高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择

1、.：.；高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择1 引言 对于一座隧道来说，普通有各种不同的、能够都适用的施工方法可供选择，这取决于许多变化的要素，包括地质一土工一岩石力学一水文地质等条件，所要开挖的岩体和土体的特性，设计时所能掌握的地下开挖技术等等。但是，一切的施工方法原那么上都可归类为2 种主要方法中的一种，即传统施工方法和机械施工方法。对于大埋深、长隧道施工，越来越倾向于优先采用机械施工方法，其目的的主要在于缩短工期。 虽然机械施工方法是一种现代化的先进技术，但它并不是一种无风险的方法。遇到不同于设计预测的地质和水文地质条件，或者施工机械本身的性能不理想，或者仅仅是实现的地屋一机械系统性能偏

2、离实际的情况，都将导致产生一系列的问题和风险。假设不进展适当管理，这对于隧道工程来说经常是灾难性的。 在世界各地，主要是在兴隆国家曾经建筑了许多专长的交通隧道，从中获得的共同阅历阐明，高速铁路隧道的施工，特别是大埋深、长隧道的施工普通具有很高的风险性。这类隧道工程的胜利很大程度上取决于勘察的程度和正确施工技术的选择。从风险管理的角度出发，笔者强列地以为，正确选择一座隧道的施工方法是“首要的风险减轻措施，或者“首要的对策或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反响。因此关键的问题是，如何针对一座隧道做出正确的选择。 本文简要回想最近的欧洲艰苦高速铁路隧道工程实例、以及近年来所掌握的属于两种主要施

3、工方法机械施工方法和传统施工方法的开挖技术注重其优缺陷，并在风险分析和多重规范分析原理的根底上建议采用一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法。本文以里昂- 都灵高速铁路衔接线工程为例，并连同其他阅历来论述所建议的方法。里昂- 都灵高速铁路衔接线工程的一切进入隧道目前已开场施工，整个工程的参考设计方案即所谓的APR-PD 设计包曾经完成并提交意大利和法国政府审批。 2 适用施工方法的回想 隧道施工方法可分为两大类：机械方法运用TBM 开挖地层和传统方法运用炸药或机械工具开挖地层。下面总结这2 种方法的突出特征。 2.1 机械方法的主要特征 长大、深埋隧道主要设计建筑于岩石中。在岩层中运用

4、的机械施工方法包括2 种类型的隧道掘进机TBM。第一种是开敞式TBM，它经过纵向千斤顶作用在巩固的支撑框架上向前推进, 而支撑框架那么由一组或两组在洞径方向相对伸展的撑靴顶推在已开挖隧道的断面上来稳住。第二种是护盾式TBM，在盾壳本身后面部分的维护下安设管片，刀头前进所需的接触压力经过纵向顶住已安装的管片衬砌而获得。 护盾式TBM 有2 种类型： 即单护盾TBM 和双护盾TBM。与没有护盾的TBM 类似，双护盾TBM 具有建造在以后盾壳内的撑靴，因此它有双顶推系统，可以提供延续作业循环的能够性。特别是经过双顶推系统，TBM 可以在不顶住预制管片衬砌的情况下而向前挪动，这样就可以在TBM 向前掘

5、进的同时安设管片。另外，假设地质条件答应，双护盾TBM也可以仅仅依托顶住后面撑紧的盾壳而向前挪动，而不需求安设管片。或者反过来，双护盾TBM 可以像单护盾TBM 一样进展任务，即假设围岩条件不能提供有效和足够的支撑，他可仅经过顶压管片而向前挪动。 开敞式TBM 可比同不断径的护盾式TBM 短得多，允许接近任务面设置支护，如径向锚固。 在TBM 后面的后配套也称为后勤系统中，可以进展其他施任务业。这样的后配套系统或者由TBM 制造商设计，或者由有阅历的承包商直接设计，可以跨接永久衬砌的设置区域，特别是在隧道的底部，使得可以将施工资料运到任务面的作业区并为TBM 提供新颖空气、能源、冷却水等。其它

6、重要的革新在于运用高度机械化和自动化的系统来设置支护及运用公用列车或者延续反带保送系统延续出碴。 机械方法的主要优点是： 1经过几乎延续和平行的方式进展断面的开挖和支护，实现施工工序的高度工业化，因此采用该方法能使独头掘进的长度有显著添加，减少了任务面的数量。 2可以在分开挖面最短的间隔 处设置支护，在采用护盾式TBM 的情况中几乎可以在任务面处直接设置支护。 3作为上述优点的直接结果，该方法能够缩短工期、降低费用和提高最终产品，即隧道的质量。 4另一方面的优点是对于任务提供了较高的平安条件。 对过去10 年机械施工方法所做的继续技术改良极大地扩展了机械方法在岩石隧道工程中的运用范围，进一步提

7、高了掘进效率。现实上，目前运用机械方法掘进910m 直径的高速铁路隧道，在一系列无异常地层条件下每天的掘进速率可以到达1540m，如表1 中所总结的许多实例所示。 另一方面，应指出机械施工方法的缺陷： 1难于在理结论面周围构成大的、延续的超挖，以顺应潜在的大的变形收敛，如在挤压/ 膨胀地层中经常要求的那样。 2难于进展任务面前方的地层加固或处置，特别是在隧道仰供周围区域。 3一套用于掘进10m 直径的高速铁路隧道的机械机组，其总的长度能够到达200m，而且在安装后它在很大程度是一个刚性系统，并且它的操作主要遵照一系列的规范。因此，一旦实践的地层条件要求改动施工方法，那么某一详细的机械方法的选择

