国外隧道施工关键技术.ppt

《国外隧道施工关键技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国外隧道施工关键技术.ppt（170页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、隧道变形及其控制技术,介绍国外控制隧道变形的技术概貌,一、概述,众所周知,隧道施工的基本目的是在各类地质体围岩中修筑为各种目的服务的、长期稳定的洞室结构体系。 在隧道工程的设计、施工和运营中，我们必须清楚地认识这种结构体系的特点。,一、隧道结构体系的特点,1、从结构角度看,这个结构体系是由周围地质体（围岩）和各种支护结构构成的,即： 洞室结构体系=周围地质体（围岩）+支护构件 它是由天然的、具有固有的应力场、渗流场、温度场的地质体和人工的支护构件构成的。这与地面结构体系是完全不同的；,2、在这个结构体系中，周围地质体（围岩）起着主导的作用。例如在充分稳定的地质体（围岩）中，可以不需要任何结构意

2、义上的支护构件，而处于长期稳定的状态。如一些天然洞穴的存在，人工修筑的无支护构件的洞室（黄土窑洞、无支护坑道等）等。就是需要支护的地质体（围岩），也只是需要薄薄一层喷混凝土或者几根锚杆、几榀钢架就可以使之成为稳定的结构，这也说明，周围地质体是主要的承载体；,3、作为结构体系主体的地质体（围岩），的基本特征是具有极大的不确定性。我们在设计、施工中遇到的许多不确定性问题和现象也主要是由地质体（围岩）的不确定性引起的。这也是我们在设计施工中面对的最大难题；,4、从工程结构的角度看，这种结构体系的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的.这个过程大体上可作如下表达（图1）： 与之相适应

3、的力学过程如下,5、简单地说，这个过程是动态的，其力学状态的变化过程，充分说明：隧道施工也就是一个应力释放与应力控制的过程。应力释放到什么程度？，是可以通过一定的人为的干涉手段加以控制的。因此，施工过程就是利用和控制围岩动态变形（应力）的过程（图2）。认识这一点是非常重要的。,6、与地面结构体系截然不同的一点，就是荷载的不确定性。这与地质体（围岩）的不确定性直接相关，也与支护构件与围岩的相互作用有关。因为支护构件上作用的荷载大小及其分布是控制隧道变形结果的反应，也是一个变数，也是不确定的。因此给支护体系的设计带来了极大的困惑。实际上，解决了应力释放和应力控制问题，也就解决了荷载问题。,二、隧道

4、变形过程及其类型,前面提到，隧道工程，归根结底，就是一个应力释放和应力控制的问题。应力释放的直接后果，就是引起周边围岩的变形和松弛。因此，应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。也就是说如何在开挖和支护过程中，使围岩不松弛或少松弛。这是隧道设计施工的主要原则。围岩松弛与围岩变形直接相关。也就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。 因此，认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其变形的过程是非常重要的。,从图3、4可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。 1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a）产生了下沉，我们称之为“先行位移”； 2）在掌

5、子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地质条件关系密切，约为最终位移值的2030左右，这个位移是开挖后瞬间发生的； 3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。 这是处于一般围岩中的隧道变形的基本规律。,图5是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。在隧道拱顶上方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变计算位移。,总之，从计算和量测中我们可以得到一个重要认识，隧道开挖后的围岩变形状态可用图6的三维图表示。,由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行位移、掌子面位移及掌子面后方的位移三种。这三种

6、位移是同时发生的。在复杂地形、地质条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规律，并通过什么手段来控制其发展。,三、影响隧道变形的基本因素,影响隧道变形的基本因素有两大类。即：客观因素和外部因素。,1、客观因素（内在因素）,从前面的计算例中可以看出，影响开挖后变形的两个客观因素就是初始地应力场和围岩力学的、构造的特性。,1）初始地应力场 对初始地应力场的认识可以归纳如下。 隧道初始地应力场是由重力应力场和构造应力场构成。 以目前的认识和技术水平看，初始地应力场，多数认为按弹性的、重力的

7、、静态的应力场考虑。在埋深较浅，或者埋深很大的条件下，可以不考虑构造应力场的影响。,决定初始地应力场的关键是设定合理的侧压力系数。因为地应力场的垂直应力分量，基本上都按上覆埋深的重量考虑。而水平侧压力的大小则主要决定于侧压力系数。 从侧压力系数看，初始地应力场存在三种情况。即：侧压力系数小于1，等于1及小于1三种情况。这三种情况的变形模式是完全不同的，其模式的概念示于图7。,实际上由于地壳运动的结果形成了各种形态的地质构造,如层状、块状、断层、褶皱等，在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。例如在背斜构造中，,由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较

