水利工程施工 第六章 地下建筑工程

围岩特征分类
SDJZ12—83《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》根 据围岩地质特征，将围岩分为五类。 Ⅰ类：稳定围岩。岩石新鲜完整，地下水活动轻微，岩体呈块状整 体结构或块状砌体结构，一般可不支护。 Ⅱ类：基本稳定围岩。岩石新鲜或微风化，结构面仅局部有不稳定 组合，洞壁潮湿有渗水或滴水。仅局部需支护。 Ⅲ类：稳定性较差的围岩。岩石微风化或弱风化，结构面组合不利 于围岩稳定者较多，断层等主要软弱结构面走向与洞线斜交或近 平行，地下水活动显著，沿结构面有渗水、滴水或线状涌水。一 般需进行支护。 Ⅳ类：稳定性差的围岩。软弱结构面分布较多，结构面组合不利于 围岩稳定，断层等软弱结构面走向与洞线近平行。地下水活动显 著，沿结构面有渗水、滴水或线状涌水。需进行支护。 Ⅴ类：不稳定围岩。强风化或全风化岩体，结构面呈零乱状不稳定 组合，挤压强烈的大断层带，裂隙杂乱，呈土夹石或石夹土状。 地下水活动强烈，有较大涌水量，常引起不断塌方。需加强支护。
1.1 平洞施工工作面
工作面数估算：
l max L ( + ) ≤ [T ] NV v
注： L—平洞全长 N—工作面数 V—平洞施工综合进尺 Lmax—施工支洞(或竖井)的最大长度 V--施工支洞(或竖井)的综合进尺
平洞的施工的进程
• • • • 进出口明渠开挖 进出口洞脸(墙)开挖 进出口洞顶加固(喷、锚、钢筋砼) 洞身开挖
下部开挖
下部开挖一般可在顶拱开挖完成后，从上而下分 层进行。如围岩地质条件较差，顶拱宜先进行混凝土 衬砌，然后再开挖下部。对于下部有多层施工通道， 为争取工期，也可上、下同时施工，留中间岩板最后 开挖，但应注意保留岩板的稳定，开挖方法主要可分 为： （1）大直径钻机钻垂直或斜孔，梯段爆破开挖，适应 于地质条件好的洞室。 （2）小直径钻机（450 mm以下）钻垂直或斜孔，小梯 段爆破，或钻水平孔，分层向上抬炮开挖，适应于地 质条件较差的洞室。 （3）核心支撑法，按混凝土衬砌厚度及立模和施工要 求，先开挖宽度一般小于3.0～3.5m的侧导洞，并浇 筑混凝土边墙，适应于地质条件很差的洞室，一般顶 拱在下部边墙混凝土浇筑后开挖和混凝土衬砌 。
•
• •
• •
1.3 大断面洞室的施工程序
• 原则：
变高洞为低洞、变大跨为小跨 先拱部后落底、先外缘后核心 由上而下、上下结合 跳仓开挖、跳仓衬砌
•
举例：
先拱后墙分层施工 先墙后拱预留核心岩柱 肋墙肋拱法施工
1.4 竖井的施工程序
• 全断面法 自上而下全断面钻爆法开挖 适用于断面较大深度不大的竖井 施工时要注意： ①做好竖井锁口，确保井口稳定； ②起重提升设备应有专门设计，确保安全提升 ③涌水和淋水地段要做好井内外防水排水设施； ④围岩稳定性较差或在不良地层中修筑竖井，宜开挖一段 衬砌一段，或采用预灌方法加固以后进行开挖、衬砌； ⑤井壁有不利的节理例隙组合时，要及时进行锚固。
四.洞室开挖施工方法
开挖方式主要根据隧洞断面尺寸，围岩地质 条件、施工机械设备状况 施工通道等确定。一 般而言，地质条件和机械设备允许采用全断面的， 应尽量采用全断面开挖，可减少对围岩的爆破扰 动次数，有利于围岩稳定。对于地质条件较差的 大。中断面隧洞，则宜采用分部开挖、支护的方 法。
（1）全断面开挖
•
导井法
向井底打出碴平洞 在竖井中部先挖导井(4～5m2 ，为扩挖竖井时落碴)
1. 2. 3. 4. 5. 全断面普通钻爆法 大钻机法 吊罐法 爬罐法 深孔爆破法
扩大开挖竖井
1. 自上而下逐层下挖， 2. 自下而上蹬碴上挖
2 钻孔爆破法开挖 (重点)
2.1 钻孔爆破设计 2.2 爆破开挖轮廓控制 2.3 钻孔爆破循环作业
d——炮孔装药系数，见表1-5； q——单位耗药量，kg/m3,见表1-6； s——开挖断面面积，m2； r——单个炮孔每米装药量，kg/m，r=100лd2△k/4; 其中 d——药卷直径，cm； △ ——炸药密重，kg/cm3； k——装药压紧系数，硝铵炸药k=1.0，硝化甘 油炸药k=1.2；
2.1 钻孔爆破设计
• 设计任务：
