國內(nèi)外長大隧道施工技術的綜述與展望

1、國內(nèi)外長大隧道施工技術的現(xiàn)狀和展望 29/29國內(nèi)外長大隧道施工技術的綜述與展望宋戰(zhàn)平 吳煥通 二九年三月摘要：當前，山嶺隧道和其他地下工程是人類向自然界要空間、進行資源開發(fā)的主要方向之一，“上天入地”是人類向立體空間發(fā)展的必然趨勢。21世紀世界隧道與地下空間的開發(fā)必將出現(xiàn)大量的長大隧道工程。本文對國內(nèi)外長大隧道工程及長大隧道工程的施工技術現(xiàn)狀、取得的成就及發(fā)展趨勢進行了綜合分析。系統(tǒng)介紹了山嶺隧道施工理念和山嶺隧道防排水指導原則，長大山嶺隧道的施工開挖技術現(xiàn)狀、發(fā)展和山嶺隧道支護技術現(xiàn)狀、發(fā)展；討論了長大隧道通風技術現(xiàn)狀和山嶺隧道的施工機械配置，指出了山嶺隧道施工技術的發(fā)展現(xiàn)狀；基于以上的分

2、析，結合我國山嶺隧道施工技術現(xiàn)狀，展望了對21世紀長大山嶺隧道的施工技術的發(fā)展趨勢。關鍵詞： 隧道工程；山嶺隧道；施工技術；發(fā)展和展望0 前 言當前，山嶺隧道和其他地下工程是人類向自然界要空間、進行資源開發(fā)的主要方向之一，“上天入地”是人類向立體空間發(fā)展的必然趨勢。中國是一個多山的國家，高速、準高速鐵路、公路的發(fā)展和建設是中國21 世紀的特色；21 世紀的中國必然將出現(xiàn)大量的隧道工程，長大隧道的建設勢在必行。長大隧道的修建給我們帶來了無限的機遇和挑戰(zhàn)，為能更好地適應當前隧道施工技術的發(fā)展，提高我局長大隧道施工技術水平，以便在今后的長大隧道施工中能更好地、全面開發(fā)和應用新原理、新技術、新設備、新

3、方法、新工藝、新材料，迎接 21 世紀山嶺隧道大發(fā)展的到來，深入了解當前國內(nèi)外長大隧道施工技術現(xiàn)狀，把握國內(nèi)外長大隧道施工技術發(fā)展是十分必要的。1 國內(nèi)外長大隧道建設1.1 國外長大隧道建設隧道是一種修建在地下，兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管線等通行的工程建筑物。OECD（國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）1970年隧道會議綜合各種因素對隧道所下的定義：“以某種用途、在地面下用任何方法按規(guī)定形狀和尺寸修筑的斷面積大于2m2的洞室。”均稱之為隧道。近代隧道興起于十七世紀的運河時代，從這一時期起，歐洲陸續(xù)修建了許多運河隧道。1820年前后，隨著鐵路運輸?shù)呐d起，英國、法國等歐洲，然后是美國和明治維新后的

4、日本先后開始修建鐵路隧道。在19世紀60年代以前，修建的隧道都用人工鑿孔和黑火藥爆破方法施工。1861年修建穿越阿爾卑斯山脈的仙尼斯峰鐵路隧道時，首次應用風動鑿巖機代替人工鑿孔。1867年修建美國胡薩克鐵路隧道時，開始采用硝化甘油炸藥代替黑火藥，使隧道施工技術及速度得到進一步發(fā)展。在20世紀初期，歐洲和北美洲一些國家鐵路形成鐵路網(wǎng)，建成的5公里以上長隧道有 20座。20世紀60年代以來，隧道機械化施工水平有很大提高，全斷面液壓鑿巖臺車和其他大型施工機具相繼用于隧道施工。其后，噴錨技術的發(fā)展和新奧法的應用更是為隧道工程開辟了新的途徑，而隧道掘進機的采用則徹底改變了隧道開挖的鉆爆方式。據(jù)2000年

5、的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，世界隧道主要分布在中國、日本、意大利、法國、美國、英國、挪威、瑞士、德國、奧地利和加拿大等國，其中，有超過總長1/3的隧道是本世紀五十年代后在中國和日本的鐵路線上建成的。日本在20世紀70年代末之前共建成5公里以上的長隧道達60座，為當時世界上鐵路長隧道最多的國家，1981年建成的長22228米的大清水雙線隧道，為當時世界最長的山嶺鐵路隧道；其后建成的長53850米的青函海底隧道為當今世界最長的海底鐵路隧道。1.2 國內(nèi)長大隧道建設我國第一條鐵路隧道是1890年建成的臺灣獅球嶺隧道，1903年建成第一座長度超過3Km的興安嶺隧道。截止2003年年底的統(tǒng)計資料表明，中國大陸上已建成的

6、鐵路隧道有7400余座；公路隧道1970余座。在“十五”期間，我國鐵路、公路、水利等領域?qū)⒔ㄔ炜傞L超過 3000km的隧道工程，其中長度大于 10km的隧道約占 10%。因此，中國是當前世界上隧道工程最多、最復雜、今后發(fā)展最快的國家。圖1 隧道施工方法中國大陸山嶺隧道施工大致經(jīng)歷了上個世紀五十年代以前的以鋼釬、鐵錘和人力斗車為代表的“人力開挖時代”；六、七十年代以手持風鉆、風動裝巖機和電瓶機車、斗式礦車為代表的“小型機械化施工時代”。1956前后建設的2km長的寶成鐵路秦嶺隧道施工中首次使用風動鑿巖機和軌行式礦車，是中國大陸隧道施工由“人力開挖”過渡到“機械開挖”時代的標志。1970年前后成昆

