隧道和竖井的施工外文翻译资料

 2021-11-23 22:55:23

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Chapter 5

Construction of Tunnels and Shafts

5-1. General

  1. The design team must be composed of design and construction engineers and geologists experienced in under- ground construction. Methods and sequences of excavation affect the loads and displacements that must be resisted by initial and permanent ground support. The basic shape of an excavated opening must be selected for practicality of construction. Although it is good practice to leave many details of construction for the contractor to decide, it is often necessary for the designer to specify methods of construction when the choice of methods affects the quality or safety of the work or when construction will have envi- ronmental effects. There are aspects of construction where the design team may have to work closely with the con- tractor or include restrictive provisions in the specifications.
  2. The basic components of underground construction include the following:
  • Excavation, by blasting or by mechanical means.
  • Initial ground support.
  • Final ground support.
  1. In the past, the terms primary and secondary support have been used for initial and final support. This usage is discouraged because it is misleading since in terms of end function, the final support has the primary role, and initial ground support is often considered tempo- rary. However, in many instances today, initial ground support may also serve a function in the permanent support.
  2. Other important components of construction include the following:
  • Site and portal preparation.
  • Surveying.
  • Ventilation of the underground works.
  • Drainage and water control.
  • Hazard prevention.
    • Controlling environmental effects.

These topics are discussed in this chapter; however, it is not the intent to present a complete guide to tunnel construction. The designer may have reason to explore in greater depth certain details of construction, such as blast- ing effects or TBM feasibility or projected advance rates.

5-2. Tunnel Excavation by Drilling and Blasting

While TBMs are used in many tunneling projects, most underground excavation in rock is still performed using blasting techniques. The design team should specify or approve the proposed method of excavation.

    1. The excavation cycle. The typical cycle of exca- vation by blasting is performed in the following steps:
  1. Drilling blast holes and loading them with explosives.
  2. Detonating the blast, followed by ventilation to remove blast fumes.
  3. Removal of the blasted rock (mucking).
  4. Scaling crown and walls to remove loosened pieces of rock.
  5. Installing initial ground support.
  6. Advancing rail, ventilation, and utilities.
    1. Full- and partial-face advance.

(1) Most tunnels are advanced using full-face excava- tion. The entire tunnel face is drilled and blasted in one round. Blastholes are usually drilled to a depth somewhat shorter than the dimension of the opening, and the blast pulls a round a little shorter (about 90 percent with good blasting practice) than the length of the blastholes. The depth pulled by typical rounds are 2 to 4 m (7-13 ft) in depth. Partial-face blasting is sometimes more practical or may be required by ground conditions or equipment limita- tions. The most common method of partial-face blasting is the heading-and-bench method, where the top part of the tunnel is blasted first, at full width, followed by blasting of the remaining bench. The bench can be excavated using horizontal holes or using vertical holes similar to quarry blasting. There are many other variations of partial-face blasting, such as a center crown drift, followed by two crown side drifts, then by the bench in one, two, or three stages.

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(2) Reasons for choosing partial as opposed to full- (a) The V-cut or fan-cut uses a number of holes drilled face blasting include the following: at an angle toward each other, usually in the lower middle of the face, to form a wedge. Detonation of these

  1. The cross section is too large for one drill jumbo holes first will remove the material in the wedge and allow for example: Underground openings of the sizes subsequent detonations to break to a free face.

usually required for powerhouses, valve chambers,

and two- or three-lane highway tunnels are usually (b) The burn cut uses parallel holes, most often four excavated using partial-face blasting excavation. holes close together with only two loaded, or one or two

large-diameter holes, usually up to 125 mm (5 in.) in diam-

  1. The size of blast in terms of weight of explosives eter, unloaded. Remaining holes are laid out and initiated must be limited for vibration control. so that each new detonation in one or more blastholes

always will break to a free face. The holes set off just after

  1. The ground is so poor that the full width of the cut are the stopping holes, also called easer, relief excavation may not be stable long enough to per- (reliever), or enlarger holes. The last holes to be detonated mit installation of initial ground support. are the contour or trim holes around the periphery. The

ones in the invert are called lifters.

