超大断面隧道开挖技术

1、新建铁路哈尔滨至大连铁路客运专线TJ-1标段 一、高速铁路大断面隧道研究背景、国内外现状 二、工程概况 三、CRD施工法 四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题 五、结语 一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状 改革开放三十年来，我国的铁改革开放三十年来，我国的铁 路隧道建设事业有了迅猛的发展。路隧道建设事业有了迅猛的发展。 随着国家对基础建设的逐步完善，随着国家对基础建设的逐步完善， 我国的高速铁路建设又进入了一个我国的高速铁路建设又进入了一个 新的大发展时期。由于铁路等级的新的大发展时期。由于铁路等级的 提高和交通量的剧增，包括大断面提高和交通量

2、的剧增，包括大断面 在内的各类铁路隧道数量会进一步在内的各类铁路隧道数量会进一步 增加。增加。 一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状 目前，国内大力发展的客运专线铁路基本上都是目前，国内大力发展的客运专线铁路基本上都是 一次建成双线，同时考虑工程技术作业空间、内部配一次建成双线，同时考虑工程技术作业空间、内部配 件空间、安全空间、救援通道以及考虑空气动力学的件空间、安全空间、救援通道以及考虑空气动力学的 影响所需，客运专线铁路隧道设计内净空面积达到影响所需，客运专线铁路隧道设计内净空面积达到 100m2100m2以上。哈大客运专线设计时速达以上。哈大

3、客运专线设计时速达350Km/h350Km/h，隧道，隧道 最大开挖面积最大开挖面积205m205m2 2，隧道断面内轮廓净面积，隧道断面内轮廓净面积134.66m134.66m2 2， 开挖工序比较繁琐，施工难度较高。目前在国内，如开挖工序比较繁琐，施工难度较高。目前在国内，如 此大断面的双线铁路隧道开挖施工是一个全新的课题，此大断面的双线铁路隧道开挖施工是一个全新的课题， 国外也很少有类似的经验可作参考。国外也很少有类似的经验可作参考。 一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状一、高速路大断面隧道研究背景及国内外现状 国 家线 别运营速度 (km/h) 断面积(m2) 日 本新干线2403

4、00 6164 法 国 大西洋线30071 北方线、东南延伸线300100 地中海线350100 德 国 汉诺威维尔茨堡 曼海姆斯图加特 汉诺威柏林 25082 科隆法兰克福30092 西班牙马德里塞维利亚27075 韩 国汉城釜山350107 中国台湾台北高雄35090 各国高速铁路隧道净空面积各国高速铁路隧道净空面积 二、工程概况二、工程概况 二、工程概况二、工程概况 哈大客运专线大连至沈阳段哈大客运专线大连至沈阳段DK67+255DK67+255DK67+600DK67+600 笔架山隧道笔架山隧道 隧道 名称 隧道里程 长度 （m） 线别 坡度 () ()/长 度 (m) 复合式衬砌或

5、明洞 长度（m） 围岩8度 设防 明洞 笔架 山隧 道 DK67+25 5 DK67+600 345双线 16195、 3150 31134 二、工程概况二、工程概况 二、工程概况二、工程概况 隧道地质分布情况及围岩分级隧道地质分布情况及围岩分级 分布里程岩性围岩分级 DK67+255DK67+384石英砂岩（W3）（W4） DK67+384DK67+414石英砂岩（W2）（W3） DK67+414DK67+600石英砂岩、叶岩（W2）（W4） 级围岩级围岩159米米,级围岩级围岩186米米,设设 计图纸按计图纸按级围岩防护。级围岩防护。 三、笔架山开挖施工三、笔架山开挖施工-CRD法施工法施