7、鐵路大于6km的關村壩等長隧道施工中采用輕型“小型機械化”，創(chuàng)造了“百米成洞”，標志著中國大陸隧道建設進入了“機械化時代”。八十年代修建長14.295 km的大瑤山雙線隧道，采用了進口液壓鑿巖臺車、履帶或輪式裝載機、軌行式扒裝機和大型運輸汽車、組合列車等型機具綜合機械化施工，標志著中國隧道“大型機械化作業(yè)時代”的開端。大瑤山隧道的修建縮短了中國隧道同國際隧道先進施工水平的差距。在此以后修建的長大隧道基本上都按照“大瑤山模式”進行施工，且在南昆鐵路長9 388 m米的花嶺隧道施工中創(chuàng)造了單口月成洞502.2 m的山嶺隧道施工記錄。以九十年代西康鐵路秦嶺1號線隧道采用大型全斷面隧道掘進機(TBM)

8、為代表，我國隧道建設步入了現(xiàn)代隧道修建技術階段。秦嶺隧道1號線采用8.8 m直徑的全斷面掘進機創(chuàng)造了單口平均月進度312m，最高月進尺528m，單口最高日進尺40.5m的掘進記錄。秦嶺1號隧道的成功改變了中國大陸長大山嶺隧道施工中采用鉆爆法為唯一手段的施工現(xiàn)狀，標志著我國隧道建設進入了“現(xiàn)代隧道修建技術時代”。圖1 隧道施工方法2. 長大隧道施工技術現(xiàn)狀及發(fā)展就當前國內(nèi)外長大隧道施工技術而言，隧道施工方法，除鉆爆法與掘進機法外，在一些特殊條件下，還可采用其它一些施工方法，常見隧道施工方法見圖1所示。但就世界范圍內(nèi)的隧道建設總體而言，當前量大面廣的仍然是采用礦山法。中國大陸礦山法隧道施工在施工機

9、械化程度、修建速度、長大隧道的修建能力(包括獨頭通風深度)等方面均同國際先進水平相差無幾。2.1隧道分類及相關概念根據(jù)其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類。為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道。這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。對山嶺隧道，根據(jù)隧道長度將隧道區(qū)分為特長隧道(長度大于10Km)、長隧道(長度大于3Km)、中長隧道（長度大于500m）和短（長度小于500）；根據(jù)隧道開挖斷面面積，以國際隧協(xié)建議標準將隧道分為特大斷面隧道（開挖面積大于100m2

10、）、大斷面隧道（開挖面積50100m2）、中等斷面隧道（開挖面積10-50m2）、極小斷面隧道（開挖面積小于3m2）。根據(jù)以上概念，我國當前在建的長度大于3km的鐵路、公路雙線隧道均屬于長大隧道。這類隧道不但長度大，而且一般埋深也較大，且常常要穿越斷層、涌水、高溫、瓦斯、溶洞、暗河、巖爆、泥石流等水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件十分復雜而多變的地層。因此長大隧道的 HYPERLINK /Webforms/WebDefines.aspx?searchword=%e7%94%9f%e4%ba%a7%e7%b3%bb%e7%bb%9f 生產(chǎn)系統(tǒng)十分復雜，包含了開挖、運輸、襯砌、通風、風水管、供電、通訊、災害防

11、治和預警等子系統(tǒng)。2.2 長大隧道施工理念及相關問題2.2.1 礦山法隧道施工概念山嶺隧道的常規(guī)施工方法又稱為礦山法，因最早應用于采礦坑道而得名。在礦山法中，多數(shù)情況下都需要采用鉆眼爆破進行開挖，故又稱為鉆爆法。從隧道工程的發(fā)展趨勢來看，鉆爆法仍將是今后山嶺隧道最常用的開挖方法。在礦山法中，坑道開挖后的支護方法，大致可以分為鋼木構件支撐（傳統(tǒng)礦山法）和錨桿噴射混凝土支護（新奧法）兩類。作為施工方法，人們習慣上將采用鉆爆開挖加鋼木構件支撐的施工方法稱為“傳統(tǒng)的礦山法”；而將采用鉆爆開挖加錨噴支護的施工方法稱之為“新奧法”。我國從20世紀60年代開始引用錨桿和噴射混凝土技術，近幾十年來，通過工程實

12、踐積累了豐富的在不良地質(zhì)等困難條件下用新奧法修建隧道工程的成功經(jīng)驗。2.2.2 新奧法基本原理 “新奧地利隧道修建方法”(NATM)簡稱“新奧法”的概念是奧地利學者臘布希維茲（L.V. Rabcewicz）教授于 20世紀50 年代首先提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗和巖體力學理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段，通過監(jiān)測控制圍巖的變形，便于充分發(fā)揮圍巖的自承能力的施工方法。經(jīng)過奧地利、瑞典、意大利等國的許多隧道與地下工程實踐和理論研究及科學論證，于 20 世紀 60 年代取得專利權并正式命名為新奧法（NATM）。之后新奧法在歐洲、美國、日本等國家的隧道和地下工程中獲得了快速

