高鐵隧道超欠挖控制新技術講義

西南交通大學土木工程學院

2018年05月肖清華Email：

xqh_bp@163.com電話道超欠挖控制新技術

(以高鐵隧道為例)技術攻關與科學探索主要內(nèi)容第一部分

目前隧道開挖普遍存在的問題第二部分土木工程施工技術發(fā)展新趨勢

(潛在借鑒)

第三部分隧道開挖控制新理念與新模式(解決思路)第四部分隧道超欠挖控制方法(具體方法見另一稿)技術攻關與科學探索第一部分

目前隧道開挖普遍存在的問題◆進度慢，嚴重影響工期。(1)蘭渝鐵路總投資829.16億元，于2008年9月開工建設，蘭渝鐵路計劃建設工期6年，后因資金鏈斷裂和甘肅段地質(zhì)問題，建設總工期延至9年，全線于2017年9月29日開通。1.1施工進度影響全線建設(2)貴廣高鐵貴廣高鐵工程投資900多億元，于2008年10月13日開工建設，計劃建設工期為5年，后因施工和管理問題延遲工期1年，2014年12月20日全線驗收，2014年12月26日正式通車。1.1施工進度影響全線建設(3)滬昆高鐵總投資約為3074億元，于2009年4月開工建設，計劃2015年通車，后因施工等原因滬昆高速鐵路全線軌道于2016年6月16日下午正式貫通，2016年12月28日滬昆高鐵全線通車，工期延遲1年。1.1施工進度影響全線建設(4)西成高鐵西安至江油段全長509.532km，總投資647億元，于2012年10月開工建設，建設總工期為5年，計劃2017年10月通車，后延誤2個月，全線于2017年12月6日開通。1.1施工進度影響全線建設(5)渝黔鐵路總投資531.09億元，于2012年11月開工建設，渝黔鐵路計劃建設工期5年，后因施工進度管理問題，建設總工期延至6年，全線于2018年1月25日開通。1.1施工進度影響全線建設(6)哈大鐵路總投資980億元，于2007年8月開工建設，哈大鐵路計劃建設工期4年，后因路基出現(xiàn)大面積動脹，建設總工期延至5年，全線于2012年12月1日開通。1.1施工進度影響全線建設(7)深茂鐵路

總投資285.95億元，于2014年6月開工建設，江門至茂名段鐵路計劃建設工期4年，后因各標段施工進度不一致問題，建設總工期延至5年，全線最早于2019年方可通車。1.1施工進度影響全線建設◆隧道數(shù)數(shù)量多多、施施工難難度大大(8)宜萬鐵鐵路1.1施工進進度影影響全線建設設宜萬鐵鐵路全線建建成時時造價價最高高（6000萬/km），計計劃工工期6年，因因全線線隧道道施工工難度度大，，延期期2年才通車車，動動車直直到14年才通通車（（延期期4年）。。隧道超欠挖非非常嚴嚴重??！不止直接影影響到到了施工進進度、安全全質(zhì)量(垮塌-如滬昆昆)，尤其其是開開挖費費用增增加，，如過過量超填(噴射混混凝土土)的費用用、提提高工程成本、大幅幅減少少利潤，，甚至造造成巨虧！1.2隧道超超欠挖嚴重，嚴重重影響響施工工進度度1.2m

