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1、重庆交通大学教案第10章 隧道施工方法及其基本作业10.1 概述10.1.1 隧道工程特点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，保证隧道长期地安全使用。在进行隧道施工时，必须充分考虑隧道工程的特点，才能在保证隧道安全的条件下，快速、优质、低价地建成隧道建筑物。隧道工程的特点，可归纳如下： （1）整个工程埋设于地下，因此工程地质和水文地质条件对隧道施工的成败起着重要的、甚至是决定性的作用。例如：当年修建穿越阿尔卑斯山的圣哥达隧道时，由于遇到事先未料到的高温（41C）和涌水（660lmin），给施工带来很多困
2、难，最后延期二年才完成。因此，不仅要在勘测阶段做好详细的地质调查和勘探，尽可能准确地掌握隧道工程范围内的岩层性质、岩体强度、完整程度、地应力场、自稳能力、地下水状态、有害气体和地温状况等资料，并根据这些原始材料，初步选定合适的施工方法，确定相应的施工措施和配套的施工机具。而且，由于地质条件的复杂性和勘探手段的局限性，在施工中出现前所未料的情况仍不可避免。因此，在长大隧道的施工中，还应采取试验导坑（如日本青函隧道）、水平超前钻孔、声波探测、导坑领先等技术措施，进一步查清掘进前方的地质条件，及时掌握变化的情况。以便尽快地修改施工方法和技术措施。（2）公路隧道是一个形状扁平的建筑物，正常情况下只有进
3、、出口两个工作面，相对于桥梁、线路工程来说隧道的施工速度比较慢，工期也比较长，往往使一些长大隧道成为控制新建公路通车的关键工程。为此，需要附加地开挖竖井、斜井、横洞等辅助工程来增加工作面，加快隧道施工速度。此外，隧道断面较小，工作场地狭长，一些施工工序只能顺序作业，而另一些工序又可以沿隧道纵向展开，平行作业。因此，要求施工中加强管理、合理组织、避免相互干扰。洞内设备、管线路布置应周密考虑，妥善安排。隧道施工机械应当结构紧凑，坚固耐用。（3）地下施工环境较差，甚至在施工中还可能使之恶化，例如爆破产生有害气体等。必须采取有效措施加以改善，如人工通风、照明、防尘、消音、隔音、排水等，使施工场地合符卫
4、生条件，并有足够的照度，以保证施工人员的身体健康，提高劳动生产率。（4）公路隧道大多穿越崇山峻岭，因此施工工地一般都位于偏远的深山狭谷之中，往往远离既有交通线，运输不便，供应困难，这些也是规划隧道工程时应当考虑的问题之一。（5）公路隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改，所以，除了事先必须审慎规划和设计外，施工中还要做到不留后患。当然，隧道工程也有很多有利的方面，例如施工可以不受或少受昼夜更替、季节变换、气候变化等自然条件改变的影响，可以竟日终年、稳定地安排施工。10.1.2 隧道施工应遵循的基本精神和原则以往，人们都认为在地层中开挖坑道必然要引起围岩坍塌掉落，开挖的断面越大，坍塌的范围也越大。因
5、此，传统的隧道结构设计方法是将围岩看成是必然要松弛塌落，而成为作用于支护结构上的荷载。传统的隧道施工方法则是将隧道断面分成为若干小块进行开挖，随挖随用钢材或木材支撑，然后，从上到下，或从下到上砌筑刚性衬砌。这也是和当时的机械设备、建筑材料、技术水平相一致的。近十几年来，岩石锚杆、喷射混凝土的机械和岩石力学方面的进展，人们对开挖隧道过程中所出现的围岩变形、松弛、崩塌等现象有了深入的认识，为提出新的、经济的隧道施工方法创造了条件。1963年，由奥地利学者L腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（New Astria Tunnelling Method）”，简称“新奥法（NATM）”正式出台。它是
6、以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则，其中包括：（1）因为岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，所以在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。（2）为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。为此，在施工中应采用能与围岩密贴、及时砌筑又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。
7、这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和参与工作的时间（包括底拱闭合时间）来控制岩体的变形。（3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快使之闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状要尽可能地圆顺，以避免拐角处的应力集中。（4）在施工的各个阶段，应进行现场量测监视，及时提出可靠的、数量足够的量测信息，如坑道周边的位移或收敛、接触应力等。并及时反馈用来指导施工和修改设计。（5）为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，采用复合式衬砌。上述新奥法的基本原则可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。10.1.3 隧道施工方法及其选择一个多世纪以
