王院士中国隧道及地下工程修建技术课件.ppt

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1、中国隧道及地下工程修建技术 中国工程院院士 王梦恕,主 要 内 容,一、中国是世界上隧道发展强国 中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、水文地质及结构形式最复杂的国家,我国铁路隧道截止2007年已营业线路的隧道5941座，总长3750km为世界第一，目前正在开工建设的铁路隧道超过4700km，2010年以后开工建设的隧道将超过9000km。截止2002年，公路隧道总数1782座，总长704km。是世界上公路隧道最多的国家。,城市地铁，已开工的有6座，陆续开工的已达15座，其中上海、北京、广州发展速度很快。每年以1020km增长，以解决城市交通的不畅。南水北调工程、水利工程的隧道也非常之多，1

2、00万千瓦以上的水电站在以100km年速度修建，大量的排水洞、导流洞，其中输水直径8m长87km隧洞即将开工，长度达100km以上的铁路隧道、水工隧道正在筹划中。目前隧道所穿越的不良地质灾害达18种之多，所穿越的房屋地基也多种多样，最大桩基托换已达1800t，所以，隧道工程在我国廿一世纪是大发展的年代,1、山区铁路：山岭隧道向长大发展，早进晚出；中吉乌通道、泛亚铁路、城市铁路入地。正在施工的山区隧道5000Km，待开工的山区隧道5000Km。如兰渝铁路线路长800Km，其中隧道长度占600Km，被称为地下铁路。用钻爆法施工的最长关角隧道32Km，用TBM施工的西秦岭隧道长29Km。开工、即将开

3、工超过10Km长的隧道有65座。,廿十一世纪是地下空间开发的世纪,2、城市交通：以地下铁、城市轻轨为主，已开工20多座城市，北京、广州、深圳、上海、南京、重庆、成都、天津、沈阳、哈尔滨、杭州、西安、武汉、苏州、郑州、无锡、宁波、温州、大连、长沙、合肥、青岛、昆明、郑州等，待批的城市有石家庄、长春、厦门、东莞等,3、城际铁路：介于大铁路与城市地铁之间的快速交通网络。如珠江三角洲、长江三角洲、京津唐、中原城市群以及省内主要城市之间快速轨道交通。是节省土地，节省能源，经济，减少污染，绿色环保的快速交通工具，高速公路作为快速交通是不妥的。4、山区公路：公路隧道、多跨、两个单跨，最长终南山隧道18.4k

4、m。目前已建成公路隧道近5000座，总长近3000Km。高速公路必须进入山区修建，少占良田。,5、水电工程：压力隧道、交通隧道、大型调压竖井、各种大洞室、尾水洞室要大力发展，改变煤电和水电的比例。6、供水水利工程：如南水北调中线工程和已建成的沈阳大伙房引水、供水隧洞工程长86Km；和即将开工的长77Km隧洞引汉济渭引水、供水工程，吉林110Km引水、供水工程等,7、城市地下空间开发：地下共同沟、地下停车场、地下过街道、地下商场、地下会议室、地下仓库、地下公交隧道（如南京、杭州等水下隧道）。8、LPG地下水封液体库：如1000万吨汽油库、乙烷甲烷、天燃气等储气库。,截止2002年，我国公路隧道总

5、数1782座，总长704km。是世界上公路隧道最多的国家。其中有首座半横向通风自动化最高的深圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市公路隧道；,有广州白云山双向三车道大跨度扁平率为0.6左右的隧道；有福州多连体四连拱象山隧道（宽35.4m 高8.9m）；有近距离四连拱宽45.6m的科苑立交隧道；有应用最多、大跨（3235m）双连拱，具有代表性的京珠高速公路五龙岭隧道；有首次采用竖井和纵向射流运营通风技术的中梁山隧道；,有逆光照明不在洞口设光过渡段的猫狸岭隧道；有处于3800m高海拔、高寒（平均7 最高达35）地区施工的青海大板山隧道；有处于高地应力区的川藏公路二郎山隧道；有穿越高浓度、高压力煤层的华

6、蓥山隧道（长4705m），以及双向分离式四车道国内最长18.4km终南山隧道和长度大于6km以上的鹧鸪山隧道；,泥巴山隧道、雪峰山隧道等，总之随着技术的不断发展和运营的需要，公路隧道趋势是隧道越修越长，隧道越修越宽、技术越来越难、越复杂。公路隧道的修建涉及到结构、防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学、消防、交通工程、自动控制、环境保护；,工程机械等多学科、综合复合技术，需要多学科进行联合研究、进行攻关。我国公路隧道已有长足的发展，对围岩动态量测反馈分析技术、组合式通风技术、运营交通简易监控技术、新型防水、排水、堵水技术、围岩稳定技术、支护及衬砌结构技术等都有许多工程实例、业绩和成果，其中

