房屋工程

[拼音]:suidong kaiwa

[英文]:tunnel excavation

修建隧洞時,將土或岩石鬆動、 破碎、 挖掘並運輸出碴的工程。它廣泛應用於水利工程中的引水、洩水、導流、交通以及其他隧洞的施工。隧洞施工具有工作面狹窄、勞動條件差、工序多、干擾大等特點,特別是容易發生安全事故,必須事先做好地質勘探工作,合理選定洞口、支洞位置、出碴運輸路線以及隧洞開挖的方法。隧洞開挖主要包括掘進、 出碴、 安全支護以及風、水、電供應和通風、排水等輔助作業。

隧洞掘進

在岩石地層中應用最多的是鑽孔爆破法,從20世紀50年代開始,隨著隧洞掘進機的發展,在許多國家用隧洞掘進機開挖隧洞也佔一定比重。在土質地層中,除以人工為主開挖外,還可採用盾構法或頂管法施工。

鑽孔爆破法

通過鑽孔、裝藥、爆破開挖岩石的方法,簡稱鑽爆法。這一方法從早期由人工手把釺、錘擊鑿孔,用火雷管逐個引爆單個藥包,發展到用鑿巖臺車或多臂鑽車鑽孔,應用毫秒爆破、預裂爆破及光面爆破等爆破技術。施工前,要根據地質條件、斷面大小、支護方式、工期要求以及施工裝置、技術等條件,選定掘進方式。主要的掘進方式有:

(1)全斷面掘進法,整個開挖斷面一次鑽孔爆破,開挖成型,全面推進。在隧洞高度較大時,也可分為上下兩部分,形成臺階,同步爆破,並行掘進。在地質條件和施工條件許可時,優先採用全斷面掘進法。

(2)導洞法,先開挖斷面的一部分作為導洞,再逐次擴大開挖隧洞的整個斷面(圖1)。這是在隧洞斷面較大,由於地質條件或施工條件,採用全斷面開挖有困難時,以中小型機械為主的一種施工方法。導洞斷面不宜過大,以能適應裝碴機械裝碴、出碴車輛運輸、風水管路安裝和施工安全為度。導洞可增加開挖爆破時的自由面,有利於探明隧洞的地質和水文地質情況,併為洞內通風和排水創造條件。根據地質條件、地下水情況、隧洞長度和施工條件,確定採用下導洞、上導洞或中心導洞等。導洞開挖後,擴挖可以在導洞全長挖完之後進行,也可以和導洞開挖平行作業。

(3)分部開挖法,在圍巖穩定性較差,一般需要支護的情況下,開挖大斷面的隧洞時,可先開挖一部分斷面,及時做好支護,然後再逐次擴大開挖。用鑽爆法開挖隧洞,通常從第一序鑽孔開始,經過裝藥、爆破、通風散煙、出碴等工序,到開始第二序鑽孔,作為一個隧洞開挖作業迴圈。儘量設法壓縮作業迴圈時間,以加快掘進速度。20世紀80年代,一些國家採用鑽爆法在中硬巖中開挖斷面面積為100m3左右的隧洞,掘進速度平均每月約為200m。中國魯布革水電站工程,開挖直徑8.8m的引水隧洞,單工作面平均月進尺達231m,最高月進尺達373.7m。

掘進機法

掘進機是全斷面開挖隧洞的專用裝置(見彩圖)。它利用大直徑轉動刀盤上的刀具對岩石的擠壓、滾切作用來破碎岩石。美國羅賓斯公司在1952年開始生產第一臺掘進機。70年代以後,掘進機有了較快的發展。開挖直徑範圍為1.8~11.5m。在中硬巖中,用掘進機開挖80~100 m3大斷面隧洞,平均掘進速度為每月350~400m。美國芝加哥衛生管理區隧洞和蓄水庫工程,在石灰岩中開挖直徑9.8m的隧洞,最高月進尺可達750m。美國奧索引水隧洞直徑3.09m,在頁岩中開挖,最高月進尺達2088m。隧洞掘進機開挖比鑽爆法掘進速度快,用工少,施工安全,開挖面平整,造價低,但機體龐大,運輸不便,只能適用於長洞的開挖,並且本機直徑不能調整,對地質條件及巖性變化的適應性差,使用有侷限性。

新奧地利隧洞施工法

簡稱新奧法(NATM),是奧地利學者L.V.拉布採維茨等人於50年代初期建立,並於1963年正式命名的,涉及隧洞設計、施工以及管理等方面一整套的工程技術方法。它的主要特點是:運用現代岩石力學的理論,充分考慮並利用圍巖的自身承載能力,把襯砌與圍巖當成一個整體看待;在施工過程中,必須進行現場量測,並應用量測資料修訂設計和指導施工;採用預裂爆破、光面爆破等技術或用掘進機開挖,用錨杆和噴射混凝土等作為支護手段,並強調適時支護。總之,是在充分考慮圍巖自身承載能力的基礎上,因地制宜地搞好隧洞開挖與支護。

盾構法

利用盾構在軟質地基或破碎岩層中掘進隧洞的施工方法。盾構是一種帶有護罩的專用裝置,利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點向前推進,用刀盤切割土體,同時排土和拼裝後面的預製混凝土襯砌塊(圖2)。盾構是19世紀初期發明,首先用於開挖英國倫敦泰晤士河水底隧道。盾構機掘進的出碴方式有機械式和水力式,以水力式居多。水力盾構在工作面處有一個注滿膨潤土液的密封室。澎潤土液既用於平衡土壓力和地下水壓力,又用作輸送排出土體的介質。

頂管法

為在地下修建涵洞或管道,用千斤頂將預製鋼筋混凝土管或鋼管逐漸頂入土層中,隨頂隨將土從管內挖出。這樣將一節節管子頂入,作好介面,建成涵管。頂管法特別適於修建穿過已成建築物或交通線下面的涵管。

隧洞出碴

隧洞開挖出碴,包括裝碴和運輸。裝碴可用裝岩機、扒碴機、裝載機和挖掘機等。運輸則分有軌與無軌兩種方式。有軌運輸由機車牽引鬥車或梭式礦車,在窄軌鐵路上行駛。無軌運輸應用較多,一般由裝載機或挖掘機配合汽車完成。

豎井和斜井開挖

其施工方法與平洞開挖的方法略有不同。自上而下進行豎(斜)井開挖稱為正挖,反之為反挖。對下部無通道的豎井,宜採用全斷面正挖的方法。對下部已形成施工通道的豎井,宜採用先打通一個導井,然後利用導井出碴,自上而下進行擴大的方法。導井開挖可先鑽若干深孔,自下而上逐次爆破成井;也可通過鑽孔懸掛吊罐或利用專用裝置──爬罐(圖3、圖4)等反挖的方法;還可利用大直徑鑽機直接鑽井。豎井開挖還可使用天井鑽機。

輔助作業和安全支護

隧洞開挖施工中,除作好供風、 供水、 供電等輔助工程外,還必須重視通風散煙、降塵、防有害氣體和排水等輔助作業,特別要注意做好安全支護(見地下工程支護)。在不良地質或地下水活動較嚴重的地段開挖隧洞,必要時還要鑽超前孔以探明地下水情況,或對圍巖進行預灌漿。在硬土或軟巖中開挖隧洞,有的採用超前旋噴灌漿處理,使形成一加強圈,然後開挖。