隧道施工人员培训教材
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隧道施工人员培训教材 目 录1概 述11.1隧道施工技术的发展史11.2集团公司隧道施工发展情况22施工组织42.1隧道工程施工组织设计编制的程序42.1.1准备工作42.1.2施工组织总体设计编制流程52.2施工组织设计的内容52.2.1编制说明52.2.2工程概况62.2.3施工部署及施工方案62.2.4施工进度计划62.2.5施工平面图62.3施工方案制定72.4各种施工技术措施72.4.1施工中特殊地质地段施工方案72.4.2隧道施工进度保障措施72.4.3隧道施工质量保证技术措施72.4.4施工安全技术措施82.4.5降低施工成本的措施83隧道施工方法103.1常用隧道截面的类型103.1.1直墙式103.1.2曲墙式103.2施工方法概述103.2.1隧道围岩分级103.2.2施工方法分类113.2.3施工方法选择依据123.3钻爆法123.3.1全段面开挖法123.3.2台阶法143.3.3分部开挖法163.4其它施工方法273.4.1盾构法273.4.2全断面掘进机施工283.4.3沉管法303.4.4顶管法334隧道施工主要工序及标准364.1超前地质预报364.1.1地质预报内容364.1.2常用地质预报方法364.1.3各种方法的优缺点394.1.4地质预报技术关键394.1.5超前地质预报流程404.2技术交底404.2.1技术交底的目的414.2.2技术交底的分类与职责414.2.3施工组织设计交底414.2.4分项工程施工技术交底414.2.5技术交底程序414.2.6技术交底的内容与基本要求424.3钻爆作业434.3.1爆破设计434.3.2钻孔、检查464.3.3装药464.3.4堵塞起爆474.3.5爆破效果检查474.3.6瓦斯隧道爆破作业的技术要求484.4通风作业494.4.1隧道内空气质量指标要求494.4.2通风机操作安全规程504.4.3通风质量要求及检查504.4.4瓦斯隧道通风要求524.5运输组织方式534.5.1有轨运输534.5.2运输轨道和运输组织554.5.3无轨运输574.5.4混合运输584.5.5洞内运输的要求584.6初期支护594.6.1工序594.6.2质量检查与验收664.7量测与监控684.7.1监控量测的目的684.7.2监控量测项目684.7.3量测部位724.7.4量测数据处理744.7.5量测管理工作754.8防排水作业764.8.1隧道防排水原则及要求764.8.2隧道防水系统及技术要求774.8.3施工排水要求814.8.4结构防水的技术要求834.8.5质量检验854.9二次衬砌854.9.1衬砌的类型854.9.2施工控制864.9.3质量检查与验收904.10附属设施施工914.10.1避车洞924.10.2电缆槽924.10.3防排水设施935辅助坑道975.1横洞975.2平行导坑985.2.1平行导坑在隧道施工中的作用985.2.2平行导坑设计及施工要点985.3斜井995.4竖井1016施工过程控制1026.1施工质量控制1026.1.1施工准备阶段的质量控制1026.1.2施工过程质量控制1046.1.3隧道工程质量检验1106.2施工进度控制1126.2.1进度计划网络图1126.2.2进度计划的检查与调整1146.2.3进度控制的措施1176.3施工安全控制1186.3.1 隧道施工安全技术要求1196.3.2施工安全控制的程序1306.3.3安全标准工地建设1316.3.4安全色标1321311 概 述隧道是指一种修建在地层中的地下工程建筑物,它被广泛地应用于交通、矿山、水利、市政、人防、国防等部门。1.1 隧道施工技术的发展史1.1.1 最早的隧道我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的石门隧道,建于公元66年,是供马车和行人通行的。世界上最早的隧道是公元前2200年,巴比伦国王为连结宫殿而修建的隧道。1.1.2 测量技术测量技术的出现,推动了隧道技术的进步。人们利用棚架支撑岩层和卷扬提升土石,从两端洞口开挖隧道,数量较多的各种用途的隧道开始增多。1.1.3 爆破技术14世纪发明了火药,推动了隧道技术发展。1679年用于法国拉恩开得克运河隧道开挖,获得极大成功,隧道挖掘技术得到飞速的发展。1.1.4 盾构机19世纪的产业革命,隧道开挖出现了各种新方法,迎来了近代隧道开挖技术的新曙光。1818年布鲁内尔(Brune1)发明了盾构,意大利物理学家欧拉顿(Erardon)提出以压缩空气平衡软弱地层涌水压力。防止地层坍塌的方法后,英国的科克伦(Co-Chrane)利用这个原理发明用压缩空气开挖水底隧道的方法。1.1.5 新奥法1979年开始正式推广新奥法。新奥法即新奥地利隧道365JT施工方法的简称,原文是New Austrian Tunnelling Method 简称NATM,新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹(L.V.RABCEW ICZ) 教授于50年代提出的,它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础,将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法,经过一些国家的许多实践和理论研究,于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展,已成为现代隧道工程新365JT技术标志之一。六十年代NATM 被介绍到我国,七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今,可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM。新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。1.2 集团公司隧道施工发展情况XX集团公司在隧道工程领域中形成了以施工长大隧道为特色的独有品牌,其技术成果丰硕,荣誉累累。五十余年来,完成隧道700多公里,千米以上隧道百余座;获得中国建筑工程鲁班奖三项;詹天佑土木工程大奖二项;金质奖三项;取得科学技术进步奖一项;省部级一等奖、优质奖三十多项;创造企业新记录十多项。下表为近几年集团公司已建成或正在修建的具有代表性的隧道工程。集团公司公司代表性隧道工程表 表11序号工程名称工程地点标准/等级隧道全长(m)隧道净宽/隧道净高(m/m)1东秦岭隧道陕西蓝田铁路级双线122688.5/6.52终南山特长公路隧道陕西长安高速公路双向四车道21802010.5/5.03乌鞘岭隧道甘肃武威铁路级单线2200504.75/5.54秦东隧道陕西潼关客运专线双线768413.65/6.05翔安隧道福建厦门高速公路双向六车道2590013.5/5.0为了适应企业经营领域和规模快速扩张的需要,集团公司不断提高设备装备水平。近三年,引进新型设备670台(套),特别是在长大隧道施工装备上已拥有以电脑导引凿岩台车、门架台车、大型铲装机、大功率牵引设备和低污染大型自卸汽车等为代表的配套长大隧道掘进设备;国内外先进的技术装备的引进和购置,为企业产业结构调整和企业发展壮大提供了装备保障。2 施工组织隧道工程的施工特点,决定了隧道工程往往是控制工期的关键工程,特别是长大隧道。要保证隧道施工在规定的工期内顺利完成,就必须要有科学的施工组织来作保证。科学的施工组织设计,对隧道工程的顺利进行,人力、物力的合理使用,保证快速、优质、安全、高效地完成施工任务具有重大意义。2.1 隧道工程施工组织设计编制的程序2.1.1 准备工作编制隧道工程施工组织设计前,主要调查以下几个方面:2.1.1.1 隧道工程所在地区的自然条件如水文地质、地形、气象、地震等及其它有关资料。2.1.1.2 隧道工程所在地区的技术经济条件如工地附近可供利用的场地;可供利用的民房;拆迁、青苗补偿;当地可供利用的建材及供应能力;交通运输道路及可提供的交通运输工具等;可供利用的水源和电源,供水和供电线路、通讯网等;当地医疗、医药、卫生和文化教育、消防设施,商品供应及其它服务机构支援能力。2.1.1.3 隧道工程设计有关资料。如工程建设地区的行政区域规划、人防规划等资料;隧道建设工程的初步设计、施工图和工程概(预)算资料;隧道工程地质及水文地质勘察资料。2.1.1.4 其它有关资料。如业主及有关部门对建设工程的要求(如工期、环保要求等);有关参考资料(技术标准、有关技术规定和要求)2.1.2 施工组织总体设计编制流程见图21。图21 施工组织总体设计编制流程2.2 施工组织设计的内容2.2.1 编制说明编制说明中应包含的内容有编制依据、编制范围、编制原则。编制依据主要包含招标文件和施工设计图、招标单位提供的编制标书及其他相关资料、国家现行设计施工验收规范、招标期间招标单位与投标单位所有来往的函件及补遗资料、施工单位对施工现场的实地勘察调查资料、施工单位积累的成熟经验;编制范围按照为各中种不同的单位工程;编制原则包含有安全第一原则、优质高效原则、方案优化原则、确保工期原则、科学配置原则、合理布局原则等。2.2.2 工程概况本项目的性质、规模、建设地点、结构特点、建设期限、分批交付使用的条件、合同条件;本地区地形、地质、水文和气象情况;施工力量、劳动力、机具、材料、构件等资源供应情况;施工环境及施工条件等。2.2.3 施工部署及施工方案根据工程情况,结合人力、材料、机械设备、资金、施工方法等条件,全面部署施工任务,合理安排施工顺序,确定主要工程的施工方案;对拟建工程可能采用的几个施工方案进行定性、定量的分析,通过技术经济评价,选择最佳方案。2.2.4 施工进度计划施工进度计划反映了最佳施工方案在时间上的安排,采用计划的形式,使工期、成本、资源等方面,通过计算和调整达到优化配置,符合项目目标的要求;使工序有序地进行,使工期、成本、资源等通过优化调整达到既定目标,在此基础上编制相应的人力和时间安排计划、资源需求计划和施工准备计划。2.2.5 施工平面图施工平面图是施工方案及施工进度计划在空间上的全面安排。它把投入各种材料、构件、机械、道路、水电供应网络、生产、生活及各种临时工程设施合理地布置在施工现场,使整个现场能有组织地进行文明施工。2.3 施工方案制定应以地质条件为依据,结合工期、隧道长度、断面大小、施工单位的机械设备能力和施工水平等因素综合考虑。同时,应尽量采用新技术、新工艺、新设备,以加速施工进度,保证工程质量,提高生产效率,改善劳动条件。2.4 各种施工技术措施隧道施工技术措施是为了保证施工进度、施工质量、施工安全和降低施工成本等采取的技术措施。2.4.1 施工中特殊地质地段施工方案如:断层破碎带地段、岩溶地下水发育地段、软弱围岩段、岩爆地段、煤层瓦斯地段等施工方法及应对措施。2.4.2 隧道施工进度保障措施隧道施工具有动态特点,为了确保工期,按时完成隧道施工任务,最好方法是采用网络计划技术。一方面通过资源优化,另一方面根据施工进展调整工序间的循环作业时间,以及制定相应地组织保证和技术保证措施。2.4.3 隧道施工质量保证技术措施从质量管理的要求和标准建立质量保证体系,编制工序作业指导书;建立健全工序岗位责任制及奖罚制度。现场质量控制程序流程图见图22。图22 现场质量控制程序2.4.4 施工安全技术措施安全施工是衡量隧道工程管理水平的主要标志,它直接关系到人身安全和设备的安全。在贯彻“安全第一”和“预防为主”的方针的同时,强调“领导是关键、教育是前提、制度和设施是基础、管理是保证”。建立安全保证体系,合理安排工序进度和关键工序的作业环节,组织均衡生产的同时,要及时解决生产中的进度与安全的矛盾,统一指挥,避免忙乱中出差错,抢工程进度,忽视安全而发生事故;同时必须遵守有关施工规范、安全技术规范、安全规程等。