8、小的应力，其垂直应力的变化，可能如图8所示；而在被断裂分割的地质构造条件下，下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两侧岩块的夹制，因而使应力减小，反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用，其垂直应力分布可能如图9所示、处于正断层和逆断层的条件下，水平应力会有很大差异，如图10所示。在不均质的层状围岩中，对垂直应力的分布也有很大影响（图11）等等。总之，大量的实测资料表明,地质构造形态改变了重力应力场的初始状态,这在实际工作中有时是不容忽视的。,由于构造应力场的不确定性,很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。已发表的一些成果表明： （1）地质构造形态不仅改变了重

9、力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。 （2）构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量，这与重力应力场有很大不同。位于片岩中的陶恩隧道实地量测的初始地应力场（图9）就是一个例证。,从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于500m)实测资料看,侧压力系数小于0.8者约占27.5%。在0.81.25之间者约占42.3%,大于1.25者约占30.2%。这说明，在一定埋深的条件下，初始地应力场的水平应力大于1的情况，占主导地位。,(3)构造应

10、力场很不均匀,它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化,特别是它的主应力轴的方向和绝对值变化很大。 （4）用分析方法求解初始地应力场,由于明显的原因(构造的、力学形态的、量测技术上的等）,常常会导致极大的偏差。因此,在理论分析中, 常把初始地应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中,多采取实地量测的方法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。初始地应力场是决定隧道稳定性和破坏形态的基本因素，因此，在隧道的设计施工中，掌握初始地应力场是极为重要的。,2）地质体（围岩）力学的（强度、变形）、构造的（不连续面分布、各向异性、层状、块状等）特性,地质体的力学特性包括强度特性、变形特性，同时也必须认识

11、和掌握地质体的构造特性。隧道工程实践充分表明：围岩的构造特性远比力学特性的影响更为重要。因此，对围岩不仅要从力学特性上进行分级，也要在构造特性上进行分类，两者缺一不可。,目前从地质模式上，通常把围岩按其构造分为整体状围岩、块状围岩、层状围岩、碎裂状围岩及土质围岩五大类。由于这五类围岩的构造特点，其变形和破坏模式也有所不同。从理论上说，凡是可以用连续介质表述的围岩，如整体状围岩、土质围岩、碎裂状围岩，其开挖后的变形规律都可以用上述的基本规律表达。而在层状围岩及块状围岩，其变形动态和规律则略有不同。例如垂直层状围岩和水平层状围岩其破坏模式基本上如图11所示。,从强度角度出发，多按岩石的单轴抗压强度

12、进行分级，分为硬岩、中硬岩、软岩及极软岩几类。但应认识到，岩石强度与围岩强度有着本质上的差异，我们需要了解的是围岩强度。因为，决定坑道稳定性的不是岩块的强度，而是由包括岩块、不连续面、充填物构成的围岩的强度。这可以通过对岩石强度的折减予以确定。,3）围岩强度应力比评价地质（围岩）条件的重要指标 隧道设计中如何评价隧道所处围岩条件，它对结构设计究竟具有什么影响是一个现实而不可回避的问题。为了解决这个问题目前采用的方法是用上述两个因素的比值。即：“围岩强度应力比”这个概念来评价的。 围岩强度应力比Gn的定义是：围岩内部的最大地应力值（max）与围岩强度（Rb）的比值。即： GnRb /max (1

13、) 式中max ：围岩内最大的初始地应力值 Rb：围岩的抗压强度值 也可以用其倒数表述。,目前在隧道工程施工中，都把围岩强度应力比作为判断围岩稳定性的重要指标，也作为是否发生大变形问题的判定基准，有的还作为围岩分级的重要指标。 表1是一些标准中采用的围岩强度应力比的分级指标，可以参考。围岩强度应力比与围岩开挖后的破坏现象、稳定性有关，特别是与大变形有关。,表1 围岩强度应力比Gn分级标准,表2 不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象,2、判定土压性质的指标 日本仲野采用围岩强度应力比作为是否产生塑性地压的指标（表3）。 表3 不同围岩强度应力比开挖中出现的现象,这说明：当围岩强度应力比大于4

14、，隧道开挖后，其周边围岩不 会出现塑性区，坑道是自稳的。,在日本道路公团的隧道围岩分级中，也把围岩强度应力比作为中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标（表5）加以考虑。 表5 日本围岩分级中的围岩强度应力比基准,表5说明，并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度应力比。只是在中硬岩，软岩和土砂围岩中考虑，也不是在所有的级别中考虑，只是在很低的级别中考虑。,根据以上所述，应该认识到“围岩强度应力比”是判定围岩条件的重要指标。它基本上决定了隧道开挖后的变形动态。因此，加强决定围岩强度应力比的两个条件，即：初始地应力场的最大应力和围岩强度是非常重要的。 众所周知，坑道围岩的稳定性是由围岩自身的强度和