    1. Design of a blasting round.

(c) Perimeter holes are usually drilled with a lookout,

  1. The individual blasting rounds are usually designed diverging from the theoretical wall line by up to about by a blasting specialist in

    第五章 隧道和竖井的施工

    5.1概论

    设计团队必须由在地下建筑方面经验丰富的设计和组合的建筑工程师和地质学家组成。 挖掘的方法和顺序会影响载荷和位移（这会被初始和永久的地下支护抵制）。 挖掘开口的基本形状必须选择一个施工的实用性。 尽管留下许多施工细节给承包商去做决定是好的做法，但当设计师指定方法当方法的选择影响施工质量或工作安全或施工会产生环境影响时，这也是必要的。 在建设的方面设计团队可能必须与承包商紧密合作，或者包括限制性条款规格。

    地下建筑的基本组成部分包括以下这些：

    通过爆破或机械方式进行挖掘。

    初始地下支护。

    最终地下支护。

    在过去，术语“初次”和“第二次”支护已用于初次和最终支护。这种用法是不鼓励使用的，因为它就结果效应而言是具有误导性的，最终支护是主要核心和初始地下支护通常被认为是暂时的。 然而，在今天的许多情况下，初次的支护也可以作为永久支护。

    其他重要的施工设施包括以下这些：

    站点和门户准备。

    测量。

    地下工程的通风。

    排水和水控制。

    预防危害。

    控制对环境的影响。

    本章将讨论这些主题; 然而，确实如此并非打算提供完整的隧道指南施工。 设计师可能会去探索

    更深入的某些施工细节，例如爆破效应或TBM可行性或预计的预付费率。

    5.2钻孔和爆破隧道开挖

    虽然TBM用于许多隧道工程，但大多数都是如此

    岩石中的地下开挖仍在使用

    爆破技术。设计团队应该指定或

    批准拟议的挖掘方法。

    a.挖掘周期。通过爆破进行的典型的挖掘循环按以下步骤进行：

    （1）钻孔和装药。

    （2）起爆，通风来去除爆破产生的烟雾。

    （3）移走爆破后的岩石（淤泥）。

    （4）缩放顶板和墙壁以松开岩石碎块。

    （5）安装初始地下支护。

    （6）推进铁路，通风和公用设施。

    b.全面和部分面推进。

    （1）大多数隧道使用全面挖掘进行推进。在一个回合内整个隧道面都被钻孔和爆破。爆破孔通常钻到一定深度短于开口的尺寸和爆炸范围稍短（好的爆破大约90％）比爆破孔的长度。这种典型的推进掘进为2至4米（7-13英尺）的深度。局部面爆破最常见的方法是掘进法和台阶法，其中隧道的顶部首先是全宽的，然后是其余台阶的爆破。该台架可以是使用更好的水平孔，也可以使用类似于爆破的垂直孔。局部面爆破有许多其他的变化，如中心顶板漂移，然后是两个冠侧，然后是一个两个或三个阶段的台阶。（2）选择部分而不是全面爆破的原因包括

    (a) 横截面对于钻头来说太大了，例如：地下开口的规格通常被动力室，阀室所限制并且通常使用部分面爆破挖掘挖掘两车道或三车道公路隧道。

    （b）爆炸物的重量必须限制爆炸的大小以控制振动。

    （c）地面条件非常差，以至于挖掘的整个宽度时可能没有足够长的时间以允许安装初始地面支撑。

    C。爆破循环的设计。

    （1）单个爆破轮通常由承包商雇用的爆破专家设计。工程师会对设计进行审查，以确保符合规范。关于爆破轮的详细设计的信息可以在例如Langefors和Kihlstrom（1978）或Persson，Holmberg和Lee（1993）中找到。有关爆破剂和爆破设计的信息也可以在爆炸物制造商出版的手册中找到，例如Blaster手册（杜邦）。另见EM 1110-2-3800。通常使用液压冲击钻钻出爆破孔。由于钻杆和钻头的新设计，钻孔的效率和速度得到了迅速提高，钻头磨损和钻孔精度也得到了提高。小型隧道的钻探通常使用单个钻头进行，但更常见的是大型的钻用于安装两个或更多个钻头。 大型的可以是铁轨，轮胎或安装好的轨道。履带跨过隧道允许捣碎设备穿过履带进出工作面。

