9　隧道施工

本章導讀：

●基本要求　理解隧道工程的基本概念、分類、作用及特點；掌握隧道施工方法及其選擇、新奧法施工基本原理及方法、監(jiān)控量測、鉆爆開挖、錨噴支護等；了解人工開挖、掘進機施工、洞口段及明洞施工方法、鋼木支撐、預加固技術(shù)、塌方事故的處理等。

●重點　隧道工程的基本概念、分類、作用及特點；隧道施工方法及其選擇、新奧法施工基本原理及方法、監(jiān)控量測、鉆爆開挖、預加固技術(shù)、塌方事故的處理。

●難點　隧道施工方法及其選擇、新奧法施工基本原理及方法、錨噴支護等。

9.1　概 述

9.1.1　隧道的基本概念

隧道是一種修建在地下,兩端有出入口,供車輛、行人、水流及管線等通行的工程建筑物。1970年OECD(世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織)隧道會議從技術(shù)方面將隧道定義為：以任何方式修建,最終使用于地表以下的條形建筑物,其空洞內(nèi)部凈空斷面在2m2以上者均為隧道。隧道工程包含兩方面的含義：一方面是指從事研究和建造各種隧道及地下工程的規(guī)劃、勘測、設(shè)計、施工和養(yǎng)護的一門應用科學和工程技術(shù),是土木工程的一個分支；另一方面是指在巖體或土層中修建的通道和各種類型的地下建筑物。

9.1.2　隧道的分類及其作用

隧道的種類繁多,從不同角度有不同的分類方法。按隧道所處地層,可以分為土質(zhì)隧道和石質(zhì)隧道。根據(jù)隧道所在位置可分為三大類：為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流、湖泊或海峽而從河下、湖底或海底通過的稱為水下隧道；為適應城市發(fā)展而在城市下面修建的可以滿足交通、市政、水利等需要的各類隧道稱為城市隧道。按埋置的深度,可以分為淺埋隧道和深埋隧道；按斷面形式,可分為圓形、馬蹄形和矩形隧道等。按國際隧道協(xié)會(ITA)定義的斷面數(shù)值劃分標準,可分為特大斷面(100m2以上)、大斷面(50 ～100m2)、中等斷面(10～50m2)、小斷面(3～10m2以上)、極小斷面(3m2以下)。分類比較明確還是按照隧道的用途來劃分,主要有以下幾種：

1)交通隧道

①鐵路隧道：修建在地下或水下并鋪設(shè)鐵路供機車車輛通行的建筑物。

②公路隧道：為滿足汽車通行而修建的各類穿越山嶺、跨越江河(海峽)的公路交通隧道。近年來,為了解決城市交通擁堵,城市地下快速路也有很大發(fā)展。

③地下鐵道：地下鐵道是大量快速輸送乘客的一種城市軌道交通運輸設(shè)施,能緩解和解決大城市中交通擁擠、車輛堵塞問題。

④水下隧道：交通線路橫跨江、河道時,可以采用架橋、輪渡或修建水下隧道通過,但架橋受凈空、戰(zhàn)爭的限制和約束,輪渡又受天氣影響和通行量限制,采用水下隧道可以較好地解決上述問題。它不但避免了風暴天氣輪渡中斷的情況,而且在戰(zhàn)時不致暴露交通設(shè)施的目標,是國防上的較好選擇。

⑤航運隧道：當運河需要越過分水嶺時,克服高程障礙成為十分困難的問題。修建航運隧道,可以把分水嶺兩邊的河道溝通起來,減少繞行距離,既可以縮短航程,又可以省掉修建多級船閘的費用,河道順直,大大改善航運條件。

⑥人行地道：在城市鬧市區(qū)中,需要穿越車輛密集的街道、高速公路、高速鐵路以及交通事故易發(fā)路段,通常采用修建人行地道的辦法緩解地面交通壓力,盡量避免或減少交通事故。

2)水工隧道

①引水隧道：引水隧道是將河流或水庫中的水引入帶動水電站的發(fā)電機組運轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力資源的孔道。引水隧道有的內(nèi)壁承受水壓稱有壓隧道,有的只是部分過水,內(nèi)部水壓小只受大氣壓力稱無壓隧道。

②尾水隧道：尾水隧道是水電站把發(fā)電機組排出的廢水送出去的孔道。

③排沙隧道：排沙隧道是用來沖刷水庫中淤積的泥沙,把泥沙裹帶送出水庫大壩的孔道。有時也用來放空水庫里的水,以便進行庫身檢查或修理建筑物。

④導流隧道或泄洪隧道：導流隧道或泄洪隧道是水利工程中的一個重要組成部分。由它疏導水流并補充溢洪道流量超限后的泄洪作用。

3)市政隧道

在城市中為規(guī)劃安置的各種不同市政設(shè)施而在地面以下修建的各種地下孔道稱為市政隧道。市政隧道類型有：

①給水隧道：為滿足城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)需要而修建的隧道。

②污水隧道：城市污廢水需要排放到污水處理中心進行集中處理,這就需要有地下的排污隧道。這種隧道可能是本身導流排送,此時隧道的形狀多采用卵形；也可能是在孔道中安放排污管,由管道排污。

③管路、線路隧道：城市中的煤氣、暖氣、熱水等都是通過埋在地下管路隧道,經(jīng)過防漏及保溫措施處理,把這些能源送到城市居民家中去,確保居民生活正常進行。輸送電力的電纜以及通訊的電纜,都安置在地下孔道中,稱為線路隧道。

④人防隧道：為了戰(zhàn)時的防空目的,城市中需要建造人防隧道。在受到空襲威脅時,市民可以進入安全的庇護所。

在當今現(xiàn)代化的城市中,把上述4種具有共性的地下管道(隧道),按城市規(guī)劃總體要求,建成一個共用地下孔道,簡稱“城市共同管溝”。

4)礦山隧道(巷道)

在礦山開采中,從山體以外修建一些隧道(巷道)通向礦床而進行開采活動,達到采礦作業(yè)的目的。

①運輸巷道：向山體開鑿隧道通到礦床,并逐步開辟巷道,通往各個開采面。前者稱為主巷道,為地下礦區(qū)的主要出入口和主要的運輸干道。后者分布如樹枝狀,分向各個采掘面,稱為采準巷道。此種巷道多用臨時支撐,僅供作業(yè)人員進行開采工作的需要。

②給水隧道：送入清潔水為采掘機械使用,并通過泵抽及時將廢水及積水排出洞外的通道。

③通風隧道：礦山地下巷道穿過各種地層,將會有多種地下氣體涌入巷道中來。如果地下氣體含有瓦斯,在含量達到一定濃度后,將會發(fā)生危險,輕者致人窒息,重則引起爆炸。因此,必須及時把有害氣體排除出去。采用通風機把礦山下巷道中污濁空氣抽出去,并把新鮮空氣補進來的通道稱通風隧道。

9.1.3　隧道工程施工的特點

隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技術(shù)和施工管理的總稱。

隧道施工過程通常包括：在地層中挖出土石,形成符合設(shè)計輪廓尺寸的坑道；進行必要的初期支護和砌筑最后的永久襯砌,以控制坑道圍巖變形,保證隧道施工安全和長期安全使用。

概括地說,隧道工程施工的特點主要有：

①隱蔽性大；

②作業(yè)的循環(huán)性強；

③作業(yè)空間有限；

④作業(yè)的綜合性；

⑤施工是動態(tài)的,施工過程的力學狀態(tài)是變化的；地質(zhì)條件和圍巖的物理力學性質(zhì)也是變化的；

⑥作業(yè)環(huán)境惡劣；

⑦作業(yè)的風險性大；

⑧受氣候影響較小。

各種施工技術(shù)必須考慮這些特性,才能夠發(fā)揮其作用。

9.2　隧道施工方法

9.2.1　隧道施工方法及其選擇

根據(jù)隧道穿越地層的不同情況和目前隧道施工方法的發(fā)展,隧道施工方法可按圖9.1進行分類：

圖9.1　隧道施工方法分類簡圖

隧道施工技術(shù)主要研究解決上述各種隧道施工方法所需的技術(shù)方案和措施(如開挖、掘進、支護和襯砌施工方案和措施)；隧道穿越特殊地質(zhì)地段時(如膨脹土、黃土、溶洞、塌方、流沙、高地溫、巖爆、瓦斯地層等)的施工手段；隧道施工過程中的通風、防塵、防有害氣體及照明、風水電作業(yè)的方式方法和對圍巖變化的監(jiān)控量測方法。

隧道施工方法的選擇主要依據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,并結(jié)合隧道斷面尺寸、長度、襯砌類型、隧道的使用功能和施工技術(shù)水平等因素綜合考慮研究確定。選擇施工方法時需考慮的基本因素大體上可歸納為：

①施工條件：施工條件是決定施工方法的最基本因素,它包括一個施工隊伍所具備的施工能力、素質(zhì)以及管理水平。

②地質(zhì)條件：包括圍巖級別、地下水及不良地質(zhì)現(xiàn)象等。圍巖級別是對圍巖工程性質(zhì)的綜合判定,對施工方法的選擇起著重要的甚至決定性的作用。

③隧道斷面積：隧道尺寸和形狀,對施工方法選擇也有一定的影響。目前,隧道斷面有向大斷面方向發(fā)展的趨勢。在這種情況下,施工方法必須適應其發(fā)展。

④隧道埋深：隧道埋深與圍巖的初始應力場及多種因素有關(guān),通常將埋深分為淺埋和深埋兩類,有時將淺埋又分為超淺埋和淺埋兩類。在同樣地質(zhì)條件下,由于埋深的不同,施工方法也將有很大差異。

⑤施工工期：施工工期在一定程度上會影響基本施工方法的選擇。因為工期決定了在均衡生產(chǎn)的條件下,對開挖、運輸?shù)染C合生產(chǎn)能力的基本要求,即對施工均衡速度、機械化水平和管理模式的要求。

⑥環(huán)境條件：當隧道施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生如爆破振動、地表下沉、噪聲、地下水條件的變化等不良影響時,環(huán)境條件也應成為選擇隧道施工方法的重要因素之一,在城市條件下,甚至會成為選擇施工方法的決定性因素。

9.2.2　新奧法施工

從目前的工程實際出發(fā),在今后很長一段時期內(nèi),新奧法仍然是修建山嶺隧道的主流方法。

1)新奧法施工應遵循的基本原則

新奧法是以控制爆破(光面爆破、預裂爆破等)為開挖方法；以噴錨作為主要支護手段,通過監(jiān)測控制圍巖變形,動態(tài)修正設(shè)計參數(shù)和變動施工方法的一種隧道施工方法,其核心內(nèi)容是充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

新奧法施工應遵循的基本原則現(xiàn)歸納起來主要有以下幾點：

①在隧道的整個支護體系中,圍巖是承載結(jié)構(gòu)的一部分,施工中要合理利用圍巖的自承能力,保持圍巖的穩(wěn)定。

②隧道開挖時,應盡可能減輕對隧道圍巖的擾動或盡可能不破壞圍巖的強度,即盡可能使圍巖維持原來的三維應力狀態(tài),這就有必要對開挖工作面及時施作防護層(如噴射混凝土等),封閉圍巖的節(jié)理和裂隙以防止圍巖的松動和坍塌。

③允許圍巖有一定的變形,初期支護應盡量做成柔性的,以便與圍巖緊密接觸,共同變形和共同承載,充分利用圍巖的自身承載作用。

④洞室開挖后及時施作初期支護,封閉圍巖表面,抑制圍巖體的早期變形,待圍巖穩(wěn)定后,再進行二次襯砌,但遇軟弱圍巖特別是洞口段襯砌要緊跟,通常二次襯砌可視為附加的安全儲備。

⑤隧道的幾何形狀必須滿足在靜力學上作為圓筒結(jié)構(gòu)的計算條件,因此,要盡可能使結(jié)構(gòu)做得圓順(如做成圓形或橢圓形的),不產(chǎn)生突出的拐角,避免產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。同時,盡早使襯砌結(jié)構(gòu)閉合(封底),以形成承載環(huán)。

⑥對隧道周邊進行位移收斂量測是施工過程中必不可少的一個重要環(huán)節(jié),根據(jù)現(xiàn)場量測反饋信息及時修改設(shè)計和施工方案。

⑦對外層襯砌周圍巖體的滲水,要通過足夠的“排堵措施”予以解決,如在兩層襯砌之間設(shè)置中間防水層等。

⑧在隧道施工過程中,必須建立設(shè)計→施工檢驗→地質(zhì)預測→量測反饋→修正設(shè)計的一體化的施工管理系統(tǒng),不斷地提高和完善隧道施工技術(shù)。

