中国隧道及地下工程修建技术.docx

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1、一、前言今天，中国已是世界上隧道及地下工程规模大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。今后通过在工程建设实践的过程中不断创新，必将逐步形成具有我国特色的隧道与地下工程修建的方法和技术体系,使我国隧道与地下工程修建技术进入跨越性发展的轨道，成为引领世界隧道及地下工程修建技术的国家。自1888年我国修建的第一条隧道一一狮球岭隧道以来，经过120余年艰难曲折的发展历程，中国隧道修建技术从大瑶山双线铁路隧道采用新原理、新方法、新结构、新技术、新设备、新工艺全面建成开始，己步入了世界先进水平的行列，在勘测设计、施工、运营、科研等方面取得了许多重大的成就和创新。秦岭隧道、乌鞘岭

2、隧道、太行山隧道等一批越岭特长交通隧道已经建成；跨越水域的武汉长江隧道、上海崇明岛隧道、南京长江隧道、厦门翔安海底隧道、青岛海底隧道等内陆水域及海域隧道也己建成，琼州海峡隧道、港珠澳桥隧大通道、渤海湾桥隧工程正在规划；北京、南京、深圳、广州等30多个城市的地铁正处在建设与规划的热潮中；辽宁省直径8m的大伙房水库输水隧道长度达到85.32km,已建成投入使用，这条隧道已成为目前世界上已建成的最长隧道。规模宏大的葛洲坝、三峡、溪洛渡等水电站的建成，说明我国在修建大型复杂地下工程中的技术水平已位居国际前列。大量工程的修建已证明：我国已经成为世界上隧道数量最多、发展速度最快、地质条件与施工环境最复杂、

3、隧道结构形式多样的国家。二、隧道与地下工程设计理论与方法（一）设计理论目前地下工程结构设计理论的发展大概经历了三个阶段：第一阶段，古典设计理论阶段；第二阶段，荷载结构理论（散体压力理论）阶段；第三阶段，连续介质理论阶段（共同作用理论阶段）。在地下工程结构计算理论研究的发展过程中，后期提出的计算方法一般并不否定前期的研究成果。鉴于岩土介质的复杂多变性，这些计算方法一般都有各自的适用场合，但都带有一定的局限性。目前，我国在地下工程的结构计算中，采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载一结构法，原因是：一方面该理论发展时间较长，应用中有较多经验；另一方面，该计算理论形式简单，比较容易为工程设计人员所

4、掌握。（二）设计方法隧道及地下工程结构的设计方法主要有工程类比法、荷载一结构法、地层结构法、信息反馈法、综合设计法和针对地震荷载的动力设计法6种类型。国际隧道协会于1978年曾成立结构设计模型研究组（WorkinggroUPonstructuraldesignmodels）,收集和汇总了各国会员目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型。（1）工程类比法：以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比设计的方法。（2）收敛一约束法：也称特征曲线法。以现场量测和室内试验为主的实用设计方法。（3）荷载一结构法：以作用、反作用模型，采用结构力

5、学理论进行设计的方法，例如，弹性地基圆环计算、弹性地基框架计算、温克尔假定的链杆法等计算方法。（4）连续介质模型：包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。每种设计模型或方法各有其适用的场合，也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受各种复杂因素的影响，围岩变形破坏机制与相应理论还不成熟，因此,工程类比法和链杆法是目前主要的设计方法。作为盾构隧道支护的管片衬砌，不管是在单层衬砌形式下作为唯一的永久结构承载或双层衬砌形式下与二衬复合承载，都是隧道的主要承载结构，直接关系到结构的使用功能、安全性和耐久性。现阶段国内已经有了大量工程实践经验，在此基础上，有必要对其受力形态和相关的计算方法进行

6、评述和思考。首先，盾构隧道和常见的地下工程一样，也涉及结构本体和地层之间相互作用关系的拟合问题,常用的有两种模型：地层一结构模型和荷载一结构模型。另外，在盾构隧道中管片作为一个多接头的预制拼装混凝土构件（极少数为钢构件或铸铁构件），拼装是其施工工艺和结构受力的一个最主要特征。其结构形式不同于我们常见的矿山法隧道或明挖法隧道，结构既不是均质的，也不是连续体，这就造成计算模型和方法的复杂化。具体说来，管片衬砌环的不同分块、接头的不同构造、环与环间接头的不同分布都对结构的受力和变形产生不同的影响，因此实际分析中对管片接头的不同拟合方式就形成了多种不同的计算方法。其中以荷载一结构模型为基础的修正惯用设

