客运专线隧道工程施工技术(2004.12)

1、客运专线隧道施工技术客运专线隧道施工技术二二0000四年十二月四年十二月主要内容主要内容1 1、客运专线隧道的特点、客运专线隧道的特点2 2、关键的施工控制点、关键的施工控制点3 3、施工中的动态设计、施工中的动态设计4 4、主要施工方法、主要施工方法5、不良地质段、不良地质段塌方的预防塌方的预防6 6、检测与质量管理检测与质量管理7 7、施工安全与环保施工安全与环保一、客运专线隧道的特点一、客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点高速列车进入隧道高速列车进入隧道后诱发的空气动力学效后诱发的空气动力学效应主要表现在三个方面：应主要表现在三个方面： 瞬变压力瞬变压力 洞口微气压波洞

2、口微气压波 行车阻力行车阻力客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点其中，瞬变压力主要表现在由于压力的瞬间变化使人的听觉感到不适，影响其大小的主要因素是行车速度、隧道横断面的大小和阻塞比以及列车的密封系数。洞口微气压波是列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生爆破声，影响周围环境，微气压波的量值主要取决于行车速度和隧道净空面积阻塞比，但行车速度更为敏感，当行车速度达到300km/h以上时，加大断面对防止微气压波不能起到显著作用。应考虑在洞口设置缓冲结构。解决行车阻力问题主要是加大隧道断面面积，根据铁科院的研究报告，在隧道净空面积为100m2时最大行车阻力只比明线增大1530，会车时的空气阻力比

3、明线的增大值也不超过30客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点1、单洞双线隧道断面有效面积为100m2。单线隧道断面有效面积为70m2。限速地段当检算行车速度200km/h时，可采用较小的隧道断面有效面积，但双线隧道断面有效面积不应小于80 m2。单线隧道断面有效面积不应小于52 m2。客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点2、客运专线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，故永久性衬砌一般不采用喷锚衬砌。客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点3、隧底结构由于在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下易产生破坏，从而

4、引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养护维修工作量，而且严重影响运营安全，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高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要增大。客运专线隧道的特点客运专线隧道的特点4 4、提出了隧道衬砌混凝土的、提出了隧道衬砌混凝土的耐久性耐久性控制要求。控制要求。隧道衬砌混凝土的地质环境复杂，对隧道衬砌混凝土的地质环境复杂，对耐久性、抗渗性、抗冻性等耐久性指标应耐久性、抗渗性、抗冻性等耐久性指标应严格控制。严格控制。二、隧道施工关键的控制点二、隧道施工关键的控制点隧道施工关键的控制点隧道施工关键的控制点控制的目标：控制的目标：1 1、确定合

5、理的初期支护参数、控制塌、确定合理的初期支护参数、控制塌方，保证隧道施工经济合理、结构安全。方，保证隧道施工经济合理、结构安全。2 2、隧道防排水施工达到预期目的、不、隧道防排水施工达到预期目的、不产生渗漏水现象，保证营运安全。产生渗漏水现象，保证营运安全。3 3、 隧道净空、宽度、平面和纵面指隧道净空、宽度、平面和纵面指标满足设计、施工规范要求，保证工程外标满足设计、施工规范要求，保证工程外观及内在质量。观及内在质量。隧道施工关键的控制点隧道施工关键的控制点1 1、重视支护参数设计重视支护参数设计岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都

6、要进行支护参数设计，如何选定既安全、经济、有效的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力也不一致。支护参数过大，增加工程的投入；支护参数过小，围岩自稳能力较差的可能因支护强度不够，而引起塌方。在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到标准要求。隧道施工关键的控制点隧道施工关键的控制点2 2、重视地质预报、重视地质预报隧道是一个线状的隐蔽工程，一些长大隧道往往穿越崇山峻岭，穿过多种岩类，多个构造，跨越几个地质单元，地质十分复杂，设计阶段的地质勘察只能从宏观上分析整个隧道区的基本地质情

