5 新奥法施工

5 新奥法施工 5.1 概述

传统的矿山法施工，为地下铁道暗挖施工技术奠定了基础。到本世纪60年代，由于喷射混凝土和锚杆技术的出现，创造了新奥地利施工法(New Austria Tunnelling Method) ，简称新奥法(NATM)。新奥法的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测+监控来指导地下工程的设计与施工，其施工程序见图5-1。

图5-1 新奥法施工程序

新奥法的基本要点是：

(1) 隧道的承载部分主要是围岩；

(2) 尽可能不破坏作为承载要素的围岩强度； (3) 极力防止围岩松动；

(4) 避免围岩处于单轴及两轴受力状态； (5) 对围岩的变形加以控制； (6) 适时进行衬砌；

(7) 衬砌要薄以防止产生弯矩；

(8) 用钢筋网、锚杆加强衬砌而不要增加厚度； (9) 依据围岩变形量测来决定衬砌方法和时间； (10) 隧道可视为支护及岩石承载环所组成的厚壁管； (11) 衬砌不能有缺口，以保证圆环作用； (12) 全断面开挖比分部开挖有利； (13) 施工方法对结构安全起决定作用； (14) 圆化衬砌棱角，以避免应力集中； (15) 如为复合式衬砌，内层衬砌也要薄；

(16) 初期支护要满足稳定需要，二次衬砌仅作为安全储备； (17) 测定衬砌应力及围岩的变位，才能正确的进行设计和施工； (18) 要用排水的方法降低岩体中水的渗透压力。

5.2 施工方法分类

施工方法根据断面分块情况和开挖顺序分类如下：

(1) 全断面法

常用在Ⅰ～Ⅱ类硬岩中，利于组织大型机械化作业，提高施工速度，可采用深孔爆破。 (2) 台阶法

① 长台阶法 一般上台阶超前50m 以上或大于5倍洞跨，施工中上下部可配属同类型较大型机械平行作业或交替作业。在短隧道或Ⅰ～Ⅱ类硬岩长隧道可一次将上半断面挖通后，再挖下半断面，施工干扰少，机械配套，测量较简单，可进行单项作业。

② 短台阶法 上台阶长度小于5倍洞跨，但大于1～1.5倍洞跨，适用于Ⅳ～Ⅴ类围岩，可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件，但上台阶施工干扰较大。

③ 超短台阶法 上台阶仅超前3m ～5m ，断面闭合较快。此法多用于机械化程度不高的各类围岩地段，当遇软弱围岩时需慎重考虑，必要时采用辅助施工措施稳定开挖工作面以保证施工安全。

(3) 分部开挖法

① 台阶分部开挖法(环形开挖留核心法) 适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。核心土支挡开挖工作面，利于及时施作拱部初期支护，增强开挖工作面稳定。在拱保护下开挖核心土，安全性好，一般环形开挖进尺为0.5m ～1.0m 左右，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖。上下台阶距离在洞跨10m 左右时取一倍洞跨，洞跨为5m 左右时可取2倍洞跨；

② 单侧壁导坑法 适合于围岩较差、跨度大、地表沉陷难于控制时。此法单侧壁导坑超前，中部和另一侧断面采用正台阶法施工，故兼有正台阶法和双侧导坑法的优点，且洞跨可随机械设备和施工条件决定；

③ 双侧壁导坑法 适用于浅埋大跨度隧道，地表下沉量要求严格，围岩条件特别差时配合辅助施工方法安全可靠，但是速度慢、造价高。

采用台阶法施工时，下半断面的落底和封闭应在上部断面初期支护基本稳定后进行。 新奥法施工应根据地质和施工机具条件，尽量采用对围岩扰动少的开挖支护方法。

5.3 岩石地层的新奥法施工

岩石地层当采用钻爆法开挖时，应采用光面爆破和预裂爆破技术，尽量减少欠挖和超挖。

5.3.1 光面爆破与预裂爆破

根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，严格控制周边眼的装药量和装药结构，采用小直径药卷和低爆速炸药，采用毫秒微差有序起爆，爆破参数可采用工程类比或根据爆破漏斗及成缝试验确定，无条件试验时，可参考表5.1，5.2选用。

表5.1 光面爆破参数

饱和单轴抗压

岩石 种类 硬 岩 中硬岩 软 岩

极限强度 R b (MPa ) >60 >30～60 ≤30

1.25～1.50 1.50～2.00 2.00～2.50

装 药 不偶合系数K

周边眼 间 距 E (cm) 55～70 45～60 30～50

周边眼最小 抵抗线 W (cm ) 70～85 60～75 40～60

0.8～1.0 0.8～1.0 0.5～0.8 相对距 E/W

周边眼装药 集中度 q (kg/m) 0.30～0.35 0.20～0.30 0.07～0.15

表5.2 预裂爆破参数

饱和单轴抗压

岩石种类

极限强度 R b (MPa)

硬 岩 中硬岩 软 岩*

>60 >30～60 ≤30

装药不偶合系

数K 1.2～1.3 1.3～1.4 1.4～2.0

周边眼间距 E (cm) 40～50 40～45 30～40

周边眼至 内圈崩落眼 间距(cm )