针对各工序如:在洞口段、施工锚杆、喷射混凝土、钢拱架、衬砌等各个环节制定详细的安全措施。2.4.5 降低施工成本的措施隧道施工过程中不可预见的意外事件较多。因此,在处理意外事件时,需将各种有关消耗的费用资料收集齐全,包括各种上报的文件、详细的处理方案、变更设计、施工过程中的原始资料;便于向甲方索赔,避免增加施工成本。实行责任成本管理、经济核算和经济活动分析,建立责任成本管理与控制的经济责任制。贯彻全员、全过程、全方位的成本管理方针,使参加隧道施工的人员的利益与隧道施工成本挂钩,调动生产积极性,发挥最大的工作效率。3 隧道施工方法3.1 常用隧道截面的类型按断面形状分,有圆形隧道、拱形隧道、卵形隧道、矩形隧道等;按位置分,有傍山隧道、越岭隧道、水底隧道和城市地铁隧道等;按衬砌结构分,有直墙式衬砌隧道、曲墙式衬砌隧道、曲边墙及仰拱衬砌隧道等;按隧道内线路数分,有单线隧道、双线隧道和多线隧道等。3.1.1 直墙式曲拱、直墙:适用于以垂直围岩压力为主,水平围岩压力较小的、级围岩。由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组成。3.1.2 曲墙式曲拱、曲墙:适用于地质较差、有较大水平围岩压力的级及以上围岩。它由顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱(或铺底)组成。除在级围岩无地下水且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱外,一般均设仰拱,以抵御底部围岩压力和防止衬砌沉降,并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构,以提高衬砌结构的承载能力。3.2 施工方法概述3.2.1 隧道围岩分级围岩稳定程度与其周围岩体的性质有密切的关系。围岩分级见表3-1。隧道围岩分级表 表3-1围岩级别围岩或土体主要定性特征围岩基本质量指标(MPa)坚硬岩,岩体完整,巨整体或巨厚层状结构550坚硬岩,岩体较完整,块状或厚层状结构;较坚硬岩,岩体完整,块状整体结构550451坚硬岩,岩体较破碎,巨块(石)碎(石)状镶嵌结构;较坚硬岩或较软硬岩层,岩体较完整,块状体或中厚层状结构4503501坚硬岩,岩体破碎,碎列结构;较坚硬岩,岩体较破碎破碎,镶嵌碎裂结构;较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主,岩体较完整较破碎,中薄层状结构350251土体:1.压密或成岩作用的黏土及砂性土;2.黄土(Q1、Q2);3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎破碎;极破碎各类岩体,碎、裂状,松散结构一般第四系的半干硬至硬塑的黏土及稍湿至潮湿的碎石土,卵石土,网砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)。非黏土呈松散结构,黏土及黄土呈松软结构250软塑状黏土及潮湿、饱和粉细砂层、软土层 注:本表不适用于特殊条件的围岩分级,如膨胀性围岩、多年冻土等。3.2.2 施工方法分类目前隧道施工方法可分为:山岭隧道施工方法,包括钻爆法、掘进机法。浅埋及软土隧道施工方法,包括明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法。水底隧道施工方法,包括沉管法、盾构法。具体每种方法的详细流程和关键技术可参阅相关专著。3.2.3 施工方法选择依据在选择开挖方法时应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工区长度、机械配备能力、经济性能等相关因素进行综合分析,选用恰当的开挖方法,尤其应与支护条件相适应。3.3 钻爆法即通过钻眼爆破的方法开挖坑道。它对围岩的扰动破坏较大,同时由于爆破震动易产生坍塌,故一般常用于石质隧道。但随着控制爆破技术的发展,爆破法的运用范围也逐渐加大,如在城市地铁隧道中也有应用。3.3.1 全段面开挖法全段面开挖法是按照隧道设计轮廓一次爆破成型,然后修筑衬砌形成隧道的施工方法。3.3.1.1 适用范围适用于级整体性好的围岩,用于级围岩时,围岩应具备从全断面开挖到支护前这一时间内保持其自身稳定的条件。3.3.1.2 施工特点(1) 工序少,便于施工组织和管理。(2) 开挖一次成型,对围岩扰动小,有利于围岩稳定。(3) 开挖断面大,可采用深孔爆破以提高爆破效果,加快掘进速度。(4) 作业空间大,有利于采用大型施工机械设备,实现综合机械化施工,从而提高劳动生产率,减轻施工人员的劳动强度。3.3.1.3 施工工序流程图隧道全断面开挖施工工序流程见图31。图31 隧道全断面开挖施工工序流程图3.3.1.4 施工要点由于一次开挖断面大,围岩相对稳定性降低,且每循环开挖工作量较大,要求具有较强的开挖、出碴和支护能力。各工序使用的机械设备务求配套,以缩短循环作业时间,合理采用平行交叉作业工序,提高施工进度。利用深孔爆破增加循环进尺,控制周边眼间距及角度改善光面爆破效果,减少超欠挖。及时施做初期支护,根据围岩条件变化及时调整施工方法,确保施工安全。二次衬砌及时紧跟,-级围岩二次衬砌距掌子面距离200m,级围岩80m。在软弱破碎围岩中使用全断面开挖时,应加强辅助施工方法设计与检查,加强动态量测与监控。3.3.2 台阶法隧道断面分上下台阶分二次开挖,台阶长度控制在1B(隧道开挖跨度)左右,同时向前推进。这种方法对地质的适应性较强。3.3.2.1 施工工序流程图见图32。图32隧道台阶法开挖施工工序流程图3.3.2.2 施工要点上台阶施作钢拱架时,采用扩大拱脚和锁脚锚杆等措施,控制围岩和初期支护变形,必要时施作临时仰拱。下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖,下部开挖时要注意上部的稳定,根据稳定情况决定下部循环进尺。