地鐵隧道礦山法施工的安全與質量控制原理教學課件

1、地鐵隧道礦山法施工的安全與質量控制原理一、地鐵隧道礦山法施工的安全與質量控制原理地鐵隧道礦山法施工即新奧法施工。新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method，簡稱為NATM。新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲教授于二十世紀50年代提出的。我國近40年來，鐵路、交通、水利與市政等部門通過科研、設計、施工實踐，在許多隧道修建中，根據自己的特點成功地應用了新奧法，取得了較多的經驗，積累了大量的數據。新奧法在市政地鐵建設中起步較晚，但是近年來在許多省市地鐵建設的應用正日益廣泛，目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，其技術經濟

2、效益是明顯的。下面結合新奧法施工的原理和要點，介紹地鐵隧道礦山法施工的安全與質量控制原理及要點。新奧法是以隧道工程經驗和巖體力學理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的施工方法，已成為現代隧道工程新技術的標志之一。新奧法技術摒棄了以整體式混凝土襯砌被動地支撐洞室圍巖的傳統(tǒng)做法，改由柔性、薄壁、能與圍巖緊密帖合的錨噴網支護保護、加固圍巖，從而發(fā)揮圍巖的自承與自穩(wěn)能力形成天然承載結構，從而達到省工、省料和降低造價的目的。 新奧法的基本要點可歸納如下： 1巖體是隧道結構體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強度。為此，施工中斷面分塊不

3、宜過多，開挖應當采用光面爆破、預裂爆破或機械掘進。 2為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應采用能與圍巖密帖、及時筑砌又能隨時加強的柔性支護結構，例如，錨噴支護等。這樣，就能通過調整支護結構的強度、剛度和它參加工作的時間（包括閉合時間）來控制巖體的變形。 3為了改善支護結構的受力性能，施工中應盡快閉合，而成為封閉的筒形結構。另外，隧道斷面形狀應盡可能圓順，以避免拐角處的應力集中。 4通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進行設計變更及日常的施工管理

4、。 5為了敷設防水層，或為了承受由于錨桿銹蝕，圍巖性質惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復合式襯砌。 6二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護結構形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度。 上述新奧法的基本要點可扼要的概括為：“少擾動、早錨噴，勤量測、快封閉”。復合柔性支護和基于現場施工監(jiān)測及信息反饋分析的信息化施工是新奧法的核心和關鍵。新奧法施工中尤其要重視初期支護以發(fā)揮圍巖的自承能力，公路隧道設計規(guī)范（JTG D702004）（以下簡稱設計規(guī)范）中明確規(guī)定：“復合式襯砌中的二次襯砌，級圍巖中為安全儲備，并按構造要求設計；、級圍巖中為承載結構，可采用地層

5、結構法計算內力和變形?！?。可見，級圍巖中完全依靠初期支護控制圍巖變形，而在、級圍巖中更應重視初期支護，必要時采取輔助措施，充分保護和發(fā)揮不良地質圍巖的自承能力。重視初期支護包括兩方面的內容：（1）初期支護要及時，即使、級圍巖也要注意，這兩級圍巖采用光面爆破后也會出現個別地方的巖石松動，如果不及時打上錨桿，也會因后面的爆破擾動，將已松動的巖石震下來。對、級圍巖由于本身的自穩(wěn)能力差，變形時間效應比、級圍巖要小得多，不把握初期支護時間，等到巖石松動時才去支護，就失去利用圍巖自身承載能力的機會。（2）初期支護要緊帖圍巖，用初期支護緊帖圍巖并形成整體才能調動圍巖自身承載能力共同控制圍巖變形，如果初期支護