7、计法和梁一弹簧模型法应用最为广泛。（四）洞门及洞口段设计在洞门及洞口段设计上，由洞门、明洞和洞口内浅埋段组成。19世纪50年代初以端墙式和翼墙式两种挡土结构为主，明洞则以拱形为主。洞门形式有端墙式、柱式、翼墙式、耳墙式、台阶式等。洞门的设计主要考虑功能的需要，从力学和安全的角度出发，按标准图模式，为适应地形变化作一些小修改，而在结构形式上创新少。几十年来，洞门的结构形式未发生多大变化，仍以端墙式和翼墙式为主，因此，需要修建一段路堑进洞，必要时还要加筑洞口挡墙、翼墙等挡土结构，以保持边、仰坡的稳定。这种做法不可避免地对洞口山体稳定性和植被产生破坏，设计要考虑生态和环保的有关要求。随着人们环保意识

8、的提高和隧道施工技术的进步，己出现一大批不开挖边、仰坡的洞口结构形式。采用隧道早进晚出，设计了许多凸出式、无洞门的结构形式，极大地减少了施工对山体地扰动破坏，对保持洞口山体稳定和保护环境有重要意义。洞门的设计，己不仅仅停留在结构的功能上，而是应将环境、美学、力学融为一体，使洞门的设计与周围环境融为一体，形成一道美丽的风景，洞门设计力求达到建筑学、园林学、环境美学和力学的完美统一。三、钻爆法隧道施工技术（一）工法选择原则工程地质和水文地质条件对隧道施工的成败起着重要甚至是决定性的作用。隧道施工需要附加地开挖竖井、斜井、横洞等辅助工程来增加工作面，加快隧道施工速度。同时施工中要加强管理、合理组织、

9、避免相互干扰。洞内设备、管线路布置应周密考虑，妥善安排。选择施工方法时，要考虑的因素有如下几方面：工程的重要性，一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；隧道所处的工程地质和水文地质条件；施工技术条件和机械装备状况；施工中动力和原材料供应情况;工程投资与运营后的社会效益和经济效益；施工安全状况；有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。（二）技术要点进行综合性的超前预报，并将其纳入正常的施工工序；初期支护要强，承受全部荷载，二次衬砌作为安全储备；尽可能多采用网构钢拱架，少用型钢拱架；软弱地层取消系统锚杆，只在拱架接头处设锁脚锚管；软弱及有水地层采用潮喷混凝土，不提倡采用湿喷混

10、凝土；无钉铺设防水板，采用复合式衬砌形式；无纺布后部设置系统排水盲管，取消中部排水沟；软弱围岩宜采用正台阶法施工，台阶长度为1-1.5洞径；大断面硬岩隧道宜采用小导坑超前爆破开挖法施工；隧道不宜采用预裂爆破，而应采用光面爆破；长大双洞隧道宜采用巷道式射流通风技术。（三）爆法隧道施工作业线1钻爆开挖作业线进行隧道开挖前，必须先探明隧道工程地质和水文地质情况，然后结合设计开挖断面尺寸、埋深等情况综合确定开挖步骤和循环尺寸，开挖轮廓要考虑预留变形量、施工误差等因素。按照开挖断面分布情形，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。隧道施工应满足安全环保、工艺先进、质量优良、进度均衡、节能降耗

11、的要求，本着“安全、有序、优质、高效的指导思想，按照保护围岩、内实外美、重视环境、动态施工的原则组织施工。其施工方法的选择应遵循以下原则：（1）确保施工安全，改善施工环境。（2）应根据设计文件、施工调研情况、地质围岩级别，结合隧道长度、断面大小、纵坡情况、衬砌方法、工期要求、装备水平、队伍素质等综合因素决定。（3）对于地质变换频繁的隧道，应考虑其适应性，便于工序调整转换。（4）应尽量采用新技术、新工艺、新设备、新材料。（5）掌握应用好光爆、初支、量测施工三要素。（6）突出快速施工，考虑时空效应，做到“5个及时”，即及时支护、及时封闭、及时量测、及时反馈、及时修正。如何正确选择施工方法,应根据实