13、發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術的標志之一。新奧法的核心是充分利用圍巖的自承與自穩(wěn)能力，開挖后及時錨噴(網(wǎng))支護，封閉圍巖，控制圍巖變形。同時在施工中連續(xù)監(jiān)測圍巖動態(tài)，根據(jù)監(jiān)測到的信息，隨時調(diào)整設計、施工參數(shù)。因此，所謂新奧法不是單純的開挖、支護的方法和順序，而是按照實際觀察到的圍巖動態(tài)的各項指標來指導開挖隧道的方法，因此，新奧法應該理解為新奧法原則而不能將其片面理解為施工的一種方法。基于以上的理解，可歸納新奧法的原則為充分保護、利用圍巖自身的承載能力；其施工要點為控制爆破、錨噴支護和施工監(jiān)測，其實施方法為設計、施工和監(jiān)測三位一體的動態(tài)模式。中國在20世紀70年代末開始了解和接受新奧法的概念，從

14、20世紀80年代開始在一些隧道的設計中貫徹了新奧法基本原理，采用了信息化設計方法，例如大瑤山隧道、南嶺隧道、軍都山隧道等。1988年中國批準發(fā)布了鐵路隧道新奧法指南，并編寫了“噴錨技術法規(guī)則”等作業(yè)標準。隨著新奧法基本原理在隧道工程實踐中的應用，以及開挖方法、輔助工法、錨噴技術、現(xiàn)場監(jiān)測技術等的不斷完善和提高，逐步形成了具有中國特色的隧道修建方法，如“淺埋暗挖法”，即“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字決”和“復合式襯砌”等技術，豐富和發(fā)展了新奧法原理。2.2.3 挪威隧道工法和新意法隧道工法所謂挪威法(NTM：Nonwegian Method of Tunneling)，

15、簡單地說就是由正確的圍巖評價（采用巴頓法(N.Barton)的Q系統(tǒng)）、合理的支護參數(shù)和高性能的支護材料（即，錨固支護噴射鋼纖維混凝土相結合）三部分組成的一種經(jīng)濟而安全的隧道施工方法，它適用于公路隧道、鐵路隧道、水工隧洞及大型地下工程中節(jié)理發(fā)育與極度松散破碎的巖體。挪威法在支護體系上的最大特點是把一次支護作為永久襯砌，只是在運營后，如果有涌水、冰霜等危害的情況下，才修筑二次襯砌。通常一次支護是采用高質(zhì)量的濕噴鋼纖維混凝土和全長膠結型高拉力耐腐蝕的錨桿。濕噴鋼纖維混凝土的回彈量很小，通常僅為4%6%。采用挪威法(NMT)可以大大地降低成本，僅為采用新奧法(NATM)成本的1/3。與其它方法相比，

16、采用挪威法可節(jié)省勞動力，更多地采用機械手，較少地進行監(jiān)控。因此，挪威法在鉆爆法施工的隧道中進度快，且施工安全和工作環(huán)境得到了根本改善。我國從90年代初開始進行挪威法理論探討和室內(nèi)試驗，并在鐵路隧道和公路隧道進行了大規(guī)?，F(xiàn)場實驗（如我局承建的杭蘭高速摩天嶺隧道1#通風斜井就首次采用了挪威法），可以預見，在未來的五年或十年內(nèi)，這一方法將在我國隧道工程中廣泛應用。意大利全斷面預加固隧道施工工法（New Italian Tunneling Method(NITM)）又稱為巖土控制變形分析(ADECORS)施工工法。該施工法是意大利人Pietro Lunardi在研究圍巖的壓力拱理論和新奧法施工理論的基

17、礎上提出的，該工法主要關注工作面超前核心圍巖的穩(wěn)定，并以此為基礎對施工方法進行選擇。意大利全斷面預加固隧道施工工法適用于低粘聚力的軟弱地層，大斷面隧道開挖及用于淺埋隧道控制地面沉降和擠壓地層的深埋隧道開挖，該工法被意大利公路及鐵路領域納入規(guī)范并廣泛采用。歐洲國家的大型項目施工也較多地采用此工法。我國鐵道部在2007年5月15號鐵建設2007102號文件關于加強鐵路隧道工程安全工作的若干意見要求“隧道的設計和施工要積極學習、借鑒、采用、推廣國內(nèi)外先進技術，對條件適宜的隧道要積極采用巖土控制變形分析法(新意法)等先進施工方法和施工工藝”?？梢灶A見，在未來的五年或十年內(nèi)，意大利全斷面預加固隧道施工工

18、法將在我國隧道工程中推廣應用。2.2.4 不同施工方法的區(qū)別和聯(lián)系1) 新意工法與礦山法、新奧法的比較傳統(tǒng)的礦山法是依據(jù)松弛荷載理論的一種傳統(tǒng)的施工方法，一般只應用于巖質(zhì)山嶺隧道，而對一般的土質(zhì)地層基本上不采用傳統(tǒng)的礦山法。將新奧法的使用原則引入到傳統(tǒng)的礦山法中，礦山法的應用范圍逐步拓展到的軟弱圍巖和第四系地層中的淺埋市政隧道，取代了傳統(tǒng)的明挖法或盾構法。在我國，這種方法稱之為“淺埋礦山法”。新奧法概念的內(nèi)涵就是保護圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力。不論采用什么開挖方法、爆破技術、支護形式、支護施作時機和輔助工法，其目的都是為了“保護圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力”。新意法是以工作面超前