15、坑道的尺寸所决定的。其中，由围岩的物理力学和围岩完整性决定的围岩强度是最基本的因素。因此，在一些国家中，对此问题进行了大量的试验的、理论的以及设计值的研究。,2、外部因素（人为的因素）,1）隧道形状的影响 目前的理论解析多数是以圆形坑道为基础的，当坑道形状不是圆形时，相应的公式都要改变，此时可用有限元法进行求解。但在初步设计中，亦可采用将不同形状坑道变换成当量的圆形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直径亦可，但并不是所有的坑道形状都可以这样做。根据计算分析，各种形状坑道顶点（A点）和侧壁中点（B点）的切向应力可用下式表述： 顶点： 侧壁中点：,式中：为侧压力系数；当1时

16、，A、B两点的坑道周边应力集中系数，列表6。,2）隧道断面尺寸的影响 隧道断面尺寸影响的概念示于图10。 在同样的围岩中，隧道断面尺寸，一般说不会改变开挖后的变形规律，仅仅是量值上有所不同而已。但从另一角度看，随着断面尺寸的加大，围岩的地质模式可能改变，如从整体状，变为块状，或碎裂状等。实质上是围岩级别改变了（图）。因此，坑道的稳定性也会随坑道尺寸的加大而改变，例如从稳定的，变为暂时稳定的或不稳定的。,如何处理跨度的影响，目前有两者方法。一个是改变围岩级别，一个是改变支护模式。从国内外的设计施工实绩看，多数国家都采用改变支护模式的方法予以对应。因此，在同一围岩级别条件下，因坑道跨度不同，会有几

17、种支护模式出现。也就是说，支护模式与围岩级别不是一一对应的。 目前，客运专线的隧道断面设计，根据列车速度而异，在同样围岩条件下，其开挖跨度大体上，从7m变化到16m左右。显而易见，对开挖跨度合理分级，决定其对应的支护结构参数，是在控制技术研究中必须解决的问题。日本新的公路隧道技术标准（构造篇），就按开挖跨度分为3级：58m、812.5m和12.514.0m三级。,3）隧道埋深的影响； 浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。视地质条件会出现拱顶下沉急剧增大、地表下沉和开裂以及掌子面不稳定等现象。 地表下沉与埋深有密切关系。从图11的试验结果可以说明，埋深大时，在隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起

18、的下沉，局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。,根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图13所示的盆状的地表下沉。 此下沉槽的坡度是与围岩中发生的剪应变相对应的。超过此限界后，如图所示就会发生。,如上所述，在浅埋隧道中应关注的问题是 （1）因掌子面前方的先行下沉很大，会造成很大的地表下沉，因此，研究控制掌子面前方的技术措施是十分必要的； （2）因埋深小，由于上方土体的整体下沉会在地表面形成凹形塌陷，因此，在施工中控制上方土体的整体下沉是一个关键。在采用台阶法施工时，首先是要控制住拱脚的下沉，才能控制上方土体的下沉；因此，

19、研究控制拱脚下沉的施工技术也十分必要。,4）施工方法的影响； 一般说开挖分部越多，在同样地质条件下，其位移值也越大。因此，从控制位移的角度出发，采用不分部或少分部的开挖方法是主流的开挖方法。这也是选定开挖方法的一个重要原则。 例如在台阶法中，台阶的长度与地质条件有极大关系。一般说，随地质条件的变差，台阶长度也随之变短，以便缩短断面的闭合时间（距离）。,四、控制隧道变形的关键技术 开挖和支护技术,这里所谓的关键技术，就是开挖和支护中的关键技术。开挖是应力释放的方法，不同的开挖方法，应力释放的过程及程度也是不同的，支护则是应力控制的方法，同样地，不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的。除开挖

20、、支护作业外，其他作业都是辅助性的，如运输、排水、通风、量测、地质超前预报等。但这些作业也是左右开挖、支护成败的关键，也不能忽视。 因此作为关键技术主要指：开挖、支护以及不可缺少的辅助作业三大方面。,开挖、支护作业的关系定位,在矿山法施工中，开挖和支护是密切相关的。根据地质情况，其关系大致可分为以下几类： 只挖不支；在无需支护的硬质围岩中采用的方法； 先挖后支；开挖后进行支护的一般地质、地形条件下采用的方法； 先支后挖；开挖前进行支护的特殊地质、地形条件下采用的方法。,1、只挖不支的场合,适用条件在坚硬、自支护能力比较高的围岩。 关键技术之一：减少爆破振动对围岩的损伤，形成平整的开挖轮廓。 目