巖性項目軟弱中硬硬圍巖擾動深度（m）10.80.5平均線性超挖（cm）151510最大線性超挖（cm）252520兩炮銜接臺階最大尺寸（cm）151515局部欠挖（cm）555炮眼殘痕率≥50%≥70%≥80%炮眼利用率100%95%90%巖壁爆后圍巖穩(wěn)定，無剝落現(xiàn)象石碴塊度大塊一般不宜超過30cm,大型裝碴機允許50～60cm,最大∠100cm,碴堆集中，最大拋距20m,雙線隧道深眼爆破時為30m。隧道超超欠挖挖質(zhì)量量檢驗標標準例1：施工工及設計調(diào)研與與費用用計算按設計院院允許許超挖挖值(10~15cm)，爆破開開挖后后必須須噴射射混凝凝土補補回到到設計計輪廓廓線才才能進進行下下一步步二次襯襯砌(模板澆澆筑混混凝土土)。每延米(一環(huán))：噴射混混凝土土約9~10m3；單價：：600多元/m33，設計計800多元/m3，估計計會上上調(diào)1000多元/m3；每延米總價價：6000~10000元；每公里里總價價：600~1000萬元。按上述述費用用，結結合隧隧道比比高的的現(xiàn)實實，達達50~60億。超挖非非常嚴嚴重：：如貴廣廣有些些隧道道超挖挖高達達1.5m。經(jīng)常性性超挖挖：30~50cm。大量隧隧道工工程實際施施工噴射混混凝土土費用用計算算(1)超挖50cm非常正常超挖非常嚴嚴重：：如貴貴廣有有些隧隧道超超挖高高達1.5m。(2)噴射混混凝土土回彈彈量非非常大大！如：有的隧隧道初期支支護混混凝土土噴射射量高達300%，采取措措施后后混凝土土噴射射量降降為180%～190%。實際：：超挖厲害；回彈彈厲害害；隧隧道比比高達達80%以上。。費用：：全線遠遠超過計計算算值（（50~60億）?。?！例2：噴射射混凝凝土比比較差差！檢檢查時時噴得得好(主觀)！操作手手水平平(客觀)非常關關鍵，，回彈率率30%正常，，20%非常好好！經(jīng)經(jīng)常50%以上！！滬昆昆局部部高達達300%。側墻背背后空空洞或或脫空空，檢檢測跑跑不掉掉！拱拱頂更更厲害害，現(xiàn)現(xiàn)場發(fā)發(fā)現(xiàn)有有的隧隧道超超過2m！—后續(xù)交交工非非常麻麻煩?。】傮w原原因大大致如如下：：1、技術術方方面(稍后分分析)；2、體制制方面面；3、管理理方面面。1.3問題出出現(xiàn)的的總體體或根根本原原因1.4傳統(tǒng)技技術與與現(xiàn)實實需要要的矛矛盾1.4.1基本概概念現(xiàn)場設設計圖圖與施施工照照片。。炮眼的的種類類和作用(常規(guī)斷斷面)(1)掏槽眼(孔)(2)輔助眼(孔)(多種叫叫法)輔掏、掘掘進(3)周邊眼(孔)1.4.2開挖方方法本本身導致系統(tǒng)性性超欠挖問題題圍巖開挖側視圖圖(拱頂超超挖，，兩側側同理理)如下：：拱頂超超欠挖：：ShaL影響因因素：：1、鉆孔孔位置置是否否精確確，h；h也能一一定程程度控控制超超欠挖挖。ShaL3、循環(huán)環(huán)進尺尺L；4、施工工控制制質(zhì)量量，如如孔底底集中中裝藥藥導致致能量量不均均勻。。2、支護護緊跟跟影響鉆孔空空間和和鉆孔孔角度度，外插插角偏偏大。一、某隧道進口1、工程難點(1)水平巖巖層(2)炭質(zhì)頁巖(3)巖溶發(fā)發(fā)育，涌水10萬m3/d(4)下穿高高速公公路，，垂直直距離離30m。1.5現(xiàn)場施工控制不不力(舉例說說明)隧道進進口傾斜巖層—爆破控控制非非常困困難，，很容容易頂部和拱肩垮塌造造成嚴嚴重超超挖！！黑色的的炭質(zhì)頁巖巖—潛在有有害氣氣體2、爆破破施工基基本參數(shù)現(xiàn)場施施工人人員描描述(無正式式爆破破設計計)循環(huán)進進尺2.0m；(3)掏槽眼眼長度度4.0m(4)周邊眼眼間距距小于于40cm(5)裝藥量量不合合理?。