《隧道施工技術》教材配套PPT課件,隧道施工技術,隧道,施工,技術,教材,配套,PPT,課件 隧道施工技術模塊模塊1 1 圍巖分級與圍巖壓力圍巖分級與圍巖壓力1.1 圍 巖 分 級1.2圍 巖 壓 力1.1 1.1 圍 巖 分 級 公路隧道圍巖分級1.1.1 圍巖是指隧道開挖后其周圍產生應力重新分布的巖體，或指隧道開挖后對其穩(wěn)定性產生影響的那部分巖體或土體。洞身周圍的地層，不管是巖體還是土體統(tǒng)稱為隧道圍巖。這里的土體是指廣義的土，可以理解為是從巖體上剝離的風化物質，包括各種土（黃土、軟土等）、卵礫石土等。1.1 1.1 圍 巖 分 級 隧道圍巖分級是隧道設計與施工的基礎。為了滿足隧道設計、施工等的需要，針對各種不同工程項目的具體要求，如施工開挖、支護、支承與襯砌，以及編制隧道施工組織設計等，把圍巖按這些不同要求進行相應的地質條件歸類，這就是圍巖分級。正確的、符合工程實際的圍巖分級對于隧道設計計算及支護設計的準確性有很重要的意義。這里要討論以解決隧道支護問題為目的的圍巖分級，以便確定襯砌結構類型，計算作用于支護、支承及襯砌結構的圍巖壓力。1.1 1.1 圍 巖 分 級 （1）公路隧道圍巖分級的綜合評判方法宜采用兩步，并按以下順序進行分級：根據巖石的堅硬程度和巖體的完整程度兩個基本因素的定性特征與定量的巖體基本質量指標BQ，綜合進行初步分級。對圍巖進行詳細定級時，應在巖體基本質量分級基礎上考慮修正因素的影響，修正巖體基本質量指標值。按修正后的巖體基本質量指標BQ，結合巖體的定性特征綜合評判、確定圍巖的詳細分級。1.1 1.1 圍 巖 分 級 （2）圍巖分級中巖石的堅硬程度、巖體的完整程度兩個基本因素的定性劃分和定量指標及其對應關系應符合下列規(guī)定：巖石堅硬程度可按表1-1定性劃分。表表1-11-1巖石堅硬程度的定性劃分巖石堅硬程度的定性劃分1.1 1.1 圍 巖 分 級 巖石堅硬程度定量指標用巖石單軸飽和抗壓強度Rc（單位為MPa）表達。一般采用實測值，若無實測值時，可采用實測的巖石點荷載強度指數Is（50）的換算值，即按式（1-1）計算。Rc=2282I0.75s（50）（1-1）1.1 1.1 圍 巖 分 級 Rc與巖石堅硬程度定性劃分的關系可按表1-2確定。表表1-21-2R Rc c與巖石堅硬程度定性劃分的關系與巖石堅硬程度定性劃分的關系1.1 1.1 圍 巖 分 級 巖體完整程度可按表1-3定性劃分。表表1-31-3巖體完整程度的定性劃分巖體完整程度的定性劃分1.1 1.1 圍 巖 分 級 巖體完整程度的定量指標用巖體完整性系數Kv表達。Kv一般用彈性波探測值，若無探測值時，可用巖體體積節(jié)理數v，按表1-4確定對應的Kv值。表表1-41-4v v與與K Kv v對照表對照表1.1 1.1 圍 巖 分 級 Kv與定性劃分的巖體完整程度的對應關系可按表1-5確定。巖體完整程度的定量指標Kv、v的測試和計算方法應符合公路隧道設計規(guī)范（TG D702004）的規(guī)定。表表1-51-5K Kv v與定性劃分的巖體完整程度的對應關系與定性劃分的巖體完整程度的對應關系1.1 1.1 圍 巖 分 級 （3）圍巖基本質量指標BQ應根據分級因素的定量指標Rc值和Kv值按式（1-2）計算。BQ=90+3Rc+250Kv （1-2）式中，BQ為圍巖基本質量指標；Rc為巖石單軸飽和抗壓強度；Kv為巖體完整性系數。使用式（1-2）時應遵守以下限制條件：當Rc90Kv+30時，應以Rc=90Kv+30和Kv值代入計算BQ值。當Kv004Rc+04時，應以Kv=004Rc+04和Rc值代入計算BQ值。1.1 1.1 圍 巖 分 級 （4）圍巖詳細定級時，如遇下列情況之一，應對巖體基本質量指標BQ進行修正：有地下水。圍巖穩(wěn)定性受軟弱結構面影響，且由一組起控制作用。存在高初始應力。（5）根據調查、勘探、試驗等資料，巖石隧道的圍巖定性特征、圍巖基本質量指標BQ，或修正的圍巖質量指標BQ值，土體隧道中的土體類型、密實狀態(tài)等定性特征，詳見表1-10確定圍巖級別。1.1 1.1 圍 巖 分 級1.1 1.1 圍 巖 分 級 （6）各級圍巖物理力學參數和抗剪強度。各級圍巖的物理力學參數及結構面抗剪強度應通過室內或現(xiàn)場試驗獲得，如無試驗數據時，可按表1-11的規(guī)定選用；巖體結構面抗剪斷峰值強度參數可按表1-12選用。1.1 1.1 圍 巖 分 級表表1-111-11各級圍巖的物理力學指標標準值各級圍巖的物理力學指標標準值1.1 1.1 圍 巖 分 級表表1-121-12巖體結構面抗剪斷峰值強度參數巖體結構面抗剪斷峰值強度參數1.1 1.1 圍 巖 分 級 （7）隧道各級圍巖的自穩(wěn)能力宜根據圍巖變形量測和理論計算分析來評定，隧道各級圍巖自穩(wěn)能力也可按表1-13做出判斷。表表1-131-13隧道各級圍巖自穩(wěn)能力判斷隧道各級圍巖自穩(wěn)能力判斷1.1 1.1 圍 巖 分 級 鐵路隧道圍巖分級1.1.2 在我國現(xiàn)行的鐵路隧道設計規(guī)范（TB 100032005）中明確規(guī)定了圍巖由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個決定因素確定，巖石堅硬程度和巖體完整程度應采用定性劃分和定量指標兩種方法綜合確定。鐵路隧道的圍巖級別的確定應符合規(guī)范規(guī)定。依其穩(wěn)定性由好到差把圍巖分為6級，即、級。圍巖分級圍巖分級1.1.1 1.1 圍 巖 分 級1 1）巖石堅硬程度）巖石堅硬程度 圍巖巖石強度是圍巖體抵抗外力的一個重要方面，在結構特征和完整狀態(tài)相同的情況下，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖巖石的強度。一般來說，無裂隙或少裂隙的圍巖具有整體結構，其強度可用巖石試件的抗壓強度或抗剪強度來表示，對于多裂隙的圍巖體，其強度可用工程類比法判斷。