国内外长大隧道综述与展

国内外长大隧道施工技术地综述与展望宋战平吴焕通二00九年三月摘要：当前,山岭隧道和其他地下工程是人类向自然界要空间.进行资源开发地主要方向之一,“上天入地”是人类向立体空间发展地必然趋势.21 世纪世界隧道与地下空间地开发必将出现大量地长大隧道工程.本文对国内外长大隧道工程及长大隧道工程地施工技术现状.取得地成就及发展趋势进行了综合分析.系统介绍了山岭隧道施工理念和山岭隧道防排水指导原则,长大山岭隧道地施工开挖技术现状.发展和山岭隧道支护技术现状.发展；讨论了长大隧道通风技术现状和山岭隧道地施工机械配置,指出了山岭隧道施工技术地发展现状；基于以上地分析,结合我国山岭隧道施工技术现状,展望了对21 世纪长大山岭隧道地施工技术地发展趋势.关键词：隧道工程；山岭隧道；施工技术；发展和展望0 前言当前,山岭隧道和其他地下工程是人类向自然界要空间.进行资源开发地主要方向之一,“上天入地”是人类向立体空间发展地必然趋势.中国是一个多山地国家,高速.准高速铁路.公路地发展和建设是中国21 世纪地特色；21 世纪地中国必然将出现大量地隧道工程,长大隧道地建设势在必行.长大隧道地修建给我们带来了无限地机遇和挑战,为能更好地适应当前隧道施工技术地发展,提高我局长大隧道施工技术水平,以便在今后地长大隧道施工中能更好地.全面开发和应用新原理.新技术.新设备.新方法.新工艺.新材料,迎接21 世纪山岭隧道大发展地到来,深入了解当前国内外长大隧道施工技术现状,把握国内外长大隧道施工技术发展是十分必要地.1 国内外长大隧道建设1.1国外长大隧道建设隧道是一种修建在地下,两端有出入口,供车辆.行人.水流及管线等通行地工程建筑物.OECD （国际经济合作与发展组织）1970 年隧道会议综合各种因素对隧道所下地定义：“以某种用途. 在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑地断面积大于2m i地洞室.”均称之为隧道•近代隧道兴起于十七世纪地运河时代,从这一时期起,欧洲陆续修建了许多运河隧道.1820 年前后,随着铁路运输地兴起,英国.法国等欧洲,然后是美国和明治维新后地日本先后开始修建铁路隧道. 在19世纪60年代以前,修建地隧道都用人工凿孔和黑火药爆破方法施工.1861 年修建穿越阿尔卑斯山脉地仙尼斯峰铁路隧道时,首次应用风动凿岩机代替人工凿孔.1867 年修建美国胡萨克铁路隧道时,开始采用硝化甘油炸药代替黑火药,使隧道施工技术及速度得到进一步发展.在20世纪初期,欧洲和北美洲一些国家铁路形成铁路网,建成地5公里以上长隧道有20座.20世纪60年代以来,隧道机械化施工水平有很大提高,全断面液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道施工.其后,喷锚技术地发展和新奥法地应用更是为隧道工程开辟了新地途径,而隧道掘进机地采用则彻底改变了隧道开挖地钻爆方式.据2000 年地统计数据,世界隧道主要分布在中国.日本.意大利.法国.美国.英国.挪威.瑞士.德国. 奥地利和加拿大等国,其中,有超过总长1/3 地隧道是本世纪五十年代后在中国和日本地铁路线上建成地.日本在20世纪70年代末之前共建成 5公里以上地长隧道达 60座,为当时世界上铁路 长隧道最多地国家 ，1981年建成地长 22228M 地大清水双线隧道，为当时世界最长地山岭铁路隧道；其后建成地长53850M 地青函海底隧道为当今世界最长地海底铁路隧道1・2国内长大隧道建设我国第一条铁路隧道是1890年建成地台湾狮球岭隧道，1903年建成第一座长度超过 3Km 地兴安岭隧道•截止2003年年底地统计资料表明，中国大陆上已建成地铁路隧道有7400余座；公路隧道 1970余座•在“十五”期间，我国铁路•公路•水利等领域将建造总长超过3000km 地隧道工程，其中长 度大于10km 地隧道约占10%.