以上原則是運用新奧法原理制定隧道開挖方法的基本指導思想,可扼要地概括為：少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉。其核心是保護圍巖,充分發(fā)揮圍巖的自身承載作用。

2)新奧法施工工序

采用新奧法施工的隧道,施工時應視其規(guī)模、地質(zhì)條件以及安全合理施工的要求,充分利用現(xiàn)場量測信息指導施工,即通過對施工中量測的數(shù)據(jù)和對開挖面的地質(zhì)觀察等進行預測和反饋。根據(jù)已建立的量測管理基準,對隧道的施工方法(包括特殊的輔助施工方法)、斷面開挖步驟及順序、初期支護的參數(shù)等進行合理調(diào)整,以保證施工安全、隧道穩(wěn)定和支護結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。其施工工序如圖9.2所示：

圖9.2　新奧法施工工序

3)隧道開挖方法

按開挖隧道的橫斷面分部情形來分,開挖方法可分為全斷面開挖法、臺階開挖法和分部開挖法。

(1)全斷面開挖法

全斷面法全稱為“全斷面一次開挖法”,即按隧道設(shè)計斷面輪廓一次開挖成型的方法,如圖9.3所示。

圖9.3　全斷面施工方法
1—全斷面開挖；2—錨噴支護；3—模筑混凝土

全斷面法施工工序如下：①用鉆孔臺車鉆眼,然后裝藥、連接導火線；②退出鉆孔臺車,引爆炸藥,開挖出整個隧道斷面；③排除危石；④噴射拱圈混凝土,必要時安設(shè)拱部錨桿；⑤用裝碴機將石碴裝入運輸車輛,運出洞外；⑥噴射邊墻混凝土,必要時安設(shè)邊墻錨桿；⑦根據(jù)需要可噴第二層混凝土和隧道底部混凝土；⑧開始下一輪循環(huán)；⑨通過量測判斷圍巖和初期支護的變形,待基本穩(wěn)定后,施作二次模注混凝土襯砌。

全斷面法適用于巖層覆蓋條件簡單、巖質(zhì)較均勻的Ⅰ～Ⅲ級硬巖石質(zhì)隧道施工。

(2)臺階開挖法

臺階開挖法一般是將設(shè)計斷面分上半斷面和下半斷面兩次開挖成型。臺階法包括長臺階法、短臺階法和超短臺階法三種,其劃分是根據(jù)臺階長度來決定的,如圖9.4所示。至于施工中究竟應采用何種臺階法,要根據(jù)以下兩個條件來決定：

①初次支護形成閉合斷面的時間要求,圍巖越差,閉合時間要求越短。

②上斷面施工所用的開挖、支護、出碴等機械對設(shè)備施工場地大小的要求。

圖9.4　臺階法施工形式
1—上臺階工作面；2—下臺階工作面

在軟弱圍巖中應以前一條件為主,兼顧后者,確保施工安全。在圍巖條件較好時,主要是考慮如何更好地發(fā)揮機械效率,保證施工的經(jīng)濟性,故只考慮后一條件。現(xiàn)將各種臺階法敘述如下：

①長臺階法：上、下斷面相距較遠,一般上臺階超前50m以上或大于5倍洞跨。長臺階法的作業(yè)順序為：

上半斷面開挖：

a.用兩臂鉆孔臺車鉆眼、裝藥爆破,地層較軟時亦可用挖掘機開挖。

b.安設(shè)錨桿和鋼筋網(wǎng),必要時加設(shè)鋼支撐、噴射混凝土。

c.用推鏟機將石碴推運到臺階下,再由裝載機裝入車內(nèi)運至洞外。

d.根據(jù)支護結(jié)構(gòu)形成閉合斷面的時間要求,必要時在開挖上半斷面后,可建筑臨時底拱,形成上半斷面的臨時閉合結(jié)構(gòu),然后在開挖下半斷時再將臨時底拱挖掉。

下半斷面開挖：

a.用兩臂鉆孔臺車鉆眼、裝藥爆破。裝碴直接運至洞外。

b.安設(shè)邊墻錨桿(必要時)和噴混凝土。

c.用反鏟挖掘機開挖水溝。噴底部混凝土。

長臺階法優(yōu)缺點及適用條件：有足夠的工作空間和相當?shù)氖┕に俣?上部開挖支護后,下部作業(yè)就較為安全,但上下部作業(yè)有一定的干擾。相對于全斷面法來說,長臺階法一次開挖的斷面和高度都比較小,只需配備中型鉆孔臺車即可施工,而且,對維持開挖面的穩(wěn)定也十分有利。所以,它的適用范圍較全斷面法廣泛,凡是在全斷面法中開挖面不能自穩(wěn),但圍巖堅硬不要用底拱封閉斷面的情況,都可采用長臺階法。

②短臺階法：臺階長度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨。上下斷面采用平行作業(yè)。

短臺階法的作業(yè)順序和長臺階相同。

短臺階法優(yōu)缺點及適用條件：由于短臺階法可縮短支護結(jié)構(gòu)閉合的時間,改善初次支護的受力條件,有利于控制隧道收斂速度和量值,所以適用范圍很廣,Ⅰ～Ⅴ級圍巖都能采用,尤其適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖,是新奧法施工中經(jīng)常采用的方法。缺點是上臺階出碴時對下半斷面施工的干擾較大,不能全部平行作業(yè)。為解決這種干擾可采用長皮帶機運輸上臺階的石碴；或設(shè)置由上半斷面過渡到下半斷面的坡道。將上臺階的石碴直接裝車運出。過渡坡道的位置可設(shè)在中間,也可交替地設(shè)在兩側(cè)。過渡坡道法通用于斷面較大的雙線隧道中。

③超短臺階法：臺階僅超前3～5m,只能采用交替作業(yè)。

超短臺階法的優(yōu)缺點及適用條件：由于超短臺階法初次支護全斷面閉合時間更短,更有利于控制圍巖變形。所以,超短臺階法適用于膨脹性圍巖和土質(zhì)圍巖,要求及早閉合斷面的場合。缺點是上下斷面相距較近,機械設(shè)備集中,作業(yè)時相互干擾較大,生產(chǎn)效率較低,施工速度較慢。

(3)分部開挖法

分部開挖法是將隧道斷面分部開挖逐步成型,且一般將某部超前開挖,故也可稱為導坑超前開挖法。分部開挖法可分為3種變化方案：臺階分部開挖法、單側(cè)壁導坑法、雙側(cè)壁導坑法,如圖9.5所示。

①臺階分部開挖法(環(huán)形開挖留核心土法)

開挖面分部形式：一般將斷面分成為環(huán)形拱部[圖9.5(a)中的1,2,3]、上部核心土[圖9.5 (a)中的4]和下部臺階(圖9.5中的5)3部分。

圖9.5　分部開挖法形式

臺階分部開挖法的施工作業(yè)順序為：

a.用人工或單臂進機開挖環(huán)形拱部?；蚋鶕?jù)斷面的大小,環(huán)形拱部又可分成幾塊交替開挖。

b.安設(shè)拱部錨桿、鋼筋網(wǎng)或鋼支撐,噴混凝土。

c.在拱部初次支護保護下,用挖掘機或單臂掘進機開挖核心土和下臺階,隨時接長鋼支撐和噴混凝土、封底。

d.根據(jù)初次支護變形情況或施工安排建造內(nèi)層襯砌。

由于拱形開挖高度較小,或地層松軟錨桿不易成型,所以施工中不設(shè)或少設(shè)錨桿。環(huán)形開挖進尺為0.5～1.0m,不宜過長。上部核心土和下臺階的距離,一般雙線隧道為1倍洞跨,單線隧道為2倍洞跨。

臺階分部開挖法的優(yōu)缺點及適用條件：在臺階分部開挖法中,因為上部留有核心土支擋著開挖面,而且能迅速及時地建造拱部初次支護,所以開挖工作面穩(wěn)定性好。和臺階法一樣,核心土和下部開挖都是在拱部初次支護保護下進行的,施工安全性好。這種方法適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖中。

②單側(cè)壁導坑法

開挖面分部形式：一般將斷面分成三塊：側(cè)壁導坑[圖9.5(b)中的1]、上臺階[圖9.5(b)中的2]和下臺階[圖9.5(b)中的3]。一般側(cè)壁導坑寬度不宜超過0.5倍洞寬,高度以到起拱線為宜。導坑與臺階的距離,一般應以導坑施工和臺階施工不發(fā)生干擾為原則,所以在短隧道中可先挖通導坑,而后再開挖臺階。上、下臺階的距離則視圍巖情況參照短臺階法或超短臺階法確定。

單側(cè)壁導坑法的施工作業(yè)順序為：

a.開挖側(cè)壁導坑,并進行初次支護(錨桿加鋼筋網(wǎng)或鋼支撐,噴射混凝土),應盡快使導坑的初次支護閉合。

b.開挖上臺階,進行拱部初次支護,使其一側(cè)支承在導坑的初次支護上,另一側(cè)支承在下臺階上。

c.開挖下臺階,進行另一側(cè)邊墻的初次支護,并盡快建造底部初次支護,使全斷面閉合。

d.拆除導坑臨空部分的初次支護。

e.建造內(nèi)層襯砌。

單側(cè)壁導坑法的優(yōu)缺點及適用條件：單側(cè)壁導坑法是將斷面橫向分成3塊或4塊,每步開挖的寬度較小,而且封閉型的導坑初次支護承載能力大,所以,單側(cè)壁導坑法適用于斷面跨度大,地表沉陷難于控制的軟弱松散圍巖中。

③雙側(cè)壁導坑法(眼鏡工法)

開挖面分部形式：一般將斷面分成4塊：左、右側(cè)壁導坑[圖9.5(c)中的1]、上部核心土[圖9.5(c)中的2]和下臺階[圖9.5(c)中的3]。導坑尺寸確定的原則同前,但寬度不宜超過斷面最大跨度的1/3。左、右側(cè)導坑錯開的距離,應根據(jù)開挖一側(cè)導坑所引起的圍巖應力重分布的影響不致波及另一側(cè)已成導坑的原則確定。

雙側(cè)壁導坑法的施工作業(yè)順序為：

a.開挖一側(cè)導坑,并及時地將其初次支護閉合。

b.相隔適當距離后開挖另一側(cè)導坑,并建造初次支護。

c.開挖上部核心土,建造拱部初次支護,拱腳支承在兩側(cè)壁導坑的初次支護上。

d.開挖下臺階,建造底部的初次支護,使初次支護全斷面閉合。

e.拆除導坑臨空部分的初次支護。

f.建造內(nèi)層襯砌。

雙側(cè)壁導坑法的優(yōu)缺點及適用條件：當隧道跨度很大,地表沉陷要求嚴格,圍巖條件特別差,單側(cè)壁導坑法難以控制圍巖變形時,可采用雙側(cè)壁導坑法。該法施工安全,但速度較慢,成本較高。

④其他分部施工方法

中隔墻法(簡稱CD法)和交叉中隔墻法(簡稱CRD法)是兩種適用于軟弱地層的施工方法,特別是對于控制地表沉陷有很好的效果,一般主要用于城市地下鐵道施工中。

9.3　隧道掘進

隧道掘進主要可分為人工開挖、鉆爆開挖、機械開挖等方法,目前山嶺隧道主要還是以鉆爆開挖方法為主。

9.3.1　人工開挖

人工開挖主要適用黃土地區(qū),或破碎松散巖石及土質(zhì)隧道。一般是采用輕型手持式風鎬、十字鎬進行掘進,并用鐵鍬、簸箕和翻斗車進行裝碴和出碴。

人工掘進對圍巖擾動小,能有效地保護圍巖,防止圍巖受擾過大而產(chǎn)生坍方,但掘進速度慢,工人勞動強度大。

9.3.2　鉆爆開挖

在目前條件下,開挖隧道的主要方法仍然是鉆孔爆破法。鉆爆開挖作業(yè)是隧道鉆爆法施工中首要的一項,它是在巖體上鉆鑿出一定孔徑和深度的炮眼,并裝上炸藥進行爆破,從而達到開挖的目的。開挖工作包括鉆眼、裝藥、爆破、通風、出碴等幾項內(nèi)容。

