发生塌方的主要原因

9　隧道施工

本章导读：

●基本要求　理解隧道工程的基本概念、分类、作用及特点；掌握隧道施工方法及其选择、新奥法施工基本原理及方法、监控量测、钻爆开挖、锚喷支护等；了解人工开挖、掘进机施工、洞口段及明洞施工方法、钢木支撑、预加固技术、塌方事故的处理等。

●重点　隧道工程的基本概念、分类、作用及特点；隧道施工方法及其选择、新奥法施工基本原理及方法、监控量测、钻爆开挖、预加固技术、塌方事故的处理。

●难点　隧道施工方法及其选择、新奥法施工基本原理及方法、锚喷支护等。

9.1　概 述

9.1.1　隧道的基本概念

隧道是一种修建在地下,两端有出入口,供车辆、行人、水流及管线等通行的工程建筑物。1970年OECD(世界经济合作与发展组织)隧道会议从技术方面将隧道定义为：以任何方式修建,最终使用于地表以下的条形建筑物,其空洞内部净空断面在2m2以上者均为隧道。隧道工程包含两方面的含义：一方面是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术,是土木工程的一个分支；另一方面是指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。

9.1.2　隧道的分类及其作用

隧道的种类繁多,从不同角度有不同的分类方法。按隧道所处地层,可以分为土质隧道和石质隧道。根据隧道所在位置可分为三大类：为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；为穿越河流、湖泊或海峡而从河下、湖底或海底通过的称为水下隧道；为适应城市发展而在城市下面修建的可以满足交通、市政、水利等需要的各类隧道称为城市隧道。按埋置的深度,可以分为浅埋隧道和深埋隧道；按断面形式,可分为圆形、马蹄形和矩形隧道等。按国际隧道协会(ITA)定义的断面数值划分标准,可分为特大断面(100m2以上)、大断面(50 ～100m2)、中等断面(10～50m2)、小断面(3～10m2以上)、极小断面(3m2以下)。分类比较明确还是按照隧道的用途来划分,主要有以下几种：

1)交通隧道

①铁路隧道：修建在地下或水下并铺设铁路供机车车辆通行的建筑物。

②公路隧道：为满足汽车通行而修建的各类穿越山岭、跨越江河(海峡)的公路交通隧道。近年来,为了解决城市交通拥堵,城市地下快速路也有很大发展。

③地下铁道：地下铁道是大量快速输送乘客的一种城市轨道交通运输设施,能缓解和解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题。

④水下隧道：交通线路横跨江、河道时,可以采用架桥、轮渡或修建水下隧道通过,但架桥受净空、战争的限制和约束,轮渡又受天气影响和通行量限制,采用水下隧道可以较好地解决上述问题。它不但避免了风暴天气轮渡中断的情况,而且在战时不致暴露交通设施的目标,是国防上的较好选择。

⑤航运隧道：当运河需要越过分水岭时,克服高程障碍成为十分困难的问题。修建航运隧道,可以把分水岭两边的河道沟通起来,减少绕行距离,既可以缩短航程,又可以省掉修建多级船闸的费用,河道顺直,大大改善航运条件。

⑥人行地道：在城市闹市区中,需要穿越车辆密集的街道、高速公路、高速铁路以及交通事故易发路段,通常采用修建人行地道的办法缓解地面交通压力,尽量避免或减少交通事故。

2)水工隧道

①引水隧道：引水隧道是将河流或水库中的水引入带动水电站的发电机组运转产生动力资源的孔道。引水隧道有的内壁承受水压称有压隧道,有的只是部分过水,内部水压小只受大气压力称无压隧道。

②尾水隧道：尾水隧道是水电站把发电机组排出的废水送出去的孔道。

③排沙隧道：排沙隧道是用来冲刷水库中淤积的泥沙,把泥沙裹带送出水库大坝的孔道。有时也用来放空水库里的水,以便进行库身检查或修理建筑物。

④导流隧道或泄洪隧道：导流隧道或泄洪隧道是水利工程中的一个重要组成部分。由它疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪作用。

3)市政隧道

在城市中为规划安置的各种不同市政设施而在地面以下修建的各种地下孔道称为市政隧道。市政隧道类型有：

①给水隧道：为满足城市自来水管网系统需要而修建的隧道。

②污水隧道：城市污废水需要排放到污水处理中心进行集中处理,这就需要有地下的排污隧道。这种隧道可能是本身导流排送,此时隧道的形状多采用卵形；也可能是在孔道中安放排污管,由管道排污。

③管路、线路隧道：城市中的煤气、暖气、热水等都是通过埋在地下管路隧道,经过防漏及保温措施处理,把这些能源送到城市居民家中去,确保居民生活正常进行。输送电力的电缆以及通讯的电缆,都安置在地下孔道中,称为线路隧道。

④人防隧道：为了战时的防空目的,城市中需要建造人防隧道。在受到空袭威胁时,市民可以进入安全的庇护所。

在当今现代化的城市中,把上述4种具有共性的地下管道(隧道),按城市规划总体要求,建成一个共用地下孔道,简称“城市共同管沟”。

4)矿山隧道(巷道)

在矿山开采中,从山体以外修建一些隧道(巷道)通向矿床而进行开采活动,达到采矿作业的目的。

①运输巷道：向山体开凿隧道通到矿床,并逐步开辟巷道,通往各个开采面。前者称为主巷道,为地下矿区的主要出入口和主要的运输干道。后者分布如树枝状,分向各个采掘面,称为采准巷道。此种巷道多用临时支撑,仅供作业人员进行开采工作的需要。

②给水隧道：送入清洁水为采掘机械使用,并通过泵抽及时将废水及积水排出洞外的通道。

③通风隧道：矿山地下巷道穿过各种地层,将会有多种地下气体涌入巷道中来。如果地下气体含有瓦斯,在含量达到一定浓度后,将会发生危险,轻者致人窒息,重则引起爆炸。因此,必须及时把有害气体排除出去。采用通风机把矿山下巷道中污浊空气抽出去,并把新鲜空气补进来的通道称通风隧道。

9.1.3　隧道工程施工的特点

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。

隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石,形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌,以控制坑道围岩变形,保证隧道施工安全和长期安全使用。

概括地说,隧道工程施工的特点主要有：

①隐蔽性大；

②作业的循环性强；

③作业空间有限；

④作业的综合性；

⑤施工是动态的,施工过程的力学状态是变化的；地质条件和围岩的物理力学性质也是变化的；

⑥作业环境恶劣；

⑦作业的风险性大；

⑧受气候影响较小。

各种施工技术必须考虑这些特性,才能够发挥其作用。

9.2　隧道施工方法

9.2.1　隧道施工方法及其选择

根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展,隧道施工方法可按图9.1进行分类：

图9.1　隧道施工方法分类简图

隧道施工技术主要研究解决上述各种隧道施工方法所需的技术方案和措施(如开挖、掘进、支护和衬砌施工方案和措施)；隧道穿越特殊地质地段时(如膨胀土、黄土、溶洞、塌方、流沙、高地温、岩爆、瓦斯地层等)的施工手段；隧道施工过程中的通风、防尘、防有害气体及照明、风水电作业的方式方法和对围岩变化的监控量测方法。

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。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：

①施工条件：施工条件是决定施工方法的最基本因素,它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。

②地质条件：包括围岩级别、地下水及不良地质现象等。围岩级别是对围岩工程性质的综合判定,对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。

③隧道断面积：隧道尺寸和形状,对施工方法选择也有一定的影响。目前,隧道断面有向大断面方向发展的趋势。在这种情况下,施工方法必须适应其发展。

④隧道埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关,通常将埋深分为浅埋和深埋两类,有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下,由于埋深的不同,施工方法也将有很大差异。

⑤施工工期：施工工期在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下,对开挖、运输等综合生产能力的基本要求,即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。

⑥环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时,环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一,在城市条件下,甚至会成为选择施工方法的决定性因素。

9.2.2　新奥法施工

从目前的工程实际出发,在今后很长一段时期内,新奥法仍然是修建山岭隧道的主流方法。

1)新奥法施工应遵循的基本原则

新奥法是以控制爆破(光面爆破、预裂爆破等)为开挖方法；以喷锚作为主要支护手段,通过监测控制围岩变形,动态修正设计参数和变动施工方法的一种隧道施工方法,其核心内容是充分发挥围岩的自承能力。

新奥法施工应遵循的基本原则现归纳起来主要有以下几点：

①在隧道的整个支护体系中,围岩是承载结构的一部分,施工中要合理利用围岩的自承能力,保持围岩的稳定。

②隧道开挖时,应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度,即尽可能使围岩维持原来的三维应力状态,这就有必要对开挖工作面及时施作防护层(如喷射混凝土等),封闭围岩的节理和裂隙以防止围岩的松动和坍塌。

③允许围岩有一定的变形,初期支护应尽量做成柔性的,以便与围岩紧密接触,共同变形和共同承载,充分利用围岩的自身承载作用。

④洞室开挖后及时施作初期支护,封闭围岩表面,抑制围岩体的早期变形,待围岩稳定后,再进行二次衬砌,但遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟,通常二次衬砌可视为附加的安全储备。

⑤隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件,因此,要尽可能使结构做得圆顺(如做成圆形或椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同时,尽早使衬砌结构闭合(封底),以形成承载环。

⑥对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可少的一个重要环节,根据现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。

⑦对外层衬砌周围岩体的渗水,要通过足够的“排堵措施”予以解决,如在两层衬砌之间设置中间防水层等。

⑧在隧道施工过程中,必须建立设计→施工检验→地质预测→量测反馈→修正设计的一体化的施工管理系统,不断地提高和完善隧道施工技术。

以上原则是运用新奥法原理制定隧道开挖方法的基本指导思想,可扼要地概括为：少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。其核心是保护围岩,充分发挥围岩的自身承载作用。