19、核心巖土的變形與隧道的穩(wěn)定性為主要評價目標，設計和施工都是以此為基礎進行確定。它不但考慮到了隧道后方的變形影響，同時重點考慮前方工作面的變形對隧道穩(wěn)定性的影響；而新奧法則沒有考慮前方工作面核心巖土的影響，兩者區(qū)別見表2。因此，在一定程度上可以認為新意法是新奧法的繼承和發(fā)揚，其精髓都是“保護圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力”。兩者的重要區(qū)別在于新意法提出了新奧法未提及的但很重要也很有價值的“臨時保護超前核心圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮超前核心圍巖的自承能力”的方法，這個方法是通過加固工作面超前核心圍巖，從而控制工作面超前核心巖土的變形及防止圍巖失穩(wěn)塌方。2) 挪威法（NTM）和新奧法（NATM）的區(qū)別

20、和聯(lián)系 挪威和奧地利在理論和應用上有顯著差別，NATM比較適用于軟弱圍巖。在軟弱圍巖中修建隧道，節(jié)理和超挖不是主要問題，無論人工或機械開挖，均能形成光滑輪廓，圍巖能夠形成完整的承載環(huán)，利用圍巖作隧道的主要承載結構，是新奧法的理論核心，因此，NATM強調(diào)圍巖監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果決定二次支護施作時間和結構形式。NTM則更適用于硬巖。在硬巖中修建隧道，無論用鉆爆法或掘進機開挖，節(jié)理和超挖都占主導地位。在此條件下，錨桿調(diào)動圍巖強度的動力最強。因此，挪威法以錨桿作為隧道的主要支護手段。由于很可能超挖，因此，不宜使用鋼拱架或網(wǎng)構拱架。由于節(jié)理充填物引起圍巖不均勻，可能引起圍巖失穩(wěn)，因此要求用噴混凝土或噴鋼纖

21、維混凝土對系統(tǒng)錨桿補強。這種錨桿加噴混凝土(或噴鋼纖維混凝土)支護系統(tǒng)，即可用作隧道臨時支護，又可用作隧道永久支護。該系統(tǒng)對開挖輪廓形狀適應性強，即使輪廓不平順，噴層也能貼合巖面，遠比鋼拱架或網(wǎng)構好。表1. 新意工法與新奧法的比較不同點類別ADECO RS工法新奧法巖土觀點重視工作面超前巖土的穩(wěn)定性沒有重視洞體量側重視工作面超前核心巖土的收斂變形和擠壓變形的量測沒有重視超前支護強調(diào)工作面超前核心巖土的人工控制、巖體強度的改善只注重了前方輪廓的預加固沒有對超前核心土加固斷面開挖機械化全斷面開挖斷面分步開挖工期可以在設計階段較準確地預測完成時間設計階段只能大概估計時間設計、施工量測關系強調(diào)了預收斂

22、量測和洞身的收斂量測、及時反饋設計調(diào)整參數(shù)的動態(tài)設計不進行預收斂量測，只對洞身量測，屬被動測量，動態(tài)設計的及時性弱適用范圍包括新奧法可以修建的及部分不可以修建的地下工程沒有ADECO RS工法應用范圍廣經(jīng)濟性與施工速度對于新奧法無法修建的或開挖速度很慢的情況下，ADECO RS工法有很好的經(jīng)濟性，施工速度較快；對于新奧法可以修建的的情況下,兩者經(jīng)濟性相差不多，施工速度相當最重要的區(qū)別強調(diào)了對超前核心巖土的控制、量測、動態(tài)設計，突出了機械化全斷面和均率開挖的理念沒有對超前核心巖土的控制,更偏重分步開挖的手段2.3 長大隧道防排水施工技術2.3.1 隧道放排水施工理念的發(fā)展目前我國鐵路、公路的山嶺

23、隧道尤其是巖溶山區(qū)長隧道的防排水設計貫徹“防排結合，以排為主”的綜合治理原則。以往大量的工程實踐（如武隆隧道、大瑤山隧道、中梁山隧道等）均表明，以排為主的隧道內(nèi)會存在不同程度的水害，且逐年發(fā)展，影響襯砌結構和行車安全；同時，貫徹“以排為主”的治水措施直接導致了隧道洞頂?shù)叵滤幌陆怠⒌乇硭途越?、地面巖溶塌陷、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重影響了人民的生產(chǎn)和生活，隧道部門也苦于補救和巨額賠償。今后一段時間，隨著巖溶、斷層發(fā)育的富水區(qū)隧道修建的日益增多，上述問題愈發(fā)突出，“以排為主”的無限制排水原則己不能適應經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，因此富水地層的隧道建設應逐漸擯棄“以排為主”的治水理念，開始實施“以堵為主、

24、防排結合，限量排放”的控制型防排水原則。同時，隨著國內(nèi)鐵路的提速，長大隧道采用整體道床已經(jīng)成為現(xiàn)在通用方法，無節(jié)制排水將造成隧道基底水土流失，導致整體道床產(chǎn)生不均勻沉降，影響使用功能。2.3.2 限制排放的主要技術措施阻止地下水向隧道內(nèi)排放的技術可以從兩方面考慮，其一是通過改變圍巖的滲透系數(shù)，降低地下水向隧道內(nèi)的涌人量，這是限制排放的根本；其二是通過設置防水層和增強襯砌混凝土的抗?jié)B抗裂性能，以達到阻隔地下水的目的，這是結構防水的最后保障。但事實上真正起到限制排放作用的主要在于降低圍巖的滲透系數(shù)。長大隧道限制排水的技術措施如下：（1）超前預注漿。超前預注漿不僅僅是對圍巖的提前加固和防止突水涌砂等