1)鉆孔

在隧道開挖爆破中,廣泛采用的鉆孔機具為鑿巖機和鑿巖臺車。

鑿巖機的種類很多,按使用動力可分為風動鑿巖機、內(nèi)燃鑿巖機、電動鑿巖機和液壓鑿巖機4種。按鉆進工作原理不同,則可分為沖擊轉(zhuǎn)動式、旋轉(zhuǎn)式及旋轉(zhuǎn)沖擊式。

①風動鑿巖機(俗稱風鉆)。它以壓縮空氣為動力,具有結(jié)構(gòu)簡單,制造維修容易,操作方便,作業(yè)安全,不怕超負荷和反復啟動,在多水、多塵等不良環(huán)境中仍能正常工作等優(yōu)點。其缺點在于壓縮空氣供應設(shè)備復雜,能量利用率低,成本高,噪音大等。

②液壓鑿巖機。它是由液壓馬達驅(qū)動鑿巖元件作沖擊、回轉(zhuǎn)運動,通過壓力補償泵,根據(jù)巖石堅硬程度調(diào)節(jié)油量、壓力和沖擊頻率進行鑿巖,具有廣泛的適應性。

③鑿巖臺車。將多臺鑿巖機安裝在一個專門的移動設(shè)備上,實現(xiàn)多機同時作業(yè),集中控制,稱為鑿巖臺車。它可以同時進行多孔鑿巖,以縮短鉆孔時間,加快掘進速度,適宜于在大斷面或全斷面隧道開挖中使用。

2)炮眼布置和周邊眼的控制爆破

掘進工作面的炮眼可分為掏槽眼、輔助眼和周邊眼,如圖9.6所示。

圖9.6　隧道掌子面炮眼布置圖

(1)掏槽眼布置

掏槽眼的作用是將開挖面上某一部位的巖石掏出一個槽,以形成新的臨空面,為其他炮眼的爆破創(chuàng)造有利條件。掏槽炮眼一般要比其他炮眼深10～20cm,以保證爆破后開挖深度一致。

根據(jù)隧道斷面、巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等條件,掏槽眼排列形式有很多種,總的可分成斜眼掏槽和直眼掏槽兩大類,如圖9.7所示。

圖9.7　掏槽眼種類

①斜眼掏槽。其特點是掏槽眼與開挖面斜交。常用的有錐形掏槽[圖9.7(a)]、楔形掏槽[圖9.7(c)]、單向掏槽[圖9.7(d)],其中最常用的是豎楔形掏槽[圖9.7(b)]。斜眼掏槽的優(yōu)點是可以按巖層的實際情況選擇掏槽方式和掏槽角度,容易把巖石拋出,而且所需掏槽眼的個數(shù)較少。缺點是眼深受坑道斷面尺寸的限制,也不便于多臺鉆機同時鑿巖。為了防止相鄰炮眼或相對炮眼之間的殉爆,裝藥炮眼之間的距離不能小于20cm。

②直眼掏槽。直眼掏槽可以實行多機鑿巖、鉆眼機械化和深眼爆破,從而為加快掘進速度提供了有利條件。直眼掏槽鑿巖作業(yè)比較方便,不需隨循環(huán)進尺的改變而變化掏槽形式,僅需改變炮眼深度；而斜眼掏槽則要隨循環(huán)進尺的不同而改變炮眼位置和角度。直眼掏槽石碴拋擲距離也可縮短。所以目前現(xiàn)場多采用直眼掏槽。但直眼掏槽的炮眼數(shù)目和單位用藥量要增多,炮眼位置和鉆眼方向也要求高度準確,才能保證良好的掏槽效果,技術(shù)比較復雜。直眼掏槽的形式很多,過去常用的有：龜裂掏槽、五梅花掏槽和螺旋掏槽。如圖9.7(e、f)所示。

實踐證明,直眼掏槽的爆破效果與臨空孔的數(shù)目、直徑及其與裝藥眼的距離密切相關(guān)。

(2)輔助眼布置

輔助眼的作用是進一步擴大掏槽體積和增大爆破量,并為周邊眼創(chuàng)造有利的爆破條件。其布置主要是解決間距和最小抵抗限問題,最小抵抗線為炮眼間距的60%～80%。

(3)周邊眼布置

周邊眼的作用是爆破后使坑道斷面達到設(shè)計的形狀和規(guī)格。周邊眼原則上沿著設(shè)計輪廓均勻布置,間距和最小抵抗限應比輔助眼的小,以便爆出較為平順的輪廓。眼口距設(shè)計輪廓線0.1～0.2m,便于鉆眼。

周邊眼的底端,對于松軟巖層應放在設(shè)計輪廓線以內(nèi),對于中硬巖層可放在設(shè)計輪廓線上,對于堅硬巖層則應略超出設(shè)計輪廓線外。為了避免欠挖,底板眼底端一般都超出設(shè)計輪廓線。

(4)周邊眼的控制爆破

在隧道爆破施工中,按通常的周邊炮眼布置,若全斷面一次開挖,常常難以爆破出理想的設(shè)計斷面,對圍巖擾動又大。采用光面爆破與預裂爆破技術(shù),可以控制爆破輪廓,盡量保持圍巖的穩(wěn)定。

光面爆破是指爆破后斷面輪廓整齊,超挖和欠挖符合規(guī)定要求的爆破。

①光面爆破的基本原理

實現(xiàn)光面爆破,就是要使周邊炮眼起爆后優(yōu)先沿各孔的中心連線形成貫通裂縫,由于爆炸氣體的作用,使裂解的巖體向洞內(nèi)拋散。

②光面爆破的主要參數(shù)及技術(shù)措施

光面爆破的主要參數(shù)包括周邊眼的間距、光面爆破層的厚度、周邊眼密集系數(shù)、周邊眼的線裝藥密度等。影響光面爆破參數(shù)選擇的因素很多,主要有巖石的爆破性能、炸藥品種、一次爆破的斷面大小及形狀等,其中影響最大的是地質(zhì)條件。光面爆破參數(shù)的選擇,目前多是采用經(jīng)驗方法。為了獲得良好的光面爆破效果,可采取以下技術(shù)措施：適當加密周邊眼、合理確定光面爆破層厚度、合理用藥、采用小直徑藥卷不耦合裝藥結(jié)構(gòu)、保證光面爆破眼同時起爆、要為周邊眼光面爆破創(chuàng)造臨空面。

③預裂爆破

裂爆破實質(zhì)上也是光面爆破的一種形式,其爆破原理與光面爆破原理相同。只是在爆破的順序上,光面爆破是先引爆掏槽眼,接著引爆輔助眼,最后才引爆周邊眼；而預裂爆破則是首先引爆周邊眼,使沿周邊眼的連心線炸出平順的預裂面。由于這個預裂面的存在,對后爆的掏槽眼和輔助眼的爆炸波能起反射和緩沖作用,可以減輕爆炸波對圍巖的破壞影響,爆破后的開挖面整齊規(guī)則。由于成洞過程和破巖條件不同,在減輕對圍巖的擾動程度上,預裂爆破較光面爆破的效果更好一些。

3)炮眼參數(shù)

炮眼參數(shù)包括炮眼直徑、炮眼數(shù)目和炮眼長度。

(1)炮眼直徑

炮眼直徑對鑿巖生產(chǎn)率、炮眼數(shù)目、單位炸藥消耗量和平整度均有影響。因此,必須根據(jù)巖性、鑿巖設(shè)備和工具、炸藥性能等綜合分析,合理選用孔徑。藥卷與炮眼壁之間的空隙通常為炮眼直徑的10%～15%。

(2)炮眼數(shù)目

炮眼數(shù)目主要與開挖斷面、巖石性質(zhì)和炸藥性能有關(guān)。炮眼數(shù)量應能裝入所需的適量炸藥,通?？筛鶕?jù)各炮眼平均分配炸藥量的原則來計算炮眼數(shù)目N(此處N不包括未裝藥的空眼數(shù))：

(3)炮眼長度

合理的炮眼長度,應是在隧道施工優(yōu)質(zhì)、安全、節(jié)省投資的前提下,能夠防止爆破面以外圍巖過大的松動,減少繁重支護,避免過大的超欠挖,又能獲得最好的掘進速度的炮眼長度。它一般根據(jù)下列因素確定：

①考慮圍巖的穩(wěn)定性,并避免過大的超欠挖；

②考慮鑿巖機的允許鉆眼長度、操作技術(shù)條件和鉆眼技術(shù)水平；

③考慮掘進循環(huán)安排,保證充分利用作業(yè)時間。

在圍巖穩(wěn)定性良好的情況下,為了充分發(fā)揮鑿巖機的性能,提高掘進循環(huán)的效率,可采用深眼掘進；但宜通過試驗定出一個合理的炮眼長度,以避免引起過大超欠挖的不良后果。在圍巖穩(wěn)定性差的地段,為了防止對圍巖的過大擾動,宜實行淺眼爆破,以免引起坍塌。

根據(jù)圍巖性質(zhì),所擁有的掘進設(shè)備的能力,結(jié)合以往的實踐經(jīng)驗,便可初步作出掘進循環(huán)安排,進而確定合理的炮眼長度(一般為導坑寬度或高度的0.5～0.85倍)。

總的說來,在每一掘進循環(huán)中,應考慮提高鉆眼、出碴作業(yè)的效率,又使其他各項作業(yè)都能緊湊、順利地完成,以此來確定合理的炮眼長度。

一個循環(huán)的時間T,應事先初步規(guī)定,如每班6(或8)h內(nèi)完成一個或兩個循環(huán),則T為6或3(8或4)h。每一循環(huán)中各項作業(yè)的時間可分析如下：

①鉆眼時間t1

②裝藥時間t2

在有自動裝藥機的工地,裝藥時間當可根據(jù)實測統(tǒng)計資料確定。

③起爆及通風時間t3

t3=15～30min　(9.4)

采用無軌運輸?shù)莫氼^雙線隧道通風時間長達1h(如大瑤山隧道出口)。

④裝碴時間t4

⑤其他時間t5

此時間應包括在開挖面設(shè)置鉆眼和裝碴機械與清除危石的時間,以及其他時間損失等,按實際情況估算。

根據(jù)上列5項時間應得出：

T=t1+t2+t3+t4+t5　　　　　(9.6)

由此可推導出在規(guī)定循環(huán)時間完成各項作業(yè)的炮眼長度為：

以上是傳統(tǒng)施工中所采用的計算炮眼長度的方法。采用噴錨支護施工時,還應考慮增加噴錨(t6)和位移量測(t7)兩項作業(yè)時間,仿照式(9.7)可得炮眼長度為：

4)電爆破網(wǎng)絡(luò)

采用電起爆法需要將電雷管聯(lián)成電爆網(wǎng)絡(luò),以便從母線輸入電流后,每一雷管都能接受足夠的電流而起爆。

(1)電雷管的起爆熱量

電雷管中引火劑點火的熱源,是橋絲通電后所放出的熱量,如果不考慮熱損失,則根據(jù)焦耳—楞次定律,橋絲產(chǎn)生的總熱量為：

根據(jù)熱容量公式,將橋絲由初溫(可略去不計)加熱至某一溫度所需的熱量為：

為了使引火劑點燃,必須保證通過一定的電流,即保證達到引火劑反應溫度T所需的熱能Q2,使Q1＞Q2。

從式(9.8)中可看出,當I和t為定值時,若R不同,則所放出的熱量也不同,這就會使成組電雷管爆破網(wǎng)絡(luò)中有的電雷管早爆,有的拒爆。因此對一組中各個電雷管的電阻值差數(shù)有一定要求,其極限允許差值是：電阻值在1.25Ω以下時,上下不得超過0.25Ω；電阻值大于1.25Ω 時,上下不得超過0.3Ω。在洞室大爆破中,起爆體內(nèi)兩個并聯(lián)的電雷管最好選用電阻值相等的,或相差最多不超過0.1Ω為宜。一個電雷管的全電阻R是它的橋絲電阻和腳線電阻的總和。

(2)電雷管的最低準爆電流和最高安全電流

在一定的持續(xù)時間內(nèi),電雷管通以恒定的直流電,將橋絲加熱到能點燃引火劑的溫度的最低電流強度,稱為電雷管的最低準爆電流。它表示電雷管對電流的敏感程度。

在較長時間內(nèi)(5min),電雷管通以恒定的直流電流,不致點燃引火劑的最大電流,稱為最高安全電流。它是電雷管對于電流的一個安全指標,是選定測量電雷管儀表的重要依據(jù)。

(3)電爆網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

在爆破工程中,電爆網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計成串聯(lián)、并聯(lián)和混合聯(lián)3種形式。

