1、6隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG 第六章 隧道施工方法 6.1 传统矿山法 6.2 新奥法 6.3 新奥法的施工技术 6.4 洞口段及明洞施工方法 6.5 辅助施工方法 6.6 特殊地质地段的施工方法 6.7 钻爆开挖和装渣运输 6.8 隧道支护施工 6.10 隧道施工现场监控量测 6.9 隧道掘进机施工 6.1 传统矿山法 在传统的矿山法中，历史上形成的变化方案很多，其中包括全断面法全断面法、台阶法台阶法、侧壁导坑法侧壁导坑法等。鉴于我国隧道施工中已很少采用传统矿山法，仅介绍其中具有代表性的上下导坑先拱后墙法和下导坑先拱后墙法。 6.1.16.1.1 上下导坑先拱后墙法
2、 是软弱地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用的最广泛的方法之一以往修筑隧道采用的最广泛的方法之一，它主要用于不稳定的或稳定性较差的级围岩。 施工顺序（图6-1）：开挖下导坑1，并尽快架设木支撑；在下导坑开挖面后约3050m处开挖上导坑2和架设木支撑，然后上导坑落底3；上、下导坑间开挖漏斗（见图中虚线所示），以便于上部开挖出碴。由上导坑向两侧开挖（“扩大”），边开挖边架设扇形木支撑；在扇形支撑之间立拱架模板，灌注拱圈混凝土（），边灌注边顶替、拆除扇形支撑；开挖中层（“落底”）；左右错开，纵向跳跃开挖马口、，每个马口的纵向长度不宜超过拱圈灌注节长的一半；紧跟马口开挖后，立即
3、架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土、；挖水沟、铺底（在隧道底部铺设不小于10cm厚的混凝土）。 应说明的是，上导坑由2和3两部组成，这是因为当在软弱地层中施工时，由于木支撑难以及时支护，往往拱顶围岩会有较大的下沉，所以必须留足沉落量（2050cm），这就导致上导坑开挖高度较高，使得工人施工很不方便，故一般分为上、下两部开挖。图6-1 上下导坑先拱后墙法下导坑上导坑上导坑落底扩大立模板，灌浇混凝土养生7-10d挖中层挖马口砌边墙 优点优点：在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易。 缺点缺点：开挖两个导坑增加工
4、程造价；开挖马口时施工干扰大；衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理。16344279X1234679XV501520 152015201520201015202050开挖两个导坑增加工程造价增加工程造价；开挖马口时施工干扰大施工干扰大；衬砌整体性差衬砌整体性差；工序多，不便于施工管理工序多，不便于施工管理。优点优点在拱圈保护下进行拱下作业，施工安全施工安全；工作面多，便于拉开工序和安排较多的劳力，加快施工进度加快施工进度；当地质发生变化时，改变施工方法容易改变施工方法容易。缺点缺点上上下下导导坑坑法法 6.1.26.1.2 下导坑先拱后墙法 下导坑先拱后墙法主要用于级围岩。施工顺序如图6-2：
5、以下导坑领先，2、3、4部开挖完成时，断面如蘑菇形，以后步骤与上下坑先拱后墙法相同。图6-2 下导坑先拱后墙法 下导坑先拱后墙法有出渣方便出渣方便，施工安全施工安全的优点。 缺点是：消耗的木材钢轨较多，棚架易因爆破受损，消耗的木材钢轨较多，棚架易因爆破受损，挖马口还影响施工进度，衬砌的整体性也差挖马口还影响施工进度，衬砌的整体性也差。6下导坑3050116443210151015拉槽挑顶506040501015扩大灌拱挖马口砌边墙3246 6.2 新奥法 6.2.16.2.1 新奥法名称由来与产生的历史背景 新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法新奥地利隧道工程方法，即New Austrian T
6、unneling Method，缩写为NATMNATM，是由奥地利学者L.V.Rabcewiez、L.Muller等教授创建于上世纪五十年代，在1963年正式命名为新奥地利隧道工程方法。它的产生是基于以下背景： (1) (1) 锚杆支护在锚杆支护在2020世纪初出现世纪初出现 (2) (2) 喷射混凝土机在喷射混凝土机在2020世纪世纪4040年代末研制成功年代末研制成功 (3) (3) 岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据 6.2.26.2.2 新奥法的基本概念核心内容核心内容是充分发挥围岩的自承能力充分发挥围岩的自承能力。对新奥对新奥法的误法的误
