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3施工方法
本章简要介绍了SCL隧道的典型施工方法和施工设备。有关隧道的进一步细节可在现有的文献中找到(如BTS 2004, Hoek和Brown 1980)。文献中还介绍了典型的支护措施。在支撑地面时，开挖顺序与喷射混凝土衬砌或任何其他附加措施一样重要。因此，作为喷射混凝土衬砌设计的前提，我们必须首先了解喷射混凝土作为隧道支撑的一部分是如何发挥作用的。
一般来说，我们脚下的地面可分为三类:软地面、块状岩石或硬岩石(见表3.1)。显然，这是一个简单的分类，每个类之间的边界没有明确定义。尽管如此，这种分类是有用的，因为每一种类型的地面表现为不同的方式和不同知识体系的行为模式指导隧道的设计和施工，包括喷射混凝土衬砌。
为了解释地质表现特性的不同，我们可以把地面想象成奶酪。松软的地面就像松软的奶酪，比如布里干酪。它变形为一个整体——一个连续体。由于奶酪的强度较弱，它在装载时发生塑性变形。
表3.1地面类型
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种类 |
软土地基 |
块状岩石 |
硬岩 |
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描述 |
土壤和弱岩石 |
弱到中等强度的岩石 |
高强度岩石 |
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表现形式 |
连续体 |
非连续体 |
连续体 |
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强度 |
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压强比 |
le;1 |
le;1 |
lt;lt;1 |
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例子 |
沙土，粉土，白垩土 |
石灰岩，砂岩 |
玄武岩，花岗岩 |
注意:
这仅是指示性的，因为应力条件受外部因素控制，任何岩石类型都可能受到过应力。
54 施工方法
像硬奶酪，帕尔马干酪或成熟的切达奶酪一样的岩石在受到切割或加载时表现为一个连续体。高强度的岩石，变形通常是纯弹性的。在这两个极端之间是软弱或中等强度的块状岩石——文斯莱代尔或斯蒂尔顿是等价的奶酪。变形是由已经存在的薄弱环节(如关节)的破坏所控制的。换句话说，该材料表现为
离散-不连续体。
3.1软土地基
我们以通常表现为单个块体(连续体)的土壤或软弱岩石来定义软土地基。软弱的岩石包括白垩岩、角砾岩或砾岩。软土地基的强度大约在0 ~ 10Mpa之间。地面需要立即或在短时间内得到充分的支持(即在没有支持的情况下，地面的站立时间不得超过几个小时)。
变形控制是软土地基隧道施工成败的关键，更准确地说，应力重分布的控制是关键。随着隧道的开挖，洞口附近的应力重新分布，并伴随着地面的变形。地面上经常有一些塑性屈服。如果不控制这一过程，屈服可能导致过度变形或完全坍塌。隧道衬砌的安装——以及最重要的结构环的形成——提供了支撑，并限制了地面的变形。
3.1.1开挖方法
由于软土地基强度较低，可以使用斗式挖掘机(见图3.1)或掘进机进行机械挖掘。
表3.2软土地基行为的主要机理
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类型 |
地基土类型 |
支护措施 |
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塑性屈服 |
黏土，沙土，软弱岩石 |
初期支护闭环，分层开挖，喷射混凝土 |
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松散 |
沙土 |
地基处理，喷射混凝土，分层开挖，超前支架 |
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隧道起伏 |
黏土，沙土，软弱岩石，高水压土 |
初期支护闭环 |
