浅谈铁路隧道设计和施工

浅谈铁路隧道设计与施工摘要：目前，我国高速铁路发展成效显著，对社会经济发展、改善民生、增强我国综合实力和国际影响力发挥了重要作用，已然成为我国走向世界的名片。高速铁路以高桥隧比著称，隧道设计施工更是会遇到比以往更复杂的情况，例如下穿既有构筑物、瓦斯、采空区、溶岩溶洞、黄土等。所以提高和改善现有的设计施工理念显得尤为重要。关键词：铁路隧道 设计 施工 一体化目前，我国高速铁路发展成效显著，对社会经济发展、改善民生、增强我国综合实力和国际影响力发挥了重要作用，已然成为我国走向世界的名片。高速铁路以高桥隧比著称，隧道设计施工更是会遇到比以往更复杂的情况，例如下穿既有构筑物、瓦斯、采空区、溶岩溶洞、黄土等。所以提高和改善现有的设计施工理念显得尤为重要。1.目前隧道设计施工存在的问题1.1隧道设计问题众所周知，隧道工程是一个经验性极强的学科，长期以来都是凭借经验设计施工的1。隧道向着长大方向的发展，然而偏少的地质勘探资料，只能大致地描述出工程地质的大体情况，设计人员仅能凭借现有的地质资料进行设计，必然造成围岩分级不准、断层分布有误、地下水强弱不明等情况。1.1.1隧道位置选择的问题隧道位置按地形条件的选择原则：当地势陡峭，无法绕行或以深路堑通过时，隧道穿山而过，是比较有利的方案；当平面障碍绕行方案不满足曲线要求无法通过时，可采用隧道直线通过，路线行程缩短，运营条件改善，而且不受坡面落石的威胁。隧道位置按地质条件的选择原则：1）隧道中线走向与单斜岩层走正交最为有利2：a. 当单斜岩层倾角较小时，隧道应通过坚硬的厚层岩层。若通过薄岩层时，应以不透水的坚硬岩层作为顶板；b. 当单斜构造呈陡倾角时，陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在，若有软弱夹层伴以有害节理切割时，易产生坍塌或顺层活动，此情况下应慎重以明洞通过。若存在两种不同岩性的岩层走向与隧道走向平行时，应将隧道设置在岩性较好的岩层中，避免从两种岩层接触带通过；c. 当单斜构造呈直立岩层时，隧道中线宜垂直于岩层的走向穿过。若隧道中线与岩层走向一致时，亦应避开不同岩层接触带。2)当隧道通过褶皱构造时，应避免将隧道置于向斜或背斜的轴部，而应将隧道置于翼部。若对向斜和背斜进行比较时，则背斜比向斜略好。3）当隧道通过断裂构造及不同岩层的接触带时，一般有呈破碎的碎石角砺及断层泥存在，地下水量通常也很发育，切忌沿着（或靠近平行）断层带或破碎带修建隧道。当隧道必须通过断层带时，应尽量使隧道走向与断层走向垂直。4）隧道应尽量避免通过滑坡、岩堆、错落、泥石流、特殊地质等，若必须通过，需要采取相应的措施保证工程安全质量。通常情况下，线路选线阶段隧道位置的选择基本按地形条件来选择，很少考虑到隧道穿越不良地质地区后所面临的设计问题，地质勘察的深度和精度一般很难满足设计的要求。兰新高铁张家庄隧道，在勘察设计阶段未能对区内滑坡、错落排查彻底，开通运营后由于山体错动，隧道衬砌破损、洞内掉块，造成刚刚开通的兰新高铁兰州至西宁段停运。这对当前跃进式的高铁发展敲响了警钟。1.1.2隧道围岩分级的问题铁路隧道设计规范（TB10003-2005）中围岩基本分级由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定，再由地下水状态和初始应力场情况进行修正。3表1 铁路隧道围岩基本分级级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度（km/h）极硬岩，岩体完整4.5极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整3.54.5极硬岩，岩体较破碎；硬岩或较硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整2.54.0极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或较硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的粗角砾土、粗圆砾土、碎石土、卵石土、大块石土、黄土（Q1、Q2）1.53.0软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造严重影响的破碎带）一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、微湿、潮湿的碎（卵）石土，粗圆砾土、细圆砾土、粗角砾土、细角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）1.02.0受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状黏性土、饱和的粉土、砂类土等1.0（饱和状态的土1.5）从表1中可以看出，围岩弹性纵波速度值存在相互交叉重叠的部分，使得隧道围岩分级受人为因素影响较大。再加上具体工作中岩石强度的定性和定量常常产生较多矛盾，所以围岩分级的实质仍是“工程类比法”，隧道设计很大程度上仍处于“经验设计”阶段。