水利工程地下建筑工程教学文案

第六章地下建筑工程

本章主要结合平洞的施工，介绍地下建筑工程施工中的洞室开挖、衬砌施工和喷锚支护等主要问题。

第一节地下建筑工程的施工程序

施工程序问题涉及到整个地下建筑物施工的全过程，要求在总体规划的基础上，安排各部位、各工种的先后施工顺序，以保证均衡、连续、有节奏地完成各项作业。

一、平洞的施工程序

开挖和衬砌（支护）是平洞施工的两个主要施工过程。处理好平洞开挖与临时支撑、平洞开挖与衬砌或支护的关系，以便各项工作在狭小的工作面上有条不紊地进行。

(一)平洞施工工作面

工作面的数目可按下式进行估算。

（6-1）

式中：［T］—平洞施工的限定工期，月；

L —平洞的全长，m；

N —工作面的数目；

V—平洞施工的综合进度指标，m／月；

lmax—施工支洞（或竖井）的最大长度（或高度），m；

v—施工支洞（或竖井）的综合进度指标，m／月。

（二）平洞的开挖程序

平洞开挖有全断面开挖、断面分部开挖和导洞开挖等方法。

（1）全断面开挖

全断面开挖是将平洞整个断面一次开挖成洞。衬砌或支护施工，须待全洞贯通以后或掘进相当距离以后进行，并视围岩开挖后允许暴露时间和总的施工安排而定。

全断面开挖一般适用于围岩坚固稳定，对应f≥8～10，有大型开挖衬砌设备的情况。目前国内外的全断面开挖高度一般为8~10m，主要由使用的多臂钻凿岩机或全断面掘进机的工作高度（直径）控制。采用全断面开挖方法，洞内工作场面比较大，施工组织因工作面宽而比较容易安排，施工干扰也较易解决，有利于提高平洞施工速度。

（2）断面分部开挖

断面分部开挖是将整个断面分成若干层（通常为二层或三层），分层开挖推进，分部开挖适用于围岩较差、洞径过大的平洞开挖。

如果围岩比较稳定，洞线又不太长，可先分部开挖掘进，贯通以后再进行衬砌；在地质条件较差，围岩允许暴露时间不宜过久条件下，可以采用上部开挖一段以后，将顶拱衬砌支护好，再进行下部开挖，以策安全。

分部开挖的主要优点是不一定需要大型设备，就能进行大断面洞室的开挖，比较机动灵活，能适应地质条件的变化。采用分部开挖、分部衬砌支护的措施，使施工组织比较复杂，施工速度受到影响。

断面分部开挖从开挖形态上通常分为台阶法开挖和导洞法开挖。

（三）平洞衬砌或支护施工

平洞开挖以后，除地质条件特别好，一般都要进行衬砌或支护。

若地质和设备条件允许，应尽量减少断面衬砌的分缝分块数目。

断面衬砌的顺序，常见的有自下而上、自上而下两种方式。前者先衬砌底拱（底板），后衬砌边拱（边墙）、顶拱，或边顶拱一次衬砌；后者先衬砌顶拱，在顶拱防护下衬砌边拱（边墙）、底拱（底板）。自下而上衬砌多用于地质条件较好的场合，自上而下衬砌适合于围岩自承能力较差的情况。

一般说来，当平洞沿线地质条件较好，断面不大，洞线不长时，多采用一次开挖或分部开挖成洞，然后进行衬砌支护的方式。如果开挖时遇到局部危岩，可用锚杆、挂网、喷混凝土或其它措施如木支架进行临时支撑。对于围岩较差的平洞，通常是按先拱后墙，先分部开挖拱部，随即在拱部断面中修筑拱圈，然后在拱圈的防护下开挖中部断面，修筑（边墙）和底拱（底板）。

三、地下厂房的施工程序

上世纪70年代以前，大断面地下厂房开挖多采取多导洞分层施工方法。自从鲁布革水电站地下厂房开始，大都采用喷锚支护技术、岩锚吊车梁结构和大型施工机械，简化了分部开挖程序，加快了施工进度。

地下厂房施工时通常可分为顶拱、主体和交叉洞等三大部分。

在松散破碎的不良地层中施工时，宜采用插钎、插板、喷锚支护或预灌浆等方法，先加固以后，再分部开挖，分部衬砌，并注意尽量减少对岩体的扰动。

四、竖井和斜井的施工程序

水利水电工程中的竖井和斜井包括调压井、闸门井、出线井、通风井、压力管道和运输井等。

1．竖井

竖井施工有全断面法和导井法。

（1）全断面法竖井的全断面施工方法一般按照自上而下的程序进行，该法施工程序简单，但施工时要注意：①做好竖井锁口，确保井口稳定；②起重提升设备应有专门设计，确保人员、设备和石渣等的安全提升；③涌水和淋水地段要做好井内外防水排水设施；④围岩稳定性较差或在不良地层中修筑竖井，宜开挖一段衬砌一段，或采用预灌浆方法加固后再进行开挖、衬砌；⑤井壁有不利的节理裂隙组合时，要及时进行锚固。

(2）导井法导井法施工是在竖井的中部先开挖导井，其断面一般为4～5m2，然后再扩大开挖。扩大开挖时的石碴，经导井落入井底，由井底水平通道运出洞外，以减轻出碴的工作量。

2．斜井

斜井是指倾角为6o～48o的斜洞。倾角小于6o的洞室，其施工条件与平洞相近，可按平洞的方法施工；倾角大于48o的洞室，施工条件与竖井相近，可按竖井的要求考虑

第二节钻孔爆破法开挖

地下建筑物开挖,目前广泛采用钻孔爆破法.