因此，中国是当前世界上隧道工程最多•最复杂•今后发展最快地国家.中国大陆山岭隧道施工大致经历了上个世纪五十年代以前地以钢钎•铁锤和人力斗车为代表地“人力开挖时代”；六•七十年代以手持风钻•风动装岩机和电瓶机车•斗式矿车为代表地“小型机械 化施工时代” .1956前后建设地 2km 长地宝成铁路秦岭隧道施工中首次使用风动凿岩机和轨行式 矿车，是中国大陆隧道施工由“人力开挖”过渡到“机械开挖”时代地标志 ・1970年前后成昆铁路隧道基本上都按照 “大瑶山模式”进行施工，且在南昆铁路长9 388 mM 地花岭隧道施工中创造了单 口月成洞502.2 m 地山岭隧道施工记录•以九十年代西康铁路秦岭1号线隧道采用大型全断面隧道掘进机（TBM ）为代表，我国隧道建设步入了现代隧道修建技术阶段 •秦岭隧道1号线采用8・8 m 直径地全 断面掘进机创造了单口平均月进度312m ，最高月进尺528m,单口最高日进尺40・5m 地掘进记录•秦岭1号隧道地成功改变了中国大陆长大山岭隧道施工中采用钻爆法为唯一手段地施工现状，标志着我国隧道建设进入了“现代隧道修建技术时代”•2・长大隧道施工技术现状及发展就当前国内外长大隧道施工技术而言 ，隧道施工方法，除钻爆法与掘进机法外，在一些特殊条件下,还可采用其它一些施工方法，常见隧道施工方法见图 1所示•但就世界范围内地隧道建设总体而言 当前量大面广地仍然是采用矿山法•中国大陆矿山法隧道施工在施工机械化程度•修建速度•长大隧道地修建能力（包括独头通风深度）等方面均同国际先进水平相差无几•2.1隧道分类及相关概念根据其所在位置可分为山岭隧道 •水下隧道和城市隧道三大类 •为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越地称为山岭隧道；为穿越河流或海峡而从河下或海底通过地称为水下隧道；为适应铁路通过大城市地需要而在城市地下穿越地称为城市隧道 •这三类隧道中修建大于6km 地关村坝等长隧道施工中采用轻 型“小型机械化”，创造了“百M 成洞”，标 志着中国大陆隧道建设进入了“机械化时 代” •八十年代修建长14.295 km 地大瑶山双 线隧道，采用了进口液压凿岩台车 •履带或轮 式装载机•轨行式扒装机和大型运输汽车 •组合列车等型机具综合机械化施工国隧道“大型机械化作业时代” 地开端•大瑶 山隧道地修建缩短了中国隧道同国际隧道 先进施工水平地差距•在此以后修建地长大山岭隧道施工方法矿山法（钻爆法）隧道施工方法』浅埋及软土隧道施工方 明挖法（ 盖挖法法浅埋暗挖法盾构法'沉土埋^法水底隧道施工方法'盾构法图1隧道施工方法最多地是山岭隧道•对山岭隧道，根据隧道长度将隧道区分为特长隧道（长度大于10Km）•长隧道（长度大于3Km）•中长隧道（长度大于500m）和短（长度小于500）;根据隧道开挖断面面积，以国际隧协建议标准将隧道分为特大断面隧道（开挖面积大于100m2）.大断面隧道（开挖面积50－100m2）. 中等断面隧道（开挖面积10-50m2）.极小断面隧道（开挖面积小于3m2）.根据以上概念，我国当前在建地长度大于3km 地铁路.公路双线隧道均属于长大隧道.这类隧道不但长度大，而且一般埋深也较大，且常常要穿越断层.涌水.高温.瓦斯.溶洞.暗河.岩爆.泥石流等水文地质及工程地质条件十分复杂而多变地地层.因此长大隧道地生产系统十分复杂，包含了开挖.运输. 衬砌.通风.风水管.供电.通讯.灾害防治和预警等子系统.2.2长大隧道施工理念及相关问题2.2.1矿山法隧道施工概念山岭隧道地常规施工方法又称为矿山法，因最早应用于采矿坑道而得名.在矿山法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法.从隧道工程地发展趋势来看，钻爆法仍将是今后山岭隧道最常用地开挖方法.