國外高速鐵路隧道施工技術(shù)

1、 2005年年2月月國外隧道施工簡介國外隧道施工簡介l-投資27億美元，全長78km約94%穿越亞平寧山脈。1997年9月總長71.5km（9座）的雙線隧道正式開工，其開挖斷面為135m2 。采用方法有：鉆爆法、裝有剝離破碎裝置或液壓錘的機械開挖，1.5km用明挖。最長18561m。l-“ADECO”設(shè)計理念 針對沿線地層復(fù)雜多變，部分地段存在高應(yīng)力、大變形的擠壓巖層，地質(zhì)條件較差的情況。類似我國“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”的概念?；境绦蚴峭ㄟ^大量地質(zhì)勘查和土工試驗，經(jīng)計算具體分析，預(yù)測隧道開挖后巖體變形收斂情況及穩(wěn)定狀況，針對不同的情況，采取有針對性支護方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，進行預(yù)設(shè)計。施工中加

2、強監(jiān)控量測及預(yù)測預(yù)報，將信息及時反饋給設(shè)計者，對預(yù)設(shè)計安全度進行評估，必要時及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)施工。-處理困難的巖土應(yīng)力-應(yīng)變情況證明是有價值的。l-新奧法原理貫徹 特別強調(diào)軟弱圍巖地段隧道開挖后，及時對開挖斷面周邊徑向進行支護。二次襯砌緊跟、仰拱超前施作等措施對軟弱圍巖施工具有較強的指導(dǎo)意義。 大斷面軟弱圍巖開挖支護，初期支護變形2030mm，初期支護厚度最大達550mm，對我國高速鐵路隧道大斷面隧道設(shè)計參數(shù)的確定有一定參考價值。l-超前支護措施 針對不同的地質(zhì)情況，采取超前錨桿、全斷面帷幕注漿等支護措施。玻璃纖維錨桿，在國內(nèi)運用較少，其超前支護長度達24m，目前國內(nèi)使用大管棚超前支護措

3、施，施工進度較慢。l-密集隧道群總體施工組織 根據(jù)該段隧道工程的特點、造價及工期（5年）要求，采用鉆爆法、裝有剝離破碎裝置或液壓錘的機械開挖進行施工，共修建總長19km輔助坑道和100km施工便道，開辟40個工作面進行施工，隧道平均掘進速度36m/d。l-最高行使速度350km/hl-采用兩種斷面形式： 長大隧道斷面面積74 m2 ，短隧道（1000m）斷面面積109 m2 。 短隧道擴大的凈空面積用于降低列車在通過隧道時進洞期間和兩列列車在隧道內(nèi)會車時的空氣動力學(xué)效應(yīng)。l-在隧道施工方面 在大斷面隧道施工中，埋深較淺的覆蓋層，采用分部形式的土層挖掘機，這樣對周圍巖體的擾動較小，其初期支護采用

4、鋼拱架，反填貝爾納板，然后施作5cm厚噴混凝土。 在巖層較好的地層施工時，采用鉆爆法。 在斷面隧道施工中，先用小直徑的TBM（4m直徑）法在拱頂作超前導(dǎo)坑掘進后，再進行擴挖，這在我國未試驗過。 當(dāng)隧道通過地層較差的圍巖地段時，使用噴混凝土導(dǎo)坑先行的方式（臺階法，我國經(jīng)常使用）。 在隧道支護方面，圍巖較差，隧道周邊變形大的地段，初期支護一般采用鋼拱架、貝爾納板及噴混凝土支護形式。l-線路長219km，設(shè)計時速300km/h，隧道47km（30座），24座采用礦山法施工。l-Ferthal隧道全長1526m，在一座圓形垃圾場通過，覆土層厚約35m，采用能很好控制下沉的側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，側(cè)壁導(dǎo)坑開挖后

5、就對整個斷面的仰拱進行封閉，與我國目前采用的中部預(yù)留核心土的側(cè)壁導(dǎo)坑法有明顯的區(qū)別。l-Dernbach隧道全長3285m，埋深相當(dāng)淺，分兩個礦山法施工段。北段隧道在葉巖斷裂帶區(qū)段設(shè)置了半圓形臨時仰拱，并采用了鋼釬作為超前支護，這與目前我國隧道過斷裂帶常用的拱部小導(dǎo)管注漿加固作為超前支護基本相同。隧道在穿越3號聯(lián)邦高速公路時采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起高速公路路堤下沉量達25cm，需對路面進行修復(fù)。開挖作業(yè)再加上含水量高和高達13m棄土的填方荷載引起了下沉（采用鉆孔注漿支護，是否可用拱部大管棚）。l-Schulwald隧道全長4500m，是本線最長的隧道。由于千枚巖地層巖石分界面特別光滑，遇水容易破