魏?、、斷面面S、裝藥藥系數(shù)數(shù)(0.25?)。(2)左側縱縱向測測距達達3m；3、爆破破不良良后果果左側初初支背背后脫脫空—超挖嚴嚴重；周邊眼眼底部部裝藥藥—容易出出問題題頂部脫脫空嚴嚴重(超過50cm)—超挖；掌子面面中部部凸出出超過過60cm；爆后剩剩余掏掏槽眼眼深度度達90cm。二、某隧道進進口1、工程難點紅砂巖—遇水軟軟化，，不利利于爆爆破，，但目目前未未見水水。水平巖層2、爆破施工基本參數(shù)現(xiàn)場施工人人員描述結果：循環(huán)進尺2.5m—與支護間距距1m不匹配；斷面面積及及體積不清清(3)掏槽眼長度度2.8m—肯定不對??！(4)周邊眼間距距小于40cm，裝藥1.5/1.0卷—不合理。(5)總裝藥量56Kg不合理！—如何校核藥藥量？3、爆破不良良后果(1)左側和頂部部欠挖嚴重，必必須二次處處理；(2)右側邊墻欠欠挖嚴重，必須須二次處理理；欠挖會導致二襯襯厚度不足足，后續(xù)交交工困難??！(3)掌子面中部部凸出超過過50cm；(4)左側縱向測距達達3m。三、另例：：隧道進出口1、工程難點紅砂巖—遇水軟化，，不利于爆爆破，但目目前未見水水。水平巖層淺埋—自重隧道出口紅砂巖—遇水軟化，，不利于爆爆破，但目目前未見水水。水平巖層—加大超挖量量(含不住)和圍巖穩(wěn)定定2、爆破不良良后果(1)超挖嚴重！！(2)掌子面中部部凸出超過過80cm；以大斷面隧隧道為例1.6.1技術把握1、掌握不好好有哪些方方面？1.6傳統(tǒng)技術掌掌握不好或或技術(故意)退化經(jīng)常會出現(xiàn)現(xiàn)什么問題？(1)兩個掏槽口！(2)槽口太大！(3)炮眼交叉！(4)全部斜眼！2、不良后果果有哪些？？(1)楔形體出不不來(2)鍋底且碎裂裂(3)底欠挖口超超挖(4)口欠挖底超挖3、正確的隧隧道爆破設計成果注意掏槽、輔助助和周邊眼的布布置方法：(1)正視圖(掏槽等)；(2)俯視圖。掏槽炮眼的的標準設計計方法(手冊和規(guī)范范)1.6.2技術主觀故意退化1、基本不做做設計如外委后技術力量太差！無設計或或設計僅為為走形式，，甚至不會會。即使包包給爆破公公司，也。。2、爆破器材材不到位如只有部分分段別雷管管、無導爆爆索、無小小藥卷。3、技術主觀觀故意退化如不堵塞，，周邊眼不不用竹片？？也沒有““不耦合””裝藥！周邊眼間隔裝藥結構—無導爆索！！連續(xù)裝藥結構示意圖—小藥卷！必須采用竹竹片(時間更長)，但與大斷斷面隧道快快速掘進理理念矛盾??！1.7現(xiàn)有的技術水平本本身不足1.7.1傳統(tǒng)隧道爆爆破解決質(zhì)質(zhì)量問題有待改進傳統(tǒng)的隧道道光面爆破破技術本身身是不存在在問題，但但就目前而而言，逐漸漸不適應新時時代的發(fā)展展要求。1、大斷面隧隧道掏槽布布置與施工工問題如臺車太寬(6m)，怎么辦？？2、大斷面大量炮眼堵塞問問題如不堵炮眼—計算效益，，可加快2~3小時。3、高鐵的新新要求，壓壓力要求結結構強度高高。—不能欠挖，，更不能超超挖后脫空！假設隧道施工質(zhì)質(zhì)量得不到到保障，如頂頂部有脫空空(如滬昆高鐵鐵崗烏隧道道)、空洞或不不密實，則則可能會出大問題。普鐵隧道：列車速度不不高，空氣氣壓力不大大，不會出出問題。高鐵隧道：列車進洞時正高高壓、出洞洞時負高壓壓，頻繁壓壓拉后，對對隧道影響響非常大，，搞得不好好就會混凝凝土碎裂掉掉塊，擊打打高速列出出，后果不不堪設想。一旦出事，，肯定會超超過甬臺溫溫高鐵撞車車事件(空間小、救救援困難—非常擔心隱隱藏的襯砌砌質(zhì)量問題題)。1.7.2傳統(tǒng)技術可能的改進方法要很好地控制隧道超欠挖問題，潛在的改進方法有以下幾種：1、確保鉆孔位置合理