7、解解新奥法新奥法以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为开挖方法；开挖方法；以喷锚作为主要支护手段；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。数和变动施工方法。把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法误以为采用了锚喷支护就是新奥法对施工监控量测不够重视对新奥对新奥法正确法正确认识认识新奥法是修建隧道一种基本理论，是包含设计于施工内容的隧道工程新概念。新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、控制围岩变形、实现发挥围者自承能力的目的。 只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形动态，做到控制变形。锚杆、喷
8、射混凝土和施工量测是新奥法的三大要素。 6.2.36.2.3 新奥法施工的要点 1) 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) 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。 3) 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，充分围岩的自身承载作用。 4) 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。 5) 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
9、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) 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，从现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。 7) 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。 6.2.46.2.4 新奥法施工方法 1. 1. 全断面法全断面法 全断面法全称为“全断面一次开挖法全断面一次开挖法”，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法，如图6-3所示。 全断面法常适用于级硬岩的石质隧道，可采用深孔
10、爆破施工。1-全断面开挖；2-锚喷支护；3-模筑混凝土掘进方向231231图6-3 全断面施工方法 优点优点：较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，工序少，干扰少，便于施工组织与管理，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，对围岩的震动次数较少，有利于围岩稳定。 缺点缺点：是由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。 用钻孔台车钻眼，然后装药、联接导火线； 退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面； 排除危石； 喷射拱圈混凝土，必要时安设拱部锚
11、杆； 用装碴机将石碴装入运输车辆，运出洞外； 喷射边墙混凝土，必要时安设边墙锚杆； 根据需要可喷第二层混凝土和隧道底部混凝土； 开始下一轮循环； 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。全全断断面面施施工工工工序序1) 加强对开挖面前方的工程地质和水文地质的调查。2) 各工序机械设备要配套。 3) 加强各种辅助施工方法的设计和施工检查。 4) 重视和加强对施工操作人员的技术培训 。5) 在选择支护类型时，应优先考虑锚杆和喷射混凝土、挂网、拱架等支护型式。全断面全断面施工注施工注意问题意问题 2. 2. 台阶法台阶法 是新奥法中适用性最广的施工方法适用性最广的施工
12、方法，多适用于、级围岩中。它将断面分成上半断面和下半断面两部分分别进行开挖，如图6-4所示，随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层。根据台阶的长度，它有长台阶法长台阶法、短台阶法短台阶法和超短台阶法超短台阶法三种方式。1上半部开挖 2拱部喷锚支护 3 拱部衬砌 4下半部中央部开挖 5 边墙部开挖 6边墙部喷锚支护及衬砌2614553图6-4 台阶施工方法 1) 1) 长台阶法长台阶法 如图6-5a，上、下开挖断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞宽。施工时，上、下部可配备同类机械进行平行作业。当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖
13、一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，习惯上又称为“半断面法”。 （2 2）短台阶法）短台阶法 如图6-5b，这种方法也是分成上下两个断面开挖，两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于11.5倍洞宽，或550m，上下断面基本上可以采用平行作业，其作业顺序和长台阶法相同。短台阶法能缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，当遇到软弱围岩时需慎重考虑，必要时应采用辅助施工措施稳定开挖工作面，以保证施工安全。图6-5 台阶法掘进方向掘进方向B21B2(11.5)B12212B1a)5B112掘进方向b)c)a)长台阶法 b)短台阶法 c)超短台阶法
14、(3) (3) 超短台阶法超短台阶法 如图6-5c，这是一种适于在软弱地层适于在软弱地层中开挖中开挖的施工方法，一般在膨胀性围岩及土质地层中采用。为了尽快形成初期闭合支护以稳定围岩，上下台阶之间的距离进一步缩短，上台阶仅超前35m，不能平行作业，只能采用交替作业，因而施工进度会受到很大的影响。在软弱围岩中采用超短台阶法施工时应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对围岩采用预加固或预支护措施，如向围 岩 中 注 浆 或 打 入 超 前 水 平 小 导 管 等 。 台阶法优点台阶法优点：开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度，有利于稳定，上部开挖支护后，下部作业较安全。 缺点缺点：上下部作业互相干
15、扰，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。1) 台阶数不宜过多，台阶长度要适当，一般以一个台阶垂直开挖到底，保持平台长2.5m3m为好 。2) 个别破碎地段可配合喷锚支护和挂网施工。 3) 上部开挖时，因临空面较大，易使爆破面渣块较大，不利于装渣，应适当密布中小炮孔。 3) 采用台阶法开挖关键问题是台阶的划分形式。台阶划分要求做到爆破后渣量较大，钻孔作业面与出渣运输干扰少。台阶台阶法注法注意问意问题题 3. 3. 分部开挖法分部开挖法 (1) (1) 台阶分部开挖法台阶分部开挖法 又称环形开挖留核心土法环形开挖留核心土法，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。上部留核心土可以支挡开挖工作面，增强开
16、挖工作面的稳定，施工安全性较好。一般环形开挖进尺为0.5m1.0m，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖，开挖和支护顺序如图6-6所示。掘进方向7541327126453图6-6 台阶分部开挖法1上弧形导坑开挖 2拱部喷锚支护 3拱部衬砌 4中核开挖 5 下部开挖 6边墙部喷锚支护及衬砌 7灌筑仰拱 优点优点：与超短台阶法相比，台阶的长度可以加长，相当于短台阶法的台阶长度，减少了上下台阶的施工干扰，施工速度可加快。而且较侧臂导坑法的机械化程度高。 缺点缺点：开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，将可能使围岩变形增大，需要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩
17、体进行预支护或预加固。 (2) (2) 单侧壁导坑单侧壁导坑法法 适用于围岩稳定性较差（如软弱松散围岩），隧道跨度较大，地表沉陷难于控制地段。该法确定侧壁导坑的尺寸很重要，一般侧壁导坑的宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，导坑可分二71583426掘进方向743132图6-7 单侧壁导坑法1侧壁导坑开挖 2 侧壁导坑锚喷支护及设置中壁墙临时支撑 3 后行部分上台阶开挖 4 后行部分下台阶开挖 5 后行部分喷锚支护 6 拆除中壁墙 7 灌筑仰拱8 灌筑洞周衬砌次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便，开挖和支护顺序如图6-7所示。 优点优点：是通过形成闭合支护的侧导坑将
18、隧道断面的跨度一分为二，有效地避免了大跨度开挖造成的不利影响，明显地提高了围岩的稳定性。 缺点缺点：是因为要施作侧壁导坑的内侧支护，随后又要拆除，增加了工程造价。 (3) (3) 双侧壁导坑法双侧壁导坑法 又称眼镜工法，适用于在软弱围岩适用于在软弱围岩中中，当隧道跨度更大（如三车道公路隧道等）或因环境要求，且要求严格控制地表沉陷地段。开挖和支护顺序如图6-8所示。 导坑尺寸拟定的原则同单侧壁导坑法，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑应错开开挖，以避免在同一断面上同时开挖而不利于围岩稳定。231347掘进方向64385172612图6-8 双侧壁导坑法1侧壁导坑开挖 2 侧壁导坑锚