– 炮孔布置(位置、深度、方向) – 装药结构及装药量、 – 爆破方法及起爆顺序
• 爆孔类型(图示)
– 掏槽孔：开创临空面(图示)
• 楔形掏槽 • 锥形掏槽 • 垂直掏槽
– 崩落孔(落岩体) – 周边孔(控制开挖轮廓)
•
炮孔数量 炮孔数量很难靠计算合理确定，只能通过工 程类比和参考有关经验初步计算，以后在爆破开 挖过程中修正，初步计算常采用下式： N=qs/rd
地下厂房开挖
主厂房施工分层从顶拱依次向下。主厂房 开挖应注意的关键部位是： ①拱座开挖。 ②吊车梁岩台开挖。 ③与厂房交叉的洞口岩体开挖。 拱座与吊车梁岩台都是受力较大的部位， 开挖应采用防震孔或预裂爆破减震，以免岩体 槽到破坏。与厂房交叉的洞口岩体是岩体开挖 后应力集中部位，除采用控制爆破外，还应及 时进行支护，以防岩体急剧变形而被破坏。
六.地下厂房开挖
地下厂房一般由洞群组成，有主厂房、引水洞、高 压管道、尾水洞、副厂房、主变室、出线电缆洞（井）、 调压室（或井）、交通洞、通风洞（井）等，洞群相互 平行、交叉，施工技术复杂，开挖、支护衬砌、安装平 行交叉作业，因此，在考虑施工方法上要统筹兼顾，根 据围岩稳定状况、交通运输方式及支护方式等条件综合 分析确定。 一般情况下，先开挖和衬砌顶拱（即顶拱支撑法）， 当地质条件较差，围岩难以形成拱座时，为了减少开挖 跨度以降低坍落高度，多采用核心支撑法，先开挖厂房 两侧，浇筑混凝土边墙，然后开挖、衬砌顶拱，再挖除 厂房中间岩体。中间岩体开挖一般采用台阶法开挖，深 孔梯段爆破，梯段高度一般为8～12 m，顶拱部分多采 用分部开挖，开挖高度和跨度视机械作业要求和地质条 件而定，一般为6～8m。下部开挖一般可在顶拱开挖完 成后，从上而下分层进行。
• • • • 开创临空面，提高扩挖爆破的效率； 直接现场探查地质情况，以便及时适当调整开挖和支撑方式； 专进法导洞(导洞先贯通)有利于通风； 上导洞：有利于先顶部开挖并支护和衬砌，为下部开挖提供安全。有利于一 次敷设动力照明等管线。但施工排水不便、导洞出碴要翻运、开挖衬砌交差 作业相互干扰大。适用于地质条件不好、地下水不严重的情况； 下导洞：有利于一次敷设出碴道路和施工设施，有利于排水，上部扩挖可利 用岩体自重提高爆破效果。但顶部扩挖施工困难。适用于地质条件较好、地 下水严重、机械化程度不高的情况； 双侧导洞：有下导洞的作用，适用于断面大、岩层松软破碎、岩层陡倾、地 下水严重的情况； 上下导洞：兼有上、下导洞的作用。适用于断面很大，缺少大型开挖设备， 地下水严重的情况。上导洞用于扩挖，下导洞用于出碴和排水，上下导洞用 竖井连通； 品字导洞：兼有上、下导洞的作用。适用于断面大、岩层松软破碎、地下水 严重的情况； 中导洞：导洞在断面中部，有利于用柱架式钻机向四周钻辐射扩挖孔，扩挖 钻孔可与出碴平行作业，可提高循环进尺和速度。但导洞出碴困难。适用于 岩石坚硬，不需要临时支撑，有柱架式钻机的情况；
整个断面一次开挖成洞，衬砌支护以后进行。 适于围岩坚固稳定（f≥8-10），地质条件较好的 大、中断面隧洞，以及各类地质条件的小断面隧 洞。需要大型开挖设备。干扰小，速度快。鲁布 革水电站D=8.8m隧洞，14.6m/d
（2）台阶法开挖
台阶法(断面分部开挖) 即先开挖上部台阶，对顶拱进行支 护或混凝土衬砌后，再开挖下部台阶。断面分层向前掘进，上部 超前掘进2-3.5m。不一定需要大型机械，根据需要确定衬砌支护 顶拱的时间。适应于围岩地质条件较好，但钻孔、支护机械工作 范围不能满足全断面开挖的大断面隧洞。在采用手风钻钻孔开挖 时，在中、小断面隧洞也常常采用正台阶法开挖。
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 地下建筑工程的施工顺序 钻孔爆破法开挖 (重点) 掘进机开挖 衬砌施工 喷锚支护 (难点) 地下工程施工辅助作业
1 地下建筑工程的施工顺序
1.1 1.2 1.3 1.4 平洞施工工作面 平洞施工的程序 (重点) 大断面洞室的施工程序 竖井的施工程序 (难点)
• 衬砌
立模(钢模台车)、浇筑(多用砼泵)、封拱、拆模
• 灌浆
1.2 平洞施工的程序
• 全断面开挖 • 断面分布开挖
1 2 2 1
