地下工程施工與管理西南交通大學土木學院2006年2月地下工程施工與管理第二篇地下工程暗挖法施工

概述不挖開地面，采用礦山法、機械法、化學等方法修筑地下建筑物的方法，稱為地下工程暗挖法。一般使用在山嶺的公路、鐵路隧道、城市地下鐵道等的修建中。主要方法的分類見下框圖。第二篇地下工程暗挖法施工第二篇地下工程暗挖法施工全斷面開挖上下導坑法分部開挖法掘進機（TBM)盾構法氣壓平衡土壓破壞泥水平衡暗挖法礦山法（鉆爆法）機械法第二篇地下工程暗挖法施工全斷面開挖上下導坑法分部開挖法掘第一章隧道施工基本方法

一、新奧法（NATM）

新奧法－即奧地利隧道施工法(NewAustrianTunnellingMethod)

奧地利隧道工程師臘布希維茲首先提出的。

以控制爆破（光面、預裂爆破等）為開挖方法；以噴射混凝土和錨桿作為主要支護手段，通過監測控制圍巖的變形，動態修正設計參數和變動施工的一種隧道施工法。其核心內容是充分發揮圍巖的自承能力。圍巖是承載的主體，結構是安全貯備。

新奧法與傳統礦山法技術相比，不僅是手段上的不同，更重要是工程概念不同，是人們對地下工程問題的進一步認識和理解。新奧法技術的應用和發展，導致隧道及地下工程理論步入到現代理論的新領域。

即設計理論—施工方法—結構(體系)工作狀態(結果)的一致性。因此，新奧法作為一種施工方法，已在世界范圍內得到了廣泛的應用。本節將重點介紹山嶺隧道新奧法施工中的開挖等內容。第一章隧道施工基本方法一、新奧法（NATM）一、新奧法施工1、新奧法與礦山法施工比較新奧法支護工作狀態礦山法支護工作狀態一、新奧法施工1、新奧法與礦山法施工比較新奧法支護工作狀態礦一、新奧法施工

傳統支護與新奧法圍巖表面的應力狀態比較傳統支護由于不能及時地向圍巖提供徑向抗力，圍巖松動，表現為摩爾圓與破壞包絡線相切。c、Ф值下降，包絡線位置下移與摩爾圓相交，造成巖體破壞，形成松動圍壓。新奧法施工，由于噴混凝土滲入巖體裂隙，起了加固作用，提高了巖體的c、Ф值，使包絡線上移，連續噴射層對圍巖表面作用有封護抗力Pi，使巖體的穩定性得到保證。一、新奧法施工傳統支護與新奧法圍巖表面的應力狀一、新奧法施工2、隧道施工的力學過程一、新奧法施工2、隧道施工的力學過程一、新奧法施工3、隧道施工力學過程的研究（1）地質工程體的研究地質工程體，即指洞室的地質環境。包括：地質體形成；初始應力場；地質體的物理、力學、構造和時間特性及其分類等。科學地認識地質環境是對地下結構體系的正確設計和施工的前提。（2）坑道開挖后圍巖力學動態和過程坑道開挖前圍巖是處在初始應力的平衡狀態中，當開挖洞室后破壞了這種平衡狀態，出現了應力重新分布、構造應力的釋放（如巖爆……等）、坑道周圍巖體的性質變化、坑道斷面的收斂、甚至坑道崩塌等各種物理現象。了解和認識從毛洞的形成到其破壞的全過程，有助于充分有效地發揮巖體這—支護體系的重要組成部分，在整個支護體系中的作用。（3）坑道支護體系的評價一個完整的支護體系是由周圍巖體和支護結構組成的．因此，支護體系的設計必須包括對周圍巖體支護效應及支護結構效應的評定。而解決后者的關鍵是正確認識和了解各類支護結構（模筑混凝土襯砌、噴混凝土支護、錨桿、鋼支撐…等）的構造及其支護效應，正確地確定支護結構與坑道圍巖的接觸狀態及其相互作用機理，即建立兩者的相互作用力學模式，與之相適應的各種支護體系的設計方法。一、新奧法施工3、隧道施工力學過程的研究一、新奧法施工（4）時間對整個支護體系的影響及評價各種材料（巖石、混凝土、金屬材料等）的性質，其長期性質都與時間有關。構成坑道支護體系的巖體和結構材料也必將受時間的影響，如支護結構參與工作的時間、圍巖壓力的時間效應、巖體或混凝土徐變、流變對應力應變的影響等。（5）施工和支護過程的力學評價洞室的形成是通過開挖和支護兩個施工階段完成的，因此，施工及支護方法對整個坑道的穩定給予重要的影響。如開挖、爆破、支撐及支護等對坑道及結構的應力狀態產生影響，因此施工技術的研究也是很重要。隧道工程是經驗性極強的學科，長期以來憑經驗設計、施工。大量、豐富的經驗中有許多是符合科學的，這些有效的經驗提高到理論上來認識和理解，是隧道施工力學的一個重要任務。