7、大部分成果已处于国内领先水平，还有一些成果已达到国际先进水平。,1、厦门公路越海隧道 由于隧道穿越地层为质地良好的花岗岩，决定采用双向六车道钻爆法施工，中间设管廊式服务通道；,蓬勃发展的江、河、海底隧道,2、武汉长江隧道 由于隧道穿越粉细沙不稳定地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进。,3、南京-浦口长江第二隧道 南京-浦口长江第二隧道是铁路高速跨越点，原定沉管法，后因冲刷深度变化较大，流速大而改为盾构法。目前，南京市政府采用双向六车道，工程造价约44亿元。采用大直径15m泥水盾构，造价高，风险大，埋深也要加大。,15m的隧道断面图

8、,南京长江隧道平面位置图,4、杭州市庆春路钱塘江市区水底隧道通道采用双向四车道盾构方案，理念正确，已进行了安全、风险评估，对环境影响很小。,杭州庆春路隧道断面图,建成后杭州庆春路隧道,5、联结青岛黄岛胶州湾湾口海底隧道 由于穿越优质花岗岩地层，采用双通道六车道钻爆法施工方案，设计合理，但青岛侧的交通联结方式采用高架穿越城区，产生影响环境。,青岛海底隧道平面位置,6、港、珠、澳海上大通道 全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥相联后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再用桥和6km长的山岭隧道相联，并和太澳公路相联，工程规模为双向六车道。,平面位置图,隧道埋位置图,隧道埋深

9、位置图,7、上海地区多条水底隧道穿越黄浦江 均采用双向四通道，盾构法施工，效果很好，两端接线容易，方便市民。8、大连市区海湾海底隧道 经过桥、隧对比，决定采用双向六车道，钻爆法方案，因该地区的岩体为花岗岩，水文地质很好，不破坏环境，少占地，少拆迁。,9、上海浦东至长兴岛水底隧道 双向六通道，采用盾构法施工，盾构直15.18m，长距离4km掘进，风险很大，需认真研究，尤其不易在江中设置横通道，应充分利用主洞行车道下面的很大空间进行疏散救援，取消横通道对两个主体隧道的结构沉降减少制约，防止结构开裂非常有利。,盾构 15.18m,10、广州市区地铁和城市交通多条穿越珠海水底隧道正在设计、施工的有五条

10、，采用双向六通道方案沉埋管段法。,沉管隧道断面图,隧道单元预制图,11、琼州海峡34km 跨海隧道，采用盾构法修建铁路海底隧道，正在论证中，目前轮渡过渡。,有公铁合建桥梁中线、西线方案和中线铁路隧道与西线公路桥梁分建方案用于比选。,12、台湾海峡海底铁路隧道修建的愿望在日趋增高，正在论证中。13、渤海湾大连至烟台110km跨海铁路隧道，目前轮渡正在修建，可能采用TBM 法和盾构法。,方案1,方案2,台湾海峡海底地形图,44,2030年前后发展展望,烟大跨海通道 跨海长100余公里，将烟台至大连通道缩短了1600余公里，是沿海通道的重要组成部分。,二 隧道及地下工程建设理念,（一）地下工程是不可

11、逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程。不允许是遗憾工程和灾害工程。1、不合理工期、不合理造价、限额设计、轻方案研究是产生根本性遗憾之源。2、取消单线建设，修建复线、多线或局部多线，全面合理提速。3、用技术条件取代规范，多搞指南少搞规范，为创新构建平台。,（二）地下工程是风险性很大工程，必须实事求是，科学地进行风险性评估。评估内容为：施工安全评价、施工质量评估、环境评估，最后是施工进度和施工成本评估。在建设全过程中应对可研阶段、初步设计阶段、施工阶段、运营阶段进行全方位工程风险、环境等分析。,（三）必须进行信息化动态反馈设计。通过支护参数调整，确保施工安全，不改变设计是不对的。毛泽东

12、主席在65年对北京地铁修建的批示“精心设计、精心施工，在建设过程中会有不少错误失败，随时注意修正”。隧道工程不定因素很多，设计者必须实事求是，及时修改图纸。这是衡量设计水平高低的标准之一。,（四）合理工期、合理造价、合理合同、合理施工方案、是隧道建设检验科学发展观的四条标准。如兰渝线32公里关角隧道设计，应考虑小TBM+钻爆法施工新模式。利用二线导洞快速施工+横通道模式取消斜井。取消费工费时、造价高向上运输方式的理念。,（五）风险责任主体与风险转化 据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安全事故的原因的调查结果表明，将施工方作为工程安全唯一主体是不对的，目前五个阶段的风险界定不清，而这些风险往往

13、到施工时才反映出来，由施工方完全承担这些风险是不合理的。,三 隧道及地下工程设计理念,(一)单洞双线隧道和两个单线隧道的选择原则，选择前提，应遵守的原则 1、钻爆法施工时，有轨运输堵头通风最大长度78Km；无轨运输堵头通风最大长度3.5Km。2、施工通风有两种方式 洞口压入式管道通风（传统方式）适用条件可单洞压入，费电，通风长度短；洞内射流巷道式通风，必须平行两个洞，省电。效率高，可实现堵头10Km以上，是通风新成果。,隧道施工洞口无主扇风机，U形气流射流风机，通风技术 该技术适用于上下行、分离式双洞隧道。这是打破常规的新模式，取消了在洞口采用大功率主扇压入式向洞内输送新风的模式。采用在洞内横