6、同圍巖帖合不緊，形成空隙，使支護與圍巖分離，提供了圍巖變形的空間條件并不斷向圍巖深處發(fā)展，造成松動破壞區(qū)擴大，最后由初期支護單獨承擔荷載，易使支護失穩(wěn)、圍巖坍塌。二、地鐵隧道礦山法施工的安全與質量控制要點1、洞口段施工質量控制隧道施工中，洞口段圍巖一般比較破碎、地質條件較差，應遵循盡量減少對巖體擾動的原則，以提高洞口段巖體和邊、仰坡的穩(wěn)定性。設計規(guī)范及施工規(guī)范均作了規(guī)范性要求，強調“早進洞、晚出洞”，盡量避免大挖大刷，在保持邊、仰坡穩(wěn)定的前提下，及時施作洞口，并在進洞之前，結合洞口的實際情況，先作好洞口地表的防排水措施。在大斷面、淺埋和地質條件差的情況下通常采用地表預注漿、超前長管棚注漿等預加

7、固措施。隧道洞口段施工質量控制重點是進洞施工質量和地表預加固質量。 （1）進洞施工要嚴格遵循“短進尺，小循環(huán)，早錨噴，強支護，快封閉”的原則，及時施作洞門及其排水系統(tǒng)。通常可采用短臺階或超短臺階法施工，先施工上臺階，凡能用十字鎬、風鎬進行人工施工的情況，不允許爆破；需爆破時，可采用由隧道中心掏槽分段起爆，嚴格控制藥量，人工風鎬修邊，控制超欠挖，減少對圍巖的擾動。開挖斷面尺寸修整至設計要求后，及時進行初期支護，一般可初噴混凝土一層，然后打系統(tǒng)錨桿并架設鋼格柵、掛鋼筋網，最后噴射砼至設計厚度。施工中要監(jiān)測圍巖變形速率和變形量，量測項目包括水平位移收斂、拱頂下沉及拱頂地表下沉，發(fā)現異常及時調整施工工

8、藝并采取輔助措施。 （2）洞口預加固措施一般有兩種：地表預加固，主要措施有錨網噴支護、地表注漿、地表錨桿、抗滑樁、錨索等；洞口正面圍巖預加固，主要措施有超前長管棚注漿、超前小導管注漿（配合格柵鋼架）、掌子面封閉等。以下強調幾種常用的預加固措施的施工質量控制重點。錨網噴支護，可加固地表，防止因降水造成滑坡。一般在刷好邊、仰坡后，采用錨網噴對地表給予加固。錨桿錨桿可采用全長砂漿錨桿或中空注漿錨桿，錨桿直徑、長度、布置方式及掛網規(guī)格和噴射砼標號可根據地質條件確定，。施工質量控制重點：鋼筋網必須與錨桿焊接，且鋼筋網須用點焊焊成整體；噴砼時必須保證鋼筋網保護層厚度滿足設計要求。地表注漿預加固，一般應用于

9、圍巖較差的淺埋隧道，通常采用熱軋無縫鋼管作為套管，呈梅花形布置；一般圍巖段(涌水量不大)采用穩(wěn)定性、粘度、可注性、結石強度及抗?jié)B性均較好的超細水泥單注漿，特殊地段(富含地下水)采用超細水泥與水玻璃雙注漿。在施工中要保證漿液原材料的質量和漿液配合比，根據地層地質條件確定漿液配比、注漿壓力及注漿孔間距。以往采用地表注漿預加固洞口段的工程中，有在隧道開挖中發(fā)現注漿局部區(qū)域內漿液不呈樹狀滲透至巖層中，而是呈團狀包裹在鋼管周圍的現象。該情況主要是漿液配比與地層不匹配及注漿壓力不足造成的。在地表注漿預加固施工中要強調必須根據地層地質條件確定漿液配比，并保證注漿壓力滿足設計要求。同時要強調合理確定注漿范圍，

