软弱破碎围岩及不良地质地段大断面隧道施工技术和长大隧道快速施工技术及设备配套技术前期研究报告（武广） .doc

软弱破碎围岩及不良地质地段大断面隧道施工技术软弱破碎围岩及不良地质地段大断面隧道施工技术 和长大隧道快速施工技术及设备配套技术和长大隧道快速施工技术及设备配套技术 前期研究报告 石家庄铁道学院石家庄铁道学院 目 录 1 武广客运专线隧道武广客运专线隧道工工程概况程概况1 1.1 沿线隧道分布概况 1 1.2 隧道断面 1 1.3 主要工程地质 1 1.4 水文地质概况 2 2 国内大断面隧道施工现状国内大断面隧道施工现状2 2.1 大断面隧道定义 2 2.2 国内大断面隧道施工概况2 2.3 国外大断面隧道施工概况3 3 国内外大断面长大隧道快速施工设备配套技术概况国内外大断面长大隧道快速施工设备配套技术概况22 3.1 连接法国意大利的 frejus隧道.22 3.2 日本关越公路隧道和五里峰隧道23 3.3 瑞士隧道 24 3.4 我国大瑶山隧道 27 3.5 我国米花岭单线铁路隧道27 3.6 秦岭线隧道平导隧道29 3.7 桃花铺 2 号单线铁路隧道30 3.8 大伙房水库输水隧洞工程30 3.9 乌鞘岭单线铁路隧道31 4 不良地质隧道施工技术现状不良地质隧道施工技术现状31 4.1 富水软弱破碎地质 31 4.2 岩溶地质 32 4.3 煤系地层 32 4.4 高地应力软岩大变形隧道32 4.5 高地应力硬岩地质 33 5 大断面及大断面不良地质围岩施工方法建议大断面及大断面不良地质围岩施工方法建议38 5.1 、级稳定性围岩38 5.2 级围岩 38 5.3 级围岩 38 5.4 大断面隧道施工技术研究重点40 5.5 不良地质段隧道施工方法原则40 6 大断面长大隧道快速施工机械配套建议大断面长大隧道快速施工机械配套建议41 6.1 国内外现有机械配套模式41 6.2 我国隧道施工中影响施工循环速度的薄弱环节42 6.3 武广客运专线大断面长大隧道快速施工机械配套建议42 7 武广客运专线大断面隧道施工中的若干关键技术研究建议武广客运专线大断面隧道施工中的若干关键技术研究建议44 7.1 大断面隧道安全性评价研究44 7.2 长大隧道快速施工及设备配套技术研究45 7.3 大断面隧道变形控制基准研究45 7.4 大断面不良地质隧道施工技术研究46 7.5 软弱围岩大断面隧道长期稳定性研究48 7.6 大断面隧道施工动态信息智能管理系统研究50 1 国内外大断面隧道施工现状 1.1 大断面隧道定义 目前我们国家还没有一个依据对隧道开挖面积的大小而对隧道断面进行的分级标 准。表 1 为国际隧协的断面划分的建议标准。 表 1 国际隧协的断面划分 划分净空面积(m2) 超小断面3.0 小断面310 中等断面1050 大断面50100 超大断面100 武广客运专线双线隧道内部净空断面积 128m2，有效面积 100m2，开挖面积 147165m2，如按国际隧协对隧道断面的划分，应称为超大断面隧道。本文泛称为大 断面隧道，但研究对象多为净空面积大于 100m2者 1.2 我国大断面隧道施工概况 我国铁路系统从 20 世纪 60 年代起修建大断面隧道，其数量相对较少，技术也相 对落后，主要是一些三线或车站隧道。20 世纪 80 年代以后，高速公路隧道相继出现， 大断面隧道也日渐增多。表 2 为所收集的我国大陆地区交通类大断面隧道工程概况。 我国台湾的高速铁路已于 2003 年完工，改线修建了许多大断面隧道。 台北高雄高速铁路全线长 394km，设计时速 350km/h，运行时速 300km/h，其中 暗挖施工隧道 42 座，总长 39km，最短隧道 92m，最长隧道 7360m。隧道净空有效面 积 为 90m2。双线隧道净空跨度为 15.35m，净高 10.5m，线间距 4.5m，实际开挖面积 147155m2，如图 1。 主要地质条件为：新第三纪中新世到第四纪沉积物，从淤泥、粘土、砂和卵(砾)石， 到漂砾。轻质胶结，一般从密实、坚硬到强度只有几个 mpa 的软岩，无断层出现。由 于围岩的自稳定能力很差，所以在开挖之前对隧道围岩进行管棚预支护：管棚长 l12m，搭接 4m，在拱部 120范围内施作管棚预支护。 开挖方法采用上部弧形导坑开挖，留核心土，上导坑初期支护设置大拱脚，并设 拱脚支撑桩(钢管桩、旋喷桩等)喷射混凝土 30cm，设临时仰拱，无管棚支护范围设长 度 6m 的锚杆，格栅钢架 0.51.0m，如图 2。 