[城市矿山法隧道施工安全与风险控制]矿山法隧道施工可以分为

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城市矿山法隧道施工安全 与风险控制

内 容 提 要

1 引 言

2

围岩变形特征与破坏机理

3

施工安全与风险控制

4

近接建（构）筑物施工

1

引 言

一、城市隧道的基本环境特征

1.地质类型

（1）土质（长三角地区等）

一、城市隧道的基本环境特征

1.地质类型

（2）土岩混合

土 石

上软 下硬

石

土 忽软忽硬

石

青岛、大连等

广州、深圳等

一、城市隧道的基本环境特征

1.地质类型

（2）硬岩（北欧）

一、城市隧道的基本环境特征

2.埋深特点

普遍较浅（中国）

一、城市隧道的基本环境特征

3.周边环境

邻近既有建（构）筑物

施工相互影响大，风险高

二、城市矿山法概述

1.全断面开挖法

l-全断面开挖；Ⅱ-衬砌 全断面一次开挖法

二、城市矿山法概述

1.全断面开挖法

 适用条件 1）整体性好的围岩； 2）有大型施工机械； 3）适于采用大型机械化配合施工。 优点 缺点

二、城市矿山法概述

2.台阶法 台阶法根据台

阶长度不同,可划

分为长台阶法、

短台阶法和超短

台阶法三种。

二、城市矿山法概述

（1）长台阶法。上台阶一般50m以上或大于5倍洞径，上

下步可采用同类机械平行作业。 优缺点：干扰少、机械配套、通风和测量工作简单、可进 行单工序作业，但要求围岩稳定性较好。 （2）短台阶法。上台阶长度小于5倍大于1～1.5洞径。 优缺点：可缩短仰拱封闭时间，利于开挖面稳定，但上下 台阶作业干扰较大。 （3）超短台阶法。上台阶长度仅3～5m，适用于机械化程

度不高的地段。

优缺点：断面闭合较快，利于开挖面稳定，但上下台阶作 业干扰很大。

二、城市矿山法概述

2.台阶法 至于施工中究竟采用何种台阶法（长、短、

超短），要根据以下两个条件来决定：

 初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越

差，闭合时间要求越短；  上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械 设备施工场地大小的要求。

二、城市矿山法概述

3.分部开挖法 分部开挖法可分为：环形开挖留核

心土法、侧壁导坑法、中隔壁法（CD法

和CRD法）、中洞法等。

二、城市矿山法概述

3.分部开挖法

环形开挖留核心土法

二、城市矿山法概述

3.分部开挖法 单侧壁导坑法 侧壁导坑法

双侧壁导坑法

返回

二、城市矿山法概述

3.分部开挖法 CD法 中隔壁法

CRD法

二、城市矿山法概述

3.分部开挖法

在连拱隧道或分叉 隧道的喇叭口地段,先 开挖两洞之间的立柱 (或中墙)部分,完成立 柱 (或中墙)混凝土浇 筑后,再进行左右两洞 开挖的施工。

中洞法

二、城市矿山法概述

4.其他一些适合于特大断面隧道开挖方法

二、城市矿山法概述

4.