当岩体不稳定时需缩短进尺,必要时下台阶分左、右两部错开开挖,并及时施做初期支护和仰拱。施工中解决好上下台阶的施工干扰问题,下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。下台阶施工时要保证初支钢架整体顺接平直,螺栓连接牢靠。3.3.3 分部开挖法3.3.3.1 环形开挖留核心土法环形开挖预留核心土法是将开挖面分成环形拱部、上部核心及下部台阶三部分。根据地质好坏将环形拱部断面分成一块或几块。先开挖上部导坑弧形断面留核心土平台,再开挖下部两侧边墙、中部核心土的隧道开挖方法。一般适用在单线隧道-级围岩,也可用在双线隧道-级围岩地段。3.3.3.1.1 施工工序流程图见图33。图33 环形开挖预留核心土施工工序流程图3.3.3.1.2 施工要点(1)开挖前应在拱部进行超前支护、环形开挖每循环长度0.5-1m左右,开挖后及时施作喷锚支护、安装钢架支撑。(2)每两榀钢架之间采用钢筋连接,并设置锁脚锚杆,全断面初期支护封闭距拱部开挖面不超过15m。(3)预留核心土面积大小根据围岩地质情况,便于施工和满足开挖面的稳定,必要时可喷混凝土保护。(4)上部弧形、左、右侧墙部,中部核心土开挖各错开3-5m进行平行作业。(5)仰拱及填充超前拱墙别全副浇筑,距离掌子面70m。全断面衬砌时间根据监控量测稳定情况及时施作。3.3.3.1.3 施工图片见图34,35。图34 环形开挖预留核心土法示意图图35 施工照片3.3.3.2 弧形导坑法在隧道开挖工程中,在三个台阶上分七个工作面,以前后七个不同位置相互错开同时开挖,然后及时支护形成整体。一般适用于黄土地区隧道施工,也可用于其它-级围岩地段。3.3.3.2.1 施工工序流程图见图36。图36 弧形导坑开挖施工工序流程图3.3.3.2.2 施工要点(1)台阶长度控制在3-5m,及时施作初期支护,配合锁脚锚杆封闭成环,初期支护钢架背后严禁出现空洞。(2)工作面若有失稳现象,应及时用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。(3)应及早施作仰拱和二次衬砌,仰拱施工要尽量提前,防止大断面隧道边墙向内位移。3.3.3.2.3 施工图片见图37。图37隧道弧形导坑施工照片3.3.3.3 中隔壁法(CD法)中隔壁法(CD法)是以中隔壁为界限将隧道分为左右两部分进行开挖,各个部分独立按超短台阶法施工。一般适用于地质条件为-级围岩,也适用于浅埋地层隧道暗挖。3.3.3.3.1 施工工序流程图见图38。图38中隔壁法(CD)法施工工序流程图3.3.3.3.2 施工要点(1)在CD法中,超前支护常用的超前支护类型有超前锚杆、超前小导管注浆及管棚。当隧道地下水发育时,也可采用超前帷幕注浆加固与堵水。超前锚杆、超前小导管注浆施工时,两组超前支护塔接长度不小于1m,超前支护一般要与钢架相配合。(2)左右部的台阶开挖高度根据地质情况、隧道断面大小和施工设备确定。(3)台阶开挖长度3-5m,开挖进尺视围岩状况、钢架间距、超前支护有效长度确定。及时施作初期支护和中隔壁临时支护,左右两侧洞体施工纵向拉开间距一般情况1D2D的距离(D为隧道跨度),并不大于15m。(4)后一侧开挖形成全断面时,应及时完成全断面初期支护闭合。加强排水,防止拱脚岩体软化。(5)中隔壁设置为弧形临时支护,隧道左右开挖面初期支护连接平顺,确保钢架连接状态良好。(6)加强监控量测,确保隧道稳定。初期支护稳定后分段拆除中隔壁临时支护,一次拆除长度应根据变形监控量测信息确定,但不宜超过15m,并加强拆除过程监控量测。(7)临时支护拆除后及时施作隧道仰拱和二次衬砌。3.3.3.4 交叉中隔壁法(CRD法)和CD法稍有不同,在每部台阶施工时增加临时仰拱水平支撑做为横隔板就成为了交叉中隔壁法又称CRD工法,它将大断面隧道分部分块开挖,先开挖隧道一侧的上和下部并施作封闭的初期支护和临时支撑,再开挖隧道另一侧的上和下部分且施作封闭的初期支护和临时支撑,形成隧道初期支护和临时支撑封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法。一般适用于-级围岩,隧道跨度大、对隧道沉降和变形有严格要求时采用,也可用于浅埋隧道施工。3.3.3.4.1 施工工序流程图见图39。图39 交叉中隔壁法施工工序流程图3.3.3.4.2 施工要点(1) 超前支护。采取可靠的超前支护措施对围岩进行超前加固。隧道的拱部和侧壁、中隔墙侧壁都各有可靠的超前支护措施。(2) 隧道按左右部分块实施开挖,每块小断面开挖高度根据地质条件、隧道断面大小和施工设备而定。(3) 每块小断面开挖台阶长度3-5m,机械开挖、人工配合修整,掌子面不稳定时。可留核心土或喷射混凝土封闭掌子面。及时设置临时仰拱封闭成环,缩短成环时间,必要时进行掌子面临时支护。(4) 中隔墙设置为弧形临时支护,隧道左右开挖小断面底部临时仰拱应保持在同一断面上,螺栓连接牢固,及时施作锁脚锚杆(管)。(5) 初期支护稳定后分段拆除中隔壁临时支护,一次拆除长度应根据变形监控量测信息确定,但不宜超过15m,以满足仰拱的衬砌施工的长度为界限,并加强拆除过程监控量测。(6) CRD工法各施工环节要紧凑,尽快使支护结构形成受力体系。临时支护拆除后及时施做隧道二次衬砌。3.3.3.4.3 施工图片见图310。 310 CRD法施工3.3.3.5 双侧壁导坑法双侧壁导坑法是先开挖隧道两侧导坑,然后再分部开挖中部剩余土体的隧道开挖施工方法,一般适用于-级围岩,主要用于大跨、超浅埋、偏压地层或对沉降有严格要求的隧道。3.3.3.5.1 施工工序流程图见图311。图311双侧壁导坑法施工工序流程图3.3.3.5.2 施工要点(1) 采取可靠的超前支护措施对围岩进行超前加固。(2) 侧壁导坑形状应近似椭圆形,导坑断面宽度一般为整个断面的1/3。导坑施工应严格坚持“管超前、短进尺、弱爆破(不爆破)、强支护、勤量测、快封闭”的原则进行施工。