①串聯(lián)。串聯(lián)的優(yōu)點是：消耗電能小,接線簡單,易于操作,便于檢查,導線消耗少。缺點是：一個不通,會造成全部雷管拒爆；或因敏感度高的雷管先爆而使電路中斷,造成其他雷管拒爆。為了提高這種網(wǎng)絡(luò)的準爆可靠性,實際爆破中也常采用復式串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

②并聯(lián)。并聯(lián)的優(yōu)點是：不致因為其中一個雷管斷路而引起其余雷管拒爆。缺點是：電爆網(wǎng)路中電流大,需要斷面較大的母線,連接線消耗多,漏接雷管不易發(fā)現(xiàn)；此外當各雷管電阻不同,通過電流就不同,可能產(chǎn)生拒爆現(xiàn)象。這種方法適用于導坑等小斷面爆破。

③混合聯(lián)。混合聯(lián)可分為串并聯(lián)和并串聯(lián)兩種?；旌下?lián)是實際工作中采用較多的方法。它要求各支路的電阻基本平衡,否則會造成瞬發(fā)雷管發(fā)火時間的差異,更會造成毫秒雷管秒量的額外誤差。

5)塑料導爆管非電起爆網(wǎng)絡(luò)

(1)導爆管起爆系統(tǒng)的工作過程

導爆管起爆系統(tǒng)包括3個組成部分：起爆元件、傳爆元件和末端工作元件。

起爆系統(tǒng)的工作過程是：導火索點燃后引爆雷管；從而使傳爆元件中的導爆管起爆傳爆,當導爆管傳爆到連接塊中的傳爆雷管時,雷管起爆,再引起周圍的導爆管起爆和傳爆；這樣連續(xù)傳爆下去,使所有炮眼炸藥起爆。

(2)起爆網(wǎng)絡(luò)

在隧道爆破中,炮眼比較密集,把各炮眼塑料導爆管聯(lián)結(jié)在一起的常用方法,是集束聯(lián)結(jié)法。

整個爆破網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)都很方便。但對于隧道爆破,實踐證明以并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)較好。網(wǎng)絡(luò)連接應由里向外,并防止起爆雷管附近有其他聯(lián)線交錯,以避免傳爆雷管擊斷導爆管。

利用導爆管起爆系統(tǒng)的起爆性能和用法,可以實行網(wǎng)絡(luò)的孔外控制微差爆破?？淄饪刂莆⒉畋?是在各炮眼內(nèi)裝非電瞬發(fā)雷管,而在孔外裝非電毫秒雷管作為傳爆雷管來實現(xiàn)微差爆破。

6)裝藥及起爆

(1)裝藥

裝藥前要檢查炮眼位置和長度是否符合設(shè)計要求,并進行清碴排水。裝藥時要嚴格按照炮眼的設(shè)計裝藥量裝填,可以按設(shè)計要求連續(xù)裝藥或間隔裝藥或不偶合裝藥,總的裝藥長度不宜超過炮眼深的2/3；靠炮眼口的剩余長度用炮泥堵塞好。裝藥結(jié)構(gòu)可分為3種方式：一是起爆藥卷放在靠近眼口的第二個藥卷位置,雷管聚能穴朝向眼底,稱為正向起爆裝藥；二是起爆藥卷放在靠近眼底的第二個藥卷位置,雷管聚能穴朝向眼口,稱為反向起爆裝藥；三是起爆藥卷放在炮眼裝藥中部,稱為雙向起爆裝藥。

(2)起爆

在工程爆破中,根據(jù)起爆的原理和使用器材的不同,通用的起爆方法大致可分為兩種：非電起爆法和電起爆法。非電起爆法又可分為火雷管起爆、導爆索和導爆管起爆；電起爆法是應用電雷管起爆。

①非電起爆

火雷管起爆是把火雷管和導火索結(jié)合在一起的一種起爆方法。用導火索的火花首先引爆火雷管,利用火雷管的爆炸能量使引爆藥卷爆炸,進而使全部裝藥爆炸。

②電起爆

電雷管起爆的可靠程度與導線、電雷管、電源本身的質(zhì)量以及電爆網(wǎng)絡(luò)連接是否正確有關(guān)。

a.導線。應要求電阻系數(shù)小,導電率高；絕緣耐壓250V或500V；有一定強度和韌性,不易斷裂等。母線斷面應不小于0.75mm2,開挖面附近的連接線直徑應不小于0.6mm。

b.檢測儀表。為了保證起爆線路的質(zhì)量,電雷管在使用前必須經(jīng)過一定的檢查,包括電阻檢驗、安全電流試驗、延期秒量試驗、雷管串聯(lián)試驗等項。還要用線路電橋測量整個網(wǎng)絡(luò)的總電阻是否與計算數(shù)值相符,如檢測值小于計算值時,或大于計算值的10%時,應找出原因,消除故障。

c.起爆電源。電起爆的電源,可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需準爆電流的大小,選用放炮器、干電池、蓄電池、移動式發(fā)電站、照明電力線、電力動力線等。移動式發(fā)電站、照明電力線、電力動力線是電起爆中最可靠的電源；但使用時不能將母線直接接到電力線上,必須設(shè)置爆破開關(guān)站。

③瞎炮的處理

在爆破過程中,炮眼裝藥未能起爆,稱為拒爆,亦即瞎炮。為了取得良好的爆破效果,必須預先防止瞎炮的發(fā)生。應選用合格的炸藥和雷管以及其他起爆材料；清理好炮眼中積水和殘碴；在裝藥、堵塞、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)等各項操作中,嚴格按照有關(guān)操作細則進行。

瞎炮產(chǎn)生后,應封鎖現(xiàn)場,查明原因,采取相應處理措施。一般可以采用二次爆破法、炸毀法及沖洗法這3種方法。

7)通風

各隧道工程應根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇經(jīng)濟合理的通風方式、通風機械、風機及風管參數(shù)。研究通風設(shè)備的系統(tǒng)布置,滿足通風要求。研究施工通風的管理制度,保證現(xiàn)場施工通風。監(jiān)測洞內(nèi)空氣指標和通風系統(tǒng)的各項指數(shù),評估通風效果。

隧道通風方案設(shè)計流程：通風方式選擇與布置→風量計算→選擇通風設(shè)備→設(shè)備布置安裝→質(zhì)量檢查。

通風方式選擇與布置應根據(jù)施工方法、設(shè)備條件、掘進長度、開挖面積以及污染物質(zhì)的含量與種類等情況確定。

8)裝碴與運輸

將開挖的石碴迅速裝車運出洞外,是提高隧道掘進速度的重要環(huán)節(jié)。該項作業(yè)往往占全部開挖循環(huán)作業(yè)時間的35%～50%,控制著隧道的施工速度。因此,正確選擇并準備足夠的裝碴機械和運輸車輛,確定合理的裝碴運輸方案,維修好線路,減少相互干擾,提高裝碴效率是加快隧道施工速度,尤其是加快長大隧道施工速度的關(guān)鍵。

在選擇出碴方式時,應對隧道或開挖斷面的大小、圍巖的地質(zhì)條件、一次開挖量、機械配套能力、經(jīng)濟性及工期要求等相關(guān)因素綜合考慮。

裝碴運輸作業(yè)由以下3個環(huán)節(jié)組成：裝碴、運輸和卸碴。

(1)裝碴

裝碴就是將開挖爆破的石碴裝入運輸車輛。

①碴量計算

出碴量應為開挖后的虛碴體積,單循環(huán)爆破后石碴量Z可按下式計算：

表9.1　巖體松脹系數(shù)R值

②裝碴方式

裝碴的方式可采用人力裝碴或機械裝碴。機械裝碴速度快,可縮短作業(yè)時間,目前隧道施工中一般都采用機械裝碴,但仍需配備少數(shù)人工輔助。

③裝碴機械

裝碴機械的類型很多,按其扒碴機構(gòu)型式可分為：鏟斗式、蟹爪式、立抓式和挖斗式。鏟斗式裝碴機為間歇性非連續(xù)裝碴機,有翻斗后卸、前卸和側(cè)卸3種卸碴方式。蟹爪式、立抓式、挖斗式裝碴機是連續(xù)裝碴機,均配備刮板(或鏈板)轉(zhuǎn)載后卸機構(gòu)。

裝碴機的選擇應充分考慮圍巖及隧道條件、工作寬度以及運輸車輛的匹配和組織,要求外形尺寸小,堅固耐用,操作方便和生產(chǎn)效率高,以充分發(fā)揮各自的工作效能,縮短裝碴時間。

隧道施工中常用的幾種裝碴機有：

a.翻斗式裝碴機。又稱鏟斗后卸式裝碴機,有風動和電動之分。它是利用機體前方的鏟斗鏟起石碴,經(jīng)機體上方將石碴投入機后的運輸車內(nèi)。該機具有構(gòu)造簡單,操作方便,對洞內(nèi)無廢氣污染的特點,但裝載寬度一般只有1.7～2.2m,主要適用于小斷面或規(guī)模較小的隧道中。

b.蟹爪式裝碴機。它是一種連續(xù)裝碴機械,在前端裝有傾斜受料盤,其上裝有一對蟹爪(也稱雙臂)。裝碴時全機向前推進,將受料盤插入碴堆,兩個蟹爪連續(xù)交錯扒取石碴,經(jīng)皮帶(或鏈條)輸送機將石碴裝入車輛。該類機具多為電動履帶式,也有輪胎式和軌道式,裝碴效率較高。因受蟹爪扒碴限制,巖碴塊度較大時,其工作效率顯著降低,故主要用于塊度較小的巖碴和土的裝碴作業(yè)。

c.挖斗式裝碴機。這種裝碴機是近幾年發(fā)展起來的較為先進的隧道裝碴機,其扒碴機構(gòu)為自由臂式挖掘反鏟,其他同蟹爪式裝碴機。

d.鏟斗式裝碴機。這種裝碴機多采用輪胎走行,如圖9.8(a)所示；也有采用履帶走行的,如圖9.8(b)所示。該類裝碴機轉(zhuǎn)彎半徑小,移動靈活,鏟取力強,鏟斗容量大,達0.76～3.8m3,工作能力強,卸碴準確方便,具有裝碴效率高,適用性強的特點,通常與大型自卸汽車配套使用。

圖9.8　鏟斗式裝碴機

(2)運輸

隧道施工的洞內(nèi)運輸(出碴和進料)有有軌運輸和無軌運輸兩種方式。長大隧道的施工常用有軌運輸,需鋪設(shè)輕型窄軌線路,用專門的出碴車輛裝碴,小型機車牽引。隧道施工常用無軌運輸,利用自卸汽車等進行運輸。

①有軌運輸

有軌運輸基本上不排出有害氣體,對空氣污染較輕,設(shè)備構(gòu)造簡單,容易制作；占用空間小而且固定等。不足之處在于軌道鋪設(shè)較復雜,維修工作量大；調(diào)車作業(yè)復雜；開挖面延伸軌道影響正常裝碴作業(yè)等。

有軌運輸較普遍采用的出碴車輛有斗車、梭式礦車和槽式列車等。其中斗車是應用最為廣泛的出碴工具。

有軌運輸常用的牽引機車分電動和內(nèi)燃兩類。隧道施工中常用的電動牽引車為蓄電池電機車,俗稱電瓶車。它具有體積小,無廢氣污染,不需架設(shè)供電線路,使用較安全等特點,但也存在需要有專門的充電設(shè)備,牽引力有限等不足。內(nèi)燃機車具有較大的牽引動力,配合大型斗車可以加快出碴速度。但在機車運行中排出有毒廢氣,必要時需安裝廢氣凈化裝置或配備強大的通風設(shè)施。

運輸軌道布置對于行車調(diào)度、車輛周轉(zhuǎn)、出碴進料影響較大,應根據(jù)隧道長度、工期要求及開挖方法等選擇合理的方案進行布置。常用的軌道布置形式有單車道和雙車道。單車道運輸能力較低,一般用在地質(zhì)條件較差或小斷面開挖的隧道中。雙車道可使進出隧道的列車各行一股道,具有互不影響、車輛周轉(zhuǎn)快的特點,是提高隧道運輸效率的主要方法之一。調(diào)車方法是指結(jié)合洞內(nèi)軌道布置,在開挖面附近為配合出碴所進行的調(diào)車作業(yè)。

較常用的調(diào)車設(shè)備有簡易道岔、平移調(diào)車器、水平移車器和浮放道岔等。軌道延伸,是指隧道開挖面附近不足一節(jié)鋼軌長度部分和掘進進尺部分實施的臨時性軌道延伸,常用的方法有扣軌、爬道、短軌節(jié)等。待開挖面向前推進后,將連續(xù)的幾根短軌換成長軌。