2)新奥法施工工序

采用新奥法施工的隧道,施工时应视其规模、地质条件以及安全合理施工的要求,充分利用现场量测信息指导施工,即通过对施工中量测的数据和对开挖面的地质观察等进行预测和反馈。根据已建立的量测管理基准,对隧道的施工方法(包括特殊的辅助施工方法)、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整,以保证施工安全、隧道稳定和支护结构的经济性。其施工工序如图9.2所示：

图9.2　新奥法施工工序

3)隧道开挖方法

按开挖隧道的横断面分部情形来分,开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法和分部开挖法。

(1)全断面开挖法

全断面法全称为“全断面一次开挖法”,即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法,如图9.3所示。

图9.3　全断面施工方法
1—全断面开挖；2—锚喷支护；3—模筑混凝土

全断面法施工工序如下：①用钻孔台车钻眼,然后装药、连接导火线；②退出钻孔台车,引爆炸药,开挖出整个隧道断面；③排除危石；④喷射拱圈混凝土,必要时安设拱部锚杆；⑤用装碴机将石碴装入运输车辆,运出洞外；⑥喷射边墙混凝土,必要时安设边墙锚杆；⑦根据需要可喷第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑧开始下一轮循环；⑨通过量测判断围岩和初期支护的变形,待基本稳定后,施作二次模注混凝土衬砌。

全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的Ⅰ～Ⅲ级硬岩石质隧道施工。

(2)台阶开挖法

台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种,其划分是根据台阶长度来决定的,如图9.4所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法,要根据以下两个条件来决定：

①初次支护形成闭合断面的时间要求,围岩越差,闭合时间要求越短。

②上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械对设备施工场地大小的要求。

图9.4　台阶法施工形式
1—上台阶工作面；2—下台阶工作面

在软弱围岩中应以前一条件为主,兼顾后者,确保施工安全。在围岩条件较好时,主要是考虑如何更好地发挥机械效率,保证施工的经济性,故只考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：

①长台阶法：上、下断面相距较远,一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。长台阶法的作业顺序为：

上半断面开挖：

a.用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破,地层较软时亦可用挖掘机开挖。

b.安设锚杆和钢筋网,必要时加设钢支撑、喷射混凝土。

c.用推铲机将石碴推运到台阶下,再由装载机装入车内运至洞外。

d.根据支护结构形成闭合断面的时间要求,必要时在开挖上半断面后,可建筑临时底拱,形成上半断面的临时闭合结构,然后在开挖下半断时再将临时底拱挖掉。

下半断面开挖：

a.用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。

b.安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土。

c.用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。

长台阶法优缺点及适用条件：有足够的工作空间和相当的施工速度,上部开挖支护后,下部作业就较为安全,但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说,长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小,只需配备中型钻孔台车即可施工,而且,对维持开挖面的稳定也十分有利。所以,它的适用范围较全断面法广泛,凡是在全断面法中开挖面不能自稳,但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况,都可采用长台阶法。

②短台阶法：台阶长度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。

短台阶法的作业顺序和长台阶相同。

短台阶法优缺点及适用条件：由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间,改善初次支护的受力条件,有利于控制隧道收敛速度和量值,所以适用范围很广,Ⅰ～Ⅴ级围岩都能采用,尤其适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩,是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大,不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。将上台阶的石碴直接装车运出。过渡坡道的位置可设在中间,也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。

③超短台阶法：台阶仅超前3～5m,只能采用交替作业。

超短台阶法的优缺点及适用条件：由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短,更有利于控制围岩变形。所以,超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩,要求及早闭合断面的场合。缺点是上下断面相距较近,机械设备集中,作业时相互干扰较大,生产效率较低,施工速度较慢。

(3)分部开挖法

分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型,且一般将某部超前开挖,故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为3种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法,如图9.5所示。

①台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)

开挖面分部形式：一般将断面分成为环形拱部[图9.5(a)中的1,2,3]、上部核心土[图9.5 (a)中的4]和下部台阶(图9.5中的5)3部分。

图9.5　分部开挖法形式

台阶分部开挖法的施工作业顺序为：

a.用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小,环形拱部又可分成几块交替开挖。

b.安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑,喷混凝土。

c.在拱部初次支护保护下,用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶,随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。

d.根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。

由于拱形开挖高度较小,或地层松软锚杆不易成型,所以施工中不设或少设锚杆。环形开挖进尺为0.5～1.0m,不宜过长。上部核心土和下台阶的距离,一般双线隧道为1倍洞跨,单线隧道为2倍洞跨。

台阶分部开挖法的优缺点及适用条件：在台阶分部开挖法中,因为上部留有核心土支挡着开挖面,而且能迅速及时地建造拱部初次支护,所以开挖工作面稳定性好。和台阶法一样,核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的,施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。

②单侧壁导坑法

开挖面分部形式：一般将断面分成三块：侧壁导坑[图9.5(b)中的1]、上台阶[图9.5(b)中的2]和下台阶[图9.5(b)中的3]。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽,高度以到起拱线为宜。导坑与台阶的距离,一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则,所以在短隧道中可先挖通导坑,而后再开挖台阶。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法确定。

单侧壁导坑法的施工作业顺序为：

a.开挖侧壁导坑,并进行初次支护(锚杆加钢筋网或钢支撑,喷射混凝土),应尽快使导坑的初次支护闭合。

b.开挖上台阶,进行拱部初次支护,使其一侧支承在导坑的初次支护上,另一侧支承在下台阶上。

c.开挖下台阶,进行另一侧边墙的初次支护,并尽快建造底部初次支护,使全断面闭合。

d.拆除导坑临空部分的初次支护。

e.建造内层衬砌。

单侧壁导坑法的优缺点及适用条件：单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块,每步开挖的宽度较小,而且封闭型的导坑初次支护承载能力大,所以,单侧壁导坑法适用于断面跨度大,地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。

③双侧壁导坑法(眼镜工法)

开挖面分部形式：一般将断面分成4块：左、右侧壁导坑[图9.5(c)中的1]、上部核心土[图9.5(c)中的2]和下台阶[图9.5(c)中的3]。导坑尺寸确定的原则同前,但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离,应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

双侧壁导坑法的施工作业顺序为：

a.开挖一侧导坑,并及时地将其初次支护闭合。

b.相隔适当距离后开挖另一侧导坑,并建造初次支护。

c.开挖上部核心土,建造拱部初次支护,拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。

d.开挖下台阶,建造底部的初次支护,使初次支护全断面闭合。

e.拆除导坑临空部分的初次支护。

f.建造内层衬砌。

双侧壁导坑法的优缺点及适用条件：当隧道跨度很大,地表沉陷要求严格,围岩条件特别差,单侧壁导坑法难以控制围岩变形时,可采用双侧壁导坑法。该法施工安全,但速度较慢,成本较高。

④其他分部施工方法

中隔墙法(简称CD法)和交叉中隔墙法(简称CRD法)是两种适用于软弱地层的施工方法,特别是对于控制地表沉陷有很好的效果,一般主要用于城市地下铁道施工中。

9.3　隧道掘进

隧道掘进主要可分为人工开挖、钻爆开挖、机械开挖等方法,目前山岭隧道主要还是以钻爆开挖方法为主。

9.3.1　人工开挖

人工开挖主要适用黄土地区,或破碎松散岩石及土质隧道。一般是采用轻型手持式风镐、十字镐进行掘进,并用铁锹、簸箕和翻斗车进行装碴和出碴。

人工掘进对围岩扰动小,能有效地保护围岩,防止围岩受扰过大而产生坍方,但掘进速度慢,工人劳动强度大。

9.3.2　钻爆开挖

在目前条件下,开挖隧道的主要方法仍然是钻孔爆破法。钻爆开挖作业是隧道钻爆法施工中首要的一项,它是在岩体上钻凿出一定孔径和深度的炮眼,并装上炸药进行爆破,从而达到开挖的目的。开挖工作包括钻眼、装药、爆破、通风、出碴等几项内容。

1)钻孔

在隧道开挖爆破中,广泛采用的钻孔机具为凿岩机和凿岩台车。

凿岩机的种类很多,按使用动力可分为风动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机4种。按钻进工作原理不同,则可分为冲击转动式、旋转式及旋转冲击式。

①风动凿岩机(俗称风钻)。它以压缩空气为动力,具有结构简单,制造维修容易,操作方便,作业安全,不怕超负荷和反复启动,在多水、多尘等不良环境中仍能正常工作等优点。其缺点在于压缩空气供应设备复杂,能量利用率低,成本高,噪音大等。

②液压凿岩机。它是由液压马达驱动凿岩元件作冲击、回转运动,通过压力补偿泵,根据岩石坚硬程度调节油量、压力和冲击频率进行凿岩,具有广泛的适应性。

③凿岩台车。将多台凿岩机安装在一个专门的移动设备上,实现多机同时作业,集中控制,称为凿岩台车。它可以同时进行多孔凿岩,以缩短钻孔时间,加快掘进速度,适宜于在大断面或全断面隧道开挖中使用。

2)炮眼布置和周边眼的控制爆破

掘进工作面的炮眼可分为掏槽眼、辅助眼和周边眼,如图9.6所示。

图9.6　隧道掌子面炮眼布置图

(1)掏槽眼布置

掏槽眼的作用是将开挖面上某一部位的岩石掏出一个槽,以形成新的临空面,为其他炮眼的爆破创造有利条件。掏槽炮眼一般要比其他炮眼深10～20cm,以保证爆破后开挖深度一致。

根据隧道断面、岩石性质和地质构造等条件,掏槽眼排列形式有很多种,总的可分成斜眼掏槽和直眼掏槽两大类,如图9.7所示。

图9.7　掏槽眼种类

①斜眼掏槽。其特点是掏槽眼与开挖面斜交。常用的有锥形掏槽[图9.7(a)]、楔形掏槽[图9.7(c)]、单向掏槽[图9.7(d)],其中最常用的是竖楔形掏槽[图9.7(b)]。斜眼掏槽的优点是可以按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度,容易把岩石抛出,而且所需掏槽眼的个数较少。缺点是眼深受坑道断面尺寸的限制,也不便于多台钻机同时凿岩。为了防止相邻炮眼或相对炮眼之间的殉爆,装药炮眼之间的距离不能小于20cm。

