論隧道施工關鍵要素

隧道施工的關鍵要素中鐵二十局集團公司吳應明2005年9月1、前言

隧道施工的終極目的是“貫通”，因此，不論采取何種方案都局限在“鑿巖出碴、襯砌”這個范圍內。故而，施工方案確定后，開挖、支護、通風、道路和襯砌等各工序工藝是否科學，直接影響到施工的安全、質量和經(jīng)濟效益。

2、隧道工程施工的關鍵要素2.1、開挖開挖是關鍵

開挖工作是隧道施工的第一流程，開挖工作的優(yōu)越與否直接影響隧道施工的安全、質量和效益。提高光面爆破，可以減少對圍巖的擾動，減少應力集中，有利于自然拱的形成，便于噴砼工藝，因此，隧道施工安全的關鍵是開挖。

良好的光面爆破可以減少超欠挖，這樣減少了欠挖處理及超挖石碴的外運量，減少襯砌時砼的回填量，而且砼襯砌厚度均勻減少了應力集中。因此，開挖也是影響隧道襯砌工作的關鍵。之所以說開挖是關鍵，還在于開挖決定了隧道的初始幾何尺寸，表明了隧道的貫通及誤差，一旦開挖出了問題，其它后續(xù)工序也就失去了意義。從目前國際國內隧道施工的現(xiàn)狀及以后的發(fā)展趨勢看，掘進機與鉆爆法將長期并存，我國掘進機事業(yè)開始于20世紀60年代，至今已走過了近40年的歷程?；仡櫩偨Y這段發(fā)展史，可分為四個階段；1)、20世紀60年代為科研階段，起步研制國產掘進機；2）、20世紀70年代，國產掘進機進行工業(yè)性實驗；3）、20世紀80年代，引進國外二手掘進機用于國內施工；4）、20世紀90年代，引進國外最先進的掘進機和管理用于國內施工。在此，我們簡單介紹TBM及盾構的工作原理：

2.1.1、TBM刀具的破巖機理

滾刀在刀盤上以一定的刀間距分布，掘進時刀盤在驅動裝置的帶動下勻速旋轉，同時啟動推進油缸使?jié)L刀以一定的力作用在開挖面的巖面上。滾刀隨刀盤的旋轉在巖石磨檫作用下在開挖面滾動，當滾刀作用在巖石上的壓力大于巖石的強度時，巖石被破壞剝落。巖石在滾刀正應力破壞的同時刀刃沿部分的巖石在應變時產生龜裂，刀盤進一步頂壓，使得滾刀更加深入巖層，從而在巖層表面部分產生張力，導致龜裂向更深更遠處進一步的增加，使相鄰刀具作用軌跡之間的巖石剝落，從而實現(xiàn)TBM的開挖掘進（如圖）。

從以上分析得出，在巖體完整均一的情況下，產生的巖碴有兩種狀態(tài)：一種是刀刃直接作用下破碎的粉狀、砂狀和粒狀的巖石，其直徑大多在5mm以下；一種是受刀具間接作用剪切拉伸破壞下的塊狀、片狀的巖石。如果巖體節(jié)理發(fā)育或有大量原始裂縫，在滾刀作用下巖碴的狀態(tài)會有很大的變化。

2.1.2、盾構的工作原理

現(xiàn)在較常用的盾構為組合盾構，其特點是自身能前進，不需要以襯砌環(huán)做后座，不用支配式的襯砌管片，可以用現(xiàn)澆的鋼筋砼襯砌。它吸取了自進和任意組合靈活性好的優(yōu)點，克除了體積大、推進較難等缺點。它的工作原理是：滑動護板寬約（坑道的橫向）0.8～1.2m、長約（坑道的縱向）7m，與護板座組合成基本單元體，護板與護板座只能前后伸縮滑動，根據(jù)坑道的形狀和大小的需要沿著坑道邊界布置，護板座聯(lián)成一個整體，組成為滑動護板自進盾構體。

