[设计和施工]浅析公路隧道的设计和施工

浅 析 公 路 隧 道 的 设 计 和 施 工 结合本管段隧道的TRANBBS设计情况和TRANBBS施工中的实际情况，特对各分项工程分化讲解如下：一、隧道衬砌类型的分类隧道衬砌类型一般分为：整体式衬砌、复合式衬砌、喷锚衬砌和装配式衬砌。一般常用的形式是前面三种。复合式衬砌是指外层用锚喷作初期支护，内层用模筑混凝土作二次衬砌的永久结构，两层间根据需要设置防水层。（为防止初期支护和二次衬砌间的不同变形而引起混凝土出现裂纹，一般在两层间均设置隔离层）适用于Ⅲ级及以下软弱围岩。复合式衬砌中喷锚支护是柔性结构，是充分利用围岩的自承能力和围岩密贴共同变形。

浅 析 公 路 隧 道 的 设 计 和 施 工 结合本管段隧道的TRANBBS设计情况和TRANBBS施工中的实际情况，特对各分项工程分化讲解如下：一、隧道衬砌类型的分类隧道衬砌类型一般分为：整体式衬砌、复合式衬砌、喷锚衬砌和装配式衬砌。一般常用的形式是前面三种。复合式衬砌是指外层用锚喷作初期支护，内层用模筑混凝土作二次衬砌的永久结构，两层间根据需要设置防水层。（为防止初期支护和二次衬砌间的不同变形而引起混凝土出现裂纹，一般在两层间均设置隔离层）适用于Ⅲ级及以下软弱围岩。复合式衬砌中喷锚支护是柔性结构，是充分利用围岩的自承能力和围岩密贴共同变形。 喷锚衬砌是指以喷锚支护作永久性衬砌的通称。喷锚衬砌适用于地下水不发育的Ⅲ级及以上围岩的短隧道。 从受力结构来区分，整体式衬砌、复合式衬砌、喷锚衬砌：整体式衬砌中的喷锚支护是作为临时支护措施（是为保证施工安全而用的），不是永久结构受力的部分（其实肯定受力），模筑混凝土是永久结构受力的部分；复合式衬砌中喷锚支护作为初期支护（当然也作临时支护用）和二次模筑混凝土都是永久结构受力的部分，且设计上认为复合式衬砌中的初期支护是永久结构受力的主要部分承担了结构受力的70%~80%。喷锚衬砌顾名思义就是将喷锚支护作为永久结构。 通过对以上三种常用衬砌受力结构的分析，我们可以非常清晰的认识到：复合式衬砌中喷锚支护施工的重要性。喷锚支护施工质量的低下，不仅也可能直接危及施工人员的作业安全，而且直接关联隧道主体结构的工程质量，为隧道埋下质量隐患。 二、初期支护初期支护是在喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护中进行选择，组成不同的支护形式。（一）、喷射混凝土喷射混凝土可分为：素喷混凝土，网喷混凝土。1、喷射混凝土的作用：对围岩节理、裂隙起充填作用，将不连续的岩层层面胶结起来，并产生楔效应而增加岩块间的磨擦系数，防止岩块沿软弱面滑移，促使表面岩块稳定。喷射混凝土有一定粘结力和抗剪强度，能与岩层粘贴并与围岩形成统一承载体系，改善喷层受力条件。喷射混凝土能及时、分层施喷，喷层虽薄但具有较高的早期强度，这样一来，喷层能控制围岩变形，即使围岩仍有较大变形，但不致产生坍塌，从而提高围岩的自承作用。喷射混能使隧道周边围岩尽早封闭，防止围岩进一步风化。2、喷射混凝土的作业要求1）、施工准备材料方面：对水泥、砂、石、速凝剂、水等的质量要进行检验。水泥、速凝剂最好是新鲜的，并经相容性试验合格。砂、石含水率应符合要求。机械及管路方面：喷射机、混凝土搅拌机等在使用前均应检修完好，就位前要进行试运转。管路及接头要保持良好，要求风管不漏风，水管不漏水。其它方面：检查开挖断面，欠挖处要补凿够。敲帮找顶、清除浮石，用高压水冲洗岩面，将附着于岩面的泥圬和虚碴冲冼干净。对渗漏水较大处或集中处做好引排水措施。2)、操作方法A、风压、水压及水灰比控制为了保证喷射混凝土的质量，降低回弹率，减少粉尘，喷射作业时要求风压稳定，压力大小调整适当。水压一般要比水压高50~100Kpa，要求在喷头水环处形成水雾，使干拌合料充分湿润。干喷时，水灰比的控制只能凭喷射手的经验目测掌握。如喷射的混凝土易粘着，回弹小，表面湿润光泽，说明水量合适。如表面无光泽，回弹物增加，灰尘飞扬，混凝土不密实，则说明水量小；如果表面塑性大或出现流淌，滑动现象，说明水量大。B、喷射角度与喷射距离喷嘴与岩面的角度，一般应垂直于岩面。但在边墙时，宜将喷嘴略向下俯10°左右，使混凝土束喷射在较厚的混凝土顶端。喷嘴与岩面的距离，一般保持在0.8~1.2m。喷射手应视具体情况，选用适当的喷射距离。C、喷层厚度每一次喷射混凝土的厚度，拱部为5~6cm，边墙为7~10cm。