6、工 三、隧道三、隧道CRD法施工的优化法施工的优化 隧道围岩级别为、级，全部采用级支护方式。全 隧道为浅埋隧道，暗挖段全部采用交叉中隔壁（CRD）法施 工，CRD主要施工方法是将隧道分成四个小断面洞室施工， 同侧上下部施工间距不宜大于8m,同一层左右部施工间距不 宜大于15m,每部开挖后及时施作临时仰拱和初期支护，使分 部支护成环。 1.1.原设计施工情况原设计施工情况 中隔壁 临时仰拱 1 部 施工 导洞 3 部 施工 导洞 1 2 3 4 三、三、CRDCRD法施工法施工 原设计情况原设计情况 三、三、CRD法施工法施工 施工初期按照原设计进行施工，但是施工进度较慢， 主要原因是该隧道属于

7、山岭隧道，开挖需要爆破作业，使得 整个施工环节属于单工序作业。由此造成大量的人员、机械、 设备处于闲置状态。按照全断面进行计算平均每月最多进尺 30m，严重影响施工进度。按照此施工工艺主要暴漏的问题 是： 大量的人员、机械、设备闲置； 施工进度缓慢； 施工仰拱临时支撑转换、拆除过于困难。因此，由局 指组织邀请业主、设计、咨询、监理以及多方专家实 地勘察，经过三次论证，初步将笔架山隧道CRD施工 工法进行部分优化，最终确立CRD施工优化方案如下： 2.2.实际开挖施工优化情况实际开挖施工优化情况 三、三、CRD法施工法施工 （1）中隔壁改为竖撑，工字钢型号、喷射砼维持设计不 变。临时仰拱改为水平

8、支撑，不喷射混凝土，由原 来的工20a改为工25a型钢，并做好纵向连接。1、3步 施工5080米后，进行上台阶底部松动爆破，架设横 支撑，再进行2、4步开挖。仰拱封闭后进入下一循环 施工，第二个循环上部通道在仰拱成型地段用洞碴填 筑。仰拱及时跟进，仰拱距离下台阶10米左右，二次 衬砌距离下台阶掌子面宜控制在3050米范围。 （2）、部开挖初期支护及时施工，与、部施工留 取适当长度。、部施工时停止、部施工。 2.2.实际开挖施工优化情况实际开挖施工优化情况 三、三、CRD法施工法施工 （3）仰拱施作按照先拆除不超过2.0m范围内临时支撑，初 期支护封闭成环后继续拆下一段不超过2.0m的临时支 护

9、。待支护封闭达到6.0m后应立即施作衬砌仰拱砼。 为保证开挖仰拱时初期支护的稳定性，在原设计原则 上每脚增设2根锁脚锚管。 （4）观测收敛稳定后，拆除6米中隔壁底节单元，分 次拆完，拆除过程及时观测，完成后施作仰拱 砼。 (5) 为减轻拆除底部临时钢架时拱顶受力，在上一循环过 程提前凿除临时支撑的砼。 (6) 隧底填充砼施作完成后，根据量测结果确定是否拆除 剩余的临时支撑。 (7) 为保证安全，拆除底节临时支撑前应检查每个连接部 位及钢架纵向连接情况。 2.2.实际开挖施工优化情况实际开挖施工优化情况 竖撑 水平支撑 4 3 2 1 部 施工 导洞 3 部 施工 导洞 1 三、三、CRDCRD

10、法施工法施工 实际施工情况实际施工情况 三、三、CRD法施工法施工 （1）为保证上部爆破作业时，钻孔台架安全，其最短施工距离控制为 0m，并作为机械装碴平台。装碴、运输机械进出导洞长度0m(坡 度19%)，台阶长度共40m。即工序之间、工序之间间 隔40m。 （2）为减少相邻作业面爆破作业干扰，隧道开挖 工序之间、 工序之间间隔10m。 （3）各工序循环开挖进尺12榀拱架。 （4）初期支护、临时支护之中隔壁必须随开挖紧跟。上部临时仰拱设 置，在下部施工前必须设置，其设置为上部施工长度减40m台阶长 度。 3.3.施工工序间距施工工序间距 三、三、CRD法施工法施工 3.施工工序间距施工工序间距