1.1 1.1 圍 巖 分 級2 2）巖體完整程度）巖體完整程度 巖體完整程度的劃分如表1-16所示。表表1-161-16巖體完整程度的劃分巖體完整程度的劃分1.1 1.1 圍 巖 分 級 按照以上兩個因素，把圍巖分為六級，依其堅硬程度和完整程度由好到差依次為、級，如極硬巖，巖體破碎；硬巖，巖體較破碎或破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整或較破碎；詳表1-17所示。3 3）圍巖基本分級）圍巖基本分級1.1 1.1 圍 巖 分 級圍巖分級修正圍巖分級修正2.結合隧道工程的特點，考慮地下水狀態(tài)、初始地應力狀態(tài)等必要的因素，圍巖級別在基本分級的基礎上應進行修正。1.1 1.1 圍 巖 分 級1 1）地下水狀態(tài)分級）地下水狀態(tài)分級 地下水狀態(tài)的分級如表1-18所示。表表1-181-18地下水狀態(tài)的分級地下水狀態(tài)的分級1.1 1.1 圍 巖 分 級2 2）地下水影響對圍巖級別的修正）地下水影響對圍巖級別的修正表表1-191-19地下水影響的修正地下水影響的修正 地下水影響的修正如表1-19所示。1.1 1.1 圍 巖 分 級3 3）初始地應力狀態(tài)）初始地應力狀態(tài) 當無實測資料時，圍巖的初始地應力狀態(tài)可根據隧道工程埋深、地貌、地形、地質、構造運動史、主要構造線與開挖過程中出現(xiàn)的巖爆、巖芯餅化等特殊地質現(xiàn)象，按表1-20評估。表表1-201-20初始地應力場評估基準初始地應力場評估基準1.1 1.1 圍 巖 分 級4 4）初始地應力對圍巖級別的修正）初始地應力對圍巖級別的修正表表1-211-21初始地應力影響的修正初始地應力影響的修正 初始地應力影響的修正如表1-21所示。1.1 1.1 圍 巖 分 級 當隧道洞身埋藏較淺時，應根據圍巖受地表影響的情況進行圍巖級別的修正。當圍巖為風化層時，應按風化層的圍巖基本分級考慮；當圍巖僅受地表影響時，應較相應圍巖降低12級。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 圍巖壓力的基礎知識1.2.1 圍巖壓力是周圍巖體作用于隧道和地下硐室襯砌或支護上的荷載，也稱地層壓力。從廣義上講，圍巖壓力是開挖隧道后圍巖變形和應力重新分布的一種物理現(xiàn)象。隧道開挖后，因圍巖變形或松動等原因，作用于硐室周邊巖體或支護結構上的壓力即圍巖壓力。作用于結構物而使結構產生應力的力量稱為荷載。圍巖分級圍巖分級1.2 1.2 圍 巖 壓 力圍巖壓力的類型圍巖壓力的類型1.1 1）松動壓力）松動壓力 由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為松動壓力。松動壓力按作用在支護上力的位置不同，可分為豎向壓力、側向壓力和底壓力。松動壓力常發(fā)生在下列三種情況中：（1）在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石。（2）在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側片幫冒落。（3）在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。1.2 1.2 圍 巖 壓 力2 2）形變壓力）形變壓力 形變壓力是由于圍巖變形而受到與之密貼的支護（如錨噴支護等）的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形的過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應力狀態(tài)有關外，還與支護時間和支護剛度有關。1.2 1.2 圍 巖 壓 力3 3）膨脹壓力）膨脹壓力當巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，圍巖由于吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。1.2 1.2 圍 巖 壓 力4 4）沖擊壓力）沖擊壓力 沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產生的壓力。1.2 1.2 圍 巖 壓 力坑道開挖前后圍巖的應力狀態(tài)坑道開挖前后圍巖的應力狀態(tài)2.1 1）坑道開挖前圍巖的應力狀態(tài)）坑道開挖前圍巖的應力狀態(tài) 坑道在開挖前，地層是處于相對靜止的狀態(tài)。地層中任何一處的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的擠壓，保持著相對的平衡。它是由上覆地層自重、地殼運動的殘余應力及地下水活動等因素所決定的。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應力，并取深度上的一個單元體來做應力分析，如圖1-1所示。該單元體受到三對大小相等、方向相反的壓力的作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運動的相對靜止狀態(tài)。圖圖1-11-1隧道開挖前任一處圍巖的受力狀態(tài)隧道開挖前任一處圍巖的受力狀態(tài)1.2 1.2 圍 巖 壓 力2 2）坑道開挖后圍巖的應力狀態(tài)）坑道開挖后圍巖的應力狀態(tài) 坑道開挖之后,圍巖原來保持的平衡狀態(tài)受到破壞,由相對的靜止狀態(tài)變成顯著的變動狀態(tài),于是圍巖在應力和變形方面開始了一個新的變化運動,出現(xiàn)了圍巖應力的重分布和圍巖向開挖的坑道空間變形現(xiàn)象,力圖達到新的平衡。1.2 1.2 圍 巖 壓 力圍巖的成拱作用圍巖的成拱作用3.