14、通道之间设置射流风机（1530KW/台），风机本身产生高速气流（30米秒）的卷吸作用，产生很大的压力差，从而强迫诱导大量新风，在U型风道中产生单向巨大风流，达到换气目的。,建议隧道设计采用上、下行分洞设计，或正洞加平导设计，能实现长距离施工通风。从设备投入，快速施工考虑，有轨运输设备投入大，管理复杂，充电电池满足不了长距离运输；无轨运输设备投入小，配合洞内射流巷道通风，是快速施工的最好模式。鉴于以上三个前提，建议优选两个单线隧道设计方案。可不要任何斜竖井实现特长、长隧道的安全、快速施工。不破坏山体环境。该方案对建设过程和建成后都会带来很大方便，尤其在软弱、岩溶、煤系、浅埋、大变形地层更会减少风

15、险和工程投资。也可设计单洞双线隧道加平导贯通方案。,若一定要用单洞双线隧道，不设平导，采用无轨运输，设计长度应7Km；不设平导，有轨运输，设计极限长度应15Km，设备投入比无轨多2.5亿以上，综合全面比较，该方案风险大，不省钱。折中方案是单洞双线隧道加平导全贯通。该方案更贵。,（二）隧道纵坡设置问题 1、应高位选线（如南昆线），可避免许多灾害。2、禁止在岩层交界面上选线，如福田车站上软下硬，很难施工。3、富水地区必须采用人字坡，以利于防灾和排水。（富水定义：水量2台最大抽水泵量）4、铁路进城市应按深埋选线，减少对环境的破坏。（如石家庄市客运专线）,平行既有线采用明挖法施工，对运营、施工安全影响

16、很大,城市交通路口采用盖挖逆作法施工，严重影响交通和环境,（三）隧道辅助导洞设置问题 1、利用平导增设工作面、解决施工通风是最好的方法。不设斜竖井施工，可增设多条平导和横洞。如终南山隧道、瑞士阿尔比斯山隧道。2、深层岩溶及富水地区，必须增设泄水洞和大流水溶洞相联，释能减压，以利营运安全。3、利用射流巷道式通风方式，可改变辅助坑道的理念，可改变长大隧道设计的方法。4、施工分段应考虑施工通风的方式，从隧道中部分段优点很多。不允许像TBM施工中的单条分割法。,平行双洞特长隧道施工多工作面圆梁山隧道11公里，无斜、竖井施工实例。,终南山公路隧道18.4公里，利用铁路平导及8个横通道建成，没有设置任何竖

17、井、斜井，节约造价3.6亿、一年半建成上行线。,采用平行双洞射流通风模型，可解决长大隧道施工通风难题。采用无轨运输模式，施工通风可达10公里以上。,（四）支护结构设计原则 1、初期支护是保证施工安全的关键，要有足够的刚度和强度，承受二衬砌施作前施工期间的全部土压力荷载。不计水压力（以绕排降压）。2、软弱、破碎围岩（、级）按普式拱理论计算压力；、级围岩按爆破松动圈22.5m厚计算。3、初期支护由喷网、网构钢拱架、锁脚锚管、纵向链接系组成，形成永久承载结构，二次混凝土衬砌作为安全储备。,全部采用网构钢拱架，取消型钢拱架，靠近工作面的第一排钢拱架不受力。网构钢拱架在X、Y方向能做到等强度、等刚度、等

18、稳定度。喷混凝土后的网构拱架承受10倍荷载，工钢则承受4倍荷载；工刚后部混凝土喷不上，渗漏水；耐久性好；便宜省钢材；安装容易；宜和小导管、锁脚锚管结合。,4、不同围岩的稳定由初期支护进行调整，可加强或减弱，当在56倍洞经处通过量测证明已稳定的情况下，方可进行二次衬砌边顶的混凝土灌注。二次衬砌分三次施工：一是底层混凝土和仰拱可以跟在工作面1倍洞经以外，二是衬砌边墙基础紧跟，目的是增加一次支护的安全系数。三是边顶拱模板台车衬砌。5、二次衬砌作为安全储备，从有利百年大计出发可不设钢筋（当断面轮廓为小偏心受压时），衬砌厚度一般定为3040cm，不随围岩改变而改变。,6、必须取消拱部锚杆；必须采用网构钢

19、拱架；必须取消湿喷混凝土；必须取消中部排水沟；有钢拱架之地可不设系统锚杆，而在接头处设置锁脚锚管。取消系统锚杆，目前锚杆结构不是永久锚杆，只是临时锚杆。软弱地层不设锚杆，只设索脚锚管。有钢拱架区段不设临时锚杆。级围岩不设锚杆。级围岩局部破碎设置锚杆和钢筋网。锚杆在设计计算中是无法作为支护结构来考虑的。锚杆是施工时临时加固的手段。锚杆施作的时空效应很难实现。,7、全隧道不设变形缝；防水隔离层背后设系统盲管，防水隔离层不允许全包，只包在边墙底基础上，和两侧排水沟形成排水系统；取消止水板，施工缝处设置BW防水条。8、在二衬及防水板铺设前应进行初期支护，背后充填灌浆，确保二衬在无水下施工。9、大变形、