11、 （5）、工序开挖采用光面爆破，、工序开挖采用预裂爆 n 破，严格控制炸药用量，采用减弱爆破方式。 n（6）仰拱砼随工序施工而进行，距其掌子面10m。导洞施工在下部 n 工序已完成，转到上部施工前施工，采取预裂爆破方式施工。 n 见下图示。 n（7）临时支护拆除时间根据量测结果确定，拆除顺序为先横撑，后 n 拆除中隔壁。临时支撑距衬砼距离不大于12m，并视情况，采取 n 临时支顶措施。 三、三、CRD法施工法施工 3.3.施工工序间距施工工序间距 部 施工 导洞 3 部 施工 导洞 1 一般地段- 部施工导洞 3 1 部施工导洞 洞口地段- 1 部 施工 导洞 3 部 施工 导洞 1 2 3

12、4 二次衬砌施工段 视稳定情况临时支撑待拆除段 仰拱已施工段 初期仰拱施工段 水平支撑段 水平支撑段 水平支撑段 4 3 2 CRD法施工开挖步序示意图 1 1 3 4 2 三、三、CRD法施工法施工 进洞时拱部采用108 大管棚配合小导管超前注浆加固地 层，其它地段拱部采用超前小导管超前注浆加固地层。 4.4.施工步骤施工步骤 （1）超前支护）超前支护 超前支护类型及参数超前支护类型及参数 序 号 超前支护类型使用范围参数 1超前长管棚 洞口段 DK67+272DK67+292 DK67+543DK67+583 1085mm热轧无缝钢管，环向 间距30cm，节长3m、6m，仰角 1，长度80

13、m。注浆压力0.7- 1.0Mpa。 2超前小导管 暗洞段 DK67+272DK67+583 L=3.5m外径42mm，壁厚3.5mm热 轧无缝钢管，仰角10，环向间 距50cm，注浆压力0.4-0.6Mpa 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （1）超前支护）超前支护 大管棚施工 大管棚安装采用潜孔钻机顶进钢管，顶进时用测斜 仪控制上扬角度。为加固隧道周边围岩，控制地表下沉， 增长管棚刚度，充填钢管周边空隙，对每根钢管进行注浆。 有效扩散半径为0.3m，浆液采用纯水泥浆，初压0.5Mpa， 终压1.0Mpa，并采用定量注浆法控制注浆量。当注浆压力 达到设计终压10min后，

14、进浆量仍达不到设计注浆量时，也 可以结束注浆。注浆结束后用M30水泥砂浆填充，增强管棚 的刚度和强度。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （1）超前支护）超前支护 1016mm孔 108 5mm钢 管 打 孔 区 钢 花 管 大 样 40m长 管 棚 C30砼 套 拱 仰 坡 防 护 暗 洞 复 合 衬 砌明 洞 衬 砌 主 洞 长 管 棚 纵 面 布 置 图主 洞 长 管 棚 立 面 布 置 图 53# 50# C30砼 套 拱明 洞 衬 砌 大管棚布置图大管棚布置图 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 大管棚施工大管棚施工 三、三、CRD法施工法施工

15、4.4.施工步骤施工步骤 （1）超前支护）超前支护 超前小导管施工 小导管注浆作业采用凿岩风钻打孔,外插角150，孔 口钻眼偏差不大于50mm,孔眼长度大于钢管长度,小钢管平 直,尾部焊箍,顶部成尖锥状,采用锤击或钻机顶入,顶入长 度不小于管长的90%,小钢管长4m,管壁按梅花型布置小孔, 间隔为30cm，小钢管尾部置于钢架腹部或焊接于系统锚杆 尾部,以增强共同支护能力。 采用纯水泥注浆，水灰比：1：1，注浆压力为 0.46Mpa，在孔口处设止水塞，浆液配合比由现场试验确 定，注浆时从拱顶向下注，先注无水孔，后注无水孔，如 遇窜浆或跑浆，则间隔一孔或几孔注浆。 三、三、CRD法施工法施工 4.

