2012年6月内蒙古科技与经济June2012　第11期总第261期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.11T o tal N o.261浅谈山岭隧道开挖与支护方法姜利军,徐义芳(内蒙古鄂尔多斯市东方路桥集团有限公司,内蒙古鄂尔多斯　017000) 摘　要:对山岭隧道常规施工工艺和方法进行了研究,包括矿山法(传统矿山法和新奥法)和掘进机法,并指出它们之间的优缺点。

指出目前国内外应对山岭隧道不良地质(软弱围岩、高压富水断层破碎带、岩溶地区和岩爆地区)的某些技术措施。

对山岭隧道的一些现状进行研究,并介绍了人工地层冻结法在山岭隧道的应用趋势,当前山岭隧道施工过程中的超前支护、初期支护和二次衬砌的设计和隧道检测技术的研究现状及其目前存在的问题和解决措施,还有山岭隧道施工对环境的影响。

关键词:山岭隧道;施工方法;开挖;支护 中图分类号:U455.4 文献标识码:B 文章编号:1007—6921(2012)11—0089—04 我国是一个多山的国家,山区公路建设需要修建大量隧道。

隧道等地下工程,其核心问题,都归结在开挖和支护两个关键工序上。

即如何开挖才能更有利于洞室稳定和便于支护;如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。

1　山岭隧道的常规施工方法1.1　矿山法(钻爆法)矿山法,顾名思义,就是最早应用于采矿中的隧道工法。

其历史源远流长,是人们长期在施工实践中发展起来的。

在矿山法中,多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖,所以又称为钻爆法。

从隧道工程的实际发展方向和现场条件限制的情况下,隧道的开挖要有入口,而钻爆法可以给我们因地制宜的突破口,所以笔者认为钻爆法仍然是以后山岭隧道中最常用的施工方法。

例如:大瑶山隧道、秦岭铁路Ⅱ线隧道、白云山隧道等都是采用钻爆法施工的。

根据地质水文条件和截面尺寸,隧道开挖能采用各种不同的开挖方法,例如:上下导坑先拱后墙法,下导坑先拱后墙法,反台阶法,正台阶法,全断面开挖法,半断面开挖法,逆衬砌法,复合衬砌法(新奥法),侧壁导坑法等。

对于初期岩石支护,有喷浆、挂网、钢拱架等支护方法。

钻爆法施工的全过程可以概括为:钻爆,装载、出碴,喷锚支护,灌注衬砌。

在通过不良地质时,常采用注浆、通风和排水等辅助措施。

1.1.1　传统矿山法。

传统矿山法的核心内容是:稳定的围岩有自稳能力,不产生荷载;不稳定的岩体则可能坍塌,需要用支护结构予以支撑。

它只将围岩视为被挖去的岩体,开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能坍落。

基于这种松弛荷载理论依据,其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖,并要求边挖边撑以求安全,所以支撑复杂,木料耗用多。

它是以木或钢构件作为临时支撑,等到隧道开挖完成后,逐步将临时支撑撤换下来,而用整体式后衬砌来代替它作为永久性支护的施工方法。

木构件支撑法,例如:方木接顶就是一种用于防止隧道落顶的方法,它具有取材方便,支护及时的特点。

但是,由于其耐久性差和对隧道形状等实际情况的适应性差,支撑撤换工作既麻烦又不安全,甚至对围岩造成扰动,因此,目前已经很少采用。

相反的,钢构件支撑具有较好的耐久性和良好的对隧道形状等实际情况的适应性,施工中不用更换,所以较方便高效,更重要的是它安全性高。

1.1.2　新奥法。

随着喷锚支护的出现,使分部数目得以减少,传统矿山法进而慢慢发展成新奥法。

新奥法则把围岩视为承载单元,是围岩一支护体系的一部分,需尽可能地保护,发挥其自承作用。

新奥法原理是以岩体力学理论为基础,以喷锚支护为代表的(但不是唯一的,而有多种手段),考虑支护与围岩共同作用,确保围岩稳定的现代支护理论。

选择施工方法时,应遵循如下原则: 稳定开挖工作面是辅助措施的主要目的。

方法很多,优先选择次序为:短台阶环形挖留核心土;锚杆超前支护;小导管注浆超前支护;钻孔(4m～6m)周边预注浆超前支护;长导管注浆超前支护;全断面封闭深孔注浆工作面等形式。