它是通過每個滑動護板逐個前進而向前推進，當全部護板前進完畢后，再將護板座拉向前進，至此使整個滑動護板盾構體前進一個進程。在他的保護下前部可以挖土并將土運走，而掘進后的尾部空間，此時滑動護板的尾部又是一個外模板，可以在它的保護下綁扎鋼筋、立內模和端模并澆注砼。機械掘進速度快、質量好，但成本高，對操作人員及地質條件要求高，但其發(fā)展前景廣泛；目前在我國隧道施工中鉆爆法仍占主導地位。在渝懷、宜萬、內昆、云萬、萬開等絕大多數(shù)鐵路和公路隧道施工中，均采用鉆爆法開挖。2.1.3、鉆爆法開挖隧道開挖關鍵是光面爆破的控制，光爆控制好，可以減少超欠挖，減少對巖體的擾動，減少砼回填，節(jié)約成本；光爆效果控制的好壞跟開挖方式、鉆孔設備及爆破參數(shù)的設計等因素有關。針對不同地質及地質變化多和跨度變化大的特點，渝懷鐵路開挖采取了多種施工方案，并根據(jù)地質變化適時改變開挖方案和各種參數(shù)。開挖Ⅳ、Ⅴ類（Ⅱ、Ⅲ級）圍巖段采用全斷面法，Ⅱ、Ⅲ類（Ⅳ、Ⅴ級）圍巖段采用正臺階法，少數(shù)隧道采用中壁法開挖。中鐵十二局在施工涪陵隧道過程中采用了小導洞壓頂法開挖，即先在隧道下半斷面施作小導洞（基本采用平導斷面尺寸），小導洞超前大于10m，預留光爆層，周邊一次性爆破，全斷面光面爆破效果有很大的提高。

鉆孔設備的選擇對光面爆破的效果起重要作用，渝懷鐵路隧道開挖絕大多數(shù)采用人工開挖的方式，因此，操作手的經(jīng)驗及熟練程度至關重要，中鐵二十局在施工枳城隧道前對操作人員進行了崗前培訓，操作人員在施鉆時抓住了“準、平、齊、直”的要點，同時對風槍進行了適當改進，改造了部分風槍油壺的位置，減少了鉆爆形成的臺階，拱頂和邊墻光面爆破均達到了很高的水準。

爆破參數(shù)設計是光爆控制的重要環(huán)節(jié)，在綜合考慮圍巖狀況、巖石整體性好壞、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律等多方面因素后，精確合理的設計爆破參數(shù)，降低工料消耗，提高光面爆破效果。

渝懷鐵路個別隧道跨度大、截面變化多，中鐵十六局施工的旗號嶺隧道進口段352米大跨度，最大跨度20.04米。有12個變截面，而且大跨段部分地質條件極為復雜，擠壓嚴重，圍巖穩(wěn)定性差，溶洞多，他們結合已有的的大跨度變截面施工經(jīng)驗，經(jīng)過精確檢算，將原設計的中壁法和雙側壁法開挖改為三臺階七步平行法開挖，仰拱超前、襯砌緊跟，大大加快了進度，安全、順利地完成大跨段施工。2.1.4、開挖中應著重注意的問題

開挖中最重要的一點就是防塌。山嶺隧道施工絕大部分采用傳統(tǒng)的施工方法——鉆爆法施工。鉆爆法施工的山嶺隧道由于受炸藥爆破震動的影響，破壞了原有巖體內部受力平衡，當施工方法不當或支護不力時，圍巖就會因失穩(wěn)而發(fā)生坍塌。因此，采用鉆爆發(fā)施工的山嶺隧道如何防止坍方是確保隧道施工安全和工程質量的關鍵，也是獲得良好效益和信譽的保證。