16、4.施工步骤施工步骤 （1）超前支护）超前支护 超前小导管布置图超前小导管布置图 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （2）超前地质预报与监控量测）超前地质预报与监控量测 隧道施工通过超前地质预测预报、监控量测，主动获 取地质信息，及时发现异常情况，预报开挖面前方不良地 体的位置、规模和性质，以避免突发性地质灾害的发生， 为优化、完善设计，制定科学、合理的施工方法提供地质 信息依据。为施工提前做好准备，及早制定预案，采取相 应的技术和安全措施，以保证施工的正常、安全进行。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （2）超前地质预报与监控量测）超前地质预报与监控量

17、测 笔架山隧道根据设计地质、围岩情况选择的超前地 质预测预报方法为：以地质分析法为主，对重要的地质 （层）界面、断层或物探异常段采用TSP203或地质雷达进 行探测、必要时采用超前水平钻孔。 在施工过程中通过监控量测，为初期支护和二次衬 砌设计参数的调整提供依据，确保施工及结构安全，指导 下一步施工。监测项目分为必测与选测两部分，具体见下 表： 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （2）超前地质预报与监控量测）超前地质预报与监控量测 必测项目及方法必测项目及方法 序 号 监测项目 测试方法 和仪器 测试 精度 备 注 1 洞内、外 观察 人工观察 地质罗盘 2净空变化 收敛计

18、0.1mm一般进行水平收敛量测 全站仪1mm一般进行三维多点量测 3拱顶下沉 水准测量 水准仪、钢尺 0.1mm 4 沉降缝两侧底板不均 匀沉降 水准测量 水准仪、铟钢尺 0.5mm 沉降缝两侧底板（或仰拱填充 层面）沉降 5 洞口段与路基过渡段 不均匀沉降观测 水准测量， 水准仪、铟钢尺 0.5mm 洞口底板（或仰拱填充层面） 与洞口过渡段的沉降 6地表下沉 水准测量 水准仪、塔尺 0.5mm浅埋隧道必测（H0 2B） 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （2）超前地质预报与监控量测）超前地质预报与监控量测 必测项目为日常施工管理中所必须进行的量测项目， 主要为位移测试项目

19、。净空收敛量测一般只进行水平收敛 基线的量测，拱顶下沉可根据量测断面大小及开挖方法， 布置13个测点。地表下沉量测可以反映隧道开挖对地表 土体的影响，在浅埋地段应将地表下沉量测也作为必测项 目。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （2）超前地质预报与监控量测）超前地质预报与监控量测 选测项目及方法选测项目及方法 序 号 监测施工测试方法和仪器测试精度备 注 1围岩内部位移多点位移计、频率接收仪0.1mm 2围岩压力压力盒、频率接收仪0.01MPa 3二次衬砌接触应力压力盒、频率接收仪0.01MPa 4喷射混凝土受力混凝土应变计 频率接收仪 5锚杆杆体应力钢筋计、频率接收仪0

20、.01 MPa 注：H0隧道埋深；B隧道最大开挖宽度。 为保证施工过程工序转换提供准确数据支持，确保施工安全，在施工 过程中选择了两个代表断面埋设应力计等传感仪器。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （3）交叉中隔壁（）交叉中隔壁（CRD）法开挖）法开挖 暗洞采用CRD法施工，将隧道共分四部分完成。、 工序开挖支护5080米后，架设横向支撑，再进行、 工序开挖，仰拱封闭后进入下一循环施工。第二个循环 上部通道采取在、工序掌子面开挖坡道，坡道在掌子 面处距水平支撑的高度为、工序开挖高度的1/2，前进 方向开挖掏槽，仰拱成型地段用洞碴填筑。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.