21、的充分发挥围岩固有的自支护能力。 基本措施控制开挖进尺； 控制一次同时起爆的炸药量； 采用电子雷管,对开挖技术的基本要求,在“只挖不支”的场合，围岩本身具有充分的自支护能力，隧道开挖后，周边围岩是自稳的。从结构角度看，隧道断面能够自然形成稳定的闭合结构，因此无需采用任何力学意义上的支护手段。在这种情况下，控制爆破对周边围岩的损伤是开挖技术的基本要求，也是控制技术的基本要求。 但从结构的耐久性出发，为了防止围岩在运营时期的劣化（风化），设置一定厚度的砂浆或喷混凝土的保护层还是必要的。 基本措施- 采用机械开挖方法，如TBM工法、盾构工法等 采用机械和爆破并用的开挖方法 采用少分部、大断面的开挖方

22、法，如全断面法、台阶法等,示例一：降低爆破振动的对策,众所周知，爆破振动的大小，基本上是由一次齐发的炸药量等决定的。因此降低一次齐发的炸药量是最基本的对策。此外，即使炸药量相同，变更爆破模式和与机械开挖并用，也能够减轻爆破振动的影响。一般说，表1列出的减轻爆破振动的对策，可供参考。,表1 减轻爆破振动的方法,示例二：TBM与爆破并用的开挖方法,在大断面隧道施工中，先用小直径TBM掘进导坑，再用爆破扩挖成型的开挖方法，采用的越来越多。图6是日本东名高速公路隧道采用的一例。,示例三：导坑超前与扩挖爆破并用的方法,在大断面隧道施工中，为了减少爆破对围岩的损伤和振动的影响，也有采用导坑超前，而后扩挖的

23、方法。图20是日本在一座公路隧道中采用此法的事例。,2、先挖后支的场合,适用条件 在一般地质、地形条件下，基本上都采取“先挖后支”或“边挖边支”的施工方法，例如铁路隧道的、级围岩。这是应力释放与控制相结合的方法，即边开挖、边控制，最终形成稳定的隧道结构。实质上这是在开挖后以控制掌子面后方的变形为主要目的的一种施工方法，即先释放、后控制的方法。 关键技术加强初期支护控制围岩松弛，坍塌，确保开挖工作面稳定 目的提高或维持围岩固有的支护功能 基本措施 采用少分部的开挖工法。如：全断面法或超短台阶的全断面法，其次是台阶法； 提高喷混凝土的性能；控制隧道变形的发展； 严格控制各开挖工作面的步距，尽快闭合

24、； 缩短各单项作业的时间，增加循环次数，快速施工。,在“先挖后支”的场合，用一般的初期支护方法，完全可以满足安全、快速施工的要求。一般说，在这样的围岩条件下，隧道的变形通过初期支护，都可以收敛到变形容许值范围之内，而无需采用特殊的，或辅助的施工措施。这是与“先支后挖“的围岩条件的一个分界点。 因此，从控制变形的角度出发，目前提高初期支护的功能和质量是关键。,提高初期支护功能和质量的基本措施。,1）喷混凝土 首先应该认识到喷混凝土是如何发挥支护作用的。 从理论上看，必须具备一定强度和刚性之后，才能发挥其支护作用。但喷混凝土与混凝土一样，其强度出现需要一定的时间，刚刚喷射到璧面的混凝土是没有支护作

25、用的，只有其强度达到一定值之后，才开始发挥支护作用。为此，为了让喷混凝土及早发挥支护作用，不得不在喷混凝土中掺入速凝剂。用以控制喷混凝土早期强度的出现。这个时间可长可短，是可以控制的。 喷混凝土的支护作用主要受到喷混凝土与围岩的附着强度和初期强度所支配。因此，提高喷混凝土与围岩的附着性和初期强度是喷混凝土施工技术的重要课题。 在一般围岩条件下，即采用先挖后支的场合，喷混凝土的初期强度可以采用1天的抗压强度达到810MPa，附着强度达到1.0MPa即可。这也是规范对喷混凝土的基本要求。从近期喷混凝土技术的发展看，喷混凝土中的粗骨料的最大直径有向小直径方向发展的趋势，美国“喷混凝土用材料规格”（A

26、STM C1436（2004）中，骨料的最大直径只有9.5mm，取消了原来12.5mm的规定。,2）锚杆 与喷混凝土有一个共同点，就是砂浆锚杆，也是要在砂浆出现一定强度之后才能发挥其支护作用的。因此，砂浆也必须采用早强的，这一点一定要加以注意。 锚杆的支护作用主要决定于锚杆与围岩的附着强度和抗剪强度。如何提高锚杆的附着性和抗剪强度，可以采用适当增大锚杆直径（增加附着面积）、适当改变锚杆的表面形状，采用早强砂浆等措施。 锚杆因围岩变形和滑动，产生拉力和剪力而发挥其效果，但在显示连续动态的软弱围岩和节理发育的中硬岩中，因为变形模式不同，锚杆中产生的应力也不同。所以，定量评价锚杆的支护效果和支护机理