补强预留空间 喷混凝土 30cm 无纺土工布 绝缘区 二次衬砌45cm 运行区轮廓 安全通道 安全区 1.2m 2.25m 2.25m 8cm 14.53m 图 1 台湾台北高雄高速铁路隧道断面 2.2m 表 2 我国大陆地区大断面隧道概况 编 号 名称长度(m) 用途 时间 断面面积 (m2) 跨度 (m) 埋深 (m) 地质概况 开挖 方法 辅助工法 锚杆 长/环纵 钢架间距 (m) 喷混凝土 (cm) 二衬 (cm) 1狗磨湾隧道1284.45 铁路 199425020.9大于38 砂粘土、石英 云母、页岩 双侧壁导 坑 管棚、锚杆、 钢架 3.0/ 1.51.5 1.01.220305090 2何家湾隧道177铁路 1972227.426.57大于100 泥质粉砂岩夹 少量页岩 台阶法、 侧壁导坑 钢架、锚杆70 3邬家湾隧道151铁路 1973213.2426.05大于 50 泥质粉砂岩夹 少量页岩 侧壁导坑、 台阶法 钢架、锚杆70 4 松树坡车站 隧道 192铁路 197320020大于 50凝灰质砂岩 品字形导 坑 钢架100 5 大巴山三线 隧道 108铁路 1972181.719.1大于 20白云质灰岩 品字形导 坑 80 6 鹰山一号隧 道 221.5铁路 1994220.719.58侧壁导坑 2.0/ 1.61.0 1.03050 7柳林河隧道111铁路 197714618.1 石灰岩、泥质 灰岩 台阶法锚杆、钢架 2.0/ 1.01.0 353030 8新密隧道112铁路 196623127.440灰岩 台阶法、 侧壁导坑 锚杆、钢架 3.5/ 1.11.1 40 9老爷岭隧道1007.74 公路 198610.17花岗岩下导坑锚杆50 10马兰坝隧道60公路 199614.5610灰岩侧壁导坑 管棚、锚杆、 钢架 2080 11雷公山隧道铁路1249粉砂岩台阶法 地面锚杆、 洞内锚杆、 钢架 3.5/ 12燕山隧道1275铁路 199611.16风化花岗岩台阶法地面注浆3.5/0.62045 13乐普村隧道274铁路 1995136.813.0620灰岩、粉砂岩cd 法 超前锚杆、 锚杆、钢架 3.5/ 1.00.8 0.82550 120 双层钢筋网 长 12m 的管棚 喷混凝土 30cm 扩大拱脚 70cm 锚杆长 6m 4 个排水孔核心土 s s s=0.8-1.0m 上导坑 核心土 临时仰拱 台阶 仰拱 双层钢筋 喷混凝土 1.5m 临时仰拱 2s 临时仰拱闭合 6s 7s 台阶 2s 仰拱 4s 6s 仰拱闭合至上导坑开挖面150m 格栅钢架 图 2 台湾台北-高雄高速铁路双线隧道施工方法 1.3 国外大断面隧道施工概况 随着国外高速公路和高速铁路的发展，交通类大断面隧道不断涌现，表 3 列出了 国外一些大断面隧道工程的概况。 (1)巴西圣保罗西环线巴西圣保罗西环线 3 号隧道号隧道(1999 年开始施工年开始施工) 巴西圣保罗环线是为了缓解市区交通拥挤而修建的，其中西环线 3 号隧道长 1730m，软弱破碎围岩段隧道的开挖宽度 19.3m，开挖高度 11.6m，开挖总面积 220m2，最大埋深 181m，水位 20m。隧道进出口部分围岩为土层和破碎岩石，岩体质 量指标 q 约为 0.33。为保证开挖安全，其南口和北口隧道段均采用钢管棚进行拱部超 前支护。开挖采用双侧壁导坑法进行施工，断面中部再采用台阶法开挖，如图 3。其南 口段采用超前上部导坑法施工，然后单侧台阶法扩挖，如图 4。 隧道初期支护采用喷射钢纤维混凝土 30cm，钢纤维掺量为 2045kg/m3，格栅钢架 1 榀/0.6m，二衬厚度为 65cm，强度等级为 c25，要求二衬混凝土的渗透系数 kc10- 10cm/sec。 3 1 3a 2 4 图 3 巴西圣保罗西环线最长隧道北口施工方法 1 2 3 2a3a 4 图 4 巴西圣保罗西环线最长隧道南口施工方法 表 3 国外大断面隧道概况 编 号 名称国家 施工长 度(m) 用途 时间 断面面积 (m2) 跨度 (m) 埋深 (m) 地质概况 开挖 方法 辅助工法 锚杆 长/环纵 钢架间距 (m) 喷混凝 土(cm) 二衬 (cm) 1所领隧道日本215公路 199015015.37 火山碴、亚 粘土 短台阶法预注浆导管 6.0/ 1.01.0 rj 插桩2550 2新都富良野日本1715公路 198917014.5330100 砾岩、凝灰 岩 cd、crd 预注浆导管 地表注浆 3.0-6.0/ 1.21.2 1.02050 3鸟手山隧道日本842公路 198813014.57-70 砾岩、凝灰 岩 cd、crd 、短台阶 法 注浆、正面 锚杆 3.0-6.0/ 1.21.2 1.015-2050 4mount baker美国451公路 198626719.230砂粘土 多导坑、 台阶法 钢架 5福冈日本108铁路 198812013.110-20 砾岩、花岗 岩 侧壁导坑注浆50 6valdarnv意大利216铁路 199190-12013.74-12冲积层侧壁导坑 大管棚、注 浆 3.0/ 1.01.0 格栅/1.02080 7海峡英国161铁路 199024015.436白垩泥灰岩侧导坑法导管注浆 3.0-6.0/ 1.01.0 1.02060 8rengershausen德国1597铁路 196623114.410-50砂岩、粘土 管棚、侧 导坑 注浆钢管、 管棚 61.02540 9凑公路日本197公路 1991152184-6 火山灰、粘 土砾石、粉 砂 侧壁导坑 大管棚、化 学注浆 1.01560 10heslach德国120公路 199614315.7520 石膏、软粉 砂岩 侧壁导坑地表注浆 4.0-6.0/ 1.01.0 1.03070 11landsberg德国182公路 199025018.920 第三、四纪 岩层 侧导坑分 部开挖 4.5/ 1.21.0 格栅/1.020-4045 12列克雷斯意大利1427公路 19921051240-50粉砂、粘土台阶法导管注浆6/1.02075 13istanbul土耳其1344轻轨 199410410.77-20 灰岩、粉砂 岩 cd 法小导管注浆 1550 (2)新加坡地层深部污水隧道新加坡地层深部污水隧道 该污水隧道断面为圆形隧道，开挖断面直径为 9m，埋深 25m。