浅谈隧道施工方法

摘要：随着我国经济的快速发展，其中对交通、水利、市政等基础设施建设的需求不断增加。在这些基础设施中，隧道占有很大的比重。近年大批客运专线的建设，大大推动了占铁路相当比重的隧道施工技术的发展。本文现将隧道施工方法进行以下的阐述，仅供参考。

关键词：隧道，施工方法

1.关于新奥法施工的原则

1)隧道的整个支护体系中,起主要作用的是围岩本身,即视岩体是隧道的主要承载单元,它与各种内部加固或外部支撑结构形成统一的整体结构体系;

2)隧道开挖时,应尽量减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度,即尽可能维持原来的三维应力状态,这就有必要对开挖工作面及时施工做防护层,封闭围岩的节理和裂隙以防止围岩的松动和坍塌;

3)允许围岩有一定的变形,以利安全地发挥围岩的全部强度,使之在隧道周围形成承载环,但这种变形应受到严格的控制,以免过度变形导致围岩承载能力的降低和丧失或导致地表产生过大的沉陷;

4)衬砌支护结构的施工一般分成两个步骤完成。洞室开挖后迅速施作初期支护,抑制岩体的早期变形,待围岩稳定后,再进行二次衬砌,如果外层衬砌很充分,并证实围岩变形趋于稳定,则内衬可视为附加的安全储备;

5)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。因此,初期支护大多采用喷射混凝土、锚杆和钢筋网的联合支护形式。这种衬砌在力学上被视为易变形的壳体结构,只能承受较小的弯曲应力,以承受剪切应力为主;

6)隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件,因此,要尽可能使结构圆顺,不产生凸出的拐脚,以避免产生应力集中现象。同时,尽可能使结构闭合,以形成承载环;

7)在施工过程中,对隧道周边进行位移量测是必不可少的一个重要环节,以此作为合理选择支护结构形式与尺寸和指导施工的依据;

8)对外层衬砌围岩体的渗水要通过足够的排堵措施予以解决。

2.隧道开挖方法

2.1隧道基本开挖方法

隧道主要施工方法包括全断面法、台阶法、分部开挖法、中隔墙法等。全断面开挖主要适用于围岩较好的隧道,必须具备大型施工机械,且隧道长度不能太短,否则不经济。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,便于大型机械化施工;开挖一次成型,对围岩的扰动小,有利于围岩的稳定,施工进度快。但全断面法应注意摸清开挖面前方的地质情况,准备好应急措施,以确保安全。

台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法。长台阶法一次开挖断面较全断面法小,有利于开挖面的稳定;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,有利于控制隧道变形收敛速度和变形值,可以用于隧道稳定性较差的围岩,但上下台阶施工干扰大,不能全部平行作业;超短台阶法适用于软弱围岩中的开挖施工,不能平行作业。

分部开挖法有三种变化方案:环形开挖留核心土法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法。

中隔墙法施工时,由于中壁墙的成环作用,并且在初期支护成型之后才拆除,因此可以有效地控制围岩的变形;但是由于中壁墙具有一定的刚性,使中壁墙两端的围岩和初期支护产生很大的应力集中和拉应力,出现局部破坏。

2.2大断面隧道的施工方法

大断面隧道的施工主要应解决两大问题:掌子面的稳定与合理化施工(安全而快速的施工)。除基本施工方法外,辅助工法的选用是解决上述两个问题必不可少的手段。辅助工法作为基本施工方法的重要补充,在隧道洞口地段、软弱围岩地段的应用是必不可少的。从目前的施工实践情况来看,辅助工法大体分为两类,即超前支护和一般的辅助工作。其中,在大跨隧道施工中,超前支护是研究的重点。

按构造形式、超前支护长度分,超前支护可分为:

1)超前加固:如插板、注浆锚杆、超前锚杆等,超前长度一般在5m以下。

2)管棚:是在恶劣条件下能安全开挖、防治地表下沉、防护地下及地上结构物的有效施工方法,其主要适用于软弱、硬质、砂砾地层或软岩、破碎地层带。管棚的布置、管间距及施工区间主要决定于地表及地质条件、施工精度等。另外,插入的钢管周围及内部,也可以压注水泥浆、砂浆,使钢管与围岩密贴并强化管棚的效果。