40 40 30

周边眼装药集

中度 q (kg/m) 0.35～0.40 0.25～0.35 0.09～0.19

*软岩隧道的爆破相对距离宜取较小值

5.3.2 爆破振动速度要求

若采用光面爆破，爆破振动速度应小于下列数值：硬岩15cm/s、中硬岩10cm/s、软岩5cm/s。隧道上方有建筑物时，爆破振动对建筑物的破坏左右，取决于爆破地震波到达建筑物时的强度，爆破振动地震波的传播方向与建筑物相对位置，爆破地震波延续时间，建筑物的类型、形状、高度、破损程度，爆破振动频率与建筑物固有频率之间的关系等等。虽

然评价爆破振动对建筑物的破坏作用是一项及其复杂的工作，但是人们通过一系列爆破对建筑物破坏影响的调查研究，仍然提出了相应的破坏判据，见表5.3，5.4。

表5.3 建筑物破坏和震动速度的关系

震 级 1 2 3 4 5 6

无损坏

简易房屋 轻微损坏

简易房屋 一般房屋轻微损坏

简易房屋破坏，一般房屋损坏，砂浆地面出现裂缝 建筑物破坏和严重破坏 建筑物严重破坏

表5.4 建筑物允许震动速度值

建筑物 抗震级别

1 2 3 4

设计烈度7度及以上的工业建筑

一般工业建筑，基础好，质量好的砖墙瓦顶民房 基础土质好，一般的砖瓦房，有主要设备的厂房

基础土质差，一般的砖瓦房，陈旧的砖墙瓦顶房屋，木骨架瓦房，质量好的土坯瓦顶房

具有历史价值的建筑物。砾石墙民房，土坯墙民房，民居窑洞，安装

5

有精密设备的实验室

0.4～0.8

建筑物特性

震动速度 （cm/s） 5～7 3～5 1.5～3.0 0.8～1.5

一般建筑物

震动速度 （cm/s）

>50

为了减少爆破对环境的影响，国外发明了岩石隧道全断面掘进机，使隧道掘进速度加快，效率提高，大大减轻劳动强度，有的月进度达到1Km 以上。此外，采用隧道掘进机还有施工安全、开挖面平整、超挖小、节约衬砌混凝土、没有爆破振动、对围岩振动破坏小等优点。但在较短的隧道中使用是不经济的，一般要求隧道长度/直径>600时才适用。隧道掘进机对有溶洞、断层的地层适应能力差，因此在选用前应对工程地质进行详细调查。

对于较软的岩石也可使用机械预切槽法及水利切割法等工艺。 5.3.3 初期支护

围岩开挖后应立即进行必要的支护，并使围岩与支护尽量密贴，以稳定围岩。围岩条件比较好时，可简单支护或不支护。采用喷射混凝土、锚杆作为初期支护时的施工顺序，一般为先喷射混凝土后打锚杆；围岩条件恶劣时，则采用初喷混凝土→架钢支撑→打锚杆→二次喷射混凝土。锚杆杆位、孔径、孔深及布置形式应符合设计要求，锚杆杆体露出岩面的长度不宜大于喷混凝土层厚度，锚杆施工质量应符合有关规范要求。

对有水地段的锚杆施工经常采取以下措施：如遇孔内流水，可在附近另钻一孔，再设

锚杆，亦可采用管缝锚杆；或采用速凝早强药包锚杆；或采用管形锚杆并向围岩压力注浆等。

5.4 松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)

5.4.1概述

近年来, 采用浅埋暗挖法施工的地下铁道工程已越来越多, 它的优越性也越来越明显，目它已经成为城市地下铁道施工采用的主要方法之一。

浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，针对城市地下工程的特点发展起来的。城市浅埋地下工程的特点主要是：覆土浅、地质条件差(多数是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等) 自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来严格的要求等。

与其他施工方法相比，浅埋暗挖的法具有许多特点。 ① 适用于各种地质条件和地下水条件；

② 具有适合各种断面形式(单线、双线及多线、车站等) 和变化断面(过渡段、多层断面等) 的高度灵活性；

③ 通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效地控制地表下沉和坍塌； ④ 与盾构法相比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；

⑤ 与明挖法相比较，可以极大地减轻对地面交通的干扰和对商业活动的影响，避免大量的拆迁；

⑥ 从综合效益观点出发，是比较经济的一种施工方法。

有关深浅埋的分界问题，一直是工程界所关注的问题。对深浅埋隧道的认识，有许多不同的观点，根据国内外近50个试验段的试验资料和工程实例，将覆土厚度(H)和隧道开挖宽度(B)的比值等于或大于2.0，作为深浅埋分界深度是合适的。

目前，在浅埋的概念中，由于施工方法选择的需要，根据工程特点，又将浅埋分为浅埋和超浅埋2种。一般说来，上层覆土发生整体下沉的可能时，就属于超浅埋。或当覆土厚度与隧道开挖宽度之比值小于0.4，也可认为属于超浅埋。 5.4.2 浅埋暗挖法的施工技术 5.4.2.1. 施工的基本原则