一、新奧法施工（4）時間對整個支護體系的影響及評價一、新奧法施工4、隧道設計施工基本思路隧道設計施工基本思路一、新奧法施工4、隧道設計施工基本思路隧道設計施工基本思路一、新奧法施工5、新奧法施工流程圖一、新奧法施工5、新奧法施工流程圖一、新奧法施工6、新奧法施工的基本原則基本原則可以歸納為“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”少擾動：隧道開挖時，盡量減少對圍巖的擾動次數、強度、范圍和持續時間。能用機械開挖的就不用鉆爆法；采用鉆爆法時，嚴格控制爆破；采用大斷面開挖；根據圍巖類別、開挖方法、支護條件選擇合理的掘進進尺；自穩性差的圍巖，掘進進尺應短；支護要緊跟開挖面，縮短圍巖應力松弛時間。一、新奧法施工6、新奧法施工的基本原則一、新奧法施工早噴錨，開挖后及時施作初期錨噴支護，使圍巖變形進入受控制狀態。一方面是使圍巖不致因變形過度而產生坍塌失穩；另一方面是使圍巖變形適度發展，以充分發揮圍巖的自承能力。勤量測，以直觀、可靠的量測方法和量測數據來準確評價圍巖(或圍巖加支護)的穩定狀態或動態發展趨勢，以便及時調接支護形式、開挖方法。量測是現代隧道及地下工程理論的重要標志之一，也是掌捏圍巖動態變化過程的手段和進行工程設計、施工的依據。緊封閉，一方面是指采取噴射混凝土等防護措施，避免圍巖因長時間暴露而致強度和穩定性的衰減，另一方面更為重要的是指要適時對圍巖施作封閉形支護，這樣做不僅可以及時阻止圍巖變形，而且可以使支護和圍巖能進入良好的共同工作狀態。一、新奧法施工早噴錨，開挖后及時施作初期錨噴支護，使圍巖變形一、新奧法施工7、新奧法的優點（1）支護有效及時，避免松弛壓力發生；（2）幾乎保持住遺留巖體的強度；理想地適應遇到的巖體；（3）采用量測控制支護過程，使隧道上建筑變形和下沉極小；（4）施工支護同時是永久支護的一部分；（5）噴層厚度小，節省開挖工作量并減小了隧道的開挖跨度；（6）在2～3m很小的埋深條件下也是可以應用的；（7）在穩定性較差的巖體中，能進行迅速的掘進；（8）較經濟，安全。一、新奧法施工7、新奧法的優點一、新奧法施工8、新奧法的缺點（1）良好的施工組織和管理，熟練的技術和量測人員；（2）開挖中暴露出的地質，會立刻改變其狀態。要求施工地質人員天天親臨開挖面，以便發現問題；（3）用以控制施工過程的量測，常常會給施工作業帶來干擾或者不能及時提供量測信息；（4）干噴帶來的粉塵應加強防護。濕噴雖可避免此缺點，但在同樣條件下，它不如干噴那樣有效地支護巖體。一、新奧法施工8、新奧法的缺點一、新奧法施工9、新奧法的適用范圍具有較長自穩時間的中等巖體；弱膠結的砂和礫石以及不穩定的礫巖；強風化的巖石；剛塑性的粘土泥灰巖和泥灰巖；堅硬粘土，也有帶堅硬夾層的；微裂隙的，但粘土很少的巖體；在很高的初應力場條件下，堅硬的和可變的堅硬的巖石。一、新奧法施工9、新奧法的適用范圍一、新奧法施工10、新奧法使用的注意點