在工程實踐中人們發(fā)現(xiàn),當隧道在多裂隙圍巖（包括一般土層）中埋置較深時,作用在支護結構上的圍巖壓力遠遠小于其上覆層自重所造成的壓力。究其原因，可以用圍巖的成拱作用來解釋。在上述條件下,當坑道開挖后,如果任意讓其變形、松動和坍塌,最后將會看到在坑道上方形成一個相對穩(wěn)定的拱形洞穴,如圖1-2所示。人們常稱其為“天然拱”或“平衡拱”。它上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力,如同一個承載環(huán)一樣,并將荷載重力向兩側傳遞下去,這就是所謂的圍巖的成拱作用。1.2 1.2 圍 巖 壓 力圖圖1-21-2圍巖的成拱作用圍巖的成拱作用1.2 1.2 圍 巖 壓 力影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素4.影響圍巖壓力的因素主要有兩類：一類是圍巖的工程地質因素，主要包括圍巖的原始巖體的結構面等；另一類是工程結構因素，包括時間因素、坑道的形狀和尺寸、隧道的埋置深度、支護因素、爆破因素、超挖回填因素等。其中起決定作用的是圍巖的地質條件，其是內因。這里就對圍巖壓力的影響外因（工程結構因素）做簡略的分析。1.2 1.2 圍 巖 壓 力1 1）時間因素）時間因素 無論何種圍巖，在坑道開挖后的暴露時間越短越好。采用噴射混凝土技術來支護圍巖，可使圍巖的暴露時間較短，能及時阻止圍巖的變形，防止圍巖發(fā)生過大變形而產生較大的松動壓力，充分利用圍巖自身的承載能力；若按照一般模筑混凝土襯砌的修筑方法，不采用噴射混凝土，從開挖到做完襯砌并使之形成一定的強度，往往需要較長的時間，襯砌一開始就要受到很大的松動圍巖壓力。襯砌結構就要做得相對厚些。要修筑永久性襯砌并使之提供所需的支護力的時間不宜過遲。1.2 1.2 圍 巖 壓 力2 2）坑道的形狀和尺寸）坑道的形狀和尺寸 在同樣的圍巖條件下,坑道跨度越大,圍巖越不穩(wěn)定,圍巖壓力也越大。對中等跨度的坑道而言,壓力與跨度之間呈直線的關系。當坑道有引起圍巖應力集中的形狀，即有明顯的拐角時，圍巖壓力相對較大。1.2 1.2 圍 巖 壓 力3 3）隧道的埋置深度）隧道的埋置深度 當上覆層較薄,不能形成天然拱時,這時坑道上方的土石重量將全部作用在支護結構物上，在此范圍內，圍巖壓力一般是隨著隧道埋深的增大而增大。但當埋深超過一定深度（臨界深度）時才能形成 天然拱。此時作用在支護結構物上的圍巖壓力僅是塌落拱范圍內的土石重量,比前者小得多。當坑道埋深超過此范圍時，則圍巖壓力的大小基本不受埋深變化的影響。前者稱為淺埋式隧道,后者稱為深埋式隧道。1.2 1.2 圍 巖 壓 力4 4）支護因素）支護因素 在相同的圍巖條件下，有支護的坑道圍巖壓力要比無支護的坑道小；支護及時的坑道圍巖要比支護晚的坑道圍巖壓力小；支護與圍巖密貼得越好則圍巖壓力越?。划斨ёo的剛度較小即為柔性支護時，坑道的圍巖壓力相對較小。1.2 1.2 圍 巖 壓 力5 5）爆破因素）爆破因素 采用爆破法開挖對圍巖的穩(wěn)定極為不利，尤其是對地質條件較差的圍巖更為不利，爆破的擾動很大，會造成圍巖的壓力過大，巖體松動甚至塌方。因此在隧道中，能用機械開挖的盡量不要爆破；若必須要爆破，盡量采用控制爆破技術，嚴格控制爆破用藥量，采用光面爆破、預裂爆破等先進的爆破技術。1.2 1.2 圍 巖 壓 力6 6）超挖回填因素）超挖回填因素襯砌背后的超挖部分在施工時回填不密實，使得圍巖得不到很好的支護而繼續(xù)松動，嚴重時會造成圍巖坍塌，引起襯砌開裂甚至破壞。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 圍巖壓力的確定1.2.2 隧道圍巖壓力的確定目前有三種方法。第一種是直接測量法，是用儀器實地量測圍巖壓力的大小，這種方法最具說服力。第二種是工程類比法，即根據大量實際資料分析統(tǒng)計和總結，按不同圍巖類別提出圍巖壓力的經驗數值（經驗公式），作為隧道工程確定圍巖壓力的依據。第三種方法是理論計算法，是在實踐的基礎上從理論上研究圍巖壓力的計算方法。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 當隧道為深埋時，作用在支護結構上的圍巖壓力，從松動壓力的概念看，實際為坑道周圍某一破壞范圍內巖體的重量，故解決這一破壞范圍的大小就成為問題的關鍵。由經驗可知：圍巖越好則坑道就越穩(wěn)定，坑道開挖所影響區(qū)域就越小，圍巖壓力值也就越??；相反，圍巖越差則壓力值相應就越大，這說明圍巖壓力。大小與圍巖級別成正比。在圍巖類別相同的條件下，坑道跨度越大，坑道的穩(wěn)定性就越差，壓力值也就越大，說明圍巖壓力的大小與坑道跨度成正比。1.2 1.2 圍 巖 壓 力淺埋隧道與深埋隧道的判別淺埋隧道與深埋隧道的判別1.淺埋隧道是指采用暗挖法施工、埋深較淺的隧道。在隧道埋深不大時，坑道開挖往往會使整個覆蓋層產生擾動，較易發(fā)生洞頂坍塌，有時會使地表開裂下沉，因此會產生較大的圍巖壓力。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 對公路隧道來說，淺埋隧道多出現(xiàn)在洞口段。深埋和淺埋隧道的分界有很多判定標準，一般是以坑道上方能否形成穩(wěn)定的深埋圍巖壓力值來區(qū)分的，并且結合具體的地質、施工條件等因素來綜合確定。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 要形成穩(wěn)定的深埋圍巖壓力值，顯然除了需要前述的松動范圍之外，還需要有足夠厚度的巖（土）體，否則松動范圍會一直擴展到地表。也就是說，深埋隧道、淺埋隧道的分界深度要比荷載等效高度大，荷載等效高度hq可用式（1-7）計算得到。hq=q （1-7）式中，hq為荷載等效高度（m）；q為垂直均布圍巖壓力（kPa）；為圍巖天然容重（kNm3）。