（1）、易發(fā)生坍方的地形和部位

在山區(qū)修建隧道（交通隧道，水工隧洞等），由于隧道穿越地區(qū)工程地質和水文地質的復雜多變，決定了山嶺隧道的施工難度。下面列舉容易發(fā)生塌方的地段和部位，以便遇到類似情況時能引起高度重視。

a.容易發(fā)生塌方的地段

埋深較淺地段：山嶺隧道埋深在200米以下時，圍巖由于受到地表水侵蝕，巖層風化嚴重，如施工不當易發(fā)生塌方。斷層破碎帶及斷層影響帶：因其圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，并含有大量的填充物和地下水，如施工不當易發(fā)生塌方。巖層接觸帶：因其巖層不同，且大多伴有小構造，如重視不夠可能會發(fā)生塌方。高應力地段：在軟質圍巖中，由于受到高地應力的影響，圍巖變形較大，若支護不力極易發(fā)生坍方。在高水位富水地段：巖溶呈不規(guī)律性分布，隨時遇到意想不到的溶洞，若防備不及，溶洞內的填充物涌出或坍塌，也會給工程造成不利的影響。

b.容易發(fā)生坍方的部位

隧道洞口：隧道洞口集埋深淺、石質較差、受力結構復雜等不利因素于一體，處理不當極易發(fā)生坍方。隧道拱腳：當采用半斷面施工開挖下半斷面時，若拱腳支護不力，極易造成坍方。隧道墻腳：當進行檢底施工時，措施不當墻腳懸空時，致使邊墻失穩(wěn)而發(fā)生偏幫。隧道拱部：地質條件較差，拱部變形較大，支護強度不足時，易發(fā)生拱部坍塌。隧道與隧道的交叉部位，即主洞與支洞交叉的部位，也就是通常所說的交叉三角區(qū)，如果處理不當，支護不力，極易發(fā)生坍方。在水平巖層或近似水平巖層中，拱部易發(fā)生掉頂；在垂直巖層或近似垂直巖層中，邊墻易發(fā)生偏幫。（2）、預防措施

在山嶺隧道施工中，如果施工方法及支護手段使用不當，不僅不能加快施工進度，而且也不能保證工程質量和施工安全，易造成坍方。i、常用的施工方法如何選擇安全、合理、實用的施工方法與圍巖級別和隧道斷面大小密切相關，如施工方法選擇不當，就有可能在施工時造成坍方。各種施工方法在不同圍巖和隧道中適用情況詳見下表：

施工方法適用表

圍巖級別

施工方法隧道斷面全斷面法

正臺階法

單側壁導坑法

雙側壁導坑法

中導坑法

Ⅰ～Ⅱ

60m2以下

首選首選60m2～90m2

首選首選90m2以下

首選首選Ⅲ

60m2以下首選首選60m2～90m2首選首選90m2以下首選首選Ⅳ

60m2以下首選首選60m2～90m2可用首選可用90m2以下首選可用首選施工方法適用表

（續(xù)）圍巖級別

施工方法隧道斷面

全斷面法

正臺階法

單側壁導坑法

雙側壁導坑法

中導坑法

Ⅴ～Ⅵ60m2以下

首選附注：僅適用于有輔助導坑的隧道。60m2～90m2

首選可用90m2以下

首選簡圖其他施工方法

在山嶺隧道施工中，也曾出現(xiàn)過其他一些施工方法，隨著隧道施工技術和機械化程度的不斷提高和完善，有些施工方法過于陳舊老化，難于滿足施工安全的需求，且不利于施工速度和工程質量的提高，已在現(xiàn)代隧道施工中被逐步淘汰，如漏斗棚架法、半斷面法、先拱后墻法、先墻后拱法。

ii、采用正確的支護手段

除了施工方法安全合理實用外，采用合理、經(jīng)濟的施工支護手段也是防止隧道坍方的關鍵。施工支護手段與圍巖級別及隧道斷面大小密切相關。在現(xiàn)代隧道施工中，普遍采用的施工支護手段有：噴混凝土、錨桿、鋼支撐、超前錨桿、混凝土襯砌等。在隧道施工中，應根據(jù)實際工程地質及水文地質情況，選擇經(jīng)濟、合理符合設計及規(guī)范要求、滿足施工安全的支護措施。iii、采用超前地質預報及監(jiān)控量測技術提供防坍信息