尽快形成一次支护封闭断面的快速施工做法,是防止变形、塌方的重要手段。

管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测是18字施工的方针,不能违背。

它通过对隧道围岩变形的量测、监控,采用新型的支护结构,尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。

其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护,以便控制围岩的变形和应力释放,从而在支护和围岩的共同变形过程中,调整围岩应力重分布而达到新的平衡,以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。

因此,它也是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法,其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。

它适用于各种不同的地质条件,在软弱围岩中更为有效。

新奥法的原理虽然可用于各种类型的支护,但是,最为适用的是喷锚支护。

因此喷混凝土、锚杆、量测被认为是新奥法的三大要素。

借助现场监测及其反馈信息,可以及时对原有设计方案进行调整和完善“正确指导施工,通过对测试成果的收稿日期:2012-03-28　总第261期 内蒙古科技与经济深入分析可以给出合理的二次支护时间”即当收敛位移变形速率明显下降或变形开始趋向稳定时,应及时进行二次支护,否则位移又可能继续发展。

1.2　掘进机法(“T BM”法)掘进机是全断面开挖隧洞的专用设备。

它利用大直径转动刀盘上的刀具对岩石的挤压、滚切作用来破碎岩石隧洞掘进机开挖比钻爆法掘进速度快,用工少,施工安全,开挖面平整,造价低,但机体庞大,运输不便,只能适用于长洞的开挖,并且本机直径不能调整,对地质条件及岩性变化的适应性差,使用有局限性。

一般用于山岭隧道的中部段施工,因为此段的围岩较稳定。

“T BM”法与钻爆法的比较: “T BM”法在合适断面的隧道施工时其超挖量较钻爆法小。

“T BM”法在开挖速度上较钻爆法有绝对的优势。

“T BM”法较钻爆法使用劳动力少得多,作业强度也小,但要求工人技术素质较高。

“T BM”法较钻爆法前期准备时间长,对沿线进场道路、桥梁的承载力要求高。

“T BM”法较钻爆法在减少粉尘和毒气方面较优。

关于两种方法的适用隧道长度而言,就目前的工程实践看。

一般认为隧道长度超过3000m或更长时使用“T BM”为宜,而3000m以下的隧道还以钻爆法施工为宜。

就中国目前使用的“T BM”而言,其单位长度掘进的费用还比钻爆法高。

“T BM”的搬迁费用远比钻爆法所用机械高。

综上所述,根据中国的国情,目前还不可能大量进口“T BM”,“T BM”法的缺点是对地质条件的适应性较弱,技术要求高。

主机费用昂贵,中、短隧道不适合,所以在当前和今后一段时间内,还会以钻爆法为主开挖隧道。

当然,随着“T BM”性能的不断改进,适应性的不断提高,以及对工人劳动保护要求的提高。

“T BM”将会越来越多地应用在中国的隧道建设上。

2　山岭隧道应对不良地质的技术措施2.1　山岭隧道应对软弱围岩的技术措施软弱围岩中山岭隧道设计和施工的一般方法: 分期支护先“柔”后“刚”在这类围岩中,过早地做较厚的喷射混凝土支护,对围岩变形约束过强,导致支护结构承受较大的变形压力,易使喷射混凝土支护出现开裂破坏,一般应分期支护。