其他一些适合于特大断面隧道开挖方法

盾构辅助法

预衬砌法

2 围岩变形特征与破坏机理

一、隧道开挖后的围岩变形特征

一、隧道开挖后的围岩变形特征

土体移动的空间效应

沉降

影响

范围

一、隧道开挖后的围岩变形特征

 =15.6°

横向断面地层沉降形状

一、隧道开挖后的围岩变形特征

土体分层沉降示意图

一、隧道开挖后的围岩变形特征

前期沉降

施工沉降

地表下沉曲线

掌子面

隧道

地层移动的时间效应

固结沉降

施工沉降

一、隧道开挖后的围岩变形特征

地层损失理论

地层移动由地层损失引起，并认为地表沉陷槽的体积

应等于地层损失的体积。

该法的理论基础是:在隧道施工过程中产生了一定的地

层损失，相当于从地层中挖去一块岩土体，形成一个空洞，

从而导致上部的岩土体产生移动和变形，最终该空洞被填 充，而在地表则形成体积等于空洞体积的沉降槽。

二、隧道塌方机理

应该说，隧道开挖后，围岩的变形是不可避免的，但 是如果在开挖后及时采取有效措施，则围岩变形处于可控 范围，反之，在围岩变形超过某一极限值后发生塌方。

二、隧道塌方机理

二、隧道塌方机理

3

施工安全与风险控制 1）有效支护 2）隧道埋深选择

3）曲线变轨

4）各分部开挖的贡献率

5）掌子面的预加固

6）信息化施工

有效支护

隧道埋深选择 将隧道建在合适的深度，减小施工风险

曲线变轨 利用曲线变轨原理，根据先前监测数据预 测有可能塌方时，提前改变施工方法或支护参 数，使其沉降曲线改变原有轨迹，朝安全、稳 定方向发展。

各分部的贡献率

通过分析各分部对 拱顶沉降的贡献率，做 到“好钢用在刀刃上”， 重点控制主要块，快速 施工次要块。

A

掌子面和侧墙对某点沉降的贡献率

径向锚杆固然重要，掌 子面变形引起的土体变位也 不容忽视。有时掌子面前方 的超前锚杆显得更为重要。 如“新意法”理念就是重视 掌子面前方锚杆作用。

未有超前加固措施的

超前加固后

用玻璃纤维筋加固前方土体

信息化施工

作为新奥 法三大要素

之一的信息

化施工，对

于施工安全

控制至关重

要。

信息化施工

4

近接建（构）筑物施工

一、基本概念

三大基本类型： （1）新建工程接近既有隧道施工 (2) 新建隧道接近既有工程

（3）两条及以上隧道近距离同期施工

一、基本概念

近接施工最主要的问题是新建工程将会 对既有工程原来的稳定性产生影响。这种影 响最本质的原因是由于新建工程的施工引起 围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列 的力学行为变化。这种受力特征会因

工程修 建的时间先后关系、空间位置关系及其施工 方法的不同而不同。

二、近接影响分区

建筑荷载下的地基附加应力场

二、近接影响分区

单一隧道的二次应力场影响范围

3σ y 2σ y 1.1σ y 1.01σ y 7.27r 1.1σ y 3.16r 1.01σ y 10r

2.67r

λ =0

λ =1

二、近接影响分区

由于建筑物地基的附加应力影响和隧道

开挖引起的应力重分布都是局部的。从相距 的远到近，有一个应力场逐渐叠加的过程。

二、近接影响分区

近接施工的影响不仅存在着局域性， 而且在局部的范围内应力重分布是有梯度 变化的，这也表明影响程度是不同的，因 此提出近接施工影响分区及标准。

二、近接影响分区

既有规范，我们认为仅适用于软土

硬岩地层 评判指标：安全系数 实现方法：强度折减法 多工况数值模拟

安全系数计算结果

考虑相对尺度的影响，分别计算了“隧道-建 筑物”相对尺寸（D/B）为2、1、1/2的三种情况

对三种计算工况进行规律 分析，建立影响分区如下：

青岛胶州湾海底隧道接线工程应用

35.0

34.9

1号楼房

4号楼房

55.0 13.7

11.3

2.7

5.4

7.6 5.4

7.6

弱影响区

弱影响区

无影响区

无影响区

16.2

16.2

10.8

强影响区

强影响区

对于上软下硬地层： （1）上面软层借鉴日本既有规范； （2）下面硬层与上述计算方法同。

青岛胶州湾海底隧道接线工程应用

智荣中学

砖3

强影响区

弱影响区

无影响区

混7

强影响区

弱影响区

无影响区

二、对策研究 对于强影响区的对策研究

（1）对既有隧道或工程采取措施

(2）对新建隧道或工程采取措施 （3）对既有工程和新建工程之间的围岩采取措施

（硬岩、软岩有别）

再来一个我们以往的案例：

深圳重叠隧道

1、概述-近接施工基本概念及工程背景

2）依托工程概况

深圳地铁一期工程1号线: ◇ 深圳建市以来政府投资最大的国家重点工程项目 ◇ 线路全长17.39 Km， 设车站15 座 ◇ 由深圳市地铁有限公司承担建设管理 ◇ 全线于2000年开工，03年完成土建施工，04年12月建成通车