為了提高有軌運輸能力,加快隧道施工速度,應備齊足夠數(shù)量的牽引機車和出碴斗車,還要編制列車運行圖,機車、斗車數(shù)目根據(jù)計算進行確定,列車運行圖是根據(jù)隧道施工方法,軌道布置及機車車輛配備情況,各施工工序在隧道中所處的位置和進度安排,以及裝碴、調(diào)車、編組、運行、錯車、卸碴、列車解體等所需要的時間,綜合考慮確定列車數(shù)量后編制而成的。

②無軌運輸

無軌運輸不需要鋪設(shè)復雜的運輸軌道,具有運輸速度快、管理工作簡單、配套設(shè)備少等特點。但由于內(nèi)燃機排放大量廢氣,對洞內(nèi)空氣污染較為嚴重,尤其在長大隧道中使用時,需要有強大的通風設(shè)備。

無軌運輸采用大型自卸汽車。在隧道工程中,無軌運輸車輛應選用車身低短、車斗容量大、轉(zhuǎn)彎半徑小、車體堅固、輪胎耐磨、配有廢氣凈化裝置、并能雙向駕駛的自卸汽車,以增加運行中的靈活性,避免洞內(nèi)回車和減輕對洞內(nèi)空氣的污染。

由于無軌運輸采用的裝碴、運碴設(shè)備都是自配動力,屬自行式,其調(diào)車作業(yè)主要是解決會車、錯車和裝碴場地問題。根據(jù)不同的隧道開挖斷面和洞內(nèi)運輸距離,常用的調(diào)車方式有：

a.有條件構(gòu)成循環(huán)通路時,最好制訂單向行使的循環(huán)方案,以減少會車、錯車需用場地及待避時間；

b.當開挖斷面較小,只能設(shè)置單車通道而裝碴點距洞口又較近時,可考慮汽車倒行進洞至裝碴點裝碴,正向開行出洞,不設(shè)置錯車、回車場地,如果洞內(nèi)運行距離較長時,可在適當位置將導洞向側(cè)壁加寬構(gòu)成錯車、回車場地,以加快調(diào)車作業(yè)；

c.當隧道開挖斷面較大,足夠并行兩輛汽車時,應布置成雙車通道,在裝碴點附近回車,空車、重車各行其道,可以提高出碴速度。

(3)卸碴

卸碴工作主要是考慮石碴如何處理以及卸碴場地的布置。由洞內(nèi)運出的石碴,一般可考慮進行3方面的處理：

①選用合乎強度標準的巖塊加工成襯砌混凝土材料的粗骨料。

②用作路基填方或洞外工作場地填方。

③棄置于山谷或河灘。

在棄碴場地的選擇上,應考慮卸碴方便,不占良田,不堵塞航道,不污染環(huán)境。

9.3.3　隧道掘進機施工簡介

隧道掘進機(TunnelBoringMachine,簡稱TBM)是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖,同時破碎洞內(nèi)圍巖及掘進,形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械,如圖9.9所示。

隧道掘進機械,基本上有兩種：一種是臂架式鉆進機械,在隧道內(nèi)部進行鉆孔機械,或是小型的小段面直接鉆研機械；另一種就是全斷面隧道掘進機。一段時間以來,把TBM分為兩大類：

①在巖石中開挖隧道的TBM：通常用這類TBM在穩(wěn)定性良好、中到厚埋深、中到高強度的巖層中掘進長大隧道。這類掘進機所面臨的基本問題是如何破巖,保持掘進的高效率和工程順利。

②在松軟地層中掘進隧道的TBM：通常用這類TBM在具有有限壓力的地下水位以下的基本均質(zhì)的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。這類掘進機所面臨的基本問題是空洞、開挖掌子面的穩(wěn)定、市區(qū)地表沉降等。

對于全斷面隧道掘進機,目前在國內(nèi)有兩種提法：其一是巖石掘進機；其二是盾構(gòu)機。

硬巖TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法,在相同的條件下,其掘進速度為常規(guī)鉆爆法的4～10倍,最佳日進尺可達150m；具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、有利于環(huán)境保護和勞動力保護等優(yōu)點。

軟巖TBM適用于軟弱性圍巖施工的隧道掘進機,是目前城市地鐵建設(shè)中速度快、質(zhì)量好、安全性能高的先進技術(shù)。采用盾構(gòu)機施工的區(qū)間隧道,可以做到對土體弱擾動,不影響地面建筑物和交通,減少地上、地下的大量拆遷。

圖9.9　隧道掘進機

按破巖掘進方式的不同,隧道掘進機分為全斷面掘進機和臂式掘進機兩大類。

全斷面掘進機分為開敞式和護盾式兩類。一般而言,開敞式掘進機適合于硬巖隧道,護盾式掘進機適合于軟巖隧道。

臂式掘進機又稱為部分斷面掘進機,是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機械。臂式掘進機具有效率高、機動性強、對圍巖擾動小、超挖量小、安全性高、適應性強,以及費用相對較省等優(yōu)點。

9.4　隧道支護和襯砌

9.4.1　概述

在地層中開挖出導坑后,出現(xiàn)了巖壁臨空面,改變了圍巖的應力狀態(tài),產(chǎn)生了趨向隧道內(nèi)的變形位移。同時,由于開挖擾動以及隨時間推移的變形量的增長,又降低了圍巖的強度。當圍巖應力超過圍巖強度時,圍巖的變形發(fā)展過大,從而造成失穩(wěn)；其表現(xiàn)通常為圍巖向洞內(nèi)的擠入、張裂、沿結(jié)構(gòu)面滑動,甚至最后發(fā)生坍塌。

圍巖的變形是個動態(tài)過程。對于堅硬穩(wěn)固的圍巖,開挖成洞后其強度足以承受重分布后的應力,因而不致有失穩(wěn)之虞。但對于破碎、軟弱圍巖,開挖后隨著暴露時間的增加,變形隨之發(fā)展,就會造成失穩(wěn)。尤其是在隧道拱部、洞口、交岔洞,以及圍巖呈大面積平板狀且結(jié)構(gòu)面發(fā)達的部位,更易失穩(wěn)。

因此,為了有效地約束和控制圍巖的變形,增強圍巖的穩(wěn)定性,防止坍方,保證施工和運營作業(yè)的安全,必須及時、可靠地進行臨時支護和永久支護。臨時支護的種類很多,按材料的不同和支護原理的不同有：木支撐、鋼支撐、鋼木混合支撐、鋼筋混凝土支撐,錨桿支護、噴射混凝土支護、錨噴聯(lián)合支護等。永久支護一般是采用混凝土襯砌。

各種臨時支護的合理選用與圍巖的穩(wěn)固程度有關(guān)。一般說來,Ⅰ級圍巖不需臨時支護；Ⅱ級圍巖采用錨桿支護；Ⅲ～Ⅳ級圍巖采用噴射混凝土支護、錨桿噴混凝土聯(lián)合支護、錨桿鋼筋網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護；Ⅴ級圍巖采用噴射混凝土鋼支撐聯(lián)合支護或其他支撐支護；Ⅵ級圍巖采用木、鋼、鋼木混合支撐或鋼筋混凝土支撐。對于Ⅲ級及Ⅲ級以上圍巖,可以先挖后支,支護距開挖面距離一般不宜大于5～10m；Ⅳ～Ⅴ級圍巖隨挖隨支,支護需緊跟工作面；Ⅴ～Ⅵ級圍巖先支后挖。

如條件合適,應盡量將臨時支護與永久支護結(jié)合采用。

9.4.2　鋼木支撐

(1)木支撐

木支撐是傳統(tǒng)的支撐方式,它具有易加工、重量輕、拆裝運輸方便等優(yōu)點。其形式主要有框架或半框架式支撐、拱形支撐、無腿支撐等。可用于導坑、拱部擴大、挖底、馬口、下導坑漏斗棚架以及洞口等部位的支撐,各部位的支撐均各有其特點,但又大同小異,比較復雜的是拱部擴大支撐。另外,礦山的臨時巷道也常采用木支撐。

木支撐一般使用圓木,梁、柱等主要桿件的梢徑不應小于20cm,縱撐等桿件應不小于15cm,木板厚度不小于5cm。木材應使用堅固、有彈性、無顯著節(jié)疤、無破裂多節(jié)的松木和杉木；脆性木材不宜使用。

當需要使用木支撐而圍巖壓力又較大時,也可用鋼木混合結(jié)構(gòu)支撐。

(2)鋼支撐

鋼支撐具有承載力大,經(jīng)久耐用,倒用次數(shù)多,占用空間小,節(jié)約木材等優(yōu)點；但一次投資費用高,比木支撐重,裝拆不便。一般適于在圍巖壓力較大的隧道施工中使用。

鋼支撐一般采用10～20號工字鋼、槽鋼、8～28kg/m的鋼軌等制成,其形式有鋼框架、鋼拱架、全斷面鋼拱架、無腿鋼拱支撐等。鋼框架一般為直梁式(圖9.10),當圍巖壓力較大時可采用曲梁式,多用于導坑支護。鋼拱架適用于先拱后墻法施工的隧道。全斷面鋼拱架(圖9.11)適用于全斷面開挖后需支護的隧道。無腿鋼拱支撐適用于全斷面開挖后拱部穩(wěn)定性較差而側(cè)壁較穩(wěn)定的情況。

圖9.10　鋼框架鋼支撐

圖9.11　全斷面鋼拱架

9.4.3　錨噴支護

采用錨噴支護可以充分發(fā)揮圍巖的自承能力,并有效地利用洞內(nèi)的凈空,既提高了作業(yè)的安全性,又提高了作業(yè)效率；能適應軟弱巖層和膨脹性巖層中隧道的開挖；能用于整治塌方和隧道襯砌的裂損。

錨噴支護包括錨桿支護、噴射混凝土支護、噴射混凝土錨桿聯(lián)合支護、噴射混凝土鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護、噴射混凝土與錨桿及鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護、噴鋼纖維混凝土支護、噴鋼纖維混凝土錨桿聯(lián)合支護,以及上述幾種類型加設(shè)型鋼(或鋼拱架)而成的聯(lián)合支護。前5種為常用的基本類型,后兩種較少使用。

1)錨桿

(1)錨桿的力學作用

錨桿對圍巖所起的力學效應,主要有以下一些作用：

①懸吊作用。錨桿的作用是將不穩(wěn)定的巖層懸吊在堅固巖層上,以阻止圍巖移動滑落。錨桿本身受拉,其拉力即為所懸吊巖體的重量,如圖9.12所示,在塊狀結(jié)構(gòu)或裂隙巖體中,使用錨桿將松動區(qū)內(nèi)的松動巖塊懸吊在穩(wěn)定的巖體上,也可把節(jié)理面切割形成的巖塊連接在一起,阻止其沿滑面滑動,這種作用稱為懸吊作用。

②減跨作用。在頂板巖層中打入錨桿,相等于在頂板上增加了支點,使巷(隧)道跨度由L0減為L,從而使頂板巖體的應力減小,起到維護巷道的作用,如圖9.13所示。要使錨桿能有效地起到懸吊和減跨作用,錨桿必須錨固于堅硬穩(wěn)定巖層中。

圖9.12　懸吊作用

圖9.13　減跨作用

③組合作用。在層狀巖體中打入錨桿,把若干巖層錨固在一起,類似于將疊置板梁組成組合梁,從而提高了頂板巖層的自支承能力,起到了維護巷道的作用,如圖9.14所示。

④擠壓加固作用。預應力錨桿群,錨入圍巖后,其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區(qū),如圖9.15所示。按一定間距排列的錨桿,在預應力作用下,構(gòu)成一個均勻的壓縮帶(或稱承載環(huán)),壓縮帶中的巖體由于預應力作用處于三向應力狀態(tài),顯著地提高了圍巖的強度。無預應力的粘結(jié)式錨桿(砂漿錨桿),由于其前后兩端圍巖位移不同,使錨桿受拉,同時錨桿的約束力使圍巖錨固處徑向受壓,從而提高了圍巖的強度。