现行的铁路隧道围岩分级在工作中显得过于粗糙，致使围岩级别判定错误，相应的支护形式、衬砌厚度及施工方法也不准确，从而导致隧道投资预算和施工工期的偏差。1.1.3隧道工程量的问题隧道工程数量的确定可以说是设计阶段最重要的一个环节，能够准确的计算各类数量，是设计人员追求的目标。限于计算方法的陈旧，部分工程量的计算只能靠估算或者“工程类比”，比如洞口开挖量、弃渣场容量、各种注浆数量等，这就增加了隧道投资不可控的风险。以隧道内注浆为例，注浆是常规的治理洞内岩体破碎、地下水发育的方法，但是注浆数量的确定往往让参建各方都很难受。施工单位现场签认的数量与设计计算数量相差甚远，一般设计计算注浆量采用公式：Q=R2L0A，其中Q为注浆量；R为扩散半径，取R=（0.60.7）L，L为注浆管中心间距；l0为注浆管有效长度；A为注浆饱满系数，一般取0.85；为孔隙率。实际施工中因钻孔偏差或各个钻孔内的地质差异，注浆液窜浆或跑浆经常出现，每个注浆孔内的注浆量很不均匀。控制注浆量的最关键的两个因素：扩散半径和孔隙率。扩散半径由注浆压力确定，然而孔隙率只能根据既有工程或历史经验来确定，所以造成注浆数量一直难以准确的定量计算。1.2隧道施工问题隧道作为隐蔽工程，正确的开挖方法和可靠的支护形式影响到结构的耐久性和运营安全。隧道施工过程中每一个环节几乎都存在一定问题。例如：、级围岩开挖循环进尺超标；初支钢架两侧底部悬空；仰拱基底长期在水中浸泡；仰拱浇筑前未清理基底虚渣；衬砌浇筑未振捣到位；防水板、止水带搭接焊接不规范等等。1.2.1对设计图纸审核不详施工单位拿到图纸第一要任应该是安排有丰富实践经验的工程技术人员组织图纸审查，核对图纸设计是否全面；核对洞门位置、样式、衬砌类型是否与洞口周围环境相适应；核对设计文件中的工程数量、结构尺寸、施工方法、技术措施以及与施工实际条件是否相符合。由工作经验不足的技术人员审图，往往无法正确理解设计意图和设计要求，未发现图纸中局部数据不准、标准概念错误，甚至设计漏项，给施工造成不必要的损失。施工技术人员应对设计图中存在的问题提出意见和建议，并及时反馈给设计单位。1.2.2对监控量测重要性认识不足监控量测时隧道施工的关键环节，主要目的是：掌握围岩和支护动态，进行日常施工管理；验证支护结构效果，确认或调整支护参数和施工方法；确保隧道工程的安全性，确定二次衬砌的施作时间；将监控量测结果反馈于设计及施工中；了解隧道施工对附近既有构筑物的影响；积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据。监控量测应严格按照设计文件选择监测项目和进行监测点的布置。但是，施工过程中往往因为机械设备对监测点产生破坏，造成监测数据的不连续。不连续或者造假的数据不能真正的反应围岩的变形情况，对之后的施工指导也就出现的偏差。规范中要求，浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设，然而实际施工过程中，施工单位并不重视浅埋隧道地表监测，除非地表出现肉眼可见的裂缝或者塌陷。如果能再开挖前布点监控，根据监控数据及时采取措施，地表就不会产生裂缝或者塌陷。目前，隧道监控量测信息化技术已经成熟。监测数据可以通过网络上传至信息平台，再经过专用软件的分析处理，可自动生成变形曲线，这样就能对隧道围岩变形从微观以及宏观上有一个准确把控，进而调整相应措施。1.2.3施工质量问题我国铁路隧道建设已经入机械化和信息化，但是施工质量问题仍然是影响铁路施工阶段和运营阶段安全的最大因素。隧道常见的疑难杂症例如洞内渗漏水、仰拱开裂等，虽然有各种各样的处理方案，但处理结果却收效甚微。归根结底，这些问题都可以说是施工质量问题导致的。洞内渗漏水的原因主要有以下四项：二次衬砌背后防水板未焊接牢固；施工缝防水未施作到位；衬砌浇筑时为振捣密实，存在空隙侧沟排水盲管堵塞，未能及时排出衬砌后地下水，造成地下水承压。衬砌渗漏水是由以上一个原因造成的，也可能是由几个原因共同造成的。仰拱开裂是隧道质量问题中比较常见的，裂缝往往呈纵向走势，并且贯通至填充表面，造成道床面积水。造成仰拱开裂的因素有很多，主要原因有混凝土质量、振捣不到位、基底虚渣未清理、浇筑时的温度过高或过低等等。我相信如果施工阶段严格按照规范和相关要求要施工，一定能避免以上问题。个人认为还有一个不可不提的就是偷工减料了，隧道作为隐蔽工程为偷工减料提供了温床。常见的有：衬砌厚度不足；锚杆数量、长度不足，甚至不施作；锁脚锚管、超前小导管长度不够；浇筑混凝土时注水；初期支护背后空洞。如果不杜绝此类问题的发生，隧道质量安全无从谈起。2. 设计、施工一体化理念总的来说，目前隧道设计和施工都存在很多问题，但是这并不能阻止我国隧道建设前进的步伐。隧道是一门轻设计重施工的专业，因为在施工前想要搞清楚“围岩”是极为困难的，只有在施工中揭露围岩后，才能进一步加深对围岩的认识。早在2003年关宝树老师在隧道工程设计要点集书中就提出设计、施工一体化的概念，时至今日该理念也无法完全在工程中得以实现。由于设计阶段勘察资料偏少，设计存在一定的盲目性。并且设计、施工分离