20、大地应力地段采用圆形轮廓及衬砌是最简单的方法。,（五）快速施工原则 1、隧道的出路在于机械化。2、应配属钻孔作业线、裝碴运输作业线、一次衬砌作业线、防水及二次衬砌作业线，四条主线。应配属施工通风作业线、注浆防排水作业线，两条辅助线。3、采用光面爆破工艺、导洞超前、全断面扩大、二次钻爆法实现减震、光爆、快速。,全断面开挖改为小TBM超前打通，后部用钻爆法扩大。优点：（1）可以超前预报；（2）爆破减振30%，炸药比全断面爆破减少510%；（3）扩大爆破，炮眼利用率为100%，所以提高开挖速度23倍；（4）炮眼半孔保存率80%,线形超挖10cm;（5）爆破碴堆、碴块均匀、集中，便于快速出碴；（6）纵

21、向爆破冲击波小,对后部工序影响小。4、按无轨运输、双洞、射流巷道式通风实现特长隧道无斜竖井设计和施工。,1、洞门洞口段设计,（）洞口位置不当，产生塌方、偏压的理念（）洞口间距过大，不利管理和节约土地，可以小间距的理念（）洞口不设深路堑（应小于）的理念（）优选切削式不受力洞门的理念（）美化洞口及周边环境的理念（）上下行洞口错开，设挡墙防止废气进入另一洞口、气流短路的理念（）洞口段、洞门、明洞之间合理施工方法的理念（）洞口变坡点合理设置的理念,2、必须重视岩溶地区的综合地质超前预报。长短结合以短为主，预报范围前方30m，隧道周边外1倍洞径做为工序列入。3、软弱地层必须采用潮喷混凝土，不提倡湿喷混凝

22、土。中、微台阶，台阶长度为一倍洞径，第一个上台阶高度必须为2.5m，小导管长度为台阶高度加1 m。,纵向承载拱 上台阶过长引起松动荷载 开挖过程纵向变位影响长度,微台阶引起工作面失稳,5、选择适宜的辅助施工工法：常用的有：环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆式、超前小导管支护、超前小导管周边注浆支护、设置上台阶临时仰拱、跟踪注浆加固地层、水平旋喷超前支护、洞内真空泵降水、洞内超前降排水、洞外深井泵降水、地面高压旋喷加固、先注浆后冻结法。注意：全断面帷幕注浆应改为上半断面周边注浆，下半断面降水、排水。采用上堵下排的原理、方法。,6、大跨施工应选择变大跨为小跨的施工方法，如CD法、

23、双CD法、CRD法、双侧壁法。柱洞法、中洞法、侧洞法等。临时侧壁应拉直，以减少中间跨度。7、隧道内一般不设长管棚，只在洞口设置。长管棚的直径应和地层刚度相匹配，当超过150mm时，对控制地表下沉作用很小。8、隧道宜近不宜联，可采用小间距隧道，反对双联拱、多连拱，取消盾构隧道的横通道。,8、大断面硬岩隧道宜采用小导洞超前爆破，可减震30%，也可采用小TBM超前，钻爆法扩大。注意：隧道及路堑边坡采用光面爆破，不准预裂爆破。9、隧道顶部允许塌方空洞存在，拱顶上方要有2m土厚保护。,(1)盾构6.23m一台6000万元,资金沉积,周围太慢，3.5年4年可把6000万收回(不计利息),第五年可开始盈利,

24、每年最多能赚1000万元。(2)盾构搬家，一般城市之间300400万/次。(3)盾构从竖井拆除再组装一次3050万/次。(4)适用盾构法施工一个盾构掘进长度为6KM以上，这是发挥盾构快速施工，性价比最好的工程筹划。(5)一班人马配23台盾构才能提高稳定技术人员、高级技工的施工能力。这是施工单位合理部署的举措。结论：应合理慎重规划应用盾构。与钻爆法、浅埋暗挖法相比，经济效益要低10倍左右。,(1)机型方案选择：开敞式TBM优于双护盾构式、单护盾式。有五个优点:长度与直径之比1，调方向灵活，可确保30mm，调整误差。能及时支护，有利于洞室稳定，护盾式不利于及时支护、易塌方。不易被地压力卡死护盾。造

25、价比双护盾便宜10%30%。衬砌支护比管片便宜2倍以上。,（2）支护结构 开敞式TBM用复合式衬砌，最易适应不同地层和水量；支护寿命长，可确保100年，出事故维护方便。双护盾式TBM必须采用软弱地层管片衬砌厚度，不适应变化多端的山岭隧道（土压、水压），管片厚度不能调整，管片寿命不可靠，且造价高于复合初砌数倍以上，因此不宜采用。,（3）必须重视盾构和TBM的国产化。目前一些甲方盲目追求使用国外最先进的技术设备，既不考虑性能价格比，也不考虑国内制造业的同步发展，造成不断的重复引进，对大量资金纳税人的钱流向国外，发展国外经济，提高国外人民生活水平很有“魂力”，而对养育自己的祖国和人民冷酷无情，这是什