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沉降 |
沙土松散或者在地下水位以下 |
地基处理，喷射混凝土，分层开挖，超前支架，挤压空气 |
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岩石破坏 |
刚性连接黏土和软弱岩石 |
打桩，锚杆支护，喷射混凝土 |
施工方法 55
图3.1 SCL隧道软土地基开挖
机器(TBMs)经常使用，但很少与喷射混凝土结合使用。在软土地基中，TBMs的推进速度通常超过喷射混凝土的应用能力和支撑地面的能力。
3.1.2支护及开挖顺序
已制定支护措施，以应对表3.2所列的各种情况。喷射混凝土的作用是为整个土层提供即时/短期的支撑，以及长期的支撑。
典型情况下，衬砌由150至350毫米喷射混凝土组成，并根据隧道的大小和荷载(典型细节见图3.2)，用一层或两层钢丝网加固。对于较小的隧道，有时采用钢纤维增强喷射混凝土代替网孔加固。格构梁通常用于控制隧道的形状，并在喷涂过程中支撑网格。
如果一个隧道不能使用全断面开挖安全施工，则将开挖面细分为较小的巷道。软土地基采用多种开挖顺序(见图3.3)。有时，它们被分为面部的“水平分割”和“垂直分割”两类。
56 施工方法
图3.2衬砌详图
侧廊是前一种情况的例子，顶球后的板凳和/或倒置是后一种情况的例子。开挖顺序的选择受无支护工作面和掘进巷道稳定性的影响，但也受工程方案、设备等因素的影响。确定隧道的荷载和土层的应力是复杂的,稍后将详细讨论(见第4章)。崩塌的SCL隧道已经教会我们,这些中间阶段的建设需要一个完整的设计,因为他们可能更重要比末尾处隧道的荷载情况。
如果内衬被加载，它通常会继续变形，直到形成一个封闭的结构环-所谓的“环关闭”。这同样适用于隧道的临时端头和整个隧道本身。在控制邻近建筑物的地面移动和沉降的设计中，经常规定提前闭合环。例如，Ruzicka等人(2007)发现，顶进驱动(掌子面的“垂直分割”)导致的移动量是侧廊和放大序列(“水平分割”)的两倍多。如果塑性屈服仅限于顶头底板下的区域，可以采取其他措施来提高底板的承载力。最简单的就是把脚底扩大成“大象的脚”。最复杂的可能包括临时仰拱或微型桩。
施工方法 57
掌子面的分割将接缝引入衬砌中。为了结构的完整性，这些连接处必须有钢筋的连续性。传统上，这是通过搭接杆的复杂布置来实现的(见图6.12)。在不破坏搭接杆的情况下，在喷涂过程中，很难在不卡住回弹的情况下建立这些接头。因此，在结构承载力和水密性方面，节点的质量有时很差。预制的启动棒单元，如KWIK-A-STRIP，简化了这些连接(参见图6.13)。
(a)顶球、平台和仰球 (b)侧廊和扩大
(c)试点和扩大 (d)双侧廊及中央核心(由
m . Murray)
图3.3软土地基开挖顺序
- 施工方法
3.1.3特殊情况
竖井
上述隧道的原理同样适用于软土地基中的竖井(见图3.4)。通常情况下，井筒不能完全开挖，为了保持井筒的稳定性，将井筒分成几段。每一段依次开挖和支护。为了保证逆变器的稳定性，可能需要采取额外的措施，如脱水。SCL结构可以与其他方法结合使用。例如，如果地面由覆盖在不透水地面上的含水沉积物组成，则可以使用沉箱下沉启动竖井，并在沉箱被打入不透水层后继续作为SCL(如Audsley et al. 1999)。
斜井斜度的实际限制是设备沿竖井上下移动的能力。隧道以高达32%的坡度下坡(创新科技署2006年)。
连接
在隧道或隧道与竖井之间的连接处，对衬砌进行加固，以应对隧道周围衬砌应力的重新分布
图3.4 SCL竖井开挖
施工方法 59
图3.5隧道连接处附近的加固
开口(见图3.5)。在建造“母体”隧道时，为建造“子体”隧道而形成隧道眼是正常的。隧道眼是第二条隧道与第一条隧道的交汇处，这里的衬砌较薄，/或稍作加固，因为稍后会被拆除。额外的加固以圆形、方形或带状的形式放置在眼睛周围(见图6.5)。
节点施工顺序的选择很重要，因为当冲出(或进入)母隧道时，受载衬砌被切断，这些荷载必须重新分配到邻近区域。这将导致隧道变形，直到一个完整的结构环再次形成。因此，通常采用工作面细分、临时支护和早期封环等措施来控制应力的重新分布，使隧道既保持稳定，又在变形要求的范围内。