D、喷射顺序喷射的顺序应先墙后拱，自下而上。如岩面凸凹不平时，应先喷凹处找平，然后向上喷射。喷射时喷嘴料束应呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形进行。为使喷层表面平整，喷射完后应对表面扫射一层。此时喷射顺序应自上而下，喷头料束呈横扫方式运动，不能旋转或停留。（二）锚杆锚杆根据锚固方式和杆体材质可分为：砂浆锚杆、药卷锚固锚杆、自进式注浆锚杆。根据用途可分为径向锚杆和超前锚杆。锚杆的作用：悬吊作用、组合梁作用、加固作用。悬吊作用：由于隧道围岩被节理、裂隙或断层切割，开挖爆破震动可能引起局部岩块失稳，采用锚杆将不稳定岩块悬吊在稳定的岩体上，或将应力降低区内不稳定的围岩，悬吊在应力降低区以外的稳定岩体上。在侧壁则用锚杆阻止岩块滑动。组合梁作用：在水平或倾角较小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合，形成类似组合梁结构，能增加层面间的抗剪强度和磨擦力，从而提高围岩的稳定性。加固作用：软弱围岩开挖后，使洞内临空面变形较大，当坑道周边布设系统锚杆，向围岩施加径向锚杆，向围岩施加径向压力而形成承载拱后，便与喷射混凝土共同承受围岩的形变压力，可减少围岩的变形，提高围岩的整体稳定性。系统锚杆布置应沿隧道周边均匀布置，呈梅花形布置。在隧道横断面内，锚杆方向宜与周边垂直。在层状围岩中，锚杆的方向宜与岩层面垂直。在锚杆受力较大的区段,锚杆多因下述两种原因失效。第一种是由于锚杆本身的强度不够被拉断；第二种是由于锚固力不足而被拉出（施工现场多为这一种）。锚固力不足表现为锚杆与粘结材料间或粘结材料与围岩间的粘结力不足。可采取三种提高锚杆支护效果的措施：采用高强度锚杆或大锚杆直径，增大钻孔直径，增加锚杆根数。（三）钢架在自稳时间较短的围岩中修建隧道时，如果在喷射混凝土及锚固锚杆的砂浆尚未达到所须强度之前就须对开挖岩面进行支护时，应采用钢架。因钢架在架设后，可立即起到支护作用。另外，当围岩压力大或变形发展较快时，也应采用钢架，加强初期支护。钢架安装前，应检查开挖断面的中线及高程。钢架安装应符合下列要求：1、安装前应清除底脚下的虚碴及其他杂物，超挖部分应用混凝土填充。安装允许偏差横向和高程均为±5cm，垂直度允许偏差为±2°；2、钢架各节间宜以螺栓连接，不得任意割断钢架；3、沿钢架外缘每隔2m应用楔子楔紧；4、在各排钢架之间应设置纵向钢拉杆。设置拉杆是为了保证钢架在架立后、尚未被喷射混凝土固定前沿纵向的稳定性。在喷射混凝土后也能增加纵向刚度，从而改善纵向受力结构。三、防水层现隧道交验时都要求做到不渗不漏。对隧道渗漏水提出了很高的要求。现隧道施工中设计均采取了堵和排相结合的办法：二衬施工缝设遇水膨胀止水条，二衬与初期支护间设复合型防水板。二衬背后设环向和纵向透水管肓沟。其中复合型防水板的铺设质量至关重要。铺设防水板时应注意几个方面：初期支护表面要求基本平顺，锚杆尾部外露长度应小于1cm，防水层施工区段不应有爆破作业。防水板与初期支护要求密贴，但不要绷得过紧，以免灌注混凝土时将防水板胀破。焊接应采取双焊缝不得有假焊、漏焊现象。四、施工监控量测施工监控量测是在隧道开挖过程中，使用各种量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测、及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据量测结果确定二次衬砌施作的时间。监控量测可分为必测项目和选测项目。必测项目包括：洞内外观察，水平净空变化量测，拱顶下沉量测，浅埋隧道地表下沉量测。 一）、洞内观察开挖工作面的观察，在每个开挖面进行，特别是软弱围岩条件下，开挖后应立即进行地质调查。若遇特殊不稳定情况时，应派专人进行不间断的观察。1）、对开挖后没有支护的围岩的观测A、节理裂隙发育程度及方向；B、开挖工作面的稳定状态，顶板有无坍塌现象；C、涌水情况：涌水的位置、涌水量、水压等；D、底板是否有隆起现象。2）、对开挖后已支护地段围岩动态的观测A、是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象；B、喷混凝土是否有裂隙和剥离或剪切破坏；C、钢架有无被压变形情况。