6、碎，為此，在開挖面上設(shè)置一條長約30米的排水鉆孔，采取預(yù)先降低地下水位的措施。隧道采用超前頂部導(dǎo)洞小斷面、臺階法施工。對于水量較大的隧道采用超前小導(dǎo)洞作為排水導(dǎo)洞不失為一種好方法。 ：核心土支撐超 前上導(dǎo)坑+：左右拱頂部開挖：臺階開挖：底拱開挖地質(zhì)測繪事先地質(zhì)勘查開挖面測繪特性值確定推算統(tǒng)計計算書用于設(shè)計和施工統(tǒng)計證明參數(shù)研究評估地質(zhì)測量變形測量應(yīng)力測量水位測量解釋經(jīng)驗開挖等級確定l-萬德斯曼北隧道 兩個單線隧道，覆土5.520m，穿越粘土層，局部有水，采用具有中央平臺的敞胸平臺盾構(gòu)施工。采用臂式挖掘機挖土、裝渣機出土的開挖方式。為淺埋、軟弱地層隧道的設(shè)計和施工提供了借鑒。盾構(gòu)機外徑11m，管

7、片采用5+1的分塊方式（底塊作封閉塊，襯砌1.2m寬） 隧道設(shè)計為兩層襯砌，內(nèi)層襯砌內(nèi)徑9.7m，用防水混凝土做成不透水的結(jié)構(gòu)，接頭處設(shè)置止水橡膠帶（我國用遇水膨脹止水條）。l-尼登豪森隧道 開挖斷面160 m2 ，拱部（80 m2 ）、臺階和底部開挖，采用弱爆破法。在掘進中濕噴5cm厚的混凝土，安設(shè)錨桿系統(tǒng)，沿周邊每2m進尺循環(huán)施作1415根錨桿，再噴15cm厚噴混凝土。在石英巖中每次進尺增加到2.7m。隧道施工不分晝夜，每星期工作7天。當(dāng)覆蓋層增至98m時，隧道需設(shè)具有仰拱的內(nèi)層襯砌。在水壓高的情況下需設(shè)強勁的仰拱。在下鉆A3公路段，因覆土很薄，采用側(cè)洞法并輔以大管棚施工。l-長49km連

8、接英國和法國的英法海峽隧道工程由三條隧道組成，于1987年2月開始動工，1993年6月對外運營開放。在整個隧道長度的走向中，直徑4.8m的服務(wù)隧道居中，直徑7.8m鐵路隧道位于兩側(cè)。建成后的鐵路隧道主要用于裝載乘客、汽車、特快列車和貨運慢車運行。l-總計長度147km的隧道，主要由11臺具有高度自動化和ZED激光導(dǎo)向特點的盾構(gòu)掘進機擔(dān)任掘進施工。盾構(gòu)掘進機后輔助設(shè)備車架長數(shù)百米，盾構(gòu)掘進機晝夜不停地連續(xù)施工，推進速率達到1400m月。當(dāng)英法海峽隧道施工完成后，大多數(shù)盾構(gòu)掘進機的施工距離都超過世界上已有的其它多數(shù)盾構(gòu)掘進機設(shè)計施工的三倍多。 隧道斷面l - 在制定英法海峽隧道設(shè)計和施工方案中，提

9、出一個重要建議是利用服務(wù)隧道對前方滲透度很高的不穩(wěn)定地層或地帶進行超前鉆探，以期掌握服務(wù)隧道前方的地層規(guī)律。服務(wù)隧道進行鉆探，在開挖工作面前經(jīng)常保持至少20m的地層探查，鉆孔深達100m?？碧姐@機在工作面稍稍偏上部位鉆入，垂直地向下來找出泥灰質(zhì)粘土層的位置，并向側(cè)面達到鐵路運行主隧道的位置。一旦查明確定是一個不穩(wěn)定的高滲透性地帶，在盾構(gòu)掘進機到達通過前使用速凝水泥漿進行注漿加固處理。l-隧道總長近50km,其中38km位于海底以下，因此，作了超前探測，以確定潛在的大量涌水地段的位置。探測孔直徑56mm，鉆孔長度有時接近240m，定期監(jiān)測涌水、滲透率以及鉆探?jīng)_洗返回物即沖洗水和巖屑的性質(zhì)。 l-