    （2）有效的爆破设计需要注意每个爆破孔爆炸的限制程度。如果爆破孔完全受限，则爆炸可能仅仅是塑性变形。在附近的自由面上，冲击波会在面部产生裂缝，在洞和面部之间分裂岩石，并移除碎片。到自由面的距离（负荷）通常在孔间距的0.75和1.0倍之间。

    （3）在隧道中，最初没有与炮眼平行的自由面。必须通过爆破设计创建一个，这可以通过多种方式之一完成。

    （a）V形切割或扇形切割使用多个孔，这些孔以一定角度朝向彼此，通常在面的中下部，从楔形钻孔。这些孔的取出首先将去除楔形物中的材料并允许随后的爆炸打破自由面。

    （b）烧伤使用平行孔，最常见的是四个孔靠近在一起，只有两个装载的，或一个或两个大直径的孔，通常直径达125毫米（5英寸），卸载。剩下的孔被布置并启动，以便一个或多个爆破孔中的每个新爆炸总是会破裂成自由面。刚刚切割后出现的孔是止动孔，也称为缓冲器，浮雕（释放器）或放大孔。最后引爆的孔是周边的轮廓或修剪孔。倒置中的那个被称为升降机。

    （c）周边孔通常钻有一个警示的，从理论壁线偏离最多约100毫米（4英寸），因为无法在挖掘开口的边缘钻孔。钻孔设备的尺寸需要以一定角度缩回以覆盖待挖掘的体积。连续爆炸导致隧道壁表面呈锯齿形。因此，过度爆发通常是不可避免的。

    （d）延迟，电动或非电，用于控制爆炸的顺序和时间，并限制在任何时间引爆的爆炸物的数量。 这些都是几种类型。 毫秒延迟很快，范围从25到500毫秒; 其他延误较慢。 最长可达24毫秒。 必须选择延迟以使岩石成为可能在下一次爆炸发生之前，碎片不在路上。 在爆炸的燃烧部分中经常使用毫秒延迟，其余部分使用半秒延迟。 在过去，爆炸通常使用电爆破帽或引发器以电气方式启动。并且通常是优选的，因为它们不受杂散电流的影响。

    （e）爆破剂可用于特殊目的。它们的每孔长度，直径，爆炸速度，烟气特性，防水性和其他特性的电荷密度不同。 在干燥的岩石中，使用廉价的ANFO（硝酸铵和燃料油的混合物）。 修剪孔需要直径为51毫米（1.9-2英寸）的特殊喷砂剂。 炸药或爆炸剂香肠的直径通常为40毫米（1.6英寸）并且用于填充孔的夯实，而用于修整孔的那些通常直径为25毫米（1英寸）并且用于堵塞。

    （f）通常根据爆破设计计算两个参数：粉末系数或比电荷（每立方米爆破岩石的爆炸物千克数）和钻探系数（每单位爆破岩石的钻孔总长度（米/立方米） ））。这些是爆破整体经济性的指标，可以很容易地比较爆炸模式。粉末因子随条件变化很大。当约束更大，隧道更小，或岩石更硬，更有弹性时，它会更大。有空隙的岩石有时需要很大的粉末因子。对于大多数典型的隧道爆破，粉末系数在0.6和5 kg / m3之间变化。在相同类型的地面中，对于小于10米的尺寸，在开口尺寸大于30米的隧道中，粉末系数可以从1千克/立方米变化到大于3千克/立方米。典型的钻探系数在0.8到6米/立方米之间变化。图5-1显示了一个典型的，精心设计的圆形。这个19.5平方米的圆形使用40个孔，粉末系数为1.9千克/立方米，并使用钻头因子为2.2米/立方米。典型的粉末系数和钻孔要求如图5-2和5-3所示。