19、喷支护及设置中壁墙临时支撑 3 后行部分上台阶开挖 4 后行部分下台阶开挖 5 后行部分喷锚支护 6 拆除中壁墙 7 灌筑仰拱8 灌筑洞周衬砌 双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多一点，对围岩的扰动次数增加，且初期支护全断面闭合的时间延长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工期间变形几乎不发展。该法施工安全，但进度慢，成本高。 (4) (4) 其他施工方法其他施工方法 中隔墙法中隔墙法（简称“CD”法）和交叉交叉中隔墙法中隔墙法（简称“CRD”法）是两种适用于适用于软弱地层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，因其造价高，故在山岭隧道中很
20、少采用，但在特殊情形中，也可采用，如膨胀土地层。 6.2.56.2.5 新奥法施工中可能发生的问题及处 理措施 新奥法施工的基本原则：是根据围岩性质允许产生适根据围岩性质允许产生适量的变形，但又不使围岩松动失稳量的变形，但又不使围岩松动失稳。根据实践经验，将新奥法中经常出观的一些异常现象及应采取的措施列于表6-1中。1全断面开挖2超前预裂爆破、切缝等释放能量1瓦斯检测并进行稀释2注水 瓦斯或岩爆1.缩短掘进长度，尽快闭合支护 2.改变施工方法1.增补锚杆(根数、直径、密度)2.改变锚杆型号或类型(如将砂浆锚杆改为中空锚杆) 锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂。1.挂钢筋网2.打局部锚杆3.设置系
21、统锚杆开挖后尽快喷射混凝土，并适当加厚喷层或封闭支护。 喷混凝土层出现明显裂缝、脱离甚至塌落1.缩短掘进长度2.预加固地层3.改变施工方法1.加厚底脚处的喷射混凝土，增加支撑面积。2.尽快施作仰拱，形成闭合支护 地基承载力不足，下沉增大或产生底鼓。1.加强排水措施(井点降水等)2.注浆止水3.改变施工方法1.加速混凝土硬化(增加速凝剂等)2.喷射混凝土前作好排水3.设置钢筋网，或将钢筋网格加密。 开挖面出现涌水或涌水量增加1.加钢支撑2.预支护围岩3.改变施工方法立即施喷混凝土和打锚杆开挖面顶部出现掉块1.缩小开挖断面，改变施工方法。2.预支护围岩(打超前导管等)3.必要时设置钢支撑1.缩短掘
22、进长度，保留核心土2.向掌子面或隧底喷射混凝土，形成封闭支护 净空位移量增大，位移速率变快，掌子面变得不稳定 措施B措施A施工中现象表6-1 施工中的现象及处理措施注：A指进行比较简单的改变就可解决问题的措施； B指包括需要改变支护方法等比较大的变动才能解决问题的措施。 6.2.56.2.5 新奥法与传统矿山法的区别 新奥法与传统矿山法的基本施工程序看上去大致相同，但实际上对隧道结构产生的效果却截然不同。现将二者的主要区别列于表6-2。分块较多分块较少施工方法无必须采用量测可采用必须采用控制爆破不强调强调闭合支护单层模注混凝土衬砌复合式衬砌永久支护木支撑为主、钢支撑喷锚支护临时支护支护传统矿山
23、法新奥法开挖方法表6-2 传统矿山法与新奥法施工的区别 6.3 新奥法的施工技术 6.3.16.3.1 新奥法施工程序否修改施工方案改变开挖步骤、顺序修正支护参数是确定施工方法施工准备开 挖现场监控量测初期支护防水层二次衬砌竣 工 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，根据已建立的量测管理基准，对隧道的施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整。其主要施工程序如图6-9所示。图6-9 新奥法施工程序是否符合管理基准 6.3.26.3.2 新奥法施工基本原则少扰动少扰动新新奥奥法法施施工工基基本本原原则则早支护早支护
24、勤量测勤量测紧封闭紧封闭在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间；是指开挖后及时施作初期喷锚支护，使围岩的变形进入受控制状态； 指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式和开挖方法，确保施工得以安全和顺利地进行； 指要尽快形成对围岩的封闭形支护，这样做可以有效控制围岩变形，使得支护和围岩共同进入良好的工作状态。 6.3.36.3.3 锚杆 1. 1. 锚杆的支护效应锚杆的支护效应 是利用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。使用机械装置、粘结介质，将其安设在地下工程的围岩或其他工程体中，形