10、范圍過大，會增加工作量和材料成本，范圍過小，不能達到預期目的，甚至會給施工留下隱患危及施工安全，必須根據地質條件合理確定注漿范圍，并依此確定注漿孔間距。施工中應注意先灌注邊孔，使松散圍巖形成一個相對封閉的注漿環(huán)境，達到不漏漿、不跑漿；然后依次向內推進。每排注漿孔中，宜間隔交替注漿。施工質量控制重點：按照設計孔位開孔，嚴格控制孔口位置偏差在設計允許范圍內；注漿工程中監(jiān)控注漿壓力變化，若突然增大或減小，應停機檢查，查明原因采取措施后方可繼續(xù)注漿；注漿結束前，應采用最大注漿壓力閉漿一段時間，一般可取10分鐘左右，并及時封堵注漿口。超前長管棚注漿，長管棚超前支護距離長，整體剛度大對圍巖變形限制能力強，

11、能承受早期圍巖壓力；注漿能改善圍巖狀況，提高圍巖自承能力，對防止圍巖初期松弛、土體坍塌有顯著效果。超前長管棚注漿主要適用于圍巖壓力來得大且快，對圍巖變形及地表下沉有嚴格控制要求的軟弱破碎圍巖隧道。長管棚一般采用熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距可取3050cm，沿隧道周邊的外插角可取24°，有孔、無孔鋼管交叉布設。在洞口前端設置長套拱作為管棚導向墻，套拱內預埋U型鋼并與孔口套管焊接牢固，施工中要保證孔口套管與沿拱圈環(huán)向布設間距、位置及方向應準確。鉆孔完成后及時安設管棚鋼管，避免出現塌孔。待有孔鋼管已全部注漿完畢后，再進行無孔鋼管的鉆孔、安設。施工中質量控制重點：（a）鉆孔前掌子面必須按要求先噴一

12、層素混凝土作為止?jié){墻，以確保掌子面在進行壓力注漿時不出現漏漿、坍塌。鉆孔時根據地質情況選擇加泥漿護壁或可加套筒或將鉆頭直接焊接在鋼管前端鉆進，并保證成孔角度；（b）鋼管逐節(jié)頂入，采用絲扣連接，隧道同一斷面處的接頭數不大于50，相鄰鋼管接頭至少應錯開1m，并及時將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實?？v向兩組管棚間應有不小于3.0m的水平搭接長度。要保證鋼管外露端法蘭盤、止?jié){閥的焊接質量；（c）注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現象，如發(fā)生串漿，應立即停止注漿，并采取措施（如快硬水泥砂漿或錨固劑封堵）或采用間歇式注漿封堵串漿口，直至不再串漿時再繼續(xù)注漿。注漿過程中壓力如突然升高，可能發(fā)生

13、堵管，應停機檢查。注漿結束前，應采用最大注漿壓力閉漿一段時間，一般可取5分鐘左右,并及時封堵注漿口；（d）施工中應及時檢驗注漿效果：對注漿加固區(qū)進行鉆孔取芯，觀察注漿充填情況；另外在進行無孔鋼管鉆孔時觀察孔內涌水顏色及涌水量，水顏色如較澄清或夾帶水泥渣塊，涌水量較小，則注漿效果較好，如涌水為泥漿顏色或涌水量較大時，應補注或重注。超前小導管注漿（配合格柵鋼架），注漿小導管既能加固洞周一定范圍內圍巖，又能支撐圍巖，其支護剛度和預支護效果均好于超前錨桿。超前小導管配合格柵鋼架具有類似管棚的作用，支護能力較大。雖然支護能力弱于管棚，但簡單易行、靈活經濟。小導管一般采用熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距可取2040

14、cm，沿隧道周邊的外插角可取1020°。施工中質量控制重點：（a）縱向兩組小導管間應有不小于1.0m的水平搭接長度；（b）漿液可采用純水泥漿或加入水玻璃，根據地質情況確定漿液配比及注漿壓力（參見地表注漿要求）；（c）注漿過程中應注意：小導管注漿前，應對開挖面及5m范圍內的隧道噴射厚為510cm的混凝土封閉；保證注漿壓力滿足要求，必要時可在孔口設置止?jié){塞，止?jié){塞應能承受規(guī)定的最大注漿壓力；注漿結束標準：注漿壓力逐步升高，當達到設計終壓并繼續(xù)注漿10min以上、與設計注入量大致接近；注漿后至開挖前的時間間隔，視漿液種類而定，一般宜為48h，開挖時應保留1.52.0m的止?jié){墻，防止下次注漿