27、的场合，要分开连续动态的围岩（连续性围岩）还不连续面发育的围岩（不连续性围岩）考虑。,（1）不连续性围岩的场合 在裂隙发育的不连续性围岩中，沿裂隙、节理的岩块会产生剥落和移动。因此，在这种围岩中，如图21所示，锚杆应控制剥落使围岩成为一体，而发挥悬吊和组合的作用，同时在不连续面处的锚杆呈S形变形而发挥抗剪的作用。 而在全长胶结型锚杆中，砂浆等会防止岩块沿节理和裂隙滑动，而显示出控制松弛的效果。,（2）连续性围岩的场合 在连续性围岩中，如图22所示，设置锚杆后，围岩沿锚杆轴向变形的场合，围岩与锚杆因变形系数的不同，两者间产生相对位移，形成图22b新的平衡状态。此时的围岩与锚杆的位移分布如图22c

28、所示，锚杆出现没有相对位移的中性点。 同时，因围岩与锚杆间的相对位移，锚杆的轴向产生如图22d所示的剪力。总之，在先挖后支的场合，锚杆的支护作用，不容忽视。,3）钢架（钢支撑和格栅） 格栅与钢支撑，我们都归为构件支撑一类，但两者的力学作用是完全不同的。前者，只有与喷混凝土并用，才能发挥其支护作用，而且不能立即发挥承载作用。而后者可以立即地、独立地发挥承载作用。因此，需要采用钢支撑的场合，决不能用格栅代替。两者的比较列于表9。,表9 钢支撑与格栅的比较,对钢支撑来说，理论上是可以立即承载的，但实际上，由于钢支撑架设的时间和与周边围岩接触的状态，都不是很理想的。一般说，钢支撑属于点接触的构件，其受

29、力状态主要决定于其接触状态。例如，日本在钢支撑的实验研究中，为了确保钢支撑的支护作用，按图24的接触状态进行了不同组合的试验。试验结果列于表10。,表10明确指出：钢支撑的接触点数量越多其承载力也越大，接触点具有一定反力，比没有反力的，承载力也大。由此可见，钢支撑架设，人为地设置若干个具有一定反力的接触点，对提高钢支撑的支护作用具有重要意义。日本的钢支撑在架设后都要用木楔，按规定位置，对称地打入钢支撑与围岩之间，并施加不小于200kg以上的反力，因此，钢支撑受力是均匀的，能够更好的发挥钢支撑的作用。我们在施工规范中也规定了要设置楔点，坚持这一点很重要。,示例一,用高强度喷混凝土代替钢支撑的试验

30、施工 日本北陆新干线的峰山隧道,在隧道开挖支护的施工循环中，钢支撑的架设所占用的时间比例是比较大的。因此，为了实现隧道的高速施工，日本有关人员提出取消钢支撑的建议，并在北陆新干线的峰山隧道（L7090m）进行了用高强度喷混凝土、取消钢支撑的支护体系的开发和试验，获得初步成果。 峰山隧道的地质条件：泥岩、砂质泥岩、砾岩等。围岩抗压强度平均在10MPa左右，属于易变形的软弱围岩。相当于我们的级围岩。,取消钢支撑后的支护体系，示于图7。采用了初期高强喷混凝土（10min的强度为3N/mm2）和锚杆的支护体系，取消了钢支撑，以缩短开挖循环的作业时间和提高施工的安全性。采用的喷混凝土的技术特征如下： 超

31、低龄强度，10min达3N/mm2以上，使围岩早期稳定和进行大断面开挖； 和易性及粘性好，回弹和粉尘少； 获得的混凝土耐久性高； 可采用既有的施工系统。,表3、4列出根据试验施工的试验配比和支护体系采用的配比。,表3 强度试验结果,表4 初期高强度喷混凝土的配比,取消钢支撑后的开挖循环作业时间示于图9。,施工步骤示于图10.采用超短台阶全断面法。按平行作业进行机械编组和开挖。即：分开左侧半断面和右侧半断面，一侧用单臂掘进机开挖，另一侧用装碴机连续出碴（图10）。,采用的机械编组示于图11。主要机械有：开挖用的单臂掘进机（照片2）；连续出碴的装碴机；喷混凝土一体型喷射机；锚杆采用二臂液压台车。模

32、板台车、仰拱栈桥，一次浇注12m。,为了研究新的支护模式的性能，在峰山隧道西工区地质条件比较匀质的新第三纪的泥岩，一部分凝灰岩和砾岩区间（长度约121m），进行了改变支护模式和掘进速度的试验。 比较试验的组合列于表5。,比较试验的量测结果如下。 对高性能喷混凝土的标准支护模式来说，取消钢支撑的支护模式使开挖影响范围、位移位移值、拱顶部支护轴力都变小了，高性能初期高强度喷混凝土的强度、刚性的早期发现也有效果。 从掘进速度看，高速掘进比通常掘进在拱顶的位移、开挖影响范围、下沉量、位移速度的收敛期间、支护轴力等都显著减小。这是由于高速掘进比通常掘进，从开挖完了到喷射完了能够在比较短的时间内，出现早期