②直眼掏槽。直眼掏槽可以实行多机凿岩、钻眼机械化和深眼爆破,从而为加快掘进速度提供了有利条件。直眼掏槽凿岩作业比较方便,不需随循环进尺的改变而变化掏槽形式,仅需改变炮眼深度；而斜眼掏槽则要随循环进尺的不同而改变炮眼位置和角度。直眼掏槽石碴抛掷距离也可缩短。所以目前现场多采用直眼掏槽。但直眼掏槽的炮眼数目和单位用药量要增多,炮眼位置和钻眼方向也要求高度准确,才能保证良好的掏槽效果,技术比较复杂。直眼掏槽的形式很多,过去常用的有：龟裂掏槽、五梅花掏槽和螺旋掏槽。如图9.7(e、f)所示。

实践证明,直眼掏槽的爆破效果与临空孔的数目、直径及其与装药眼的距离密切相关。

(2)辅助眼布置

辅助眼的作用是进一步扩大掏槽体积和增大爆破量,并为周边眼创造有利的爆破条件。其布置主要是解决间距和最小抵抗限问题,最小抵抗线为炮眼间距的60%～80%。

(3)周边眼布置

周边眼的作用是爆破后使坑道断面达到设计的形状和规格。周边眼原则上沿着设计轮廓均匀布置,间距和最小抵抗限应比辅助眼的小,以便爆出较为平顺的轮廓。眼口距设计轮廓线0.1～0.2m,便于钻眼。

周边眼的底端,对于松软岩层应放在设计轮廓线以内,对于中硬岩层可放在设计轮廓线上,对于坚硬岩层则应略超出设计轮廓线外。为了避免欠挖,底板眼底端一般都超出设计轮廓线。

(4)周边眼的控制爆破

在隧道爆破施工中,按通常的周边炮眼布置,若全断面一次开挖,常常难以爆破出理想的设计断面,对围岩扰动又大。采用光面爆破与预裂爆破技术,可以控制爆破轮廓,尽量保持围岩的稳定。

光面爆破是指爆破后断面轮廓整齐,超挖和欠挖符合规定要求的爆破。

①光面爆破的基本原理

实现光面爆破,就是要使周边炮眼起爆后优先沿各孔的中心连线形成贯通裂缝,由于爆炸气体的作用,使裂解的岩体向洞内抛散。

②光面爆破的主要参数及技术措施

光面爆破的主要参数包括周边眼的间距、光面爆破层的厚度、周边眼密集系数、周边眼的线装药密度等。影响光面爆破参数选择的因素很多,主要有岩石的爆破性能、炸药品种、一次爆破的断面大小及形状等,其中影响最大的是地质条件。光面爆破参数的选择,目前多是采用经验方法。为了获得良好的光面爆破效果,可采取以下技术措施：适当加密周边眼、合理确定光面爆破层厚度、合理用药、采用小直径药卷不耦合装药结构、保证光面爆破眼同时起爆、要为周边眼光面爆破创造临空面。

③预裂爆破

裂爆破实质上也是光面爆破的一种形式,其爆破原理与光面爆破原理相同。只是在爆破的顺序上,光面爆破是先引爆掏槽眼,接着引爆辅助眼,最后才引爆周边眼；而预裂爆破则是首先引爆周边眼,使沿周边眼的连心线炸出平顺的预裂面。由于这个预裂面的存在,对后爆的掏槽眼和辅助眼的爆炸波能起反射和缓冲作用,可以减轻爆炸波对围岩的破坏影响,爆破后的开挖面整齐规则。由于成洞过程和破岩条件不同,在减轻对围岩的扰动程度上,预裂爆破较光面爆破的效果更好一些。

3)炮眼参数

炮眼参数包括炮眼直径、炮眼数目和炮眼长度。

(1)炮眼直径

炮眼直径对凿岩生产率、炮眼数目、单位炸药消耗量和平整度均有影响。因此,必须根据岩性、凿岩设备和工具、炸药性能等综合分析,合理选用孔径。药卷与炮眼壁之间的空隙通常为炮眼直径的10%～15%。

(2)炮眼数目

炮眼数目主要与开挖断面、岩石性质和炸药性能有关。炮眼数量应能装入所需的适量炸药,通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算炮眼数目N(此处N不包括未装药的空眼数)：

(3)炮眼长度

合理的炮眼长度,应是在隧道施工优质、安全、节省投资的前提下,能够防止爆破面以外围岩过大的松动,减少繁重支护,避免过大的超欠挖,又能获得最好的掘进速度的炮眼长度。它一般根据下列因素确定：

①考虑围岩的稳定性,并避免过大的超欠挖；

②考虑凿岩机的允许钻眼长度、操作技术条件和钻眼技术水平；

③考虑掘进循环安排,保证充分利用作业时间。

在围岩稳定性良好的情况下,为了充分发挥凿岩机的性能,提高掘进循环的效率,可采用深眼掘进；但宜通过试验定出一个合理的炮眼长度,以避免引起过大超欠挖的不良后果。在围岩稳定性差的地段,为了防止对围岩的过大扰动,宜实行浅眼爆破,以免引起坍塌。

根据围岩性质,所拥有的掘进设备的能力,结合以往的实践经验,便可初步作出掘进循环安排,进而确定合理的炮眼长度(一般为导坑宽度或高度的0.5～0.85倍)。

总的说来,在每一掘进循环中,应考虑提高钻眼、出碴作业的效率,又使其他各项作业都能紧凑、顺利地完成,以此来确定合理的炮眼长度。

一个循环的时间T,应事先初步规定,如每班6(或8)h内完成一个或两个循环,则T为6或3(8或4)h。每一循环中各项作业的时间可分析如下：

①钻眼时间t1

②装药时间t2

在有自动装药机的工地,装药时间当可根据实测统计资料确定。

③起爆及通风时间t3

t3=15～30min　(9.4)

采用无轨运输的独头双线隧道通风时间长达1h(如大瑶山隧道出口)。

④装碴时间t4

⑤其他时间t5

此时间应包括在开挖面设置钻眼和装碴机械与清除危石的时间,以及其他时间损失等,按实际情况估算。

根据上列5项时间应得出：

T=t1+t2+t3+t4+t5　　　　　(9.6)

由此可推导出在规定循环时间完成各项作业的炮眼长度为：

以上是传统施工中所采用的计算炮眼长度的方法。采用喷锚支护施工时,还应考虑增加喷锚(t6)和位移量测(t7)两项作业时间,仿照式(9.7)可得炮眼长度为：

4)电爆破网络

采用电起爆法需要将电雷管联成电爆网络,以便从母线输入电流后,每一雷管都能接受足够的电流而起爆。

(1)电雷管的起爆热量

电雷管中引火剂点火的热源,是桥丝通电后所放出的热量,如果不考虑热损失,则根据焦耳—楞次定律,桥丝产生的总热量为：

根据热容量公式,将桥丝由初温(可略去不计)加热至某一温度所需的热量为：

为了使引火剂点燃,必须保证通过一定的电流,即保证达到引火剂反应温度T所需的热能Q2,使Q1＞Q2。

从式(9.8)中可看出,当I和t为定值时,若R不同,则所放出的热量也不同,这就会使成组电雷管爆破网络中有的电雷管早爆,有的拒爆。因此对一组中各个电雷管的电阻值差数有一定要求,其极限允许差值是：电阻值在1.25Ω以下时,上下不得超过0.25Ω；电阻值大于1.25Ω 时,上下不得超过0.3Ω。在洞室大爆破中,起爆体内两个并联的电雷管最好选用电阻值相等的,或相差最多不超过0.1Ω为宜。一个电雷管的全电阻R是它的桥丝电阻和脚线电阻的总和。

(2)电雷管的最低准爆电流和最高安全电流

在一定的持续时间内,电雷管通以恒定的直流电,将桥丝加热到能点燃引火剂的温度的最低电流强度,称为电雷管的最低准爆电流。它表示电雷管对电流的敏感程度。

在较长时间内(5min),电雷管通以恒定的直流电流,不致点燃引火剂的最大电流,称为最高安全电流。它是电雷管对于电流的一个安全指标,是选定测量电雷管仪表的重要依据。

(3)电爆网络的设计

在爆破工程中,电爆网络可以设计成串联、并联和混合联3种形式。

①串联。串联的优点是：消耗电能小,接线简单,易于操作,便于检查,导线消耗少。缺点是：一个不通,会造成全部雷管拒爆；或因敏感度高的雷管先爆而使电路中断,造成其他雷管拒爆。为了提高这种网络的准爆可靠性,实际爆破中也常采用复式串联网络。

②并联。并联的优点是：不致因为其中一个雷管断路而引起其余雷管拒爆。缺点是：电爆网路中电流大,需要断面较大的母线,连接线消耗多,漏接雷管不易发现；此外当各雷管电阻不同,通过电流就不同,可能产生拒爆现象。这种方法适用于导坑等小断面爆破。

③混合联。混合联可分为串并联和并串联两种。混合联是实际工作中采用较多的方法。它要求各支路的电阻基本平衡,否则会造成瞬发雷管发火时间的差异,更会造成毫秒雷管秒量的额外误差。

5)塑料导爆管非电起爆网络

(1)导爆管起爆系统的工作过程

导爆管起爆系统包括3个组成部分：起爆元件、传爆元件和末端工作元件。

起爆系统的工作过程是：导火索点燃后引爆雷管；从而使传爆元件中的导爆管起爆传爆,当导爆管传爆到连接块中的传爆雷管时,雷管起爆,再引起周围的导爆管起爆和传爆；这样连续传爆下去,使所有炮眼炸药起爆。

(2)起爆网络

在隧道爆破中,炮眼比较密集,把各炮眼塑料导爆管联结在一起的常用方法,是集束联结法。

整个爆破网络的设计,采用串联、并联或串并联都很方便。但对于隧道爆破,实践证明以并联网络较好。网络连接应由里向外,并防止起爆雷管附近有其他联线交错,以避免传爆雷管击断导爆管。