一、钻孔爆破设计

钻爆设计的主要任务是：

①确定开挖断面的炮孔布置，包括各类炮孔的位置、深度及方向；

②确定各类炮孔的装药量、装药结构及堵孔方式；

③确定各类炮孔的起爆方法和起爆顺序。

1.炮孔类型

开挖断面上的炮孔，按作用的不同，分为：

①淘槽孔；②崩落孔；③周边孔。

2.炮孔数目

初步计算常用公式为：

式中：N——一次掘进循环中开挖面上的炮孔总数；

Q——一次爆破的炸药用量，kg;

γ——单个炮孔每米装药量，kg/m;

d——药卷直径，cm;

Δ——炸药容重，kg/cm3

k——装药压紧系数，通常对硝铵炸药k=0.1，对硝化甘油炸药k=1.2；

α——炮孔的装药系数;

W——炮孔深度,m;

K——单位耗药量,kg/m3

S——开挖断面面积,㎡。

3.炮孔深度

炮孔深度的确定，主要与开挖断面的尺寸、掏槽型式、岩层性质、钻机型式、自有面数目和循环作业时间的分配等因素有关。

合理的炮孔深度，能提高爆破效果，降低开挖费用和加快掘进速度。二、钻孔爆破开挖轮廓的控制

地下建筑物采用钻孔爆破法开挖，其轮廓控制主要取决于周边孔的布置及其爆破参数的选择。为了降低糙率，减少回填和整修工程量，目前洞挖作业的轮廓控制普遍推广光面爆破。其施工方法是沿设计开挖线布置小孔径、密间距的周边孔，采用低密度、低爆速、低猛度和高爆力的光爆炸药，不耦合连续装药或间隔装药，进行弱震爆破，炸除沿洞周留下的厚度为最小抵抗线的光爆层，形成光面。

三、钻孔爆破循环作业

循环作业的主要工序一般有：钻孔准备、钻孔、装药、设备撤离、起爆、通风排烟、安全检查、临时支撑、出渣准备、出渣、延长运输线路和风水电管线等。

第三节掘进机开挖

全断面隧道掘进机(Tunnel BoringMachine, 简写为TBM)是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出碴及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。

一、掘进机的类型和工作原理

根据破碎岩石的方法，掘进机大致可分为挤压式和切削式两种类型。

根据掘进机的作业面是否封闭可分为开敞式、单护盾和双护盾掘进机。

掘进机一般由刀盘、机架、推进缸、套架、支撑缸、皮带机及动力间等部分组成。掘进时，通过推进缸给刀盘施加压力，滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘山的集料斗转至顶部通过皮带机将岩渣运至机尾，卸入其它运输设备运走。为了避免粉尘危害，掘进机头部装有喷水及吸尘设备，在掘进过程中连续喷水、吸尘。掘进机开挖方向的控制，多采用激光制导。

二、掘进机的应用及其优缺点

目前已生产的掘进机大多适用于圆形断面，地质条件良好、岩石硬度适中、岩性变化不大的隧洞。对于非圆形断面隧洞的开挖，通常通过调整刀盘倾角来实现的。掘进机一般多用于平洞的全断面开挖。

掘进机开挖与传统钻爆法比较，具有许多优点。它利用机械切割、挤压破碎，一能使掘进、出碴、衬砌支护等作业平行连续地进行，工作条件比较安全，节省劳力，整个施工程能较好地实现机械化和自动控制；在地质条件单一、岩石

硬度适宜的情况下，可以提高掘进速度；掘进机挖掘的洞壁比较平整，断面均匀，超欠挖量少，围岩扰动少，对衬砌支护有利。

掘进机开挖的主要缺点有：

（a）设备复杂，设备昂贵，设备安装费时。

（b）掘进机不能灵活适应洞径、洞轴线的走向、地质条件与岩性等方面的变化。

（c）刀具更换、风管送进、电缆延伸、机器调整等辅助工作等占用时间较长。

（d）掘进机掘进时释放大量热量，工作面上环境温度较高，因此要求有较大的通风设备。

由此可见，选择掘进机掘进方案，必须结合工程具体条件，通过技术经济比较确定。

第四节衬砌施工

混凝土和钢筋混凝土衬砌的施工，有现浇、预填骨料压浆和预制安装等方法。现浇衬砌施工，和一般混凝土及钢筋混凝土施工基本相同。下面仅就洞室施工的特点，作一些说明。

1．平洞衬砌的分缝分块及浇筑顺序

平洞由于很长，纵向通常要分段进行浇筑。当结构上设有永久伸缩缝时，可以利用永久缝分段。当永久缝间距过大或无永久缝时，则应设施工缝分段。分段长度一般为4－18m，视平洞断面大小、围岩约束特性以及施工浇筑能力等因素而定。

分段浇筑的顺序有：①跳仓浇筑；②分段流水浇筑；③分段留空档浇筑等不同方式。

衬砌施工在横断面上也常分块进行。一般分成底拱（底板）、边拱（边墙）和顶拱。横断面上浇筑的顺序，正常情况是先底拱（底板），后边拱（边墙）和顶拱，其中边拱（边墙）和顶拱，可以连续浇筑，也可以分块浇筑，视模板型式和浇筑能力而定。后两种饶筑顺序，由于在浇筑顶拱、边拱（边墙）时，混凝土体下方无支托，应注意防止衬砌的位移和变形，并做好分块接头处反缝的处理，必要时反缝要进行灌浆。

2 ．平洞衬砌模板