根据国内外的工程实践，浅埋暗挖法的施工应贯彻如下原则：

(1) 管超前：指采用超前小导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；

(2) 严注浆：指在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力；

(3) 短开挖：指一次注浆，多次开挖，即限制一次进尺的长度，减少对围岩的松弛； (4) 强支护：指在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，

以控制开挖初期的变形；

(5) 快封闭：指在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖一环，封闭一环，提高初期支护的承载能力；

(6) 勤量测：指对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。 5.4.2.2 地层预加固和预支护技术

在城市地下铁道浅埋暗挖法施工中，经常遇到砂砾土、砂性土、粘性土或强风化基岩等不稳定地层。这类地层在隧道开挖过程中自稳时间短暂。往往初期支护尚未来得及施作，或喷射混凝土还未获得足够强度时，拱墙的局部地层已经开始坍塌。为此需要采用地层预支护和预加固方法，来提高地层自稳能力。

(1) 小导管超前注浆

这是在地下铁道单线区间隧道开挖过程中常采用的方法。注浆小导管采用ø38mm ～ø50mm 的焊接钢管制成，导管沿上半断面周围轮廓线布置，间距0.2～0.3m ，仰角控制在10°～15°，如图5-2所示。

图5-2小导管注浆施工示意图

注浆小导管管头为25°～30°的锥体，管长3m ～5m ，其中端头花管长2.0m ～2.5m ，花管部分钻有 ø6mm ～ø10mm 的孔眼，每排4个孔，交叉排列，间距10cm ～20cm 左右。注浆小导管用风钻打入。

注浆材料及配合比应根据地质条件和施工要求，通过现场实验确定。水泥浆或水泥水玻璃浆液，主要使用渗透系数大于10－4cm/s的填土层、砂土层和夹砂的粘土层；对于大于105cm/s 的细砂层壳采用化学浆液(聚氨酯类、丙烯酰胺类) 。在北京砂性土中曾采用过水

－

泥水玻璃双液浆，水灰比控制在0.8:1～1:1,水玻璃浓度35Be ～40Be ，水泥浆与水玻璃浆的体积比为1:0.6～1: 1，凝胶时间在1min 左右。经过注浆，在浆液扩散范围内，砂石均被胶结，7d 抗压强度可达到5MPa ～15MPa 。在隧道轮廓线以外，形成一个厚0.6m ～1.2m 的硬壳。提高了施工安全条件，减少了地表沉降，方便了初期支护的锚杆喷射混凝土作业。

控制注浆压力是这项作业的又一重要技术环节，应根据地质条件、周围建筑物情况及

施工要求，通过现场试验确定，一般控制在0.3MPa ～0.7MPa 之间。

(2) 开挖面深孔注浆

对于断面比较大的双线隧道或跨度比较大的渡线部分，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。对于70 m2～100m 2 断面的隧道可布置12～18个注浆孔，其中15 m左右的长孔布置6～11个，5 m左右的短孔布置6～7个，见图5-3，并采用隔孔注浆的方法。水泥浆的配合比及注浆压力通过现场试验确定。其工艺流程，见图5-4。

图5-4 深孔注浆工艺流程框图

注浆量应根据地层孔隙率确定，一般可按照下列公式计算：

Q = RЛHnβα

式中 Q ——浆液注浆量(m3) ；

R ——浆液有效扩散半径(m)； H ——注浆段长度(m)；

n ——土体孔隙率(或岩体裂隙率) ％，(土、砂土n ＝30％～60％) ； β——浆液充填率：β＝0.3～0.9，(土、砂土，β＝0.3～0.5) ； α——超耗系数(含超注量、冒浆、损耗等) ，α＝1.2～1.5。

(3) 管棚超前支护

当地下铁道通过自稳能力很差的地层，或地表通过车辆荷载过大，威胁施工安全，或临近有重要建筑物，为防止由于地铁施工造成超量的不均匀下沉，往往采用管棚法。

所谓管棚，就是把一系列直径位10cm ～60cm 的钢管，沿隧道外轮廓线或部分外轮廓线，顺隧道轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。管棚排列的形状有帽形、方形、一字形及拱形，见图5-5，可依据工程需要及断面形式确定。而管棚设置的范围、间距、管径则应根据工程地质合水文地质条件以及隧道的埋置深度等因素确定。

管棚施工的工艺流程，如图5-6所示。 5.4.2.3 区间隧道土方开挖

在松散不稳定地层中采用浅埋暗挖法开挖作业时，所选用的施工方法及工艺流程，应保证最大限度的减少对地层的扰动，提高周围地层自承作用和减少地表沉降。根据不同的地质条件及隧道断面，选用不同的开挖方法，但其总原则是预支护、预加固一段，开挖一段；开挖一段，支护一段；支护一段，封闭成环一段。初期支护封闭成环后，隧道处于暂时稳定状态，通过监控量测，确认达到基本稳定状态时，可以进行二次衬砌的混凝土灌注工作。如量测结果表明尚未稳定，则需继续监测；如监测结果表明支护有失稳的趋势时，则需及时通过设计部门共同协商，确定加固方案。