在矿山法中，坑道开挖后地支护方法，大致可以分为钢木构件支撑（传统矿山法）和锚杆喷射混凝土支护（新奥法）两类.作为施工方法，人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑地施工方法称为“传统地矿山法” ；而将采用钻爆开挖加锚喷支护地施工方法称之为“新奥法”.我国从20 世纪60年代开始引用锚杆和喷射混凝土技术，近几十年来，通过工程实践积累了丰富地在不良地质等困难条件下用新奥法修建隧道工程地成功经验.2.2.2新奥法基本原理“新奥地利隧道修建方法”（NATM）简称“新奥法”地概念是奥地利学者腊布希维兹（L.V.Rabcewi⑵教授于20世纪50年代首先提出地•它是以既有隧道工程经验和岩体力学理论为基础,将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，通过监测控制围岩地变形，便于充分发挥围岩地自承能力地施工方法.经过奥地利.瑞典.意大利等国地许多隧道与地下工程实践和理论研究及科学论证,于20 世纪60 年代取得专利权并正式命名为新奥法（NATM）.之后新奥法在欧洲.美国.日本等国家地隧道和地下工程中获得了快速发展,已成为现代隧道工程新技术地标志之一.新奥法地核心是充分利用围岩地自承与自稳能力,开挖后及时锚喷（网）支护,封闭围岩,控制围岩变形.同时在施工中连续监测围岩动态,根据监测到地信息,随时调整设计.施工参数.因此,所谓新奥法不是单纯地开挖.支护地方法和顺序,而是按照实际观察到地围岩动态地各项指标来指导开挖隧道地方法,因此,新奥法应该理解为新奥法原则而不能将其片面理解为施工地一种方法.基于以上地理解, 可归纳新奥法地原则为充分保护.利用围岩自身地承载能力；其施工要点为控制爆破.锚喷支护和施工监测,其实施方法为设计.施工和监测三位一体地动态模式.中国在20 世纪70 年代末开始了解和接受新奥法地概念,从20 世纪80 年代开始在一些隧道地设计中贯彻了新奥法基本原理,采用了信息化设计方法,例如大瑶山隧道.南岭隧道.军都山隧道等.1988 年中国批准发布了《铁路隧道新奥法指南》,并编写了“喷锚技术法规则”等作业标准.随着新奥法基本原理在隧道工程实践中地应用,以及开挖方法.辅助工法.锚喷技术.现场监测技术等地不断完善和提高,逐步形成了具有中国特色地隧道修建方法,如“浅埋暗挖法” ,即“管超前.严注浆.短开挖.强支护.快封闭.勤量测” 十八字决”和“复合式衬砌”等技术,丰富和发展了新奥法原理.2.2.3 挪威隧道工法和新意法隧道工法所谓挪威法（NTM：Nonwegian Method of Tunneling） ,简单地说就是由正确地围岩评价（采用巴顿法(N.Barton)地Q系统)•合理地支护参数和高性能地支护材料(即，锚固支护+喷射钢纤维混凝土相结合)三部分组成地一种经济而安全地隧道施工方法,它适用于公路隧道.铁路隧道.水工隧洞及大型地下工程中节理发育与极度松散破碎地岩体•挪威法在支护体系上地最大特点是把一次支护作为永久衬砌，只是在运营后，如果有涌水•冰霜等危害地情况下，才修筑二次衬砌•通常一次支护是采用高质量地湿喷钢纤维混凝土和全长胶结型高拉力耐腐蚀地锚杆•湿喷钢纤维混凝土地回弹量很小，通常仅为4%-6%•采用挪威法(NMT)可以大大地降低成本，仅为采用新奥法(NATM)成本地1/3•与其它方法相比，采用挪威法可节省劳动力，更多地采用机械手，较少地进行监控•因此，挪威法在钻爆法施工地隧道中进度快，且施工安全和工作环境得到了根本改善•我国从90 年代初开始进行挪威法理论探讨和室内实验，并在铁路隧道和公路隧道进行了大规模现场实验(如我局承建地杭兰高速摩天岭隧道 1 #通风斜井就首次采用了挪威法) ，可以预见，在未来地五年或十年内，这一方法将在我国隧道工程中广泛应用•意大利全断面预加固隧道施工工法 (New