8、来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法。习惯上将它们分成为：矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。掘进机法包括隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简写为TBM）法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。沉管法，等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等
9、，以及埋深很浅的山岭隧道。选择施工方案时，要考虑的因素有如下几方面：A工程的重要性。一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；B隧道所处的工程地质和水文地质条件；C施工技术条件和机械装备状况；D施工中动力和原材料供应情况；E工程投资与运营后的社会效益和经济效益；F施工安全状况，G有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，仍以采用新奥法为主
10、，这也符合世界潮流。所以，本书将着重论述新奥法施工中的有关问题，而概略地介绍传统的矿山法。其它方法一般不用于山岭隧道，因此此处不作介绍，需要时可参考有关书籍。102 新奥地利隧道施工法新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。10.2.1 全断面法按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。它的施工顺序是：A用钻孔台车，钻眼，然后装药、联接导火线；B退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；C排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；D用装碴机将石碴装入出碴车，运出洞外；E安设边墙锚杆和喷混凝土；F必要时可喷拱部第二层混凝土
11、和隧道底部混凝土；G开始下一轮循环；H在初期支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。全断面法适用于IVVI类岩质较完整的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。根据围岩稳定程度亦可以不设锚杆或设短锚杆。也可先出碴，然后再施作初期支护，但一般仍先施作拱部初期支护，以防止应力集中而造成的围岩松动剥落。全断面法的优点是：工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；工作空间大，便于组织大型机械化施工，因此，施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进成洞平均150m左右，高者已接近300m月。采用全断面
12、法应注意下列问题：摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；加强对施工人员的技术培训，实践证明，施工人员对新奥法基本原理的了解程度和技术熟练状况，直接关系到施工的效果。1022 台阶法台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的，如图10.2.1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：A初期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；B上断面施工所用的开挖、支护、出碴
13、等机械设备对施工场地大小的要求。（a）长台阶法 （b）短台阶法 （C）超短台阶法图10.2.1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，主要考虑是如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：（1）长台阶法。这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下都可配属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，即为半断
14、面法。长台阶法的作业顺序为：1）对于上半断面。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。安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。用铲斗为16m3的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。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。但从经济观点来看，最好不这样做，而改用短台阶法。2）对于下半断面。用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。安设边墙锚杆（必要时）和喷混凝土。用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。开挖下半断面时，其炮眼布置方式有两种：平行隧道轴线的