距其上部 2.5m 为 二条地铁区间隧道，隧道交叉处为老冲积层。为保证地铁隧道的安全，污水隧道开挖 采用上弧形导坑开挖，留核心土，上部断面初期支护采用扩大拱脚，上导坑开挖每次 开挖进尺 1.0m，下部台阶每次开挖进尺 2m，如图 5。 初期支护锚杆采用25，l3m 的钢筋注浆锚杆，格栅钢架 1 榀/m，喷混凝土厚 35cm，内设两层钢筋网。 (3)土耳其土耳其 bolu 公路隧道穿超大规模断层隧道公路隧道穿超大规模断层隧道 bolu 隧道是欧洲 tem(transit european motorway)通道的重要注组成部分，由两个 中心线间距 40m 两条三车道隧道组成，左线全长 3287m，右线全长 3236m，隧道最大 埋深 250m。根据地质条件及支护的不同，开挖断面面积大约 140220m2，如图 6。 9.0m 上导坑 喷混凝土 临时填充 扩大拱脚 核 心 土 台阶 锚杆长 6m 带肋钢支撑 h150 型 核心土 拱脚锚杆 32.0m 小导管 3.0m 锚杆 拱脚 锚杆 图 5 新加坡大埋深软弱土层中污水隧道施工方法 15m 图 6 土耳其 bolu 隧道断面 12m 该隧道最古老地质单元为前寒武纪时期的角闪岩、片麻岩、变晶质闪长岩和变晶 质石英闪长岩地层，上覆岩层为泥盆纪时期的千枚岩、页岩、石英岩和石灰岩层，其 中有上泥盆纪末的碎片花岗岩和板岩侵入。再向上就是古新世始新世时期的砂性石 灰岩、钙质砂岩、粉砂岩、粘土岩、泥灰岩、石灰岩和角砾岩。最新的地质单元为上 新世的粘土层、粉土层、砂层和卵石层。bolu 隧道所处区域有两个大的构造带，断裂、 褶皱发育。在距 blou 隧道入口、出口分别为 700m 和 150m 处各有一大规模断层，两 断层都呈小角度与隧道相交，在隧道轴线的投影影响长度分别达 233m 和 197m。这两 个断层均为逆断层、断层裂隙内充填大量粘土矿物。在断层破碎带，原设计采用双侧 壁导坑法施工，柔性初期支护如图 7，最大允许变形量为 25cm。侧壁导坑拱部采用注 浆小导管超前支护，上导坑环形开挖留核心土，下部采用二步台阶落底，仰拱以上部 分全部设 46m 长锚杆，环向间距 1.2m，喷射混凝土厚度 30cm，双层钢筋网，钢拱支 撑 1 榀/m。在施工过程中，隧道位移严重超限，拱顶下沉将近 50cm，水平收敛达 105cm。支护参数经过多次变更，如喷射混凝土改为钢纤维混凝土，厚度最后竟达到 70cm，围岩变形仍不能得到有效控制，最终决定采用重型支护措施：包括 bernold 衬 砌和双侧拱脚导坑法，取得成功。 在厚砂页岩夹层段采用 bernold 衬砌，它是在初期支护和二次衬砌之间铺设一层带 有波纹的带孔钢板，内有重型带肋钢拱架支撑，如图 8。仅初期支护和 bernold 衬砌二 者厚度之和就达到了 1.0m。 上导坑 小导管 d=3-5cm l=3-4m 核心土 0.0 -0.75 台阶 仰拱 核心土 台阶 仰拱 上导坑 排水孔 喷混凝 土 30cm 注浆锚杆 长 46m 仰拱(30mpa) 底纵梁(30mpa) 喷混凝土 20cm 图 7 土耳其 bolu 隧道断层破碎带原设计施工方案 喷混凝土d=40cm bernold 衬砌 b40/d=50cm 二次衬砌 40cm r=900cm 24.14 r=780cm r=887cm 30cm 10cm 图 8 土耳其 bolu 隧道采用的 bernold 衬砌 在断层破碎带，采用双侧拱脚导坑法，导坑直径 5.6m，支护后内径 5.0m。在导坑 内正断面上导坑进行注浆加固，导坑衬砌为厚 30cm 的 c30 钢筋混凝土，在两侧拱脚 导坑内部分回填 c30 混凝土，作为正断面拱脚支承，然后开挖正断面上导坑，喷射钢 纤维混凝土衬砌 70cm，注浆锚杆长 9m，然后开挖下部断面台阶、落底，施作仰拱， 如图 9。 (4)日本东京高速铁路线日本东京高速铁路线 narashinodai 隧道隧道 大多数日本城市都座落在新沉积层上或海边填海造地，因而在过去很多年的时间 里，许多隧道都采用盾构法施工和明挖法。 由于造价较低和隧道断面设计的灵活性，矿山法在城市里应用范围正在扩展，矿 山法已经应用于更新世沉积层隧道，日本“矿山法隧道标准及解释”认为在单轴抗压 强度约大于 0.1mpa，变形模量大于 10mpa 的非胶结土层中都可以采用矿山法施工。为 减少施工对周围环境的影响和保证开挖面稳定，经常采用超前支护技术，如小导管注 浆、长管棚支护、水平旋喷超前支护以及预衬砌等。 图 10 是日本东京高速铁路线上 narashinodai 隧道采用分块开挖的方法(crd)，在 隧道拱部采用超前小钢管，钢管直径 34mm，长 2.75m，间距 25cm，共用 47 根，临时 支护结构采用 125h 型钢支撑，喷混凝土厚 125mm，锁脚锚杆直径 25mm，长 2.0m， 图 10 中表示开挖顺序。 