图5-5管棚超前支护布管形式示意图

图5-6管棚施工工艺流程框图

当周围地层稳定性较好时，可采用长台阶半断面施工方法，这时施工机械可布置到上台阶进行施工，加快施工进度。但拱部初期支护长时间无法封闭，当拱部地层压力较大，拱脚部位土体不能够提供足够反力时，整个拱部将连同支护一起下沉，严重时拱脚部位土体将产生滑移，涌入隧道。当遇到这种不利情况时，可施作临时仰拱，形成半断面临时闭合结构，促使地层稳定。临时仰拱的安设与拆除必然将增加工程量，增大工程费用。因此，当土体稳定性并不十分可靠时，要慎重选用这种施工方法。

浅埋暗挖法施工中所选用的施工机械，除局部遇有坚硬岩石需要爆破以外，各类土层或严重风化的基岩均可采用短臂反铲机械进行开挖，或采用S —50 型单臂掘进机。

出渣可采用有轨运输，也可以通过斜井，采用汽车无轨运输。但由于城市条件，往往不允许在白天用汽车将渣土运至卸渣场，需在工地存渣场暂存，等夜间在市容管理允许的时间内将渣土倒运至卸渣场。在这种情况下，汽车进入隧道实行无轨运输的组织方式就无太大实际意义了。故一般多采用有轨运输，通过竖井提升到井口堆渣场，然后进行倒运。

施工用的竖井或斜井应尽可能的设在未来的区间风道位置上，这样待工程结束后，便于将其改建成通风井，减少废弃工程量。竖井和斜井的断面尺寸是根据工程需要和可能进入隧道内的最大部件或机具设备最大尺寸进行规划的。竖井可做成方形、矩形或圆形。井壁可采用地下连续墙，现浇模注混凝土或拱架锚喷混凝土，根据工程地质条件、工程需要和施工单位具有的施工经验确定。

隧道开挖轮廓线是根据隧道设计轮廓尺寸、施工误差及最大变形量而定的，施工中要严格控制开挖轮廓线，防止超挖，但是不得欠挖。当采用机械开挖时，沿轮廓线预留10cm 人工找平层，用手工修边。

一般工程控制断面轮廓线得方法为断面支距法，见图5-7，以开挖轮廓线得中线拱顶点为起点，沿中线由上向下，每隔0.5m 向两侧量出支距L 1 左、L 1 右、L 2 左、L 2右等，各支距点的连线，即为断面轮廓线。

为保证区间隧道中线及水平标高准确无误，应加强施工测量工作。当有两个工作面相对开挖时，往往难以避免出现贯通误差，所以在接近贯通时，两侧应加强联系，统一指挥，待接近20m 左右时，其中一个工作面停止开挖，由另一个工作面实现贯通，便于逐步调整中线及水平标高。

5.4.2.4 浅埋暗挖法的初期支护

在软弱破碎及松散、不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时，除需对地层进行预加固和预支护外，隧道初期支护施作的及时性和支护的刚度和强度，对保证开挖后隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降，都具有决定性的影响。在诸多支护形式中，钢拱锚喷混凝土支护是满足上述要求的最佳支护形式。所以国内外在不稳定地层中采用浅埋暗挖法时的初期支护，均采用由钢拱或无钢拱支撑的锚喷混凝土。这类支护的特点如下：

a 开挖后能及时施作，并且施作后能尽快承受荷载； b 施工简便，不需要大型施工场地及大型施工机械； c 支护与周围地层之间密贴不留空隙，减少地层扰动； d 适用于不同断面形式和断面尺寸；

e 支护的强度和刚度便于调整，便于后期补强； f 工程造价相对比较便宜。 (1) 喷射混凝土

喷射混凝土时借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将按照一定配合比的拌合料通过管道输送并高速喷射到受碰面上，凝结硬化而成的一种混凝土。

喷射混凝土在高速喷射时(速度可达到70m/s)，水泥和集料反复连续撞击而使混凝土密实，故可采用较小的水灰比0.4～0.5

，以获得较高的强度和良好的耐久性。特别是与受喷

图5-7断面支距测量示意图

面之间具有一定的粘结强度，可以在结合面上传递拉应力和剪应力。对于任何形状的受碰面都可以良好的结合，不留空隙。喷射混凝土拌合料中加入速凝剂后，可使水泥在10min 内终凝，并很快获得强度，承受外界荷载，约束周围土体变形。

喷射混凝土由于加水的方式和位置的不同，从工艺上可以分为干喷法和湿喷法两类。喷射混凝土的工艺流程，见图5-8。

大部分风送的湿喷工艺。

喷射混凝土的原材料为：水泥、砂石料、外加剂和水。

水泥品种和标号的选择应满足工程使用要求，加入外加剂时，还应该考虑水泥品种与外加剂的相融性。喷射混凝土应优先选用标号不低于P.O.32.5号硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥的C 3S 和C 3A 含量较高，同速凝剂的相融性较好，能速凝和早强。