25、地質(zhì)災害，其更深層的意義是對周邊圍巖裂隙的充填和堵塞，降低圍巖的滲透系數(shù)，從而在隧道周邊形成一定厚度的止水帷幕，達到限制地下水向隧道內(nèi)的滲流排放。國內(nèi)在圓梁山隧道施工中，采用超前帷幕注漿，達到了5 m3/km/d的排放標準。表2給出了在建宜萬線隧道工程注漿加固“限制排放”施工方案。（2）回填注漿。隧道施工中，特別是有鋼架或掛網(wǎng)聯(lián)合噴射混凝土時，由于鋼筋的骨架作用，難免會在圍巖與噴射混凝土層之間產(chǎn)生空隙，因此，在有鋼架和掛網(wǎng)支護的情況下，需要根據(jù)施工狀況對噴混凝土后進行回填注漿，達到充填噴混凝土層與圍巖之間空隙的目的。（3）徑向注漿。超前預注漿通常是處理較大范圍或較大量的地下水，對于小的局部涌水

26、或滲水，常采用徑向注漿。表2 在建宜萬鐵路注漿治水方案序號適用地質(zhì)條件方案主要內(nèi)容全斷面超前預注漿（方案一）（1）可溶巖與非可溶性巖接觸帶，斷層破碎帶及向斜、背斜核部，施工中可能發(fā)生嚴重突水涌泥地段；（2）物探異常地段，超前地質(zhì)探孔單孔涌水量Q40m2/h；（3）實測水壓：P2MPa。全斷面超前帷幕注漿，注漿加固范圍為開挖工作面及開挖輪廓線外正洞8m，平導5m。全斷面超前預注漿（方案二）（1）可溶巖與非可溶性巖接觸帶，斷層破碎帶及向斜、背斜核部，施工中可能發(fā)生嚴重突水涌泥地段；（2）物探異常地段，超前地質(zhì)探孔單孔涌水量Q40m2/h；（3）實測水壓：1MPaP2MPa。全斷面超前帷幕注漿，注漿

27、加固范圍為開挖工作面及開挖輪廓線外正洞5m，平導3m。徑向注漿（1）一般富水地段，巖體較完整，能保證開挖安全；（2）物探異常地段，超前地質(zhì)探孔涌水量：2m2/hQ40m2/h，開挖后大面積滲水；（3）實測水壓：P1MPa。徑向注漿方案，注漿加固范圍為開挖輪廓線外正洞5m，平導3m。局部注漿（1）一般富水地段，巖體較完整，能保證開挖安全；（2）局部出水；（3）初期支護完成后不能滿足設計的允許排水標準。局部注漿和局部補充注漿2.3.3 隧道防排水施工理念發(fā)展趨勢12L12(11.5)L(b)短臺階法(a)長臺階法125LLLL 5L12L圖2 臺階法類型1235m(c)微臺階法12L隧道建設中排水

28、的目的是為了更好的防水，但無限制的12L12(11.5)L(b)短臺階法(a)長臺階法125LLLL 5L12L圖2 臺階法類型1235m(c)微臺階法12L2.4 長大隧道施工開挖技術2.4.1 山嶺隧道礦山法施工方法1） 長大隧道開挖方式隧道施工就是要挖除隧道范圍內(nèi)的巖體，并盡量保持隧道圍巖的穩(wěn)定。開挖是隧道施工的第一道工序，也是關鍵工序。在隧道的開挖過程中，圍巖穩(wěn)定與否，雖然主要地取決于圍巖本身的工程地質(zhì)條件，但開挖對圍巖穩(wěn)定狀態(tài)有直接而重要的影響。隧道開挖方法實際上是指開挖成形方法。按開挖隧道的橫斷面分部情形來分，開挖方法可分為全斷面開挖法、臺階開挖法、分部開挖法等，見表3所示。（1）

29、 全斷面開挖法。采用全斷面一次開挖法，必須注意機械設備的配套，以充分發(fā)揮機械設備的效率。采用全斷面法施工，隧道長度或施工區(qū)段長度不宜太短，根據(jù)經(jīng)驗一般不應小于lkm，否則采用大型機械化施工，其經(jīng)濟性較差。（2） 臺階法。根據(jù)臺階長度不同，劃分為長臺階法、短臺階法和微臺階法三種，如圖2所示。長臺階法開挖斷面小，有利于維持開挖面的穩(wěn)定，適用范圍較全斷面法廣。按長臺階施工，在上、下兩個臺階上需要分別進行開挖、支護、運輸、通風、排水等作業(yè)線，因此臺階長度適當長一些，一般考慮至少為50m，但當臺階長度大于l00m以后，通風排煙、排水的難度大，這樣反而降低了施工的綜合效率，因此，長臺階長度為一般以5080

30、m為宜。考慮到長臺階施工，支護不能及早封閉成環(huán)，不利于施工安全，軟弱圍巖隧道杜絕采用長臺階法施工。短臺階法適用于地質(zhì)條件差的、級圍巖，臺階長度一般為1015m，主要是考慮拉開工作面，減少干擾，因此，臺階長度不宜過短。上臺階一般采用少藥量的松動爆破，出渣采用人工或小型機械轉(zhuǎn)運至下臺階，因此，臺階長度又不宜過長，如果超過15m，則出渣所需的時間過長。短臺階法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖變形。缺點是上部出渣對下部施工干擾大，不能全部平行作業(yè)。微臺階法是全斷面開挖的一種變異形式，一般臺階長度35m，臺階長度小于3m時無法正常進行鉆眼和拱部噴錨支護作業(yè)；臺階長度大于5m時利