26、么工作感情和能力。建议国家对国外采购要设立强有力的评价体系、规定和制度；要建立项目业主、装备制造企业和保险公司风险同担，利益共享的重大技术装备保险机制；国产化率中的关键部件必须进口，国产率在50%到60%为宜。,盾构分为有刀盘和无刀盘两大类一、无刀盘盾构 无刀盘盾构称为开敞式简易盾构，人可以站在平台上进行地层开挖,1.开敞网格式 用于地层自稳较差，但降排水后还能自稳。将工作面用网格结构支撑，盾构刃脚插入地层0.5m左右，起超前支护作用。,盾构设计应重视的几个新动向,2.开敞正台格栅一般分为3个台阶,人可直立工作。,5.插刀式盾构，单臂掘进机开挖，地层较好，无水处采用。,3.CD开敞格栅式,4.

27、双CD开敞格栅式,(二)、无刀盘开敞式后部衬砌支护形式 1.管片式 2.压缩混凝土式：边推进边压缩混凝土(三)、无刀盘开敞式适用范围 1.水少之地，地层较能自稳。2.降水后砂卵石地层，如成都地铁、沈阳部分区段地铁，降水后的黄土地层，如西安地铁。3.性价比好，易国产化，造价比有刀盘便宜一半以上。,二、有刀盘盾构 有刀盘盾构是指靠土压、泥水压、局部气压稳定工作面的盾构。(一)有刀盘盾构分类 1士压平衡式盾构。2泥水平衡式盾构。3泥水加局部气压平衡式盾构,(二)刀盘类型和设计 刀盘是盾构设计的关键技术，对隧道不同地层应及时设计和调整刀盘的开口率和布刀方式。1.盘形刀盘：指硬岩地层，开口率仅在30左右

28、。靠刀盘压紧地层进行稳定，土压力、泥水压力仅部分稳定工作面。2.辐条式刀盘：由于盾构所穿地层松软，扭矩较大、推力小、土压、泥水压易平衡工作面，应予推广。对刀盘刀具的磨耗也小。,3.无水、少水之地不利于刀盘的寿命，应改为无刀盘盾构。4.适应范围：在流沙、富水及不稳定的地层中应用，但不能包打天下。因性价比差，不易国产化，但必须走向国产化，可在南方地铁及不稳定地层中应用。江河水底隧道应用。,水底公路隧道盾构直径的确定,（1）双向4车道11.4m左右的盾构安全风险最小 国内外成功的水底公路隧道盾构直径多11.4m左右，实践证明，制造、施工及运营风险较小；较经济（1.2亿元/台）。（2）双向6车道15m

29、左右的盾构风险较大 盾构制造成本很高，价格昂贵（33.5亿元/台）；盾构掘进压力平衡不易控制，施工风险大；管理、运营风险较大；埋深加大，纵坡不利；空间浪费，约80m2左右。,TBM的选择考虑,（1）开敞式TBM适应软硬地层 开敞式TBM转向控制灵活、对地层能及时支护。开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护，在磨沟岭砂页岩含水软弱地层中实现了日掘进快支护41.3m和月掘进快支护574m快速施工水平，平均进尺232m/月。,在TBM上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，而且在确定刀间距、推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上，能适应软岩、硬岩的切削

30、特性。（2）半护盾、全护盾不适应软岩地层 护盾式TBM转向不灵活、控制较为困难 软弱破碎地层不能及时支护,支护型式的考虑,1、管片衬砌 广泛应用于软土地层盾构隧道的支护 管片接头部位是防水薄弱环节，应研究接头型式及防水材料 管片形状及分块型式 管片厚度及钢筋配置与地层压力的关系,管片衬砌,管片,2.喷混凝土衬砌 应用于开敞式TBM隧道，能及时支护，很好地适应软弱破碎围岩，在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了成功应用。,喷锚支护情况,3、压缩混凝土衬砌 缩混凝土衬砌就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。ECL工法的具有以下特点：ECL工法的筑造的衬砌质量高；ECL极大地抑制了地层沉降，无须降低地

31、下水；采用全机械化施工，节省人员、安全性高，作业环境好；ECL工法采用一次衬砌，材料用量少；不需要同步注浆；施工阶段工序少，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期,压缩混凝土衬砌,60年代初在北京进行了1:5的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验，成功后，制造7.34m的压缩混凝土的网格式盾构，并进行180m的掘进试验。,二次模筑,薄管片,4、薄管片+二次模筑=复合衬砌结构。该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道或重要通道。,运营的隧道应简化通风、照明、防灾、监控，简化思路，节约能源。建议小于km隧道不设通风、照明。横向通风、半横向通风因土建、运营费用很高不可取，应采用纵向竖井分段射流通风方式。