8、经常是不可撤回的，其呵斥的严重后果是工期延伸，费用添加。 换句话说，对于未预料到的变化的地层条件估计的任务条件范围之外的情况，机械施工方法本身的顺应性较小，因此采用这种方法必需承当相对较高的风险。出于这一缘由，人们也开场倾向于给掘进机任务面提供支撑压力像土压平很的能够性，以进一步扩展机械施工方法的作业条件范围。 与传统法施工的隧道相比，采用TBM 掘进隧道要求有额外的空间。特别是需求有大的作业场地用于TBM 和后配套系统的始发。除此之外，与施工相关的后勤任务应思索所估计的TBM 掘进速率，其掘进速率能够比同等类似条件下传统施工方法的掘进速度快34 倍。但是还应记住，由于减少了开挖掌子面的数量采

9、用机械施工方法所要求的总的作业场地数量也就大大减少了，同时也就减少对环境的影响。 TBM 的投资费用远远大于钻爆法。购置和安装TBM 所破费的时间普通也大大多于钻爆法所采用的机械。 另外，总的来说，机械法施工的隧道工程要求作业人员具有不同于钻爆法所要求的技艺，而且还要求聘用更多的专家。 2.2 传统施工方法钻爆法、新奥法等的主要特征 该方法受大多为人力施工工序的循环作业影响，具有以下与众不同确实作业阶段； 1采用炸药及/ 或点击开挖机械工具发掘机、液压锤、巷道掘进机破岩。 2接近开挖面设置暂时支护。3根据岩体特征和后勤任务的需求，在分开挖面一定间隔 的地方设置防水系统和永久衬砌。 普通情况下，

10、初期支护的设置应尽能够接近开挖面，而最终初砌的浇筑可在分开挖面不同间隔 处进展，这取决于总的施工工序和相应的作业循环如仰拱的设置可在开挖面附近或在初始衬砌浇筑后进展。 传统施工方法在以下几方面具有非常灵敏的特点： 1开挖尺寸全断面开挖或者分步开挖，横断面可变。 2支护设置到开挖面的间隔 。 3可以“相对容易地在开挖面前方进展超前勘探和地层处置。 4可以获得想得到的大尺寸超挖，并在需求时设置可变形的支护。 5可以根据所遇到的地层条件调整地挖技术和支护技术，即所谓的顺应性。 在正常条件下，传统施工方法所能获得的平均进尺寸410m/ 工天，而在困难条件下那么为0.52m/ 工天。 该方法的主要缺陷是

11、：平安条件相对较低；施工耗费人力；由于循环作业的性质，消费效率低下，特别是有效性和掘进速度。 如今，传统的隧道循环作业也可得到高度机械和部分自动化的公用机械的支持，如在圣哥达山底隧道所采用的那样。传统施工方法可以适用于几乎一切的正线隧道，长大双孔隧道之间的横通道、地下救援车站和平安车站的施工。此外，有些洞段假设曾经排除了运用任何机械方法开挖的可行性或能够性，那么对于这些洞段来说传统的方法是独一的选择。 对于某一详细洞段来说，选择采用钻爆法还是TBM 开挖主要取决于预测的施工条件及其变化范围，要开挖的洞段长度，以及允许用来建造该洞段的总时间。施工条件变化越大，长度越短，那么运用传统施工方法的优点

12、就越多，反之亦然。 3 施工实例的回想 近年，欧洲国家大力开展高速铁路，由于特殊的地形设定，这些铁路囊括了世界上大部分的最长及埋深最大的铁路隧道。表1总结了欧洲主要的长大、深埋铁路隧道，这些隧道或者已完工，或者正在建筑，或者处在先期开发阶段。 根据表1 所列的数据及笔者所掌握的这些工程的背景资料，可以得出以下察看结果： 1欧洲的许多新建高速铁路工程包括在地质条件变化极大的情况建筑下非常长的及大直径的隧道，特别是在阿尔卑斯山地域。 2除了工期和费用限制条件外，还存在一系列的风险，特别是隧道标高处的挤压地层、高压地下水最高达200bar、岩爆、高地温等是影响施工的关键要素。 3在一个给定的铁道路走

13、廊中，衔接两相邻点的最正确线路并非一定是直线。许多要素影响着定线的选择Kalamaras 等，2001。影响最正确线路选择的一个普遍要素是地质条件，表1所列的工程实例均是这种情况。 4由于运营平安的缘由，欧洲高速铁路隧道的构造无一例外都是双孔方式，而且对于非常长的隧道都估计设置地下救援站、平安站或多用途车站。 5这些隧道的开挖直径普通在910m，视估计的开挖后地层变形特性而定。 6为缩短工期及由于通风的需求，这些非常长的铁路隧道经常分成一定数量的区段及相应的施工标段Pajares 隧道、勒奇山山底隧道、圣哥达山底隧道。 7经常要求采用机械施工方法，以限制工程的工期，在某些情况下是为了提高工期和

