缩空气,速凝剂,湿喷工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,砂 浆泵,搅拌机,搅拌机,干喷机,混合管,喷头,一次水,水泥,二次水,减水剂,砂,石,速凝剂,混合喷射工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷射混凝土机械设备,(1),喷射机。,干式喷射机,湿式喷射机,第七章隧道施工工艺及施工技术,HSP5-15S,湿喷机,干喷机,(2),机械手。,(3),强制式搅拌机。,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷前检查及准备,(1),开挖断面尺寸检查，清除松动危岩，欠挖超标严重的应予处理。,(2),根据石质情况，用高压风或水清洗受喷面。,(3),受喷岩面有集中渗水时，作好排水引流处理，无集中水时，根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(4),埋设喷层厚度检查标志，一般是在石缝处钉铁钉，或用快硬水泥安设钢筋头，并记录其外露长度。,(5),检查调试好各机械设备的工作状态。,第七章隧道施工工艺及施工技术,1,2,3,7,8,9,6,5,4,边墙喷射分区及喷射顺序,施喷注意事项,(1),喷射时应分段,(,不超过,6m),、分部,(,先下后上,),、分块，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行。,？,第七章隧道施工工艺及施工技术,以减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。,拱脚线,拱顶中心线,2m,2m,2m,2,3,6,5,4,13,10,7,8,9,11,12,14,15,拱圈喷射分区及喷射顺序,1,(2),喷射时可以采用,S,形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(3),喷射时喷嘴要垂直于受喷面，距离,0.8,1.2m,。,(4),对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。,(5),喷射时一次喷射厚度不得太薄或太厚，它主要与混凝土的粘结力和受喷部位及回弹情况等有关。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(6),设计喷层较厚时，应分层喷射。,(7),应在其终凝,12h,后进行水养护，养护时间一般不少于,7d,。,(8),冬季施工时作业区的气温不得低于,5,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(9),回弹物料的利用。,5,、钢纤维喷射混凝土,混凝土增强纤维,钢纤维,非钢纤维,高弹纤维,低弹纤维,第七章隧道施工工艺及施工技术,6,、聚丙稀纤维喷射混凝土,聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。,第七章隧道施工工艺及施工技术,东巨寺沟隧道地处渭河右岸，进口在一泥石流沟左岸，出口与巨寺沟大桥相接，地势陡峻。进口端地表有粘质黄土覆盖，出口端基岩裸露。最大冻结深度为,1.0 m,，最冷月平均气温,-4.7,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,宝兰二线东巨寺沟隧道,7,、钢筋网喷射混凝土,构造组成,钢筋网通常作环向和纵向布置。,第七章隧道施工工艺及施工技术,环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径,12,左右；纵向筋一般为构造筋，直径,610,；,网格尺寸一般为,20cm20cm,，,20cm25cm,，,25cm25cm,，,25cm30cm,或,30cm30cm,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,四、钢拱架,1,、构造组成,钢拱架可以采用型钢、工字钢、钢管或钢筋制成。,第七章隧道施工工艺及施工技术,四、钢拱架,现场采用以钢筋制作的格栅钢架较多。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,格栅钢架采用钢筋现场加工制作，技术难度和要求不高；对隧道断面变化适应性好。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,钢拱架的安装架设方便。,第七章隧道施工工艺及施工技术,五、联合支护,(1),联合支护宜联不宜散，彼此要直接地牢固相连，以充分发挥联合支护效应。,(2),钢筋网及钢拱架要尽可能多地与锚杆头焊连，锚杆要有适量的露头。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(3),钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖，即喷射混凝土要将钢筋网和钢拱架包裹密实。,(4),分次施作的联合支护，应尽快将其相联，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的联结。