大断面隧道施工

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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。
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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 非结构物 结构物
与混凝土的附着 与岩体的附着
预衬砌工法采 用的机械，有2 大类：
1、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。
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2、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。
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脚部的施工机械之一
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·超前支护；
·扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管；
·正面喷射混凝土和锚杆；
·底脚锚杆或锚管等。
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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。
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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期支护技术和不良地 质条件下的超前支护技术，提出来很高的要求；
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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，不仅需要加强基底结构，对衬砌结构也具 有一定的影响，不容忽视。
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日本 喷混凝土初期强度设定事例
单位 道路协会
类别 喷混凝土
材龄3小时抗压 强度（N/mm2）
－
材龄24小时抗压 强度（N/mm2）
5
铁 道 建 设 ·运 输 高品质喷混凝土 1.5
8
设施
道路公团
喷混凝土
－
5
高强度喷混凝土 2
10
高强度纤维喷混 2
10
凝土
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大断面隧道施工
大断面隧道的施工中的关键问题
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二、客运专线的隧道特点
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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。
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一、列车运行的高速度，引起的列车——空气动力 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；
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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，在大断面隧道中，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。
非常细 中位 中位 中位 细
0.24±0.18 0.58±0.19 0.19±0.05 1.53± 0.28 （1.1）破坏面
0.28±0.11 0.85±0.35 0.51±0.11 1.8 （1.1）破坏面
砂岩
石英、长石
细
1.8
1.8
泥灰岩 石灰岩
方解石、粘土矿 细
物
方解石
细
1.49 1.58±0.12
0.5
0.1
1.0
0.5
挪威规定附着强度在0.2～1.8MPa之间。
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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
云母片岩
片麻岩（叶状构 造） 片麻岩（叶状构 造） 砂岩（裂隙多）
粘土矿物、绿泥 石
石英、长石、云 母
石英、斜长石、 云母、角闪石
石英、斜长石、 云母、角闪石 石英、长石
喷射后喷混凝土强 C30
C35
C40
C45
C50
C55
度（附着配比）
喷射前喷混凝土强 C38
C43
C48
C54
C60
C65
度（喷射配比）
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5、回弹率及粉尘浓度
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。
1.84 1.54±0.30
大理岩
方解石
中位
1.38±0.30
1.52±0.28
花岗岩、闪绿岩 花岗岩、闪绿岩 花岗岩、闪绿岩 辉绿岩
石英、斜长石、 黑云母
石英、斜长石、 黑云母
石英、斜长石。 黑云母 斜长石、辉石
粗 中位 细～中位 细～中位
0.34±0.12 1.04±0.32 1.48±0.45 1.56±0.25
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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。
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预衬砌工法的机械
超前支护方法分类
超前支护的分类 混凝土拱壳方式
预计的功能 隧道横向刚性大（拱结构）
水平喷射注浆方式 长钢管注浆方式
隧道纵向刚性大（梁结构）
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预衬砌
其标准参数如下。 超前支护厚度：１７０ｍｍ 设置范围：１２０º（１１５º～１２５º） 设置角度：７º（５º～１０º） 纵断方向钻孔长度：４.０ｍ 纵断方向充填长度：３.５ｍ 搭接长度：０.５ｍ 超前残余长度：１.０ｍ（１.０～２.０ｍ）．
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支护结构的构成
隧道的支护结构包括：
初期支护；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。
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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。
·对周边环境的影响－缓冲结构的设置。三个方 面的问题。
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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,Ⅴ级围岩隧道的开挖断面积可达170m2， 属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路 隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提 出来许多新课题；
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模式化的超前支护
日本在新版“城市矿山法隧道技术标准” （2019年）中，把超前支护类型、参数及适用条 件做了具体的规定。
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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。
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五、对衬砌混凝土的耐久性，如抵抗列车风压的疲 劳特性；如何保证初期支护的喷混凝土的耐久性?， 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；
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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。
ห้องสมุดไป่ตู้37
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。
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J1 ：（A~B）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2： (B~C)：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）
1.12±0.20 1.40±0.26 1.71±0.14 1.7
木版
－
－
1.7
1.7
喷混凝土表面
－
－
1.7
1.7
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4、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、喷射工艺以及喷射工的技术熟练程 度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。
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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。
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。
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脚部施工机械之二
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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。
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喷混凝土抗压强度划分
强度划分
C24/30
圆柱体试件 24
立方体试件 30
EFNARC的标准
C28/35 C32/40 C36/45
28
32
36
35
40
45
C40/50 40 50
C44/55 44 55
C48/6 48 80
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挪威的标准 喷混凝土抗压强度划分
抗压强度 (MPa)
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水平喷射注浆方式
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其标准断面如下： 喷射改良体直径：６００ｍｍ 设置范围：１２０º（１２０º～１８０º） 设置角度：５º（５～１０º） 纵断方向钻孔长度：１３.０ｍ（９～４８ｍ） 纵断方向改良长度：１０ｍ 搭接长度：１.０ｍ 超前残余长度：４.０ｍ（３.０～４.０ｍ） 设置间距：６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ）
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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
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结合具体情况，主要谈三个问题： 1、初期支护； 2、初期支护的喷混凝土； 3、隧道防水板的铺设工艺。
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。
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。
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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。
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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
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长钢管注浆方式
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标准断面如下： 钢管直径：１１４３ｍｍ 设置范围：１２０º（５０～１８０º） 设置角度：５º（４～３０º） 纵断方向钻孔长度：１２.５ｍ（４～４０ｍ） 纵断方向注浆长度：１２５ｍ（４～４０m） 搭接长度：３.５ｍ 超前残余长度：３.５ｍ（１.０～７.５ｍ）
设置间距：４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ）
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一、掌子面稳定性
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。
从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式：
·掌子面挤出；
·掌子面拱部坍塌；
·上半断面拱脚下沉；
·底部鼓起等。
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。
C30 C35 C40 C45 C50 C55
立方体试件的最小 30
35
40
45
50
55
抗压强度
取样试件的最小抗 19.2 22.4 25.6 28.8 32.0 35.2 压强度
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2、初期强度
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。