14、费用预算的可靠性。 8详细运用TBM 类型为开敞式TBM 和护盾式TBM单护盾或双护盾，详细类型取决于设计采用机械施工法进展掘进的区段的地层条件。另外，单护盾或双护盾TBM 并不总是隧道开挖的正确方法，特别是在估计有很多洞段存在不利地层条件的情况时，如发生快速挤压的地层和或任务面坍塌。 9 这种尺寸的TBM 的独头掘进最长间隔 还未超越15km。10为建筑正线隧道，仅采用机械施工方法TBM是可行的，但仅仅是一个特例参见瓜达腊马隧道和Abdalajis隧道，在前一个隧道工程中，沿隧道线路超越90% 的岩体的质量都有利于TBM 开挖，另外施工方和设计方的良好协作。在后一个隧道过程中，其长度相对较短

15、并为此开发了一种特殊类型的TBMDSU 型TBMGrandori 和Romualdi，2004以对付能够的大的收敛变形。 (11) 传统施工方法在建筑这些长隧道中依然起著重要作用。 最后应指出的是，在表1 最后一列所给出的施工工期是实践的或者估计的，而且这些工程实例具有以下共同的特点： 1规划、设计和环境评价阶段的时间非常长，普通都继续了几十年。 2针对长隧道选择最正确施工方法的问题确实复杂，它几乎从来都不是一个纯粹的技术问题。 3通常需求首先在技术可行性、隧道施工、运营要求、费用和环境影响之间进展大的折衷。 4 方法 4.1 与施工方法选择相关的风险总体思索 高速铁路长隧道是非常复杂的土木工

16、程，其普通位于偏远的高山地域，进入条件困难且既有根底设备非常有限。因此，很难进展现场勘察，以弄清所规划隧道沿线的地层条件，这要破费大量的时间和费用，而这正是从技术上正确选择施工方法的关键之处。根据隧道界积累的阅历，与高速铁路深埋长大隧道有关的典型不利条件包括： 1高地应力，很难加以确定特别是程度应力，意味着作用于隧道支护上的地层压力非常大。 2在其无侧限抗压强度低于平均原位应力的岩层中，具有剧烈的挤压和高的塑性变形大的收敛和强度的软化。 3在非常巩固、原位应力程度非常高的岩层中会出现岩爆。 4黏土质岩层中的膨胀和蠕动长时间的隧道底部变形。 5高水压和或大的涌水。 6断层的剪切带，其强度经常非常

17、低，水压非常高任务面和洞室不稳定。 7严重破碎带，力学性能差，各向异性，能够需求对任务面前方地层进展预处置，以穿越断层带。 8高的地温暖水温能够要求在施工中进展良好的通风甚至冷却。 9沿隧道穿越的活动断层出现因地震引起的部分位移。 10环境影响，特别是对地下水体系的不良影响，对公众的干扰和对洞门区域土地和财富的干扰。 在某一隧道区段内这些不利条件的存在与否，以及存在的话这些条件的出现频率，对于选择施工方法以及制定相关的设计施工方案是至关重要的。 为了降低上述不利条件的不确定性，倾向于采用以下方法中的一种： 1全线或者至少在最困难的洞段开挖小直径导洞。并利用导洞作为今后的效力平安隧道在笔者看来，

18、这并不是必要的，假设最终的正线隧道是双孔构造的话。意大利和奥地利之间的高速铁道路上的Brennero 山底隧道即是这种情况。 2在施工阶段对任务面前方地层进展钻孔探测。探孔可以相当长，以符合隧道施工工序的整个作业，其目的是确保延续覆盖所要开挖的隧道线路无论是对机械施工法还是传统施工法。该方法在在建的圣哥达山底隧道中得到了广泛的实际，在该隧道中，对于高水压下的钻孔探测获得了重要的技术提高。 但是应该指出，采用第一种方法，导洞必需面临以后正线隧道施工时所要面对的一样风险。中国台湾雪山Hsuehshan隧道的教训提示了，短少对这一关键方面的认识将会导致整个工程的失败Cheng，2004。 4.2 所

19、建议的方法 根据所获得的阅历，表1 中所列的工程实例以及上述风险思索，笔者最近开发了一种选择最优施工方法或者施工方法组合的综合方法，图1 为该方法的流程表示。 确定长隧道的最正确施工方法要求对大量的参数有很好的了解，特别是对工程功能性的的总全特征以及沿隧道定线的地层条件。 在流程图右侧的“输入数据和辅助分析是概括性的，下面给出相对详细的解释。 首先必需认识到，确定深埋长隧道的最正确施工方法或方法组合的过程是一个迭代的过程。鉴于此，在长隧道的新开发阶段开场时，必需仔细和通盘思索前一阶段的结论，特别是决议前一阶段设计施工选择的主要要素，假设这样的决策是有组织的、有记录的。 对于第13 步，输入数据

20、和根本分析能够包括： 1政治决策，例如时间表目的、因财政限制和或日益增长的交通要求需求分期实施工程。 2功能性要求，以及根据技术提高和相关法律、规范的演化，对功能性要求所做的改动。 3隧道的定线和构造，一直寻求最优化的能够性。 4确定可行的和最长的独头掘进的长度，并思索通风的技术限制、交通在隧道内外、开挖技术TBM、工期和费用等。 5既有和即将建筑的进入通道的可用性，并要正确思索隧道的实践埋深。 6社会一环境要求及限制，包括所谓的一个国家所特有的和普通的风险要素。 7审查隧道业界所能提供的施工方法。 8承包商的阅历，特别是在类似地层条件下建筑类似长隧道的阅历。 9工期和费用限制，它们在一切大型