33、支护效果，使开挖影响范围、围岩位移值变小所致。 不采用钢支撑的支护模式中，低材龄喷混凝土能够承受比较大的荷载作用的影响；,示例二,提高单项作业的机械化水平，缩短各单项作业的时间，增加循环次数，是快速施工的主要方法之一。如采用架设机械架设钢支撑，钢筋混凝土衬砌采用钢架骨架方式浇筑混凝土等。,先把钢筋组装成钢筋块而后搬入洞内，在固定位置连接好的方法。钢筋保持方法也采用垫块的方法，必要时也可采用最小数量的悬吊钢筋夹具。图13是自立组装钢筋的概念图和垫块的使用例。,在一些国家，钢支撑的架设，一般说，都是采用钢支撑架设机械安装的。例如日本在赤岩隧道采用的装备有举重臂的一体型喷射机，就是一例。该机械，就是

34、在一体型喷射机上，装备了2个能够安设钢支撑的举重臂，如图14所示。,23先支后挖的场合,适用条件在特殊地质、地形条件下要先行支护，才能顺利进行开挖的方法。 关键技术： 加强超前预支护，抑制掌子面前方先行位移（变形）和掌子面位移（变形）确保开挖工作面稳定 目的控制围岩松弛、坍塌，提高围岩的支护功能。,24“先支后挖”的基本措施,这里指的特殊地质、地形条件是易于产生下述现象的围岩。如： 1）开挖工作面失稳；包括掌子面失稳、拱脚失稳、底部鼓起、断面挤入等 2）埋深小的隧道，会引起地表面大量下沉及偏压； 3）在台阶法施工中，由于拱脚承载力不足，引起拱脚下沉； 4）在挤压性围岩、膨胀性围岩以及断层破碎带

35、等围岩条件下，会产生极大变形、偏压等。 在这些地质。地形条件下，隧道施工是相当困难的。不采取超前预支护加固围岩，是很难进行开挖的。 发生上述现象的基本原因是施工过程中的开挖工作面失稳。因此，在这种场合，控制掌子面前方先行位移和掌子面位移，是确保施工安全、减少施工风险的关键。因此，许多技术的开发和发展都与此有关。其针对性是十分明确的。,从目前的施工实绩看，开挖工作面失稳可以分为以下几种情况： 1）开挖工作面正面（以后称为掌子面）失稳； 2）拱顶失稳、坍塌； 3）台阶法中拱脚下沉、失稳； 4）大变形失稳等。 解决这些问题的基本方法是对隧道周边围岩进行预加固，提高围岩的自支护能力，减少开挖过程中的围

36、岩松弛。 下面介绍的一些示例，都是国外围绕上述开挖工作面失稳而采取的一些技术。,三、控制掌子面失稳的技术,1、倾斜的掌子面,英国最近在几座铁路和公路隧道中。为了提高掌子面稳定性和作业人员的安全，采用倾斜的掌子面进行开挖，取得了良好的稳定效果。其施工步骤示于图18。,图18斜掌子面的施工步骤,图19是不同形状掌子面的解析结果一例。 塑性区的比较 位移分布的比较,2、掌子面锚杆,设置掌子面锚杆的目的是给全断面开挖创造条件。掌子面锚杆的长度一般都在1224m之间，是比较长的。因此，必须具备打长锚杆的设备和技术。下面是意大利采用掌子面锚杆加固掌子面前方围岩的一些示例（图20）。,日本近期施工的一些隧道

37、也开始采用掌子面锚杆的方法来提高掌子面的自稳性、一直掌子面前方围岩的坍塌和先行下沉。例如在六户隧道因地表面存在重要的结构物，要求控制开挖引起的先行位移，就采用了直径76mm，长18m（搭接长度6m）的纤维掌子面锚杆。图21是锚杆的详图、照片6是其施工状况。,图23最大剪应变分布的比较,图22拱顶下沉、地表面下沉、掌子面挤出量的比较,日本在阿部仓隧道中采用的开挖面注浆式长锚杆，为了解决易于拆除的问题，横向开槽的钢管，如图24所示。开槽锚杆的规格：STK400，76.35.2t，L12.5m。注浆材料采用水泥系或二氧化硅树脂系。开槽锚杆的最大特征是：每50cm在钢轨周围设一个槽，与过去采用的钢管、