1

概 述

2）依托工程概况

本课题《地铁重叠隧道设计 与施工关键技术研究》是结合 地铁1号线罗大段工程的修建 进行的。 罗大段工程：位于深圳罗湖 区，起于深圳火车站，出火车 站后往北沿人民南路，邻罗雨 干渠,在嘉宾路口设国贸站， 出国贸站往北穿越深南东路后 进入东门商业区，在此设置老 街站（与地铁3号线换乘）， 出站后往西沿解放路在红岭中 路与深南中路交叉口西侧设大 剧院站。

香 港 特 区

1

概 述

2）依托工程概况

罗大段线路: ◇全长约 2.8 Km ◇含4站3区间（含桩基托换工程） ◇土建投资约 7.48 亿元 ◇由铁二

院设计 ◇由中铁隧道局 等单位施工

1

概 述

3） 工程特点和难点

（1） 工程穿越城市繁华商贸中心区，环境异常复杂

国大段线路 三站两区间 长1778.6 km，土建投资近5.8亿元

罗 湖 区

（人口密度：9821人/平方公里）

中海商城

下穿布吉河 下穿广深高速 电影大厦A7 铁路3线高架桥 （外扩A2地下室）

永新商业城

利联广场 南塘商业广场

（A18）

下穿人民桥桥台

布 吉

（A9）

和平广场

（A40）

深建司

（A7）

华胜商厦

（A12）

东门商业区

下穿百货广场大楼 9层裙楼3层地下室

下穿深南东路 人行天桥

金辉大厦 深圳邮电局

（A15） （A32）

横穿路中 笔架山渠

河

下穿华中酒店 3层群楼 并行下穿路 中罗雨干渠

人 民 中旅大厦

（A17）

天虹商场

（A6）

天安国际

（A40）

南

路 深房广场

（A52）

国贸大厦

国贸站 国贸站

1

概 述

3） 工程特点和难点

（2） 区段地层上软下硬，地下水位高，地质条件差

罗雨干渠

地下水位线

地下水位线

国老区间 地质纵断面图

总体看： ★ 地层 “上软下硬”：上部主要为软弱的砾质粘性土和 砂 层，下部（局部）为强度较高的微风化层；

★ 高地下水位 ：地下水位埋深约3.7m，隧道位于地下水

之中； ★ 土质围岩工程特性很差：花岗岩全风化层及残积土，遇 水及扰动后极易软化崩解，强度迅速降低； ★ F4断层及次生断层：破碎，围岩自稳性很差；

★ 国大区间围岩条件统计：“上软下硬”段长度占总长

50.0%；软岩段占38.5%；硬岩段占11.5% 。

1

概 述

3） 工程特点和难点

（3） 重叠隧道规模大，空间转换复杂，技术难度和风险大

13.0 ～ 15.6 m

1.6 m

2号竖井

◇ 双洞重叠隧道净距小 （1.6m～10.8m ）。 全段隧道空间转换复杂。

技术难点：

① 重叠线型设计与结构形式选择 ② 双洞重叠近接影响分析与评价 ③ 设计分段与支护参数确定

工程经验缺乏

1

概 述

3） 工程特点和难点

（4） 隧道浅埋，采用浅埋暗挖法施工，沉降控制要求高 ★ 拱顶埋深9～16m，最小在布吉河河底； ★ 罗国区间围岩总体软弱，采用盾构法施工； ★ 国大区间多处正穿既有建筑基础，处理难度大，且局部 遇硬岩，施工困难，因此采用浅埋暗挖法施工； ★ 地面建筑密集，道路及地下管线纵横交错，沉降控制十 分严格； ★ 在饱和含水地层中采用浅埋暗挖法施工，地层易失水， 沉降控制有较大难度。