21、地下工程中都存在。 对于第4 步，必需进展以下任务： 1进展桌面研讨以搜集一切有关隧道线路的信息，这些信息能够影响到施工方法的选择。 2搜集并用研讨目光去审查从类似条件所获得的实真实在的阅历，向参建的承包商和设备供应商进展咨询。 3现场勘察数据。对此必需切记，没有什么可以替代由阅历丰富的地质和水文地质专家所做的有价值的现场任务，其费用也并不非常昂贵。 4地层特性和地质灾祸分析。对此必需留意，由于现场勘察数据有限以及由此产生的不确定性较大，因此对岩石力学特性建议采用概率方法Russo 和Grasso,2006。 5风险清单。对于初步的风险定性分析这是一种非常有用的工具，风险清单可结合类似工程的类

22、似清单加以编制。 6工程设计方案，即使是初步的或者概念性的。要记住，对于施工工期和费用的估算，采用一些典型的设计方案也比什么都没有要好。 7施工可行性的审查。在确定每一隧道工段可行的、备选的施工方法后应立刻由在类似工程中获得丰富阅历的技术人员进展施工可行性的审查。 8评价任何极端的情况危险情况并研讨其影响后果，特别是所遇到的条件超出了原来确定的施工方法的条件范围而需求在施工过程中变卦施工方法这一方面。 9专家的观念、建议。强调其重要性永远都不为过。 10经过与在行业领先的设备供应商的沟通，了解当千可用技术的优缺陷并思索在今后可以预见的技术开展。 对于第5 步，所需的输入数据可从以下分析获得：

23、1价钱清单。对于没有列在清单中的任何主要工程进展详细的价钱分析。 2类似工程的参考价钱。 3工程地质剖面及各种设计方案沿该剖面的分布所选择的施工方法的断面类型，包括变卦方案。 4所区分灾祸的分布，其出现的概率以及估计的影响后果。 5用确定性方法估算工程量传统的数量表。 6隧道施工的概率模拟，直接思索所估计的工程变量的变化范围以及各种曾经识别风险的影响后果。 对于第6 步，所需的输入数据可从以下分析获得： 1进展全局优化。对此要记住，一个相对一小段洞子来说是最正确的方案，当从整个隧道工程或者整座隧道的角度重新审查该洞段时，也许需求让位给第二种，甚至第三种最正确方案。 2分析相邻隧道工段之间的制约

24、条件，由于也许存在严重的接口问题，会严重影响到所选施工方法的效率。 3多重规范分析。 4专家建议。 对于第7 步，以下输入数据是必需的： 1政治决策。 2财政限制和战略。 3风险分担政策和机制。 4专家建议。 对于第8 步，所需的输入数据可从以下分析获得： 1按照适宜系统的最正确方案修正设计。 2有系统地识别和分析剩余风险。 3预先确定剩余风险应急措施和实施机制。 4专家建议。 5 一些总的规范及相关思索 为了正确实施前面章节中所建议的方法，需求确定一些总的规范并进展一些额外的相关思索。 首先，重要的是要认识到，深埋长隧道最正确施工方法的选择是一个典型的、复杂的、多阶段的决策问题，即业主、设计

25、方所做的大部分决策将引导做出其他决策。 由于存在许多不受决策制定者控制的、非决策的变量，如地层条件和一些施工参数等，大部分的决策是在不确定条件下制定的。因此决策如终包括一定程度的风险。 另外，如前面所提到的那样，在隧道的标高处能够估计有许多的灾祸和不利条件，但它们确实切位置不清楚，因此成为工程风险的主要来源。 在这样的情况下，仅仅依托工程判别和一套设计原那么不能足以确保工程获得胜利，而运用决策分析和风险分析技术几乎成为必然。对于只需少量备选方案的情况，可以根据Einstein等人的研讨成果1998经过“决策树分析或者技术上称为“多重规范决策分析的技术来模拟这一问题。 根据笔者的阅历，把前面所建

26、议的方法论与适宜的决策技术正确结合起来将使得不同阶段的各种比选方案的比较分析更具构造化和更为有效，这样可以给关注设计施工方案的各方建立一个合理的、广泛的和定量的根底让大家做到心中有数。另外，思索到需求在工程开发的第一阶段反复这一评定和决策过程，以上所建议的结合的方法不具有易于跟踪和反复的独特优点。 最初将长隧道分成适宜数量的易于管理的隧道工段主要是基于功能要求通风和平安、进入条件、工期限制经常是政治决策以及现有的技术条件限制。图1 中的过程是反复的。为了初步评定所分工段的合理性，可以在历史数据和对工程的详细了解的根底上结合专家的初步估算施工工期和费用。 根据手中工程开发阶段，经常需求针对不同层

27、次的设计方案进展施工方法评价，主要包括： 1针对某一工段或者整座隧道可供比选项的定线。 2针对深埋长隧道可供比选的构造外形，根据国际隧协第17 任务组的报告，有4 种根本方案： 方案1：单孔双线隧道，具有中间救援站； 方案2：单孔双经隧道，具有平行的平安效力隧道； 方案3：平行双孔单线隧道，具有中间救援站； 方案4：平行的双孔单线隧道，具有第三条平行的平安效力隧道。 如第3 节所述，欧洲倾向于采用第3 种方案。 3施工方法机械方法、传统方法以及这两种方法的组合。 施工方案这3 个层次上的决策可以采用决策树构造方式。各个设计的特征将用于施工可行性分析和方案的比较分段方式和整座隧道方式。在工程开发