喷射混凝土所用的砂以中粗砂为宜，细度模数大于2.5，一般砂子颗粒级配应满足表5.5的要求。砂子过细，会加大干缩；砂子过粗，则会增加回弹量。

喷射混凝土的粗骨料，采用卵石或碎石均可。尽管喷射机的性能可喷20mm 粒径的集料，但是为了减少回弹，集料的最大粒径以不超过20mm 为宜。目前不少工程，最大粒径

图5-8 喷射混凝土不同种类及工艺流程

图5-8中的湿法(1)系指混凝土输送泵或输送灌输送的湿喷混凝土工艺；湿喷(2)系指

控制在15mm 以内，目的也是为了减少回弹量。粗细骨料的级配应应符合表5.6的限度。集料配比对拌合料的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化程度，对受喷面的粘附力及最终喷射混凝土的强度都有重要影响。

表5.5 细集料的级配限度

筛孔尺寸（mm ）

10 5 2.5 通过百分数（重量）

100 95～100 80～100 筛孔尺寸（mm ）

0.6 0.3 0.15 表5.6 石子级配限度

筛孔尺寸 （mm ） 20.0 15.0 10.0 5.0 2.5 1.2

级配 1 / 100 85～100 10～30 0～10 0～5

通过的重量百分比

级配 2 100 90～100 40～70 0～15 0～5 /

通过百分数（重量）

25～60 10～30 2～10 喷射混凝土主要使用的外加剂是速凝剂，除此之外还有早强剂、引气剂、减水剂、增粘剂、防水剂等，各种外加剂都有各自的功能，使用前必须经过试验，了解其相互间的相融性、最佳配比及实际效果。

速凝剂的主要作用是使喷射混凝土速凝、快硬，减少回弹损失，防止混凝土因重力作用引起的脱落，提高它在潮湿或渗水地层中使用的适应性，还可以适当增加一次喷射的厚度和缩短喷射层间的间隔时间。速凝剂一般常用的为粉状，最近也研制出了用于湿喷混凝土的液态速凝剂。确认某种速凝剂适用于某种水泥时，应符合下列条件：

① 初凝时间不大于3 min； ② 终凝时间不大于12 min；

③ 8 h后的抗压强度不应小于0.3MPa ；

④ 28d 后的抗压强度不应低于不掺速凝剂混凝土抗压强度的70％。 影响速凝剂使用效果的主要因素：

① 水泥品种。例如：红星1型速凝剂对普通硅酸盐水泥，当掺量为2.5%～4.0%时，初凝为1min ～3 min；终凝为2 min～10 min，能满足喷射要求。但对矿渣硅酸盐水泥的效果较差，当掺量为4％时，终凝超过10 min 。

② 速凝剂掺量。对于普通硅酸盐水泥，红星1型速凝剂的最佳掺量是2.5％～4％，

当超过4％时，凝结时间反而增长。见表5.7。

表5.7 速凝剂掺量对速凝效果的影响

水灰比 (c/w) 0 2 4 6 8

室温 (°C) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4

湿度 （％） 23～26 23～26 23～26 23～26 23～26

75 75 75 75 75

凝结时间 初 凝 4 h 51 min 1 min 18s 2 min 12s 2 min 11s 2 min 54s

终 凝 6 h 53 min 7 min 12s 3 min 9s 5 min s 8 min s

注：1. 速凝剂为红星1型

2.水泥为唐山P.O.32.5号普通硅酸盐水泥。掺入方式；干拌。

③ 水灰比。水灰比愈大，速凝效果愈差，见表5.8。

表5.8 水灰比对水泥速凝效果的影响

终凝时间

速凝剂型号 红星1型 红星1型 红星1型 红星1型 红星1型

速凝剂掺量（％）

2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

水灰比

初 凝

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

1 min 20s 1 min 50s 2 min 30s 2 min 52s 4 min 32s

终 凝 2 min 17s 2 min 45s 4 min 10s 5 min 0s 7 min 20s

表5.9 温度对水泥速凝效果的影响

④ 温度。一般来说，水泥凝结时间随温度升高而缩短，见表5.9。但应该指出，当温度达到30°C 时，在水泥中掺入速凝剂则对终凝时间和后期强度极为不利。

喷射混凝土的外加剂，除速凝剂外根据具体工程需要，还可以加入减水剂等。掺入减水剂的目的是在保持流动性的条件下，降低水灰比。国内外经验表明，掺入0.5％～1.0％的减水剂，可提高混凝土强度，减少回弹量，改善其不透水性及抗冻性。掺入增粘剂的目

的是减少施工粉尘和回弹损失。掺入防水剂的主要目的是减少用水量，从而减少或消除喷射混凝土的收缩裂缝和提高混凝土的密实性。

喷射混凝土的配合比的设计不论是干喷法还是湿喷法，都必须符合下列要求： ① 必须能够向顶部喷射到指定厚度，并且回弹少； ② 4h ～8h 的强度应达到能控制地层变形的要求；