12、际情况综合考虑,但必须符合快速、安全、质量及环境的要求，达到规避风险，加快施工进度与节约投资的目的。全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型，再施作支护和衬砌的隧道开挖方法，一般适用在地质条件好的I、n级围岩，也可用在单线铁路隧道In级围岩地段。浅埋段、偏压段和洞口段不宜采用。台阶法施工是将隧道结构断面分成两个或几个部分，即分成上下两个断面或几个断面，分部进行开挖的隧道开挖方法。该法适用于铁路双线隧道11LIV级围岩，单线隧道V级围岩亦可采用，但支护条件应予以加强。该法具体可分为正台阶法、环形开挖预留核心土开挖法等。在隧道洞口地段，施工时要结合洞外场地和相邻工程的情况全面考虑，妥善安排，及早

13、施工，制订完善的进洞方案，洞门端墙处的土石方，应视地层稳定程度、施工季节和隧道施工方法等选择合理的施工方法，为隧道洞身施工创造条件。洞口工程施工前，应进行工艺设计，对施工的各工序进行必要的力学分析，以确定隧道洞口边仰坡土石方开挖及防护、防排水工程、洞门及洞口段衬砌、背后回填的施工方法和施工顺序。2.装运作业线装运作业线机械设备选型配套原则如下。（1）设备的外形尺寸：机械设备的外形尺寸要保证其在单线隧道的作业空间内运转自如，交叉作业的机械设备应能满足相互之间安全距离的要求。（2）机械动力性能、生产能力：每种机械设备的生产能力应与其他机械相匹配，并满足施工总工期的要求；机械动力性能要满足隧道的坡度

14、、每循环工作量及施工环境的要求。（3）机械适应能力强：所选的机械设备尽量适应不同的施工方案及多种环境的作业要求。（4）机械选配的经济性：在保证工期要求的同时，应尽量降低总的设备投入成本，并选择节能型的设备。（5）机械设备的防爆性能：隧道施工中有可能会遇到煤层及瓦斯，则机械设备应考虑采用防爆型电力设备，内燃机械不能进入工作面施工。（6）机械的通用性、维修性好：同类机械设备应尽量采用同一厂家、同一型号的设备，以加强设备的通用、互换。国产设备质量能基本达到要求时，尽量选用国产设备，保证设备配件充足、维修方便快捷。（7）选用低污染、低噪声设备：通风是长大隧道施工中的难题，洞内设备应选用低污染甚至无污染

15、设备，以减少施工中的空气污染源，提供一个良好的施工环境。隧道施工中的装硝作业应根据隧道的断面大小、施工方法、机械设备及施工进度等要求综合考虑，装磴机械的选型应能满足在开挖面内高效装砧作业，装硝能力应与开挖能力及运输能力相匹配，并保证装运能力大于最大开挖能力。隧道洞内运输方式分为有轨和无轨两种，应根据隧道长度、开挖方法、机具设备、运量大小等选用相应的运输方式。运输设备的配套应首先考虑隧道施工环境的要求，根据技术条件与经济条件选择设备型号，在这一前提下应尽可能地选择运输量大的运输设备；在数量确定上应保证装磴设备随时保持装砧作业，不能出现装罐设备等车现象。3 .初期支护与二次衬砌作业线为了有效地约束

16、和控制围岩的变形，增强围岩的稳定性，防止塌方，保证施工和运营作业的安全，必须及时、可靠地进行临时支护和永久支护。临时支护的种类很多，按材料的不同和支护原理的不同，有木支撑、钢支撑、钢木混合支撑、钢筋混凝土支撑，锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护等。永久支护一般是采用混凝土衬砌。各种临时支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般来说，I级围岩不需临时支护，级围岩采用锚杆支护，m、IV级围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护，V、Vl级围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护。对于口级及其以上围岩，可以先挖后支，支护距开挖面距离一般不宜大于5m；in、IV级围岩随挖随支，支护需紧跟工作面;VVI级围岩先支后挖。如条件合适，应尽量将临时支护与永久支护结合采用。初期支护一般指喷射混凝土支护，必要时