在下述情況時應用新奧法必須與一些輔助方法相配合：有強烈地壓顯現的巖體；膨脹性巖體（要與仰拱和底部錨桿相配合）；在一些松散巖體中，要用鋼背板與之配合；在蠕動性巖體中，要與凍結法或預加固法等配合。

在下列場合中要極為慎重：大量涌水的巖體；由于涌水會產生流沙現象的圍巖；極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的圍巖；開挖后完全不能自穩的圍巖等。一、新奧法施工10、新奧法使用的注意點二、隧道的分部開挖

概述分部開挖的主要目的：是為了減小對圍巖的擾動、保證掌子面的穩定、并能便利支撐，以保安全。分部開挖的方法：是將掌子面（工作面）分為多個工作面，分部實施。分部的大小與多少：按地質條件與斷面大小以及開挖和支護手段等，對周圍環境影響等條件而定。二、隧道的分部開挖概述二、隧道的分部開挖1、分部開挖方案隧道施工方法有很多，但總歸起來大體上有全斷面法、臺階法和分部開挖法三大類及若干變化方案，如下圖示。二、隧道的分部開挖二、隧道的分部開挖隧道基本施工方法二、隧道的分部開挖隧道基本施工方法二、隧道的分部開挖（1）全斷面法常用在硬巖中，利于大型機械化作業，施工速度快。（2）臺階法多用于較軟而節理發育的圍巖中，有三種變化方案：

a、長臺階法

上下臺階距離較遠，上臺階超前50m以上或5倍洞跨，施工中上下部可配大中型機械平行作業。

b、短臺階法上臺階長度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨，適用于較軟弱的圍巖，上下臺階施工干擾較大。

c、超短臺階法上臺階僅超前3～5m，斷面閉合較快。多用于機械化程度不高的各類圍巖地段。二、隧道的分部開挖（1）全斷面法二、隧道的分部開挖二、隧道的分部開挖二、隧道的分部開挖預留臺階拱部開挖二、隧道的分部開挖預留臺階拱部開挖二、隧道的分部開挖（3）分部開挖法可分為三種變化方案：

a、臺階分部開挖法

又稱環形開挖留核心土法，適用于一般土質或易坍塌的軟弱圍巖地段。上部留核心土支擋開挖工作面，利于及時施作拱部初期支護增強開挖工作面的穩定，核心土及下部開挖在拱部初期支護保護下進行，施工安全性好。一般環形開挖進尺為0.5～1m左右，不宜過長，二、隧道的分部開挖（3）分部開挖法二、隧道的分部開挖

b、單側壁導坑法（CD法---Centerdiaphgram）圍巖較差，跨度大，地表沉陷難于控制時采用，此法單側壁導坑超前，中部和另一側的斷面用正臺階法施工，故兼有正臺階法和雙側壁導坑法的優點，且洞跨可隨機械設備等施工條件決定，二、隧道的分部開挖b、單側壁導坑法（CD法---Cent二、隧道的分部開挖該方法還有一些變化方法，如在開挖單側壁導坑時也采用臺階法，并及時用斜支撐支護，一般將這種方法稱為CRD法。二、隧道的分部開挖該方法還有一些變化方法，如在開挖單側壁導坑二、隧道的分部開挖

c、雙側壁導坑法

適用于淺埋大跨度隧道，地表下沉量要求嚴格，圍巖條件特別差時，此法安全可靠，但速度慢，造價高。二、隧道的分部開挖二、隧道的分部開挖北京地鐵西單站(雙側壁導坑法)