③ 速凝剂用量应满足可喷性和早期强度要求，同时还必须保证后期强度满足设计要求；

④ 良好的施工性能，不发生管路堵塞； ⑤ 混凝土具有良好的耐久性。

喷射混凝土的胶骨比，即水泥和集料之比，常为1：4～1：4.5。水泥过少，回弹量大；水泥过多，硬化后混凝土收缩量大。试验表明，当水泥用量超过400Kg/m3时，喷射混凝土的强度并不随水泥用量的增大而提高。

砂率，即砂子在整个粗细集料中所占的百分率，它对喷射混凝土施工性能及力学性能的影响见表5.10。综合权衡砂率大小带来的利弊，根据施工经验，砂率以45％—55％为宜。

表5.10 砂率对喷射混凝土性能的影响

性能

回弹损失 管路堵塞 湿喷可泵性 水泥用量 混凝土强度 混凝土收缩

大 易 不好 少 高 较小

砂 率

> 55％ 较小 不易 好 多 低 大

45％～55％

较小 不易 较好 较少 较高 较小

水灰比时影响喷射混凝土强度的主要因素，当水灰比为0.2时，水泥水化不充分，回弹量大；当水灰比为0.4时，水泥有适宜的水分与其水化，硬化后可形成致密的水泥石结构；当水灰比为0.6时，多余的水分蒸发后，在水泥中形成毛细孔。干法喷射混凝土工艺的水灰比控制，主要靠喷手的目测。水灰比适宜时，喷射混凝土表面平整，粉尘及回弹均少。经测定这时水灰比值为0.4～0.5。偏离这个范围，不仅影响喷射混凝土的强度，还要增大回弹量。

湿法喷射混凝土与干法相比，容许混凝土在进入喷射机之前或在喷射机中加入足够的拌合水，拌合均匀，水灰比能够准确的控制。这样的工艺流程有利于水合水泥的水化，因而粉尘较少、回弹少。混凝土匀质性好，强度也高，但是湿喷法工艺及机械比干喷法复杂，速凝剂的加入也比较困难。目前，湿喷法工艺推广较慢。

湿喷法喷射混凝土由于骨料偏小、水泥用量较多、掺入速凝剂等因素，混凝土容易收缩干裂。因此，有关规范要求喷射后及时喷水养护，使表面保持湿润状态。养护时间不少于14d 。

(2) 锚杆

目前，锚杆的种类很多，据统计不下于600多种。浅埋暗挖法中常用的锚杆是有预应力或无预应力的砂浆锚杆或塑脂锚杆。锚杆杆体由热轧钢筋制成，锚杆灌浆的水泥砂浆，其胶骨比为1：1～1：2，水灰比为0.38～0.45，属富水泥砂浆。对水泥品种的要求与喷射混凝土相同，宜采用不低于P.O.32.5号新鲜的普通硅酸盐水泥。砂子宜用中砂，最大粒径应控制在采用后灌浆工艺时为1mm ；采用先灌浆工艺为3mm 。

(3) 钢拱支撑

在土层中采用浅埋暗挖法，由于地层开挖后的自稳时间短，而且对地表沉降控制要求严格，故在锚喷支护中钢拱架支撑是绝对必要的。

钢拱支撑的作用主要是在喷射混凝土尚未达到必要强度以前，承担地层压力及约束地层变形。钢拱架支撑既是临时支撑也是永久支护的一部分。

钢拱架支撑按照材料可分为两大类：第一类是型钢拱架支撑，包括钢管支撑、H 型钢支撑、U 型钢支撑等；第二类是格栅拱架支撑。型钢拱架支撑的截面大、刚度大，能承受比较大的荷载，但是型钢与混凝土的热膨胀系数不同，温度变化时，经常沿钢拱架产生纵向收缩裂缝，而且，钢拱架背后的喷射混凝土很难充填密实，这将影响支护效果和钢拱架寿命。型钢拱架重量大，制作安装比较困难，因此，在浅埋暗挖法中，目前较少采用。格栅拱架，又称为格构钢拱架，由3～4根Φ18mm～Φ22mm的热轧钢筋焊接而成。本身重量轻，便于制作、运输和安装。钢筋组成的格栅钢拱架具有足够的支撑刚度和强度，而且与混凝土接触面大、结合好，能够共同变形、共同受力，不会出现型钢拱架那样的收缩裂缝。格栅拱架中间空隙大，不会出现背后混凝土不密实的现象。再有一个优点就是造价低。目前，浅埋暗挖法施工中，较多使用的是格栅钢拱架。

格栅钢拱架，见图5-9。是由普通的建筑钢筋冷加工成形后焊接而成，每榀若干段，在工作面进行拼装，沿开挖轮廓线形成支撑拱架。每榀拱架之间用钢筋纵向连接，形成稳定的结构，即可承受部分的地层压力。随后喷射混凝土，使喷射混凝土与格栅拱架和周围地层紧密结合，形成支护结构。根据地层需要，格栅拱架背后还可以加一层钢筋网。格栅拱架的节点形式有多种式样，见图5-10，可根据工程需要确定。格栅拱架两杆之间的距离受喷射混凝土厚度的限制，而且还要保证有不少于2cm 的保护层厚度。格栅拱架每榀之间的间距，应根据地质条件、实际荷载和格栅拱架的强度和刚度进行调整。格栅拱架可以做成封闭型的，也可以不带仰拱，做成开口型的。无仰拱的拱架支撑的拱脚一定要安设牢固，避免受力后拱脚下沉。