15、水平眼；由上台阶向下钻进的竖直眼，又称插眼，如图1022所示。前一种方式的炮眼主要布置在设计断面轮廓线上，能有效地控制开挖断面。后一种方式的爆破效果较好，但爆破时石碴飞出较远，容易打坏机械设备。图10.2.23）待初期支护的变形稳定后，或根据施工组织所规定的日期敷设防水层（必要时）和建造内层衬砌。长台阶法的纵向工序布置和机械配置如图10.2.3所示。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，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。（2）
16、短台阶法。这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于115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。由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，类围岩都能采用，尤其适用于、类围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。短台阶法的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，亦可交替他设在两侧。过渡坡道法在断面较大的三
17、车道隧道中尤为适用。采用短台阶法时应注意下列问题：初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合，要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。（3）超短台阶法。这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前35m，只能采用交替作业。超短台阶法施工作业顺序为（图10.2.4）：用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺。安设拱部描杆、钢筋网或钢支撑。喷拱部混凝土。用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土（必要时加喷拱部混凝土）。开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝
18、土。灌注内层衬砌。如无大型机械也可采用小型机具交替地在上下部进行开挖，由于上半断面施工作业场地狭小，常常需要配置移动式施工台架，以解决上半断面施工机具的布置问题。由于超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。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。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。超短台阶法的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。采用超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中
19、注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。最后还应指出，在所有台阶法施工中，开挖下半断面时要求做到以下几点：1）下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采用其它有效措施确保初期支护体系的稳定性；采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初期支护两侧同时悬空；又如，视围岩状况严格控制落底长度，一般采用13m，并不得大于6 m。2）下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。3）量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。1023 分部开挖法分部开挖法可分为三种变化方案：台
20、阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图10.2.5。（1）台阶分部开挖法。又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部（图中的1、2、3）、上部核心土（4）、下部台阶（5）等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.51.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般为1倍洞跨。（a）台阶分步开挖法 （b）单侧壁导坑法 （c）双侧壁导坑法图10.2.5台阶分部开挖法的施工作业顺序为：用人工或单臂掘进机开挖环形拱部。架立钢支撑、喷混凝土。在拱部初期支护保护下，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。根据初期支护变形情况或施
21、工安排建造内层衬砌。单侧壁导坑法的施工作业顺序为；1）开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土），应尽快使导坑的初期支护闭合；2）开挖上台阶，进行拱部初期支护，使其一侧支承在导坑的初期支护上，另一侧支承在下台阶上；3）开挖下台阶，进行另一侧边墙的初期支护，并尽快建造底部初期支护，使全断面闭合；4）拆除导坑临空部分的初期支护；5）建造内层衬砌。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期支护承载能力大，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，又称眼镜工法。当隧道跨度很大，