利用导爆管起爆系统的起爆性能和用法,可以实行网络的孔外控制微差爆破。孔外控制微差爆破,是在各炮眼内装非电瞬发雷管,而在孔外装非电毫秒雷管作为传爆雷管来实现微差爆破。

6)装药及起爆

(1)装药

装药前要检查炮眼位置和长度是否符合设计要求,并进行清碴排水。装药时要严格按照炮眼的设计装药量装填,可以按设计要求连续装药或间隔装药或不偶合装药,总的装药长度不宜超过炮眼深的2/3；靠炮眼口的剩余长度用炮泥堵塞好。装药结构可分为3种方式：一是起爆药卷放在靠近眼口的第二个药卷位置,雷管聚能穴朝向眼底,称为正向起爆装药；二是起爆药卷放在靠近眼底的第二个药卷位置,雷管聚能穴朝向眼口,称为反向起爆装药；三是起爆药卷放在炮眼装药中部,称为双向起爆装药。

(2)起爆

在工程爆破中,根据起爆的原理和使用器材的不同,通用的起爆方法大致可分为两种：非电起爆法和电起爆法。非电起爆法又可分为火雷管起爆、导爆索和导爆管起爆；电起爆法是应用电雷管起爆。

①非电起爆

火雷管起爆是把火雷管和导火索结合在一起的一种起爆方法。用导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药卷爆炸,进而使全部装药爆炸。

②电起爆

电雷管起爆的可靠程度与导线、电雷管、电源本身的质量以及电爆网络连接是否正确有关。

a.导线。应要求电阻系数小,导电率高；绝缘耐压250V或500V；有一定强度和韧性,不易断裂等。母线断面应不小于0.75mm2,开挖面附近的连接线直径应不小于0.6mm。

b.检测仪表。为了保证起爆线路的质量,电雷管在使用前必须经过一定的检查,包括电阻检验、安全电流试验、延期秒量试验、雷管串联试验等项。还要用线路电桥测量整个网络的总电阻是否与计算数值相符,如检测值小于计算值时,或大于计算值的10%时,应找出原因,消除故障。

c.起爆电源。电起爆的电源,可根据网络所需准爆电流的大小,选用放炮器、干电池、蓄电池、移动式发电站、照明电力线、电力动力线等。移动式发电站、照明电力线、电力动力线是电起爆中最可靠的电源；但使用时不能将母线直接接到电力线上,必须设置爆破开关站。

③瞎炮的处理

在爆破过程中,炮眼装药未能起爆,称为拒爆,亦即瞎炮。为了取得良好的爆破效果,必须预先防止瞎炮的发生。应选用合格的炸药和雷管以及其他起爆材料；清理好炮眼中积水和残碴；在装药、堵塞、网络联结等各项操作中,严格按照有关操作细则进行。

瞎炮产生后,应封锁现场,查明原因,采取相应处理措施。一般可以采用二次爆破法、炸毁法及冲洗法这3种方法。

7)通风

各隧道工程应根据现场实际情况选择经济合理的通风方式、通风机械、风机及风管参数。研究通风设备的系统布置,满足通风要求。研究施工通风的管理制度,保证现场施工通风。监测洞内空气指标和通风系统的各项指数,评估通风效果。

隧道通风方案设计流程：通风方式选择与布置→风量计算→选择通风设备→设备布置安装→质量检查。

通风方式选择与布置应根据施工方法、设备条件、掘进长度、开挖面积以及污染物质的含量与种类等情况确定。

8)装碴与运输

将开挖的石碴迅速装车运出洞外,是提高隧道掘进速度的重要环节。该项作业往往占全部开挖循环作业时间的35%～50%,控制着隧道的施工速度。因此,正确选择并准备足够的装碴机械和运输车辆,确定合理的装碴运输方案,维修好线路,减少相互干扰,提高装碴效率是加快隧道施工速度,尤其是加快长大隧道施工速度的关键。

在选择出碴方式时,应对隧道或开挖断面的大小、围岩的地质条件、一次开挖量、机械配套能力、经济性及工期要求等相关因素综合考虑。

装碴运输作业由以下3个环节组成：装碴、运输和卸碴。

(1)装碴

装碴就是将开挖爆破的石碴装入运输车辆。

①碴量计算

出碴量应为开挖后的虚碴体积,单循环爆破后石碴量Z可按下式计算：

表9.1　岩体松胀系数R值

②装碴方式

装碴的方式可采用人力装碴或机械装碴。机械装碴速度快,可缩短作业时间,目前隧道施工中一般都采用机械装碴,但仍需配备少数人工辅助。

③装碴机械

装碴机械的类型很多,按其扒碴机构型式可分为：铲斗式、蟹爪式、立抓式和挖斗式。铲斗式装碴机为间歇性非连续装碴机,有翻斗后卸、前卸和侧卸3种卸碴方式。蟹爪式、立抓式、挖斗式装碴机是连续装碴机,均配备刮板(或链板)转载后卸机构。

装碴机的选择应充分考虑围岩及隧道条件、工作宽度以及运输车辆的匹配和组织,要求外形尺寸小,坚固耐用,操作方便和生产效率高,以充分发挥各自的工作效能,缩短装碴时间。

隧道施工中常用的几种装碴机有：

a.翻斗式装碴机。又称铲斗后卸式装碴机,有风动和电动之分。它是利用机体前方的铲斗铲起石碴,经机体上方将石碴投入机后的运输车内。该机具有构造简单,操作方便,对洞内无废气污染的特点,但装载宽度一般只有1.7～2.2m,主要适用于小断面或规模较小的隧道中。

b.蟹爪式装碴机。它是一种连续装碴机械,在前端装有倾斜受料盘,其上装有一对蟹爪(也称双臂)。装碴时全机向前推进,将受料盘插入碴堆,两个蟹爪连续交错扒取石碴,经皮带(或链条)输送机将石碴装入车辆。该类机具多为电动履带式,也有轮胎式和轨道式,装碴效率较高。因受蟹爪扒碴限制,岩碴块度较大时,其工作效率显著降低,故主要用于块度较小的岩碴和土的装碴作业。

c.挖斗式装碴机。这种装碴机是近几年发展起来的较为先进的隧道装碴机,其扒碴机构为自由臂式挖掘反铲,其他同蟹爪式装碴机。

d.铲斗式装碴机。这种装碴机多采用轮胎走行,如图9.8(a)所示；也有采用履带走行的,如图9.8(b)所示。该类装碴机转弯半径小,移动灵活,铲取力强,铲斗容量大,达0.76～3.8m3,工作能力强,卸碴准确方便,具有装碴效率高,适用性强的特点,通常与大型自卸汽车配套使用。

图9.8　铲斗式装碴机

(2)运输

隧道施工的洞内运输(出碴和进料)有有轨运输和无轨运输两种方式。长大隧道的施工常用有轨运输,需铺设轻型窄轨线路,用专门的出碴车辆装碴,小型机车牵引。隧道施工常用无轨运输,利用自卸汽车等进行运输。

①有轨运输

有轨运输基本上不排出有害气体,对空气污染较轻,设备构造简单,容易制作；占用空间小而且固定等。不足之处在于轨道铺设较复杂,维修工作量大；调车作业复杂；开挖面延伸轨道影响正常装碴作业等。

有轨运输较普遍采用的出碴车辆有斗车、梭式矿车和槽式列车等。其中斗车是应用最为广泛的出碴工具。

有轨运输常用的牵引机车分电动和内燃两类。隧道施工中常用的电动牵引车为蓄电池电机车,俗称电瓶车。它具有体积小,无废气污染,不需架设供电线路,使用较安全等特点,但也存在需要有专门的充电设备,牵引力有限等不足。内燃机车具有较大的牵引动力,配合大型斗车可以加快出碴速度。但在机车运行中排出有毒废气,必要时需安装废气净化装置或配备强大的通风设施。

运输轨道布置对于行车调度、车辆周转、出碴进料影响较大,应根据隧道长度、工期要求及开挖方法等选择合理的方案进行布置。常用的轨道布置形式有单车道和双车道。单车道运输能力较低,一般用在地质条件较差或小断面开挖的隧道中。双车道可使进出隧道的列车各行一股道,具有互不影响、车辆周转快的特点,是提高隧道运输效率的主要方法之一。调车方法是指结合洞内轨道布置,在开挖面附近为配合出碴所进行的调车作业。

较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。轨道延伸,是指隧道开挖面附近不足一节钢轨长度部分和掘进进尺部分实施的临时性轨道延伸,常用的方法有扣轨、爬道、短轨节等。待开挖面向前推进后,将连续的几根短轨换成长轨。

为了提高有轨运输能力,加快隧道施工速度,应备齐足够数量的牵引机车和出碴斗车,还要编制列车运行图,机车、斗车数目根据计算进行确定,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,以及装碴、调车、编组、运行、错车、卸碴、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。

②无轨运输

无轨运输不需要铺设复杂的运输轨道,具有运输速度快、管理工作简单、配套设备少等特点。但由于内燃机排放大量废气,对洞内空气污染较为严重,尤其在长大隧道中使用时,需要有强大的通风设备。

无轨运输采用大型自卸汽车。在隧道工程中,无轨运输车辆应选用车身低短、车斗容量大、转弯半径小、车体坚固、轮胎耐磨、配有废气净化装置、并能双向驾驶的自卸汽车,以增加运行中的灵活性,避免洞内回车和减轻对洞内空气的污染。