31、用爆破將石渣翻至下臺階難度大，需要采用人工翻渣，所以不可取。微臺階法上下斷面相距較近，機械設備集中，作業(yè)時相互干擾大，生產(chǎn)效率低，施工速度慢。（3）分部開挖法。分部開挖法包括環(huán)形開挖預留核心土法、雙側壁導坑法、中洞法、中隔壁法等。 環(huán)形開挖預留核心土法環(huán)形開挖進尺一般為0.51.0m，開挖核心土面積不小于整個斷面的50。環(huán)形開挖預留核心土法施工具有簡單明了，施工易行，不需要特殊的機械設備，減少施工投入；且開挖工作面穩(wěn)定性好，施工較安全，因此，在土質(zhì)及軟弱圍巖中使用較多。 雙側壁導坑法，是在隧道跨度大于11m以后，因無法采用全斷面或臺階法開挖，因此采用先開挖隧道兩側導坑，相當于先開挖2個小跨度的

32、隧道，并及時施作導坑四周初期支護及邊墻襯砌，再根據(jù)地質(zhì)條件、斷面大小，對剩余部分斷面進行一次或二次開挖。雙側壁導坑法具有控制地表沉陷好(僅為短臺階法的1/2)，施工安全等優(yōu)點；但進度慢，成本高。 中洞法適用于雙連拱隧道。采用先施作隧道中墻混凝土，后開挖兩側的施工方法。 中隔壁法(CD)是近年來從國外引進的先進的施工方法，通過在國內(nèi)的鐵路隧道和城市地下工程中的實踐，證明這種方法是通過軟弱、淺埋、大跨度隧道的最有效的施工方法。 交叉中隔壁法(CRD)采用自上而下分為二至三步開挖中隔墻的一側，并及時支護，待完成12部后，即開始另一側l2部開挖及支護，形成左右兩側開挖及支護相互交叉的情形。表3 隧道主

33、要施工(開挖)方法序號名稱橫斷面示意縱斷面示意1全斷面開挖法2臺階法 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 3環(huán)形開挖預留核心土法 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 3 * GB3 = 2 * GB3 = 2 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 4單側壁導坑法 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 3 * GB3 = 2 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 5雙側壁導坑法 = 1 * G

34、B3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 3 * GB3 = 2 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 6中洞法 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 3 * GB3 = 3 * GB3 = 2 * GB3 = 2 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 7中隔壁法(CD) = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 = 4 * GB3 = 5 * GB3 = 6 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 =

35、3 * GB3 = 4 * GB3 = 5 * GB3 = 6 * GB3 8交叉中隔壁法(CRD) = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 3 * GB3 = 2 * GB3 = 4 * GB3 = 5 * GB3 = 6 * GB3 = 1 * GB3 = 1 * GB3 = 2 * GB3 = 3 * GB3 = 4 * GB3 = 5 * GB3 = 6 * GB3 2）長大隧道開挖方式的選擇與發(fā)展方向長大山嶺隧道的開挖方式選擇與施工機具設備息息相關，開挖方式的選擇需要與施工機械相協(xié)調(diào)。兩者的協(xié)調(diào)性，最能體現(xiàn)于掘進工效。在采用大型機具設備的鉆爆法施工時，以大斷面或全斷面法進行隧道開

36、挖，是今后在隧道開挖方法上的一個重要發(fā)展途徑。這種開挖方法具有安全、可靠性好，工效高，經(jīng)濟效益好的優(yōu)勢，因此，采用大型機械條件下，實現(xiàn)長大隧道全斷面施工是隧道開挖方式的發(fā)展方向。2.4.2 長大隧道爆破技術1）隧道爆破技術的發(fā)展現(xiàn)狀圖3 五指山雙線鐵路隧道“人機套打”施工模式由于隧道掘進鉆爆法施工（簡稱“隧道爆破”）具有經(jīng)濟、高效及對地質(zhì)適應能力強的明顯優(yōu)勢，所以至今仍是隧道掘進施工中最重要和最常用的技術手段。我國大陸已建成的各類隧道約90%以上是用爆破的方法完成的。隧道爆破技術的進步，極大地促進了隧道施工能力和綜合效益的提高。主要表現(xiàn)在：（1）開挖循環(huán)進尺加大，施工進度明顯提高；（2）隧道爆

37、破安全狀況有了很大的改善；（3）隧道開挖超、欠挖控制達到了相當高的水平。圖3 五指山雙線鐵路隧道“人機套打”施工模式我國1965年在礦山隧道施工中首次試用光面爆破；70年代后期光面爆破在我國基本取代了傳統(tǒng)的爆破方法。我國鐵路部門在20世紀80年代衡廣復線大瑤山隧道等的施工中以四臂液壓鑿巖臺車鉆孔，全斷面深孔光面爆破法施工，循環(huán)進尺4. 55. 0 m。這種施工方法的優(yōu)點是施工機械化程度高、循環(huán)進尺大、開挖速度快，缺點是隧道周邊輪廓超挖量大，工程成本投人大。針對液壓鑿巖臺車的缺點，在以后的五指山雙線隧道中硬巖地段施工中首次提出以二臂液壓鑿巖臺車進行超前下導洞掘進，其后配合預制桿件拼裝的大型多功能

