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客运专线隧道施工技术特点 [复制链接]

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离线qdyansu007

助理工程师

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只看楼主正序阅读使用道具楼主发表于: 2009-09-09

摘　要：通过对国内部分已建和在建客运专线大断面隧道的施工总结，结合生产实践，主要论述了大断面隧道的施工技术特点及开挖方法选择；并以合武铁路隧道施工为例，对隧道开挖方法进行了探讨；可为大断面隧道施工提供参考。

　　关键词：客运专线大断面隧道施工技术开挖方法

　　中图分类号：U455 　　　 文献标识码：B

　　0 前言

　　中国是一个多山的国家，山地、丘陵和高原很多，其面积约占国土总面积的69％。随着国民经济的迅速发展和技术水平的不断提高，我国修建的铁路和公路隧道越来越多，到2005年底，我国的公路隧道通车里程已达1 500 km，已经投入运营的铁路隧道总里程则已超过4 300 km。

　　为了增加火车的运输能力，中国全面提高了客车和货车的运行速度。根据十一五规划，中国将建设新客运专线7 000 km。为了克服客运专线上高速列车在隧道内运行所引起的夺气动力学问题，客运专线上的隧道基本采用双线隧道，这些隧道轨面以上的净空面积为90 m²以上，开挖断面积大都在I20 m²以上。

　　目前住建的合武、武广两条铁路客运专线隧道的开挖尺寸见表1。

　　1 客运专线铁路大断面隧道力学特征和施工特点

表1 在建的合武、武广两条铁路客运专线隧道开挖尺寸

　　1．1　力学特征

客运专线铁路大断面隧道较以往施工的单线和双线铁路隧道开挖的跨度更大、高度更高，具有以下力学特征。

①　开挖后，隧道周边围岩出现更大范围的塑性化和更大的变形，围岩自稳所要求的围岩强度更高。

②　隧道拱脚和边墙脚处的应力集中更严重，要求有更高的围岩强度或更好的地基承载力。

③　隧道拱顶更不稳定，拱顶围岩存在拉应力区，拱顶岩块崩塌的可能性更大。

④　产生拱作用要求的埋深更深，浅埋隧道的埋深范围更大，松弛压力更大，辅助施工措施要求更强。

图1为客运专线大断面隧道台阶法开挖围岩塑性区域分析。

图1 台阶法施工隧道围岩塑性区分布图

　　在台阶法开挖结束后，隧道并没有出现明显的塑性区，此后隧道围岩在一定范围内开始发生岩体破坏。在隧道的拱部和底部主要是张拉破坏，而隧道边墙则发生剪切破坏。

　　初期支护后隧道的塑性区范围约减少了80％，但是应力状态的变化不明显，这说明隧道围岩的整体性得到了加强。

　　由于隧道为永久性构筑物，根据新奥法施工原理，隧道的二次衬砌为模筑混凝土或钢筋混凝土，其主要作用为安全储备和美观。隧道经过初次支护，仍然存在一定范围的塑性区。二次衬砌后，塑性区基本得到了消除。分析可知，初次支护对于隧道围岩的稳定性起着主要的加固作用，模筑混凝土只承担很小的一部分荷载。二次衬砌后的隧道受力如图2。

图2 二次衬砌后的隧道受力分析图

　　1.2 施工特点

　　高速铁路大断面隧道施工更复杂，其具有以下施工特点：

　　①　除围岩的整体性外，围岩自身强度对高速铁路大断面隧道施工方法的确定、隧道的稳定与安全有较大影响；

　　②　“紧支护、勤量测”更为重要；

　　③　对于洞口段、浅埋段、破碎带、堆积体、黄土隧道应坚持“断面化大为小、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭、衬砌紧跟”的原则。

　　2 客运专线铁路大断面隧道开挖方法选择

　　钻爆法仍然是中国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法。客运专线隧道开挖常用的方法为全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑工法，从工程造价和施工速度考虑，施工方法选择顺序应为：全断面法一正台阶法→台阶设临时仰拱→CD工法→CRD工法→眼镜工法；从施工安全考虑，顺序正好反过来。如何选择合适的开挖方法，应根据实际情况综合考虑，在工程造价、施工进度、施工安全等各方面求得平衡。各种开挖方法的比较见表2。