由于无轨运输采用的装碴、运碴设备都是自配动力,属自行式,其调车作业主要是解决会车、错车和装碴场地问题。根据不同的隧道开挖断面和洞内运输距离,常用的调车方式有：

a.有条件构成循环通路时,最好制订单向行使的循环方案,以减少会车、错车需用场地及待避时间；

b.当开挖断面较小,只能设置单车通道而装碴点距洞口又较近时,可考虑汽车倒行进洞至装碴点装碴,正向开行出洞,不设置错车、回车场地,如果洞内运行距离较长时,可在适当位置将导洞向侧壁加宽构成错车、回车场地,以加快调车作业；

c.当隧道开挖断面较大,足够并行两辆汽车时,应布置成双车通道,在装碴点附近回车,空车、重车各行其道,可以提高出碴速度。

(3)卸碴

卸碴工作主要是考虑石碴如何处理以及卸碴场地的布置。由洞内运出的石碴,一般可考虑进行3方面的处理：

①选用合乎强度标准的岩块加工成衬砌混凝土材料的粗骨料。

②用作路基填方或洞外工作场地填方。

③弃置于山谷或河滩。

在弃碴场地的选择上,应考虑卸碴方便,不占良田,不堵塞航道,不污染环境。

9.3.3　隧道掘进机施工简介

隧道掘进机(TunnelBoringMachine,简称TBM)是利用回转刀具开挖,同时破碎洞内围岩及掘进,形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械,如图9.9所示。

隧道掘进机械,基本上有两种：一种是臂架式钻进机械,在隧道内部进行钻孔机械,或是小型的小段面直接钻研机械；另一种就是全断面隧道掘进机。一段时间以来,把TBM分为两大类：

①在岩石中开挖隧道的TBM：通常用这类TBM在稳定性良好、中到厚埋深、中到高强度的岩层中掘进长大隧道。这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩,保持掘进的高效率和工程顺利。

②在松软地层中掘进隧道的TBM：通常用这类TBM在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。这类掘进机所面临的基本问题是空洞、开挖掌子面的稳定、市区地表沉降等。

对于全断面隧道掘进机,目前在国内有两种提法：其一是岩石掘进机；其二是盾构机。

硬岩TBM适用于山岭隧道硬岩掘进,代替传统的钻爆法,在相同的条件下,其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍,最佳日进尺可达150m；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。

软岩TBM适用于软弱性围岩施工的隧道掘进机,是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构机施工的区间隧道,可以做到对土体弱扰动,不影响地面建筑物和交通,减少地上、地下的大量拆迁。

图9.9　隧道掘进机

按破岩掘进方式的不同,隧道掘进机分为全断面掘进机和臂式掘进机两大类。

全断面掘进机分为开敞式和护盾式两类。一般而言,开敞式掘进机适合于硬岩隧道,护盾式掘进机适合于软岩隧道。

臂式掘进机又称为部分断面掘进机,是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动小、超挖量小、安全性高、适应性强,以及费用相对较省等优点。

9.4　隧道支护和衬砌

9.4.1　概述

在地层中开挖出导坑后,出现了岩壁临空面,改变了围岩的应力状态,产生了趋向隧道内的变形位移。同时,由于开挖扰动以及随时间推移的变形量的增长,又降低了围岩的强度。当围岩应力超过围岩强度时,围岩的变形发展过大,从而造成失稳；其表现通常为围岩向洞内的挤入、张裂、沿结构面滑动,甚至最后发生坍塌。

围岩的变形是个动态过程。对于坚硬稳固的围岩,开挖成洞后其强度足以承受重分布后的应力,因而不致有失稳之虞。但对于破碎、软弱围岩,开挖后随着暴露时间的增加,变形随之发展,就会造成失稳。尤其是在隧道拱部、洞口、交岔洞,以及围岩呈大面积平板状且结构面发达的部位,更易失稳。

因此,为了有效地约束和控制围岩的变形,增强围岩的稳定性,防止坍方,保证施工和运营作业的安全,必须及时、可靠地进行临时支护和永久支护。临时支护的种类很多,按材料的不同和支护原理的不同有：木支撑、钢支撑、钢木混合支撑、钢筋混凝土支撑,锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护等。永久支护一般是采用混凝土衬砌。

各种临时支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般说来,Ⅰ级围岩不需临时支护；Ⅱ级围岩采用锚杆支护；Ⅲ～Ⅳ级围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护；Ⅴ级围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护；Ⅵ级围岩采用木、钢、钢木混合支撑或钢筋混凝土支撑。对于Ⅲ级及Ⅲ级以上围岩,可以先挖后支,支护距开挖面距离一般不宜大于5～10m；Ⅳ～Ⅴ级围岩随挖随支,支护需紧跟工作面；Ⅴ～Ⅵ级围岩先支后挖。

如条件合适,应尽量将临时支护与永久支护结合采用。

9.4.2　钢木支撑

(1)木支撑

木支撑是传统的支撑方式,它具有易加工、重量轻、拆装运输方便等优点。其形式主要有框架或半框架式支撑、拱形支撑、无腿支撑等。可用于导坑、拱部扩大、挖底、马口、下导坑漏斗棚架以及洞口等部位的支撑,各部位的支撑均各有其特点,但又大同小异,比较复杂的是拱部扩大支撑。另外,矿山的临时巷道也常采用木支撑。

木支撑一般使用圆木,梁、柱等主要杆件的梢径不应小于20cm,纵撑等杆件应不小于15cm,木板厚度不小于5cm。木材应使用坚固、有弹性、无显著节疤、无破裂多节的松木和杉木；脆性木材不宜使用。

当需要使用木支撑而围岩压力又较大时,也可用钢木混合结构支撑。

(2)钢支撑

钢支撑具有承载力大,经久耐用,倒用次数多,占用空间小,节约木材等优点；但一次投资费用高,比木支撑重,装拆不便。一般适于在围岩压力较大的隧道施工中使用。

钢支撑一般采用10～20号工字钢、槽钢、8～28kg/m的钢轨等制成,其形式有钢框架、钢拱架、全断面钢拱架、无腿钢拱支撑等。钢框架一般为直梁式(图9.10),当围岩压力较大时可采用曲梁式,多用于导坑支护。钢拱架适用于先拱后墙法施工的隧道。全断面钢拱架(图9.11)适用于全断面开挖后需支护的隧道。无腿钢拱支撑适用于全断面开挖后拱部稳定性较差而侧壁较稳定的情况。

图9.10　钢框架钢支撑

图9.11　全断面钢拱架

9.4.3　锚喷支护

采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力,并有效地利用洞内的净空,既提高了作业的安全性,又提高了作业效率；能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖；能用于整治塌方和隧道衬砌的裂损。

锚喷支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚杆联合支护,以及上述几种类型加设型钢(或钢拱架)而成的联合支护。前5种为常用的基本类型,后两种较少使用。

1)锚杆

(1)锚杆的力学作用

锚杆对围岩所起的力学效应,主要有以下一些作用：

①悬吊作用。锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上,以阻止围岩移动滑落。锚杆本身受拉,其拉力即为所悬吊岩体的重量,如图9.12所示,在块状结构或裂隙岩体中,使用锚杆将松动区内的松动岩块悬吊在稳定的岩体上,也可把节理面切割形成的岩块连接在一起,阻止其沿滑面滑动,这种作用称为悬吊作用。

②减跨作用。在顶板岩层中打入锚杆,相等于在顶板上增加了支点,使巷(隧)道跨度由L0减为L,从而使顶板岩体的应力减小,起到维护巷道的作用,如图9.13所示。要使锚杆能有效地起到悬吊和减跨作用,锚杆必须锚固于坚硬稳定岩层中。

图9.12　悬吊作用

图9.13　减跨作用

③组合作用。在层状岩体中打入锚杆,把若干岩层锚固在一起,类似于将叠置板梁组成组合梁,从而提高了顶板岩层的自支承能力,起到了维护巷道的作用,如图9.14所示。

④挤压加固作用。预应力锚杆群,锚入围岩后,其两端附近岩体形成圆锥形压缩区,如图9.15所示。按一定间距排列的锚杆,在预应力作用下,构成一个均匀的压缩带(或称承载环),压缩带中的岩体由于预应力作用处于三向应力状态,显著地提高了围岩的强度。无预应力的粘结式锚杆(砂浆锚杆),由于其前后两端围岩位移不同,使锚杆受拉,同时锚杆的约束力使围岩锚固处径向受压,从而提高了围岩的强度。

图9.14　组合作用

图9.15　挤压加固作用

(2)锚杆的种类

锚杆成为洞室开挖中良好的支护手段须具备两个基本条件：a.锚杆受力后产生变形,且其本身不受破坏；b.锚杆与围岩保持紧密接触。锚杆种类如下：

①全长粘结型锚杆,包括普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆、中空注浆锚杆和自钻式注浆锚杆等。

②端头锚固型锚杆,包括机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥端头锚杆等。

③摩擦型锚杆包括缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆等。

④预应力锚杆和自钻锚杆等。

永久支护的锚杆一般采用全长粘结型锚杆或预应力注浆锚杆。自稳时间短的围岩,宜采用全粘结树脂锚杆或早强水泥砂浆锚杆。局部不稳定的岩块可采用全长粘结型锚杆、端头锚固型锚杆、预应力锚杆,锚固端应置于稳定岩体内。软岩、收敛变形较大的围岩地段,可采用预应力锚杆,其预应力不小于100kPa,锚固端必须锚固在稳定岩层内。岩体破碎、成孔困难的围岩宜采用自进式锚杆。

锚杆的直径宜为20～32mm,杆体材料宜采用HRB335、HRB400钢,垫板材料宜采用HPB300钢。

(3)锚杆的布置和质量检查

锚杆的布置分为局部布置和系统布置。局部布置主要用在坚硬而有裂隙发育或有潜在龟裂及节理的围岩,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。局部加固的锚杆,必须保证不稳定块体与稳定岩体的有效联结。锚杆局部布置时,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。系统布置的锚杆应用在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩条件下,并符合下列规定：

①锚杆一般应沿隧道周边径向布置,当结构面或岩层层面明显时,锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。

②锚杆应按矩形排列或梅花形排列。

③锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时,可采用长短锚杆交错布置。

④两车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.0m,三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m。