二）、监控量测资料的整理与反馈1、监控量测的目的是通过对围岩和支护的变位、应力量测，反馈到施工上，及时调整施工组织和支护系统，保证隧道施工安全。2、隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于下表中所列数据。当位移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近表中所列数值，或喷层表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并调整原支护参数或开挖方法。隧道周边允许相对位移值（%） 覆盖层厚度（m）围岩类型 允许相对位移值（%） ＜50 50~300 ＞300Ⅳ 0.10~0.30 0.20~0.50 0.40~1.20Ⅲ 0.15~0.50 0.40~1.20 0.80~2.00 Ⅱ 0.20~0.80 0.60~1.60 1.00~3.00注: a、相对位移值是指实测相对位移值与两测点间距离之比,或拱顶位移实测值与隧道宽度之比。 b、脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。 c、本表中所列数值可在施工过程中通过实测和资料积累作适当调整。3、二次衬砌的施作应在满足下列要求时进行：a、 各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；b、 已产生的各项位移已达到预计总位移量的80%~90%；c、 周边位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d。4、变形管理等级变形管理等级管理等级 管理位移 施工状态Ⅲ U＜U0/3 可正常施工Ⅱ U0/3≤U≤2U0/3 应加强支护Ⅰ U＞2U0/3 应采取特殊措施注：U-实测位移值；U0-最大允许位移值。五、几种不良地质构造及地下水对隧道施工的影响一）、倾斜岩层对隧道施工的影响岩层构造 无软弱结构面时 有软弱结构面时缓倾的（0~30°） 层厚及节理一般层厚大于1m的稳定性好，中厚层0.4~1.0m的次之，薄层最差节理密，顶部易坍石掉块 软弱面位于隧道顶部，易造成顶板坍塌；软弱面位于底部，影响支护及衬砌稳定。陡倾的（30°~60°） 层面及节理结合不良时，易出现滑动偏压等情况 软弱面位于隧道顶部，易造成坍塌，可能产生应力集中；软弱面位于中部，易出现偏压滑动，在有地下水时尤应注意。陡立的（61°~90°） 一般情况围岩稳定性较缓倾和陡倾岩层为好 软弱面位于隧道内，可能出现局部坍塌，如位于两侧，可能产生坍帮偏压二）、褶曲对隧道施工的影响褶曲有背斜和向斜之分。背斜的产状呈正拱形，其裂隙特征是上部受拉，形成张口上大下小。向斜的产状呈倒拱形，其裂隙特征是上部受压，下部受拉，张口上小下大。褶曲构造对隧道施工的影响：1、隧道在向斜层开挖，多出现掉块和坍塌；2、隧道在平行褶曲轴通过，易产生较大偏压；3、向斜构造中，一般在轴部多储存大量地下水，且多有承压性质，施工中常遇较大的突然涌水； 4、在石灰岩中多出现岩溶，背斜中岩溶发育多为漏斗及井穴，而向斜中岩溶多为暗河；5、在柔性岩层中，易产生小褶皱，使岩层更为破碎，强度极度降低。三）、断层对隧道施工的影响断层的断裂面处，有较大的剪应力和残余应力，断层带的岩体破碎，一般有碎石、角砾等，岩体强度低，围岩压力较大。断层对隧道施工的影响程度主要取决于断裂破碎带的宽度及破碎带胶结情况：1、隧道通过断层带，极易产生坍塌和涌水，直接影响坑道的稳定，施工时应加强支护工作，缩短各工序间的距离，尽快衬砌；2、断层带中，由于充填物处于压缩状态，开挖后潜在应力释放，发生较大膨胀压力使坑道变形；3、断层面倾向隧道，且倾角大于10°者，对隧道产生偏压，当隧道轴线与断裂线平行或交角甚小，则侧压力更大；4、在软、硬不同岩层中，断裂面的柔性岩石，往往形成不透水层，而在脆性岩的破碎角砾带，极易储存大量地下水，开挖时常常发生承压涌水，危害极大。四）、地下水对围岩稳定性和隧道施工的影响地下水对围岩（主要是指软弱围岩）的溶解、溶蚀、冲刷、软化，或产生静水压力，或引起膨胀压力等，改变了岩石（体）的强度，从而引起围岩的变形破坏、失稳塌方以及由地下水引起的隧道涌水。

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