現(xiàn)代隧道施工中，利用先進的信息技術，及時反饋地質變化情況和支護受力變形情況，適時調整施工方法和支護手段，準備預防應急措施，避免坍方施工的發(fā)生，確保施工安全。在目前隧道施工中，一般采用超前地質預探探報技術、監(jiān)控量測技術等手段預報隧道開挖前方工程地質和水文地質情況，監(jiān)測支護結構受力變形情況，為設計變更及施工中采取相應的施工方法和支護手段提供依據(jù)。

前面我們就隧道施工中開挖的關鍵性及方法我們做了簡單闡述，下面我們再介紹隧道施工的第二個要素——支護。

2.2、支護支護是保證支護是安全的保證。隧道支護應根據(jù)不同的圍巖類別及地質狀況進行施作，對洞口存在堆積體、滑坡體、淺埋及軟弱地層等不良地質隧道，如中鐵二十局施工羊角磧隧道采用了大管棚、小導管注漿超前支護，地表注漿加固及地面旋噴樁加固等措施。部分隧道洞口設置抗滑樁保證坡體的整體穩(wěn)定，進洞后盡快施做洞門，確保進洞洞口安全；洞內軟弱地層地段以錨、噴、網(wǎng)為主要支護手段，必要時加格柵鋼架，強化支護措施，同時減少對巖體的擾動，抑制圍巖過度松弛變形，確保洞內施工安全。

有效的支護是隧道快速推進的保證?，F(xiàn)在的隧道施工中除了上述的支護方式外還有噴微纖維砼、噴細鋼絲砼等支護方法，不論那種支護方法，在實施中必須按照要求認真施做。渝懷鐵路白馬二號隧道施工中遇到填充性溶洞，按要求采用小導管超前注漿及格柵鋼架、噴砼聯(lián)合支護的形式，但在施工過程中發(fā)現(xiàn)超前小導管未注漿、結果導致了坍方，造成了不必要的損失，也影響了施工進度；在隨后的處理過程中，施工人員認真總結教訓，嚴格按照技術要求施工，順利通過了該區(qū)間。

筆者曾在成都西嶺雪山隧道施工中遇到同樣的問題：該隧道的支護以格柵鋼架、噴砼為主，輔以少量的錨桿。由于種種原因，隧道進口停工近九個月，重新開工后發(fā)現(xiàn)原有的噴砼表面有裂縫（30米左右，無格柵鋼架），施工人員進行補噴后即開始正常掘進。但由于噴砼支護無法抑制圍巖的變動，而導致了大的坍方和亡人事故。如果開工后及時架設格柵鋼架，則這次事故完全可以避免。綜上所述，支護是隧道施工安全、進度的保證，必須高度重視。

2.3、通風

通風創(chuàng)效益長大隧道的通風問題一直是影響隧道施工進度的一大因素，因為每次通風時間越長，循環(huán)時間就相應加長，而且長時間的通風消耗的電量也是一筆不小的開支。因此，科學的解決好通風問題，不僅可以降低能耗，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，而且可以提高施工進度，降低機械設備的損耗，從而創(chuàng)造整體經(jīng)濟效益和社會效益。在長大隧道的施工方案確定上，通風問題歷來是重中之重，是施工單位高度重視的課題。目前隧道通風主要有以下幾種形式

2.3.1、獨頭通風

獨頭通風方式是目前采用的主要通風方式，又可分為壓出式通風和壓入式通風。（1）、壓出式通風（抽出式）“引大入秦”8#引水洞全長4000余米，單口長2000余米，無平導。當時采用1米直徑的硬質通風管，通風設備采用2×55km的日產通風機，通風機安裝在洞口，爆破后廢氣從通風管抽出洞外，新鮮空氣流經(jīng)全洞，效果很理想，通風時間由原來的（軟質通風管∮1000）的210分鐘縮短到30分鐘，不論從施工進度或經(jīng)濟效益方面都取得了滿意的效果，僅因通風時間的縮短而節(jié)約的電費再加上軟質通風管的費用即可滿足購置硬質通風管，當然硬質通風管也有其不便之處，那就是制作及安裝較困難。