锚杆质量检查,包括长度、间距、角度、方向、抗拔力等,其中主要是抗拔力试验,对于重要工程可增加灌浆密度试验。如抗拔力不符合要求时,一般可用加密锚杆予以补强。

2)喷射混凝土

(1)喷层的力学作用

①防护加固围岩,提高围岩强度。巷(隧)道开挖后,立即喷射,及时封闭围岩暴露面,由于喷层与围岩密贴,故能有效地隔绝水与空气,防止围岩因潮解、风化产生剥落和膨胀,避免裂隙中充填物流失,防止围岩强度降低。此外,高压高速喷射时,可使一部分混凝土浆液渗入胀开的裂隙或节理中,起胶结和加固作用,提高围岩强度。

②改善围岩和支护的受力状态。含有速凝剂的混凝土喷射液,可在喷层后2～10mm内凝固,及时向围岩提供支护抗力(径向力),使围岩表层岩体由未支持时的二向受力状态变为三向受力状态,提高了围岩强度。由于传统支护不能与围岩均匀接触,围岩与支架间易造成应力集中,使围岩或支架过早破坏,喷射混凝土能使混凝土与围岩紧密均匀接触,并可通过调整喷层厚度,调整围岩变形,使应力均匀分布,避免应力集中。因此,喷锚支护比传统支护更能发挥混凝土的承载能力。

(2)喷射混凝土的特点

喷射混凝土是用喷射机把掺有速凝剂的粗细骨料混凝土以适当的压力,高速喷射到隧道岩壁表面凝结而成的混凝土。由于混凝土颗粒在高速度喷射的猛烈冲击下,混凝土被连续地捣固和压实,具有密实的结构和较好的物理力学性能。喷射混凝土具有充填裂隙、加固围岩、封闭围岩壁面、防止风化与围岩组成共同承载体系等特点。

喷射混凝土与普通模筑混凝土比较有如下优越性：

①喷射混凝土致密,早期强度高,可与围岩牢固粘结形成整体,改传统模筑混凝土的消极支护为积极支护,且薄层柔性喷射混凝土与围岩能够共同变形,从而减少作用在支护结构上的压力。

②能及时支护,有效地控制围岩的有害变形,有利于安全施工。

③不用模板、拱架,节省大量钢木材料,相应地降低了隧道工程的造价；且施工工艺简单,操作方便,机械化程度高,减轻劳动强度,提高施工效率。

(3)喷射混凝土的喷射方式

①干喷。将砂、石、水泥按一定比例干拌均匀投入喷射机,同时加入速凝剂,用高压空气将混合料送到喷头,再在该处与高压水混合后高速喷射到岩面上。其工艺流程如图9.16所示。

图9.16　干喷、潮喷工艺流程

②潮喷。将砂、石料预加水,使其浸润成潮湿状,再加水泥拌合均匀,从而降低上料和喷射时的粉尘,其工艺流程同干喷。

③湿喷。用湿喷机压送拌合好的混凝土,在喷头处添加液态速凝剂,再喷到岩面上。其工艺流程如图9.17所示。

图9.17　湿喷工艺流程

(4)喷射混凝土的材料及其组成

①喷射混凝土的材料

a.水泥。喷射混凝土对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。一般优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,也可采用矿渣硅酸盐水泥。

b.砂子。喷射混凝土的用砂应符合普通混凝土所要求的用砂标准。

c.石子。喷射混凝土采用坚硬、耐久的卵石或碎石。石子的最大粒径与混凝土喷射机的输料管直径有关,一般不宜超过管内径的1/3。

d.速凝剂。在喷射混凝土中掺速凝剂的目的在于：加速喷射混凝土的凝结、硬化,提高早期强度；减少喷射混凝土的回弹量；防止因重力作用而引起喷射混凝土的流淌或脱落；增大一次喷射厚度,缩短分层喷射的时间间隔。

e.水。喷射混凝土用水的要求与普通混凝土相同,水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。

②喷射混凝土的配合比和水灰比

a.配合比。配合比的选择应满足混凝土强度和其他物理力学性能(抗剪、粘结、耐久性)的要求,同时还应满足施工工艺(减少回弹,不发生离析、分层,和易性好)的要求,且水泥用量为最小。

与普通现浇混凝土相比,喷射混凝土的石子含量要求少得多,且粒径也小,相应砂子的用量则要增加,一般含砂率在50%左右效果较好。

b.水灰比。它也是影响喷射混凝土的强度和其他物理力学性能的重要因素。若水灰比过小,不仅料束分散,回弹量增多,粉尘大,而且喷层上会出现干斑、砂窝等现象,影响喷射混凝土的密实度。当水灰比过大时,会造成喷层流淌、滑移,甚至大片坍落,影响混凝土强度。

(5)喷射混凝土的机械(具)设备

喷射作业的机械(具)设备主要包括：混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车和混凝土喷射三联机等。

①混凝土喷射机。目前使用的国产喷射机,根据其构造特点和使用物料的干湿程度不同,常用的有双罐式混凝土喷射机、转体式混凝土喷射机、螺旋式混凝土喷射机和转盘式混凝土喷射机4种。这几种混凝土喷射机均为干式喷射机,所需的水是由喷射人员凭经验在喷嘴处加入。

②搅拌机。由于采用干式喷射机,喷射时混合料是干料,拌合时易产生粉尘。因此,应采用涡轮浆强制式混凝土搅拌机,最常用的是J4-375型搅拌机,也用小型搅拌机如JW-200型、安Ⅳ型等。

③压缩空气机(俗称空压机)。为了防止压缩空气中的油水混入喷射混凝土中,在高压风进入混凝土喷射机前必须先通过油水分离器(有过滤式和拆板式两种),把油水过滤排掉,避免喷射混凝土产生结块、堵管等现象。

④机械手。为了减轻人工把持喷枪的劳动强度和改善喷射的工作条件,机械手一般都具有：喷枪,臂的伸缩、回转或翻转机构,大臂的起落机构等,都具备使喷枪前后俯仰、左右摆动或画圈,臂杆伸缩、升降或旋转等功能,使其满足喷射工艺要求。

⑤混凝土喷射三联机。它由料仓(水泥、砂、石仓各一个,并具有搅拌、输料功能)、喷射机和机械手3部分组成。也就是从砂石料与水泥干搅拌和输送一直到喷射混凝土,组成一个联合体。三联机分有轨和无轨两种。作业机动灵活,在需要紧跟开挖面进行支护时,有显著优越性。

(6)喷射混凝土的施工工艺(干式喷射)

为使喷射混凝土作业顺利进行,在施喷前应做好施喷材料、施喷机械(具)及施喷场地的准备。施喷作业是喷射混凝土整个施工过程中最关键而紧张的作业。要求喷射手有熟练的喷射技术,各施工环节如备料、拌合、运输、上料,风、水供应,照明、喷射等能紧密配合。在喷射作业中要掌握好以下几个问题：

①风压、水压。参考风压与混合料水平运送长度(输料管长度)的简单关系初步选择风压,当向上垂直输送时,由于重力作用所需的风压比水平运输时每增高10m需加大20～30kPa。一般要求风源风压应稳定在0.4～0.65MPa才能在喷嘴处使风压稳定在0.1～0.25MPa范围内。只有稳定的风压,才能保证喷射混凝土的质量。若风压过小,则喷射动能太小,粗骨料冲不进砂浆层而脱落；若风压过大,则喷射动能大,粗骨料会碰撞岩面而回弹。

为保证高压水从水环孔眼中射出形成水雾,使干拌合料充分湿润水化,水压要比风压高0.1～0.15MPa。一般规定喷射作业区的系统水压应大于0.4MPa。

②喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度。通常在喷头上接一个直径为100mm、长为0.8～1.0m的塑料拢料管。它使水泥充分水化,喷射混凝土束集中及回弹石子不致伤害喷射手。当风压适宜时,喷嘴与受喷岩面之间的距离以0.8～1.2m为宜。

喷嘴与受喷岩面的角度,一般应垂直或稍微向刚喷射过的混凝土部位倾斜(不大于10°),以使回弹物受到喷射束的约束,抵消部分弹回的能量而减少回弹量。喷射拱部时应沿径向喷射。

③一次喷射的厚度及各喷层之间间隔时间。当喷层较厚时需分层喷射。一次喷射的厚度应根据喷射效率、回弹损失、混凝土颗粒之间的凝聚力和喷层与受喷面间的黏着力等因素确定。

各喷层间的间隔时间与水泥品种、施工温度(施工最低温度不应低于+5°)和有无掺速凝剂等因素有关,如采用红星一型速凝剂时可在5～10min以后进行下一次喷射,采用碳酸钠速凝剂时要在30min以后才能进行下一次喷射。

④喷射分区与喷射顺序。为了减少喷射混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象,喷射时应按照分段、分部、分块、由下而上,先边墙后拱墙和拱腰,最后喷拱顶的原则进行。喷射混凝土时,喷头要正对受喷岩面,均匀缓慢地按顺时针方向作螺旋形移动,一圈压半圈,绕圈直径为20～30cm。对凹凸悬殊的岩面,喷射时应注意喷射次序要先下后上,先两头后中间,以减少回弹量,正常状态下喷射混凝土的回弹率拱部不超过25%,边墙不超过15%。

(7)喷射混凝土堵管问题的处理

喷射作业中常遇到堵管,其原因是多方面的,如粗集料过大(粒径大于25cm以上)；水泥硬块或其他杂物；混合料(主要是砂)湿度过大(大于6%)致使摩擦力增大；输料软管弯头过小及风压偏低等均能引起堵管。另外,若司机操作不对,如先开马达后给风；混合料未吹完就停风；误开放气阀而停风等也会引起堵管。

遇到堵管发生时,喷射机司机应立即关闭马达,随后关闭风源,喷射手将软管拉直,然后用手锤敲击以寻找堵管处。当敲击钢管时发音混浊,或敲击胶管时有发硬感觉处,即为堵管部位。找到堵管部位后,可将风压升到0.3～0.4MPa(不超过0.5MPa),并用锤击堵管部位,使其畅通。排出堵管时,喷嘴前方严禁站人,以免被喷伤。