28、的早期阶段，可以经过仔细的概念性的设计来确定每一种设计方案的特点，概念设计可以在有效结合隧道业界的设计阅历以及业主对于工程的详细要求和期望进展。 必需指出，对于施工方法的评价不应只局限于施工技术的狭隘意义上，相反响从施工系统的广泛意义上来进展评价。 在确定某一隧道工段可行和可供选择的施工方法时，必需记住，正确选择施工方法是“首要的风险减轻措施，或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反响。最正确的方法或方法组合能够不是独一的，因此一切能够适用的比选方法都应列出并加以评定。 对于某一隧道工段和所选的施工方法，可以运用以下规范评价所给定方案的可施工性： 1地质、土工技术和岩膂力学方面的条件。 2水

29、文地质条件。 3不利条件的存在情况，包括其范围和出现频率。 4隧道任务面的稳定性，以及最终所需求的任务面支护。 5正线隧道双孔之间立柱的稳定性以及横向连线和换轨的需求。 6初期支护和最终衬砌的需求。 7施工进入通道的要求。 8环境限制条件。对于所获信息中的变化或不确定性，要求进展定量统计分析以便获得输入数据上下边境，进展比选方案的比较分析。 别外应对每一位比选方案中的风险进展量化。在对给定工段选择了施工方法并确定了初步设计方案后作为对主要风险的初步呼应，必需确定其他的风险并进一步寻觅相应的减灾措施以最终完成设计方案。这种做法首先要针对每一工段的一切比选方案，然后是针对构生长隧道的一切工段图1

30、中实线所表示的环线。本文主要作者Xu,Grasso,2005提出了一种风险分析方法并给出了一张全面检查清单，特别适宜识别和分析大型隧道工程经常是深埋长隧道中的风险。随着工程的进展，经常需求从相对简单的定性风险分析转移到半定量分析以及完全定量和概率化的风险分析，这也是由于风险分析所需的信息量随着时间而添加。 除了规范的，确定性方法计算每一典型施工循环即所估计的技术方案、包括规范的开挖工序和支护参数一断面类型的时间和费用之外，还需求量化地层条件及施工参数的变化和所识别的风险要素对工期、费用和质量的潜在影响。另外还需估计每一种风险要素的出现概率。之所以要求进展一切这些任务，其目的是为了采用如DAT隧

31、道工程决策辅助的相关工具来概略确定各种比选方案的施工工期和费用而建立输入数据。DAT工具可以明确地模拟不确定性和风险要素Einstein 等，1998；Kalamaras 等，2000。采用这种方法可以确定每种比选方案的能够费用或工期范围，并用如图2 所示的风险模型表现出来Reilly,2005。在对以下主要方面的呼应进展加权平均根底上，可以确定某种详细施工方法对于某一详细工段和所给定的隧道构造方式的顺应性： 1所选方法的可施工性。 2施工方法在不同条件估计和未估计到的下的灵敏性。 3施工费用。 4施工工期。 5施工方案对进场区域的要求。 6对环境的干扰。 施工方法的灵敏性应在开挖方法和支护措

32、施对于变化的和预料之外的条件的可运用性根底上来加以评价。传统施工方法确实是进度缓慢并要求同时开辟多个工点，但传统施工方法可以加以调整以顺应所遇到的地层特性。不过，作者所获得的阅历也阐明，不同的传统开挖方法对于高度变化的地层特性的顺应性是不同的。施工工期和费用这两个变量本质上是一种概率。这种概率在采用特殊程序DAT隧道工程中的决策辅助进展费用时间分析的过程中可以直接思索进出。DAT 是一种专家系统，可以定量模拟在地质和施工不确定的条件下进展地下工程决策的过程。至于对环境的干扰的情况，应从交通分流、公用设备和财富的维护和迁移、施工资料供应及工地域域之外堆碴的影响等方面来加以评价。 为比较隧道构造方

33、式和施工方案可采用多重规范得分模型。关于多重规范分析技术的详细解释和DAT 模拟实例，请读者关注相关的两篇文献Einstein 等，1998；Kalamaras 等，2000。 6 LTF 工程的详细规范和分析 除了遵照第4 节所提出的普通方法及第5 节所进展的思索之外，对于LTF 工程还提出了详细的思索，在下面章节中将对此加以总结。 6.1 LTF 工程的简介 2001 年1 月29 日，意大利和法国签署了在都灵和里昂之间建筑铁路新线确实政府间协议，该铁道路是欧洲东西、南北和衔接的关键节点。这条高速、高能量铁路新线的初期目的是将既有公路的大量货运转移到铁路网。 每个国家经过其铁路管理部门担任

34、本国境内的线路部分的建造，对于在意大利Bruzolo 和法国ST.Jeande Maurienne 之间穿越两国边境的74km 长的路段，由两国政府成立了名为LTF(Lyon Turin Ferroviaire) 的股份公司，担任工程的推进以及设计和现场勘察任务的管理。LTF 公司的运做遭到为此工程专设的政府间委员会CIG 的监视。 在74km 长的跨边境路段上, 最为重要的一项工程是衔接St.Jean de Maurienne(Aavoia,法国侧) 和Venaus(Val Cenischia, 意大利侧)的山底隧道, 其长52.5km, 是世界上5 座超越50km 的隧道之一。与该山底隧道