    d。 控制爆破。

    （1）理想的爆破可以最大限度地减少对剩余岩石的破坏，并最小化爆破。这是通过控制爆破实现的。 由于许多原因，控制岩石破坏和过度破坏是有利的：

    （a）较少的岩石损坏意味着更大的稳定性和更少的地面支持。

    （b）隧道掘进操作也将更安全，因为需要更少的扩展。

    （c）较少的过度破坏使无衬砌隧道的液压表面更光滑

    （d）对于有衬砌的隧道，越少的超挖意味着填满多余空隙所使用的混凝土越少。

    （2）控制性爆破是指外形孔或修边孔之间的距离较近，装药重量较其余孔轻。通常使用的规则是在合格岩石中间隔大约12-15倍直径的井眼，在裂缝性较差的岩石中间隔6-8倍直径的井眼。由于控制爆破通常比其他方式需要更多的爆破孔，因此需要更长的时间来执行，并使用更多的钻钢。由于这些原因，承包商往往不愿采用控制爆破的原则。

    （3）但控制爆破要求的不仅仅是合理的周边爆破设计。爆破破坏可以发生在光面爆破孔被引爆之前很久。控制爆破要求对圆形几何形状、孔径、孔装药、孔间距和压重等各方面进行仔细的设计和选择，并认真执行工作。

    （4）控制爆破成功的关键之一是爆破孔的精确钻孔。炮眼与设计位置的偏差会迅速导致间隔和负担的改变，造成爆炸破坏和不规则的表面。现代液压钻机不仅速度快，而且精度比以往更高。在均质岩中采用计算机控制钻柱，可获得最高的精度。

    （5）爆破后对爆破面进行检查，可以很好地反映钻孔的精度和爆破控制的效果。衡量成功的标准是不确定因素。这是爆破表面可见的爆破孔的抛掷一半与光面孔总长度的比值。根据岩石的性质和层理或节理的倾角，通常可以达到50%至80%的半抛系数。由不精确钻井引起的地表不规则现象也很容易观察和测量。定期和适当的警戒需要被核实。验证爆破质量的其他方法包括评估墙后爆破破坏深度的方法。这可以通过地震折射技术和钻孔仪或岩心井的渗透率测量来实现。扰动带的深度可以从控制爆破效果较好0.1-0.2米(4-8英寸)不等，到控制爆破效果较差的超过2米(7英尺)。

    e。爆炸振动。爆破会引起震动，震动会以位移或应力波的形式在地面上传播。如果强度足够大，这些震动波会造成破坏或引起公众的反感。振动控制在城市环境中尤为重要。对爆破的监测和控制在若干出版物中作了详细的描述，包括1985年的《灌浆》。(1)爆破震动强度在一定距离内感受得到的爆破震动强度是下列因素的函数：

    • 每个单独的延迟所引起的负载(一个小到8毫秒的延迟足以分离两个爆炸，这样它们的冲击波效应就不会重叠)。
    • 从爆炸到事件点的距离。地基的特性(高模量岩石允许更高频率的波通过，而在类土材料中这种波很快就会衰减)。爆炸的约束程度(约束越大，进入地面的总能量中作为振动能量的比例就越大)。
    • 场地的几何特征有时会引起地震能量的集中，地质特征如软、硬层理也是如此。