(8)钢纤维喷射混凝土工艺

由于喷射混凝土在抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击性等方面都存在明显的不足,喷层开裂、剥落时有发生,并导致落石、渗水等一系列病害。因此,自20世纪70年代以来,世界各国特别是瑞典、日本、美国等,为了改善喷射混凝土的性能,提高其质量,相继开展了钢纤维喷射混凝土的研究和应用,并在实际工程中收到了良好的技术经济效益。

钢纤维喷射混凝土是指在喷射混凝土中加入一定数量的钢纤维。由于钢纤维均匀分布在混凝土中,为混凝土提供了非连续性的微型配筋,从而提高了材料的抗拉、抗弯、抗冲击和耐磨性以及早期强度、韧性和延展性,并改善了其他物理力学性能。

钢纤维喷射混凝土的物理力学性能,受到钢纤维的形状、长径比、掺入量及在混凝土中的分布状态,排列方向等各种因素的影响。

钢纤维用于喷射混凝土中,其等效直径一般为0.3～0.5mm,长为20～25mm,长径比为40～60。截面形状为圆形或矩形。

钢纤维喷射混凝土的配合比应根据设计强度及喷射工艺要求通过试验确定。

喷射钢纤维混凝土时,可直接使用现有的喷射混凝土机械或将其稍加改进。为了减少堵塞,应尽量取消输料管90°弯头及减少其直径的突然变化。选用的钢纤维长度应不大于输料管直径的一半。

由于钢纤维喷射混凝土有很多优越性,因此在工程上有着各种特殊的用途。如隧道衬砌施工和加固、高路基边坡稳定和桥墩台加固、工业及民用建筑工程支护加固等。

(9)喷射混凝土的质量检查

为了确保喷射混凝土的质量,应作如下几方面检查：

①每批原材料进库(场),均用进行质量检查与验收。

②喷射混凝土强度检查。

③喷层与围岩粘结情况的检查。

④喷层厚度的检查。

3)钢拱架

在围岩条件较差地段或地面沉降有严格限制时,应在初期支护内增设钢拱架。常用的钢拱架有：钢筋格栅拱架、工字形型钢拱架、U形型钢拱架和H形型钢拱架。钢拱架支护宜优先选用格栅钢拱架。格栅钢拱架主筋采用HRB335、HRB400钢,辅筋宜采用HPB300钢。在设置超前支护地段,可设置钢架作为超前锚杆、超前小导管、超前大管棚等的尾端支点。钢拱架支护时的一般规定：

①钢拱架支护必须有足够的刚度和强度,能够承受隧道施工期间可能出现的荷载。

②钢拱架支护间距宜为0.5～1.5m。钢拱架应分节制作,节段与节段之间通过钢板用螺栓连接或焊接。

③采用钢拱架支护的地段连续使用钢拱架的数量不小于3榀；钢拱架支护榀与榀之间必须用直径18～22mm的钢筋连接,连接筋的间距不大于1m,并在钢拱架支护内缘、外缘交错布置。

④钢拱架与围岩之间混凝土保护层厚度不应小于40mm；临空一侧的混凝土保护层厚度不应小于20mm。

4)复合式衬砌

隧道作为地下结构物,除了应满足在使用上的要求外,还必须具有耐久性。一般除了地质坚硬、不易风化的Ⅰ级围岩外,都应施作混凝土衬砌。

对于采用喷锚支护技术施工的隧道,一般为了饰面或增加安全度的需要,也须施作喷锚支护(称作一次衬砌),且在围岩变形基本稳定之后,现场浇筑整体混凝土衬砌(称作二次衬砌)。二次衬砌除了起饰面和增加安全度的作用外,实际上也承受了在其施工后发生的外部水压、软弱围岩的蠕变压力、膨胀性地压或者浅埋隧道受到的附加荷载等。

复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌要满足以下规定：

①初期支护宜采用锚喷支护,即由喷射泥土、锚杆、钢筋网和钢拱架等支护形式单独或组合使用,锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。

②二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构,衬砌截面宜采用连接圆顺等厚衬砌断面,仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。

③在确定开挖断面时,除应满足隧道净空和结构尺寸外,还应考虑初期支护并预留适当的变形量,预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等,采用工程类比法及现场监控量测结果进行调整确定。

5)支护防排水技术

渗漏是隧道的常见病害之一,长期的渗漏水,可能造成隧道侵蚀破坏,影响行车安全。因此必须在隧道内设置防排水层,使隧道衬砌不漏不渗。

(1)隧道防水

隧道的防水作法是：一般在隧道内部施做复合式初砌,采用夹层防水层。隧道开挖后用锚喷将岩面整平,在岩面上铺设一层土工布或PE泡沫垫层,然后再铺设一层防水板。防水板多为合成高分子卷材,目前工程使用较多的有PVC、LDPE和EVA等。防水板铺设时有不同的工艺,其差别主要表现在防水板的固定上和板间的搭接方法上。防水卷材的厚度和宽度上有不同的规格,使用时有环向铺设和纵向铺设两种。为了保证接茬的密封质量,一般在两幅卷材接茬处都要搭接10cm。卷材接茬有冷粘法和热合法两种。冷粘法主要用于PVC等防水卷材的胶合。使用时将专用胶合剂用刷子涂刷于接缝边缘,待胶合剂稍干后将两幅卷材粘合在一起。这种方法的优点是施工方便,施工速度快。热合法主要用于EVA和LDPE等防水卷材的搭接。施工时将两幅卷材平行放好,压茬宽度10cm,然后用专门的热合焊缝机将两卷材边缘压合于一起。目前工程使用的焊缝机多为双缝焊机,即在两焊缝中间留有一道宽1cm的气道,接缝焊完后,可用充气筒向气道内注气,若气道内气压不断降低,说明焊缝不够严实,应检查补焊；若气道压力保持不变,说明焊缝完好。热合法的最大优点就在于施工期间可随时进行质量检测。

在洞壁上固定防水卷材的方法有两种：一种是有钉铺设法,另一种是无钉铺设法。所谓有钉铺设法,是将防水卷材在洞壁上摊平,用塑料垫片固定在洞周壁面上。垫片的布置形式有梅花形和矩形；一般边墙垫片间距约1m,拱顶约80cm。为了防止垫片上的钉孔渗漏水,在防水卷材固定好后,在垫片四周涂刷一层胶合剂,再用一块稍大的塑料板将原先的垫片封盖,从而达到完全防水的目的。所谓无钉铺设法是先用塑料垫片及射钉固定土工布等防水卷材垫层,然后将防水卷材有规律地摊铺,在塑料垫片处用专用的平头烙铁将防水卷材与垫片热合。由于塑料垫片与防水卷材为同质材料,所以二者热合牢固,质量可靠。

(2)隧道排水

一般来说,山岭公路隧道防排水系统多属排水型,即地下水从围岩渗出,经管路系统排出洞外。这一点与要保证地下水位稳定,地下水不能外排的水密型地铁防水工程不同。对于山岭隧道,地下水的排水流程为：围岩→环向排水管→纵向排水管→横向排水盲管→中央排水管→洞外出水口。

9.4.4　隧道施工超前支护与预加固技术

隧道施工过程中,可能会遇到开挖工作面不能自稳,或地表沉陷过大等情况。为了确保隧道工程顺利进行和施工安全,必须采取一定的工程措施对地层进行预支护或预加固,称之为辅助施工措施。预支护措施有预留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆(亦可用小钢管)、管棚及临时仰拱封底。预加固措施有预注浆加固地层和地表喷锚预加固等,而兼有预支护和预加固双重作用的有超前小导管注浆等。

辅助措施的选用,应视围岩条件、涌水状况、施工方法、环境要求等因素综合而定,可以单独使用一种措施,也可以几种联合使用。

1)超前锚杆

在隧道开挖之前,在开挖面的拱部一定范围内,沿隧道断面的周边,向地层内打入一排纵向锚杆(或小钢管),通过锚杆对围岩的加固作用,形成超前于工作面的围岩加固棚,在此棚的保护下进行开挖。开挖一个进尺后,再打入一排纵向锚杆,再掘进,如此往复推进,如图9.18所示。

图9.18　超前锚杆设置方式

2)管棚

当隧道位于松软地层中,或遇到塌方,需要从塌方体中穿过,或浅埋隧道,要求限制地表沉陷量,或在很差的地质条件下进洞时,均可采用管棚进行预支护,如图9.19所示。由于管径较粗,故管棚的承载能力比超前锚杆(或小钢管)要大,在所有的预支护措施中,它是支护能力最强的,但其施工技术也较复杂,造价较高。

图9.19　管棚设置方式

3)超前小导管注浆

超前小导管注浆也是一种广泛使用的辅助施工措施,它往往与钢拱架一起设置,如图9.20所示。小导管注浆属渗入性注浆,虽然钢管本身的支护能力不如管棚,但其注浆加固地层的效果比管棚好。它适用于较干燥的砂土层、砂卵(砾)石层、断层破碎带和软弱围岩浅埋段。

图9.20　超前小导管设置方式

4)预注浆加固地层

在开挖之前,先往地层中注浆以加固围岩,使得开挖能够安全稳妥地进行,称之为预注浆加固地层。预注浆加固又分为超前钻孔注浆加固和地表注浆加固两种。

注浆加固地层的灌注管一般采用带孔眼的焊接钢管或无缝钢管,为了防止浆液反流,要堵塞钻孔壁与灌注管之间的孔隙,常用的堵塞方式有两种：一种是普通堵塞,就是用铅丝、木楔等材料在注浆孔口将缝隙堵死,它适用于浅孔注浆；另一种是专用的止浆塞,用橡胶制作,套在注浆管上,靠注浆压力使其挤紧孔壁来止浆,这种方法多用于深孔注浆。