技术难点：

④ 双洞施工顺序与施工间距的确定

⑤ 单洞双层隧道浅埋暗挖法施工方法 ⑥ 不同洞型空间转换方法

⑦ 沉降控制及困难地段辅助施工方法

工程经验较缺乏或较少

1

概 述

3） 工程特点和难点

（5）近接建（构）筑物多，

相互影响十分严重

（6） 桩基托换类型、数量多，单体规模大，难度大风险高

2

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

2

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

1）数值分析

分析图： 一洞室埋深10m，另一洞室沿其四周分布于不同位置

2

1）数值分析

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

判定标准：塑性区和最大主应力

重分布的双重标准。 计算系列：总共 38 组，见下表。

上/下洞埋深

两洞连线的水平角度 -90° -60°

两洞净距 0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D 1.0D、2.5D 0.5D、1.0D、1.5D、2.0D 1.0D 0.5D、1.0D、1.5D 1.75D 2.0D 1.1D

施工顺序

上洞 埋深 10m / 下洞 埋深 变化

-45° -30° 0 15° 30° 45°

“先上后下”

“先下后上”

90°

0.5D

2

1）数值分析

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

限于篇幅，以两洞水平进行分区判定说明。 0.5D时，塑性

区贯通；

1.0D时，强影

单洞开挖

响区和弱 净距0.5D

影响区的

分界点； 1.5D时，近接

影响忽略

不计。 净距1.0D 净距1.5D

2

1）数值分析

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

近接影响分区图

2

1）数值分析

浅埋暗挖法两隧道的近接度标准

近接影响分区图

3

重叠隧道设计与施工技术

3

重叠隧道的设计与施工技术

主要内容：

1）重叠隧道设计分段

2）重叠隧道施工顺序

3）重叠隧道工作面合理间距

4）不同洞型空间转换方法

3

研究方法

重叠隧道的设计与施工技术

（1） 数值模拟——计算模型

整体模型图

典型断面图

隧道结构图

模型概述：重点分析重叠及交错隧道段，纵向范围为CK2+360～CK2+390单洞双层段 30m，CK2+390～CK2+560双洞段170m，共长200m，隧道断面范围为80m（宽）×75m （高）。

3

研究方法

重叠隧道的设计与施工技术

（2） 模型试验——试验模型

整体模型图

衬砌试件

概 述：围岩为V级；施工顺序为“先上后下”；考察开挖下洞对上洞衬砌的影响。

3

重叠隧道的设计与施工技术

1）重叠隧道设计分段研究

（1）深圳重叠隧道近接度分区

按照深圳地铁 重叠线路隧道 实际洞型分布 形态， 得出该工程两 隧道近接影响 程度判定结果

3

重叠隧道的设计与施工技术

1）重叠隧道设计分段研究

（1）深圳重叠隧道近接度分区

与日本铁路隧

道近接度分区

标准相比：

在下半空间范

围内接近，其 它范围有所差

异

3

重叠隧道的设计与施工技术

1）重叠隧道设计分段研究

（2）深圳重叠隧道近接影响分段

双洞重叠隧道相互影响情况分段表

洞 型 净距大小 小于等于0.5D 0.5D~1.0D 双洞 重叠 隧道 0.5D~1.0D 1.0D~1.5D 1.5D以上 里 程 K2+382.75～K2+483 两洞位 置关系 影响 分区 强影响 长度(m) 100.52 72 37 55 118.7

下45度区

K2+483～K2+518 K2+518~K2+555 K2+555～

K2+610 K2+610～K2+728.7 强影响 强影响

上45度区

弱影响 无影响

3

重叠隧道的设计与施工技术

1）重叠隧道设计分段研究

（3）深圳重叠隧道分段设计参数确定

◆ 当左线隧道位于右线隧道下45°区，且两隧道净距小于1.0 D时， 设计支护参数加强两级。 ◆ 当左线隧道位于右线隧道上45°区，且两隧道净距小于1.0 D时， 设计支护参数加强两级。 ◆ 当左线隧道位于右线隧道上45°区，且两隧道净距小于1.5 D时， 设计支护参数加强一级。 ◆ 当左线隧道位于右线隧道上45°区，且两隧道净距大于1.5 D时， 按一般单线隧道设计。