1.2 1.2 圍 巖 壓 力淺埋隧道圍巖壓力的計算方法淺埋隧道圍巖壓力的計算方法2.1 1）隧道埋深不大于等效荷載高度）隧道埋深不大于等效荷載高度 在這種情況下，坑道上覆巖（土）體較薄，從安全的角度考慮，略去坑道上方土體下滑時周圍土體所產生的阻力，即將上覆土柱全部重力作為圍巖壓力，視為均布時，垂直壓力q為 q=（1-9）式中，q為均布垂直壓力（kPa）；為坑道上覆圍巖天然容重（kNm3）；為隧道埋深（m），指坑頂至地面的距離。1.2 1.2 圍 巖 壓 力2 2）隧道埋深大于等效荷載高度而小于隧道分界深度）隧道埋深大于等效荷載高度而小于隧道分界深度 坑道上覆土體下滑時要考慮滑面阻力的影響，否則會得到過大的壓力值。如圖1-4所示，由于坑道開挖的影響而引起上覆巖（土）體下沉，即圖中EFG下沉。而它的下沉必受到左右?guī)r（土）體的阻礙，或者說兩側的圍巖要被它帶動下沉。這個阻礙作用在計算圍巖壓力時需予以考慮，為便于分析，根據實測和試驗做出假定。1.2 1.2 圍 巖 壓 力圖圖1-41-4淺埋圍巖壓力計算示意圖淺埋圍巖壓力計算示意圖1.2 1.2 圍 巖 壓 力 （1）假定土體中形成的破裂面是一條與水平成角的斜平面。（2）EFG巖（土）體下沉，帶動兩側三棱土體（見圖1-4中的FDB及ECA）下沉，當整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖（土）體的阻力。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 （3）斜平面AC或BD是假定的破裂面，分析時考慮黏聚力c并采用了計算摩擦角g。另一滑面F或EG并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若該滑面的摩擦角為，則值應小于g值。當無實測資料時，一般可參考表1-23采用。表表1-231-23各級圍巖的各級圍巖的值值1.2 1.2 圍 巖 壓 力 在圖1-4中，坑道上覆巖體EFG的重力為W，兩側三棱巖體FDB或ECA的重力為W1，未擾動巖體對整個滑動土體的阻力為F，當EFG下沉時，兩側受到的阻力為T或T。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 由此可見，淺埋隧道的圍巖壓力是隨坑道埋深增加而增加的，當HHp=Bt/2tan以后，圍巖壓力則要逐漸減?。划攪鷰r壓力等于深埋隧道荷載時，則圍巖壓力將維持不變。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 在判定深、淺埋隧道的分界時，若用理論公式（1-25）也可得出p值，但其往往與式（1-8）所求得的出入較大。事實上，用理論公式計算時，一些參數（如等）就帶有主觀性，公式的推導又是由勻質材料出發(fā)，把圍巖視作各向同性體，這與實際有出入。目前，一般按式（1-8）判別，把理論公式（包括其他理論公式，如泰沙基公式等）、檢算卸載拱法或其他經驗判斷法等作為參考。1.2 1.2 圍 巖 壓 力深埋隧道圍巖均布壓力深埋隧道圍巖均布壓力2.由前面分析可知，圍巖壓力值受到許多因素影響，但主要取決于巖體構造和結構面的組合等地質因素，并且壓力分布很不均勻（對徑向壓力而言），巖質多裂隙巖體比土質巖體中的壓力分布更不均勻。在某些圍巖中，可見到呈拱形的暫時穩(wěn)定的平衡拱。除黏性土及某些塑性性巖石外，荷載的時間效應不顯著，壓力增長很快，在較短時間內就趨于穩(wěn)定。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 （1）級圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力主要為變形壓力，其值可按釋放荷載計算，可參考設計規(guī)范，此處不再敘述。（2）級圍巖中的深埋隧道的圍巖壓力為松散荷載時，其垂直均布壓力及水平均布壓力可按下列方法計算：垂直均布壓力。q2=h（1-27）h=0452s-1 式中，q2 為垂直均布圍巖壓力（kPa）；為圍巖重度 （kNm3），按表1-24取值；s為坑道圍巖級別；為跨度影響系數，其值為=1+i（Bt-5），Bt為坑道寬度（m），i為 Bt每增減1m時的圍巖壓力增減率，以Bt=50m的垂直均布壓力為準，當Bt50m 時，取i=0.1。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 水平均布壓力。深埋隧道圍巖水平均布壓力按表1-25確定。表表1-241-24各級圍巖重度各級圍巖重度表表1-251-25深埋隧道圍巖水平均布壓力深埋隧道圍巖水平均布壓力1.2 1.2 圍 巖 壓 力圍巖壓力量測圍巖壓力量測3.坑道形狀的選擇、支護結構設計、圍巖壓力理論及坑道施工等的進一步深入研究，都需要更好地判斷圍巖穩(wěn)定性，也即需要更好地確定圍巖壓力的大小、分布、方向等，因此對于圍巖壓力的實測工作，一直受到設計、施工等相關研究人員的重視。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 圍巖壓力量測，一般可通過量測支護結構的變形或內力，然后推算圍巖壓力的間接方法，或用直接量測作用在支護結構上的壓力的方法。量測支護結構的變形或內力的方法很多，如可采用各種類型的支柱測力計（有機械式、電測式及液壓式等），或在襯砌內埋設各種量測元件（如電阻應變片、鋼筋應變計、遙測應變計、混凝土應變磚等）量測襯砌的應變。1.2 1.2 圍 巖 壓 力 直接量測作用在支護結構上的壓力，可采用各種類型（機械式、電測式、液壓式等）的壓力盒。此外，還可以量測圍巖的變形情況（量測中常采用量測錨桿，或量測坑道斷面開挖后的收斂情況）及圍巖深部的應力情況（采用量測圍巖深部應力的應力計）。在試驗室，還用模型試驗的方法推算結構上作用的壓力及圍巖變形情況。