第六章 隧道施工方法

第六章
隧道施工方法
主要内容 • 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
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；
新奥法施工的基本原则可以归纳：
少扰动——扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动
持续时间。
早支护 勤量测 紧封闭——一方面指及早封闭岩面，另一方面指要
适时闭合支护。
第三节 主要开挖方法
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)
•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；பைடு நூலகம்
•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。
一、全断面开挖法
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。
适用条件
(1)I~IV级围岩，在用于Ⅳ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。
2、短台阶法
1
2 L 1 2
>(1~1.5)L
短台阶法
适用于地质条件差的Ⅳ、V级围岩，台阶长度定为 10~15m，即1~2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。
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)，该方法在国内又被 称为“新意法” 。
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。
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3~4m，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。
七、双侧壁导坑法(眼镜工法)
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；
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。
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。
四、弧(环)形导坑预留核心土法
上台阶弧形导坑领先，下台阶两侧开挖，再开挖中部核心土。
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。 特点： 开挖工作面稳定性好；施工干扰大、工效低
五、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
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。
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。
隧道施工方法可按以下方式分类：
山岭隧道 施工方法 矿山法（钻爆法） 掘进机法 明挖法 地下连续墙法 盖挖法 浅埋暗挖法 盾构法 沉埋法 盾构法 传统矿山法 新奥法
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
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 ① 工程的重要性。 ②地质和水文条件 ③ 施工技术条件和机械装备状况
适用条件： 单线隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩； 双线隧道Ⅱ、Ⅲ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。 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。
隧道机械化施工作业线
作业线 采用的大型机械设备 钻孔台车、装药台车、装载机配合自卸汽车（无轨运输时）、装 开挖作业线 渣机配合矿车及电瓶车或内燃机车（有轨运输时） 混凝土喷射机、混凝土喷射机械手、喷锚作业平台、进料运输设 喷锚作业线 备及锚杆灌浆设备 模 筑 衬 砌 作 混凝土拌和作业厂、 混凝土输送车及输送泵、 施作防水层作业平 业线 台、衬砌钢模台车
转移拱部效应
无拱部效应
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 转移拱部效应 措施协助围岩形成“拱部效应”。
无拱部效应
图 6-4-1 隧道开挖面失稳三种情况
转移
无拱
图 6-4-1 隧道开挖面失稳三 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。
适用条件： 适用于IV~V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10~20m，上下断面的距离宜保 持3~5m。 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。
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。
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
二、下导洞超前法
2
1
下导洞一般超前全断面5~10m，其循环进尺为2~3m。
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；
施工要求： 两侧壁导坑超前中槽部位10~15m，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。
④ 施工中动力和原材料供应情况； ⑤ 隧道的横断面积 ⑥ 隧道的埋深
⑦ 工期
⑧工程投资与运营后的社会效益和经济效益； ⑨施工安全状况。 ⑩有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。
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”；
采用短台阶法时应注意的问题：
①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。 ② 初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合 。 ③ 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。
3、微台阶法
1 1 2 L 2 3~5m
微台阶法
适用于Ⅴ、Ⅵ级围岩，一般为3~5m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。
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。
六、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。
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。
1、长台阶法
1 2 L 长台阶法 >5L 1 2
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Ⅲ、Ⅳ围 岩
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；
拱部效应
拱部效应
拱部效应
拱部效应
自然拱部效应
自然拱部效应
转移拱部效应
转移拱部效应
如果开挖后围岩处于弹~塑性状况，开挖轮廓四 拱部效应
拱部效应
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； 自然拱部效应