客运专线隧道施工关键技术.ppt
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1、2023/10/12,机车车辆研究所,第1页 共 页,铁路客运专线隧道施工、检测关键技术,中国铁道科学研究院铁建所 邢厚俊2006年7月10日,2023/10/12,机车车辆研究所,第2页 共 页,主要内容,一、客运专线铁路隧道特点二、隧道工程施工要点三、隧道工程施工流程四、隧道工程施工应遵循的原则五、客运专线隧道施工、检测控制关键点,2023/10/12,机车车辆研究所,第3页 共 页,表1 中国特长铁路隧道表,2023/10/12,机车车辆研究所,第4页 共 页,长大隧道统计资料,根据统计,截止2004年底的统计数据,各国已经建成通车的、正在修建的和规划中的长度超过10km以上的公路隧道及
2、铁路隧道,共有117座,其中中国拥有22座。约占20。(不再逐一列出)因此,在隧道工程领域中,我们不仅是一个名副其实的“隧道”大国,而且正在向“隧道”强国迈进。,2023/10/12,机车车辆研究所,第5页 共 页,一、客运专线铁路隧道特点,客运专线上的隧道不同于一般的铁路隧道,当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问题,主要表现为空气动力学效应所产生的新特点及现象。2.客运专线隧道的横断面较大,受力比较复杂,且列车运行速度较高,隧道维修有一定的时间限制,复合衬砌和整体式衬砌比喷锚衬砌安全,且永久性好,故一般不采用喷锚衬砌作为最终支护结构。3.高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高,且高
3、速铁路隧道的断面跨度较大,因此要求高速铁路隧道铺底厚度应不小于30cm。,2023/10/12,机车车辆研究所,第6页 共 页,二、隧道工程施工要点,隧道工程的施工要点,归纳起来就是 保护围岩 内实外美 重视环境 动态施工“保护围岩”:一层含义是不损伤围岩或少损伤遗留围岩的固有支护能力,这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决;另一层含义是通过各种手段和方法,如采用支护技术、加固或预加固技术以及各种辅助施工技术增强围岩的自支护能力。,2023/10/12,机车车辆研究所,第7页 共 页,“内实外美”,关键是内实。而内实的关键就是要做到“四密实”,即混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围
4、岩密实(贴)、二次衬砌与初期支护密实(贴)。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。“重视环境”也有两层含义:一层含义是指内部环境,即施工作业环境(主要是指施工通风、集尘技术、减少回弹技术),另一层含义是对外部环境,即对周边环境的影响。“动态施工”是指隧道施工过程中的地质条件是不断变化,其力学状态也是不断变化的,因此,施工过程就不可能是一成不变的。,2023/10/12,机车车辆研究所,第8页 共 页,台湾高速铁路隧道施工,2023/10/12,机车车辆研究所,第9页 共 页,台湾高速铁路隧道施工,2023/10/12,机车车辆研究所,第10页 共 页,台湾高速铁路隧道施工(明挖段),
5、2023/10/12,机车车辆研究所,第11页 共 页,台湾高速铁路隧道施工(斜洞口),2023/10/12,机车车辆研究所,第12页 共 页,三、隧道工程施工流程,隧道工程施工流程 施工准备明洞、洞口工程隧道开 挖(监控量测)一次支护(监控量 测)防排水二次衬砌附属设施 工程竣工验收,2023/10/12,机车车辆研究所,第13页 共 页,四、隧道工程施工应遵循的原则,(1)因为围岩是隧道的主要承载单元,所以要在施工中充分保护和爱护围岩。(2)为了充分发挥围岩的结构作用,应允许围岩有可控制的变形。(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的,加强初期支护施工质量控制势在必