表2 各种开挖方法比较表

　　2.1 全断面法

　　全断面开挖法是指将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。全断面开挖法施工操作比较简单，主要工序使用移动式钻孔台车或多功能台架，全断面一次钻孔，并进行装药连线，然后将钻孔台车退后至安全地点再起爆，一次爆破成型，出碴后对整个开挖轮廓进行初喷，钻孔台车或多功能台架再推移到开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时，利用支护台架全断面施作剩余初期支护工作。

　　由于全断面法一次开挖成形，开挖跨度较大，高度较高，隧道周边围岩出现更大范嗣的塑性化和更大的变形，隧道拱脚和墙脚处的应力集中更严重，隧道拱顶更不稳定。对于硬岩隧道，由于其自身强度一般比较高，所以围岩自身强度并小是影响隧道稳定与安全的决定因素。但对于软岩隧道，由于其自身强度一般偏低，往往成为影响隧道稳定与安全的控制因素。对于按照《铁路隧道围岩分级削定标准》判定的围岩等级，在确定隧道开挖力方法时成允分考虑围岩自身强度。硬岩隧道可通过采取超前铺杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进超前预加固，从而提高围岩的整体性，而对于软岩隧道，各种超前预加固措施对围岩自身强度提高幅度有限。

　　综合上述各种因素考虑，结合以往类似工程施工经验，对于高速铁路大断面隧道，全断面法主要适用于非浅埋I～Ⅲ级硬岩地层和IV～Vl级软柑地层。当隧道处于非浅埋Ⅳ级硬岩地层时，在采取超前锚杆、超前小管棚、超丽预注浆等辅助施工措施加固后，也可采用全断面法施工，但应根据具体围岩情况适当缩短开挖进尺。浅埋段、偏压段和洞口段不适宜采用全断面开挖

　　全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套施工机械，提高施工速度，且工序少，便于施工组织和管理，较分部开挖法减少了爆破震动次数。但由于开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大，每次深孔爆破引起的震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计，并严格控制爆破作业。

　　2.2 台阶法

　　台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，即分成上下两个断而或几个工作面分步开挖，根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔端台阶法等。

　　综合考虑围岩等级划分中的岩性指标、岩体完整状态等，根据高速铁路大断面隧道自身的力学特征，结合以往类似工程施工经验，台阶法适用于Ⅰ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅱ～Ⅲ级软柑地层洞口段、偏压段、浅埋段，Ⅲ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅲ、Ⅳ级软岩地层，但应视具体情况采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工施进行超前加固。根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。

　　台阶法开挖优点很多，能较早地使支护闭合，有利于控制结构变形及由此引起的地面沉降。上台阶长度-般控制在1～1.5倍洞径，根据地层情况，可选择两步或多步开挖。

　　台阶长度之所以定为1～1.5倍洞径，主要因为在1～1.5倍洞径区段周围地层产生横向和纵向两个承戴拱的作用，这对开挖是有利的，台阶长度超过这个限度，将失太纵向承载拱受力结构，仪有横向平面承绒拱受力结构。上台阶若选用大于1.5倍洞径的长台阶，在开挖时纵向变位大，上台阶断而形状不利于受力，而且容易引起周围地层松动，塑性区增大，造成拱脚附近受力大而使其失去稳定性：上台阶若过短，小于l倍洞径，对于软弱地层，因洞内纵向破裂面超过工作面，易造成洞顶土体下滑，引起工作面不稳定。软弱地层不能采用短台阶法施工。但是，若是硬岩地层，岩体较完整，采用爆破法施工时，为了便于风钻打眼，可设置超短台阶。

　　从安全角度考虑，台阶长度定为1～1.5倍洞径是合理的，施工机械的配置电应遵守这个原则。因此，在采用台阶法施工时，不应分长台阶、短台阶、微台阶，而是只有1～1.5倍洞径长度的台阶。

　　根据分部的多少，台阶法可分为上下两部分步开挖法和多部分步开挖留核心土开挖法。

　　2.2 上下两部分步开挖法

　　上下两部分步开挖法施工顺序见图3，该法适用于硬岩Ⅲ、Ⅳ级，软岩Ⅲ级，洞口段、偏压段、浅埋段I～Ⅲ级硬岩地层和Ⅳ～Ⅵ级软岩地层。可将断面分成上下两个台阶开挖，台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径(D)以内，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构；若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。上下两部台阶法开挖示意图见图3。