15、時孔口跑漿；（d）格柵鋼架拱腳處設置鎖腳錨桿，防止開挖下臺階時，鋼架移動和下沉。2、洞身開挖質量控制公路隧道多采用雙洞四車道，加上路緣、余寬、檢修道，內空建筑寬度一般在9.2510.25m。與水工、鐵路隧道相比，公路隧道斷面大，對圍巖擾動大，對圍巖塊體切割多，且為滿足公路建筑界線的要求，多采用扁平斷面型式，使拱頂圍巖處于非常不利的應力狀態(tài)。因此公路隧道洞身開挖的不利因素多，難度大，必須加強質量控制。開挖施工的質量直接影響隧道的穩(wěn)定性以及工程造價，若開挖表面不平整將導致局部圍巖應力集中，并且影響防水層和二次襯砌施工，形成存水空洞；若發(fā)生超挖過多，不僅會增加出渣和回填工程量，并且容易出現由于回填質

16、量差而不能確保支護與圍巖緊密帖合形成一體的現象，從而造成影響隧道穩(wěn)定性的隱患；若發(fā)生欠挖，則會影響隧道凈空或減小二次襯砌厚度影響工程質量和安全。隧道洞身開挖質量控制有兩個方面：（1）開挖斷面規(guī)整程度的控制首先必須根據圍巖類型選擇合適的斷面開挖方法，級圍巖可采用全斷面法開挖；對于、級圍巖可采用臺階法、單側壁導洞法、雙側壁導洞法等進行全斷面開挖或采用半斷面開挖的方法。對于、級圍巖采用全斷面開挖時，各種方法均存在開挖與支護互相干擾的情況，要注意完善施工組織和管理，嚴格遵循“短進尺，弱爆破”的原則，減少對圍巖及已施工的支護的擾動。當采用半斷面開挖方法時，下半斷面開挖厚度及用藥量要嚴格控制，減小擾動，防

17、止拱部圍巖失穩(wěn)。同時按設計及施工規(guī)范要求對水平收斂值、拱頂下沉值進行嚴格監(jiān)控量測，并將量測結果及時反饋、指導施工。尤其對于不良地質地段，在開挖前必須用地質雷達、超前小導坑等方法做好超前地質預報工作，同時做好預加固、預支護等輔助施工措施。其次，隧道開挖一般采用鉆爆法施工，應根據圍巖類型選擇合適的施工工藝。對于硬巖應采用光面爆破，注意以下幾點：放樣準確，打眼準確，周邊眼采用小直徑或間隔裝藥，全斷面施工的微差控制爆破技術，定期和及時檢查斷面，以便及時反饋、調整；對于軟巖應采用預裂爆破，注意以下兩個方面：（1）根據現場爆破成縫試驗確定預裂孔間距孔徑和線裝藥密度 (即單位長度鉆孔的裝藥量)，及藥卷直徑小

18、于孔徑的不偶合裝藥方式的裝藥不耦合系數；（2）確定預裂爆破各參數后，要嚴格控制預裂孔的成孔質量預裂孔的角度不能超過允許范圍，否則需廢孔移位重新開孔；預裂孔的孔間距要滿足爆破設計要求，若孔間距過大，則進行插孔處理；預裂孔的孔深要滿足爆破設計要求，末達規(guī)定深度須進行補鉆。開挖輪廓面的規(guī)程程度要滿足：巖面上不應存在明顯的爆破裂縫，周邊炮眼痕跡分布均勻、保存率應滿足：硬巖80、中硬巖70、軟巖50；兩茬炮的銜接臺階形誤差不大于15cm；爆破石渣的破碎程度與裝渣機械相適應。（2）斷面尺寸及超欠挖的控制隧道開挖斷面的尺寸要符合設計的要求，在圍巖較軟且圍巖壓力較大的情況下，圍巖變形較大，應根據計算及實測施工