    在给定的炸药装药量和给定的距离下，利用标度定律可以估计振动强度。最常用的是平方根定标法，即振动强度是负载的平方根的函数，w，最重要的振动参数是粒子速度峰值，V

    1/2)-B

    其中B是经验决定的幂。量子数D /W1/2称为缩放距离，H为缩放距离为1时的峰值速度。这个关系以直线的形式绘制在对数-对数速度与比例距离的关系图上，D以米为单位，W以千克为单位，V以毫米/秒为单位。H值随爆破特性、约束条件和地质环境的不同而变化。H的典型范围是100到800(公制);对于给定的地质介质，一次爆破的H值可以变化:v型掏槽的H值为250，生产井的H值为200，光面井的H值为150。对于较短的子弹，H通常较小。B的指数可以从0.75到1.75;它通常被认为是1.60。对于特定的场地或环境，可以使用对数-对数图，根据试验爆破建立经验关系。许多因素影响测量到的振动，不大可能计算出一个精确的关系。相反，数据范围用于开发生产爆破的安全围护结构。峰值粒子典型范围图5-4。表5-1 (SME 1992)显示了振动极限为50毫米/秒(2英寸/秒)时，每延迟允许负载与距离之间的典型关系。

    (2)爆破对结构的破坏与峰值颗粒速度有关。一般认为，50毫米/秒(2英寸/秒)的峰值粒子速度不会损害住宅结构或其他建筑物和设施。事实上，大多数结构良好的结构能够承受远远大于50毫米/秒(2英寸/秒)的粒子速度;然而，它是爆破振动的普遍接受极限。

    (3)在新拌混凝土附近进行爆破时，必须限制峰值速度，以免对混凝土造成破坏。《地下采矿方法手册》(SME 1992)详细讨论了这一问题。结构混凝土和大体积混凝土在固化时对损伤相对不敏感。混凝土使用10天以上可以承受高达250毫米/秒(10英寸/秒)或更高的颗粒速度。未凝固的非常新鲜的混凝土可以承受50毫米/秒(2英寸/秒)或更多。另一方面，刚凝固的混凝土容易损坏。在这种情况下，颗粒速度峰值可能必须控制在6毫米/秒(0.25英寸/秒)以下，而颗粒速度不应超过50毫米/秒(2英寸/秒)，直到混凝土至少使用3天。这些值可能随地基岩石的性质、混凝土的凝结时间和强度、结构的几何形状和其他特性而变化。对于重要结构，应进行现场分析，确定爆破极限。

    (4)根据岩石强度的不同，以微裂缝形式存在的完整岩石的破坏通常不会低于500- 1000mm /s的颗粒速度。人类对爆破震动的感知远比建筑物敏感。振动在峰值粒子速度低至5毫米/秒(0.2英寸/秒)和扰动速度为20毫米/秒(0.8英寸/秒)时明显可见。对振动的感知在某种程度上是振动频率的函数;低频振动(lt;10-15赫兹)比高频振动更容易被感觉到。此外，夜间振动可能更令人讨厌。在市区设置可接受的爆破限度，须遵守当地制订的守则和惯例。如果没有守则，则可能需要公众参与设定最高速度限制。美国矿务局(Siskind et al. 1980)对图5-5所示的颗粒速度峰值提出了建议，这些建议可以在没有适用当地法规的情况下使用。下面是城市地区爆破极限的两个例子:

    (a)在芝加哥建造防水布系统时，爆破时间限于上午8时和下午6时。有人居住的地方，在2.6- 40hz的频率范围内，最大粒子速度限制在12.5 mm/s(0.5英寸./s);在40赫兹以上的范围为18.75毫米/秒(0.75英寸/秒)，在2.6赫兹以下的频率范围为低于12.5毫米/秒(0.5英寸/秒)。这些限制导致承包商通常选择机械开挖方法而不是爆破竖井。

    (b)在亚特兰大建造MARTA时，最近的无人居住建筑物的最高速度限制在25毫米/秒(1英寸/秒)。晚上10点到早上7点。，速度被限制在15毫米/秒(0.6英寸/秒)。过压空气鼓风也受到限制。

    f．清理

    (1)清除淤泥需要装载和运输设备，这些设备可以是无轨的(橡胶磨损的，在较短的隧道中)或履带式的(有轨电车，在较长的隧道中)或带式输送机。通过的火车或车辆必须在长隧道内提供给养。由于爆破

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