7、况，对可能出现的大断层、富水洞段和高应力段没有精确的标识，或由于设备简陋，对垂直和水平埋深较大的洞段无法进行勘察，造成局部地质资料不足，因此施工过程中的地质预测预报必不可少。由于及时跟进掌子面的地质预测预报，对可能出现的局部地段围岩破碎引起失稳、塌方和可能遭遇的断层、涌沙、涌水等不良地质都能及时预测清楚，并正确地进行位置、桩号、规模及发展趋势的标识，能及时提醒施工人员采取合理的开挖和支护方法，预防塌方的发生。隧道施工关键的控制点隧道施工关键的控制点3、采用先进的综合探测技术预报水情和地质灾害采用地面地质体投射法和断层参数预测法进行宏观地质调查的同时，有系统地组织水文地质，断层位置所在、产状与富

8、水性；岩层褶皱的基本形态类型和轴面产状；溶洞和暗河出人口位置，并分析其流径和隧道走向空间关系调查进行不良地质预报。用地震波探测仪进行超前探测预报用红外线探测仪，利用不同物体辐射场强差异，对隧道含水构造进行跟踪探测。三、施工中的动态设计三、施工中的动态设计施工动态设计施工动态设计与地面结构物不同，隧道开挖前所提出的设计在严格意义上说只能称做“预设计”。根据对隧道开挖过程中围岩和支护系统力学特性的量测来验证和调整设计参数也是隧道设计中的一个十分重要的环节。四、开挖施工方法简介四、开挖施工方法简介开挖施工方法简介开挖施工方法简介1、优先采用新奥法原则，并根据隧道通过地层围岩类别，选择光面爆破、超前锚

9、杆、小导管注浆、钢格栅加固等措施进行防护。2、断面开挖根据地层地质及浅埋、偏压等情况，分别采取侧壁导坑或中隔壁导坑结合短台阶法施工，、级地质围岩地段可采用全断面法开挖。3、根据监控量测、分析计算成果及时进行初期和二次衬砌；4、模筑衬砌宜采用活动台车、泵送砼施工工艺；5、千米以上掘进，要选择适当的运输方案。开挖施工方法简介开挖施工方法简介新奥法是六十年代奥地利专家腊布希维兹(L.V.Rabccwicz)总结前人在隧道施工中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。1948年提出，并于1962年奥地利第八届土力学会议（萨尔茨堡）得到正式命名的隧道施工方法。新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本

10、身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。 开挖施工方法简介开挖施工方法简介 “新奥法”一词的内涵 新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点，有重要的现实意义。 事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。 新奥法概念的内涵，只有一条，那就是保护围岩，发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式

11、、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。其目的都是为了“保护围岩”，调动和发挥围岩的自承能力。开挖施工方法简介开挖施工方法简介新奥法遵循原则（1）应当考虑岩体的力学特性。 （2）应当在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力应变状态。 （3）为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构。 （4 4）由现场量测监控围岩动态，根据容许变形量求得最适宜的支护结构。 开挖施工方法简介开挖施工方法简介“新奥法新奥法”适用的围岩条件适用的围岩条件“新奥法”适用的围岩条件是具有粘性、塑性、弹性的连续介质，而对

12、于那些粘性较差、非塑性的松散体，用“新奥法”理论就值得研究。必须根据具体情况，采取一些特殊施工工艺，才能满足工程要求。开挖施工方法简介开挖施工方法简介新奥法所使用的支护手段新奥法所使用的支护手段新奥法所使用的支护手段中，除了喷锚支护外，还有钢拱支架、U型可缩性支架、钢筋网、二次模注砼等，在特殊情况下，还要配合使用注浆加固、冻结加固等特殊手段，并且这些支护手段的最终目的是约束围岩变位，使围岩和支护结构共同形成支承结构。另外，新奥法构筑支护手段的时间效应和空间效应对形成支承环结构、保障围岩稳定有很重要的意义。 施工经验表明，采用喷锚支护如果忽视时间效应和空间效应，不仅达不到预期效果，甚至会造成工程

13、事故。开挖施工方法简介开挖施工方法简介新奥法施工程序、开挖方式施工程序（1） 开挖（2） 初期支护（3） 构筑防水层（4） 二次衬砌开挖方式 用新奥法掘进隧道，其开挖方式有双侧壁导坑法、环形开挖留核心土法、短台阶法、台阶法、全断面法等。开挖施工方法简介开挖施工方法简介隧道掘进机当隧道长度过长时，用常规钻爆法进行隧道施工将需要相当长的工期，隧道掘进机法施工则适合长隧道施工的需要。隧道掘进机英文名称是 Tunnel Boring Machine，简称TBM。 根据国外实践证明：当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM进行隧道施工是经济的。TBM最大的优点是快速。其一般速率为常规钻爆法的310倍