10、除在隧道內(nèi)進行探測工作外，巖土工程師還承擔(dān)了對暴露出的工作面與側(cè)墻地段（位于工作面后16m處）的一般地質(zhì)描述分析工作。對于危險程度高的地段，如在超前的服務(wù)隧道中已出現(xiàn)過問題的地段，應(yīng)予以特別注意。施工高峰期間有30個巖土工程技術(shù)人員參加地面和地下監(jiān)測儀器的安裝與監(jiān)測工作，以及工作面的正規(guī)地質(zhì)描繪（作了幾千份記錄）。探測鉆進總長約32km，建立了計算機數(shù)據(jù)庫，廣泛使用了計算機成圖、赤平投影圖以預(yù)測巖土狀況。服務(wù)隧道超前探測作用 服務(wù)隧道在英法海峽隧道工程中起著超前導(dǎo)洞的作用。在盾構(gòu)掘進機里面，實施掘進鉆探和對地層特性進行量測，并記錄地質(zhì)條件情況。同時也在盾構(gòu)掘進機后面進行調(diào)查研究，以查明位于上部

11、的藍色白堊地層和位于下部的泥灰質(zhì)粘土層等地質(zhì)情況 顯示滲透率、涌水量與鉆屑返回物的典型超前探測圖將切割下來的巖屑試樣在現(xiàn)場作顯微古生物學(xué)分析，以確定隧道所處的地層層位。在英國一側(cè)，探測工作占盾構(gòu)掘進機停機時間的7。幾乎海峽的整個寬度都進行了上述的探測。服務(wù)隧道向鐵路隧道拱部作側(cè)向探測這種側(cè)向探測的頻率取決于對潛在問題重視的程度。特別要注意在直接鄰近服務(wù)隧道已經(jīng)發(fā)現(xiàn)涌水量增大和巖土條件惡化的那些地段，探測間距應(yīng)密集些。通常作取芯鉆探井作壓水透水性試驗，以驗證巖石質(zhì)量與涌水量。在海底波線洞室施工開始之前，對其拱頂部位也進行了類似的側(cè)向探測。 貫通監(jiān)測情況 1989年12月1日，英法海底服務(wù)隧道在里

12、程41596m處最終貫通，從英國一側(cè)開挖算起歷時3年，距離21773m l英法海峽隧道采用TBM施工法進行長距離、大斷面機械開挖施工成效顯著。特別是TBM機型的確定，TBM技術(shù)創(chuàng)新與進步，新型掘進機的技術(shù)性能和功能特征以及TBM后車架配套設(shè)備優(yōu)化等技術(shù)環(huán)節(jié)起到了非常重要作用，其有效性也得到了證實。 l(1）采用TBM掘進大斷面隧道長度達18532m(8號TBM）創(chuàng)世界之最；(2）最大月進尺達1487m(9號TBM）創(chuàng)長大海底鐵路隧道施工掘進最好成績之一； (3）在長大的海峽隧道中TBM時間利用率提高到90%，整個系統(tǒng)的時間利用達到了60%的最好成績，也是最新紀錄； (4）建造海底長大鐵路隧道采

13、用混合機型TBM嶄新技術(shù)的施工還屬首創(chuàng)；(5）由于最初的基本技術(shù)的應(yīng)用得到了極大的變革，已與復(fù)雜地質(zhì)條件下施工相適用，TBM的適用性、可靠性和先進性在工程實踐中作用也得到證實。l丹麥境內(nèi)連接菲英島與西蘭島、丹麥首都哥本哈根之間交通的斯多貝爾特大海峽連接工程，是丹麥建筑史上最大的土木工程，也是當(dāng)前世界三大隧道工程之一。該工程對隧道事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展具有很大的影響，有助于丹麥將公路、鐵路交通網(wǎng)貫通全國，將來也有助于交通網(wǎng)連接丹麥、瑞典和歐洲大陸。 l斯多貝爾特越海工程是連接?xùn)|、西丹麥（西蘭島和菲莫島）的一條由橋梁和隧道組合而成的通道。在斯多貝爾特大海峽的中間有一個斯普羅的小島，該島將海峽分成東、西兩