Thank you隧道施工技術模塊模塊10 10 施工輔助作業(yè)施工輔助作業(yè)10.1 壓縮空氣的供應10.2 施工供水與排水10.3施工通風、防塵、防有害氣體10.4施工供電與照明10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 修建隧道時，為配合開挖、運輸、支承及襯砌等基本作業(yè)而進行的其他作業(yè)稱為隧道施工輔助作業(yè)。其內容包括壓縮空氣的供應，施工供水與排水，施工通風、防塵、防有害氣體，施工供電與照明等。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 壓縮空氣的供應計算10.1.1 在隧道施工中，以壓縮空氣為動力的風動機械（具）設備得到廣泛的使用，常用的有鑿巖機、裝碴機、噴混凝土機、鍛釬機、壓漿機等。這些風動機具所需的壓縮空氣是由空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）生產，并通過高壓風管輸送給風動機具的。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應壓縮空氣俗稱高壓風，即經空氣壓縮機壓縮后的具有一定壓力的空氣。要保證風動機械（具）設備正常工作，壓縮空氣必須具有一定的風量和風壓。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 空壓機站10.1.2 空壓機站主要由空壓機、配電設備、儲風罐（俗稱風包）、送風管及配件、循環(huán)水池（用于冷卻空壓機）等組成。空壓機按動力來源可分為電動和內燃兩種。短隧道可采用移動式內燃空壓機，長隧道可采用固定式大型電動空壓機。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 高壓風管管路敷設要求10.1.3 （1）管道敷設要求平順，接頭密封，防止漏風，凡有裂紋、創(chuàng)傷、凹陷等現(xiàn)象的鋼管不能使用。（2）在洞外地段，當風管長度超過500 m且溫度變化較大時，宜安裝伸縮器；靠近空壓機150 m以內，風管的法蘭盤接頭宜用耐熱材料制成墊片，如石棉襯墊等。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 （3）如壓風管道在總輸出管道上，必須安裝總閘閥以便控制和維修管道；主管上每隔300500 m應分裝閘閥；按施工要求，在適當地段（一般每隔60 m）加設一個三通接頭備用；管道前端至開挖面距離宜保持在30 m左右，并用高壓軟管接分風器；采用分部開挖法時，通往各工作的軟管長度不宜大于50 m，與分風器連接的膠皮軟管長度不宜大于10 m。（4）當主管長度大于1000m時，應在管道最低處設置油水分離器，定期放出管中聚積的油水，以保持管內的清潔與干燥。10.1 10.1 壓縮空氣的供應壓縮空氣的供應 （5）在管道安裝前應進行檢查，鋼管內不得留有殘雜物和其他臟物；各種閘閥在安裝前應清洗干凈，并進行水壓強度試驗，合格者方能使用。（6）管道在洞內應敷設在電纜、電線的另一側，并與運輸軌道有一定距離，管道高度一般不應超過運輸軌道的軌面，若管徑較大而超過軌面，應適當增大距離。（7）管道在使用時，應有專人負責檢查、養(yǎng)護。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水 施工中的供水和排水是同施工安全密切相關的?？拥纼瘸霈F(xiàn)地下水會使圍巖軟化，引起落石塌方；若坑道底部積水不及時排除，則有礙鉆眼、爆破和清底接軌；坑道頂部淋水對工人健康不利；水量過大時甚至會淹沒工作面，迫使工作停頓，這是水對施工不利的一面。但是，坑道內鑿巖、噴霧灑水、澆筑襯砌、機械運轉和施工人員日常生活等都離不開水。因此，隧道工程既要有供水設施，又要有排水措施，這樣才能確保施工安全順利進行。施工供水10.2.1 凡無臭味，不含有害礦物質的潔凈天然水都可以用作施工用水，飲用水的水質則要求更為新鮮清潔。無論生活用水還是施工用水，均應做好水質化驗工作。施工用水水質要求包括：混凝土作業(yè)、濕式鑿巖與防塵詳見表10-4。生活飲用水衛(wèi)生標準包括色澤、渾濁度、懸浮物、臭和味、細菌總數、大腸桿菌總數等十六種，詳見表10-5。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水水質要求水質要求1.10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水用水量估算用水量估算2.用水量與隧道工程的規(guī)模、施工進度、施工人員數量、機械化程度等條件有關，變化幅度較大，一般可參照表10-6估算1 d的用水量，再加一定的儲備量。表表10-610-61 d1 d的用水量的用水量10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水供水方式供水方式3.供水方式主要根據水源情況而定。在選擇水源時，應根據當地季節(jié)變化，要求有充足的水量，保證不間斷供水。通常應盡量利用自流水源，以減少抽水機械設備。一般是把山上流水或泉水、河水或地下水（打井）用水管或抽水機引或揚升到位于山頂的蓄水池中，然后利用地形高差形成水壓，通過管路送達使用地點。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水蓄水池位置應選擇在基底堅固的山坡上，避開隧道洞頂，以防水池下沉開裂后漏水滲入隧道，造成山體滑動或洞內塌方。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水供水管道布置供水管道布置4.（1）管道敷設要求平順、短直且彎頭少，干路管徑盡可能一致，接頭嚴密不漏水。（2）當管道沿山順坡敷設懸空跨距大時，應根據計算來設立支柱承托，支承點與水管之間加木墊；在嚴寒地區(qū)應采用埋置或包扎等防凍措施，以防水管凍裂。