22、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。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的12左右。这种方法一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑（1）、上部核心土（ 2）、下台阶（3）。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的13。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。双侧壁导坑法施工作业顺序为：10.2.4 施工中可能发生的问题及其对策新奥法施工的基本原则，是根据围岩性质允许产生适量的变形，但又不使围岩松动塌落。在设计、施工过程中，若对围岩性质判断不准或情况不明，
23、或喷射混凝土、打锚杆、立钢支撑时间和方法有误，围岩松动就会超过预计。此时，应根据观察和量测结果找出原因，进行改正。但是，很多场合不能明确原因，因此只能针对所发生的现象采取措施。根据实践经验，将新奥法中经常出现的一些异常现象及应采取的措施列于表10.2.1中，其中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。当然，表中只列出大致的对策标准，优先用哪种措施，要视各个隧道的围岩条件、施工方法、变形状态综合判断。施工中的现象及其处理措施 表10.2.1施工中的现象措施 A措施 B开挖面及其附近正面变得不稳定1. 缩短一次掘进长度。 2. 开挖时保留
24、核心土。 3. 向正面喷射混凝土。 4. 用插板或并排钢管打入地层进行预支护1. 缩小开挖断面。 2. 在正面打锚杆。 3. 采取辅助施工措施对地层进行预加固开挖面顶部掉块增大1. 缩短开挖时间及提前喷射混凝土。 2. 采用插板或并排钢管。 3. 缩短一次开挖长度。 4. 开挖面暂时分部施工。1. 加钢支撑。 2. 预加固地层开挖面出现涌水或者涌水量增大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. 加挂网格密的钢筋网。 4. 设排水片。1. 采取排水方法（如排水钻孔、井点降水等）。 2. 预加固地层 地基承载力不足，下沉增大1. 注意开挖，2. 不3. 要损坏地基
25、围岩。 4. 加厚底脚处喷混凝土，5. 增加支撑面积。1. 增加锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 及早闭合支护环。 4. 用喷混凝土作临时底拱。 5. 预加固地层。产生底鼓及早喷射底拱混凝土1. 在底拱处打锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 及早闭合支护环。喷混凝土喷混凝土层脱离甚至塌落1. 开挖后尽快喷射混凝土。 2. 加钢筋网。 3. 解除涌水压力。 4. 加厚喷层。打锚杆或增加锚杆喷混凝土层中应力增大，产生裂缝和剪切破坏。1. 加钢筋网。 2. 在喷混凝土层中增设纵向伸缩缝。1. 增加锚杆（用比原来长的锚杆）。 2. 加入钢支撑。锚杆锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂。1. 增强锚杆（加长）
26、。 2. 采用承载力大的锚杆。 3. 为增大锚杆的变形能力，4. 在垫锚板间加入弹簧等。钢支撑钢支撑中应力增大，产生屈服松开接头处螺栓，凿开喷混凝土层，使之可自由伸缩。1. 增强锚杆。 2. 采用可伸缩的钢支撑，3. 在喷混凝土层中设纵向伸缩缝。净空位移增大，位移速度变快。1. 缩短从开挖到支护的时间。 2. 提前打锚杆。 3. 缩短台阶、底拱一次开挖的长度。 4. 当喷混凝土开裂时，5. 设纵向伸缩缝。1. 增强锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 提前闭合支护环。 4. 在锚杆垫板间夹入弹簧垫圈等。 5. 采用超短台阶法，6. 或在上半端面建造临时底拱。10.3 传统的矿山法在传统的矿山法中，
27、历史上形成的变化方案很多，其中也包括：全断面法、台阶法、侧壁导坑法、等。它与新奥法的根本区别，除了施工原理不同外，在具体作业上还有：传统的矿山法中不强调采用锚喷支护，而大量采用钢、木支撑；不强调要及早闭合支护环；很少采用复合式衬砌，而是大量采用刚度较大的单层衬砌；不进行施工量测等。近年来，由于施工机械的发展，以及传统矿山法明显的不符合岩石力学的基本原理和不经济，已逐渐由新奥法所取代。只有在一些缺少大型机械的中、短隧道中，或不熟悉新奥法的施工单位还采用传统的矿山法。本书只简单地叙述一、二种典型的，并具有中国特色的，现在仍可能采用的传统矿山法。1031 漏斗棚架法全名叫下导坑漏斗棚架法，亦称下导坑
28、先墙后拱法。它是硬岩层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国八十年代前修筑公路、铁路隧道采用得最广泛的方法之一。此法的基本施工程序（图10.3.1）是：首先开挖下导坑，在下导坑开挖面后约3050 m处，开始架设“漏斗棚架”，然后在漏斗棚架上方开挖、部（“挑顶”）和部（“扩大”）。它们的间距以互不干扰为原则，一般可采用1520m。挑顶和扩大爆下的石碴直接堆放在棚架上，并通过漏斗口向下装入矿车内运出洞外。石碴装完后即可拆除棚架，开挖（“刷帮”）和边墙、水沟。此时整个隧道开挖完毕。在一定的安全距离（1020m）外灌注边墙和拱圈混凝土。最后铺底砌水沟。图10.3.1下导坑的形状一般为梯形，坚硬围岩中