35、相望的是在整个意大利境内的衔接Venaus 和Bruzlol 的12km 长的Bussleno 隧道。这两座隧道经过高架桥相连。有关工程更多信息可查询LTF 的官方网站 HYPERLINK lyonturin-ferroviaire/ lyonturin-ferroviaire。 该工程曾阅历了两个主要的开发阶段： 1所谓的“APS-PP阶段，即可行性研讨法国侧和初步设计意大利侧阶段，该阶段于2001 年完成，随后在20022004 年间对相应的研讨任务进展了深化。 2所谓的“APR-PD阶段，即20052006 年间完成的初步设计法国侧和最终设计意大利侧阶段。 在APR-PD 阶段研讨LTF

36、 工程施工方法的目的是： 1为两座隧道确定最正确的开挖系统。 2确定离工场地位置、作业任务面以及从每一任务面进展开挖类型。 3为确定作业场地尺寸建立必要的根底，另外给隧道土工设计提供相关输入数据。 根据所建议的方法图1，LTF 工程的这两座隧道被分成5 个主要的工段，如图3 所示。 6.2 关于施工方法选择的详细思索 思索到所建隧道埋深大，长度长山底隧道长52.5km，Bussoleno 隧道长12km，以及隧道施工工期包括机电工程的政治目的是7 年时间，选择工业化的施工方法成为必然，因此机械施工方案成为首选。 LTF 隧道的主要施工困难是在同一地质一隧道区段中间存在不同的地质构造。根据为最近

37、的APR-PD 设计所建立的地质一岩膂力学剖面，共识别了对于TBM 施工比较困难的8 种类型的地带，如图4 所示。 与隧道大埋深相关的特殊问题是非常大的收敛、挤压如在St Martin La Potte 进入隧道所观测的那样、高地压力、高地温达45C和高水压几百巴。 思索到隧道直径大以及在大埋深下存在泥板岩岩石构造，因此所估计的隧道大的收敛是隧道本身设计以及施工方法选择所要关注的主要问题之一。 经过深化研讨并与TBM 设备制造商协作、导致运用机械方法施工困难的主要要素有： 1由于剧烈收敛变形在“Houiller Productive构造中和地层膨胀硬石膏TBM 被卡住的风险，由于土体中的石块掘

38、进速度能够缓慢的风险。 2在高耐磨岩层特别是有水的石英岩中切削刀具快速磨损的风险 3开敞式TBM 任务面失稳的风险未加限制。 4与高静水压力有关的力学问题。 5高压地下水忽然涌出的风险。 6瓦斯涌出的风险。 7溶洞的风险。 6.3 在选择机械施工方法TBM中所思索的准那么 假设只单纯思索地质和施工后勤方面的要素，那么在给定的隧道尺寸下，传统施工方法钻爆法总的来说适用于这两座正线隧道的任何工段。因此，对于给定的隧道工段，选择传统施工方法是在不适于或者不便于采用机械方法情况下的自然结果。 总的来说，采用TBM 开挖主要遭到这些要素的影响：即在所估计和未估计条件地质事故、水、瓦斯等下不同范围内的土工

39、特性，后勤要素，经济要素，环境限制以及施工中最大限制降低对环境和公众干扰的要求等。 因此, 确定适宜的方法仅仅简单意味着评价机械方法的适用性。 经过分析以下与隧道定线有关的关键方面，制定了解选择TBM 用于掘进LTF 工程正线隧道的准那么： 1地下工程总的特征以及与总体工程的关系功能要求、设计限制、环境要求等。 2地质特征现场勘察，了解程度，“GEO模型的相对可靠性，地形地貌、水文地质和地热等方面。 3土工特征岩体特性、原位应力。 4岩膂力学变形特性的预测在均质地带开挖洞室的稳定性，与地面、地下限制条件的相互作用。 此外，思索了以下规范，以确定能够适宜的施工方法： 1隧道施工人员的平安条件。

40、2最大限制地降低隧道施工对环境的影响。 3思索工程目的，最大限制地缩短工期和降低费用。 4机械及设备相对于隧道工程规模尺寸和工程量的适宜性和充分性。 在这些规范的根底上，参考市场上所能获得的各种类型的机械并思索TBM 制造商指出的今后技术提高情况，得出了对于LTF 隧道能够适用的机械施工方法： 1 无护盾的TBM 或硬岩TBM、开敞式带撑靴的TBM。 2单护盾TBM。 3双护盾TBM。 4复合的闭胸式盾构：EPBS- 单护盾TBM。 6.4 有助于施工方法选择的半定量风险分析 正如前面所解释的那样，风险分析对于第4 节所建议的方法是至关重要的。针对LTF 工程目前所处的APR-PD 阶段，进展

41、了半定量风险分析和定性风险分析，以助于最正确施工方法的选择。而这种情况下的定量风险分析将是作者下一篇论文的主标题。由于版面有限，下面仅论述针对相对短的Bussoleno隧道12km所做的半定量风险分析。 正如前面章节所指出的那样，确定适宜的方法就是评价机械方法的适用性。从检查“GEO要素开场进展机械方法适用性的检查，这些要素被描画在为隧道建立的工程地质剖面中，并是经过详细的旧面研讨和现场勘察得出的。图5 为简化的Bussoleno 工程地质剖面，包括以下关键信息： 1在每一均质地带中的主要岩性类型。 2所识别的分为3 个不同等级的TBM 开挖风险：高红色、中等黄色、低绿色。 3能够需求采取干涉