二、隧道的分部開挖北京地鐵西單站(雙側壁導坑法)二、隧道的分部開挖導洞鑿除二、隧道的分部開挖導洞鑿除三、隧道開挖力學效果分析1、各種分部開挖的力學效果分析

（1）臺階法的力學效果分析

在隧道施工中，臺階法使用最為廣泛，不同的臺階長度對隧道的穩定性將有不同的影響，特別在地質條件差，埋深淺時，確定合理的臺階長度尤為重要。通過有限元法分析了臺階長度分別為1.0D、0.75D、0.5D、0.25D（D為隧道跨度）四種情況下對淺埋隧道洞口穩定性的影響。三、隧道開挖力學效果分析1、各種分部開挖的力學效果分析二、隧道的分部開挖不同臺階長度下的地表下沉曲線二、隧道的分部開挖不同臺階長度下的二、隧道的分部開挖解析情況1.0D0.75D0.5D0.25D塑性區示意塑性區深度（m）7.05.55.04.0地表下沉（mm）35.0529.1824.4611.38拱頂下沉（mm）51.3444.6038.8223.30

不同臺階長度對隧道穩定性影響二、隧道的分部開挖解析情況1.0D0.75D0.5D0.25二、隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：1、塑性區隨臺階長度減小而顯著減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則塑性區深度減少82.86%。2、拱頂位移隨臺階長度減小而減小明顯，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則拱頂位移減少54.62%。3、地表下沉隨臺階長度減小而大幅減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則地表下沉減少67.53%。4、地表沉降槽寬度臺階長度減小而減小，臺階長度從1.0D減小到0.25D，則地表沉降寬度減少50%以上。可見在隧道洞口的施工過程中，當選用臺階法時應盡量縮短臺階長度，以保證隧道的穩定性。

二、隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：二、隧道的分部開挖（2）單側壁、雙側壁法和臺階法的力學效果分析比較

分析中取隧道開挖寬度為14.28m,隧道高度為8.68m。進行了有限元分析。

臺階法單側壁導坑法雙側壁導坑法

各種施工方法的塑性區圖

二、隧道的分部開挖（2）單側壁、雙側壁法和臺階法的力學效果分二、隧道的分部開挖情況

拱頂位移（cm)邊墻位移(cm)仰拱位移(cm)臺階法

5.3426.0229.406

單側壁導坑法

4.3783.79714.306雙側壁導坑法

3.5123.3110.339部分計算結果

二、隧道的分部開挖情況拱頂位移（cm)邊墻位移(cm)仰拱二、隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：1、雙側壁導坑法位移最小，拱頂位移為臺階法的66%，邊墻位移為臺階法的55%。塑性范圍也最小。可以認為，在大斷面隧道施工中，雙側壁導坑法是較安全的方法。2、單側壁導坑法與臺階法相比，拱頂位移為臺階法的82%，邊墻位移為臺階法的63%。仰拱位移是臺階法的152%，塑性范圍比臺階法大；拱部的塑性范圍與臺階法略小。因此，單側壁導坑法的薄弱部位是仰拱。只要能夠控制仰拱位移，將比臺階法優。3、從力學觀點來看，雙側壁導坑法最優，單側壁導坑法次之，臺階法最次。隧道施工方法的選擇涉及的因素很多，因此，應綜合考慮確定。二、隧道的分部開挖由上表和圖可以看出：二、隧道的分部開挖（3）隧道仰拱的力學行為

對隧道有仰拱和無仰拱的有限元分析。

塑性區分布

二、隧道的分部開挖（3）隧道仰拱的力學行為塑性區分布二、隧道的分部開挖有無仰拱拱頂拱肩邊墻墻角仰拱無仰拱2.08.02.08.86.0有仰拱04.00.56.00減小（%）100507532100

塑性區范圍(m)

可以看出