,(5),分次施作的联合支护，要在量测指导下进行，以做到及时、有效，并作适当调整。,第七章隧道施工工艺及施工技术,重点内容,第七章隧道施工工艺及施工技术,1.,装渣方式。,2.,常用装渣机械及特点。,3.,运输方式及特点。,4.,常用调车设备。,5.,锚杆的支护效应及分类。,内容回顾,1.,锚喷支护的特点。,2.,锚杆的支护效应、锚杆种类及各自适用情况。,3.,锚杆的布置原则。,三、喷射混凝土,第七章隧道施工工艺及施工技术,(,一,),喷混凝土的作用,(2),“,卸载,”,作用,(1),支撑围岩,(3),填平补强围岩,承载圈,N,N,粘结,粘结,剪切,剪切,第七章隧道施工工艺及施工技术,(4),覆盖围岩表面,(5),阻止围岩松动,(6),分配外力,潮气,裂隙水,第七章隧道施工工艺及施工技术,(,二,),喷混凝土的特点及力学性能,(1),喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。,1.,喷混凝土的特点,(2),与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。,第七章隧道施工工艺及施工技术,2.,喷层的力学性能,(3),喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在,10min,左右终凝，一般,2h,后即具有强度，,8h,后可达,2MPa,，,16h,后达,5MPa,一天后可达,7 8 MPa,，四天达到,28d,强度的,70%,左右。,(4),试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。,喷射混凝土的主要力学特性有,强度,和,变形特性,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(1),主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷射混凝土与岩石的粘结强度，与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系,(,表,),。,注意：,喷射混凝土层与岩石之间的粘结力取决于岩石表面的清洁度，所以喷射前应清洗岩石表面,(2),变形机理,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷层的受力变形分为三个阶段，第一阶段为粘结抵抗，第二阶段为梁效应，第三阶段为薄壳效应。,薄壳效应阶段,挠曲阶段,粘着阶段,25,50,75,100,0,20,40,60,80,变形,(mm),承载能力,(kN,),喷层逐渐拉伸破坏,图,7-4-,17,喷射混凝土变形曲线,在变形初期，喷层起粘结抵抗作用，粘结抵抗效应主要取决于围岩质量,(,围岩表面矿物成份,),及其表面清洁程度，并在一定程度上随喷层厚度增加而增强。,(2),变形机理,第七章隧道施工工艺及施工技术,相对破坏荷载,相对厚度,h,/,r,0,1/15,1/12,1/8,1/5,弯曲破坏,剪切破坏,图,7-4-18,喷层相对厚度与相对破坏荷载,当,h/r0=1/81/12,时，支护能力最大，喷层处于从剪切破坏到弯曲的过渡阶段。,所以喷层要具有柔性，必须控制其厚度，柔性较好且有足够抗力的喷层厚度应控制在：,h,=(0.0250.033),r,0,3,、喷射工艺种类,喷射混凝土的工艺流程有,干喷、潮喷、湿喷和混合喷,四种。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,潮喷是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的,干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定的比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上,细骨料,粗骨料,水泥,搅拌机,干式,喷射机,压缩空气,速凝剂,水,喷头,干喷、潮喷工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,目前施工现场较多使用的是潮喷工艺,细骨料,粗骨料,水泥,水,外加剂,搅拌机,湿式,喷射机,压缩空气,速凝剂,湿喷工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不易使用湿喷。,砂 浆泵,搅拌机,搅拌机,干喷机,混合管,喷头,一次水,水泥,二次水,减水剂,砂,石,速凝剂,混合喷射工艺流程,第七章隧道施工工艺及施工技术,混合喷射工艺一般只用在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中,第七章隧道施工工艺及施工技术,(1),为使喷射混凝土有一定的力学性能和耐久性以及早期强度，喷射混凝土设计的最低强度不应低于,15 MPa,，一般设计强度为,20 MPa,，一天龄期抗压强度不应低于,5MPa,。