29、也可用矩形。其宽度2.83.0。（铺单运输线），或3.84.4m（铺双运输线），高度视装碴机装载高度而定，一般约2.83.0m，见图10.3.2。在中长隧道中为运输畅通多采用双线导坑。图10.3.2漏斗棚架的结构构造如图10.3.3所示。采用漏斗棚架法施工时应注意如下问题：下导坑开挖是领先工序，它的开挖速度直接影响整个隧道的施工进度，因此，要千方百计予以保证；漏斗棚架是卸、装碴的关键结构，必须具有足够的强度和刚度以承受爆破时石碴的冲击作用；挑顶时如发现拱顶有坍塌的预兆，应立即用圆木支顶住。漏斗棚架法施工的优点：便于人力、小型机具开挖；挑顶、扩大的石碴通过漏斗棚架装车，效率高，节省人力和机械；工
30、作面多，可以安排较多的人力和机具，进行平行作业，加快施工进度。漏斗棚架法的缺点：设置棚架需消耗大量木材和钢材；断面分块多，对围岩扰动大，而且拱顶围岩暴露过长，所以，只适用于VI类围岩；工作面多虽可平行作业，但相互干扰大，尤其刷帮开挖容易损坏风、水管、电力线和堵塞运输。图10.3.31032 上下导坑先拱后墙法上下导坑先拱后墙法，又称拱圈支承法，是软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得最广泛的方法之一。66图10.3.4此法的基本施工程序（图10.3.4）是：首先开挖下导坑，并尽快架设木支撑。在下导坑开挖面后约3050rn处开挖上导坑和架设木支撑。上、下导坑间开挖漏斗（
31、如图中虚线所示），以便于上断面出碴。距上导坑1520米，进行上导坑落底开挖。然后由上导坑向两侧开挖（“扩大”），边开挖边架设扇形支撑。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一般取拱圈灌注节长的一半。紧跟马口开挖后，立即架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土、。挖水沟、铺底。采用上下导坑先拱后墙法施工时应注意下列问题：开挖马口时要绝对避免拱圈两侧拱脚同时悬空；边墙灌注到顶部时要仔细地做到与拱脚的联接，保证衬砌的整体性。和漏斗棚架法比起来，它有如下优点，拱部围岩暴露时间短，开挖马口、灌注边墙都是在拱
32、圈保护下进行的，因此，施工安全，能适用于较软弱的、类围岩。其缺点是衬砌整体性差，开挖两个导坑成本高、速度慢。10.4 不良地质条件下隧道施工10.4.1 概述在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的特殊地质地段。如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆等。在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道支撑变形，衬砌结构断裂，严重影响施工进度、安全和质量。隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地威胁着施工安全。隧道通过特殊地质地段施工时应注意以下几点：A施工前应对设计所提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析了解，深入细致地作施工调查，制订相应的施工方案和措施，备足有关机具
33、及材料，认真编制和实施施工组织设计，使工程达到安全、优质、高效的目的。反之，即便地质并非不良，也会因准备不足，施工方法不当或措施不力导致施工事故，延误施工进度。B特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。在选择和确定施工方案时，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面型式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等因素而定。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。C隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开挖法，应视地质、环境、安全等条件来确定。
34、如用钻爆法施工时，光面爆破和预裂爆破技术，既能使开挖轮廓线符合设计要求，又能减少对围岩的扰动破坏。爆破应严格按照钻爆设计进行施工，如遇地质变化应及时修改完善设计。D隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。E为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，应实施现场监控量测，充分利用监控量测指导施工。对软岩浅埋隧道须进行地表下沉观测，这对及时预报洞体稳定状态
35、，修正施工方案都十分重要。F穿过未胶结松散地层和严寒地区的冻胀地层等，施工时应采取相应的措施外，均可采用锚喷支护施工。爆破后如开挖工作面有坍塌可能时，应在清除危石后及时喷射混凝土护面。如围岩自稳性很差，开挖难以成形，可沿设计开挖轮廓线预打设超前锚杆。锚喷支护后仍不能提供足够的支护能力时，应及早装设钢架支撑加强支护。G当采用构件支撑作临时支护时，支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。围岩出现底部压力，产生底膨现象或可能产生沉陷时应加设底梁。当围岩极为松软破碎时，应采用先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。根据现场条件，可结合管棚或超前锚杆等支护，形成联合支撑。支撑作业应迅速、及时，以充分