6、行。(4)在施工中,必需进行实地监控量测,及时提出可靠的、足够数量的量测信息,以指导施工和设计。,2023/10/12,机车车辆研究所,第14页 共 页,(5)在选择支护手段时,一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时实施和应变能力强的支护手段。(6)隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。(7)在任何情况下,使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。(8)为保证二次衬砌的质量和整体性,在任何情况下,都宜采用先墙后拱的施工顺序。在隧道施工过程中,必需建立“施工图设计地质核对施工检验量测反馈参数修正”的一体化的施工管理系统,以不断的提高和完善隧道施工技术。,2023/10/12,机
7、车车辆研究所,第15页 共 页,五、客运专线隧道施工、检测控制关键点,1、施工准备阶段 由于客运专线铁路隧道断面较普通铁路隧道横断面大的多,尤其是隧道开挖宽度比较大,开挖面积达到150170m2/m。使得隧道成为具有扁平形状的拱形结构。这样一来使开挖后的应力重分布变差,底脚处的应力集中过大,因而要求较大的地基承载力,拱顶范围不稳定,会形成较大的松弛地压。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构的承载力相对较小。因此在施工准备阶段,各参建单位必须熟悉设计文件,核对现场地形、地貌、水文、地质情况。,2023/10/12,机车车辆研究所,第16页 共 页,(1)施工方法的选择。隧道的施工方法要根据断面形状、
8、隧道长度、工期、地质、涌水、周围环境等条件综合确定。选择施工方法时要注意以下几点:地形、地质的特殊性,如洞口段、埋深小的地 段、易变形的地质状况等;是否有限制条件,如对地表下沉的限制、地基 承载力小等;必要时要与辅助工法配合;要尽量采用能够避免围岩松弛的施工方法,如 在泥岩中可采用机械开挖等;因上部断面扁平不能长时间放置,开挖后要及 时用临时仰拱封闭。,2023/10/12,机车车辆研究所,第17页 共 页,(2)施工技术的选择。光面爆破、使装药作业省力化。特别是因下半断面和仰拱的开挖部分所占比重增大,有必要开发适合此部位开挖的技术,控制爆破药量。长锚杆是需要的,特别是在孔壁不能自稳的围岩中更
9、为必要。因此,开发在不能自稳的围岩中打设长锚杆的技术是必要的。喷混凝土的设计厚度和喷射量都变大了,因此,采用高效率、大容量的机械和高强混凝土,以控制厚度的增加,是必要的。因开挖量的增加,需要采用大型出碴机械和连续出碴系统。因大型机械投入施工,废气增多,要加强通风,要研究采用TBM导坑通风的可能性。研究采用TBM导坑施工的合理方法和可能的技术。,2023/10/12,机车车辆研究所,第18页 共 页,在大断面隧道施工方法的研究中,提出了TBM导坑超前法,即利用小断面TBM掘进超前导坑,并施工超前锚杆,而后利用爆破法进行扩大。TBM导坑超前的作用可归纳为以下几点:围岩调查 排水通道,改善围岩条件
10、对不稳定地段进行事前加固 爆破扩大时,起到掏槽作用 可作为施工中的风道,2023/10/12,机车车辆研究所,第19页 共 页,2023/10/12,机车车辆研究所,第20页 共 页,(3)通风技术选择。施工通风是控制长大隧道施工进度的关键因素之一,目前隧道施工的通风方式主要有管道式和巷道式通风两种。管道式通风由于管道的漏损和沿程损失都大,以及与施工特别是衬砌模板台车的干扰很大,如果独头掘进超过3km时,该通风方式则很难满足施工要求。巷道式通风方式风量损失小,没有管道与施工的干扰问题,是解决长大隧道施工通风的途径。,2023/10/12,机车车辆研究所,第21页 共 页,(4)工期规划。从工期
11、上考虑,双孔单线隧道一般较单孔双线隧道工期有利(但投资大)。另外分修隧道由于断面小,遇到不良地质的时候处理起来较大断面要容易一些,速度也快的多,也相当于节省了工期。因此在针对单孔双线隧道编制施工工期时应充分考虑不良地质条件和其它不利因素造成的影响。,2023/10/12,机车车辆研究所,第22页 共 页,2、施工阶段,(1)洞口工程 在洞口段、未固结围岩、断层破碎带等不稳定围岩中,特别是在扁平大断面隧道中,因开挖宽度和高度都大,不易于稳定,和拱脚处的应力集中、拱顶弯矩增大等,应尽量控制围岩松弛,为此,采取掌子面的稳定对策是极为重要的。掌子面稳定对策有分割掌子面、缩短一次进尺长度或采取辅助工法。