（3）水池的輸出管應設總閘閥，干路管道每隔300500 m應安裝一個閘閥，以便維修和控制管道。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水 （4）給水管道應安設在電線路的異側，不應妨礙運輸和人行，并設專人負責檢查養(yǎng)護。（5）管道前端至開挖面一般應保持30 m的距離，用直徑為50 mm的高壓軟管接分水器，分水器上預留的異徑三通至其他工作面供水使用軟管（13）連接，其長度不宜超過50 m。（6）當利用高山水池，其自然壓頭超過所需水壓時，應進行減壓，一般是在管路中段設中間水池作為過渡站，也可直接利用減壓閥來降低管道中水流的壓力。洞內排水10.2.210.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水 隧道施工中應將洞內工程廢水及地下水及時排出洞外，以防坑道浸水影響施工和淹沒工作面。洞內排水方式應根據線路坡度大小和水量大小而定。按隧道開挖方向和線路坡度情況，洞內排水可分為順坡施工排水和反坡施工排水。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水順坡施工排水順坡施工排水1.向洞內開挖為上坡稱為順坡施工。此時只需隨著隧道延伸，在一側（或兩側）開挖排水溝，使水順坡自然排出洞外。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水反坡施工排水反坡施工排水2.向洞內開挖為下坡稱為反坡施工。斜井開挖屬于此類。因水向工作面匯集，需用機械排水，排水系統(tǒng)常用的布置方式有小集水坑排水和長距離集水坑排水兩種。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水 （1）小集水坑排水。分段開挖反坡水溝，在分段處開挖集水坑，每個集水坑處設置一臺抽水機，把水抽至后一段反坡，最后一臺抽水機把水排出洞外，如圖10-3所示。圖圖10-310-3小集水坑排水小集水坑排水10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水圖圖10-410-4長距離集水坑排水長距離集水坑排水 （2）長距離集水坑排水。隔開較長距離開挖集水坑，開挖面的積水用小水泵抽到最近的集水坑內，再用主抽水機將水排到洞外，如圖10-4所示。10.2 10.2 施工供水與排水施工供水與排水 對于反坡施工的隧道，應對地下水涌水量有足夠的估計，排水設施要有后備。必要時，應在坑道掌子面上鉆較深的探水眼，防止突然遇到地下水囊、暗河等大量涌水進入坑道的情況而造成事故。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 在隧道施工中，由于鑿巖、爆破、裝碴運輸、噴射混凝土等作業(yè)，會產生大量的粉塵，而且炸藥爆炸還會釋放大量的CO、CO2、NO2、SO2、H2S等有害氣體；隧道穿過含煤層或某些地層時，還會放出瓦斯、H2S等有害氣體；洞內施工人員要消耗O2，呼出CO2等。這些都會使洞內工作環(huán)境的空氣惡化，降低洞內的施工效率，甚至會造成安全事故。此外，隨著坑道不斷向山體深部延伸，洞內的溫度和濕度相應增高，對人體也會產生有害影響。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 通風、防塵、防有害氣體的有關規(guī)定10.3.1 （1）按照公路隧道施工技術規(guī)范（TG F602009）規(guī)定，隧道施工作業(yè)環(huán)境應符合下列衛(wèi)生及安全標準：空氣中氧氣的含量在作業(yè)過程中始終保持在195%以上，嚴禁用純氧通風換氣。空氣中一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有毒氣體的濃度必須符合表10-7的規(guī)定。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體表表10-710-7工作場所空氣中有毒物質容許濃度工作場所空氣中有毒物質容許濃度10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 空氣中的粉塵容許濃度應符合表10-8規(guī)定。表表10-810-8工作場所空氣中的粉塵容許濃度（部分內容）工作場所空氣中的粉塵容許濃度（部分內容）10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 有害氣體和粉塵的測定方法應按工作場所空氣中有害物質監(jiān)測的采樣規(guī)范（GBZ 1592004）執(zhí)行。隧道內噪聲不得大于90 dB。隧道內溫度不宜高于28。（2）瓦斯隧道裝藥爆破時，爆破地點20m內風流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?0%；總回風道中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.75%。當開挖面瓦斯?jié)舛却笥?5%時，所有人員必須撤至安全地點。（3）當隧道施工獨頭掘進長度超過 150 m 時，必須采用機械通風。（4）隧道施工通風應能提供洞內各項作業(yè)所需要的最小風量。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 （5）通風管的安裝應符合下列規(guī)定。（6）通風機的功率與風管的直徑應根據隧道獨頭掘進長度、運輸方式、斷面大小和通風方式等計算確定。（7）通風機的安裝與使用應符合下列規(guī)定。（8）施工必須采用綜合防塵措施并符合下列規(guī)定。（9）洞內施工環(huán)境檢查應符合下列規(guī)定。（10）放射性地層隧道施工應符合下列規(guī)定。