21、施工步骤施工步骤 （3）交叉中隔壁（）交叉中隔壁（CRD）法开挖）法开挖 - 3 4 开 挖 面 开 挖 面 施 工 坡 道 预 裂 爆 破 开 挖 洞 渣 填 筑 工 18 型 钢 工 25 型 钢 纵 向 连 接 水 平 支 撑 初 期 支 护 仰 拱 - 说 明 ： 级 围 岩 ； 级 围 岩99 33 。 、 部 开 挖 采 用 光 面 爆 破 ； 、 部 开 挖 采 用 预 裂 爆 破 。 初 期 仰 拱 二 衬 施 工 段 二 衬 施 工 段 仰 拱 初 期 支 护 水 平 支 撑 纵 向 连 接 工 25 型 钢 工 18 型 钢 洞 渣 填 筑 预 裂 爆 破 开 挖 施 工

22、坡 道 开 挖 面 开 挖 面 2 1 初 期 仰 拱 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （4）CRD 法爆破设计法爆破设计 根据围岩情况确定循环进尺为0.75-1.0 米，炮眼利用率 90%，掏槽形式采用楔形掏槽。炸药选用2、3 号岩石硝铵炸 药(必要时采用防水炸药)，药卷直径32、22 两种，周边 眼采用直径22 的药卷不偶合间隔装药。引爆方式采用非电 毫秒雷管。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （4）CRD 法爆破设计法爆破设计 爆破设计 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （5）出碴运输）出碴运输 笔架山隧道为双线隧道，出碴及

23、进料采用无轨运输方式。 出碴采用挖掘机及侧卸式装载机装碴，自卸车运输至指定弃 碴场；二次衬砌混凝土采用混凝土搅拌运输车运至衬砌工作 面，喷射混凝土采用小型自卸车运至开挖支护工作面。 在设备选型、配套上按照“实用、合理、快速掘进”的 原则，主要机械设备备用1020%。无轨运输车的选择注意与 装碴设备的匹配，尤其是工作能力的配套，充分发挥各自的 工作效率，提高整体工作能力。此外，一般选用载重自重比 大、低能耗、低污染、高效率的运输车。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （6）初期支护）初期支护 初期支护施工喷射混凝土采用C25 混凝土，并掺入纤维素 纤维，掺量为1.0kg/m3

24、，施工中严格控制喷射砼配合比和回 弹量，确保喷射砼质量。为保证工程质量、减少回弹量和粉 尘，本工程所有喷混凝土支护全部采用湿喷法施工；锚杆采 用25 组合式中空注浆锚杆和22 砂浆锚杆；钢支撑采用 I25a，钢筋网采用8 钢筋。扩大断面的各项支护参数详见 表。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （6）初期支护）初期支护 扩大断面初期支护参数表扩大断面初期支护参数表 围 岩 级 别 喷混凝土钢筋网（8）锚杆钢架 设置部 位/厚度 （cm） 网格间距 （cm） （环纵） 设 置 部 位 长度 （m） 间距（环 纵） （m） 规 格 每榀间距 （m） 8 拱墙、 仰拱/28 20

25、20 拱 墙 411 格 栅 0.75 （全环） 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （6）初期支护）初期支护 主体结构初期支护施工完毕并稳定后便可拆除临时支撑， 每次拆除临时钢架的长度不宜超过10m，现场主要采用位移量 测监控附以压力盒、应力计等来判断拆除各构件的顺序及安 全度。 在拆除临时支护时先拆横撑，要考虑异常因素，切口要 求窄小，便于迅速焊接。 竖直支撑拆除应先拆除拱顶以下1m范围内的混凝土，其 收敛值、下沉值及其累积值都在设计允许值内时，再进一步 拆除中隔墙。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （6）初期支护）初期支护 三、三、CRD法施工法施