3.2块状岩石
块状岩石被定义为通常表现为一组离散块体(不连续体)的岩石。块状岩石包括石灰岩、砂岩和泥岩。块状岩石的强度大约在10 ~ 50Mpa之间，但可能要高得多。其定义特征是节点间距，其范围从极近到宽(20毫米到2米)。土层需要在很短的时间内(即站立时间)得到充分的支撑
60 施工方法
表3.3块状岩石的主要行为机制
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表现类型 |
地基土类型 |
支护措施 |
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岩石破坏 |
岩石节理相交，节理连接处脆弱 |
打桩，锚杆支护，喷射网格或者纤维混凝土，钢拱支撑 |
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塑性屈服 |
压强比大于1的岩石 |
初期支护闭环，分层开挖，喷射混凝土 |
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松散 |
宽松块状岩石，如角砾岩 |
地基处理，喷射混凝土，分层开挖，超前支架 |
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隧道起伏 |
软弱岩，高水压 |
初期支护闭环 |
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肿胀 |
如千枚岩、硬石膏，一些黏土 |
分层开挖；强化内衬，闭环 |
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挤压 |
压强比大于1的地方 |
弹性支撑：喷锚支护和喷射混凝土；槽中喷射混凝土；可变形支撑；弹性拱 |
对于无支撑的挖掘，时间从几小时到几天不等)。表3.3列出了各类秦光的关键应对措施。
3.2.1开挖方法
根据块状岩石的强度和节理类型，可以使用掘进机进行机械挖掘(见图3.6)，也可以通过钻孔和爆破进行。隧道掘进机(TBMs)有时用于较长的隧道。经常发生沿节理线的超冲，导致隧道表面形状不规则。喷射混凝土可用于回填这一超限。
3.2.2支护及开挖顺序
已制定支助措施，以应对表3.3所列的情况。喷射混凝土的作用是为砌块提供支撑，防止岩体随着时间的推移而恶化。喷射混凝土常与锚杆组合使用。喷淋混凝土层通常由50至150毫米喷淋混凝土组成，喷淋混凝土由钢纤维或钢丝网加固，这取决于喷淋混凝土上的荷载。大部分的地应力在隧道周围重新分布，并由岩石自己承担。
施工方法 61
图3.6 用掘进机挖掘隧道的工程
由于土层的性状主要受单个砌块的运动控制，通常不需要喷满水泥的混凝土环(见图3.7)。图3.7中的支持类III和IV指的是连接紧密且表现更像软地面的地面。同样，由于块岩相对于软土地基具有更大的稳定性，因此可以使用较少限制的开挖顺序。例如，支撑不一定要安装在工作面后面，顶部掘进驱动器可以远远超前于隧道的其他部分。然而，软土地基和块状岩石之间的界线并不清楚。必须谨慎行事，以确保始终保持稳定。隧道破坏的一个常见原因是顶进驱动进到不稳定地面太远。
3.2.3特殊情况下轴与接头
根据实际情况，第3.1.3条的许多意见可能适用。块状岩石往往更强，所以需要的支撑更少，而且它是专门用来控制块体稳定性的。只有在地面稳定性允许的情况下，才可以采用较长的超前长度和较少的限制性开挖顺序。在连接处，有更多的空间来加固周围的地面(例如用地脚螺栓)，并让它承担重新分配的荷载。
62 年施工方法
一 类 二 类
图3.7 岩石支撑类
肿胀
某些矿物，如叶蜡石和硬石膏，在围压应力减轻和/或有水存在时膨胀。这可能会给隧道衬砌带来巨大的负荷(例如，威特克-加特曼1998)。除了尽量减少暴露在水中，几乎没有什么可以防止肿胀。取而代之的是安装了一层加强的最后内衬。最好的办法是控制隧道的收敛，从而使局势恢复平衡。在施工过程中，主衬砌可能受到破坏，并可能发生较大的变形(数十厘米或更多)。可能需要“延展性”支撑，包括弯曲
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