,4.,素喷混凝土设计与施工,喷射工艺不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮喷混凝土强度较低，一般只能达到,C20,，而混合喷射和湿喷则可达到,C30C35,对,级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于,0.8 MPa,，对,级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于,0.5MPa,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(2),喷射混凝土支护的设计厚度，若作为防止围岩风化、浸蚀，不得小于,3cm,，若作为支护结构，不得小于,5cm,；若围岩含水，不得小于,8cm,；,第七章隧道施工工艺及施工技术,隧中线,线中线,内轨顶面,O,2,O,2,r,3,r2=321,O,1,r,1,45,3351,80,27,B,O,3,O,3,H,h,1,h,1,d,r4,二次衬砌,防水层,网喷混凝土,锚杆,乌鞘岭隧道复合式衬砌示意图,(2),为防止喷射混凝土由于收缩裂纹而剥落并妨碍喷射混凝土的柔性特点的发挥，以及减少在软弱围岩中产生较大变形压力，,喷射混凝土最厚不宜超过,20cm,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(3),在,、,、,级围岩中，易出现局部不稳定岩块，喷射混凝土的设计厚度应按下式验算：,式中：,d,设计的喷砼厚度，当,d,10cm,时，取,10cm,；,f,ct,喷砼设计抗拉强度；,u,r,局部不稳定块体出露的周边长度；,G,不稳定岩块重量；,ks,安全系数，一般取,2.5,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(4),喷射混凝土中含有较多的大小适中、分布均匀、彼此不串通的气泡，故提高了抗渗性。一般若水灰比不超过,0.55,时，可以达到,P8,。要求有较高的抗渗性时，水灰比最好不超过,0.450.50,(5),采用水泥裹砂喷射工艺时，除应试验确定总的水灰比外，还应注意试验选择,最佳造壳水灰比,W1/C,第七章隧道施工工艺及施工技术,水泥裹砂喷混凝土,Sand enveloped by cement (SEC)shotcrete,水泥裹砂法、裹石法、 裹砂石法、净浆裹石法等都在搅拌过程中生成了紧挨骨料的一层水灰比较小的浆体,造成了浆体内的水灰比梯度,都属于造壳混凝土。,“壳”的本质是“ 水灰比小于平均水灰比的浆体”,;“,造壳” 的本质是造成浆体内的水灰比梯度。,(6),拌制,SEC,砂浆应采用强制式搅拌机，以缩短搅拌时间和改善造壳效果。尤其第二次加水后的搅拌时间不能太长，要加以严格控制,第七章隧道施工工艺及施工技术,原料,(1),水泥。优先采用,425,号以上的普通硅酸盐水泥，其次是矿碴硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥。,(2),砂。应采用坚硬而耐久的中砂或粗砂,(3),碎石或卵石,(,细石,),。应采用坚硬耐久的细石，粒径不宜大于,15mm,，以细卵石较好。,(4),骨料成分和级配。砂石骨料级配应按国家标准控制在表,7-4-6,的范围之内。,第七章隧道施工工艺及施工技术,原料,(5),水。饮用水均可用于喷射混凝土；不能使用污水以及,PH,值小于,4,的酸性水，也不能使用硫酸盐含量,(,按计算,),超过水重,1,的水。,(6),外加剂，主要是速凝剂，在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝土速凝，以减少回弹和早强，选用时应做与水泥的相容性试验。,第七章隧道施工工艺及施工技术,配比,(1),干集料中水泥与砂石重量比，一般为,1:41:4.5,(2),砂率一般为,45%55%,。,(3),水灰比一般为,0.40.45,。,(4),速凝剂和其它外加剂的掺量，一定要由试验来确定其最佳掺量，并达到各龄期的设计强度要求。,(5),喷射混凝土搅拌时间及搅拌后临时存放时间均应按工艺要求及规范规定进行。,喷射混凝土机械设备,(1),喷射机。,干式喷射机,湿式喷射机,第七章隧道施工工艺及施工技术,HSP5-15S,湿喷机,干喷机,(2),机械手。,(3),强制式搅拌机。,第七章隧道施工工艺及施工技术,喷前检查及准备,(1),开挖断面尺寸检查，清除松动危岩，欠挖超标严重的应予处理。,(2),根据石质情况，用高压风或水清洗受喷面。,(3),受喷岩面有集中渗水时，作好排水引流处理，无集中水时，根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(4),埋设喷层厚度检查标志，一般是在石缝处钉铁钉，或用快硬水泥安设钢筋头，并记录其外露长度。,(5),检查调试好各机械设备的工作状态。,第七章隧道施工工艺及施工技术,1,2,3,7,8,9,6,5,4,边墙喷射分区及喷射顺序,施喷注意事项,(1),喷射时应分段,(,不超过,6m),、分部,(,先下后上,),、分块，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行。,？