图 9 双侧拱脚超前导坑施工方法示意图 坍塌回填 上部导坑 第一步第二步第三步 喷混凝土 厚 70cm 注浆锚杆 长 l=9m 18.94m 24.2m 图 10 日本 narashinodai 隧道开挖步骤 钢支撑 喷混凝土 20cm 喷混凝土 15cm 钢支撑 125h 型钢支撑 125h 喷混凝土 12.5cm 型钢支撑 125h 工作面稳定锚杆25,l=2m 拱脚锚杆 25,l=2m 超前钢管34, l=2.75m 图 10 日本 narashinodai 隧道开挖步骤 (5)日本大断面公路隧道日本大断面公路隧道 新东明明神高速公路隧道 原东明明神高速两车道公路于 1969 年投入运营，曾为日本经济发展作出重要贡 献。但随着日本经济发展，车流密度大幅度增加，致使维修工作量日益增加，原东明 明神高速公路已明显显示出其运能的不足。于是计划修建时速 140km/h 双向车道(双 孔三车道)第二条东明明神高速公路。 第二东明明神高速公路全长约 503km，隧道总长度占线路总长度的比例约为 25%， 长度超过 2km 的隧道就有 22 座。三车道隧道的标准断面如图 11，开挖面积达 113220m2，断面扁平率约为 0.65。 如果把传统两车道或三车道隧道的用料标准用于东明明神超大断面隧道，就会 导致施工效率大大降低。为解决此问题，开发了适用超大断面支护的材料，如表 4 所 示。 表 4 新东明明神超大断面支护所用材料 标准 支护材料 传统标准新东明明神公路隧道标准 喷混凝土 28d=18mpa 1d=5mpa 28d=36mpa 1d=10mpa 3h=2pa 喷混凝土素混凝土钢纤维混凝土 ss400ss540/ht590 轻型高强钢支承 抗拉强度抗拉强度 隧道中线 道路中线 343434” 63mm 路面 图 11 东明名神高速公路三车道隧道标准断面图（开挖面积 190cm2） 喷混凝土厚 20cm 二次衬砌厚 60cm 锚杆长 6.0m 450510mpa590mpa 屈服点屈服点 245mpa440mpa 屈服强度屈服强度 锚杆 120180mpa180290mpa 衬砌 28d=18mpa28d=30mpa 在超大隧道施工中，必须采取相应措施来保证工作面的稳定，控制渗漏水，控制 拱脚沉降，较为详细地掌握工作面前方的地质情况，不但可以使采取的施工措施更具 针对性，而且由于导坑的存在能提高开挖效率，降低费用，因而采用超前导坑法施工 是可行的。表 5 为新东明明神高速公路隧道的标准支护参数。 表 5 新东明明神高速公路隧道的标准设计支护参数 锚杆衬砌厚度(cm) 长(m) 间距围岩 类别 开挖进尺 (上半断面) 上半断面 及边墙 环向 (m) 轴向 (m) 钢支撑 上半断 面及台 阶 钢纤维 喷混凝 土厚度 (cm) 拱部边墙仰拱 b1.54.01.51.5h-150155050 c1.56.01.21.5h-200205050 c1.26.01.01.2h-200255050 d1.06.01.01.0h-200306080 经过日本公路公团在其它高速公路线路上隧道中的实践，新东明明神高速公路 大断面隧道标准支护模式如表 6。 表 6 新东明明神高速公路大断面隧道最终支护模式 锚杆钢拱支承 衬砌厚度 (cm) 长(m)周边 围 岩 类 别 开挖进 尺(上半 断面) 上 部 台 阶 (m)(m2/piece) 轴向 (m) 上部台阶 喷混凝 土厚 (cm) 拱部 / 边墙 仰 拱 b2.5(2.0)443.0(2.0)3.82.5(2.0)10*40 c2.0(1.5)6*41.5(2.0)2.92.0(1.5)h-154h-15415*(15)4055 c1.5(1.2)6*41.3(1.6)1.81.5(1.2)h-154h-154154055 d1.2(1.0)6*41.3(1.6)1.41.2(1.0)h-154h-154205070 注：( )表示 tbm 超前导坑，喷混凝土为高强型，*上部断面用钢纤维混凝土(sfrs)锚杆：*表示其强度为 2901 型， 其它类型的强度为 180kn，钢支撑为高级别型。 导坑的开挖可以采用钻爆法也可采用 tbm，在出现断层破碎带、有大量涌水时不 适合采用 tbm 施工超前导洞。 东明静岗 2 号隧道 这是一座按 140km/h 速度设计的大断面公路隧道，上行隧道长 1185m 和下行隧道 长 1187m。该隧道的地质条件是砂岩、泥岩及两者的互层。围岩的弹性波速度，硬岩 是 3.65.0km/s。泥岩的单轴抗压强度在 50mpa 左右，砂岩在 100mpa 左右。洞口附 近有 2 条破碎带并有涌水。为了对施工方法进行比较，在不良地质地段分别采用了中 壁法、导坑超前法和上半断面短台阶法。各种方法的基本模式和适用的位移情况如下 a、中壁法(如图 12) 本方法是以掌子面和拱顶附近的稳定为主要目的而采用的。超前距离约 20m，中 壁拆除时间距后进坑道掌子面约 20m。同时中壁的曲率取 14m 和 40m 两种进行比较。 本方法用中壁分成超前导坑和后进导坑，二者各自独立平行作业，相对来说，掘 进速度比导坑超前法要快些。此外超前导坑的锚杆对后进导坑的掌子面稳定是有帮助 的，由于被中壁分割掌子面稳定性好。 