Italian Tunneling Method(NITM) )又称为岩土控制变形分析(ADECO- RS施工工法•该施工法是意大利人Pietro Lunardi在研究围岩地压力拱理论和新奥法施工理论地基础上提出地，该工法主要关注工作面超前核心围岩地稳定，并以此为基础对施工方法进行选择•意大利全断面预加固隧道施工工法适用于低粘聚力地软弱地层，大断面隧道开挖及用于浅埋隧道控制地面沉降和挤压地层地深埋隧道开挖，该工法被意大利公路及铁路领域纳入规范并广泛采用•欧洲国家地大型工程施工也较多地采用此工法•我国铁道部在2007 年5 月15 号铁建设[2007]102 号文件《关于加强铁路隧道工程安全工作地若干意见》要求“隧道地设计和施工要积极学习.借鉴•采用•推广国内外先进技术，对条件适宜地隧道要积极采用岩土控制变形分析法(新意法)等先进施工方法和施工工艺” •可以预见，在未来地五年或十年内，意大利全断面预加固隧道施工工法将在我国隧道工程中推广应用•224不同施工方法地区别和联系1)新意工法与矿山法.新奥法地比较传统地矿山法是依据松弛荷载理论地一种传统地施工方法，一般只应用于岩质山岭隧道，而对一般地土质地层基本上不采用传统地矿山法•将新奥法地使用原则引入到传统地矿山法中，矿山法地应用范围逐步拓展到地软弱围岩和第四系地层中地浅埋市政隧道，取代了传统地明挖法或盾构法•在我国，这种方法称之为“ 浅埋矿山法”•新奥法概念地内涵就是保护围岩，充分调动和发挥围岩地自承能力•不论采用什么开挖方法•爆破技术•支护形式•支护施作时机和辅助工法，其目地都是为了“保护围岩,充分调动和发挥围岩地自承能力”•新意法是以工作面超前核心岩土地变形与隧道地稳定性为主要评价目标，设计和施工都是以此为基础进行确定•它不但考虑到了隧道后方地变形影响，同时重点考虑前方工作面地变形对隧道稳定性地影响；而新奥法则没有考虑前方工作面核心岩土地影响，两者区别见表2•因此，在一定程度上可以认为新意法是新奥法地继承和发扬，其精髓都是“ 保护围岩,充分调动和发挥围岩地自承能力” • 两者地重要区别在于新意法提出了新奥法未提及地但很重要也很有价值地“临时保护超前核心围岩充分调动和发挥超前核心围岩地自承能力”地方法，这个方法是通过加固工作面超前核心围岩，从而控制工作面超前核心岩土地变形及防止围岩失稳塌方•2)挪威法(NTM)和新奥法(NATM)地区别和联系挪威和奥地利在理论和应用上有显著差别，NATM 比较适用于软弱围岩•在软弱围岩中修建隧道，节理和超挖不是主要问题，无论人工或机械开挖，均能形成光滑轮廓，围岩能够形成完整地承载环，利用围岩作隧道地主要承载结构，是新奥法地理论核心，因此，NATM强调围岩监测，根据监测结果决定二次支护施作时间和结构形式•NTM 则更适用于硬岩•在硬岩中修建隧道，无论用钻爆法或掘进机开挖，节理和超挖都占主导地位•在此条件下，锚杆调动围岩强度地动力最强•因此，挪威法以锚杆作为隧道地主要支护手段•由于很可能超挖，因此，不宜使用钢拱架或网构拱架•由于节理充填物引起围岩不均匀，可能引起围岩失稳，因此要求用喷混凝土或喷钢纤维混凝土对系统锚杆补强•这种锚杆加喷混凝土（或喷钢纤维混凝土）支护系统，即可用作隧道临时支护，又可用作隧道永久支护•该系统对开挖轮廓形状适应性强，即使轮廓不平顺，喷层也能贴合岩面，远比钢拱架或网构好•2.3长大隧道防排水施工技术2.3.1隧道放排水施工理念地发展目前我国铁路.公路地山岭隧道尤其是岩溶山区长隧道地防排水设计贯彻“防排结合，以排为主”地综合治理原则.以往大量地工程实践（如武隆隧道.大瑶山隧道.中梁山隧道等）均表明，以排为主地隧道内会存在不同程度地水害，且逐年发展，影响衬砌结构和行车安全；同时，贯彻“以排为主”地治水措施直接导致了隧道洞顶地下水位下降.地表水和井泉涸竭.地面岩溶塌陷.生态环境恶化，严重影响了人民地生产和生活，隧道部门也苦于补救和巨额赔偿.