,第七章隧道施工工艺及施工技术,以减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。,拱脚线,拱顶中心线,2m,2m,2m,2,3,6,5,4,13,10,7,8,9,11,12,14,15,拱圈喷射分区及喷射顺序,1,(2),喷射时可以采用,S,形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(3),喷射时喷嘴要垂直于受喷面，距离,0.8,1.2m,。,(4),对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。,(5),喷射时一次喷射厚度不得太薄或太厚，它主要与混凝土的粘结力和受喷部位及回弹情况等有关。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(6),设计喷层较厚时，应分层喷射。,(7),应在其终凝,12h,后进行水养护，养护时间一般不少于,7d,。,(8),冬季施工时作业区的气温不得低于,5,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(9),回弹物料的利用。,5,、钢纤维喷射混凝土,混凝土增强纤维,钢纤维,非钢纤维,高弹纤维,低弹纤维,第七章隧道施工工艺及施工技术,6,、聚丙稀纤维喷射混凝土,聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。,第七章隧道施工工艺及施工技术,东巨寺沟隧道地处渭河右岸，进口在一泥石流沟左岸，出口与巨寺沟大桥相接，地势陡峻。进口端地表有粘质黄土覆盖，出口端基岩裸露。最大冻结深度为,1.0 m,，最冷月平均气温,-4.7,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,宝兰二线东巨寺沟隧道,7,、钢筋网喷射混凝土,构造组成,钢筋网通常作环向和纵向布置。,第七章隧道施工工艺及施工技术,环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径,12,左右；纵向筋一般为构造筋，直径,610,；,网格尺寸一般为,20cm20cm,，,20cm25cm,，,25cm25cm,，,25cm30cm,或,30cm30cm,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,四、钢拱架,1,、构造组成,钢拱架可以采用型钢、工字钢、钢管或钢筋制成。,第七章隧道施工工艺及施工技术,四、钢拱架,现场采用以钢筋制作的格栅钢架较多。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,格栅钢架采用钢筋现场加工制作，技术难度和要求不高；对隧道断面变化适应性好。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章隧道施工工艺及施工技术,钢拱架的安装架设方便。,第七章隧道施工工艺及施工技术,五、联合支护,(1),联合支护宜联不宜散，彼此要直接地牢固相连，以充分发挥联合支护效应。,(2),钢筋网及钢拱架要尽可能多地与锚杆头焊连，锚杆要有适量的露头。,第七章隧道施工工艺及施工技术,(3),钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖，即喷射混凝土要将钢筋网和钢拱架包裹密实。,(4),分次施作的联合支护，应尽快将其相联，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的联结。,(5),分次施作的联合支护，要在量测指导下进行，以做到及时、有效，并作适当调整。,第七章隧道施工工艺及施工技术,重点内容,第七章隧道施工工艺及施工技术,1.,装渣方式。,2.,常用装渣机械及特点。,3.,运输方式及特点。,4.,常用调车设备。,5.,锚杆的支护效应及分类。,第七章隧道施工工艺及施工技术,1.,喷混凝土的特点。,2.,素喷混凝土设计要点。,3.,混凝土喷射方式及工艺。,内容回顾,5,、钢纤维喷射混凝土,混凝土增强纤维,钢纤维,非钢纤维,高弹纤维,低弹纤维,第七章隧道施工工艺及施工技术,玻璃纤维,(,高弹,),钢纤维,聚丙烯纤维,(,低弹,),第七章 隧道施工工艺及施工技术,喷纤维混凝土与喷普通混凝土的最大区别是：,弯曲拉伸及抗剪强度大；,峰值强度后的残留强度大；,峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也能传递拉力；,耐冲击、抗冻融性好。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,钢纤维喷射混凝土是在喷射混凝土中加入钢纤维，弥补喷射混凝土的脆性破坏缺陷，改善喷射混凝土的物理力学性能。,在发生很大荷载和变形的隧道洞口和断层破碎带、膨胀性围岩、弯曲应力大的扁平断面、隧道分叉地段、发生复杂应力的地段等，使用效果明显。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,通常在喷射钢纤维混凝土中，钢纤维的直径,(,或等效直径,),为,0.30.6mm,，长度为,2040mm,，长径比为,4060,，钢纤维的体积掺量为,1,2,。