150 262 60 r=4000 60 1869 50 180250588 1280 70 150 99 1:0.5 1:0.3 （单位： cm） 约20m约25m 3040m150m 液压装碴机 反铲 约30m 运碴车5台 车行通道约20m 最大20m 反铲 臂式装碴机 图 12 中隔壁法 图 13 导坑超前法 b、导坑超前法(图 13) 本方法为了提高掌子面的自稳性以及进行地质预报、排水等目的而实施的。超前 距离从发挥机械效率出发，取 1030m。大量涌水时，可延长到 100m。 从施工安全出发，导坑和扩挖是交互进行的。 c、短台阶法(图 14) 这是在地质较差的情况下采用的方法，同时采用的辅助施工方法有大导管和正面 锚杆等。 、日本东名沼津隧道 东名沼津隧道长 597m(上行)和 657m(下行)，是按时速 140 km/h 设计施工的，其断面示 于图 15。开挖宽度约 18m，高度约 10m，开挖断面积约 190m2，断面的扁平率是 0.68。 地质条件是以凝灰角砾岩为主体的软岩，隧道最大埋深 47m，采用了分四部的中 壁法和分三部的中壁法。在埋深特别小的场合，为了确保掌子面的稳定采用四部中壁 法，即在上行线东洞口采用三部中壁法而在下行线东洞口采用四部中壁法，三部、四 部中壁法的断面分部模式示于图 16。 在中壁法施工中，关键问题是对中壁的处理，从比较中可以看出，作用在中壁的 轴力，四部的中壁比三部的中壁大，前者的最大平均值是 236.2kn，三部的是 166.6 kn，这说明四部法中壁的功能得到了充分发挥。另外从拱顶下沉看，二者也有很大差 图 14 短台阶法 异，四部法对控制地表下沉也是极为有效的。 中壁拆除时期和中壁拆除后的安全性是这个方法的关键技术。 (a) 中壁拆除时机的判定标准 在一般的混凝土衬砌施工阶段的位移收敛是根据“一周间的位移增量在 1mm 以下， 得到 2 次确认”就可以了。在中壁法中，中壁拆除后就进行下部开挖并修筑仰拱。因 此，拆除中壁到得到完成的断面有一个过渡阶段。根据量测数据分析，中壁拆除时的 判定标准规定如下： 拱顶下沉量：7d 间的增量2mm； 净空位移量：7d 间的增量4mm(拱顶下沉量的 2 倍)。 中壁留存距离除考虑上述拱顶下沉和净空位移外，还要从机械配置和施工安全等 方面研究，距后进掌子面最少要有 30m。 (b) 中壁拆除后的安全性判定 在中壁法中支护和围岩的相互作用还有一些不清楚的地方，因此，拆除后的安全 性判定只有依靠计算来解决。根据计算，拆除后的下沉增量在四部法的场合为 16.5mm，三部法的场合是 12.0mm。因此，以三部法的中壁拆除后的增量 12mm 为管 图 15 东明昭津隧道断面图（单位：mm） 图 16 东明昭津隧道开挖方法（cd 法） 理水平，则确定出表 7 的管理标准。 表 7 中壁拆除的管理标准(mm) 管理水平管理阶段中壁拆除作业中中壁拆除后 1安全36 2注意612 3危险1224 日本大断面隧道施工的模式化 在大断面隧道的施工中，把施工方法模式化是提高工程质量、降低工程造价，发 展适应工法施工的定型机械的重要措施。日本在这方面作了许多研究和试验性的施工， 表 8 中图分别表示在软弱围岩中的短台阶法、cd(中隔壁)法和双侧壁导坑(眼镜)法的模 式化示例。图中分别表示出在不同地质条件下三种方法的开挖分部、初期支护、二次 衬砌以及辅助工法的应用。围岩级别采用日本岩体分级标准。 表 8 不同施工方法的标准支护模式 续表 8 不同施工方法的标准支护模式 续表 8 不同施工方法的标准支护模式 续表 8 不同施工方法的标准支护模式 2.4 部分水工大断面隧道洞概况部分水工大断面隧道洞概况 受地形和气候条件的控制，中国的水利资源主要集中在西南地区。由于这一地区 雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头、大容量的水电站，所以也常需要布 置长引水隧洞或高坝。据资料介绍，中国国内已建成长度 5km 以上的引水发电隧道 20 座，由于河谷狭窄，常需要大断面泄洪洞宣泄洪水，施工期间也需要大断面隧洞来导 流。隧洞断面较大的有：小浪底水利枢纽三条导流隧洞总长 3406m，圆形段开挖面积 为 254m2，矩形段为 460m2；二滩水电站导流隧洞最大开挖断面达 25.5m20.5m(约 490m2)；云南大朝山水电站尾水隧洞最大开挖直径为 16.3m(断面积 208.6m2)，城门洞 型段最大开挖断面为 10.1m13.1m(132.31m2)；漫湾水电站 1 号导流动洞口处最大断 面积为 402.5m2；二郎坝溢洪洞最大断面为 309m2；清江隔河岩水利枢纽导流隧洞最大 开挖断面 270m2；李家峡水电站导流隧洞最大开挖断面 304m2；公伯峡水电站导流隧洞 最大开挖断面 296m2；引子渡水电站左岸 1 号导流隧洞最大开挖断面 270m2；水布垭水 利枢纽导流隧洞最大开挖断面 503.99m2。 中国幅员辽阔，但水资源相对贫乏，分布不均。为了解决干旱地区用水，需要进 行跨流域调水，其中不少跨流域调水工程输水干线穿过分水岭及山岭地带，主要依靠 水工隧洞引水。