今后一段时间，随着岩溶.断层发育地富水区隧道修建地日益增多，上述问题愈发突出，“以排为主”地无限制排水原则己不能适应经济和社会发展地需要，因此富水地层地隧道建设应逐渐摈弃“以排为主”地治水理念，开始实施“以堵为主.防排结合，限量排放”地控制型防排水原则.同时，随着国内铁路地提速，长大隧道采用整体道床已经成为现在通用方法，无节制排水将造成隧道基底水土流失，导致整体道床产生不均匀沉降，影响使用功能.2.3.2限制排放地主要技术措施阻止地下水向隧道内排放地技术可以从两方面考虑，其一是通过改变围岩地渗透系数，降低地下水向隧道内地涌人量，这是限制排放地根本；其二是通过设置防水层和增强衬砌混凝土地抗渗抗裂性能，以达到阻隔地下水地目地，这是结构防水地最后保障.但事实上真正起到限制排放作用地主要在于降低围岩地渗透系数.长大隧道限制排水地技术措施如下：（1）超前预注浆.超前预注浆不仅仅是对围岩地提前加固和防止突水涌砂等地质灾害，其更深层地意义是对周边围岩裂隙地充填和堵塞，降低围岩地渗透系数，从而在隧道周边形成一定厚度地止水帷幕，达到限制地下水向隧道内地渗流排放.国内在圆梁山隧道施工中，采用超前帷幕注浆，达到了5m 3/km/d 地排放标准.表2给出了在建宜万线隧道工程注浆加固“限制排放”施工方案（2） 回填注浆•隧道施工中，特别是有钢架或挂网联合喷射混凝土时 ，由于钢筋地骨架作用，难免 会在围岩与喷射混凝土层之间产生空隙，因此，在有钢架和挂网支护地情况下，需要根据施工状况对喷混凝土后进行回填注浆，达到充填喷混凝土层与围岩之间空隙地目地•（3） 径向注浆•超前预注浆通常是处理较大范围或较大量地地下水 ，对于小地局部涌水或渗水 常采用径向注浆•表2在建宜万铁路注浆治水方案序号适用地质条件方案主要内容全断面超前 预注浆 （方案一）（1）可溶岩与非可溶性岩接触带，断层破碎带及向斜.背斜核部， 施工中可能发生严重突水涌泥地段；（2）物探异常地段，超前地质探孔单孔涌水量 Q > 40n1/h ; （3）实测水压：P > 2MPa.全断面超前帷幕注浆，注浆 加固范围为开挖工作面及 开挖轮廓线外正洞 8m,平导5m.全断面超前 预注浆 （方案二）（1）可溶岩与非可溶性岩接触带，断层破碎带及向斜.背斜核部， 施工中可能发生严重突水涌泥地段； （2）物探异常地段，超前地 质探孔单孔涌水量 Qw 40n1/h ; （3）实测水压：1MPac P < 2MPa.全断面超前帷幕注浆，注浆加固范围为开挖工作面及 开挖轮廓线外正洞 5m ，平导3m.径向注浆（1） 一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全；（2）物探异常地段，超前地质探孔涌水量：2m i /h w Q < 40n i /h,开挖后大面积 渗水；（3）实测水压：Pw 1MPa.径向注浆方案，注浆加固范 围为开挖轮廓线外正洞5m ，平导3m.局部注浆（1） 一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全；（2）局部岀 水；（3）初期支护完成后不能满足设计地允许排水标准局部注浆和局部补充注浆2.3.3隧道防排水施工理念发展趋势隧道建设中排水地目地是为了更好地防水 ，但无限制地排水，其后果是众所周知地.因此，根据国内外比较成功地隧道施工实例 ，采用超前注浆.回填注浆.径 向注浆而实现隧道“限制排放”是隧道防排水地发展趋势.>52.4长大隧道施工开挖技术2.4.1山岭隧道矿山法施工方法1）长大隧道开挖方式 隧道施工就是要挖除隧道范围内地岩体，并尽量保持隧道围岩地稳定.开挖是隧道施工地第一道工序，也是关键 工序.在隧道地开挖过程中，围岩稳定与否，虽然主要地取决 于围岩本身地工程地质条件，但开挖对围岩稳定状态有直接而重要地影响.隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法按开挖隧道地横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法.台阶开挖法.分部开挖法等，见表3 所示.（1）全断面开挖法.采用全断面一次开挖法，必须注意机械设备地配套，以充分发挥机械设备地 效率.采用全断面法施工，隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm ，否则采用大 型机械化施工，其经济性较差.（a ）长台阶法p (1~1.5)L （c ）微台阶法 图2台阶法类型（b ）短台阶法（2）台阶法.根据台阶长度不同，划分为长台阶法•短台阶法和微台阶法三种，如图2所示.①长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面地稳定，适用范围较全断面法广•按长台阶施工，在上.下两个台阶上需要分别进行开挖•支护•运输•通风•排水等作业线，因此台阶长度适当长一些，一般考虑至少为50m，但当台阶长度大于100m以后，通风排烟.排水地难度大，这样反而降低了施工地综合效率，因此,长台阶长度为一般以50-80m为宜•考虑到长台阶施工，支护不能及早封闭成环，不利于施工安全，软弱围岩隧道杜绝采用长台阶法施工.②短台阶法适用于地质条件差地W .V级围岩，台阶长度一般为10- 15m，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此，台阶长度不宜过短•上台阶一般采用少药量地松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶，因此，台阶长度又不宜过长，如果超过15m，则出渣所需地时间过长•短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护地受力条件，有利于控制围岩变形•缺点是上部出渣对下部施工干扰大，不能全部平行作业•③微台阶法是全断面开挖地一种变异形式，一般台阶长度3-5m，台阶长度小于3m时无法正常进行钻眼和拱部喷锚支护作业；台阶长度大于5m时利用爆破将石渣翻至下台阶难度大，需要采用人工翻渣，所以不可取•微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢•（3）分部开挖法.分部开挖法包括环形开挖预留核心土法•双侧壁导坑法•中洞法•中隔壁法等•①环形开挖预留核心土法环形开挖进尺一般为0・5 —1・0m，开挖核心土面积不小于整个断面地50% •环形开挖预留核心土法施工具有简单明了，施工易行，不需要特殊地机械设备，减少施工投入；且开挖工作面稳定性好，施工较安全，因此，在土质及软弱围岩中使用较多•②双侧壁导坑法，是在隧道跨度大于11m以后，因无法采用全断面或台阶法开挖，因此采用先开挖隧道两侧导坑，相当于先开挖2个小跨度地隧道，并及时施作导坑四周初期支护及边墙衬砌，再根据地质条件•断面大小，对剩余部分断面进行一次或二次开挖•双侧壁导坑法具有控制地表沉陷好（仅为短台阶法地1/2），施工安全等优点；但进度慢咸本高•③中洞法适用于双连拱隧道•采用先施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧地施工方法•④中隔壁法（CD）是近年来从国外引进地先进地施工方法，通过在国内地铁路隧道和城市地下工程中地实践，证明这种方法是通过软弱.浅埋.大跨度隧道地最有效地施工方法•⑤交叉中隔壁法（CRD采用自上而下分为二至三步开挖中隔墙地一侧，并及时支护，待完成1 —2 部后,即开始另一侧I-2部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉地情形•表3隧道主要施工（开挖）方法。