大断面隧道

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1、设计基准强度
喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也 是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国 家都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌 混凝土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配 比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高 强度已经成为可能，因此喷混凝土的设计基准强 度有向高强度方向发展的趋势。例如，日本第二 东名· 名神高速公路，在大断面隧道中，采用材龄 28天的抗压强度36N/mm2 作为设计基准强度。也 有的国家规定在不良地质条件下采用高强度喷混 凝土的建议。
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大断面意味着什么？
在同样围岩条件下，随着开挖断面积的增加，意味着： 1、掌子面的稳定性的降低； 2、施工难度、特别是施工安全管理的难度增大； 3、施工风险的发生概率加大； 4、结构物质量要求的提高。
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大断面隧道施工的基本问题
安全：安全为主线，技术和管理为后盾，实现安全生产
C30 30
C35 35
C40 40
C45 45
C50 50
C55 55
19.2
22.4
25.6
28.8
32.0
35.2
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2、初期强度



一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽 快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初 期强度的目的。 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开 挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确 保掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强 度为标准。 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以 取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小 时的强度作为基准的。
超前支护方法分类 超前支护的分类 混凝土拱壳方式 预计的功能 隧道横向刚性大（拱结构）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水平喷射注浆方式
隧道纵向刚性大（梁结构）
长钢管注浆方式
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预衬砌
其标准参数如下。 超前支护厚度：１７０ｍｍ 设置范围：１２０º （１１５º ～１２５º ） 设置角度：７º （５º ～１０º ） 纵断方向钻孔长度：４.０ｍ 纵断方向充填长度：３.５ｍ 搭接长度：０.５ｍ 超前残余长度：１.０ｍ（１.０～２.０ｍ）．
细
细 细 细 中位 粗 中位 细～中位 细～中位 － －
（1.1）破坏面
1.8 1.49 1.58±0.12 1.38±0.30 0.34±0.12 1.04±0.32 1.48±0.45 1.56±0.25 1.7 1.7
（1.1）破坏面
1.8 1.84 1.54±0.30 1.52±0.28 1.12±0.20 1.40±0.26 1.71±0.14 1.7 1.7 1.7
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预衬砌工法的机械

预衬砌工法采 用的机械，有2 大类： 1、排钻。示于 下图。用其钻 设槽形孔，中 央的钻用于压 注砂浆或混凝 土，形成拱形 混凝土壳体。
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2、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同 时充填混凝土。其机械概况示于下图。

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脚部的施工机械之一
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在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强 度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另 外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中， 很少有采用小于C25等级的喷混凝土。 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的 强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。
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铁道建设· 输 运 设施 道路公团
高品质喷混凝土
喷混凝土 高强度喷混凝土 高强度纤维喷混 凝土
1.5
－ 2 2
8
5 10 10
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欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及 其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图 示的初期强度。
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J1 ：（A~B）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2： (B~C)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合 J3： (C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合）
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喷混凝土抗压强度划分
EFNARC的标准
强度划分 C24/30 C28/35 C32/40 C36/45 C40/50 C44/55
C48/6
圆柱体试件
立方体试件
24
30
28
35
32
40
36
45
40
50
44
55
48
80
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挪威的标准 喷混凝土抗压强度划分
抗压强度 (MPa) 立方体试件的最小 抗压强度 取样试件的最小抗 压强度
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除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是 经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之 急是如何提高超前支护技术的水平，一个重要措 施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工 法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种 超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。
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支护结构的构成
隧道的支护结构包括： 初期支护；喷混凝土、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护； 二次衬砌包括仰拱及底板； 临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。
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喷混凝土的几个关键性的性能指标
1、设计基准强度 2、初期强度： 3、附着强度； 4、附着配比； 5、回弹率； 6、粉尘量。
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初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧 道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方 法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。
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日本 喷混凝土初期强度设定事例
单位
道路协会
类别
喷混凝土
材龄3小时抗压 强度（N/mm2）
－
材龄24小时抗压 强度（N/mm2）
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二、考虑列车高速运营的特点，隧道的净空 有效断面积增大，例如在350km/h速度的条 件下,Ⅴ级围岩隧道的开挖断面积可达170m2， 属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路 隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提 出来许多新课题；
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三、由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加， 特别是对一般地质条件下的初期支护技术和不良地 质条件下的超前支护技术，提出来很高的要求；
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水平喷射注浆方式
其标准断面如下： 喷射改良体直径：６００ｍｍ 设置范围：１２０º （１２０º ～１８０º ） 设置角度：５º （５～１０º ） 纵断方向钻孔长度：１３.０ｍ（９～４８ｍ） 纵断方向改良长度：１０ｍ 搭接长度：１.０ｍ 超前残余长度：４.０ｍ（３.０～４.０ｍ） 设置间距：６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ）
0.1
结构物
1.0
0.5
挪威规定附着强度在0.2～1.8MPa之间。
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附着强度测定事例
岩类等 矿物 粒子大小 附着强度 粗糙面 片岩 云母片岩 片麻岩（叶状构 造） 片麻岩（叶状构 造） 砂岩（裂隙多） 砂岩 泥灰岩 石灰岩 大理岩 花岗岩、闪绿岩 花岗岩、闪绿岩 花岗岩、闪绿岩 辉绿岩 木版 喷混凝土表面 粘土矿物、绿泥 石 石英、长石、云 母 石英、斜长石、 云母、角闪石 石英、斜长石、 云母、角闪石 石英、长石 石英、长石 方解石、粘土矿 物 方解石 方解石 石英、斜长石、 黑云母 石英、斜长石、 黑云母 石英、斜长石。 黑云母 斜长石、辉石 － － 非常细 中位 中位 中位 0.24±0.18 0.58±0.19 0.19±0.05 1.53± 0.28 破坏面 0.28±0.11 0.85±0.35 0.51±0.11 1.8
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3、附着强度
喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷 混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确 的规定。
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喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G规定的附着强度如下 表所示，通过附着试验核查。
附着强度最小值（MPa)
附着的划分
非结构物
与混凝土的附着
0.5
与岩体的附着
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长钢管注浆方式
标准断面如下： 钢管直径：１１４３ｍｍ 设置范围：１２０º （５０～１８０º ） 设置角度：５º （４～３０º ） 纵断方向钻孔长度：１２.５ｍ（４～４０ｍ） 纵断方向注浆长度：１２５ｍ（４～４０m） 搭接长度：３.５ｍ 超前残余长度：３.５ｍ（１.０～７.５ｍ） 设置间距：４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ）
C38
C43
C48
C54
C60
C65
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技术：以技术确保掌子面稳定和施工质量
管理：以风险观点实现精细的工程管理
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结合具体情况，主要谈三个问题： 1、初期支护； 2、初期支护的喷混凝土； 3、隧道防水板的铺设工艺。
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一、掌子面稳定性




在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和 预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在 通过各种不良地质地段时。 从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式： · 掌子面挤出； · 掌子面拱部坍塌； · 上半断面拱脚下沉； · 底部鼓起等。 从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方 法也是多种多样的。 · 超前支护； · 扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管； · 正面喷射混凝土和锚杆； · 底脚锚杆或锚管等。