例如，已建成的由青海大通河引水至甘肃的调水工程总干线全长 68.9km，其中隧道 33 座，总长 75.11km，隧洞最大开挖断面 28.4m2；万家寨水利枢纽 引黄河水穿过海河流域至太原的引水工程，隧洞最长超过 200km；近期将修建的辽宁 省东水西调工程输水隧洞长 86km，最大开挖断面 50.24m2。 国外也兴建有大量的水工隧洞，尤其是调水工程的长水工隧洞，据不完全统计， 目前国内外已建成的 10km 以上的水工隧洞达 90 座，中国占 11 座。例如日本为建立一 个容量为 110000 吨的控制水池，需建的主隧道采用新奥法施工，最大开挖断面 254m2。 2 国内外大断面长大隧道快速施工设备配套技术概况 长大隧道往往是整条线路控制工期的工程。长大隧道，如何安全快速地顺利施工 至关重要，钻爆法施工中快速爆破钻眼、装药及出碴运输，又是快速施工的关键。这 就要求必须有与地质相适应的施工方法及科学合理的设备配套技术。 在长大隧道的修建及设备配套技术方面，日本、欧美等国处于领先地位，也积累 了许多宝贵的经验。 2.1 连接法国意大利的 frejus 隧道 frejus 隧道全长 12890m，1979 年投入运营，它是意、法两国间的重要通道。 frejus 隧道的断面净空面积 66.25m2，拱顶最大净高度 7.51m，最大净宽 10.52m。 隧道穿越的岩层由三迭纪的石灰岩、白云岩、变质白云岩、绿色页岩和光泽的页 岩组成，法国端、意大利端都有破碎带。 法国端隧道开挖采用全断面一次爆破，平行直眼掏槽，每次共有 160 个炮眼，每 次循环进尺 4.5m。炮眼直径为 48mm，中空眼直径为 152mm，用两台蒙塔贝尔特公司 生产的电力钻孔台车钻孔，每台车有 5 根臂和一个工作台。用预制的塑料套管药卷分 别在两台西法(cifa)型自动升降脚手架上装药。爆破通风后，出碴利用布鲁伊特(broyt) x4型电动自动装载机(铲斗 2.5m3)和卡特(cat)613 型载重 20t 的轮胎式自卸车，12 辆 自卸车中有 2 辆距工作面 100m 处靠边墙停放，从工作面装碴后立即返回卸碴，使装卸 作业不间断进行。 找顶采用 pingon 找顶机将拱部和工作面的危石排除后，用两台蒙塔贝尔特公司生 产的 3 臂锚杆安装机施作长 4.65m20 的锚杆。 意大利端隧道开挖方法是，在岩体较稳定地层中采用全断面开挖法，钻孔采用特 拉斯科普科公司生产的轮胎式 6 臂钻孔台车，钻臂的定位配有自动控制装置。 每一循环钻 51 的炮眼 120 个，掏槽眼深 4.7m，其它炮眼深 4.3m，钻孔速度为 1.5m/min，出碴采用一台电动 broytx4型装碴机，配备 astra bm22 型自卸车 (1213m3)运碴，每小时可运走石碴 300m3。 施工组织：最高月进尺为 1979 年 1 月 8 日的 276m，相应于循环时间为 9h，两端 正常工作循环作业如表 9 和表 10 所示。 表 9 法国端 工序时间 钻孔2h30min 装药1h10min 爆破和通风30min 找顶和出碴30h40min 安装锚杆2h30min 挂网50min 其它5min 开挖进尺 44.5m 的循环 时间合计 11h15min 表 10 意大利端 工序时间 钻孔2h 装药1h15min 爆破和通风30min 出碴3h 找顶和出碴1h45min 安装锚杆(包括其它支护作 业) 4h 开挖循环时间12h30min 喷混凝土1h30min 掘进 4m 需要总时间14h 2.2 日本关越公路隧道和五里峰隧道 (1)关越公路隧道关越公路隧道 关越公路是连接东京和新泻的约 300km 的日本第一条贯穿本州高速公路，关越隧 道是关越公路的关键工程，总延长 11km，设计时速 80km/h，1979 年建成。 隧道开挖断面宽 12.2m，高 8.15m，开挖面积 85m2，隧道穿越围岩主要为石英闪 长石、凝灰角砾岩、凝灰岩、流纹岩、角闪岩、变质玄武岩等大部分围岩稳定性较好， 此类围岩占总长的 81.7%。 隧道正洞采用全断面开挖，轮胎式车辆运输，地质良好，使用辅助坑进行坑道通 风，坑道开挖面积 20.7m2，衬砌断面净面积 15.1m2，使长大隧道的轮胎车辆运输成为 可能。 水上端(汤泽端)钻孔采用门架式全液压钻孔机台车(轨行式)，装碴采用 2 台轮胎式 侧翻式装机，铲斗容积 2.7m3，运输采用 20 吨 volvo 自卸卡车 12 辆，混凝土浇注采用 输送速度为 66m3/h 的混凝土输送泵及全端面自行式钢模板台车。 由于洞口段地质条件较差及机械操作人员的操作不够熟练，在进口段开挖 1m 用时 较长，平均为 335min/m。随着向洞内推进，地质条件渐好及工人操作机械的熟练程度 增加，开挖 1m 用时逐渐减少，到距洞口约 500m 以后，开挖单位隧道长度用时较为一 致，认为工人已达到了相当的熟练程度。 正洞爆破进尺 1.21.5m，最高月进洞 138.4m(1978 年 3 月1978 年 8 月) (2)日本五里峰隧道日本五里峰隧道 日本五里峰隧道位于日本上田市到更植市间的五里峰隧道是日本北陆新干线上的 一座长 15.2km 的双线铁路隧道，隧道净空面积 70m2，分为 4 个工区依次施工，于 1991 年动工，1997 年投入运营。 