14、。此外，采用TBM施工还有优质、安全、有利于环境保护和节省劳动力等优点。由于TBM提高了掘进机速率，工期大为缩短，因此在整体上是经济的。TBM的缺点主要是对地质条件的适应性不如常规的钻爆法；主机重量大；前期订购TBM费用较多；要求施工人员技术水平和管理水平高；对短隧道不能发挥其优越性。由于科学技术的不断迅猛进步，现在TBM可以适应较为复杂的地质条件，从松散软土到极坚硬的岩石都可以应用，使用范围日益广泛。 开挖施工方法简介 隧道掘进机的针对性很强，不同的地质条件需要不同的掘进机，也就产生了不同的掘进机。-有的适用于软土，又称为盾构(Shield Machine)-有的适用于岩石，称硬岩隧道掘进机

15、（TBM）。-既能在岩石又能在软土中掘进的两用混合掘进机，已应用于英吉利海峡隧道法国侧隧道施工以及我国连接香港九龙和新界的西铁隧道施工。五、不良地质段五、不良地质段塌方的预防塌方的预防不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防不良地质段不良地质段塌方的成因：塌方的成因：地质条件的复杂多变，支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重；通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，拱顶或边墙周边围岩易滑塌形成塌方；由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防一般常用主要方法有：1.超前导洞法，可以探明前方地质条件，确定本段开挖和支护方法，2. 强支护是

16、预防塌方的主要措施。对地质不良地段主要采取“锚喷、网喷、喷混凝土与钢支撑或格栅钢架相结合”的支护方法。3.加强围岩变形观测是预防塌方的有效方法之一。洞室开挖后，岩体的重新稳定过程中，围岩都存在变形，当变形超过允许范围时，易发生塌方。在隧道新奥法施工中，通过量测仪器对围岩的变形量和变形速率的观测分析，推测其最大变形量，估算是否会发生塌方，提前作出预告，以决定采取合理的支护。目前采取的观测方法有位移观测、收敛位移观测、压力量测等，最常用是收敛位移量测，即量测隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防富水洞段塌方的预防在地下水丰富的断层破碎带，大量的渗水、淋水甚至于

17、涌水的部位，不仅影响施工的进度和质量，还容易造成塌方。在此种地段施工时，治水是预防塌方的关键。在了解岩石节理裂隙破碎带的走向、倾向和倾角后，对于少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出，称为排水孔法或排水管法。通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管边排水、边喷射混凝土，称为金属网法。如遇较大涌水，在支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或没有时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向 。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防岩爆引起塌方的预防方法岩爆产生机理：岩爆是高应力区，地下洞室开挖

18、中围岩脆性破坏时应变能突然释放所造成的一种动力失稳现象，由于岩体中储藏的能量通常以弹性变形的形式储聚，高应力集中区内，弹性变形越大，储备的能量越多，开挖后围岩表面应力被解除，具有高度弹性的脆性岩层由于爆破冲击波的作用，动应力和应变静应力瞬量叠加和释放产生了脆性断裂，形成了岩爆，对岩爆的及时支护，既保障施工安全，还可以减少因岩爆所引起塌方的产生。当洞室埋深较大、开挖岩体完整性较好，且干燥无水时，应预防岩爆的发生。 不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防开挖时的预防 隧洞爆破开挖，既可以使围岩应力得到部分释放，也可以产生新的应力集中，发生岩爆。 在可能发生岩爆区段内采取二次开挖，先开挖上半断面，