(3) 两侧侧壁导坑超前中部10-20m,可独立开挖支护,中部采用台阶法开挖,保持平行作业。(4) 导坑开挖后应及时进行初期支护及临时支护,设置锁脚锚杆,并尽早封闭成环。(5) 中部土体开挖完成,根据监控量测信息,初期支护稳定后拆除临时支护,一次拆除长度控制在1D2D且不超过15m,并加强拆除过程监控量测。(6) 临时支护拆除完成后,及时施作仰拱,然后施工防水设施并进行二次衬砌。(7) 中部岩体的上台阶开挖应进行超前支护,施工中采取预留核心土法稳定掌子面。开挖后及时进行初期支护与临时支护,尽早封闭成环。3.3.3.5.3 施工图片见图312,313。图312 双侧壁导坑法断面分块开挖示意图图313 双侧壁导坑法施工3.4 其它施工方法3.4.1 盾构法盾构法是在软弱地层中修建隧道、管道的先进的施工方法之一,目前应用广泛。盾构(Shield)是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。钢筒的前端设置有支撑和开挖土体的装置,钢筒的中段安装有顶进所需千斤顶;钢筒尾部可以拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离,应在盾尾支护下拼装(或现浇)一环衬砌,并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆,以防止隧道及地面下沉。盾构推进的反力由衬砌环承担。盾构施工前应先修建一竖井,在竖井处安装盾构,盾构开挖出的土体由竖井通道送出地面。盾构法施工工艺见图314所示。1盾构;2盾构千斤顶;3盾构正面网络;4出土转盘;5出土皮带运输机;6管片拼装机;7管片;8压浆泵;9压浆孔;10出土机;11管片衬砌;12盾尾空隙中的压浆;13后盾管片;14竖井图314 盾构法施工示意图3.4.2 全断面掘进机施工(TBM)掘进机法是用隧道掘进机切削破岩,开凿岩石隧道的施工方法。采用掘进机施工具有快速、连续作业、机械化程度高、安全、劳动强度小、对地层扰动小、衬砌支护质量好、通风条件好、减少辅助工程等优点。但它也有对地质条件的依赖性大,设备的型号一旦决定,开挖断面尺寸不可改变;一次性投资大等劣势。全断面掘进机(TBM)又分开敞式和护盾式两类。一般,开敞式掘进机要适合于硬岩隧道的开挖。开敞式和护盾式掘进机的区别在于开敞式掘进机在开挖中依靠撑于岩石壁上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力,开挖后的围岩暴露于机械四周。而盾构掘进机则可在掘进中利用已安装的衬砌管片作为推进的支撑,围岩由于有护盾防护,在护盾长度范围内,不暴露,较适合于软岩的施工。开敞式掘进机分为单支撑和双支撑两种形式。见图315、316所示。其掘进循环好图317、318所示。 1刀盘;2拱顶护盾;3驱动组件;4主梁;5出碴输送机;6后下支撑;7撑靴;8推进千斤顶;9侧护盾;10下支撑;11刀盘支撑图315单水平支撑掘进机示意图1刀盘;2顶护盾;3轴承外壳;4、5水平支撑(前后);6齿轮箱;7出碴输送机;8驱动电机;9星形变速箱;10后下支撑;11扭矩筒;12推进千斤顶;13主机架;14仰拱刮板(前下支撑)图316双水平支撑掘进机示意图图317 开敞式掘进机掘进循环示意图(单下支撑)图318 开敞式报刊机掘进循环示意图(双下支撑)3.4.3 沉管法沉管法是修筑水底隧道常用的施工方法。施工时,先在隧址附近修建的临时干坞内预制管段,预制的管段采用临时隔墙封闭,然后将此管段浮运到隧址的规定位置,此时已于隧址处预先挖好的一个隧底基槽。待管段定位后,向管段内灌水、压载,使其下沉到设计位置,将此管段与相邻管段在水下连接,并经基础处理,最后回填覆土。我国第一条以沉管法施工的水底隧道,是1993年在广州珠江沙面建成的。沉管施工方法见图319所示。沉管隧道施工工序如下:(1)沉埋隧道的制作:在沉埋管理制作场或干船坞内制作;(2)舾装:将从船坞运出的沉管管段装上沉放作业用的锚索装置;(3)浮运:用拖船拖到沉放预定地点;(4)沉放作业:用沉放作业船沉放到预先浚挖好的沟槽内预定位置,与预先沉放的沉埋管段进行水中连接;(5)回填:用砂土回填。因预制管节是在临时干坞里浇筑的,施工场地集中,便于进行全天候、全方位的工程质量管理,管段结构和防水措施的质量亦可以得到保证。由于需要在隧址现场施工的隧道管节段接缝非常少,漏水的可能相应地减少。因为沉管法在隧址的基槽开挖较浅,基槽开挖和基础处理的施工技术较简单,又因沉管受到水浮力,作用于地基的恒载较小,因而对各种地质条件适应性较强。沉管隧道每段管节长达100m左右,整体制作、浇筑、养护后从水面上整体拖运,所需的制作和运输费用,比盾构隧道管片分块制作及用汽车运输所需的费用要低;管段接缝数量少,费用相应减少,沉管隧道可浅埋,比相对深埋的盾构隧道要短很多,所以工程总造价可大幅度降低。沉管隧道施工工期短,一条沉管隧道只需要几节预制管段就可完成,而且管段预制和水底基槽开挖可同时进行,浇筑预制管段等大量施工工作,不在隧位现场上进行,而是在构筑的临时干坞上浇筑管段,管段浮运沉放就位也很快,这就使沉管隧道施工工期比采用其它施工方法的工期要短很多;特别是隧位现场施工工期较短,使隧址受施工干扰的时间较短,这对于在市区内修建水底隧道时,尤其是在水上运输繁忙的航道上建设水底隧道更为有利。基本上没有地下作业;水下作业也极少;施工较安全;管段预制和浮运及沉放等主要工序大部分在水上进行。因为采用先预制后浮运沉放就位连接的施工程序,可以将隧道横向尺寸做得较大,一个横断面内可同时容纳48个车道,断面空间利用率高。沉管法施工对混凝土工艺要求高;当隧道管跨度较大时,会增加挖土方数量及浮运作业的难度,同时隧道的总造价也会增加。水平衡重箱;临时支撑用混凝土块;水平衡镇重物;沉放预定部分;沉放管段;陆上隧道部分图319 沉管隧道施工方法概念示意图3.4.4 顶管法3.4.4.1 概述顶管法施工是在公路与铁路构成立体交叉时采用的一种施工方法。