3)预衬砌:如预切槽法等,超前长度一般小于5m。

4)注浆法:如围岩化学注浆等,其超前长度可达几十米。实际应用时,要根据工程情况和地质条件决定注浆范围、注浆压力及浆液配合比。同时,要特别做好拱顶、拱脚及隧道底部的注浆质量。通过该法,可加固、改善周围的地层,大大提高地层的自稳能力。按作用效果分,超前支护又可分为:

1)梁效果超前支护结构,可视为一个隧道纵向的梁结构而发挥刚性梁的效果。

2)壳效果超前支护结构,即在掌子面前形成一个具有一定厚度和刚度的壳体支护结构,以确保掌子面及其周边围岩的稳定。

3)改良效果的超前支护结构,其作用在于改善隧道周边围岩的物性指标,如注浆法等。

3.大断面隧道开挖方案优选

1)隧道的开挖分部数目及其形式应与围岩性质、地应力场分布、施工工艺及其支护形式相适应。分部数过多、分部形态不合理、支护参数设计不当等都可能发生应力集中过大或拉伸破坏。

2)全断面开挖最大主应力发生在拱脚,最大主应力值相对较小,隧道周围围岩均受压应力,应力分布与未考虑开挖时应力分布相当,受开挖影响小;位移以竖向位移为主;围岩塑性区主要发生在边墙和仰拱位置,塑性区总面积小;衬砌内力分布较为均匀,未出现大的应力集中;锚杆在拱脚附近受力较大,单根锚杆受力呈里小外大,在拱顶及附近锚杆受力较小且全长分布均匀。

3)双侧壁法施工时,在左右开挖空间上方均会出现一个松动的压力拱,并随着施工进展在其上方形成更大的一个压力拱,在中间岩柱未同顶板分离前承受很大的压应力,但是一旦开挖,应力便迅速降低,从而隧道空间上方形成一个稳定的压力拱。边墙衬砌受较大轴力、弯矩和剪力作用,拱部较小。开挖成洞最大主应力发生在拱脚,但应力集中在四种方法中最小;位移以竖向位移为主;围岩塑性区主要发生在拱腰和仰拱两侧位置,塑性区总面积较小;锚杆最大轴力发生在拱腰位置,单根锚杆受力在拱脚及拱腰位置呈里小外大,拱部锚杆受力全长分布均匀,在拱脚附近锚杆轴力甚小。

4)台阶法开挖最大主应力发生在上下台阶分界处,应力集中严重,在该处容易发生塑性破坏;位移以竖向位移为主,收敛值与全断面开挖法相当;围岩塑性区主要发生在拱顶两侧,塑性区总面积较大;衬砌受力较均匀,最大值均发生在上下台阶分界处;锚杆最大轴力很大,发生在上下台阶分界处,单根锚杆受力在拱脚位置呈里小外大,在拱顶及附近锚杆受力全长分布均匀,在上下台阶分界处附近锚杆受力呈中间大两头小分布。

5)中隔墙法施工时能够有效地降低隧道竖向位移,但是中壁墙两端附近的衬砌会承受过大内力而产生破坏。锚杆最大轴力发生在拱脚水平点附近,单根锚杆受力在拱脚位置呈里小外大,在拱腰处全长分布均匀,在拱顶及附近锚杆受力较小。

6)隧道开挖期间,双侧壁法施工过程中围岩具有主应力值低、位移小,支护结构受力大,能有效约束围岩等特点(局部地方可能会产生应力集中),具有显著优点。

通过定量比较分析,双侧壁法开挖是单拱四车道大断面公路隧道较为经济合理的施工方法。

参考文献:

[1]吴荣樵.隧洞的各种施工方法和新奥法[J].隧道译丛.

[2]覃仁辉.隧道工程[M].重庆大学出版社,2001.