圖9.14　組合作用

圖9.15　擠壓加固作用

(2)錨桿的種類

錨桿成為洞室開挖中良好的支護手段須具備兩個基本條件：a.錨桿受力后產(chǎn)生變形,且其本身不受破壞；b.錨桿與圍巖保持緊密接觸。錨桿種類如下：

①全長粘結(jié)型錨桿,包括普通水泥砂漿錨桿、早強水泥砂漿錨桿、樹脂錨桿、水泥卷錨桿、中空注漿錨桿和自鉆式注漿錨桿等。

②端頭錨固型錨桿,包括機械錨固錨桿、樹脂錨固錨桿、快硬水泥端頭錨桿等。

③摩擦型錨桿包括縫管錨桿、楔管錨桿、水脹錨桿等。

④預應力錨桿和自鉆錨桿等。

永久支護的錨桿一般采用全長粘結(jié)型錨桿或預應力注漿錨桿。自穩(wěn)時間短的圍巖,宜采用全粘結(jié)樹脂錨桿或早強水泥砂漿錨桿。局部不穩(wěn)定的巖塊可采用全長粘結(jié)型錨桿、端頭錨固型錨桿、預應力錨桿,錨固端應置于穩(wěn)定巖體內(nèi)。軟巖、收斂變形較大的圍巖地段,可采用預應力錨桿,其預應力不小于100kPa,錨固端必須錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)。巖體破碎、成孔困難的圍巖宜采用自進式錨桿。

錨桿的直徑宜為20～32mm,桿體材料宜采用HRB335、HRB400鋼,墊板材料宜采用HPB300鋼。

(3)錨桿的布置和質(zhì)量檢查

錨桿的布置分為局部布置和系統(tǒng)布置。局部布置主要用在堅硬而有裂隙發(fā)育或有潛在龜裂及節(jié)理的圍巖,重點加固不穩(wěn)定塊體,隧道拱頂受拉破壞區(qū)為重點加固區(qū)域。局部加固的錨桿,必須保證不穩(wěn)定塊體與穩(wěn)定巖體的有效聯(lián)結(jié)。錨桿局部布置時,拱腰以上部位錨桿方向應有利于錨桿的受拉,拱腰以下及邊墻部位錨桿宜逆向不穩(wěn)定巖塊滑動方向。系統(tǒng)布置的錨桿應用在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖條件下,并符合下列規(guī)定：

①錨桿一般應沿隧道周邊徑向布置,當結(jié)構(gòu)面或巖層層面明顯時,錨桿應與巖體主結(jié)構(gòu)面或巖層層面呈大角度布置。

②錨桿應按矩形排列或梅花形排列。

③錨桿間距不得大于1.5m。間距較小時,可采用長短錨桿交錯布置。

④兩車道隧道系統(tǒng)錨桿長度一般不小于2.0m,三車道隧道系統(tǒng)錨桿長度一般不小于2.5m。

錨桿質(zhì)量檢查,包括長度、間距、角度、方向、抗拔力等,其中主要是抗拔力試驗,對于重要工程可增加灌漿密度試驗。如抗拔力不符合要求時,一般可用加密錨桿予以補強。

2)噴射混凝土

(1)噴層的力學作用

①防護加固圍巖,提高圍巖強度。巷(隧)道開挖后,立即噴射,及時封閉圍巖暴露面,由于噴層與圍巖密貼,故能有效地隔絕水與空氣,防止圍巖因潮解、風化產(chǎn)生剝落和膨脹,避免裂隙中充填物流失,防止圍巖強度降低。此外,高壓高速噴射時,可使一部分混凝土漿液滲入脹開的裂隙或節(jié)理中,起膠結(jié)和加固作用,提高圍巖強度。

②改善圍巖和支護的受力狀態(tài)。含有速凝劑的混凝土噴射液,可在噴層后2～10mm內(nèi)凝固,及時向圍巖提供支護抗力(徑向力),使圍巖表層巖體由未支持時的二向受力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài),提高了圍巖強度。由于傳統(tǒng)支護不能與圍巖均勻接觸,圍巖與支架間易造成應力集中,使圍巖或支架過早破壞,噴射混凝土能使混凝土與圍巖緊密均勻接觸,并可通過調(diào)整噴層厚度,調(diào)整圍巖變形,使應力均勻分布,避免應力集中。因此,噴錨支護比傳統(tǒng)支護更能發(fā)揮混凝土的承載能力。

(2)噴射混凝土的特點

噴射混凝土是用噴射機把摻有速凝劑的粗細骨料混凝土以適當?shù)膲毫?高速噴射到隧道巖壁表面凝結(jié)而成的混凝土。由于混凝土顆粒在高速度噴射的猛烈沖擊下,混凝土被連續(xù)地搗固和壓實,具有密實的結(jié)構(gòu)和較好的物理力學性能。噴射混凝土具有充填裂隙、加固圍巖、封閉圍巖壁面、防止風化與圍巖組成共同承載體系等特點。

噴射混凝土與普通模筑混凝土比較有如下優(yōu)越性：

①噴射混凝土致密,早期強度高,可與圍巖牢固粘結(jié)形成整體,改傳統(tǒng)模筑混凝土的消極支護為積極支護,且薄層柔性噴射混凝土與圍巖能夠共同變形,從而減少作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力。

②能及時支護,有效地控制圍巖的有害變形,有利于安全施工。

③不用模板、拱架,節(jié)省大量鋼木材料,相應地降低了隧道工程的造價；且施工工藝簡單,操作方便,機械化程度高,減輕勞動強度,提高施工效率。

(3)噴射混凝土的噴射方式

①干噴。將砂、石、水泥按一定比例干拌均勻投入噴射機,同時加入速凝劑,用高壓空氣將混合料送到噴頭,再在該處與高壓水混合后高速噴射到巖面上。其工藝流程如圖9.16所示。

圖9.16　干噴、潮噴工藝流程

②潮噴。將砂、石料預加水,使其浸潤成潮濕狀,再加水泥拌合均勻,從而降低上料和噴射時的粉塵,其工藝流程同干噴。

③濕噴。用濕噴機壓送拌合好的混凝土,在噴頭處添加液態(tài)速凝劑,再噴到巖面上。其工藝流程如圖9.17所示。

圖9.17　濕噴工藝流程

(4)噴射混凝土的材料及其組成

①噴射混凝土的材料

a.水泥。噴射混凝土對所采用水泥的基本要求是：摻入速凝劑后凝結(jié)快、保水性好、早期強度增加快、收縮小。一般優(yōu)先采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,也可采用礦渣硅酸鹽水泥。

b.砂子。噴射混凝土的用砂應符合普通混凝土所要求的用砂標準。

c.石子。噴射混凝土采用堅硬、耐久的卵石或碎石。石子的最大粒徑與混凝土噴射機的輸料管直徑有關(guān),一般不宜超過管內(nèi)徑的1/3。

d.速凝劑。在噴射混凝土中摻速凝劑的目的在于：加速噴射混凝土的凝結(jié)、硬化,提高早期強度；減少噴射混凝土的回彈量；防止因重力作用而引起噴射混凝土的流淌或脫落；增大一次噴射厚度,縮短分層噴射的時間間隔。

e.水。噴射混凝土用水的要求與普通混凝土相同,水中不應含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害雜質(zhì)。

②噴射混凝土的配合比和水灰比

a.配合比。配合比的選擇應滿足混凝土強度和其他物理力學性能(抗剪、粘結(jié)、耐久性)的要求,同時還應滿足施工工藝(減少回彈,不發(fā)生離析、分層,和易性好)的要求,且水泥用量為最小。

與普通現(xiàn)澆混凝土相比,噴射混凝土的石子含量要求少得多,且粒徑也小,相應砂子的用量則要增加,一般含砂率在50%左右效果較好。

b.水灰比。它也是影響噴射混凝土的強度和其他物理力學性能的重要因素。若水灰比過小,不僅料束分散,回彈量增多,粉塵大,而且噴層上會出現(xiàn)干斑、砂窩等現(xiàn)象,影響噴射混凝土的密實度。當水灰比過大時,會造成噴層流淌、滑移,甚至大片坍落,影響混凝土強度。

(5)噴射混凝土的機械(具)設(shè)備

噴射作業(yè)的機械(具)設(shè)備主要包括：混凝土噴射機、上料機、攪拌機、機械手、混凝土運送攪拌車和混凝土噴射三聯(lián)機等。

①混凝土噴射機。目前使用的國產(chǎn)噴射機,根據(jù)其構(gòu)造特點和使用物料的干濕程度不同,常用的有雙罐式混凝土噴射機、轉(zhuǎn)體式混凝土噴射機、螺旋式混凝土噴射機和轉(zhuǎn)盤式混凝土噴射機4種。這幾種混凝土噴射機均為干式噴射機,所需的水是由噴射人員憑經(jīng)驗在噴嘴處加入。

②攪拌機。由于采用干式噴射機,噴射時混合料是干料,拌合時易產(chǎn)生粉塵。因此,應采用渦輪漿強制式混凝土攪拌機,最常用的是J4-375型攪拌機,也用小型攪拌機如JW-200型、安Ⅳ型等。

③壓縮空氣機(俗稱空壓機)。為了防止壓縮空氣中的油水混入噴射混凝土中,在高壓風進入混凝土噴射機前必須先通過油水分離器(有過濾式和拆板式兩種),把油水過濾排掉,避免噴射混凝土產(chǎn)生結(jié)塊、堵管等現(xiàn)象。

④機械手。為了減輕人工把持噴槍的勞動強度和改善噴射的工作條件,機械手一般都具有：噴槍,臂的伸縮、回轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)機構(gòu),大臂的起落機構(gòu)等,都具備使噴槍前后俯仰、左右擺動或畫圈,臂桿伸縮、升降或旋轉(zhuǎn)等功能,使其滿足噴射工藝要求。

⑤混凝土噴射三聯(lián)機。它由料倉(水泥、砂、石倉各一個,并具有攪拌、輸料功能)、噴射機和機械手3部分組成。也就是從砂石料與水泥干攪拌和輸送一直到噴射混凝土,組成一個聯(lián)合體。三聯(lián)機分有軌和無軌兩種。作業(yè)機動靈活,在需要緊跟開挖面進行支護時,有顯著優(yōu)越性。

(6)噴射混凝土的施工工藝(干式噴射)

為使噴射混凝土作業(yè)順利進行,在施噴前應做好施噴材料、施噴機械(具)及施噴場地的準備。施噴作業(yè)是噴射混凝土整個施工過程中最關(guān)鍵而緊張的作業(yè)。要求噴射手有熟練的噴射技術(shù),各施工環(huán)節(jié)如備料、拌合、運輸、上料,風、水供應,照明、噴射等能緊密配合。在噴射作業(yè)中要掌握好以下幾個問題：

①風壓、水壓。參考風壓與混合料水平運送長度(輸料管長度)的簡單關(guān)系初步選擇風壓,當向上垂直輸送時,由于重力作用所需的風壓比水平運輸時每增高10m需加大20～30kPa。一般要求風源風壓應穩(wěn)定在0.4～0.65MPa才能在噴嘴處使風壓穩(wěn)定在0.1～0.25MPa范圍內(nèi)。只有穩(wěn)定的風壓,才能保證噴射混凝土的質(zhì)量。若風壓過小,則噴射動能太小,粗骨料沖不進砂漿層而脫落；若風壓過大,則噴射動能大,粗骨料會碰撞巖面而回彈。

為保證高壓水從水環(huán)孔眼中射出形成水霧,使干拌合料充分濕潤水化,水壓要比風壓高0.1～0.15MPa。一般規(guī)定噴射作業(yè)區(qū)的系統(tǒng)水壓應大于0.4MPa。

②噴嘴與受噴巖面之間的距離和角度。通常在噴頭上接一個直徑為100mm、長為0.8～1.0m的塑料攏料管。它使水泥充分水化,噴射混凝土束集中及回彈石子不致傷害噴射手。當風壓適宜時,噴嘴與受噴巖面之間的距離以0.8～1.2m為宜。

噴嘴與受噴巖面的角度,一般應垂直或稍微向剛噴射過的混凝土部位傾斜(不大于10°),以使回彈物受到噴射束的約束,抵消部分彈回的能量而減少回彈量。噴射拱部時應沿徑向噴射。

③一次噴射的厚度及各噴層之間間隔時間。當噴層較厚時需分層噴射。一次噴射的厚度應根據(jù)噴射效率、回彈損失、混凝土顆粒之間的凝聚力和噴層與受噴面間的黏著力等因素確定。

各噴層間的間隔時間與水泥品種、施工溫度(施工最低溫度不應低于+5°)和有無摻速凝劑等因素有關(guān),如采用紅星一型速凝劑時可在5～10min以后進行下一次噴射,采用碳酸鈉速凝劑時要在30min以后才能進行下一次噴射。