32、,横向运营通风方式,横向、半横向运营通风方式，横断面加大30%左右，造价高，施工难度大，效果差，不宜采用,半横向运营通风方式,射流风机运营通风实例 射流通风方式，断面小，造价低，灵活、效果好，是普遍采用的通风方式,江河隧道施工方法应优选钻爆法和浅埋暗挖法，其次选择盾构法、掘进机法，在松软地带才可采用沉管法。严禁在岩石中采用沉管法，水下爆破不可行。,四 钻爆法隧道施工技术,（一）钻爆法施工必须遵守的四项原则1、光面爆破2、喷锚支护3、信息化施工监控量测与信息反馈4、动态管理：做到及时支护、及时量测、及时反馈、及时修正。（二）钻爆法施工必备的条件1、机械设备必须配套形成作业线，隧道的安全、优质、快

33、速施工的关键在于机械设备的投入，投入量起码是工程造价的25%左右，机械投入量所产生的产值一般为510倍机械的投入造价。,111,2、工地试验室必须建立，对所用的材料砂、石、水泥、添加剂、钢材、防水卷材、爆破器材、各类油质、混凝土级配等必须进行检测，决不允许不合规格的材料用在工地上。3、施工管理必须做到三严：严格工艺、严格纪律、严格管理。,（三）钻爆法施工组织设计主要内容1、工程概况：突出水文地质、断层、岩层交界面2、工程数量表3、工程特点和难点4、施工区段划分及施工场地布置5、施工进度、工期、网络进度图6、施工机具配置表、材料供应表、组织机构及劳力计划7、不同区段施工方法及技术要求8、安全、质

34、量、环境、进度保障体系,（四）复合式衬砌结构设计1、复合式衬砌是地下工程中唯一符合岩土受力特点，可以做到不漏不渗，不开裂的最好衬砌。2、复合式衬砌由一次支护和二次模筑衬砌组成，两层之间设防水隔离层。3、一次支护主要由喷射混凝土、钢筋网、钢拱架（工字钢、网构钢拱架）锚杆组成，一次支护承受全部地层荷载，二次模筑衬砌是承受流变荷载和安全储备，其厚度基本不随地层的变化而改变。如铁路隧道一般厚度都是30cm。,114,4、及时进行初喷是改善围岩受力的重要措施，然后复喷。5、从安全出发，必须先喷后锚。6、及时喷锚是防止岩爆的重要手段7、喷射混凝土工艺有潮喷和湿喷两种，各有各的适用范围。8、防水塑料板（LD

35、PE）是起防水和防裂作用，两层之间剪力必须等于零。防水板铺设到边墙，采用无钉铺设。先铺无纺布，用热焊机将塑料板粘结在无钉的塑料垫圈上。,（五）隧道开挖方法的选择、硬岩首先用全断面法开挖、软弱岩用正台阶法开挖、断层软弱带大断面可用中隔壁法（CD）法、中隔壁交叉临时仰拱法（CRD法）、眼镜工法等，半断面法禁止使用。4、稳定工作面可用小导管超前注浆法,CD法施工、正台阶开挖,（六）施工过程中的四条主作业线1、钻孔爆破作业线光面爆破技术：应重视四种眼的钻爆，其他掘进眼随意（1）塑料导爆管非电起爆技术（2）掏槽眼爆破技术（3）周边眼间隔装药技术（4）内圈眼爆破层厚度确定（5）底板眼钻爆要点,121,12

36、2,126,导管超前全断面示意图（单位：cm）,、装碴运输作业线：共有三种类型（1）有轨装碴、有轨运输，适用小断面软弱地层隧道（2）无轨装碴、有轨运输，比上边方式管理简单（3）无轨装碴、无轨运输，适用大断面硬地层 为不破坏地层，铺底混凝土超前，是最影响进度的工序。,135,双线铁路隧道施工时，采用无轨运输一般应该选用1525吨级的、具有废气净化装置的自卸汽车。可以选用整体车架式，也可以选用铰接车架式。图示KL41型挖装机向20t铰接式自卸汽车装碴。洞内施工应首选铰接式汽车，还是一般的整体车架汽车？对此不能一概而论。应具体比选同吨级时的车长、转弯半径、车边高、发动机功率与车速、购置费用等参数，综

37、合后确定。,卸汽车同吨位时一般要低1020kmh，载重量与自重比值上Stare 1491型自卸汽车的优势，特别是VolvoA25C车长长了近 500mm，这对隧道的断面宽度来讲，是十分不利的。单台购置价相比，又是1：4.77的关系。另一方面的问题，则是排气污染问题。洞内作业的机械，应毫不犹豫地装设废气净化装置，以便尽一切努力保护洞内作业人员的身体健康。如果短时间内实在无法解决加装废气净化装置的话，应加大洞内通风量作为补偿。其计算参数为：装载机械：1.45m3minkW 运输车辆：0.90 m3minkW,137,可见，在加强通风方面，也要耗费大笔资金。总之，无轨运输比之有轨运输，缺点在于污染大