42、措施的需求，如地层加固以抑制具有不利条件的特殊地带。 4作为结果，最为适用的方法，以及对于机械开挖选择所运用的TBM类型开敞式或任务面带支撑压力的护盾式EPB。 5先前研讨APS-PP 阶段中估计的施工景况。 详细采用的检查程序如下： 1用以下规范确实定风险等级： 高红色质量差别到非常差的岩体，包括： 松散岩石及或有高压水存在；非均质的，有大的岩块、黏土性透镜体；具有高挤压变形能够性的岩体。 中黄色质量好到部分质量差的岩体，包括高埋深下的均质岩体其特征是能够出现岩爆景象；部分具有地质灾祸的均质岩体。 低绿色质量特别好到好的岩体。 在针对这些规范进展确定时要思索采用的TBM 类型开敞式或护盾式。

43、 2假设采用TBM 开挖方法的风险等级高，那么普通不引荐对该项方法进展进一步研讨，除非如第4、5 点所述可以合理地消减风险。 3假设风除等级为中等到低等，那么TBM 施工法可被视为是合理的。 4为确定整个隧道区段或者某一工段其中那些被断定为采用TBM 施工风险高的岩层带的出现频率为中等的开挖方法，建议采用风险减缓措施，如重新改良和处置那些异常地带中的岩体，以使机械开挖法适宜于整个区段。 5在选择开挖方法时还思索了以下几个方面： 所开挖岩体的变化频率：假设频率高，那么将影响机械开挖效率和速度，由于采用TBM 进展开挖是一个“刚性系统，其本身对于高度变化的地层条件是顺应性低。 下坡开挖意味着施工困

44、难更大，由于要抽走随隧道掘进而积存于任务面处的流入洞内的水。 下坡开挖也意味着机械法的风险更大，特别是在大量的地下水忽然涌出的情况下，这会淹没掘进机，损坏机械，特别是电器部分，另外还会危及TBM 上及任务面附近的作业人员。 下穿特殊地带如洞门附近的松散堆积层、断层带、隧道上方有其它根底设备其他隧道和地面大坝的区段，一些般要求TBM 可以施加主开任务面支撑压力，以防止产生与这些不利条件相关的风险。 抑制能够有石棉存在的岩层段，采用钻爆技术进展传统开挖能够更容易抑制这些条件，特别是能够将石棉纤维分布的风险限制在狭小区域即开挖前方周围地带。 参照图5 的最后一行，Bussoleno 隧道各个工段的参

45、考施工方法如下： 1从西洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点：传统方法钻爆法。 2从与Foresto 进入巷道的交汇点的西洞门: 传统方法( 钻爆法)。 3从东洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点：机械方法EPB。 从西洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点的工段优先采用传统方法进展开挖，其理由如下： 1 即使是岩体特征似乎允许采用TBM 掘进， 但在Foresto 进入巷道附近、包含绿色岩的石灰质片岩层的Piemontese 构造中频繁地出现高度破碎岩层和交替出现部分的断层带，这要求对开挖面前方岩体采取减缓风险的干涉措施任务面及空洞周围的固结以确保机械开挖的稳定性，其结果是需求停顿

46、TBM 掘进以及缓慢任务业化进程。 2除此之外，在这一区段有能够遇到含有石棉纤维的绿色岩，采用传统的钻爆方法可以更好地处置这样的风险，其结果是废碴可以限制污染颗粒在空荡荡气中的分布，可以维护工人任何情况下都应关怀适宜的平安措施和周围环境以及该区域的设备。 3最后，在西洞门还有后勤方面的困难Berno 作业场地也是建筑衔接两座隧道的高架桥所需的空间，难以为TBM施工提供一切必需的现场设备。 相反，从与Foresto 进和巷道的交汇点到东洞门的区段由意大利向法国方向掘进那么优先采用护盾式TBM土压平衡EPB进展机械化掘进，其理由如下： 1从东洞门开场，隧道的最初路段位于特性极差的地层Prebech

47、 河的冲积扇中，埋深浅，接近有些城市化的区域。正线隧道下穿河流，隐含着能够进入滞水层及地面沉降的风险。采用EPB TBM 进展掘进可以限制对外部环境的干扰，由于立刻设置预制的、连缝采用防水密封条的管片衬砌可以最大限制地减小因在地下水位中进展掘进而产生的排水效应，因此也减轻了地面能够沉降的问题。 2在抑制这一段不良地层之后，继续向着法国方向掘进，估计将在较好的岩层条件下开挖正线隧道，为此建议采用开敞式TBM。这样的岩石力学条件加之相对代的埋深小于500m排除了有的大的收敛变形的能够性，从而，在这一区段护盾式TBM 被卡住的风险几乎可以忽略。因此应优先采用EPB TBM 以开敞方式掘进这一区段的正

48、线隧道，并以及此取代另外一台不同类型的TBM，否那么的话会破费更多的费用，而且工期也不会最大限制的减少短。 3 因此，EPB TBM 的特征应能顺应于从东洞门到与Foresto 进入巷道交汇这一区段的不同地层条件，特别是EPB TBM 的刀盘应装配盘形滚刀以便可以破碎抵抗力大的岩体未扰动岩石。最后建立在掘进后面的硬岩区段时保管在掘进最初路段松散堆积层中的运用的一级出碴系统，即螺旋保送机。 7 结果 正如前面所述，确定LTF 工程这两座埋深长隧道最正确施工方法的过程是反复的，包含了循序渐进的定性、半定量和定量风险的分析，这符合于经过现场勘察而对地层条件的不断深化了解，施工工艺的继续开展以及工程设