19、减少光面爆破的周边眼间距，且尽量分布均匀，以使开挖轮廓线相对圆顺，减少新的应力集中。 周边眼采用小药卷或间隔装药，爆破时导爆管段位增加，降低同段起爆药量，以尽量减少爆破对围岩的扰动，诱发岩爆的产生。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防开挖后，岩爆洞段的处理方法(1) 爆破后立即向工作面、爆破面喷水，充分湿润围岩，可以很好缓释围岩应力。 (2) 清除松动围岩后，素喷混凝土支护，目的是将表部破裂岩块连固在一起，进一步圆顺开挖轮廓线，缓解应力集中，有很好的削减岩爆的作用，对轻微岩爆还可以取到一次防护成功，避免诱发中强岩爆。实验表明，含钢纤维混凝土，其抗拉强度明显强，能取得很好的支护效果。 (3)

20、 对中强岩爆洞段，在初期喷护后，应尽快采用浅孔密锚网喷混凝土的补强支护。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防瓦斯爆炸所引起的塌方瓦斯是从煤层中突出的一种可燃可爆气体。当隧道穿过含有煤层的洞段时，不仅要注意煤层的稳定问题，更应防范瓦斯爆炸所引起的塌方。预防的主要方法是及时向洞内通风，将洞内瓦斯气体稀释和排出，在施工时减少金属间的互相撞击，以减少引发气体爆炸的火花、火星产生。不良地质段不良地质段塌方的预防塌方的预防尽量消除人为因素的影响-不抢施工进度。对围岩的自稳能力过于乐观，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。-对工期作合理的安排。

21、要对可能出现的各种不良地质情况有打持久战的准备，在技术上对可能遭遇的塌方要有详细对应的技术措施。-当出现断层或其它不良地质现象时，一定要对地质情况作详细的分析，充分了解围岩和其稳定性，按照就差不就好的原则进行开挖和支护，并且加强围岩的变形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取相应的支护，抑制围岩的进一步变形，能很好预防塌方的发生。六、检测与质量管理六、检测与质量管理检测与质量管理检测与质量管理检测分类：1 工程测试：为保证施工过程中隧道的稳定和有效地进行施工控制而必须进行的测试项目。如：隧道拱顶下沉、隧道收敛等。2 检验测试：为保证和检验隧道工程质量而进行的测试项目。如：锚杆抗拔

22、力及密实度检测、断面测量、支护结构厚度及缺陷检测等。检测与质量管理检测与质量管理测试项目及手段 1、隧道周边位移及断面：精密水准仪、收敛计、全息摄影机、隧道断面仪。2、围岩内部位移：钻孔多点位移计（机械式、电磁式）、地面挠度仪。3、浅埋隧道地面沉降：精密水准仪、全断面沉降仪、激光扫平仪。一般用水平仪量测，量测精度1mm。检测与质量管理检测与质量管理测试项目及手段 4、原始地应力：水劈裂、应力解除、声发射、钻孔应力（应变、变形）计。5、岩体破坏状态：岩体声波测试仪。6、超前地质预报：浅层地震仪。7、围岩压力及支护层间压力：压力传感器。8、支护结构内力：混凝土应变仪（钢弦式、电阻式）。9、锚杆轴力

23、：（应变式、钢筋计）量测锚杆。检测与质量管理检测与质量管理测试项目及手段 10、结构厚度：混凝土测厚仪、地质雷达、超声波检测仪。11、结构缺陷及支护结构背后空洞：地质雷达、超声波检测仪。12、抗拔力：锚杆拉拔仪。13、锚杆砂浆密实度：锚杆密实度检测仪。检测与质量管理检测与质量管理监控量测计划：工程开工前必须编制监控量测计划报监理工程师审批。监控量测计划应包括量测项目及方法、量测仪器的选择、测点布置、量测频率、数据处理及量测作业人员的组织等内容。检测与质量管理检测与质量管理监控量测的实施：1、 观察检查开挖面地质素描及工作面状态记录表、围岩级别判定卡填写情况。检查初期支护观察记录。检查洞外地表沉

24、陷、边仰坡稳定情况等项目观察记录。2、量测检查量测频率及量测记录。抽查测点布置位置合理性及稳固情况。检测与质量管理检测与质量管理监控量测资料整理与反馈1、复核根据监控量测数据绘制的时态曲线及回归分析计算书。2、复核隧道稳定性判定结论。3、督促监控测量单位按经审批的监控量测计划向设计单位反馈监控测量成果。4、根据设计文件及三级变形管理等级要求施工单位采取相应措施。检测与质量管理检测与质量管理量测数据的应用1、指导施工决策量测数据整理后每日及时报技术组，对变形速率明显增长地段，分析产生变形加剧的原因，采取适当措施，确保施工质量和安全。初期支护施作后，如果不及时封闭，其变形仍较大，一旦设置临时仰拱封