38、，轮胎磨损与磨损后更换的费用大，运行滚动阻力大等；优点在于不用铺轨，行车速度较高，洞内外运输不用更换设备，设备简化，施工组织简化等。,3、喷锚网支护作业线（1）不找顶，及时在碴堆上初喷混凝土（潮喷）（2）复喷挂网打系统锚杆（3）必要时架设网构钢拱架 4、二次模筑衬砌作业线（1）边顶拱模板台车，一般10m左右（2）塑料板铺设架进行防水板铺设（3）量测数据已趋稳定（4）先做抑拱边墙基础超前（5）高性能泵送混凝土，必须掺粉煤灰，防止碱骨料,混凝土衬砌模板台车,5、三条辅助作业线（1）通风作业线、压力式（2）排水、防水作业线（3）注浆作业线（七）监控量测与反馈（1）这是检验开挖方法和支护强度、稳定性的

39、重要手段。（2）一般只进行拱顶下沉及拱脚、墙中收敛（3）应用先进的无尺量测新仪器及软件，精度0.2mm（4）做到信息化及时，以指导施工、设计，确保不塌方，不发生过大变形。,五 浅埋暗挖法施工技术,一、浅埋暗挖法施工要点（1）首先系统采用小导管超前支护技术，靠近工作面架设的第一排钢拱架，是不受力的。（2）设计采用8字形格栅拱架，做到在x，y两个方向实现等强度、等刚度、等稳定度，取代工字钢，并进行了系统室内外加载破坏试验，网格拱架喷射混凝土提高10倍，承载力、工字钢则提高4倍。（3）开挖方法采用正台阶环形开挖留核心土，第一个台阶取2.5m高，合理的初期支护必须从上向下施作，一次支护稳定后方可施作二

40、次模筑衬砌。,纵向承载拱 上台阶过长引起松动荷载 开挖过程纵向变位影响长度,微台阶引起工作面失稳,（4）采用监控量测技术控制地表下沉和防塌方是最可靠的方法。（5）突出快速施工，考虑时空效应，做到四个及时：及时支护、及时量测、及时反馈、及时修正。（6）采用复合式衬砌结构，一次支护由喷射混凝土、钢筋网、网构钢拱架组成。钢拱架联结处设索脚锚管和钢拱架焊接，取消系统锚杆，形成一次支护。（7）浅埋暗挖法18字方针是施工的原则和要点的精辟总结，即：“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。（8）必须遵循信息化反馈设计、信息化施工、信息化动态原理。,（9）拓宽浅埋暗挖法在有水、不稳定地层中应用时，

41、要采用以注浆堵水为主，以降水为辅的原则。采用劈裂注浆加固和堵住80的水源，降掉20的少量裂隙水，以达到减少地表下沉的目的。（10）选择适宜的辅助施工工法：常用的有：环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆式、超前小导管支护、超前小导管周边注浆支护、设置上台阶临时仰拱、跟踪注浆加固地层、水平旋喷超前支护、洞内真空泵降水、洞内超前降排水、洞外深井泵降水、地面高压旋喷加固、先注浆后冻结法。,（11）大跨施工应选择变大跨为小跨的施工方法，如CD法、双CD法。柱洞法、中洞法、侧洞法等。（12）长管棚的直径要和地层刚度相匹配，当超过150mm时，对控制地表下沉作用很小。（13）隧道宜近不宜联，

42、双联拱、多联拱结构尽量少用。,六 明挖法施工,在选择基坑的施工方法时，应从技术、安全、经济、环境等方面进行综合对比分析。城市地铁工程及其他地下工程采用明挖法施工对环境影响较大，应慎重选用。能采用暗挖法施工，尽量不采用明挖法。明挖法基坑施工原则：做好地下水的处理；合理选择围护结构形式；合理选择围护结构入土深度；合理选择支撑体系；控制开挖时空效应；严格控制基坑周围超载和动载的影响；基坑底部软弱地层的加固；底板快速封闭；监测量测和信息化施工；控制基坑整体失稳和破坏的风险。,地下深基坑围护结构施工技术：地下连续墙法；钻孔桩法；人工挖孔桩法；咬合挤压钻孔桩法：锚钉墙法；SMW法；水泥搅拌桩法；高压旋喷法

43、；粉喷桩；钢板桩。地铁车站明挖法：敞口明挖法；复工板明挖法；钢支撑法、锚索法。盖挖法；盖挖逆筑法；盖挖半逆筑法。,七 掘进机施工,TBM全断面掘进机施工技术：开敞式、单护盾法 双护盾法大TBM;小TBM加钻爆法；主要用于硬岩。,TBM由八大主要技术系统组成 1、刀盘。刀具切割系统 2、精确导向系统 3、支撑推进系统 4、液压控制系统 5、运碴转载系统 6、电器控制系统 7、通风消音系统 8、拼装与支护系统,开敞式TBM,开敞式TBM,165,八 盾构法施工技术,不同地层应选择不同类型的盾构,1.少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构,北京地铁刀具磨损严重,少水或无水层，地层具有较好的自稳性，

44、降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒对刀盘刀具磨损也很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。,2.土压平衡盾构不是全能的，应同时考虑选用泥水盾构,泥水盾构,土压盾构,（1）土压平衡盾构的考虑 不稳定的粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机。在含水的黄土地层，有时不需要水或只需要加很少量的水，通过搅拌形成塑性好的泥浆将刀盘全部糊死。该地层不适合土压平衡盾构，应采用降水配合开敞式网格盾构。（2）泥水加压盾构的考虑(a)泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。,(b)泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化