38、臺架進行預留周邊部光爆層施工的“人機套打”施工模式。該施工方法充分發(fā)揮了臺車(機械液壓鉆孔)與多功能臺架(人工手持風鉆鉆孔)的優(yōu)點。2）長大隧道爆破施工展望隨著隧道爆破技術的發(fā)展，爆破作業(yè)將逐步走向機械化、自動化和數(shù)字化，因此，爆破的設計和施工隊伍專業(yè)化將是長大隧道爆破施工的發(fā)展趨勢。我國隧道工程建設中流行“萬能”隊伍將不能適應長大隧道現(xiàn)代化施工的需要，組建專業(yè)化的隧道爆破分包團體，專業(yè)化的道路，是隧道爆破技術快速發(fā)展，不斷提高的需要，也是長大隧道爆破施工的發(fā)展趨勢。2.5 長大隧道支護技術及其發(fā)展2.5.1 隧道支護及相關概念隧道開挖后，除圍巖完全能夠自穩(wěn)而無須支護以外，在圍巖穩(wěn)定能力不足時

39、，則須加以支護才能使其進入穩(wěn)定狀態(tài)，這種支護稱之為初期支護（一次支護）。若圍巖完全不能自穩(wěn)，表現(xiàn)為隨挖隨坍甚至不挖即坍，則須先支護后開挖，這種支護稱為超前支護?？紤]到隧道投入使用后的服務年限很長久，設計時一般要采用混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)層襯砌，以保證隧道在服務過程中的穩(wěn)定、耐久、減少阻力和美觀等，稱為二次襯砌（永久支護、二次支護）。傳統(tǒng)施工方法中初次支護采用鋼木構件支撐，構件支撐在模筑整體式襯砌時通常應予以拆除，即不作為永久承載構件，稱為臨時支撐。目前在隧道工程中，初期支護一般由錨桿、噴射混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)等及它們的組合組成，使用最多的組合形式是錨桿(主要指系統(tǒng)錨桿)加噴射混凝土(素噴或網(wǎng)噴)

40、。因此，初期支護可以稱為錨噴支護。初期支護施作后即成為永久性承載結構的一部分，它與圍巖共同構成了永久的隧道結構承載體系。當前常用的永久襯砌形式有：（1）整體襯砌、（2）復合式襯砌、（3）拼裝襯砌、（4）錨噴襯砌等四種。2.5.2 隧道支護技術發(fā)展噴射混凝土技術的發(fā)展在隧道工程技術發(fā)展中占有很重要的地位，隧道支護技術的發(fā)展在一定程度上是噴射混凝土技術的發(fā)展。就支護技術而言，長大隧道支護技術發(fā)展有如下趨勢：隧道支護施工中將逐漸淘汰干、潮噴，進而全面推行濕噴技術；2） 鋼纖維噴射混凝土和聚丙稀纖維噴射混凝土將逐步推廣并廣泛應用；3）隧道噴射混凝土單層襯砌將成為隧道永久性襯砌的發(fā)展趨勢。2.6 長大隧

41、道施工通風技術發(fā)展 長大隧道施工長距離通風的技術水平直接影響隧道獨頭掘進的規(guī)模，特別是在機械化施工技術高度發(fā)展的今天，長距離通風技術的發(fā)展不僅對隧道建設工期，而且對新建線的勘察、選線、工程設計、施工組織及管理、設備選型與配套都有重要影響。在隧道工程建設中，為縮短工期，組織多頭掘進是通常慣用的措施，即所謂的“長隧短打”。至于在多大規(guī)模上組織獨頭掘進往往取決于通風技術能否為長距離的通風創(chuàng)造條件。目前長大隧道的施工通風已經(jīng)由巷道轉(zhuǎn)向風管式。在國外，除水底隧道，10km以內(nèi)的隧道早已不采用輔助坑道。我國西康線秦嶺隧道采用1.3 m軟風管聯(lián)合110 kW風機，創(chuàng)造了單臺風機獨頭掘進6. 2 km的國內(nèi)記

42、錄。施工超過6 000 m后，再串聯(lián)一臺風機，獨頭通風距離超過了9 500 m。就隧道通風技術發(fā)展而言，延長獨頭掘進的長度，同時在隧道的施工中推行通風專業(yè)化隊伍承包制是隧道通風技術發(fā)展的趨勢。2.7 長大隧道施工機械及發(fā)展2.7.1 國內(nèi)外現(xiàn)有機械配套模式在國外的長大隧道施工中，其機械設備配套發(fā)展的趨勢是向著全機械化，全自動化發(fā)展。盡量采用先進自動化機械設備代替繁重而又危險的人工勞動，提高工作效率，如在瑞典，找頂、立拱架都采用電腦控制液壓機械手。我國長大隧道的機械配套，雙線隧道以20世紀80年代修建的“大瑤山隧道”為代表；單線隧道以20世紀90年代修建的“米花嶺隧道”為代表。2.7.2 我國隧

43、道施工中影響施工循環(huán)速度的薄弱環(huán)節(jié)及出路目前我國隧道施工循環(huán)中仍然存在一些影響快速施工的一些薄弱環(huán)節(jié)，主要有：(1)找頂。目前在我國隧道施工作業(yè)中，找頂工序仍是一項工人工作時間長，勞動強度大，危險性高的工作。因此，研制一種小型輕便的找頂機或利用現(xiàn)有機械改造成找頂機械手將是一種比較理想的解決方法。(2)出碴。就目前隧道出碴作業(yè)的機械來說，裝碴車、梭車的功能與過去相比已有了長足的進步。對長大隧道施工而言，增大裝碴機單斗容積和礦車的容積，盡量減少單車裝碴時間和出碴的總車數(shù)是今后的發(fā)展方向。另外，在車輛的組合，軌道的種類、鋪設、進料等工序的協(xié)調(diào)方面也應加強科學管理，盡量縮短工作面作業(yè)的調(diào)車時間，顯著縮