19、數據預留變形量及支撐沉落量，防止出現凈空不夠的現象。評定標準根據圍巖情況和部位確定了不同的超、欠挖規(guī)定值及允許偏差。需要強調的是，隧道的開挖質量檢測不是僅對某一斷面進行檢驗評價，而是在一個長度段內連續(xù)測量若干等距的斷面，對所有實測數據綜合計算分析，最后得出該段的開挖質量檢測結果。在實際施工中，對超、欠挖的檢測除了用水準儀、斷面儀測量或尺量以外，還可通過比較實際出渣量與設計出渣量、實際襯砌混凝土量與設計襯砌混凝土量的方法來測定，如發(fā)現問題，及時查找原因并予以解決。3、支護質量控制按照新奧法理論，隧道開挖后要及時支護，限制圍巖的變形，以減小支護承受的荷載并發(fā)揮圍巖自承能力。目前公路隧道施工多采用錨

20、噴支護，在圍巖較差的地段可采用鋼支撐，包括鋼格柵及型鋼支撐。鋼支撐的施工質量控制重點為加工質量和安裝質量。其中加工質量主要包括加工尺寸、鋼支撐的強度和剛度以及焊接質量，鋼筋格柵質量要求可按照鋼筋骨架加工標準；安裝質量主要包括安裝尺寸，包括標高和間距；安裝傾斜度，包括平面和縱面；鋼架的連接與固定質量，鋼架應有牢固的基礎并與圍巖密帖，同時與錨桿焊接牢固，形成一個承載整體。錨噴施工支護必須緊跟開挖面實施，錨噴前要清除松動巖塊和墻腳巖碴，用風或水清洗待噴面。錨噴支護施工質量控制重點是錨桿的加工質量、安裝質量及噴射混凝土的原材料質量和噴射施工質量。（1）錨桿的加工質量包括錨桿材料質量，如抗拉強度和延展性

21、與彈性；以及錨桿規(guī)格對長度、直徑及錨桿車絲、熱鍛、焊接質量的要求；（2）錨桿安裝質量主要包括錨桿間距、排距及鉆孔的深度、角度、直徑、孔形等項目，以及沖孔質量（是否將孔內巖粉全部沖洗出來）和吹孔質量（是否將孔內積水全部吹干凈，無明水）及錨桿入孔深度；對于中空注漿錨桿還包括注漿管要按照施工規(guī)范要求插至距孔底510cm處，停止注漿時，孔口應溢出砂漿，并注意在砂漿終凝前，不得使錨桿受到碰撞；最后進行錨桿拉拔力測試、砂漿飽滿程度測試；（3）關于錨桿要強調一點，錨桿是錨噴支護的核心，錨桿的施作質量直接關系到施工和運營的安全。過去許多已建隧道和在建隧道均大量使用普通砂漿錨桿，主要是因為它施工工藝簡單，成本低

22、廉。但是它存在致命弱點：大仰角插入錨桿時漏漿嚴重，砂漿難以飽滿，達不到全長粘結要求；注漿時無壓力或壓力很小，砂漿不能進入圍巖裂隙，對圍巖的加固作用??；插入錨桿時不能準確的將錨桿桿體居中于錨桿孔，難以保證錨桿必要的砂漿保護層厚度。從長期效果看，錨桿易腐蝕、失效，從而在運營期間易出現襯砌開裂、漏水等病害。近年來，公路隧道中開始采用了中空注漿錨桿、自進式錨桿和水力膨脹式錨桿等新型式。從實際效果看：中空注漿錨桿可以有效地克服普通砂漿錨桿的缺點，同時還克服了自進式錨桿價格較高、難以推廣的缺點，使用效果好。施工中必須嚴格按照設計要求選用錨桿型式，堅決杜絕以普通砂漿錨桿代替中空注漿錨桿的情況出現；（4）噴射