④噴射分區(qū)與噴射順序。為了減少噴射混凝土因重力作用而引起的滑動或脫落現(xiàn)象,噴射時應按照分段、分部、分塊、由下而上,先邊墻后拱墻和拱腰,最后噴拱頂?shù)脑瓌t進行。噴射混凝土時,噴頭要正對受噴巖面,均勻緩慢地按順時針方向作螺旋形移動,一圈壓半圈,繞圈直徑為20～30cm。對凹凸懸殊的巖面,噴射時應注意噴射次序要先下后上,先兩頭后中間,以減少回彈量,正常狀態(tài)下噴射混凝土的回彈率拱部不超過25%,邊墻不超過15%。

(7)噴射混凝土堵管問題的處理

噴射作業(yè)中常遇到堵管,其原因是多方面的,如粗集料過大(粒徑大于25cm以上)；水泥硬塊或其他雜物；混合料(主要是砂)濕度過大(大于6%)致使摩擦力增大；輸料軟管彎頭過小及風壓偏低等均能引起堵管。另外,若司機操作不對,如先開馬達后給風；混合料未吹完就停風；誤開放氣閥而停風等也會引起堵管。

遇到堵管發(fā)生時,噴射機司機應立即關(guān)閉馬達,隨后關(guān)閉風源,噴射手將軟管拉直,然后用手錘敲擊以尋找堵管處。當敲擊鋼管時發(fā)音混濁,或敲擊膠管時有發(fā)硬感覺處,即為堵管部位。找到堵管部位后,可將風壓升到0.3～0.4MPa(不超過0.5MPa),并用錘擊堵管部位,使其暢通。排出堵管時,噴嘴前方嚴禁站人,以免被噴傷。

(8)鋼纖維噴射混凝土工藝

由于噴射混凝土在抗拉、抗彎、抗裂、抗沖擊性等方面都存在明顯的不足,噴層開裂、剝落時有發(fā)生,并導致落石、滲水等一系列病害。因此,自20世紀70年代以來,世界各國特別是瑞典、日本、美國等,為了改善噴射混凝土的性能,提高其質(zhì)量,相繼開展了鋼纖維噴射混凝土的研究和應用,并在實際工程中收到了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

鋼纖維噴射混凝土是指在噴射混凝土中加入一定數(shù)量的鋼纖維。由于鋼纖維均勻分布在混凝土中,為混凝土提供了非連續(xù)性的微型配筋,從而提高了材料的抗拉、抗彎、抗沖擊和耐磨性以及早期強度、韌性和延展性,并改善了其他物理力學性能。

鋼纖維噴射混凝土的物理力學性能,受到鋼纖維的形狀、長徑比、摻入量及在混凝土中的分布狀態(tài),排列方向等各種因素的影響。

鋼纖維用于噴射混凝土中,其等效直徑一般為0.3～0.5mm,長為20～25mm,長徑比為40～60。截面形狀為圓形或矩形。

鋼纖維噴射混凝土的配合比應根據(jù)設(shè)計強度及噴射工藝要求通過試驗確定。

噴射鋼纖維混凝土時,可直接使用現(xiàn)有的噴射混凝土機械或?qū)⑵渖约痈倪M。為了減少堵塞,應盡量取消輸料管90°彎頭及減少其直徑的突然變化。選用的鋼纖維長度應不大于輸料管直徑的一半。

由于鋼纖維噴射混凝土有很多優(yōu)越性,因此在工程上有著各種特殊的用途。如隧道襯砌施工和加固、高路基邊坡穩(wěn)定和橋墩臺加固、工業(yè)及民用建筑工程支護加固等。

(9)噴射混凝土的質(zhì)量檢查

為了確保噴射混凝土的質(zhì)量,應作如下幾方面檢查：

①每批原材料進庫(場),均用進行質(zhì)量檢查與驗收。

②噴射混凝土強度檢查。

③噴層與圍巖粘結(jié)情況的檢查。

④噴層厚度的檢查。

3)鋼拱架

在圍巖條件較差地段或地面沉降有嚴格限制時,應在初期支護內(nèi)增設(shè)鋼拱架。常用的鋼拱架有：鋼筋格柵拱架、工字形型鋼拱架、U形型鋼拱架和H形型鋼拱架。鋼拱架支護宜優(yōu)先選用格柵鋼拱架。格柵鋼拱架主筋采用HRB335、HRB400鋼,輔筋宜采用HPB300鋼。在設(shè)置超前支護地段,可設(shè)置鋼架作為超前錨桿、超前小導管、超前大管棚等的尾端支點。鋼拱架支護時的一般規(guī)定：

①鋼拱架支護必須有足夠的剛度和強度,能夠承受隧道施工期間可能出現(xiàn)的荷載。

②鋼拱架支護間距宜為0.5～1.5m。鋼拱架應分節(jié)制作,節(jié)段與節(jié)段之間通過鋼板用螺栓連接或焊接。

③采用鋼拱架支護的地段連續(xù)使用鋼拱架的數(shù)量不小于3榀；鋼拱架支護榀與榀之間必須用直徑18～22mm的鋼筋連接,連接筋的間距不大于1m,并在鋼拱架支護內(nèi)緣、外緣交錯布置。

④鋼拱架與圍巖之間混凝土保護層厚度不應小于40mm；臨空一側(cè)的混凝土保護層厚度不應小于20mm。

4)復合式襯砌

隧道作為地下結(jié)構(gòu)物,除了應滿足在使用上的要求外,還必須具有耐久性。一般除了地質(zhì)堅硬、不易風化的Ⅰ級圍巖外,都應施作混凝土襯砌。

對于采用噴錨支護技術(shù)施工的隧道,一般為了飾面或增加安全度的需要,也須施作噴錨支護(稱作一次襯砌),且在圍巖變形基本穩(wěn)定之后,現(xiàn)場澆筑整體混凝土襯砌(稱作二次襯砌)。二次襯砌除了起飾面和增加安全度的作用外,實際上也承受了在其施工后發(fā)生的外部水壓、軟弱圍巖的蠕變壓力、膨脹性地壓或者淺埋隧道受到的附加荷載等。

復合式襯砌是由初期支護和二次襯砌及中間夾防水層組合而成的襯砌形式。復合式襯砌要滿足以下規(guī)定：

①初期支護宜采用錨噴支護,即由噴射泥土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等支護形式單獨或組合使用,錨桿支護宜采用全長粘結(jié)錨桿。

②二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),襯砌截面宜采用連接圓順等厚襯砌斷面,仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。

③在確定開挖斷面時,除應滿足隧道凈空和結(jié)構(gòu)尺寸外,還應考慮初期支護并預留適當?shù)淖冃瘟?預留變形量的大小可根據(jù)圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護情況等,采用工程類比法及現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整確定。

5)支護防排水技術(shù)

滲漏是隧道的常見病害之一,長期的滲漏水,可能造成隧道侵蝕破壞,影響行車安全。因此必須在隧道內(nèi)設(shè)置防排水層,使隧道襯砌不漏不滲。

(1)隧道防水

隧道的防水作法是：一般在隧道內(nèi)部施做復合式初砌,采用夾層防水層。隧道開挖后用錨噴將巖面整平,在巖面上鋪設(shè)一層土工布或PE泡沫墊層,然后再鋪設(shè)一層防水板。防水板多為合成高分子卷材,目前工程使用較多的有PVC、LDPE和EVA等。防水板鋪設(shè)時有不同的工藝,其差別主要表現(xiàn)在防水板的固定上和板間的搭接方法上。防水卷材的厚度和寬度上有不同的規(guī)格,使用時有環(huán)向鋪設(shè)和縱向鋪設(shè)兩種。為了保證接茬的密封質(zhì)量,一般在兩幅卷材接茬處都要搭接10cm。卷材接茬有冷粘法和熱合法兩種。冷粘法主要用于PVC等防水卷材的膠合。使用時將專用膠合劑用刷子涂刷于接縫邊緣,待膠合劑稍干后將兩幅卷材粘合在一起。這種方法的優(yōu)點是施工方便,施工速度快。熱合法主要用于EVA和LDPE等防水卷材的搭接。施工時將兩幅卷材平行放好,壓茬寬度10cm,然后用專門的熱合焊縫機將兩卷材邊緣壓合于一起。目前工程使用的焊縫機多為雙縫焊機,即在兩焊縫中間留有一道寬1cm的氣道,接縫焊完后,可用充氣筒向氣道內(nèi)注氣,若氣道內(nèi)氣壓不斷降低,說明焊縫不夠嚴實,應檢查補焊；若氣道壓力保持不變,說明焊縫完好。熱合法的最大優(yōu)點就在于施工期間可隨時進行質(zhì)量檢測。

在洞壁上固定防水卷材的方法有兩種：一種是有釘鋪設(shè)法,另一種是無釘鋪設(shè)法。所謂有釘鋪設(shè)法,是將防水卷材在洞壁上攤平,用塑料墊片固定在洞周壁面上。墊片的布置形式有梅花形和矩形；一般邊墻墊片間距約1m,拱頂約80cm。為了防止墊片上的釘孔滲漏水,在防水卷材固定好后,在墊片四周涂刷一層膠合劑,再用一塊稍大的塑料板將原先的墊片封蓋,從而達到完全防水的目的。所謂無釘鋪設(shè)法是先用塑料墊片及射釘固定土工布等防水卷材墊層,然后將防水卷材有規(guī)律地攤鋪,在塑料墊片處用專用的平頭烙鐵將防水卷材與墊片熱合。由于塑料墊片與防水卷材為同質(zhì)材料,所以二者熱合牢固,質(zhì)量可靠。

(2)隧道排水

一般來說,山嶺公路隧道防排水系統(tǒng)多屬排水型,即地下水從圍巖滲出,經(jīng)管路系統(tǒng)排出洞外。這一點與要保證地下水位穩(wěn)定,地下水不能外排的水密型地鐵防水工程不同。對于山嶺隧道,地下水的排水流程為：圍巖→環(huán)向排水管→縱向排水管→橫向排水盲管→中央排水管→洞外出水口。

9.4.4　隧道施工超前支護與預加固技術(shù)

隧道施工過程中,可能會遇到開挖工作面不能自穩(wěn),或地表沉陷過大等情況。為了確保隧道工程順利進行和施工安全,必須采取一定的工程措施對地層進行預支護或預加固,稱之為輔助施工措施。預支護措施有預留核心土、噴射混凝土封閉開挖工作面、超前錨桿(亦可用小鋼管)、管棚及臨時仰拱封底。預加固措施有預注漿加固地層和地表噴錨預加固等,而兼有預支護和預加固雙重作用的有超前小導管注漿等。

輔助措施的選用,應視圍巖條件、涌水狀況、施工方法、環(huán)境要求等因素綜合而定,可以單獨使用一種措施,也可以幾種聯(lián)合使用。

1)超前錨桿

在隧道開挖之前,在開挖面的拱部一定范圍內(nèi),沿隧道斷面的周邊,向地層內(nèi)打入一排縱向錨桿(或小鋼管),通過錨桿對圍巖的加固作用,形成超前于工作面的圍巖加固棚,在此棚的保護下進行開挖。開挖一個進尺后,再打入一排縱向錨桿,再掘進,如此往復推進,如圖9.18所示。

圖9.18　超前錨桿設(shè)置方式

2)管棚

當隧道位于松軟地層中,或遇到塌方,需要從塌方體中穿過,或淺埋隧道,要求限制地表沉陷量,或在很差的地質(zhì)條件下進洞時,均可采用管棚進行預支護,如圖9.19所示。由于管徑較粗,故管棚的承載能力比超前錨桿(或小鋼管)要大,在所有的預支護措施中,它是支護能力最強的,但其施工技術(shù)也較復雜,造價較高。

圖9.19　管棚設(shè)置方式

3)超前小導管注漿

超前小導管注漿也是一種廣泛使用的輔助施工措施,它往往與鋼拱架一起設(shè)置,如圖9.20所示。小導管注漿屬滲入性注漿,雖然鋼管本身的支護能力不如管棚,但其注漿加固地層的效果比管棚好。它適用于較干燥的砂土層、砂卵(礫)石層、斷層破碎帶和軟弱圍巖淺埋段。