5.4.2.5 浅埋暗挖法的二次衬砌

(1) 基本要求

在浅埋暗挖法施工中，初期支护的变形达到基本稳定后，可以进行二次衬砌。通过监控量测，掌握隧道动态，提供信息，指导二次衬砌施作时机，这是浅埋暗挖法施工二次衬砌与一般隧道衬砌施工的主要区别。其它灌注工艺和机械设备同一般隧道衬砌施工基本相同。

二次衬砌施工前应做好以下几点：

① 核对中线、水平、断面尺寸，所有检测数据均应符合设计要求；

② 为确保衬砌不进入限界，允许放样时将设计外轮廓线尺寸扩大3cm ～5cm ，作为施工误差及模板拱架的预留沉落量；

③ 隧道断面和地质条件变化的交界处，应设沉降缝；洞口附近及根据设计要求的部

C 型

D 型

A 型

B 型

图5-9搁栅拱架断面形式

图5-10搁栅拱架结点形式

位应设伸缩缝。对以上各种缝及施工缝均应作防水处理。

(2) 衬砌模板

二次衬砌模板可采用临时木模板或金属定型模板，更多情况则使用衬砌台车，因为区间隧道的断面尺寸基本不变，便于使用衬砌台车，加快立模及拆模的速度。

衬砌所使用的模板、墙架、拱架均应式样简单、拆装方便、表面光滑、接缝严密。使用前应在样板台车上校核。重复使用时，应随时检查并整修。

衬砌台车的型式有多种，其外形尺寸应符合设计轮廓尺寸。立模及拆模的动力可分为人工、电动及液压三种。按作业方式分类，可分为“平移”和“穿行”两大类。穿行式液压衬砌台车是目前国内较为先进的施工设备，得到了广泛的应用，衬砌速度可达到每月300m 以上。

(3) 混凝土的灌注与捣固

混凝土浇注以前，应做好地下水引排工作，基础部位的浮渣积水清除干净，不允许带水作业。

灌注混凝土时，自由落高不得超过2m ，应按搅拌能力、运输距离、灌注速度、振捣等因素确定一次灌注厚度、次序、方向，分层施工。一般情况应保持连续灌注，允许间隙时间应符合表5.11要求。

捣固选用的振捣器，其振幅、频率、振动速度等参数，应视混凝土的塌落度及骨料粒径而定。

表5.11 灌注混凝土允许间隙时间表

灌注时气温 （°C ） 20～30 10～20 5～10

注：1. 未考虑外加剂等特殊施工措施； 2.尚应考虑混凝土本身的温度

允许间隙时间（min ）

普通硅酸盐水泥

90 135 195

矿渣及火山灰水泥

120 180 /

(4) 灌注施工的工艺要求

① 灌注二次衬砌混凝土应尽可能采用混凝土输送泵；

② 应尽可能采用整环灌注的施工安排。当混凝土灌注至墙拱交界处时，应间隙约1h ，以便于边墙混凝土沉实。拱圈封顶时，应随拱圈灌注及时捣实；

③ 所有施工缝应凿毛，按设计要求埋设遇水膨胀止水橡胶条进行防水；

④ 振捣时，振捣器不得接触防水层及模板，且每次移动距离不宜大于振捣器作用半径的一半；

⑤ 二次衬砌施工是在初期支护变形基本稳定后进行的。这时的二次衬砌基本不承受

外荷载，这样当混凝土强度达到2.5MPa 时，即可拆模。否则，应达到设计强度70％时方可拆模；

⑥ 养护方式应经济合理，如表面定期浇水，又如铺塑料薄膜或喷涂有机树脂等养护剂；

⑦ 隧道拱、墙背后空隙必须回填密实，如达不到要求，可采用背后压浆回填。 5.4.2.6浅埋暗挖法的施工监控量测

利用监控量测信息指导设计与施工是浅埋暗挖法施工工序的重要组成部分。在设计文件中应提出具体要求和内容，监控量测的费用应纳入工程成本。在实施过程中，施工单位要有专门机构执行与管理，并由技术负责人统一掌握、统一领导。

(1) 监控量测项目

根据工程性质及工程地质条件，监控量测项目课分为A 类和B 类。A 类为必测项目，为指导施工、监测工程安全状态服务；B 类为选测项目，主要是为了了解周围地层和支护系统的工作状态，为设计提供依据，以便进一步优化设计。