周邊孔孔口與開挖輪廓線的距離要根據(jù)巖石的軟硬程度（f值）來定：一般軟巖10~15cm，以利于鉆孔（鉆直孔）；中硬巖為5cm（鉆直孔）；硬巖為0cm（鉆斜孔，孔底向外偏斜10cm）。也就是

中的h

問題！2、支護適當當滯后：3~9m？—須結合圍巖巖條件確定定3、循環(huán)進尺尺合理：進尺、進度度與超欠挖挖的博弈??！4、半邊孔跡跡率保證：：小藥卷、、分散裝藥藥、竹片。。5、長短孔控控制技術短孔長孔長短孔光面面爆破孔口口放樣定點點現(xiàn)場長短孔孔鉆鑿作業(yè)業(yè)長短孔導爆爆索連接以節(jié)能環(huán)保隧道水壓爆破技術為例。。與傳統(tǒng)技術術根本區(qū)別在于炮眼裝裝藥結構。1.7.3新技術開發(fā)發(fā)必須跟上上現(xiàn)實需要要隧道掘進節(jié)節(jié)能環(huán)保爆爆破炮眼裝裝藥結構往炮眼一定位位置注入一一定量的水水，產(chǎn)生““水楔”和降塵作用；在孔孔口位置用用專用設備備加工而成成的“炮泥”進行回填填堵塞，充充分利用爆爆炸氣體膨膨脹以加強強巖石破碎碎效果。這這種炮眼裝裝藥結構的的工程爆破破被稱為““節(jié)能環(huán)保水水壓爆破”。“節(jié)能環(huán)保水水壓爆破””的作用—優(yōu)點：與常規(guī)爆破破相比其具具有顯著的的“三提高高一保護””的作用。。三提高：提高了炸藥藥能量的利利用率，即即節(jié)省炸藥藥；提高了了施工效率率，即加快快了施工進進度；提高高了經(jīng)濟與與社會效益益。一保護：大大降低粉粉塵含量對對環(huán)境的污污染，保護護了施工人人員的身體體健康。2、不足及其其需要改進進的地方水壓爆破的概念(2)可操作性有有待改進操作復雜、增加加人員、增增加成本、、施做時間間超出傳統(tǒng)統(tǒng)爆破施工太大，導致現(xiàn)現(xiàn)場施工人人員不愿用。需要專用的的水袋機、、炮泥機。。很多鐵路線線全面推廣：結果：不愿意用，，堆在洞口口！應付檢檢查！就像像傳統(tǒng)的竹竹片光面爆爆破一樣，，不用！1.8設計與施工工模式問題題從總體看，，掏槽及周邊光面面爆破都是是傳統(tǒng)技術術，實際爆破效果及隧道道輪廓線控控制效果均均有很大不不足?！仨殗栏癜殃P傳傳統(tǒng)技術或或研發(fā)新技技術！1、設計存在問題隧道爆破設計往往往都是走形式，一張圖紙從從隧道頭用用到隧道結束，對實際施工爆爆破基本上上起不到指指導作用。因為隧道爆破必必須依據(jù)隧隧道圍巖地地質(zhì)條件、、斷面形狀狀與尺寸(隧道不同圍圍巖級別下下，設計院院為了控制制預留變形形量要求開開挖的輪廓廓線大小是不一致的)、水文及支支護條件等等都是隨時時變化的，不能一成不不變。特別是遭遇遇下穿或跨跨越既有鐵鐵路或高速速公路，必必須要做好好設計！為什么會出現(xiàn)這種種情況？當當前施工單單位缺乏設設計人員，，大多數(shù)技技術人員不不懂爆破，，全部依靠靠施工隊伍伍，導致基基本上不做做施工設計計，僅由施工隊伍自自己憑經(jīng)驗驗施工，也也即農(nóng)民工工除了做了了現(xiàn)場操作作的工作還還做了本應應技術人員員做的設計計工作，即使施工單單位做了爆爆破設計，基本上是應付交差差的?！仨毟母淖冞@種模模式！但又不能增增加施工單單位的麻煩煩！2、施工控制存在的問題鉆孔定位很隨意，孔位不準，即使施工單位做做了爆破設設計，也不一定有好好結果?！仨氂泻芎玫亩ㄎ惑w系系，包括設計計圖紙如何何定位到現(xiàn)現(xiàn)場、現(xiàn)場場定位后如如何控制炮炮孔不走樣樣，如炮孔孔不偏斜等等！三臂臺車很好，但大大多隧道配配備不了！！3、大斷面隧隧道發(fā)展要要求新技術必須須有效、好操作，時間間要快，所所需時間最最起碼不超超過傳統(tǒng)技技術！