,性能特点,(1),钢纤维喷射混凝土中的钢纤维主要在喷射平面内呈两维分布，且相当均匀。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(2),钢纤维喷射混凝土的破坏呈塑性破坏，因此容许有较大的变形，裂缝出现后仍有一定的承载能力。,(3),在一般掺量情况下比普通喷射混凝土的抗压强度提高,30%60%,，抗拉强度提高,50%80%,，抗弯强度提高,40%70%,。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(4),当钢纤维掺量大于,1.5%,时，钢纤维喷射混凝土的韧性,(,加载至试件完全破坏所做的功,),为普通喷射混凝土的,2050,倍，抗冲击性能提高,8%30%,，抗磨损性能能提高,30%,第七章 隧道施工工艺及施工技术,西康铁路秦岭,号隧道局部采用湿喷钢纤维混凝土衬砌,第七章 隧道施工工艺及施工技术,设计要点,(1),物理力学性能除与喷射混凝土的物理力学性能有直接关系外，同时与钢纤维的形状、尺寸、掺量、以及钢纤维在基体材料中的分布状态和排列方向、喷射工艺等有直接关系。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,钢纤维掺量与抗拉、抗弯强度关系,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,100,140,180,220,260,钢纤维掺量,(%),强度比（与素混凝土相比）,1-,抗拉强度：钢纤维,d,=0.4mm,，,l,=25mm,2-,抗弯强度：钢纤维,d,=0.3mm,，,l,=25mm,1,2,(2),当钢纤维尺寸相同时，其抗拉、抗弯强度随钢纤维含量的增强而提高。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),当钢纤维长度、掺量相同时，细纤维较粗纤维的,强度,有显著提高,(,图,),。,不同直径钢纤维在相同掺量下抗挠比较,1,2,荷载,(kN),钢纤维形状：,1-d=0.3mm,；,l=25mm,2-d=0.4mm,l=25mm,；钢纤维掺量：,2%,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,0,挠度,(mm),第七章 隧道施工工艺及施工技术,(4),当钢纤维的尺寸相同，掺量高的较掺量低的,抗冲击性能,显著提高。,钢纤维掺量与抗冲击性能的关系,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,0,10,20,30,40,钢纤维掺量,(%),抗冲击次数比（与素喷混凝土相比）,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(5),钢纤维喷射混凝土的配合比：,水泥,:,砂,:,石,1:1.6:1.6,，,水泥标号不低于,525,号，砂子采用中砂，石子采用筛洗卵石，最大粒径,10mm,，钢纤维掺量一般为喷射混凝土重量的,1.0%2.0%,，,规格尺寸为直径,长度,0.3mm20mm,或,0.4mm20mm,或,0.4mm25mm,。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,施工要点,(1),应选用经过实用检验的喷射机械。,防止钢纤维结团堵管。,(2),钢纤维和基料必须拌和均匀，避免结成喷射机拔料盘堵塞或堵管。方法是先将水泥、砂、石拌和均匀，然后掺入钢纤维和速凝剂，再拌和均匀，装入运输车。,第七章 隧道施工工艺及施工技术,(3),操作同普通喷射混凝土，但输料管的磨耗大，一般要高于普通喷射混凝土,30%40%,。,(4),风压要比普通喷射混凝土高,0.020.05,MPa,；当输送距离不大于,40m,时，风压一般可为,0.050.18,MPa,。,6,、聚丙稀纤维喷射混凝土,聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。,第七章隧道施工工艺及施工技术,单丝纤维,网状纤维,东巨寺沟隧道地处渭河右岸，进口在一泥石流沟左岸，出口与巨寺沟大桥相接，地势陡峻。进口端地表有粘质黄土覆盖，出口端基岩裸露。最大冻结深度为,1.0 m,，最冷月平均气温,-4.7,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,宝兰二线东巨寺沟隧道,7,、钢筋网喷射混凝土,构造组成,钢筋网通常作环向和纵向布置。,第七章隧道施工工艺及施工技术,环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径,12,左右；纵向筋一般为构造筋，直径,610,；,网格尺寸一般为,20cm20cm,，,20cm25cm,，,25cm25cm,，,25cm30cm,或,30cm30cm,。,第七章隧道施工工艺及施工技术,第七章 隧道施工工艺及施工技术,施工要点,(1),钢筋网应根据被支护围岩面上的实际起伏形状铺设，且应在喷射一层混凝土后再行铺设。钢筋与岩面或与初喷混凝土面的间隙应