25、成能承受荷载，阻止围岩变形的锚杆支护 。 把隧道洞壁附近具有裂隙、节理的不稳定岩体，用锚杆固定在深层的坚固稳定的岩体上，将不稳定岩体的重量传递给深层坚固岩体承担，起到悬吊效应，如图6-10所示。 (1) (1) 悬吊效应悬吊效应松动岩块锚杆图6-10 悬吊效应图 (2) (2) 组合梁效应组合梁效应 锚杆可将若干层层状岩体串联在一起，增大层间的摩阻力形成组合梁效应，如图6-11所示。图6-11 组合梁效应图 (3) (3) 加固梁效应加固梁效应 按一定间距在隧道周边呈放射状布置的成组锚杆(或称系统锚杆)，可使一定厚度范围内有节理、裂隙的破裂岩体或软弱岩体紧压在一起形成连续压缩带。这种加固效应在
26、使用预应力锚杆时显得十分明显，如图6-12所示。在锚杆预张应力P的作用下，每根锚杆周围都形成一个两头呈圆锥形的筒状压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此搭接，形成锚杆一条厚度为W的均匀压缩带。在均匀压缩带中产生了径向压应力sr，给压缩外的围岩提供了径向支护抗力，使围岩接近于三向受力状态，增加了围岩的稳定性。 图6-12 加固效应 2. 2. 锚杆的种类锚杆的种类 锚杆须具备的两个基本条件：受力后产生变形，且其本身不受破坏；与围岩保持紧密接触。锚杆间松动带拱效应0r +Lr0rWDD1) 1) 全长粘结型锚杆全长粘结型锚杆，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
27、钻式注浆锚杆等。2) 2) 端头锚固型锚杆端头锚固型锚杆，包括机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥端头锚杆等。3) 3) 摩擦型锚杆摩擦型锚杆包括缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆等。4) 4) 预应力锚杆预应力锚杆和自钻锚杆自钻锚杆等。锚锚杆杆种种类类 3. 3. 锚杆的布置和质量检查锚杆的布置和质量检查 锚杆的布置分为局部布置局部布置和系统布置系统布置。局部布置主要用在坚硬而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。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、级围岩条件下，并符合下列规定： 1 1）锚杆
28、一般应沿隧道周边径向布置，当结构面或岩层层面明显时，应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。 2 2）锚杆应按矩形排列或梅花形排列。 3 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 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、抗拔力长度、间距、角度、方向、抗拔力等。其中主要是抗拔力试验主要是抗拔力试验，对于重要工程可增加灌浆密度试验。 6.3.46.3.4 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：钢筋格栅拱架钢筋格栅拱架、工工字
29、形型钢拱架字形型钢拱架、U形型钢拱架形型钢拱架和H形型钢拱架形型钢拱架。1 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 2）钢拱架支护间距宜为0.51.5m。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 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1822mm的钢筋连接，连接筋的间距不大于1m，并在钢拱架支护内缘、外缘交错不置。4 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。 6.3.56.3.5 喷射混凝土 1. 1. 喷射混凝土的特点喷射混凝土的
30、特点 喷射混凝土是用喷射机把渗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充填裂隙加固围岩、封闭围岩壁面防止风化封闭围岩壁面防止风化和喷射混凝土与围岩组成共同承载体系喷射混凝土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 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