初期支护的作用是及时提供一定的支承抗力,使围岩不致发生松散,同时又允许围岩的塑性变形有一定的发展,以充分发挥围岩的自承作用。

后期支护的作用是维持隧道的长期稳定性,并满足使用要求。

设置仰拱,抑制底鼓。

采用控制爆破,减少爆破对围岩的扰动。

监控量测,修正设计,指导施工。

例如:对于节理、裂隙发育,有地下水活动,围岩稳定性较差的Ⅲ类围岩地段,宜采用早强水泥砂浆锚杆或部分快硬水泥卷全长粘结式锚杆。

浅埋隧道,一般来说埋深在2倍洞径以下时,算作是浅埋段,2倍以上算深埋。

就是说隧道顶的覆盖土层厚度小,算浅埋段。

由于地表风化作用,岩质一般比较松软,加之跨度大,结构的施工安全尤为重要,需采取比较特殊的措施处理。

2.1.1　长管棚注浆法。

洞口是个薄弱环节,发生在2008年5月的汶川发生强烈地震引起许多地方隧道的破坏,并在隧道入口结构的破坏尤为严重。

在两端洞口段埋深较浅处,根据需要在拱部打入一定长度和间距的带孔钢管,为保证钢管的打入精度,在洞门墙范围内拱部模注衬砌的外缘,设置沿纵向一定长度的钢架混凝土套拱作为导向墙。

钢管打入后,在其中压注水泥、水玻璃或其他化学浆液,注浆结束后,在钢管内以水泥砂浆填充,形成一定强度和刚度的洞口预支护。

管棚超前支护技术是破碎围岩洞口开挖的一种很好的施工技术。

通过进一步的对管棚支护技术原理、理论研究方法以及管棚支护技术的应用范围与应用条件的总结,表明套拱联合管棚支护技术是破碎围岩洞口支护技术中一种很好的施工方法。

为保证破碎围岩的洞门开挖,增强围岩的稳定和施工的安全,必须增加辅助施工措施——套拱联合管棚支护施工方法,该方法可起到快速有效形成洞门、确保洞口围岩稳定和洞挖施工安全的作用。

在软弱破碎地层中修建山岭隧道,为了防止隧道发生塌方、有效控制地表沉降,并全面保证围岩处于稳定状态,常采用一些辅助措施对围岩进行管棚预支护。

它是在拟开挖的隧道外周边钻设水平孔,然后安装钢管,再进行灌浆固结,使拱顶形成加固的伞形保护环,在该保护环的支撑下,进行循环掘进和支护施工。

该技术能同时提高隧道周边围岩的强度及抗渗性能,从而保证隧道的安全施工。

2.1.2　大断面格栅钢架支护。

根据钢格栅与喷锚结合后承载力检算结果,决定钢格栅的结构尺寸及间距,设置格栅钢架支护。

格栅钢架在洞外分片预制,洞内拼装连接。

此外,对于大断面隧道,新奥法与中心隔膜法相结合的措施是解决的方法之一。

2.1.3　地表砂浆锚杆加固。

在洞口段埋深很浅地段和洞身偏压地段,可以采用地表砂浆锚杆预加固。

地表锚杆一般深入拱部开挖轮廓线以外约50mm～60mm,两侧边墙部位的锚杆深入破裂面以下。

上述施工方法所用机械主要是:钻孔一般用三臂或四臂台车;装碴一般用装碴机;运输分汽车或轨道电瓶车两种;喷射混凝土用喷射机(分干喷、湿喷和潮喷等),衬砌混凝土已比较多地使用模板台车。

而且,有相关的统计隧道开挖各工序的消耗时间,预估单台率开挖的时间消耗,并以此为基础详细分析、计算了各个施工成本组成,得出了台车的开挖施工成本最低,节约循环时间,更有利于快速掘进的结论。

在山岭隧道软弱围岩中,三台阶施工法是一上台阶,二下台阶,三仰拱,四左幅落底,五右幅落底,六左幅仰拱,七右幅仰拱。

其中四、五可以倒置顺序,六七可以倒置位置,它就是一个隧道分部开挖的工法。

它可以发挥大型施工机械设备多工作面快速施工的优势,体现灵活多变易变的特点,能够结合地质条件等因素选择适宜的三台阶法,以满足隧道施工安全的需要。

三台阶法存在一些不足,可以通过控制好台阶长度、做牢拱脚、适当增大超前支护长度、做好临时排水工作等措施弥补。