36、发挥构件支撑的作用。H围岩压力过大，支撑受力下沉侵入衬砌设计断面，必须挑顶（即将隧道顶部提高）时，其处理方法是：拱部扩挖前发现顶部下沉，应先挑顶后扩挖。当扩挖后发现顶部下沉，应立好拱架和模板先灌筑满足设计断面部分的拱圈，俟混凝土达到所需强度并加强拱架支撑后，再行挑顶灌筑其余部分。挑顶作业宜先护后挖。I对于极松散的未固结围岩和自稳性极差的围岩，当采用先护后挖法仍不能开挖成形时，宜采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法，以固结围岩，提高其自稳性。J特殊地质地段隧道衬砌，为防止围岩松弛，地压力作用在衬砌结构上，致使衬砌出现开裂、下沉等不良现象。因此，采用模筑衬砌施工时，除遵守隧道施工技术规范的有关规定施工
37、外，还应注意：当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。衬砌混凝土应采用高标号或早强水泥，提高混凝土等级，或采用掺速凝剂、早强剂等措施，提高衬砌的早期承载能力。仰拱施工，应在边墙完成后抓紧进行，或根据需要在初期支护完成后立即施作仰拱，使衬砌结构尽早封闭，构成环形改善受力状态，以确保衬砌结构的长期稳定坚固。10.4.2 膨胀土围岩膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石粘土矿物。（1）膨胀土围岩的特性穿过膨胀土地层的隧道，常常可以见到开挖后不久围岩因开挖而产生变
38、形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部膨起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。这些现象说明膨胀土围岩性质是极其复杂的。它与一般土质的围岩性质有着根本的区别。膨胀土围岩的基本特性，主要有以下三方面：1）膨胀土围岩大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力。当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。2）膨胀土中有各种形态发育的裂隙，形成土体的多裂隙性。膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。由于膨胀土体在天然原始状态下具
39、有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减。因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。3）膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应。一是使主体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大。二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。（2）膨胀土围岩对隧道施工的危害由于膨胀土围岩具有上述基本特征，施工中常见下列几种情况，简述如下：1）围岩裂缝：隧道开挖后，由于开挖面上主体原始应力释放产生胀裂；另外，因为表层土体风干而脱水，产生收缩
40、裂缝。同时，两种因素都可以使土中原生隐裂隙张开扩大。沿围岩周边产生裂缝，尤其在拱部围岩容易产生张拉裂缝与上述裂缝贯通，形成局部变形区。2）坑道下沉：由于坑道下部膨胀土体的承载力较低，加之上部围岩压力过大，而产生坑道下沉变形。坑道的下沉，往往造成支撑变形、失效，进而引起主体坍塌等现象。3）围岩膨胀突出和坍塌：膨胀土开挖过程中或开挖后。围岩产生膨胀土变形，周边土体向洞内膨胀突出，开挖断面缩小。在土体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使土体产生局部破坏，由裂缝发展到出现溜塌，然后逐渐牵引周围土体连续破坏，形成坍塌。4）底膨：隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解除，又无支
41、护体约束的条件下，由于应力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀；加之坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀。因而造成洞底围岩膨出变形。5）衬砌变形和破坏：在先拱后墙法施工中，拱部衬砌完成后至开挖马口的这段时间，由于围岩和膨胀压力，常常产生拱脚内移，同时发生不均匀下沉，拱脚支撑受力大，发生扭曲、变形或折断。拱顶受挤压下沉，也有向上凸起。拱顶外缘经常出现纵向贯通拉裂缝，而拱顶内缘出现挤裂、脱皮、掉块现象。在拱腰部位出现纵向裂缝，这些裂缝有时可发展到张开、错台。当采用直墙时，边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台，少数曲墙也有出现水平裂缝的情况。当底部未做仰拱或仅做一般铺底时，有时会出现底部膨起，铺底被破坏。（3）