38、钢棒正面锚杆比，岁开挖面进展易于切断，拆除容易。图24是日本采用金属锚杆的一个事例，可以借鉴。,3、留核心土,这也是我们经常采用的方法。日本对不留核心土，留核心土以及不同台阶长度的影响等进行的一项研究说明，不留核心土的场合，掌子面挤出量超过70mm的部分可达到掌子面前方1.3m，而留有核心土的场合，掌子面挤出量超过70mm的部分，只达到掌子面前方0.6m处。核心土对掌子面起到了控制掌子面挤出的效果（图25和26）。,四、控制拱顶失稳、坍塌的技术,在复杂地质、地形条件下，要想安全施工必须确保掌子面的稳定和极力控制围岩的松弛和坍塌，除加强初期支护外，必须采用有效的超前支护技术。超前支护技术它不是辅

39、助性的，而是支护技术中的主要方法之一，与喷混凝土、锚杆以及钢架具有同等的重要性。,1、超前支护,超前支护依其构筑方法，大体上分为以下几类。 短超前支护：25m左右，日本以插板法和预衬砌法为主； 中超前支护；510m左右，以水平喷射注浆方式为主； 长超前支护：1015m左右，以长钢管注浆方式为主。,1）短超前支护，预衬砌和短插板支护,示例一：插板法 这是日本在土质围岩隧道中采用的一种方法。施工证实，这是一个超挖少，围岩没有松弛的、可以用于任意断面形状的开挖方法。 在土质隧道施工中，插板法可以根据地质、埋深、地表结构物等进行设计。设计出适合周边环境和能够正确推进的插板和稳定机构。其推进千斤顶的推力

40、是10t/台，可以人工操作、连续作业。 此法一直到目前，在城市矿山法隧道施工中应用。,示例二：压入式短超前钢管工法 压入式短超前钢管工法作为受到拱顶附近有软弱围岩时的掌子面稳定对策，在几座隧道中得到了应用。此法是把直径48.6mm，长24m的钢管，用台车的钻机压入。图29是压入式短超前钢管工法图，照片9是其施工状况。与我们的小导管极为相似。,图29压入式短超前钢管工法,示例三 钢管钢背板压入打击工法（SSPB工法） 钢管钢背板压入打击工法（Steel pipe Steel sheet pipe Press fit Blow Method）是在拱顶附近地质软弱的场合，作为稳定掌子面的对策而实施的

41、，在几座隧道中得到应用。 此法是在直径65mm的钢管上安设轻量钢背板，搭载在台车的导轨槽中，用钻机的压入力和打击力，打入掌子面拱顶的前方。 钢管具有使钢背板成为连续的拱的效果、提高超前支护的刚性效果以及使外周围岩挤密的效果。钢管钢背板比注浆方式的改良体的刚性高，能够确实地形成拱形结构及周边围岩挤密效果。,示例四：预衬砌法 预衬砌法是用厚约混凝土壳或砂浆壳，形成比较柔软的拱壳，也可以用厚约形成刚性比较大的拱壳。柔软的拱壳主要用于稳定掌子面，刚性大的拱壳用于控制地表下沉。,日本预衬砌法的标准参数如下。 预衬砌厚度： 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向钻孔长度：. 纵断方向充填长度：. 搭接长

42、度：. 超前残余长度：.（.） 铁道和公路隧道的横断面的标准模式和纵向的标准模式示于图34。,2）中等长度的超前支护 水平喷射注浆方式是中等长度超前支护的主要方式，日本规定的标准参数如下： 喷射改良体直径：（600800mm） 设置范围：（） 设置角度：（） 纵断方向改良长度：（6.013.0m） 搭接长度：.（1.03.0m） 超前残余长度：4.0（3.04.0） 设置间距：（） 标准设计断面示于图39。,3）长钢管超前支护 在全断面开挖中，由于掌子面暴露的面积大，当需要采用超前支护稳定掌子面时多采用长钢管超前支护。 日本规定的长钢管超前支护的参数如下： 钢管直径：.（76.3114.3mm

43、） 设置范围：（） 设置角度：（1） 纵断方向注浆长度：12.5（5.517.5m） 搭接长度：.（1.01.75m） 超前残余长度：.（.） 设置间距：（36） 标准设计断面示于图41。,从目前隧道支护技术的发展趋势看，超前支护是一个很重要的领域。日本在新的城市矿山法隧道设计标准中，已经规定短、中、长三种超前支护的基本参数。这对进一步发展超前支护技术具有重要意义。,2、加强初期支护,目前，加强初期支护有两种做法，一种是加大喷混凝土的厚度、加密钢架间距或者缩小锚杆间距；另外一种做法是改变喷混凝土的性能、提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆。我们目前主要采用前一种做法。国外则主要采用后一种做法。显