（2）、壓入式通風壓入式通風也是隧道施工中常用的方式，其優(yōu)點是掌子面空氣新鮮，有利于施工人員工作，其關鍵是計算通風量及風管、設備等，現(xiàn)以渝懷鐵路枳城隧道為例簡要介紹其計算方法：

通風標準：

最低風速：大于0.25米/秒氧氣含量：按體積不小于20%一氧化碳最高允許濃度：30mg/m3二氧化碳：按體積不小于1.5%氮氧化物：（換算成NO2）為5mg/m3以下粉塵最高允許濃度：每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg洞內氣溫：小于28℃通風方式采用管道壓入式通風作為主要通風方式，即在洞口安裝通風機，通過風管向洞內工作面壓入新鮮風流，污風從隧道排出洞外。風量計算按以下三方面因素考慮，取最大值。

1、按洞內同一時間內最多人數(shù)計算Q=3km(m3/min)式中3——每人每分鐘所需新鮮空氣(m3/min)k--——風量備用系數(shù)，取1.1～1.25；

m——同一時間洞內最多人數(shù)，取100。計算得Q=360m3/min。2、按稀釋和排除炮煙所需風量：

Q=7.5/t×A×(SL)2

式中t——放炮后吹散炮煙所需時間，取30分鐘；A——全斷面爆破炸藥量，取227kg（按一次爆破最大用藥量考慮）；S——隧道開挖凈斷面，取52m2； L——掘進隧道的獨頭部分長度，取300米。計算得Q=770m3/min。

3、按隧道允許最低風速所需風量：Q=60V小S式中V小——隧道允許最低風速，取0.25m/s；S——隧道開挖凈斷面，取52m2；計算得Q=780m3/min。取最大值Q=780m3/min。考慮風阻和漏風因素，洞內風量應取大于1000m3/min。

設備配置

選用天津通風機廠生產的TZ——100型子午加速式軸流通風機，配以∮1200軟質風管向洞內壓風。該型風機功率為55kw，全壓2400pa，流量可達1050m3/min。采用∮1200軟質雙抗（抗燃燒、抗靜電）風管，每節(jié)20米。我局曾在多座隧道使用，具有風阻小、漏風低，強度高等優(yōu)點。通風操作要求

為減少風阻，風管接頭要密封，吊掛要平直，避免出現(xiàn)褶皺。在施工中要及時接長風管，風管末端距工作面距離不應超過15米。在襯砌臺車上設置∮1400的剛性圈，風管從中穿過，在臺車移動時便于風管調整理順。

2.3.2、巷道通風

利用平行導坑作主要回風道。巷道式通風的最大優(yōu)點是在最短的時間內使正洞空氣清新，采用這種方式通風應注意以下兩個問題：（1）橫通道應隨導坑的前進及時封閉，一般保留不超過三個。（2）平行導坑口應設兩道風門，橫通道設一道風門，風門應保持密封，盡量做到不漏風。渝懷鐵路枳城隧道出口采用巷道式通風，效果比較理想。2.4、道路

道路造環(huán)境渝懷鐵路隧道仰拱和鋪底施工采取了超前施做的原則。仰拱和鋪底超前較好地防止圍巖過度松弛變形，對保證施工安全、消除安全隱患起到重要作用，同時極大地改善了洞內環(huán)境，提高了洞內文明施工程度。我公司在施工隧道仰拱和鋪底時，鋪設10～12米跳板過渡，既保證了仰拱和鋪底的施工質量，又不影響洞內其它工序施工。仰拱和鋪底超前是值得推廣的施工方案，關鍵是采取合適的方案避開與其它工序的干擾。

2.5、襯砌

襯砌樹形象。襯砌是工程