23、混凝土的質量控制主要是保證混凝土的原材料質量滿足設計要求，且配合比要滿足規(guī)定的配合比要求；（5）混凝土噴射施工質量控制重點：宜采用回彈率小、粉塵少、混凝土均勻性好的濕噴技術；在噴射砼之前，檢查噴射混凝土厚度的控制標志是否在系統(tǒng)錨桿上標出；受噴面是否沖洗干凈并已通過驗收；嚴格控制噴頭與受噴面的距離及噴頭噴射方向與受噴面的夾角滿足施工規(guī)范要求；噴射作業(yè)要自下而上，分段分層進行，首次噴層厚度一般可控制為5cm；初噴完成后，應及時清除坡面上的回彈混凝土，然后才能進行復噴到設計厚度，每次噴射厚度宜控制在56cm；注意保證混凝土要及時養(yǎng)護，且養(yǎng)護時間應滿足規(guī)范要求。若采用鋼纖維噴射混凝土，則施工質量控制的

24、重點除上述以外還有：保證拌合料中鋼纖維必須均勻，以確保噴射到受噴面上的砼中鋼纖維均勻分布；嚴格控制拌合料中鋼纖維的比例滿足設計要求。4、防排水系統(tǒng)質量控制公路隧道的防排水要求高，目前的公路隧道防排水系統(tǒng)多為采用夾在二次襯砌與初期支護之間的高分子防水卷材防水層，和沿隧道壁環(huán)向、縱向、橫向設置的排水盲管，將滲水引排至縱向排水管集中排除。鐵道系統(tǒng)已頒布了鐵路隧道防排水技術規(guī)范（TB 10119-2000/J 72-2001），公路系統(tǒng)尚未出臺專門的隧道防排水技術規(guī)范，公路隧道防排水系統(tǒng)的質量控制根據檢評標準和施工規(guī)范的有關規(guī)定進行。（1）防水系統(tǒng)質量控制主要包括防水措施施工質量和防水層質量兩個方面防

25、水措施是在開挖或初期支護噴射砼后，對仍有滲、滴水的地段采用壓漿措施，其施工質量控制重點是漿液的原材料質量和漿液配合比，壓漿時要保證注漿壓力和時間；局部出水嚴重的地點應安設引水盲溝，滲水量較大的地段應加密引水盲溝，盲溝與兩側排水溝連接妥當，安設后應進行專門的檢查。防水層的質量控制包括材料質量與安裝質量兩部分。對于高分子防水卷材的質量要求主要是抵抗施工破壞的能力強、耐老化、耐酸堿、低溫柔性好、壽命長等。施工中應對材料質量進行檢測，包括長度、寬度和厚度檢測，并需要按照規(guī)定的尺寸和形狀裁出試件，進行拉伸強度、扯斷伸長率、撕裂強度檢測、耐老化檢測和低溫柔性試驗等。防水層的安裝質量包括防水層的接頭質量與吊掛施工質量。接頭質量控制重點：接頭寬度應滿足要求，采用粘接或焊接。采用熱合機焊接時，搭接長度應不小于10cm，控制焊接溫度和速度，避免漏焊和過焊。接頭應牢固，強度不小于同質材料，不得有氣泡、褶皺及空隙。焊縫宜采用雙焊縫，中間留空腔以便充氣檢查。鋪設防水層以前要清除初期支護表面外露的鋼筋頭、錨桿頭和砼尖角，避免在施工時劃破防水層。吊掛固定點間防水層不得繃緊，以使得防水層在混凝土灌注后與噴射砼支護面密帖。施工中應加強目測觀察，用手托起防水層，看是否與噴射混凝土密帖，在拱頂呈水平狀或下垂的范圍不得超過1m2，并保證防水層無劃破現象。（2）排水系統(tǒng)的質量控制也包括材料質