五里峰隧道户仓工区为经长 620m 的横洞进入正洞后独头开挖长约 5km 的工程， 该工区隧道围岩以新第三期中新世中期的页岩、砂岩为主，并夹有凝灰岩及侵入岩等， 埋深 50600m，围岩的弹性波速为 4.05.2km/s，预计有几条破碎带，大部分围岩稳定 性较好。 围岩稳定性较好的地段，开挖采用全断面法(部分用台阶法)，钻孔采用 6 臂门架式 台车，规格为长宽高21.5m7.6m9.3m，重 180t；装碴采用布洛伊托 x43ed 大型 电动铲装机，铲斗容量 3.0m3，长宽高4.02m3.76m6.88m，重量 46t，功率 132kw/60hz/440v(电动式)；运碴机械为 4 台 25t volov bm a25b4 大型自卸车，装载 能力 13m3，长宽高9.015m3.180m3.240m，走行速度 3151km/h，最小转弯半径 7.5m(外径)，爬坡能力 45%(铺砌路面)，发动机排气量 6.73l，隧道最小宽度 9.5m，自 卸车很容易调头。 喷射混凝土采用 2 台曼斯特 sf-2 两臂喷射机，装在一台特制卡车上，长宽高 11.53.013.7m，重量 26.0t，每小时可喷射 2024m3/h。 在这种无轨运输模式下，五里峰双线隧道户仓工区创造了月进尺 255m 的纪录，充 分发挥了这些机械设备的能力。 2.3 瑞士隧道 (1)瑞士圣哥达公路隧道瑞士圣哥达公路隧道 瑞士圣哥达公路隧道长 16.322km，是当时世界上最长的公路隧道，由于施工中不 断遇到巨大困难，导致工期达 10 年之久。 在稳定性较好的正洞，隧道采用全断面开挖，开挖面积为 90m2，在南口正洞(1970 年 2 月)钻眼采用两台 t219 型轮胎自行式钻孔台车并排同时施工，共 108 个炮眼，钻 孔装药及爆破共用时 3h，每台钻孔台车的液压臂上装有 4 支液压钻臂及自动平行装置， 还有一支液压臂上装有一个装药工作台，还可找顶或打锚杆、喷射混凝土等。炮眼直 径 48mm，钻孔深度 4m，爆破进尺 3.5m。装碴用 2 台 cat980 轮胎式装载机，铲斗容 量 3.5m3。运碴用容量 30m3(自重 20t)的大斗车 810 辆组成一列，轨距 900mm，电力 机车牵引，也可转换为内燃机车(100 马力)，用两台 220kw 通风机通风，通风用时 20min。每个循环约 7 个小时，每天完成 3 个循环，进尺 10.5m。 (2)瑞士瑞士 vereina south 和和 mitholz 隧道隧道 瑞士联邦技术研究院工程施工与管理技术研究所开发出一种悬吊于隧道拱部的工 作平台及先进机械配套系统。平台之上可放置通风管路及用于延长管路的风管、水管、 电缆和皮带运输机，由岩石破碎机加工后的碎石碴通过皮带输送机送到位于工作平台 末端的出碴矿车，工作平台可以作为暂时不用机械和备用材料的暂贮放场所，另外， 在出碴的同时，还可同时放作仰拱，如图 19。采用该悬吊平台系统可有效提高效率 30%。 悬吊工作平台与先进的施工机械结合，使钻爆法颇具竞争性(与 tbm 相比)，最新 型的钻孔台车虽仅有 2 至 3 个钻臂，但可以全自动钻孔，通过激光导向设施进行台车 定位，只要将钻孔的参数输入给计算机，计算机依据台车定位数据就自动计算每一钻 臂所需要的角度、钻孔深度、间距等，如图 20。 计算机根据你所需要的爆破下的岩石的块度，控制装药量，出碴机械主要有出碴 列车，皮带运输机，通常情况下需要一台岩石破碎机将石块粉碎输送给皮带运输机， 最后输送给停放在平台后端的出碴列车运出洞外。 锚杆安装可以采用全自动锚杆机完成，立钢支撑可以用液压机械手完成，如图 21。 出碴机 岩石破碎机皮带运输机 钻孔台车 装药机械 临时不用设备停放区 开挖机械 混凝土仰拱施工 材料准备 运碴列车 临时不用设备停放区 图 19 悬吊工作平台系统 图 20 全自动电脑控制钻孔台车 喷射混凝土则完全由喷射混凝土机器人完成，如图 22，机器人配有隧道表面激光 扫描设备，机器人首先用激光扫描开挖段隧道表面，据此，计算得出一个距被扫描面 d 的虚拟平面，喷咀就在这个虚拟平面上移动并保持喷咀垂直于岩石表面，得到的喷混 凝土表面光滑且回弹量小。喷射混凝土机器人可根据输入的所期望的光滑性和喷层厚 度参数，过程控制计算机就自动计算喷头的操作参数及这些操作参数下可能的回弹量。 喷层厚度范围：430cm，机器人系统还包括输送设备、操作臂、混凝土泵及附属容器， 喷射混凝土机器人每小时可喷射混凝土 12m3，喷混凝土的早期强度可以通过调节外加 剂的掺量达到。 vereina south 和 mitholz 隧道就是采用上述悬吊工作平台系统进行施工的，在 mitholz 隧道钻爆法施工的直径 9.4m 的 2km 长的一段，而在 vereina south 隧道钻爆法 施工的总长度为 7474m，其中有 2km 长的一段是双线隧道，开挖面积在 7086m2，其 余 5.4km 是单线隧道，开挖面积 40m2，此处所用的悬吊工作平台长 230m。工作平台 在设置于隧道拱部锚杆端部的轨道上滑行，在平台的两侧各安装有一带锁定装置的推 图 21 全自动锚杆安装机和拱架安装液压机械手 图 22 全自动电脑控制喷混凝土机器人 进千斤顶，将平台与悬吊的轨道扣在一起，通过千斤顶可以推动工作平台在悬轨上运 动。 在悬吊平台的前端装有防护爆破飞石的金属网，距开挖面约 30m，有一倾斜的皮 带运输机，前面是岩石破碎机。 