26、工 4.4.施工步骤施工步骤 （7）仰拱施工）仰拱施工 仰拱施工随、部开挖及时跟进，距离下台阶开挖面 10米左右施做，并同时浇筑部分边墙，以利墙拱衬砌台车进 行施工，考虑要通过运梁车，仰拱填充分两次浇筑，第一次 浇注位置为轨顶面下1.75m,如下图所示。 仰拱及仰拱填充施工时搭设过梁式栈桥，以保证掌子面 开挖、支护正常进行。过梁采用型钢结构件，上覆10mm 厚钢 板，过梁式栈桥可以移动，反复使用。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （7）仰拱施工）仰拱施工 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （8）二次衬砌施工）二次衬砌施工 针对衬砌施工中隔墙受力状态发生

27、变化情况，通过对监测 数据分析，初期支护收敛后，及时施作二次衬砌。衬砌施工 首先检查隧道断面尺寸，铺设土工布、防水板，防水板采用 无损挂设，绑扎二次衬砌钢筋，安装接触网预埋件，衬砌台 车模筑砼。混凝土采用集中拌制，搅拌车运输，泵送入模， 插入式振动棒振捣。二次衬砌距离下台阶掌子面宜控制在 3050米范围。 三、三、CRD法施工法施工 4.4.施工步骤施工步骤 （8）二次衬砌施工）二次衬砌施工 三、三、CRD法施工法施工 5 5CRDCRD法施工要点及技术措施法施工要点及技术措施 a、注意控制先行导洞的开挖中线和水平,确保开挖断面圆顺,钢拱架安装 位置正确。 b、加强量测监控,作好信息反馈,及时

28、调整施工方法。 c、尽可能缩短开挖台阶和各开挖分部的施工间隔,使初期支护尽快闭合, 以控制围岩变形。 d、因为CRD法工序较多,工序转换使得结构受力复杂,为保证临时拆除钢 拱架时的安全,必须保证各部拱架之间的连接质量。 e、其中一部开挖爆破时，必须通知其他分部，令其迅速撤离现场，保 施工安全。 f、中隔壁和临时仰拱的拆除必须已监控量测数据为依据，当收敛和沉降 变形连续7天均在0.2mm/d以内时方可进行拆除，拆除顺序为：下部中 隔墙-右侧临时仰拱-左侧临时仰拱-上部中隔墙，拆除时采用破碎锤 破除喷射混凝土，用氧炔焰割除连接，局部采用风镐破碎。临时支护 拆除一次性不大于10m为宜。 四、高速铁路

29、大断面隧道存在的关键技术问题四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题 1.1.施工指导问题施工指导问题 由于大断面隧道在断面面积和跨度上具有鲜明的特点， 由此引发了诸多的相关工程问题（例如支护形式、支护参数、 施工方法、围岩稳定、工程措施与工程造价等），使得大断 面隧道施工没有一个较为明确、实用的规范作指导。 四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题 2.2.衬砌结构耐久性问题衬砌结构耐久性问题 在隧道结构中，衬砌结构耐久性被看成是结构所需的一种功能而不 是其固有的内在性能，而结构及其部件的使用年限（或工作寿命）则是 建造完工以后，在预定的使用和维修条件

30、下，所有功能均满足预定要求 的期限。对于不同的隧道衬砌耐久性的影响因素，都有其对应的耐久性 寿命期限，综合而言，分为技术寿命、功能寿命和经济寿命三类。目前 对混凝土结构耐久性的研究成果难以满足隧道设计的需要，主要原因是 隧道工程的健康状态受围岩、初期支护、二次衬砌、防排水等多种因素 控制，决非单纯取决于混凝土的炭化深度。因此有必要从环境作用、不 同支护构件对结构安全性能的影响、施工质量控制、健康状态判别、养 护维修标准等多方面进行系统研究，特别应加强对初期支护的劣化机理 及其对使用年限的影响研究。因隧道结构的特殊性，其耐久性的研究目 前文献中很少涉及，对于本隧道，我们主要考虑其技术性寿命，即隧道 衬砌达到某技术指标的期限。 四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题四、高速铁路大断面隧道存在的关键技术问题 3.3.防排水技术防排水技术 隧道防排水是一项综合工程，需要材料匹配、设计合理、 施工精良、检验有力、维护有效。从工程结