31、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 3）不用模板、拱架，节省大量钢木材料，相应的降低了隧道工程的造价；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。 2. 2. 喷射混凝土的喷射方式喷射混凝土的喷射方式 (1) (1)干喷干喷 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以高速喷射到岩面上。其工艺流程如图6-13所示。 (2) (2)潮喷潮喷 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) (3)湿喷湿喷 用湿喷机压送拌
32、合好的混凝土，在喷头处添加液态速凝剂，再喷到岩面上。工艺流程如图6-14所示。 细骨料粗骨料水 泥搅拌机干式喷射机速凝剂压缩空气喷 头水图6-13 干喷、潮喷工艺流程细骨料粗骨料水 泥搅拌机湿式喷射机速凝剂压缩空气喷 头水外加剂图6-14 湿喷工艺流程 3. 3. 喷射混凝土的材料及其组成喷射混凝土的材料及其组成掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小 。水泥水泥喷射喷射混凝混凝土的土的材料材料砂子砂子石子石子速凝剂速凝剂水水应符合普通混凝土所要求的用砂标准。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。 加速混凝土的凝结、硬
33、化，提高早期强度；减少回弹量；防止因重力作用而引起的流淌或脱落；增大一次喷射厚度，缩短分层喷射的时间间隔。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。 (1) (1) 喷射混凝土的材料喷射混凝土的材料 (2) (2) 喷射混凝土的配合比和水灰比喷射混凝土的配合比和水灰比 1) 1) 配合比配合比 指每1m3喷射混凝土中水泥、砂子和石子的重量比例。 2) 2) 水灰比水灰比 它也是影响喷射混凝土地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、
34、滑移，甚至大片坍落，影响混凝土强度。 4. 4. 喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械( (具具) )设备设备 喷射作业的机械(具)设备主要包括：混凝土喷射机混凝土喷射机、上上料机料机、搅拌机搅拌机、机械手机械手、混凝土运送搅拌车混凝土运送搅拌车、混凝土喷射混凝土喷射三联机三联机等。混凝土喷射机空压机搅拌机 5. 5. 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺( (干式喷射干式喷射) ) 在喷射作业中要掌握好几个问题： (1) (1) 风压、水压风压、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，一般要求风源风压应稳定在0.40.65Mpa才能在喷嘴处使风压稳定在0.10
35、.25Mpa范围内。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告诉射出形成水雾，使干拌合料充分湿润水化，水压要比风压高0.10.15MPa。一般规定喷射作业区的系统水压应大于0.4Mpa。 (2) (2) 喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度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0.81.0m的塑料拢料管。它使水泥充分水化，且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0.81.2m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
36、土部位倾斜（不大于10），以使回弹物收到喷射束的约束，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) (3) 一次喷射的厚度及各喷层之间间隔时间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粘着力等因素确定。 (4) (4) 喷射分区与喷射顺序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。 6. 6. 喷射混凝土堵管问题的处理喷射混凝土堵管问题的处理粗集料过大；混合料湿度过大致