25、闭，则变形明显减缓，从实测曲线可看出这一点。在拱部出现裂缝和变形较大时，架设中立柱，并紧跟模注混凝土衬砌，以抑制变形扩展。2、指导确定施工工序主要是依据量测资料，决定施作二次支护(第一次混凝土模注衬砌)的时间。根据实测位移时间曲线，施作初期支护及临时仰拱2030 d后变形明显减缓，基本趋于稳定，因此二次支护一般在开挖后2030 d以后施作。并基本上以此确定大管棚施作长度及上弧导与中槽开挖间距。侧导开挖过程中，初期支护施作后变形仍较大，因此使边墙和仰拱施工紧跟开挖面，其间距有时仅2 m左右，这时变形很快得到抑制。检测与质量管理检测与质量管理防排水施工质量控制1、地下工程防水的设计和施工应遵循“防

26、、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理”的原则。以防为主、防排结合、因地制宜、综合治理的原则 。2、对隧道防排水施工质量控制，从严格按要求对防水材料、排水设施位置及安装过程进行监督检查，严格控制防、排水设施施工工艺如防水层铺挂、焊接、止水带及止水条安设、排水管、盲沟铺设，排水板及环向盲管铺设、中心水沟安装等，并在隧道原设计防排水方案的基础上，根据不同段落地下水出水量及出水点位置，及时作出特殊的防排水措施加强方案，确保地下水排泄畅通，防水措施严密有效，保证隧道完成后不产生渗漏水现象。检测与质量管理检测与质量管理结构耐久性与混凝土客运专线铁路的设计暂规己明确，要确保桥涵主要承重结构能满足

27、100年使用期的要求。用普通混凝土浇筑的桥涵主要承重结构难于满足上述要求，必须采用耐久性混凝土。耐久性混凝土与一般混凝土的区别在于有高的耐久性和较高的抗早期裂纹性。检测与质量管理检测与质量管理提高耐久性和抗裂性最主要的措施：A、必须有混凝土耐久性设计，对不同构件、不同的工作环境（气象资料、地下水和土壤化学分析等） 设计相应的最佳混凝土配比，以满足服务年限的要求。B、分析可能导致混凝土破坏的主要因素和次要因素（很重要）。 提出各种混凝土配比的耐久性指标要求。确立主要技术措施（包括防裂措施）。 如强度标号（可能高于结构设计的要求）、工作性、耐久性能指标；如水泥品种、砂石质量要求、矿物掺合料及其质量

28、要求、外加剂、含气量等。检测与质量管理检测与质量管理提高耐久性和抗裂性最主要的措施：C、进行试验方案设计、开展试验研究工作，汇总及分析试验结果，力求得到最优化的指导性配比。根据指导性配比、在施工中对配合比进行复核和微调，必要时对某些耐久性指标复核。D、混凝土必须采用具有自动计量和检测装置的拌合工厂进行拌合生产，浇筑必须采用泵送工艺等。混凝土拌合站必须配有经培训的负责人及试验员，并持证上岗，从事混凝土拌合质量的管理、检测工作。七、施工安全与环保七、施工安全与环保施工安全与环保施工安全与环保 弃碴污染若处理不当，如侵占耕地、占用或堵塞河道阻碍其正常的防洪排涝功能、可能引起洪水泛滥、引发新的水土流失现象等，都将会对环境造成严重的不良影响；若妥善处理好这些弃碴，不仅会改善环境，还可以为人们节省大量生产原料，带来可观的经济效益。 大气污染 隧道施工期间的运输车辆及施工机械均是大功率的设备，且隧道又是一个相对封闭的空间，车辆设备在行驶和作业过程中在洞外会扬起尘土，在洞内会产生大量有害气体，以及放炮产生的炮烟与灰尘，这些均会破坏施工环境，影响空气质量，对洞内施工人员产生危害，因此必须采取有效措施保证