14、部分。連通菲英島和斯普羅的通道是一座鐵路公路兩用橋；連通西蘭島和斯普羅島的通道是由一座公路橋和兩條鐵路隧道組合而成。斯多貝爾特大海峽通道的全長為18km，其中隧道長度為79km。與英法海峽隧道相似 。 (1）隧道的豎向曲率半徑和平面曲率半徑按列車運行速度160km/h的指標設(shè)計。(2）隧道使用壽命100年；(3）坡度156；(4）隧道最淺覆土15m（位于泥灰?guī)r層）；(5）為確保隧道是在未受過擾動的地層中掘進，相鄰兩條隧道的中心間距為25m；(6）在鐵軌旁設(shè)有緊急人行道；(7）相鄰隧道旁通道的最大間距為250m；(8）設(shè)置25kV的懸垂式電纜； (9）隧道中設(shè)有排水系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、動力供給、燈光

15、、隧道通風(fēng)、電氣設(shè)備的通風(fēng)和冷卻、監(jiān)控系統(tǒng)（空氣污染、可視度、溫度和濕度等）和通訊系統(tǒng)。 隧道內(nèi)徑77m、外徑85m，管片厚度0.4m 鐵路運行隧道和旁通道斷面 l1地下水氯化物影響嚴重地下水氯化物影響嚴重 地層中的碳化作用、細菌、硫酸鹽侵蝕、(襯砌表面水泥的）集料的堿化反應(yīng)、地層里偶然出現(xiàn)的間層和感應(yīng)電流的侵蝕等，都是潛在的腐蝕因素。而氯化物對鋼筋的腐蝕，對大海峽隧道襯砌是一個最嚴重的風(fēng)險。 可選用的方法是增加鋼筋保護層和混凝土施工摻合料，同時用鍍鋅和不銹鋼鋼筋以及陰極保護。陰極保護的現(xiàn)行技術(shù)還不能充分確保數(shù)千米長的隧道襯砌，反而會造成鋼筋骨架分離。因而，用于陰極保護的設(shè)備裝置還須進一步研制

16、。 l2鋼筋上涂環(huán)氧粘合料鋼筋上涂環(huán)氧粘合料對襯砌的兩個保護系統(tǒng)進行了測試，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)有效的防腐方法，是在管片的背面應(yīng)用涂膜和使用涂在鋼筋上的環(huán)氧粘合料(BECR)。在受控狀態(tài)下，鋼筋施受涂膜，并埋置在混凝土里。鋼筋施受涂膜在隧道施工中具有不易損壞的優(yōu)點，而管片上的涂膜易遭損壞?；谧畛跽{(diào)查研究的結(jié)論，招投標設(shè)計中已將兩種方法作為比較方案。比較的結(jié)果是,采用在鋼筋上涂膜的方案成本低，受益率高。富有成功經(jīng)驗的丹麥MT財團也選擇了這個方案。這樣斯多貝爾特大海峽東面航道隧道襯砌的防腐，就采用了在鋼筋上涂上環(huán)氧粘合料的方法。l3. 盡管斯多貝爾特大海峽隧道所處的地質(zhì)環(huán)境條件很盡管斯多貝爾特大海峽隧道所

17、處的地質(zhì)環(huán)境條件很差，仍然要求隧道能使用差，仍然要求隧道能使用10O年。年。設(shè)計者利用模型對防腐工藝進行了研究，認識到腐蝕通常有4種機理：(1）鋼筋銹蝕；(2）堿一硅反應(yīng)；(3）化學(xué)反應(yīng)（如：酸化）；(4）凍融引起管片爆裂。影響以上因素的最重要的兩個參數(shù)是水和鹽。對管片的具體不利影響因素有：隧道處于侵蝕性的地質(zhì)環(huán)境中，地下水含有C1-19000ppm、SO42-：1900ppm，地下水的最高壓力可達08Mpa。隧道襯砌內(nèi)充滿著溫?zé)?、潮濕和有害氣體（包含柴油煙）,隨著壓力和氣體流動而受到侵蝕作用。氯化物和硫酸鹽對襯砌的侵蝕 l4襯砌綜合防腐措施襯砌綜合防腐措施所有這些不利條件要求對隧道襯砌進行必要的防腐處理，基本對策如下所述：(1）在隧道外側(cè)形成環(huán)形注漿區(qū)，以阻止氯、酸的侵入；(2）采用高強度、密實混凝土管片和接縫防水密封條，以保證隧道襯砌不漏水；(3）對鋼筋籠浸以環(huán)氧，形成環(huán)氧涂層；(4）在管片中布置了測試腐蝕情況的傳感器、根弦式應(yīng)變傳感器和振弦式孔隙水壓計。 l 管片混凝土的水灰比只有035，在混凝土配方中加入粉煤灰、微硅和外加劑，