37、使摩擦力增大；输料软管弯头过小及风压偏；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。喷射机司机立即关闭马达，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。当找到堵管部位后，可将风压升到0.30.4Mpa(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。原因原因解决解决 7. 7. 钢纤维喷射混凝土工艺钢纤维喷射混凝土工艺 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。 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
38、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。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。 8. 8. 喷射混凝土的质量检查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 1）每批原材料进库(场)，均用进行质量检查与验收。 2 2）喷射混凝土强度检查。 3 3）喷层与围岩粘结情况的检查。 4 4）喷层厚度的检查
39、。 6.3.66.3.6 复合式衬砌 复合式衬砌是由初期支护期支护和二次衬砌二次衬砌及中间夹防水层组中间夹防水层组合而成合而成的衬砌形式。复合式衬砌要以下规定： 1 1）初期支护宜采用锚喷支护）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 2）二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结）二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构构，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 3）在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸）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
40、的变形量。外，还应考虑初期支护并预留适当的变形量。 6.4 洞口段及明洞施工方法 6.4.16.4.1 洞口段施工方法 1. 1. 洞口段的概念洞口段的概念 所谓“洞口段”，是指隧道开挖可能给洞口地表造成不良影响(下沉、塌穴等)的洞口范围。一般情况下，可将洞口浅埋段划分为洞口段，见图6-15。图6-15 洞口段的一般范围注：H为深浅埋分界处覆盖层厚度，约为2 2.5倍天然拱高度。 隧道洞口工程主要包括边仰坡土石方、边仰坡防护、路堑挡护、洞门圬工、洞口排水系统、洞口检查设备安装和洞口段洞身衬砌等。洞门结构一般在暗洞施工一段以后再做。边仰坡防护应及时作好。洞门位置明暗交界H明洞段 暗洞段洞口段 2
41、. 2. 进洞方法进洞方法 洞口段施工中最关键的工序就是进洞开挖。洞口段施工方法的确定取决于诸多因素，如地质条件、地形条件、施工机具配备情况、洞外相邻建筑的影响、隧道自身构造特点等。其中最主要的是地质条件最主要的是地质条件。 (1). (1). 全断面法进洞全断面法进洞 当洞口段围岩为级，地层条件良好时，一般可采用全断面直接开挖进洞，初始10m20m区段的开挖，应将爆破进尺控制在2m3m。洞口3m5m区段可以挂网喷混凝土及设钢拱架予以加强，其余施工支护一般采用素喷混凝土支护，视情况也可在拱部设置局部锚杆。 (2). (2). 台阶法进洞台阶法进洞 当洞口段围岩为级，地层条件较好时，可采用台阶法
42、进洞。爆破进尺控制在1.5m2.5m。施工支护采用系统锚杆和钢筋网喷射混凝土，必要时设置钢拱架加强施工支护。 (3). (3). 其它进洞方法其它进洞方法 当洞口段围岩为级及以上，地层条件很差时，还可考虑采用环形环形开挖留核心土法开挖留核心土法、侧壁导坑侧壁导坑法法或下导坑法下导坑法等。开挖进尺应控制在1.0m以下，宜采用人工开挖，必要时才采用弱爆破。施工支护必须紧贴开挖工作面，然后才能进行开挖，随挖随支。施工支护采用网喷混凝土，系统锚杆；钢拱架纵向间距为0.51.0m，必要时可施做临时仰拱。开挖完毕后及早施作钢筋混凝土衬砌。 若洞口有坍方、落石的威胁，或仰坡不甚稳定，还可用接长明洞接长明洞的
43、方式进洞。 6.4.26.4.2 明洞施工方法 1. 1. 先墙后拱法先墙后拱法 又称 “全部明挖先墙后拱法”，如图6-16。适用于埋深较浅，且按临时边坡开挖能暂时稳定的对称式明洞。 图6-16 明洞先墙后拱法图1-台阶1开挖 2-台阶2开挖 3-台阶3开挖 4-灌注边墙 5-灌注拱部 优点优点：衬砌整体性好，施工空间大，有利于施工。 缺点缺点：是土方开挖量大，刷坡较高。 2. 2. 先拱后墙法先拱后墙法 当路堑边坡较高、明洞埋置较深，或明洞位于松软地层中，不能明挖一挖到底时(全部明挖可能引起边坡坍塌)，应采用先拱后墙法施工，如图6-17。 3213211：n1：m5454 施工步骤施工步骤：