42、膨胀土围岩的隧道施工要点1）加强调查、量测围岩的压力和流变在膨胀土地层中开挖隧道，除了认真实施设计文件所提出的技术要求外，在施工过程中应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，分析其变化规律。对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。如原设计难以适应围岩动态情况，也可据此作适当修正。2）合理选择施工方法膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的主要原因。采用合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要的作用。因此，在施工中应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，所以宜采用无爆破掘进法。如采用掘进机、风镐、液压镐等开挖。在开挖过
43、程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形。开挖方法宜不分部或少分部，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”。正台阶法适用于跨度小的隧道，它分部少相互干扰小，且能较早地使支护（衬砌）闭合。侧壁导坑法和“眼镜法”较适用于跨度较大的隧道，它具有防止上半断面支护（衬砌）下沉的优点，但全断面闭合时间较迟，必须注意防止边墙混凝土受压向隧道内挤。3）防止围岩湿度变化隧道开挖后，膨胀土围岩风干脱水或浸水，都将引起围岩体积变化，产生胀缩效应。因此，隧道开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩。在有地下水渗流的隧道，应采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措
44、施，防止施工积水对围岩的浸湿等。如局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水进入坑道或浸湿围岩。4）合理进行围岩支护膨胀土围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。在施工时应注意以下几点：A喷锚支护，稳定围岩。喷锚支护作为开挖膨胀土围岩的施工支护，可以加强围岩的自承能力，允许有一定的变形而又不失稳。采用喷锚支护，应紧跟开挖，必要时在喷射混凝土的同时采用钢筋网。也可采用钢纤维混凝土提高喷层的抗拉和抗剪能力。当膨胀压力很大时，可用锚喷及钢架或格栅联合支护，在隧道底部打设锚杆，也可以在隧道顶部打入超前锚杆或小导管支护。膨胀土围岩隧道的支护，尽可能使其在开挖面周壁上迅速闭合。如果是台阶开挖，可在上半部开挖后尽快作出半部
45、闭合，使围岩尽早受到约束。总之，不论采用哪一种类型的支护，都必须根据工程实际情况及围岩变形状态而定。B衬砌结构及早闭合。膨胀土围岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生，所以施工时要求隧道衬砌及早封闭。从理论上讲，拱部、边墙及仰拱宜整体完成，衬砌受力条件最好。但受施工条件的限制往往难以实现。因此，在灌筑拱圈部分时，应在上台阶的底部先设置临时混凝土仰拱或喷射混凝土作临时仰拱，以使拱圈在边墙、仰拱未完成前，自身形成临时封闭结构。然后当进行下部台阶施工时，再拆除临时仰拱，并尽快灌筑永久性仰拱。10.4.3 黄土黄土是在干燥气候条件下形成的一种具有褐黄、灰黄或黄褐等颜色，并有针状大孔、垂直节
46、理发育的特殊性土。黄土在我国分布较广。黄河中游的河南西部、山西南部、陕西和甘肃的大部分地区为我国黄土和湿陷性黄土的主要分布区。这些地区的黄土分布厚度大、地层全而连续，发育亦较典型。（1）黄土对隧道施工的影响1）黄土节理：在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌顶”。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。2）黄士冲沟地段：隧道在黄土冲沟或塘边地段施工时，当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情
47、况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。3）黄土溶洞与陷穴：黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。4）水对黄土隧道施工的影响；在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷后，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。施工中洞内排水不良，洞内道路会形成泥泞难行，不论是无轨还是有轨运输都会给道路的维护、机械的使用与保养、隧道的铺底或仰拱施工作业等方面带来很大的困难。（2）黄土隧道的施工方法1）黄土隧道施工，应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切割而形成的不稳定部位，在施工时加强支护措施，防止坍塌，以策安全施工。2）施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。3）开挖方法直采用短台阶法或分部开挖法（留核心法），初期支护应紧跟开挖面施作。4）黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍方。因此，宜采用复合式衬砌，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作