44、然，后一种做法是符合技术发展的要求的。,初期支护技术的发展的重要方面是喷混凝土技术的发展。因此，在加强初期支护时，也主要加强喷混凝土的功能，具体地说，就是加强喷混凝土的强度和刚性。众所周知，喷混凝土的强度和刚性是可以改变的。也就是说，我们可以根据开挖后围岩变形的实态，来改变喷混凝土的强度和刚性，来控制其变化。,示例一 短时间高刚性喷混凝土的施工试验北陆新干线鱼津2号隧道,喷混凝土的刚性，喷射过后是不大的，而隧道发生的净空位移则是在短时间发生的。两者的关系，即隧道掘进速度和喷混凝土的硬化速度（刚性增进速度）的关系，决定了喷混凝土赋予围岩的支护反力。根据日本学者的研究，伴随掌子面掘进的围岩变形，是

45、随掘进速度和喷混凝土的刚性增进速度而变的。图42充分说明了这一点。,1、短时间高刚性喷混凝土的目标值 短时间高刚性喷混凝土的性能，以材龄3小时的刚性达到1520MPa以上为目标值。目标值是按单轴抗压强度1520MPa设定的。理由如下： 此目标性能是以5m宽度的小断面隧道。一天掘进510m速度确定的； 随着掌子面推进的净空位移的增加，其支护反力的增加机理的概念示于图42。在此图中，对通常喷混凝土和短时间高刚性喷混凝土的两种情况进行了对比。 普通喷混凝土的场合，例如材龄23天才能够发挥其刚性效果，而为了补足最终的刚性不足，要加厚喷混凝土，与刚性增进速度配合的掘进速度一天约1m左右，掘进速度很低。掘

46、进速度过快的场合，围岩的松弛范围也将过大，会损伤支护的健全性。因而在强大地压条件下采用的多重支护方法就是能够追随围岩变形而让支护刚性分阶段增进的方法。 在同样地压条件下的短时间高刚性喷混凝土，例如在材龄36小时就能够发挥其刚性的效果，在一般厚度时，即使一天以510m的速度掘进，也能够发挥其刚性的效果。 基于上述概念，设定短时间高刚性喷混凝土的目标值是材龄3小时为1520MPa。,2、施工试验 为了确认高刚性喷混凝土的性能和施工性，在北陆新干线鱼津2号隧道进行了施工试验。鱼津隧道长3097m，地质条件是：新第三纪及第四纪的砾岩为主。其标准的支护模式示于图43.,表6列出采用的材料。表7表示喷混凝

47、土的配比。,表6 使用材料,表7 喷混凝土配比,上半断面喷射施工试验的机械及其配置示于图44和表8.,4）初期强度（10分钟强度） 作为性能目标，主要着重材龄3小时的强度特性和弹性系数，但作为参考值，对10分钟、1小时、3小时材龄的强度进行拉拔试验。表9是拉拔试验得到的拉拔强度的结果。（）内的数值是乘以系数4的抗压强度的换算值。,5）材龄3小时28天的强度和刚性 根据施工现场制作的大阪喷射取样的试件进行的抗压强度试验结果列于表10。弹性系数的结果列于表11。,6）长期材龄的抗压强度 长期材龄的抗压强度如表12所示，没有出现劣化的征兆。,7）与普通喷混凝土的比较 材龄和抗压强度与普通喷混凝土的比

48、较示于图45。与过去的普通喷混凝土或高强度喷混凝土的基准强度比较，短时间高刚性喷混凝土是一种能够在短时间内出现显著高强度的材料。,示例二 初期高强度喷混凝土,喷混凝土要求的重要功能之一就是强度出现。高强度喷混凝土的喷射厚度能够减薄、能够削减喷射量、从而缩短工期，有比较大的经济效益。其次喷射过后的高强度喷混凝土能够省略钢支撑和防止钢支撑架设作业时的围岩脱落和喷混凝土的剥落等灾害，由于开挖循环时间的缩短，隧道的掘进速度也可以提高。在膨胀性围岩中，由于喷射后能够发挥很高的支护性能而获得控制变形的效果。 初期高强度喷混凝土是在基本混凝土中添加高强度混合材和采用超速硬性的粉体速凝剂，而在喷射10分钟后就可获得23MPa的强度。,1）初期高强度喷混凝土的强度规格 表13列出各种喷混凝土的强度基准。喷混凝土一般多采用材龄28天的设计基准强度。标准的喷混凝土是18MPa，日本高速公路的高强度喷混凝土是36MPa。除设计基准强度外还有短期材龄的管理强度值。标准的喷混凝土材龄1天的强度是5MPa，高强度喷混凝土材龄3小时的强度是2MPa，材龄1天的是10MPa，日本高品质喷混凝土材龄3小时的强度是1.5MPa，材龄1天的强度是8MPa。而对短期的管