44、短出碴時間。(3)裝藥。和發(fā)達國家相比，裝藥工序在我國隧道施工中仍處于落后狀態(tài)，所用機械僅限于解決高位孔的裝藥問題。因此，研制適合長大隧道工況的裝藥機械，從根本上改變用人多、效率低的手工操作是長大隧道施工發(fā)展的方向。(4)施工組織管理。在現(xiàn)有長大隧道施工中，大型機械化作業(yè)，各類機械本身效率的發(fā)揮、各工序之間的銜接、風管路等輔助工序的保障能力等對隧道的快速施工影響大，因此，采用長大隧道施工中合理的施工組織管理是縮短循環(huán)作業(yè)時間，確保隧道快速掘進的有效途徑。2.7.3 長大隧道施工機械技術發(fā)展隧道快速施工的唯一出路在于機械化，施工作業(yè)機械化水平直接影響到工人的勞動強度、安全狀況、工程質(zhì)量和勞動生產(chǎn)

45、率。高科技的機械化施工手段是隧道工程施工能力的重要體現(xiàn)和標志。長大隧道施工機械化發(fā)展有如下趨勢：（1）全面應用液壓臺車或液壓鉆取代手風鉆；（2）自動化裝藥設備在長大隧道的施工中將逐步推廣并大量應用；（3）噴射機械手(噴漿機器人)將逐步推廣并大量應用。2.8 長大隧道施工技術的關鍵地質(zhì)超前預報技術長大隧道不但長度大，而且一般埋深也較大，且常常要穿越斷層、涌水、高溫、瓦斯、溶洞、暗河、巖爆、泥石流等水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件十分復雜而多變的地層。因此，長大隧道施工地質(zhì)災害防治是長大隧道施工技術的關鍵。19901995年，鐵道部投入力量組織10余個單位，進行隧道施工地質(zhì)預報問題的系統(tǒng)研究；國外在20世紀

46、90年代中期也開始加強了隧道施工地質(zhì)預報的研究開發(fā)工作。10多年來，在預報的方法技術上和實踐上有很好的進展。目前用于隧道超前預報的地球物理方法主要有：隧道地震超前預報系統(tǒng) TSP 、水平聲波剖面 HSP 法、陸地聲納法、探地雷達 GPR 法和紅外探水法幾種。我國當前隧道施工超前地質(zhì)預報主要采用TSP和探地雷達，并在在建宜萬鐵路長大隧道施工首次將隧道超前地質(zhì)預報納入施工工序。通過宜萬鐵路隧道的施工，逐步形成并提出了以中、長物探和水平地質(zhì)鉆探驗證為主，短距離地質(zhì)素描分析和紅外探水為輔，超長炮孔加密確認為主要內(nèi)容的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前地質(zhì)預測預報技術”。3 長大隧道施工技術發(fā)

47、展展望3.1 長大隧道的快速綜合施工將是21世紀隧道修建的主攻方向1）提高長大隧道鉆爆法獨頭掘進技術極限能力 隨著世界經(jīng)濟和科技的發(fā)展，長大及特長隧道工程將會越來越多，提高長大隧道鉆爆法獨頭掘進技術極限能力是山嶺隧道發(fā)展的趨勢。依據(jù)現(xiàn)有隧道施工技術，開挖斷面30 m2以上的隧道，采用鉆爆法施工獨頭掘進長度一般限制在4 km以內(nèi)，采取極端措施后最高達到過7 km。這就意味著采用鉆爆法施工的長大及特長隧道的施工組織方案只有利用地形設置斜井、豎井、平導或橫洞另辟通風口及工作面，這樣既增大了工程成本，又加重了對自然生態(tài)環(huán)境的破壞。否則就只能使用隧道掘進機。但是采用掘進機施工遠不如鉆爆法對地質(zhì)的適應能力

48、強，因此，提高長大隧道鉆爆法獨頭掘進技術極限能力是山嶺隧道發(fā)展的趨勢之一。2） 長大隧道施工中全斷面隧道掘進機的廣泛應用隧道掘進機（TBM）施工法始于20世紀30年代。隨著掘進機技術的迅速發(fā)展和機械性能的日益完善，隧道掘進機施工得到了快速發(fā)展。對于長隧道的施工，掘進機施工較鉆爆法施工速度快，工人勞動強度低，施工人員的安全有保障。雖然鉆爆法仍然是當前山嶺隧道施工最普遍的方法，而且掘進機也不可能取代鉆爆法施工，但采用掘進機施工的隧道數(shù)量將不斷上升?？梢灶A言，今后長大山嶺隧道的施工將大量采用掘進機法施工。3）21世紀長大隧道施工的新模式掘進機與鉆爆法相結合在長大隧道施工中，快速開挖已成為總的世界發(fā)展趨勢。當隧道長度過長時，采用常規(guī)鉆爆法進行隧道施工將需要相當長的工期；鑒于長大隧道地質(zhì)條件復雜，采用TBM對地質(zhì)條件的適應性遠不如鉆爆法靈活；且TBM主機重量大、前期訂購的費用高，要求施工人員技術水平和管理水平高，因此，對復雜地質(zhì)條件的長大隧道施工TBM不能發(fā)揮其優(yōu)越性。采用鉆爆法與TBM法混合使用可發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，互相取長補短。因此，將鉆爆法和中小直徑TBM在大斷面隧道施工中結合使用，效果是比較理想的。意大利從20世紀8D年代初期開始使用這種方法，先利用小直徑如3.55.Om的掘進機開鑿隧道導洞，再用鉆爆法擴孔成所需尺寸隧道。由