其优点是在不中断既有铁路线的条件下,或列车车速影响较小,同时又能确保铁路交通安全运行的一种构筑立体交叉的方式。它是在线路一侧基坑内先预制好钢筋混凝土箱涵,用顶进设备顶进构筑物穿越铁路,以这种方式建成的结构称为顶管隧道,或称顶进箱涵桥。这种方式还可运用于建造穿越铁路的过水涵管、水渠以及矿山排洪沟等。1976年日本国铁等单位开发的URT工法(under railway tunnelling)是一种采用钢管护顶的施工法,把顶入的钢管作为永久结构对待,使得地道桥上方的覆土可以减薄到最小厚度。所使用的钢管断面是梯形或椭圆形的刚度较大的中空箱形单体。从线路的垂直方向水平压入路基下面,作为横梁支承线路上的荷载,而横梁则支承在与线路平行的主梁上。1977年又开发了PCR工法(prestressed concrete roof ),即预应力混凝土顶盖工法的略称。用预应力混凝土中空方型断面梁,沿横断线路方向水平地逐根压入铁路路基下面,以承受线路上的荷载。一般较多采用下承式梁型和框架型结构(见图3-20)。图320 PCR工法图3.4.4.2 施工流程见图321。图323 顶入法施工流程4 隧道施工主要工序及标准4.1 超前地质预报4.1.1 地质预报内容地层岩性,特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报。地质构造,特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报。不良地质,特别是溶洞、暗河、人为坑洞、放射性、有害气体及高地应力等发育情况的预测预报。地下水,特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层等的预测预报。4.1.2 常用地质预报方法 目前在隧道施工期间采用的超前地质预报方法从专业技术方面可分为常规地质法和物探法两大类,具体有以下几种:(1) 超前导坑;(2) 正洞地质素描;(3) 水平超前探孔;(4) 红外探水;(5) 电磁波法;(6) 弹性波法。4.1.2.1 超前导坑法 超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。针对特长复杂隧道,平行导坑的布置平行于正洞,断面小而且和正洞之间有一定的距离,在导坑中施工过程中遇到的构造、结构面或地下水等情况进行预报。采用平行导坑预报的优点是:平行导坑超前的距离越长,预报也越早,施工中就有充分的准备时间,调整施工安排,还可以起到排水、减压放水,改善通风条件和探明地质构造条件等的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观,精度高,预报的距离长,便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导坑布置在正洞中,其作用与平行导坑相比,效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷:一是成本高;二是在构造复杂地区预报准确度不高。 4.1.2.2 正洞地质素描 地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水的出水状态、围岩的稳定性描述等。正洞地质素描是利用正洞已开挖段的地质情况预报推测前方的不良地质条件。正洞地质素描的优点是不占用施工时间,设备简单,不干扰施工,出结果快,预报的效果好,而且为整个隧道提供了完整的地质资料。缺点是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。 4.1.2.3 水平超前探孔 水平超前探孔方法是在隧道内进行水平钻进,根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断前方的地质情况。优点是比较直观,不足之处一是在复杂地质条件下预报效果较差,很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理,特别是与隧道轴线平行的结构面,其预报无反映;二是钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。 4.1.2.4 红外探测 所有物体都发射出不可见的红外线能量,能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时,所测得的红外场为正常场,当前面存在隐伏含水构造或有水时,他们所产生的场强要叠加到正常场上,从而使正常场产生畸变。红外探水就是据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测,操作简单,能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造,而且可利用施工间歇期测试,基本不占用施工时间。缺点是只能确定有无水,至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。 4.1.2.5 电磁波法 电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行地质预报工作的,目前常用的有地质雷达。 地质雷达超前预报距离1030m,雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性即介电常数差异,若介质之间的介电常数差异大,探测效果就好。在洞内测试时,要注意可能由于受干扰因素较多,往往造成假的异常,形成误判。4.1.2.6 弹性波法 弹性波超法可分为地震反射法(负视速度法)和水平声波剖面法。当弹性波向地下传播时,遇到波阻抗不同的地层界面时,将遵循反射定律发生反射现象。当介质的波阻抗差异愈大,反射回来的信号就愈强。 