圖9.20　超前小導管設(shè)置方式

4)預注漿加固地層

在開挖之前,先往地層中注漿以加固圍巖,使得開挖能夠安全穩(wěn)妥地進行,稱之為預注漿加固地層。預注漿加固又分為超前鉆孔注漿加固和地表注漿加固兩種。

注漿加固地層的灌注管一般采用帶孔眼的焊接鋼管或無縫鋼管,為了防止?jié){液反流,要堵塞鉆孔壁與灌注管之間的孔隙,常用的堵塞方式有兩種：一種是普通堵塞,就是用鉛絲、木楔等材料在注漿孔口將縫隙堵死,它適用于淺孔注漿；另一種是專用的止?jié){塞,用橡膠制作,套在注漿管上,靠注漿壓力使其擠緊孔壁來止?jié){,這種方法多用于深孔注漿。

5)地表錨噴預加固

在淺埋洞口地段,由于覆蓋層較薄,可能會形成邊挖邊塌的局面,使得進洞困難；在偏壓洞口段,往往一側(cè)邊坡開挖過高,形成不穩(wěn)定邊坡,危及施工和運營。在這樣的情況下,采用地表錨噴加固是比較合適的。通過對地表的預加固,可以使得進洞順利進行,也可以為改變坡率創(chuàng)造條件,使得較高的邊坡降低開挖高度。地表錨噴預加固類型與加固方法有：洞口邊仰坡表層預加固、洞門上方陡坎加固和仰坡加固、洞口淺埋段預加固等。

9.5　塌方事故的處理

隧道開挖時,導致塌方的原因有多種,概括起來可歸結(jié)為：一是自然因素,即地質(zhì)狀態(tài)、受力狀態(tài)、地下水變化等；二是人為因素,即不適當?shù)脑O(shè)計,或不適當?shù)氖┕ぷ鳂I(yè)方法等。由于塌方往往會給施工帶來很大困難和很大經(jīng)濟損失。因此,需要盡量注意排除會導致塌方的各種因素,盡可能避免塌方的發(fā)生。

9.5.1　發(fā)生塌方的主要原因

(1)不良地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

①隧道穿過斷層及其破碎帶,或在薄層巖體的小曲褶、錯動發(fā)育地段,一經(jīng)開挖,潛在應力釋放快、圍巖失穩(wěn),小則引起圍巖掉塊、坍落,大則引起塌方。當通過各種堆積體時,由于結(jié)構(gòu)松散,顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差,開挖后引起坍塌。在軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育或泥質(zhì)充填物過多,均易產(chǎn)生較大的坍塌。

②隧道穿越地層覆蓋過薄地段,如在沿河傍山、偏壓地段、溝谷凹地淺埋和丘陵淺埋地段極易發(fā)生塌方。

③水是造成塌方的重要原因之一。地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用加劇巖體的失穩(wěn)和坍落。巖層軟硬相間或有軟弱夾層的巖體,在地下水的作用下,軟弱面的強度大為降低,因而發(fā)生滑塌。

(2)隧道設(shè)計考慮不周

①隧道選定位置時,地質(zhì)調(diào)查不細,未能作詳細的分析,或未能查明可能塌方的因素。沒有繞開可以繞避的不良地質(zhì)地段。

②缺乏較詳細的隧道所處位置的地質(zhì)及水文地質(zhì)資料,引起施工指導或施工方案的失誤。

(3)施工方法和措施不當

①施工方法與地質(zhì)條件不相適應；地質(zhì)條件發(fā)生變化,沒有及時改變施工方法；工序間距安排不當；施工支護不及時,支撐架立不合要求,或抽換不當“先拆后支”；地層暴露過久,引起圍巖松動、風化、導致塌方。

②噴錨支護不及時,噴射混凝土的質(zhì)量、厚度不符合要求。

③按新奧法施工的隧道,沒有按規(guī)定進行量測,或信息反饋不及時,決策失誤、措施不力。

④圍巖爆破用藥量過多,因震動引起坍塌。

⑤對危石檢查不重視、不及時,處理危石措施不當,引起巖層坍塌。

9.5.2　預防塌方的施工措施

隧道施工預防塌方,選擇安全合理的施工方法和措施至關(guān)重要。在掘進到地質(zhì)不良圍巖破碎地段,應采取“先排水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤量測”的施工方法。必須制訂出切實可行的施工方案及安全措施。

為了保證施工作業(yè)安全,及時發(fā)現(xiàn)塌方的可能性及征兆,并根據(jù)不同情況采用不同的施工方法及控制塌方的措施,需要在施工階段進行塌方預測。預測塌方常用的幾種方法：

(1)觀察法

①在掘進工作面采用探孔對地質(zhì)情況或水文情況進行探察,同時對掘進工作面應進行地質(zhì)素描,分析判斷掘進前方有無可能發(fā)生塌方的超前預測。

②定期和不定期地觀察洞內(nèi)圍巖的受力及變形狀態(tài)；檢查支護結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了較大的變形；觀察巖層的層理、節(jié)理裂隙是否變大,坑頂或坑壁是否松動掉塊；噴射混凝土是否發(fā)生脫落；以及地表是否下沉等。

(2)一般量測法

按時量測觀測點的位移、應力,測得數(shù)據(jù)進行分析研究,及時發(fā)現(xiàn)不正常的受力、位移狀態(tài)及有可能導致塌方的情況。

(3)微地震學測量法和聲學測量法

前者采用根據(jù)地震測量原理制成的靈敏的專用儀器；后者通過測量巖石的聲波分析確定巖石的受力狀態(tài),并預測塌方。

加強初期支護,控制塌方：當開挖出工作面后,應及時有效地完成噴錨支護或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護,并應考慮采用早強噴射混凝土、早強錨桿和鋼支撐支護措施等。這對防止局部坍塌,提高隧道整體穩(wěn)定性具有重要的作用。

9.5.3　隧道塌方的處理措施

①隧道發(fā)生塌方,應及時迅速處理。處理時必須詳細觀測塌方范圍、形狀、坍穴的地質(zhì)構(gòu)造,查明塌方發(fā)生的原因和地下水活動情況,經(jīng)認真分析,制訂處理方案。

②處理塌方應先加固未坍塌地段,防止繼續(xù)發(fā)展,并可按下列方法進行處理：

a.小塌方,縱向延伸不長、坍穴不高,首先加固坍體兩端洞身,并抓緊噴射混凝土或采用錨噴聯(lián)合支護封閉坍穴頂部和側(cè)部,再進行清碴。在確保安全的前提下,也可在坍碴上架設(shè)臨時支架,穩(wěn)定頂部,然后清碴。臨時支架待灌筑襯砌混凝土達到要求強度后方可拆除。

b.大塌方,坍穴高、坍碴數(shù)量大,坍碴體完全堵住洞身時,宜采取先護后挖的方法。在查清坍穴規(guī)模大小和穴頂位置后,可采用管棚法和注漿固結(jié)法穩(wěn)固圍巖體和碴體,待其基本穩(wěn)定后,按先上部后下部的順序清除碴體,采取短進尺、弱爆破、早封閉的原則挖坍體,并盡快完成襯砌(圖9.21)。

c.塌方冒頂,在清碴前應支護陷穴口,地層極差時,在陷穴口附近地面打設(shè)地表錨桿,洞內(nèi)可采用管棚支護和鋼架支撐。

d.洞口塌方,一般易坍至地表,可采取暗洞明作的辦法。

③處理塌方的同時,應加強防排水工作。塌方往往與地下水活動有關(guān),治坍應先治水。防止地表水滲入坍體或地下,引截地下水防止?jié)B入塌方地段,以免塌方擴大。具體措施：

圖9.21　大規(guī)模塌方處理實例示意圖
1—第一次注漿；2—第二次注漿；3—第三次注漿；4—管棚；5—坍線；6—坍體；7—初期支護；8—注漿孔；9—混凝土封堵墻

a.地表沉陷和裂縫,用不透水土壤夯填緊密,開挖截水溝,防止地表水滲入坍體。

b.塌方通頂時,應在陷穴口地表四周挖溝排水,并設(shè)雨棚遮蓋穴頂。陷穴口回填應高出地面并用粘土或圬工封口,做好排水。

c.坍體內(nèi)有地下水活動時,應用管槽引至排水溝排出,防止塌方擴大。

④塌方地段的襯砌,應視坍穴大小和地質(zhì)情況予以加強。襯砌背后與坍穴洞孔周壁間必須緊密支撐。當坍穴較小時,可用漿砌片石或干砌片石將坍穴填滿；當坍穴較大時,可先用漿砌片石回填一定厚度,其以上空間應采用鋼支撐等頂住穩(wěn)定圍巖；特大坍穴應作特殊處理。

⑤采用新奧法施工的隧道或有條件的隧道,塌方后要加設(shè)量測點,增加量測頻率,根據(jù)量測信息及時研究對策。淺埋隧道,要進行地表下沉測量。

9.5.4　塌體自穩(wěn)后處理措施

塌體處理一般在初期處理完畢后或塌方暫時達到自穩(wěn)時進行,常用的方法有管棚法、小導管注漿法、三臺階開挖法、二次襯砌加強法及回填法等,并在處理過程中加強監(jiān)控量測工作,用量測信息動態(tài)指導隧道施工。

(1)管棚法

管棚法是隧道工程施工中常用的一種輔助施工法。一般適用于覆蓋層多為第四系坡積、殘積層或斷層破碎帶、軟弱夾層。且?guī)r體風化較嚴重、節(jié)理發(fā)育、開挖會導致坍塌的Ⅳ級圍巖。

根據(jù)塌體大小可分為大管棚法與小管棚法。大管棚法適用于塌方嚴重,影響較大的塌方處理,采取的具體措施為先對塌體及周邊巖體進行預注漿加固,之后在預留變形基礎(chǔ)上向塌體或周邊巖體打管棚進行塌方處理。為方便注漿,通常采用花管,長度＞20m時,直徑為80～100mm,也可起到擠密土體的作用,如果塌方處于很強的地應力圍巖中,也可選用鋼軌與花管結(jié)合使用。施工時,大管棚布設(shè)在襯砌外35～50cm,起拱線以上1.5m的范圍內(nèi),鋼管間距一般約為50cm。大管棚一般與鋼拱架、定位錨桿和噴混凝土配合進行,拱架間距0.3～0.8m,定位錨桿環(huán)向間距約為1m,拱腳設(shè)鎖腳小導管?；炷羾娚浜穸葹?0～30cm,每開挖4m做一環(huán)襯砌。大管棚施工時鋼管宜長不宜短,以減少施作時間和材料的重疊,從而加快施工進度。

(2)小導管注漿法

小導管注漿法適用于塌體不大,地質(zhì)條件較松散的塌方。施工措施為預注漿加固塌體和松散圍巖,并與鋼拱架和錨噴混凝土相結(jié)合對塌方進行處理。小導管一般采用φ32～50mm鋼管,長5～9m,環(huán)向間距20～30cm,縱向間距0.6～1.0m,插入施工中一般采取不同外插角的方法對加固巖體效果較好。每開挖約4m施作一環(huán)混凝土。

(3)三臺階開挖法

新奧法原理要求軟巖地段或塌方段施工始終堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、緊襯砌”的原則。三臺階開挖法,開挖臺階長度為3～5m,以人工風鎬配合挖掘機為主,輔助微弱爆破,出碴采用挖掘機或裝載機裝,自卸汽車運輸；每循環(huán)進尺為1榀拱架間距,這樣就能在不擾動圍巖的情況下安全順利地通過塌方體。

(4)二次襯砌加強及回填法

因為塌方段襯砌荷載比塌方前增大,所以襯砌要加強,加強襯砌應優(yōu)先考慮采用提高混凝土標號和在襯砌內(nèi)加鋼筋或型鋼或鋼軌,以及進一步采取加固穩(wěn)定坍穴以減小襯砌荷載等措施?；靥畈牧媳苊獠捎盟缮⒉牧?盡可能使回填本身具有自承能力且高度要求為6m。

思考題

1.簡述隧道的分類及其作用。

2.隧道工程施工有哪些特點?

3.隧道施工主要有哪些方法,選擇隧道施工方法的基本原則?

4.隧道工程新奧法施工的基本原理?

5.錨噴支護的基本力學原理?

6.全斷面法、臺階法、分部開挖法的優(yōu)缺點及適用條件?

7.隧道的預加固一般采用哪幾種形式?簡述作用原理。

8.隧道施工過程中的監(jiān)控量測的目的是什么?通常要監(jiān)測哪些內(nèi)容?

9.引起隧道塌方一般有哪些原因?可以采取哪些相關(guān)措施防止隧道塌方?對于已經(jīng)塌方的隧道,可以采取什么措施處理?

10.隧道施工超前支護與預加固技術(shù)主要有哪些?簡述其原理。