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 施工通風方式10.3.2施工通風方式的類型施工通風方式的類型1.施工通風方式應根據隧道的長度、掘進坑道的斷面大小、施工方法和設備條件等諸多因素來確定。施工通風方式有自然通風和機械通風兩類。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體1 1）風管式通風）風管式通風（1）壓入式通風。（2）吸出式通風。（3）混合式通風。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 采用混合式通風，必須注意的技術要求有以下幾點：壓入和吸出兩臺風機必須同時啟動。吸出風機的通風能力應比壓入風機的通風能力大2030。吸出風機和壓入風機的位置布置最小要交錯30 m，以免在洞內形成短循環(huán)風流。壓入風機的風管端部與工作面間的距離應在風流有效射程之內，一般為1520 m。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體2 2）巷道式通風）巷道式通風 巷道式通風是利用隧道本身（包括成洞、導坑及擴大地段）和輔助坑道（如平行導坑）組成主風流和局部風流兩個系統(tǒng)互相配合而達到通風的目的?，F(xiàn)以設有平行導坑的隧道為例說明，如圖10-6所示。圖圖10-610-6 巷道式通風（單位：巷道式通風（單位：m m）10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 （1）主風流循環(huán)系統(tǒng)。利用平行導坑與正洞的橫向聯(lián)絡通道作為風道，在平行導坑口側面的風道口處設置主風機（主扇），通風時把在平行導坑口設置的兩道擋風門（也稱為風門）關閉。當主扇向外吸風時，平行導坑內空氣產生負壓，正洞外面的新鮮空氣即通過正洞向洞內補充，污濁空氣經由最前端橫通道進入平行導坑，再經施工通風道排出洞外，從而形成以坑道為通風道的主風流循環(huán)系統(tǒng)，使主風流范圍內的污濁空氣很快被排出洞外。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 （2）局部風流循環(huán)系統(tǒng)。在正洞及平行導坑開挖作業(yè)區(qū)必須配置風扇，以形成局部風流循環(huán)系統(tǒng)，在正洞開挖作業(yè)區(qū)布置一臺壓入式風機，壓入新鮮空氣，工作處的污濁氣體即隨主風流系統(tǒng)經橫通道、平行導坑排出洞外。為了提高平行導坑開挖作業(yè)區(qū)的通風效果，可布置成以吸出式為主、壓入式為輔的混合式通風。主風流中的部分新鮮空氣由壓入式風機壓送到平行導坑工作面，而污濁氣體則由吸出式風機吸出到平行導坑中排出洞外。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體通風方式的選擇通風方式的選擇2.（1）風管式通風不僅適用于獨頭坑道，如導坑獨頭掘進、全斷面法開挖等，目前在長、大隧道的施工中也應用較多。（2）巷道式通風通常與輔助坑道配合使用，是解決長、大隧道通風的主要方法之一。（3）隨著我國獨頭掘進技術的提高，開挖斷面的增大，通風方式更趨向于采用大功率、大管徑的壓入式通風。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 施工通風計算10.3.3施工通風計算的目的是選擇通風機，確定通風機型號和軸功率的主要依據是風量及風壓。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體風量計算風量計算1.（1）按洞內同時工作的最多人數所需要的風量計算。Q=kmq （10-4）式中,Q為所需風量（m3min）；k為風量備用系數，常取為1112；m為洞內同時工作的最多人數；q為洞內每人每分鐘需要的新鮮空氣量，通常按3m3（人min）計算。（2）按稀釋洞內同時爆破采用的最多炸藥量所產生的有害氣體需要的風量計算。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 巷道式通風。管道式通風。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 （3）按內燃機作業(yè)廢氣稀釋需要的風量計算。Q=njA （10-9）式中，nj為洞內同時使用內燃機作業(yè)的總功率（kW）；A為洞內同時使用內燃機每1 kW所需要的風量，一般采用3m3（minkW）計算。（4）按洞內允許最小風速驗算風量。Q=60vminsmax （10-10）式中，vmin為洞內允許最小風速（m/s），全斷面開挖時，vmin=015 m/s，對其他坑道vmin=0.25 m/s；smax為坑道斷面積（m2）；其他符號意義同前。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 P值與風管直徑、風管長度、接頭質量、風壓、風管材料等因素有關，是個大于1的數，可按有關設計手冊查用。如采用膠質風管或金屬風管時，其值可參考表10-9或表10-10。表表10-910-9膠質風管的漏風系數膠質風管的漏風系數10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 對于長距離的通風，一般采用PVC塑料軟管，管路直徑大于1 m。PVC塑料軟管的漏風系數如表10-11所示。表表10-1110-11PVCPVC塑料風管的漏風系數塑料風管的漏風系數10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體風壓計算風壓計算2.