4、信息化趨勢帶來的的問題如BIM趨勢不可逆逆轉，無論論你喜不喜喜歡！隧道信息化時代代的迅猛推推進，BIM由“十二五”計劃起步到到目前“十三五”的全面發(fā)展展，爆破數(shù)數(shù)據(jù)信息化化趨勢不可可阻擋。目目前已經(jīng)有有兩個平臺臺，一是中中國鐵道科科學院建設設的鐵路建建設管理平平臺，二是是各條線路路(包括鐵路、、公路、水水利、城市市地鐵)都必須構建建的BIM平臺，如張吉懷高鐵鐵等?！o各個施工工單位帶來來了極大的的麻煩和挑挑戰(zhàn)！2011年5月，住房城鄉(xiāng)鄉(xiāng)建設部正正式發(fā)布““十二五””建筑業(yè)信信息化發(fā)展展綱要，明明確指出加加快建筑信信息模型(BIM)、基于網(wǎng)絡的的協(xié)同工作作等新技術術在工程中中的應用，，以改進傳統(tǒng)的生產(chǎn)產(chǎn)方式和管管理模式，，提升企業(yè)業(yè)的生產(chǎn)效效率和管理理水平。BIM將成為下一一個十年(2011年～2020年)建筑業(yè)信息化發(fā)展展最重要的的關鍵詞。必須完成的的任務：這些平臺要要求所有施施工數(shù)據(jù)進進入平臺系系統(tǒng)。如果完全這這樣做，施施工單位基基本上是無無法做到數(shù)數(shù)據(jù)全面準準確的，一一旦出現(xiàn)問問題，就會會追究他們們的責任。。但要完成這這個任務非非常困難：：要保證做好好，則增加加10多個技術人員員也完成不了了這個任務，，因為即使爆爆破專家，要要做一個爆破破設計也要一個上午甚至一天天，現(xiàn)場等不不了，何況還還要收集數(shù)據(jù)據(jù)傳送到平臺臺，爆破數(shù)據(jù)據(jù)上平臺人工工操作非常困困難。誰受益？給我們們帶來的問題題：更麻煩了了！數(shù)據(jù)輸入◆什么是BIM？BuildingInformationModeling建筑信息模型◆總體如何做？？(1)技術層面創(chuàng)建大型數(shù)據(jù)據(jù)庫+數(shù)據(jù)庫管理(平臺)—給每個使用單單位預留接口口，由上層統(tǒng)統(tǒng)一管理(2)大型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)創(chuàng)建與管理層層面—應該由業(yè)主—如何牽頭？—顧問公司：數(shù)據(jù)庫、平平臺、培訓(如數(shù)據(jù)標準)(3)自動化與智能能化是唯一出出路或發(fā)展趨趨勢！第二部分土木工程施工技術發(fā)展展新趨勢(他山之石)1、中外對比發(fā)發(fā)展(1)傳統(tǒng)土木工程程技術◆美國已經(jīng)完成成(例1：工程少—公路已全面、、東西鐵路困困難)，早就進入了了高科技時代代?？屏_拉多大峽峽谷(2014-9-4)例2：看“男人的最最愛”?紐約最著名的三座座大橋。布魯克林大橋橋威廉斯堡大橋橋曼哈頓大橋金門大橋另例1：地鐵舊，建mall慢(不加班)。另例2：美國東西線高高鐵建設困難難！◆中國發(fā)展，實實際已超越，，但高科技較較差。港珠澳大橋，49.968公里青島海灣大橋，36.48公里杭州灣跨海大橋36公里瓊州海峽跨海海通道：隧道方案，全全長28公里，投資額額至多1500億元人民幣?！~約小隧道渤海灣跨海大大橋和隧道，2000~3000億。另，京臺高鐵。例3：中國長沙建樓樓房。中國速度驚呆呆美國人：湖湖南長沙19天建成57層高樓“小天城”。。(2)土木工程交叉叉科學與技術術◆高科技MIT校園10號建筑物及其其沉降曲線該建筑在1915年建成后的10年中，一直以以較大的速率率沉降，并引引起相當大的的驚慌。Terzaghi于1925年首次到美國國后，通過檢檢查和分析，