3

重叠隧道的设计与施工技术

（3） 综合结论 ◆ 工1与工2均满 地表下沉 （mm） -20.18 -23.52 -10.36 -9.76 足规范要求； ◆ Ⅴ级围岩，数 值分析与模型 试验的结论一 致，即工1最 优； ◆上部Ⅴ级下部 Ⅲ级围岩，工 2最优； ◆ Ⅲ级围岩，工 2最优；

2）重叠隧道施工顺序研究

① 不同研究方法结果比较表 研究 方法 围岩条件 方案 工1 工2 工1 工2 初期支护 最小安全系数 4.75 2.42 10.9 11.35 塑性区 (m) 3.5 3.0 1.5 1.5

V级

理论 计算 上部Ⅴ级 下部Ⅲ级 Ⅲ级 模型 试验 V级

工1

工2 工1 工2

6.19

5.24 ---

0

0 ---

-0.6

-0.5 -50.7 -102.9

注：由于模型试验是根据初勘选择的地质参数，故地表下沉位移与计算 值相差较大。

3

重叠隧道的设计与施工技术

3）重叠隧道工作面合理间距研究

分析方法：数值模拟；

模型试验。

施工方案：工1 ---“先上后下”； 工2 ---“先下后上”。

围岩条件：上下洞V级；

上下洞Ⅲ级。

3

重叠隧道的设计与施工技术

4）重叠隧道不同洞型空间转化技术

（2）深圳地铁不同洞型空间转化采用方案

经过综合论证，深圳地铁 老大区间重叠隧道采用了 方案③，成功地解决了不 同洞型空间转换的问题。

2号竖井位置

0：52~1：20

3

重叠隧道的设计与施工技术

5）重叠隧道技术 总结

★ 提出了浅埋暗挖法施工两隧道的近接度标准，根据该标准，将深圳地铁重叠隧

道分为三段，即强影响段、弱影响段和无影响段。根据该分段进行了相应支护

参数设计，即强影响段支护设计加强两级；弱影响段加强一级；无影响段则按 一般隧道设计。

★ 确定了重叠隧道施工顺序，即：在软弱围岩条件下，采用“先上后下”；在上

软下 硬和硬岩条件下，采用“先下后上”。 ★ 确定了重叠隧道各工作面合理间距，即：在软弱和上软下硬围岩条件下，后建 隧道掌子面与先建隧道的二次衬砌工作面之间的合理间距应大于6D；在硬岩条 件下，则应大于5D。 ★ 比选了重叠隧道不同洞型空间转换方法，即：采用暗挖法时，以单洞双层隧道 向双洞重叠隧道施工

为宜；采用明挖法时，在洞型转变处设置一竖井，向两个 方向掘进施工，难度最小。

4 单洞双层隧道设计与施工技术

4

单洞双层隧道的设计与施工技术

1）单洞双层隧道设计

 边墙高度小于或者等于 13m，采用一般支护措 施  边墙高度大于13m，采

用加强支护措施

4

2）施工总则

单洞双层隧道的设计与施工技术

6~12m 6~12m 1.5~2.5m

1.5~2.5m

6.8m

隧道开挖、支护步骤分布横断面图

隧道开挖、支护步骤分布纵断面图

 

以信息化施工管理为核心，严格贯彻执行浅埋暗挖法十八字方针； 开挖支护施工步骤：采用正台阶法，自上而下，四个台阶，顺序施工。

0：00~0：51

平均13.2m

6~12m

1.5~2.5m

4

单洞双层隧道的设计与施工技术

3）各台阶掘进施工根据其作业空间及所处地质条件的 不同，主要采用：

（1）人工预留核心土分部开挖； （2）小型液压反铲全断面开挖； （3）微震光面爆破技术辅助开挖 等三种方式

4

单洞双层隧道的设计与施工技术

6）单洞双层隧道技术 总结 （1）提出了单洞双层隧道设计方法； （2）总结了单洞双层高直边墙隧道 施工技术，形成了较完整的单洞双

层隧道浅埋暗挖施工工法；

（3）优化提出了深圳地铁单洞双层 隧道辅助工法。

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