• 导洞法开挖(说明使用条件)
Ⅶ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1 3 2
Ⅵ
Ⅱ
5 6 6
3
Ⅳ
2 3 4 1
下导洞
3
Ⅳ
Ⅳ
Ⅳ Ⅵ Ⅱ
3
1
Ⅳ
3
5
上导洞
3 1
4
Ⅱ
3 1
5 1
5 1
Ⅵ
Ⅱ
双侧导洞
品字导洞
导洞的作用：
2.2 爆破开挖轮廓控制
2.3 钻孔爆破循环作业
第六章地下建筑工程
一. 平洞与大断面洞室开挖－平洞/先拱后墙/先墙后拱/ 先加固后开挖 二. 新奥法施工与TBM－支护原理/支护形式/TBM 三. 案例：大型地下工程－奥林匹克地下体育场/那不勒 斯地铁/广州地铁 一.地下工程施工 1.特点 施工于地下，场地受限制，干扰大，施工组织 复 杂，安全问题突出，受不良地质条件影响极大 2.工作项目 洞室开挖，出渣，临时支撑，衬砌支护， 洞室灌浆，质量检查 3.危险 塌方，涌水，流砂，地热，有害气体
顶拱部分开挖
顶拱部分多采用分部开挖，开挖高度和跨度 视机械作业要求和地质条件而定，一般为6～ 8m。具体可分为： （1）先开挖中部，然后两侧分部扩挖，一般在顶 拱开挖完毕，再进行混凝土衬砌。 （2）先开挖两侧，然后扩挖中部。可分部进行混 凝土衬砌，先衬砌两侧，后衬中间拱部。 （3）肋拱法。一次纵向开挖长度一般不超过5～ 10 m，衬砌长度3～8 m，两端混凝土表面距岩 面各留1.0m左右的空间，适应于围岩地质条件 差的洞室。
三.选择施工方法的基本因素
1.工程地质及水文地质 工程地质及水文地质条件 是选择开挖方法的基本依据。 2.断面形状 断面形状对洞室周边围岩稳定非常重 要，特别是地应力较大和侧压力较大的洞室，易 发生底鼓和片邦的现象， 这时应该慎重地选择开挖方法，甚至调整断面形状。 3.洞室交叉地段的失稳 在洞室交叉地段最容易发 生失稳现象，其原因是在交汇的地段往往是围岩 应力释放和应力集中地 段，会发生坍塌，冒顶， 因此，在施工通过这种地段时应采取预先加固措 施并在施工中加强监测，防止意外事故发生。
洞脸 洞 明 渠 边 坡 洞口 墙 明 渠 边 坡
洞身施工工艺过程
• 开挖
爆破：放眼、钻孔、装药、堵塞、起爆、通风散烟 出碴：撬挖松块、扒碴、装碴、运输
• 临时支撑
以往多用：木柱、钢筋砼柱、钢管排架； 现在多用：钢筋拱架、型钢拱架，不拆喷入或浇入砼 内兼作支护；
• 支护
喷砼、锚喷、网喷、钢拱架喷砼
二.围岩分类
根据洞室围岩性质，判断围岩是否稳定，确定山岩压力，提出支护设计 方案和确定施工方法。目前我国地下工程施工设计中经常采用的围岩分类主 要有六种： （1）水工技术规范中的围岩分类。SDJ 212—83 （水工建筑物地下工程施工技 术规范》围岩分类；SDJ134—84《水工隧洞设计规范》围岩分类。 （2）国家标准中的围岩分类。GBJ86—85《锚杆喷射混凝土支护技术规范》， 冶金、煤炭工业系统多采用该规范中围岩分类法。 （3）普氏分类法。普罗托奇雅可诺夫根据岩石坚固系数t和岩体弱化系数A，对 围岩进行分类，坚固岩体中大多采用普氏分类法。 （4）比耶涅夫斯基岩体地质力学分类。该分类法的优点是综合考虑岩石的单轴 抗压强度、RQD、节理状态、节理间距、地下水等五个综合因素，确定围岩 等级，再根据节理产状进行修正，最后确定将围岩分成五个等级，具有工程 意 （5）巴顿分类。挪威著名人士N.巴顿根据岩石质量对围岩进行定量评价、分类。 我国很多工程多采用巴顿围岩分类法。 （6）水电地下工程围岩分类法。该方法首先根据洞室围岩变形破坏基本类型、 形式、岩体完整性、岩石强度、岩体结构和地下水等综合因素影响，定性评 价围岩分类，然后再根据围岩稳定性及其变形破坏等有关要素指标对围岩进 行定量分类。不同的是对水文地质的影响考虑更进一步，对地下水渗透量、 涌水状态、压力水头值都深入研究。
第六章 地下建筑工程
主要施工内容： 洞口、洞室开挖和出碴 洞室临时支撑 洞室衬砌或支护 洞室灌浆 质量检查 辅助工作 施工动力供应 洞内外交通运输 通风、消烟除尘 排水和照明
施工特点
地下施工场地狭窄 钻孔、出碴、支撑、支护或衬砌等工序相互干扰大，施工组织复杂 受地质和水文地质条件的影响突出，施工安全问题突出