在通風過程中，風流必須要有一定的風壓，才能克服沿途的各種阻力，將風送到洞內，并保證具有一定的風速，風流所受的阻力主要有摩擦阻力、局部阻力和正面阻力，則通風機的風壓力為 h機h阻=h摩+h局+h正 （10-13）式中，h機為通風機的風壓力（kPa）;h阻為風流所受的阻力（kPa）；h摩為摩擦力（kPa）；h局為局部（kPa）；h正 為正面阻力（kPa）。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體1 1）摩擦阻力）摩擦阻力摩擦阻力是管道（巷道）周壁與風流互相摩擦及風流中空氣分子間的撓動和摩擦而產生的阻力，也稱為沿程阻力。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 根據流體力學的達西公式可以導出隧道通風的摩擦阻力公式，即 （10-14）式中，h摩為摩擦阻力（kPa）；為達西系數；L為風管長度（m）；d為風管直徑（m）；v為風流速度（m/s）；g 為重力加速度（m/s2）；為空氣重度（N/m3）。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體2 2）局部阻力）局部阻力 風流經過風管的某些局部地點（如斷面擴大、斷面減小、拐彎、交叉等）時，由于速度或方向發(fā)生突然變化而導致風流本身產生劇烈的沖擊，由此產生的風流力稱為局部阻力。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體3 3）正面阻力）正面阻力 當通風面積受阻時，會在受阻區(qū)域出現(xiàn)過風斷面減小后再增大這一現(xiàn)象，相應地會增加風流阻力，產生的風流阻力稱為正面阻力，一般可用式（10-21）計算。（10-21）式中，h正為正面阻力（kPa）；為正面阻力系數，當列車行走時，=115，當列車停放時，=015，當兩列車（或斗車）停放間距超過1 m時，則逐一相加；Sm為阻塞物最大迎風面積（m2）；其他符號意義同前。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體通風機的選擇通風機的選擇3.通風機有軸流式和離心式兩類。在隧道施工通風中主要采用軸流式通風機。它具有風量大、效率高、結構緊湊、重量輕等優(yōu)點。選擇通風機時，按Q機11Q供（11是風量儲備系數，Q供已做介紹）及h機Ph阻，從通風機技術性能表或通風機特性曲線圖中選取合適的通風機型號。通風機應有備用量，數量一般為計算通風能力的50。此外，根據具體情況，還可以選用具有吸塵、防爆和低噪聲等特性的風機。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體風機及風管布置風機及風管布置4.設置通風機時，其安裝基礎要能充分承受機體重量和運行時產生的振動，或者將其水平架設到臺架上。吸入口注意不要吸入液體和固體，而且要安裝喇叭口以提高吸入、排出的效率。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體通風管理通風管理5.（1）定期測試通風量、風速、風壓，檢查通風設備的供風能力和動力消耗。（2）當發(fā)現(xiàn)風管、風門、封閉的通道等處漏風時，必須立即堵塞。（3）通風巷道中，避免停放閑置的車輛，堆積料具和廢渣。（4）當采用平行導坑作為通風巷道時，除最外一個橫通道外，其余均應設置風門，在通風時應及時關閉風門。10.3 10.3 施工通風、防塵、防有害氣體施工通風、防塵、防有害氣體 在隧道施工中，鑿巖、裝碴、噴射混凝土等作業(yè)都會產生粉塵，特別是粒徑小于10m 的粉塵。這些粉塵極易被人吸入體內，沉附于支氣管中，或吸入肺泡而造成矽肺病。為了使坑道內的含塵量降低到工作場所空氣中粉塵的容許濃度以下，必須采取綜合防塵措施。防塵防塵6.10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明 施工供電10.4.1隧道供電電壓一般都是三相四線400/230 V，動力機械電壓標準是380 V，成洞地段照明用220 V，工作地段照明用2436 V。10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明 施工照明10.4.2 隧道施工采用電燈照明，照明光線要充足均勻。以往施工照明采用白熾燈，它既費電，亮度又差，且易造成事故。近年來已開始采用高壓鈉燈、低壓鹵鎢燈、鈉鉈銦燈、鎬燈等新型光源。10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明 高壓鈉燈的發(fā)光效率為2030 lm/W，透霧性能好，沒有眩光。盡管洞內在放炮后煙霧彌漫，但燈下物體仍清晰可見，此燈能經受爆破沖擊波的震動，誘蟲少，使用壽命長，可達2 0005 000 h，是洞內施工較理想的照明光源。高壓鈉燈高壓鈉燈1.10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明低壓鹵鎢燈低壓鹵鎢燈2.低壓鹵鎢燈的發(fā)光效率為2030lm/W，通常使用的有兩種：一種為36 V,300W或36V,500 W的鹵鎢燈，使用壽命大于600h，亮度為白熾燈的兩倍；另一種是36V,500W的溴鎢燈，使用壽命大于500h，亮度為白熾燈的3倍，適用于作業(yè)面照明。10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明 鈉鉈銦燈是一種新型氣體放電燈，發(fā)光效率為6080 lm/W，其光色好，適用于大面積照明；燈的使用壽命為10002 000 h。但其在洞內使用時透煙霧性能差，懸掛高度在15 m以下時有眩光。鈉鉈銦燈鈉鉈銦燈3.10.4 10.4 施工供電與照明施工供電與照明鎬燈是一種高強度氣體放電燈，發(fā)光效率在70 lm/W以上。其顯色性能好，光色潔白，清晰宜人，使用壽命大于500 h，適用于洞外場地照明。鎬燈鎬燈4.Thank you