12、,2023/10/12,机车车辆研究所,第23页 共 页,对洞口工程的重点要求(验标):1)环境保护的要求:符合国家及行业环境保护政策、法规的要求;2)施工安全的要求:边仰坡开挖不得采用洞室爆破、及时防护、清除危石。3)施工顺序和施工时间的要求:避开雨季;4)洞口排水工程:施作方法和施作时间。,2023/10/12,机车车辆研究所,第24页 共 页,洞口工程地基承载力,隧道洞门各结构物(端墙、翼墙、挡土墙)基底的地基承载力是结构安全的重要环节,基底开挖至设计标高后必须进行验收和地基承载力检测,判定其符合设计要求后方可进行下道工序施工,对于检验数量、方法在验标中均有相应规定。洞口工程的开挖分项、
13、模板、钢筋、混凝土砌体、防护等分项工程要求详见验标有关规定。,2023/10/12,机车车辆研究所,第25页 共 页,(2)洞身开挖,1)重点抓住以下四个方面:确保工程施工质量的关键要素:施工方案的可实施性和科学性;开挖过程中,对围岩进行观察和量测;严格控制隧道开挖质量;加强开挖面的地质素描和地质预报工作。其中隧底开挖:应确保边墙基础及隧底的开挖高程符合设计要求,边墙及隧底混凝土基础浇筑时,必须将基底清理干净,无积水浮渣,保证结构与围岩紧密结合。重视弃碴场防护工程。,2023/10/12,机车车辆研究所,第26页 共 页,2)机械设备配套 隧道施工机械基本上是由掘进、支护(初期和二次支护)、出
14、碴运输及洞内作业环境的保障设备等四大部分构成。这四部分机械和设备的有机配合,就会形成强大的生产能力,但在配套中应将重点放在掘进和支护的机械选择上,因为这是形成生产能力的关键。在考虑施工机械配套时,应首先建立配套的目标函数。在铁路隧道中,配套的目标函数通常是用隧道的月均衡成洞速度(m/月)来表示。配套的生产能力1.21.5倍均衡生产能力,2023/10/12,机车车辆研究所,第27页 共 页,(3)施工阶段围岩级别的判定 施工阶段的围岩级别评定,目前主要有两类方法:一类是根据开挖暴露出来的掌子面观察的方法,一类是根据量测的方法。掌子面观察要绘制掌子面观察(素描)图、进行摄影等。观察中应该具体的记
15、录以下各项:地质状况及其分布、性质和掌子面的自稳性;围岩的软硬、裂隙间距及方向等围岩状态;断层的分布、走向、粘土化程度等;涌水地点、涌水量及其状态;软弱层分布 其它(监理的复核、设计的地质确认),2023/10/12,机车车辆研究所,第28页 共 页,(4)地质超前预报 在长大隧道施工中,目前多采用地质超前预报。实施超前地质预报的目的为:保证隧道施工安全,减少由于揭露发育不规律管道岩 溶产生的大量突泥、涌水而带来的损失;为动态设计、施工提供必要的地质参数,如:地下水 压力、水量、管道岩溶的大小、方位及含煤地层的瓦 斯参数、断层及泥化夹层的分布、岩体性状;做好地质超前预报可以节省大量资金,通过超
16、前预报,掌握前方地质、地下水状况,有针对性的采取施工防 范措施,可以有效减少事故的发生,节约投资。,2023/10/12,机车车辆研究所,第29页 共 页,地质调查。地质调查应重点放在以下几个方面:调查地表水文地质状况,主要是地表水系(水库、泉井、溪流)的位置标高、补给来源、流向等内容;调查断层的位置所在、产状与富水性;调查岩层褶皱的基本形态类型和轴面产状;调查溶洞和暗河的出入口位置,并分析其流径和隧道中心线的空间关系。根据设计资料和地表勘查报告,采用地面地质体投影法和断层参数预测法进行不良地质宏观预报。,2023/10/12,机车车辆研究所,第30页 共 页,采用地震波探测仪进行超前探测预报
17、 目前国内采用的地震波探测仪主要是引进的TSP203超前地质预报系统,它利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性,来预测隧道掌子面前方及周围临近区域地质状况。数码相机摄影(日本多采用圆柱式相机)采用数码相机对掌子面及周边部位进行摄影,是掌子面地质描述的有利补充。通过对掌子面图像的连续表示,可以在一定程度上对掌子面前方的地质状况进行预测。基于摄影图像,采用地质解析技术,就可以预测掌子面前方的地质构造、断层、节理和开挖面的交叉状态。,2023/10/12,机车车辆研究所,第31页 共 页,红外线探水 在隧道中,围岩每时每刻都在向外部发射红外波段的电磁波,并形成红外辐射场。岩层在向外部发射红外辐射
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