监控量测的测点布置，项目安排，见表5.12，表5.13。

表5.12 A类监控量测项目表

项目名称 掌子面地质观测 净空收敛量测 拱顶下沉 地表下沉

段距 全隧道 每10m ～50m 10m ～50m

安设测点数

0～15天

掌子面 2～6对测点

1点

表5.13 B类监控量测项目表

项目名称 地层物理力学参数 地层内变位测量 锚杆轴向力 衬砌内应力测定 支护接触应力测点

地层弹性波

段距 200m ～500m 200m ～500m 200m ～500m 200m ～500m 200m ～500m

500m

安设测点数

0～15天

3～5个测孔 3～5个测孔 切径向各3～5点 5～9个测点 2～4个测点

1～2次/天 1～2次/天 1～2次/天 1～2次/天

1次

测试频率 16～30天

1～2次/2天 1～2次/2天 1～2次/2天 1～2次/2天

1次

31天后

1～2次/周 1～2次/天 1～2次/天 1～2次/天

1次

1次/天 1次/2天 1次/2天

测试频率 16～30天 1次/天 1次/2天 1次/2天

31天后 1次/天 1次/周 1次/周

(2) 监控量测设备 监控量测设备见表5.14。 (3) 监控量测信息对施工的控制

① 根据隧道周边位移(收敛) 量测数据确定净空预留量。根据位移随时间变化的测试资料进行回归分析，推算最终位移值，此最终位移值即可作为净空预留量。

② 根据位移—时间曲线，可以确定二次衬砌施作时间。这一特征点应反映： a 位移量及位移—时间曲线呈收敛趋势；

b 30d 内的平均位移变化速率小于0.3 mm/d～0.5mm/d； c 位移速率的变化呈收敛趋势； 这三条也可称为隧道变形基本稳定的标志。

表5.14监控量测设备

分类 常规测试项目

垂直 下沉

围岩下沉量 围岩压力两层

压力 特种测试项目

围岩参数测定 应力

在重要工程或埋深很大的岩

围岩内应力或地引力

C 、Ф E 、µ

钻孔应变计或钻孔解除法 试验洞内的剪切试验

膨胀仪、声波

石工程中应用

为设计和有限单法计算需要 为设计和有限单法计算需要

支护之间压力 钢支撑反力及其与围岩

接触压力 混凝土内应力 混凝土表面应力

各类混凝土内应变计、应力计 表面贴电阻应变片、解除法

为施工和设计提供数据

为设计需要

各类压力传感器 支柱压力计或其他测力计 地表钻孔中安设各类位移计

只用于浅埋隧道通常埋深

h ≤50m

试验工程采用，作为稳定性

判别和设计依据 在设置钢拱支撑时应用

地面下沉量

水平仪、水平尺

只用于浅埋隧道通常埋深

h ≤50m

项目 总称 位移

具体项目名称 周边点径向位移值 周边点相对位移值 拱顶下沉量

方法和工具 单点或多点的锚杆式 各种类型的收敛计 水平仪、水平尺、钢尺

用途和应用场合 稳定性判别及位移反分析 稳定性判别及位移反分析 与稳定的已成支护段比较

(4) 监控量测数值处理

监控量测的各种变量如位移、应力、应变等，应及时绘出位移－时间曲线、应力－时间曲线、应变—时间曲线。横坐标为时间，纵坐标为各类变量(位移、应力、应变) 。这条曲线极可能成为极不规则的散点曲线，如果将工序标在水平坐标上，就可看出各种工序对隧道变形的影响。这个散点图是作为分析的第一手原始资料，判断地层是否稳定的重要依据。

但对于推算最终变量，依靠散点图是无法实现的，这就要对散点资料进行回归分析。

工程测试中的变量大部分属于一元非线性关系，因此常用一元非线性回归进行数据处理。

一元非线性回归的步骤如下：

① 根据测试值散点图的特征，先选用某一函数，常用的如对数函数、指数函数、双曲线函数等，用选定的函数进行回归分析；

② 将上述选定的曲线函数进行变换，使其成为线性函数；

③ 然后，用一元线性回归公式和方法求得该变换后的线性函数的系数。将该系数带入替代公式，得到原定的曲线函数系数，即最后求得回归曲线；

④ 如果选用的该曲线函数的剩余标准离差比较理想，工作结束；如不理想，则课改用另一个曲线函数再按照上述步骤重新进行回归分析，直到满意为止；

(5) 测试数据的反馈 ① 对施工的反馈作用：

a 最大允许位移值的控制。地质越差，允许位移值越大；断面越大，允许位移值越大；采用锚喷支护时，断面直径小于10m 时，允许位移值2～5cm 。

b 二次衬砌施作时间的控制。按照规定，二次衬砌是在初期支护变形基本稳定后施作的。基本稳定的标志是外荷载基本不再增加，位移不再变化，因此可用周边接触应力和位移值这两项指标来控制。当隧道断面小于10m 2时，周边位移率Vn 应小于0.1mm/d；断面大于10 m2时，Vn 小于0.2mm/d。或周边接触应力Vp

② 测试数据对设计的反馈。地质条件的复杂性使地下工程设计不得不采用信息化的设计方法，即通过施工中量测到的围岩动态信息，主要是指位移信息，然后采用反分析技术，推求围岩的本构模型和力学参数，如弹性模量、内摩擦角、粘结力、粘性系数等，再采用正分析技术，求出围岩和支护结构中新的应力场和位移场，验算和核实预设计的可靠性，并对其进行修改。