49、计不断深化。鉴于此，以及便于比较，在下面章节总结和提出分阶段获得的结果是符合逻辑的。 7.1 APS-PP 阶段的结果和随后的进一步深化研讨 APS-PP 阶段的研讨任务由业主原名为“Alptunnel组织并于2001 年完成。在这个初步设计过程中研讨了地下工程的施工方法和工期。 在APS-PP 阶段，隧道沿线的地层条件信息是有限的。地下工程的设计主要是基于非常粗略的、定性的地质一岩膂力学断面，其中有不少不明地带，因此很大程度上依赖于参与其中的设计者和专家的阅历。 作为结果，确定了以下方法可用于这两座正线隧道的机械化掘进： 1无护盾的TBM。 2特殊的无护盾TBM。 3单护盾TBM。 4双护盾

50、TBM。 5复合式盾构：EPB 盾构单护盾TBM。 6特殊复合式双护盾：EPB 盾构双护盾TBM。 除此之外，还确定了需求采用传统的钻爆法包括一些点击破碎机械设备，如发掘机、液压破碎机、巷道式掘进机、全断面开挖法以及根据岩体特性而在距任务面一定间隔 处浇筑永久衬砌。 由APS-PP 阶段研讨所确定的参考施工方案见图6。 随后，在进一步深化由业主“Alptunnel进展的ASP-PP研讨方面，由LTF 工程新的业主the LTFs.a.指定一个隧道专家委员会CET，其中主要义务是分析和确认经过ASP-PP研讨所获得的初步结果，时间为20022004 年。 只需TBM 施工是可行的，而且假设需求限

51、制施工工期并将工期和费用预算的可靠性提高到一定程度的话，那么专家建议采用TBM。鉴于当是对地质情况的了解程度，特别是思索到短少估计有大收敛的地层的相关信息，专家建议不采用护盾式TBM，除了埋深非常浅的情况，如Bussoleno 隧道东洞门处的初始段。因此，除了后一种情况，专家建议均采用带有模向撑靴和支撑的开敞式TBM。最终衬砌不受开挖的约束，而采用现浇方式进展浇筑。TBM 的电器部分无论如何都应是防爆型的以便开挖Houllier 构造，即使是这种构造包含不可开采CH4 气体。 对于无粘结性的地层，以及其施工不处于整个工程规划关键途径上的隧道工段，专家也建议采用传统施工方法。 由CET 确定的参

52、考施工方案与APS-PP 研讨的结果非常类似，主要的区别在于St.Martin La Porte 进入隧道两侧的工段，对此专家竭力争取采用TBM 掘进下线隧道。在ASP-PP和CET 的研讨中都未确定每一隧道工段的准确和详细的施工主方法。因此专家确定的施工方案未单独示于图6 中。 另外，借助于DAT 程序对施工工期和费用进展了概率研讨，其目的在于： 1评价在ASP-PP 参考施工方案的工期一费用方面的不确定性程度。 2比较ASP-PP 方案和“AlptunnelGEIE2001 方案1未假设分期建筑铁路衔接线的方案。 DAT 分析的主要结论为： 1依然一定，施工规那么的关键途径由隧道区段D 所

53、决议。 2一些特殊洞段存在大的不确定性：在Venaus 侧的D段起始部分，St.Julien工段A的冲积锥中的路段，Houlllierprocuctive 地带在St.Martin La Porte 进入隧道的周围。 3与“Alptunnel的方案相比，土木工程的总体平均工期似乎可以缩短1 年左右。 4土木工程总体平均费用增长约18%，其缘由在于隧道尺寸的变化；因缩短探洞的长度而添加地质条件的不确定性；因每周施工的任务班数量从35 至37的变化呵斥单价上涨。 7.2 APR-PD 阶段的结果 关于LTF 工程开发的这一阶段，输入数据的数量显著添加，其缘由在于： 1在APS-PP 研讨的进一步深

54、化阶段添加了现场勘察钻孔、地球物理勘探。 2一组咨询专家进展了广泛的现场地质测绘，并审查和更新了线路沿线的地质、水文地质和岩膂力学模型。 3对过去两年法国侧的进入隧道开挖获得的数据进展分析得到结果。 4阿尔卑斯山地域勒奇山和圣哥达山底隧道及西班牙隧道施的工阅历( 表1)。 作为结果，针对本工程提出了一个概率性的地质和岩膂力学表征，其结果很好地反映了针对这两座隧道所做的非常详细的任务程地质分带中。 在广泛现场勘察根底上对工程区域内的地质- 构造模型的修正，加之详细的地质和岩膂力学特征，使得可以优化隧道的定线，特别是Bussoleno 隧道的定线更接近Susa 峡谷，以减少一系列的地质风险。 除了修正地质模型外，与先前的APS-PP 设计方案相比，该工程的功能设计也得到了全面修正。进而经过正确的设计又修订和完成了对一切必需的土木工程工程。 例如，为完成对山底隧道施工方案的研讨，确定了以下对于每个救援站都适用的特征条件： 1从每一工点的技术洞室开场，穿过正经隧道两条平行的孔洞，称为V1、V2采用钻爆法开挖约500m 的隧道段。 2建筑TBM