44、开挖拱部以上土石(挖至拱脚)，灌注拱圈，作外贴式防水层，进行初步回填，然后暗挖拱脚以下土石，灌注边墙，故又称明拱暗墙法。 优优点点：土石方开挖量较小，刷坡较低。 缺点缺点：衬砌整体性较差，边墙的施工空间窄小，防水层施作不方便。图6-17 明洞先拱后墙法1-上台阶开挖 2-灌注拱部 3-下台阶中央开挖 4-左侧马口开挖 5-灌注左侧边墙 6-右侧马口开挖 7-灌注右侧边墙641：m12357 6.5 辅助施工方法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)管棚临时仰拱封底 。预支护措施预支护措施辅助辅助施工施工方法方法预加固措施预加固措施预注浆加固地层地表喷锚预加固 超前小导管注浆
45、等预支护与预加预支护与预加固双重作用固双重作用 6.5.16.5.1 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6-18所示。掌子面超前锚杆510超前锚杆掘进方向图6-18 超前锚杆设置方式 超前锚杆设计遵循的原则： 1 1）超前锚杆设置范围，对于拱部宜为隧道拱部外弧全长的1/61/2。 2 2）锚杆长度定为35m，拱部超前锚杆纵向两排之间应有1m以上的水平搭接段；锚杆间距，级围岩定为40
46、60cm，级围岩宜为3050cm。 3 3）充填砂浆宜采用早强砂浆，其强度等级不应低于M20。 超前锚杆主要适用于土砂质地层、膨胀性地层、裂隙发育的岩体以及断层破碎带等，其设计参数见表6-3。510510305035322025510510406035321822小钢管锚杆外插角环向间距(cm)锚杆、小钢管长度(m)小钢管直径(mm)锚杆直径(mm)围岩级别表6-3 超前锚杆、超前小钢管设计参数注：1. 外插角指锚杆或小钢管与隧道纵向开挖轮廓线的夹角。 2锚杆或小钢管的长度应与实际掘进循环长度一起考虑。 3中空锚杆目前的最小直径为25mm。 6.5.26.5.2 管棚 当隧道位于松软地层、遇到
47、塌方、浅埋隧道，要求限制地表沉陷量，或很差的地质条件下进洞时，均可采用管棚预支护。在所有的预支护措施中，它是支护能力最强大的，但其施工技术也较复杂，造价较高。设置方式如图6-19。图6-19 管棚设置方式钢拱架12钢管(70180)钢管(70180)纵向连接钢筋 钢管构造如图6-20，管壁上须留注浆孔，孔径为1016mm，孔眼间距为100200mm，呈梅花形布置。钢管注浆有两种方式，一种是通过管壁上的注浆管向地层内注浆，另一种主要是为了增加钢管刚度，向钢管内注入混凝土。图6-20 管棚钢管构造f 70 f 180200200100100 100100 钢管注浆孔钢筋笼f10f16注浆孔 管棚设
48、计遵循的原则：管棚设计遵循的原则： 1 1）管棚的形状和导管的布置应根据隧道开挖面的形状选择。 2 2）导管环向间距应根据地层性质、地层压力、导管设置部位、钻孔机具和隧道开挖文式等条件确定，一般为3050cm，纵向两组管棚间应有不小于3.0m 的水平搭接长度。 3 3）导管宜选用热轧无缝钢管，外径宜为80180mm，长度为1045m分段安装时，分段长46m，前后两段管子之间用丝扣连接或焊接，连接的长度为1045m。 4 4）导管上的注浆孔孔径宜为1016mm，间距宜为1520cm，呈梅花形布置。 5 5）当需增加管棚钢架支护的刚度时，可在钢管内注入水泥砂浆。 6 6）在护拱上沿隧道开挖轮廓线纵
49、向钻设的管棚孔不得侵入隧道开挖轮廓线，孔深设计宜为1045m。护拱的基础应放在稳定的基础上。 6.5.36.5.3 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。设置方式如图6-21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、软弱围岩浅埋段。图6-21 超前小导管设置方式小导管(钢管)纵向连接筋钢拱架1015小导管(f 38f42) 超前小导管设计遵循的原则为： 1 1）小导管宜采用直径4250mm的无缝钢管，长度宜为35m。 2 2）小导管前部注浆孔孔
50、径宜为68mm，间距宜为1020cm，呈梅花形布置，尾部长度不小于30cm。 3 3）小导管环向设置间距可为2050cm，外插角1030，两小导管间纵向水平搭接长度不小于100cm。 4 4）小导管应与钢拱架组成支护系统。 超前小导管支护刚度和预支护效果均大于超前锚杆，如图6-22。在开挖掘进之前，先用喷射混凝土将开挖面和5m范围内的隧道围岩壁面封闭，然后沿拱部周边一定范围打入小导管，导管的外插角宜控制在1015。小导管插入钻孔后应外露一定长度(约20cm)，以便连接注浆管。两组小导管前后纵向搭接长度不小于1m。导管的尾部通常从格栅钢拱架的腹部穿过并与钢拱架焊接牢固，共同组成预支护系统。图6-