4.1.3 各种方法的优缺点 在综合地质超前预报中的各种物探方法中:超前导坑法成本太高、在构造复杂地区准确度不高;正洞地质素描法对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报;水平超前探孔法在复杂地质条件下预报效果较差、很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理、钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来;红外探测法这种方法只能确定有无水,至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释;电磁波法干扰因素较多,往往造成假的异常,形成误判。由于隧道地质情况的复杂性加上人们对地球认识的局限性,给隧道地质超前预报带来了很多困难,只有借助一些外部工具加上一定的地质知识和实地的地质资料来分析、预报,争取达到更好的效果。4.1.4 地质预报技术关键(1)研究区域地质、工程地质资料,必要时进行地表补充测绘和勘探,对整个地区地质情况做到比较全面和深刻的认识,分析主要工程地质问题、主要地质灾害隐患及其分布范围,在隧道内揭示的大致里程,制订预报方案。(2)根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度和工程设计资料,对不同地段地质预报分级,不同类型和级别的地段采取不同的预报手段。(3)隧道施工前制订好不良地质地段应急预案,浅孔钻探发现地质突变或含水时,立即采取处理措施。(4)配备先进仪器,结合有丰富经验的地质、施工人员进行综合分析论证。4.1.5 超前地质预报流程地质预报虽然有很多种的方法,但是在具体操作工艺上有共同的东西,一般的操作流程如下工艺图41所示。图41 超前地质预报工序流程图4.2 技术交底根据集团公司项目技术管理标准对于技术工作的程序化要求,技术交底是在项目进行了前期策划,并且进行了施工调查,核对了设计文件,施工组织设计编制完成,开工后进行的一项重要的技术工作,它是对项目策划意图、施工组织部署安排的具体落实和体现,伴随着工程的始终。4.2.1 技术交底的目的使参与施工的人员熟悉和了解拟建工程项目的特点、设计意图、技术要求、施工工艺、材料要求、质量标准、成品保护以及质量检验、管理的要求,以便科学地组织施工和合理地安排工序。4.2.2 技术交底的分类与职责4.2.3 施工组织设计交底由项目技术负责人向工程项目施工管理人员、技术人员、专业工长进行有关施工组织安排、施工方案、技术安全措施及质量目标等交底。4.2.4 分项工程施工技术交底由项目技术负责人(或专业工长)向班组长和操作人员进行有关分项工程操作方法、技术要求、质量标准等交底。4.2.5 技术交底程序见图42。图42 技术交底程序专题交底会议中,由编制人员对相关部门、生产副经理及作业班组进行讲解并发布书面资料。4.2.6 技术交底的内容与基本要求(1) 交底的主要内容包括:设计内容、技术标准、工程特点、任务划分、工期、进度安排、施工方案与要求、设备物资供应的安排、工序搭接关系、工艺质量标准、成品保护措施、安全保证措施、职业健康与环境保护措施、文明施工等。(2) 技术交底应贯彻施工全过程,由项目总工程师或主管工程师负责。(3) 技术交底应以书面形式分层次逐级进行。向作业队(工班)的技术交底应按作业内容分工序进行。(4) 技术交底资料应有交底人、复核人、接底人的签字,形成文件,予以保存。4.3 钻爆作业4.3.1 爆破设计4.3.1.1 炮眼的种类和作用(1) 掏槽眼:针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点,为提高爆破效果,宜先在开挖断面的适当位置(一般在中央偏下部)布置几个装药量较多的炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔,为后续炮眼的爆破创造新的临空面。(2) 辅助眼:位于掏槽眼与周边眼之间的炮眼称为辅助眼。其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔,为周边眼爆破创造临空面。(3) 周边眼:沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。其作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。按其所在位置的不同,又可分为帮眼,顶眼,底眼。(4) 爆破的关键是掏槽眼和周边眼的爆破,掏槽眼为辅助眼和周边眼的爆破创造了有利条件,直接影响循环进尺和掘进效果;周边眼关系到隧道开挖边界的超欠挖和对周围围岩的影响。4.3.1.2 掏槽形式4.3.1.2.1 斜眼掏槽斜眼掏槽的特点是掏槽眼与开挖断面斜交,它的种类很多,隧道爆破中常用的是垂直楔形掏槽和锥形掏槽。斜眼掏槽具有操作简单,精度要求较直眼掏槽低,能按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度,易把岩石抛出,掏槽眼的数量少且炸药耗量低等优点。但是, 眼深易受开挖断面尺寸的限制,不易提高循环进尺,也不便于多台凿岩机同时作业。4.3.1.2.2 直眼掏槽直眼掏槽由若干个垂直于开挖面的炮眼所组成,掏槽深度不受围岩软硬和开挖断面大小的限制,可以实现多台钻机同时作业,深眼爆破和钻眼机械化,从而为提高掘进速度提供了有利条件。由于直眼掏槽凿岩作业较方便,不需随循环进尺的改变而变化掏槽形式,仅需改变炮眼的深度,且石碴的抛掷距离也可缩短,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,对眼距,装药等要求严格,往往由于设计或施工不当,使槽内的岩石不易抛出或重新固结而降低炮眼利用率。4.3.1.3 隧道爆破的参数设计 4.3.1.3.1 炮眼直径根据岩性,凿岩设备和工具,炸药性能等综合分析,合理选用孔径。