5)地表锚喷预加固

在浅埋洞口地段,由于覆盖层较薄,可能会形成边挖边塌的局面,使得进洞困难；在偏压洞口段,往往一侧边坡开挖过高,形成不稳定边坡,危及施工和运营。在这样的情况下,采用地表锚喷加固是比较合适的。通过对地表的预加固,可以使得进洞顺利进行,也可以为改变坡率创造条件,使得较高的边坡降低开挖高度。地表锚喷预加固类型与加固方法有：洞口边仰坡表层预加固、洞门上方陡坎加固和仰坡加固、洞口浅埋段预加固等。

9.5　塌方事故的处理

隧道开挖时,导致塌方的原因有多种,概括起来可归结为：一是自然因素,即地质状态、受力状态、地下水变化等；二是人为因素,即不适当的设计,或不适当的施工作业方法等。由于塌方往往会给施工带来很大困难和很大经济损失。因此,需要尽量注意排除会导致塌方的各种因素,尽可能避免塌方的发生。

9.5.1　发生塌方的主要原因

(1)不良地质及水文地质条件

①隧道穿过断层及其破碎带,或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段,一经开挖,潜在应力释放快、围岩失稳,小则引起围岩掉块、坍落,大则引起塌方。当通过各种堆积体时,由于结构松散,颗粒间无胶结或胶结差,开挖后引起坍塌。在软弱结构面发育或泥质充填物过多,均易产生较大的坍塌。

②隧道穿越地层覆盖过薄地段,如在沿河傍山、偏压地段、沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段极易发生塌方。

③水是造成塌方的重要原因之一。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍落。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体,在地下水的作用下,软弱面的强度大为降低,因而发生滑塌。

(2)隧道设计考虑不周

①隧道选定位置时,地质调查不细,未能作详细的分析,或未能查明可能塌方的因素。没有绕开可以绕避的不良地质地段。

②缺乏较详细的隧道所处位置的地质及水文地质资料,引起施工指导或施工方案的失误。

(3)施工方法和措施不当

①施工方法与地质条件不相适应；地质条件发生变化,没有及时改变施工方法；工序间距安排不当；施工支护不及时,支撑架立不合要求,或抽换不当“先拆后支”；地层暴露过久,引起围岩松动、风化、导致塌方。

②喷锚支护不及时,喷射混凝土的质量、厚度不符合要求。

③按新奥法施工的隧道,没有按规定进行量测,或信息反馈不及时,决策失误、措施不力。

④围岩爆破用药量过多,因震动引起坍塌。

⑤对危石检查不重视、不及时,处理危石措施不当,引起岩层坍塌。

9.5.2　预防塌方的施工措施

隧道施工预防塌方,选择安全合理的施工方法和措施至关重要。在掘进到地质不良围岩破碎地段,应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。必须制订出切实可行的施工方案及安全措施。

为了保证施工作业安全,及时发现塌方的可能性及征兆,并根据不同情况采用不同的施工方法及控制塌方的措施,需要在施工阶段进行塌方预测。预测塌方常用的几种方法：

(1)观察法

①在掘进工作面采用探孔对地质情况或水文情况进行探察,同时对掘进工作面应进行地质素描,分析判断掘进前方有无可能发生塌方的超前预测。

②定期和不定期地观察洞内围岩的受力及变形状态；检查支护结构是否发生了较大的变形；观察岩层的层理、节理裂隙是否变大,坑顶或坑壁是否松动掉块；喷射混凝土是否发生脱落；以及地表是否下沉等。

(2)一般量测法

按时量测观测点的位移、应力,测得数据进行分析研究,及时发现不正常的受力、位移状态及有可能导致塌方的情况。

(3)微地震学测量法和声学测量法

前者采用根据地震测量原理制成的灵敏的专用仪器；后者通过测量岩石的声波分析确定岩石的受力状态,并预测塌方。

加强初期支护,控制塌方：当开挖出工作面后,应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护,并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等。这对防止局部坍塌,提高隧道整体稳定性具有重要的作用。

9.5.3　隧道塌方的处理措施

①隧道发生塌方,应及时迅速处理。处理时必须详细观测塌方范围、形状、坍穴的地质构造,查明塌方发生的原因和地下水活动情况,经认真分析,制订处理方案。

②处理塌方应先加固未坍塌地段,防止继续发展,并可按下列方法进行处理：

a.小塌方,纵向延伸不长、坍穴不高,首先加固坍体两端洞身,并抓紧喷射混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部,再进行清碴。在确保安全的前提下,也可在坍碴上架设临时支架,稳定顶部,然后清碴。临时支架待灌筑衬砌混凝土达到要求强度后方可拆除。

b.大塌方,坍穴高、坍碴数量大,坍碴体完全堵住洞身时,宜采取先护后挖的方法。在查清坍穴规模大小和穴顶位置后,可采用管棚法和注浆固结法稳固围岩体和碴体,待其基本稳定后,按先上部后下部的顺序清除碴体,采取短进尺、弱爆破、早封闭的原则挖坍体,并尽快完成衬砌(图9.21)。

c.塌方冒顶,在清碴前应支护陷穴口,地层极差时,在陷穴口附近地面打设地表锚杆,洞内可采用管棚支护和钢架支撑。

d.洞口塌方,一般易坍至地表,可采取暗洞明作的办法。

③处理塌方的同时,应加强防排水工作。塌方往往与地下水活动有关,治坍应先治水。防止地表水渗入坍体或地下,引截地下水防止渗入塌方地段,以免塌方扩大。具体措施：

图9.21　大规模塌方处理实例示意图
1—第一次注浆；2—第二次注浆；3—第三次注浆；4—管棚；5—坍线；6—坍体；7—初期支护；8—注浆孔；9—混凝土封堵墙

a.地表沉陷和裂缝,用不透水土壤夯填紧密,开挖截水沟,防止地表水渗入坍体。

b.塌方通顶时,应在陷穴口地表四周挖沟排水,并设雨棚遮盖穴顶。陷穴口回填应高出地面并用粘土或圬工封口,做好排水。

c.坍体内有地下水活动时,应用管槽引至排水沟排出,防止塌方扩大。

④塌方地段的衬砌,应视坍穴大小和地质情况予以加强。衬砌背后与坍穴洞孔周壁间必须紧密支撑。当坍穴较小时,可用浆砌片石或干砌片石将坍穴填满；当坍穴较大时,可先用浆砌片石回填一定厚度,其以上空间应采用钢支撑等顶住稳定围岩；特大坍穴应作特殊处理。

⑤采用新奥法施工的隧道或有条件的隧道,塌方后要加设量测点,增加量测频率,根据量测信息及时研究对策。浅埋隧道,要进行地表下沉测量。

9.5.4　塌体自稳后处理措施

塌体处理一般在初期处理完毕后或塌方暂时达到自稳时进行,常用的方法有管棚法、小导管注浆法、三台阶开挖法、二次衬砌加强法及回填法等,并在处理过程中加强监控量测工作,用量测信息动态指导隧道施工。

(1)管棚法

管棚法是隧道工程施工中常用的一种辅助施工法。一般适用于覆盖层多为第四系坡积、残积层或断层破碎带、软弱夹层。且岩体风化较严重、节理发育、开挖会导致坍塌的Ⅳ级围岩。

根据塌体大小可分为大管棚法与小管棚法。大管棚法适用于塌方严重,影响较大的塌方处理,采取的具体措施为先对塌体及周边岩体进行预注浆加固,之后在预留变形基础上向塌体或周边岩体打管棚进行塌方处理。为方便注浆,通常采用花管,长度＞20m时,直径为80～100mm,也可起到挤密土体的作用,如果塌方处于很强的地应力围岩中,也可选用钢轨与花管结合使用。施工时,大管棚布设在衬砌外35～50cm,起拱线以上1.5m的范围内,钢管间距一般约为50cm。大管棚一般与钢拱架、定位锚杆和喷混凝土配合进行,拱架间距0.3～0.8m,定位锚杆环向间距约为1m,拱脚设锁脚小导管。混凝土喷射厚度为20～30cm,每开挖4m做一环衬砌。大管棚施工时钢管宜长不宜短,以减少施作时间和材料的重叠,从而加快施工进度。

(2)小导管注浆法

小导管注浆法适用于塌体不大,地质条件较松散的塌方。施工措施为预注浆加固塌体和松散围岩,并与钢拱架和锚喷混凝土相结合对塌方进行处理。小导管一般采用φ32～50mm钢管,长5～9m,环向间距20～30cm,纵向间距0.6～1.0m,插入施工中一般采取不同外插角的方法对加固岩体效果较好。每开挖约4m施作一环混凝土。

(3)三台阶开挖法

新奥法原理要求软岩地段或塌方段施工始终坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则。三台阶开挖法,开挖台阶长度为3～5m,以人工风镐配合挖掘机为主,辅助微弱爆破,出碴采用挖掘机或装载机装,自卸汽车运输；每循环进尺为1榀拱架间距,这样就能在不扰动围岩的情况下安全顺利地通过塌方体。

(4)二次衬砌加强及回填法

因为塌方段衬砌荷载比塌方前增大,所以衬砌要加强,加强衬砌应优先考虑采用提高混凝土标号和在衬砌内加钢筋或型钢或钢轨,以及进一步采取加固稳定坍穴以减小衬砌荷载等措施。回填材料避免采用松散材料,尽可能使回填本身具有自承能力且高度要求为6m。

思考题

1.简述隧道的分类及其作用。

2.隧道工程施工有哪些特点?

3.隧道施工主要有哪些方法,选择隧道施工方法的基本原则?

4.隧道工程新奥法施工的基本原理?

5.锚喷支护的基本力学原理?

6.全断面法、台阶法、分部开挖法的优缺点及适用条件?

7.隧道的预加固一般采用哪几种形式?简述作用原理。

8.隧道施工过程中的监控量测的目的是什么?通常要监测哪些内容?

9.引起隧道塌方一般有哪些原因?可以采取哪些相关措施防止隧道塌方?对于已经塌方的隧道,可以采取什么措施处理?

10.隧道施工超前支护与预加固技术主要有哪些?简述其原理。