45、程度高等优点。(c)在砂层中进行大断面、长距离推进的盾构机，大多采用泥水加压式盾构机。实践证明，掘进断面越大，用泥水加压式盾构机的效果越好。,(d)泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外，还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。(e)泥水加压盾构存在盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态等缺点，还需要较大的泥水处理场地。,不同地层应选择不同的刀盘类型,（1）开口面板式刀盘,（2）辐条式刀盘,刀盘特性比较,插刀盾构法；土压平衡盾构法；泥水盾构法；复合式盾构法；顶管法。,盾构整机八大构成系统 1、液压传动系统 2、电气控制系统 3、集中润滑系统 4、同步注浆系统 5、盾

46、尾密封系统 6、地面监控系统 7、发泡加泥系统 8、油温冷却系统,整机七项支持技术 1、土压平衡自动控制技术 2、衬砌拼装遥控技术 3、刀盘驱动密封技术 4、注油润滑技术 5、盾构姿态态控制技术 6、PLC程序控制技术 7、施工数据管理技术,九 沉埋管段法施工技术,沉管法施工技术：沉埋管段法；悬浮管段法,浅埋管段建设关键技术 1、干坞制造 2、管段制造 3、通风竖井施工 4、水下基槽开挖 5、浮运与就位 6、接头联接方式 7、注浆 8、回填与防护 9、引道的浅埋暗挖法施工技术,十 辅助工法,注浆法（单液、双液）；管棚法；超前小导管法；水平旋喷法；冻结法；降水法（轻型井点、深井泵降水）；降水回灌

47、法。,188,十一 风险管理,今后就任何一项工程从规划、投标、勘测设计、施工直到运营等五个阶段都应进行安全、风险性、可靠性评估体系的分析，目前在预可性和可行性研究报告中只进行经济投资风险的评估，这是很狭义而不全面的。随着隧道的增多，和水文地质复杂性不确定性的存在，如何优质、快速、安全建成而不留隐患进行运营，需进行全方位、安全风险性、可靠性评估。,评估的内容分为四个阶段应考虑的主要问题见附表,（一）公路规划中影响、安全、风险的几个问题,1、为保证隧道内满足行车视距要求，以及路面超高的变化以利运营安全，中短隧道内应禁止设置S型反向曲线，长大隧道必须设置时，在反向曲线间必须设置一段缓和曲线或直线段，

48、从司机安全操作出发，一般曲线长度是不宜过短，同时小偏角、大半径曲线容易使司机产生直线错觉易出现行车事故，曲线转角应大于7度为宜。,2、隧道纵坡 一般为不小于0.3%、不大于3%，对于二、三、四级公路的中短隧道可适当放宽到5%以下，隧道内的变坡点不宜过多，要有较大直径的竖曲线以满足视距要求。,3、隧道洞口经常由于设置了缓和曲线进洞，而引起交通事故不断，所以联络洞口的线路应为直线，洞口附近不易设置竖曲线，变坡点应距离洞门有一定距离，凸形曲线上的车辆在接近变坡点时，由于视距较小，经常出现不安全事故。所以，在进洞口附近更不宜设置较大的下坡和小直径的平面曲线进洞。出洞口附近更不宜设置较小的平面曲线，设计

49、者应考虑壁洞效应，在进出洞口应考虑司机在生理上、心理上的变化，这是确保安全、防止风险之本。,4、线路与隧道设置 线路与隧道设置原则应遵守在丘陵地带以中、短隧道群为主，尽量取代半填半挖式的线路。上挡刷坡很高今后也不安全、费用高，环境破坏严重，下挡路基边坡处理也很难保证不下滑、不沉。沿沟选线采用以桥代路，不破坏环境为宜。,5、公路选线应靠山、不占良田，线路间距应尽量靠近，中间隔离带，在满足绿化、安全的前提下应越窄越好，以节约土地，尤其耕地，2003年仅公路建设占用耕地达56.6万亩，比2002年增加40万亩，大手笔的占地设计不可取。6、越岭线路的隧道宜长不宜短，尤其北方应将线路 标高降到冰冷线以下

50、。二郎山隧道为了缩短隧道长度，靠西藏边洞口仍在冰冻线以上，造成不能全天侯运营。秦岭终南山隧道长18km，是世界第二长公路隧道，缩短线路65km，实现了全天侯安全运营。,（二）隧道勘测、设计阶段在安全风险上应注意的问题,1、隧道洞口位置、间距的确定原则（1）从洞口安全、环保出发，应遵守早进晚出、不刷洞口仰坡，甚至可设置明洞段进洞，应追求环境效益第一、社会效益第二、工程本身效益第三的原则，一味追求短而省钱的理念应予克服。（2）隧道洞口应选在从山梁上突凸处进洞，切勿沿沟凹处进洞，造成洞口引线处在深路堑之间，从水文、地质条件评价，这都是最不利的断层发育带，给设计、施工、运营会带来许多长久性的灾害。,（