初期支护所用材料及其它材料需要在悬吊平台下面跨过仰拱施工区，通过设备停 放区，这由悬挂于平台吊轨上的起重机(5t)完成，在此同时，悬挂平台上的皮带运输机 不停地将石碴输送到位于平台末端的出碴矿车上，由机车牵引出洞。 瑞士联邦技术研究拟把悬吊工作平台系统应用于新阿尔卑斯山(neat)跨越路线工 程的隧道施工，包括 gotthard 45km 隧道和 lotschberg 35km 隧道，他们计划开发轻型 的悬吊工作台。 2.4 我国大瑶山隧道 大瑶山隧道全长 14.295km，是我国最长的双线隧道，开挖断面面积 98118m2(曲 线地段)，净空高 9.010.1m，宽 12.013.2m。进出口、除、类软弱围岩采用分部 开挖外，其余均采用全断面开挖。 全断面开挖采用瑞典 th282-2 型四臂液压凿岩台车和 copl038hd 型液压凿岩机钻 孔，开挖最大高度为 10.6m，宽 13.2m，凿岩台车实际平均钻眼速度为 156m/h，炮眼 深 55.15m，每循环进尺 5m。 每钻爆循环需出碴 600m3(松方)，采用铲斗容量为 2.7m3的瑞典 bm1641 型轮胎式 装碴机，每小时可装 120150m3，运碴用 20t 的意大利 dp205c 型自卸汽车，进口最 大运距 4400m，配 6 部汽车，出口运距 3200m，配 5 台汽车。 出碴前用 ph-30 型喷射机，工人站在碴堆上喷射拱部混凝土，出碴后用瑞士 trixer 型喷混凝土三联机(存料、搅拌和喷射)，robot75 型喷射机械手喷射混凝土，用 凿岩台车钻设锚杆孔，在工作平台上安装砂浆锚杆。 二次衬砌混凝土浇注采用日本自行式 gkk 型钢模板台车，长 12m；意大利 m30 型混凝土搅拌工厂(包括 750l 强迫式搅拌机、水泥机、水泥仓、450m3骨料堆积场)； 三菱 fv313jml 混凝土搅拌运输车，搅拌容量 6m3，最长搅拌时间 120min；ptf605 混凝土泵灌注混凝土，流量 460m3/h。 2.5 我国米花岭单线铁路隧道 米花岭单线铁路隧道位于广西田林县境内，全长 9392m，最大埋深 700m，是控制 南昆铁路总工期的关键工程。隧道穿越地层岩性主要为泥岩、灰绿色砂岩和钙质泥岩。 (1)进口端进口端 进口端采用钻爆法全断面开挖、有轨运输方案施工。在正洞一侧有一超前平行导 坑，供正洞隧道开挖作业的出碴、运输、通风和探明地质情况，有利于避免开挖作业 与正洞的衬砌的浇筑作业相互干扰。 进口端全断面开挖，整个断面设炮眼 126 个，钻孔采用 th568-5 型轨行门架式四 臂钻岩台车，孔深 4m，每循环进尺 3.7m。装碴采用 2 台 lz-120 型立爪型装碴机，8t 电瓶车 6 台和 8m3的梭式矿车 8 辆有轨运输。循环作业时间平均为 18h(1994 年 8 月)。 (2)出口端开挖方法和开挖作业线的机械配套出口端开挖方法和开挖作业线的机械配套 出口端同样采用钻爆法全断面开挖，有轨运输方案施工，但与进口端不同的是预 先开挖了一个断面面积为 3.53 m2的下导坑，下导坑与前面的斜井连通，这对出口端 正坡施工的通风排烟起到了很号的作用。由于先开挖下导坑，每循环的开挖面积减少 了 1/5 左右，所需炮眼仅有约 80 个，围岩的稳定性比进口端好，每循环只需安装锚杆 58 根。 钻孔采用 th568-5 型轨行门架式四臂台车一台；lz-120 型立爪装碴机和 kl20e5 型挖掘装载机各一台；运碴采用 12t 电瓶车 10 台和 14m3梭式矿车 6 辆和 8m3梭车 3 辆。在预先开挖超前下导坑条件下，每循环进尺 3.75m，循环作业时间 9.5h。 (3)进出口循环作业时间存在巨大差异的主要原因进出口循环作业时间存在巨大差异的主要原因(测试时间：进口端测试时间：进口端 1994 年年 8 月，月， 出口端出口端 1995 年年 6 月月) 首先进口端围岩比进口稳定性好，省去了喷混凝土临时支护作业，并在找顶的 同时，装碴机就进入掌子面，装运工作与找顶重合，装碴机就位工序完全没有占用循 环作业时间，这样，出口端就比进口端作业工序中就省去了找顶，喷射机就位、喷射、 喷射机撤离等工序用时。 差别最大的工序是通风。进口端平均耗时 61min，而出口端只需 5.8min，相差 十多倍。其主要原因是，出口端是正坡开挖的隧道，烟流一般从正坡隧道排出比反坡 更为容易，而且出口端已预先开挖一个与斜井相通的下导坑，烟尘通过压入式通风和 斜井的抽风作用，很快就能从掌子面排尽。爆破面积也减少了 20%，临空面增大，爆 破效果好。平均每个循环少钻 4050 个炮眼，且多数未装满药。炸药用量比进口少 100kg，爆破后的烟尘也少一些，这也是进口端通风时间很短的一个原因。 另外差别大的还有装运工序，进口端约需 8h，而出口端平均只要 4h。 出现上述情况的主要原因有： a. 由于出口端超前下导坑(3.53m2)的存在，每炮的碴量也比进口端相应减少，出 碴车数比进口端少 15 车，另外进口端梭车的容积大也是一个重要原因。进口端梭车全 部为 8m3，而出口端有 6 辆 14m3的梭车和 23 辆 8m3的梭车，梭车总数也比进口端 多，调车时间也相应减少，而且大容积的梭车的