矿山法施工技术简述

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矿山法是一种较传统的施工方法,使人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或刚构件作为临时支撑,待隧道开挖成型后,逐步将临时支撑撤换下来,而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。本文重点讲述矿山法施工技术及施工要点并结合理论进行客观分析和探讨。
关键词:矿山法;施工;隧道;岩体
一、前言
木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差,支撑撤换工作既麻烦又不安全,且对围岩有所扰动,因此,目前已很少使用。钢结构支撑具有较好的耐久性和对坑道形状的适应性等优点,施工中可以不撤换,也更安全。日本隧道界将以钢构件作为 支撑的矿山法称为“背板法”。
钢木构件支撑类似于地上的“荷载-结构”力学体系。它作为一种维持坑道稳定的措施,是很直观和奏效的,也容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法常被用于不便采用喷锚支护的隧道中,或处理塌方等。由于衬砌的设计工作状态与实际工作状态不一致,以及临时支撑存在的一些缺陷等,在一定程度上限制了它的发展和应用。
二、矿山法概念与原理概述
矿山法的基本理论依据是,隧道开挖后受爆破影响,造成围岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能塌落。给予这种松弛荷载来了依据,其施工方法是采取分割式按分部顺序一块一块的开挖,并要求边挖边撑以策安全,所以支撑复杂,材料耗用多。由于这种施工方法,因其工作面小,不能使用大型的凿岩钻孔设备和装卸运输工具,故施工进度慢,建设周期长,机械化程度低,耗用劳力多,难以适应现代公路建设工期的需要。
矿山法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。
“少扰动”是指开挖后及时施作临时构件支撑,使围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间,这与新奥法施工的要求是一致的。采用钢支撑,可以增大一次开挖断面跨度,减少分部次数,从而减少对围岩的扰动次数。
“早支撑”是指开挖后及时施作临时构件支撑,使围岩不致因变形松弛过度而产生坍塌失稳,并承受围岩松弛变形产生的压力,即早期松弛荷载。定期检查支撑的工作状况,若发现变形严重或出现损坏征兆,应及时增设支撑予以加强。作用在临时支撑上的早期松弛荷载大小可比照设计永久衬砌的计算围岩压力大小来确定。临时支撑的结构设计亦采用类似于永久衬砌的设计方法,即结构力学方法。
“慎撤换”是指拆除临时支撑,以永久性模筑混凝土取代,衬砌时要慎重,即要防止撤换过程中围岩坍塌失稳。每次撤换的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。
若预计到不能拆除,则应在确定开挖断面大小及选择支撑材料时就予以研究解决。使用钢支撑作为临时支撑,则可以避免拆除支撑的麻烦和危险。
“快衬砌”是指拆除临时支撑后要及时修筑永久性混凝土衬砌,并使之尽早承载参与工作。若采用的是钢支撑又不比拆除,或无临时支撑时,亦应尽早施作永久性混凝土衬砌。
三、开挖方法
矿山法的开挖方法比较多,公路隧道常用上下导洞开挖法和下导洞开挖法两种。它具有施工安全,机具设备简单等优点,但施工干扰大,通风、排水、运输条件差。
1、上下导洞开挖法:将设计开挖断面划分为6个部位,按编码由小到大顺序进行开挖,它适用于各类围岩的隧道,现按顺序说明如下:
(1)首先开挖下导洞,并从工作面铺设轻便轨道至弃渣处,配以斗车,以人力推运出渣,或用手推车运输出渣。轻便轨道则随洞身的延伸陆续向前排接长。
(2)当下导洞开挖到一定的深度之后,即开始进行上导洞的开挖工作。在上导洞开挖到适当的深度之后,则在上下导洞之间挖一个80cmX80cm的方形漏渣孔,以便出渣,将上导洞开挖出来的石渣通过漏渣孔落入下导洞内所敷设的轻便轨道上的斗车内,运弃于洞外。
(3)当上下导洞都开挖到适当的深度之后,就开始将拱部扩大部分挖除,其开挖长度宜控制在20~30m之内,经检查符合设计要求时,即可开始拱部衬砌。
(4)在钢板衬砌到一定长度之后,才能分段(2~4m)间错将中槽和马口两部分挖掉,随之将边墙衬砌好,常称为先拱后墙法。
矿山法人为围岩体呈松弛状态,要求当上述每一部位在爆破并进行排烟、找顶工序作业之后,应立即做好以木料为主的各部位的临时支撑工作,以免发生岩石塌落。
2、下导洞扩大开挖法:将设计横断面划分为三个部位,它适用于围岩条件较好的隧道。显然各个部位的开挖面积比上导洞开挖法要大,因此开挖的效率要高,但它的基本要求和施工程序,与上下导洞开挖法相似,在此不再赘述。
四、临时支撑的架设和加强
开挖轮廓要尽量平顺,开挖后要及时架设支撑。架设支撑前应清除周边危石,防止落石伤人,称为找顶。
每榀支撑应按要求的中线、高程和断面尺寸架设在隧道横断面内。支撑构件的接头应连接牢固,计较铺垫应坚实稳固。各榀支撑之间应加设足够的联系,使其构成整体。支撑与围岩之间的楔块应打设紧密,并应对称打设。
对所架设支撑应经常检查,发现支撑变形严重、倾斜、沉降,及楔块松脱时,必须立即予以加强或顶替。支撑的顶替应先顶后拆,以免引起围岩的进一步松弛甚至坍塌。
五、整体式衬砌的施工及回填压浆
按松弛荷载理论设计的隧道永久性模筑混凝土衬砌,其厚度较厚,刚度较大,故相对于复合式衬砌称为整体式衬砌。整体式衬砌的施工应注意以下几点。
1、模筑混凝土衬砌时,需慎重进行临时支撑的拆除,以免围岩坍塌失稳。每次拆除的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若不必拆除或不能拆除临时支撑,则可将其留在衬砌背后或浇筑在混凝土中。但原则上只允许钢构件留在混凝土中。
2、整体式衬砌的设计中一般并未计入钢支撑的承载作用。事实上,当钢支撑不必拆除或不能拆除时,其支撑作用是存在的。这种不计入就造成一定的浪费,因此有人提出:在整体式衬砌设计时,计入钢支撑的永久承载作用,并相应地适当减薄衬砌厚度。
3、采用先拱后墙法施工时,应注意处理好墙顶和拱脚连接处的封口,以保证其整体刚度不严重降低。马口开挖应遵循马口开挖原则进行。
4、矿山法施工,其衬砌背后空隙较多,尤其是拱部有较多背板未拆除时,对于衬砌的受力状态是不利的。因此,应在衬砌混凝土达到一定强度后进行压浆处理。浆液材料多采用单液水泥浆。钻压浆孔时应注意避开未被拆除的钢支撑。
5、整体式衬砌混凝土的拆模时间,应根据衬砌的受力条件、自重大小以及混凝土的强度增长情况由现场试验确定,以保证不会因拆模而导致衬砌变形开裂,一般应符合工程设计规定的要求。
六、结束语
随着经济社会的告诉发展和公路工程领域新技术的涌现,矿山法施工技术作为一项较传统且较陈旧的施工办法,因其施工进度慢、支撑结构复杂、无法使用大型凿岩设备等弊端已逐渐被更高效、更稳定、更安全的新的施工技术所替代。

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