一般隧道的炮眼直径在32mm50mm之间。4.3.1.3.2 炮眼数量炮眼数量主要与开挖断面,炮眼直径,岩石性质和炸药性能有关,炮眼的多少直接影响凿岩工作量。炮眼数量应能装入设计的炸药量,通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算。4.3.1.3.3 炮眼深度炮眼深度是指炮眼底至开挖面的垂直距离。合适的炮眼深度有助于提高掘进速度和炮眼利用率。随着凿岩,装碴运输设备的改进,目前普遍存在加长炮眼深度以减少作业循环次数的趋势。4.3.1.3.4 装药量的计算及分配眼装药量的多少,是影响爆破效果的重要因素。药量不足,会出现炸不开,炮眼利用率低和石碴块度过大;装药量过多,则会破坏围岩稳定,崩坏支撑和机械设备,使抛碴过散,对装碴不利,且增加了洞内有害气体,相应地增加了排烟时间和供风量等。 目前多采取先用体积公式计算出一个循环的总用药量,然后按各种类型炮眼的爆破特性进行分配,再在爆破实践中加以检验和修正,直到取得良好的爆破效果为止的方法。4.3.1.4 炮眼的布置原则及方式(1) 布置原则先布置掏槽眼,其次是周边眼,最后是辅助眼。掏槽眼一般应布置在开挖面中央偏下部位,其深度应比其它眼深15cm20cm。为爆出平整的开挖面,除掏槽和底部炮眼外,所有掘进眼眼底应落在同一平面上。底部炮眼深度一般与掏槽眼相同。 周边眼应严格按照设计位置布置。断面拐角处应布置炮眼。为满足机械钻眼需要和减少超欠挖,周边眼设计位置应考虑0.030.05的外插斜率。并应使前后两排炮眼的衔接台阶高度(即锯齿形的齿高)最小为佳。此高度一般要求为10cm左右,最大也不应大于15cm。 辅助眼的布置主要是解决炮眼间距和最小抵抗线的问题,可由施工经验决定,一般抵抗线W约为炮眼间距的60%80%,并在整个断面上均匀排列,当采用2号岩石铵梯炸药时,W值一般取0.6m0.8m。当炮眼的深度超过2.5m时,靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角。当岩层层理明显时,炮眼方向应尽量垂直于层理面。如节理发育,炮眼应尽量避开节理,以防卡钻和影响爆破效果。 (2) 布置方式直线形布眼:将炮眼按垂直方向或水平方向,围绕掏槽开口呈直线形逐层排列。这种布眼方式,形式简单且易掌握,同排炮眼的最小抵抗线一致,间距一致,前排眼为后排眼创造临空面,爆破效果较好。 多边形布眼:这种布眼是围绕着掏槽部位,由里向外,将炮眼逐层布置成正方形,长方形,多边形等。 弧形布眼:顺着拱部轮廓线,逐圈布置炮眼。此外,还可将开挖面上部布置成弧形,下部布置成直线形,以构成混合型布置。 圆形布孔:当开挖面为圆形时,炮孔围绕断面中心逐层布置成圆形.这种布孔方式,多用在圆形隧道,泄水洞以及圆形竖井的开挖中。4.3.2 钻孔、检查目前,在隧道开挖爆破过程中,广泛采用的钻孔设备为凿岩机和钻孔台车。为保证达到良好的爆破效果,施钻前,应由专门人员根据设计布空图现场布设,必须标出掏槽眼和周边眼的位置,严格按照炮眼的设计位置、深度、角度和眼径进行钻眼,在炸药装入炮眼前,应将炮眼内的残碴积水排除干净。4.3.3 装药装药时应严格按照设计的炸药量进行装填。隧道爆破中常采用的装药结构有连续装药,间隔装药及不偶合装药等。连续装药结构按照雷管所在位置不同又可分为正向起爆,反向起爆和双向起爆三种起爆形式。 实践表明,反向起爆有利于克服岩石的夹制作用,能提高炮眼利用率,减小岩石破碎块度,爆破效果较正向起爆为好。但反向起爆较早装入起爆药卷,会影响后续装药质量,在有水情况下,起爆易受潮拒爆,还易损伤起爆引线,机械化装药时易产生静电早爆。隧道周边眼的装药结构常用小直径连续装药,间隔装药,导爆索装药和空气柱装药。一般宜选用小直径连续装药或间隔装药结构;当岩石很软时,可用导爆索装药结构;眼深小于2m时,可采用空气柱装药结构。4.3.4 堵塞起爆隧道内所用的炮眼堵塞材料,一般为砂子和粘土混合物,其比例大致为砂子50%40%,粘土50%60%。堵塞长度视炮眼直径而定。当炮眼直径为25mm或50mm时,堵塞长度不能小于18cm和45cm。堵塞长度也和最小抵抗线有关,通常不能小于最小抵抗线。堵塞方法可采用分层捣实法进行。起爆网络是隧道爆破成败的关键,它直接影响爆破效果和爆破质量,起爆网络必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间起爆。目前在无瓦斯与煤尘爆炸危险的铁路隧道中进行爆破开挖多采用导爆管起爆系统起爆。4.3.5 爆破效果检查隧道爆破质量直接影响隧道施工的安全,掘进速度以及经济效益。爆破时,围岩的破坏范围过大,将威胁到施工安全;石碴块度过大,将会影响装运速度;眼底不平,炮眼利用率不高,会影响掘进速度;光爆效果不好,超挖过大,则是造成经济效益不好的直接原因。根据长期总结的经验,并考虑到铁路隧道施工的现状,一般可参照以下质量检验标准: 大块一般不宜超过30cm,大型装碴机允许5060cm,碴堆集中,最大抛距20m,双线隧道深眼爆破时为30m。4.3.6 瓦斯隧道爆破作业的技术要求在具有瓦斯爆炸危险的隧道中进行爆破作业,必须遵守爆破安全规程,煤矿安全规程及铁路瓦斯隧道爆破的暂行技术规定等的要求。(1)瓦斯隧道施工单位的各级行政领导是安全生产的第一责任者,必须加强责任心。(2)专职的瓦斯安全检查员,爆破工,电工和各种设备司机,必须进行专门的安全技术培训,并经考试合格后,持证上岗。(3)有瓦斯突出危险的隧道,应单独编制预防瓦斯突出的实施性施工组织设计。瓦斯区段的施工均应进行瓦斯监测,设置消防设施,并配备兼职救护队。(4)铁路隧道含瓦斯区段必须采用普通光电测距仪测量时,其工作范围内的瓦斯浓度必须小于0.5%。(5)洞内装碴时,必须将石碴润湿,装碴机铲斗不得猛力与石碴碰击。 (6)
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