图3 上下两步分部开挖法示意图

　　2.2.2 多部分步行挖留核心土法

　　该法适用于较差的地层，围岩级别为软岩Ⅲ、Ⅳ级，洞口段、偏压段、浅埋段软岩Ⅲ、Ⅳ级和硬岩Ⅱ、Ⅲ级。上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土，用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面；用网构钢拱做初期支护；拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。开挖顺序见图4。

图4 多部分步开挖留核心土开挖法示意图

　　2.2.3　台阶法肝挖优缺点

　　①　灵活多变，适用性强。凡是软弱围岩地层，均可采用台阶法，址各种不同开挖方法中的基本方法。而且，当遇到地层变化(变好或变坏)，都能及时变换成其他方法。

　　②　具有足够的作业空间和较快的施工速度，台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业则较为安全。

　　③　台阶法开挖的缺点是上下部作业相互干扰，应注意下部作业时列+上部稳定性的影响和台阶法开挖会增加围岩被扰动的次数等。

　　2.3 侧壁导坑法

　　单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定距离，再开挖隧道断面剩余部分的隧道开挖方法，施工序见图5。采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合开挖、人工和机械配合出碴。断面剩余部分开挖时，可适当采用控制爆破以免破坏已完成导坑的临时支护。

图5 单侧壁导坑法示意图

　　单侧壁导坑法主要适用于地层较差、断面较大、采用台阶法开挖有困难的Ⅳ、V级围岩地层。采用方法可变大跨断面为小跨断面。将导坑跨度定为4～6 m，则断面剩余跨度为8～l0 m。，这样将使隧道开挖迎为安全、可靠。

　　2.4 中隔墙法(CD工法)

　　CD工法（Center Diaphragm）是指将隧道断面左右一分为二，先开挖一侧，并在隧道断面中部架设一临时支撑隔，待先开挖的一侧超前一定距离后，再开挖另一侧隧道的施工方法，施工顺序见图6。通过隧道断面中部的临时支撑隔墙，将断面跨度一分为二，减小了开挖断面跨度，使断面受力更合理，从而使隧道开挖更安全、可靠。

图6 CD工法示意图(单位：m)

　　CD工法主要适用于地层较差的、可采用人工或人工配合机械开挖的Ⅳ、V级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。

　　采用该法进行隧道开挖时，可根据具体情况，将由中隔墙一分为二的左、右断面再在竖向分成两部或三部，从上往下分台阶进行施工。台阶长度一般为1～1．5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)。先开挖一侧断面的最后一步与后开挖断面的第一步间应拉开l～1．5倍洞径的距离。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙。

　　2.5 交叉中隔墙法(CRD工法)

　　当CD工法仍不能保证围岩稳定和隧道施工安全要求时，可在CD工法的基础上对各分部加设临时仰拱，即CRD工法(CDOSS Diaphragm)，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环、改进发展的一种工法。见图7。其最大特点是将大断面施工化成小断面施工，各个局部封闭成环的时问短，控制早期围岩变形，每个步序受力体系完整。CRD工法各分部间应拉开一定的距离，距离大小以保证掌子面稳定为准，一般为1～1.5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)，但在能保证掌子面围岩稳定的情况下，可适当缩短距离，以保证操作空问要求。

图7 CRD工法示意图(单位：m)

　　根据高速铁路大断面隧道自身的力学特征，结合以往类似工程施工经验，CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土及黄上组成的V级围岩和软朗状粘性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等。

　　为了稳定工作面，采作CRD 工法施工时,须采取超前大管棚、超前锚杆：、超前小管棚、超前预注浆、掌子面封闭等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙和临时仰拱。

　　2.6 双侧壁导坑法(眼镜法)

　　双侧壁导坑法也称眼镜工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法，其实质是将大跨度分成三个小跨度进行作业。见图8。主要适用于地层较差、单侧壁导坑法无法满足要求的隧道工程。该工法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，钢架连接困难，而且成本较高，进度较慢。

图8 双侧壁导坑法示意图

　　该工法主要适用于地层较差的、可采用人工或人工配合机械开挖的Ⅳ、V级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。

　　2.7 开挖工法的比较与选择

　　高速铁路大断面隧道开挖工法的比较见表3.2.8高速铁路大断面隧道开挖工法的支护措施和辅助措施

　　根据新奥法施工原理，“主动地使围岩本身成为隧道环状承载结构的一部分，充分发挥围岩自身承载能力，使围岩和初期支护共同承载”的要求，结合高速铁路大断面隧道的力学特征，在选择隧道开挖工法时应同时采取适当的支护措施和辅助措施，以确保隧道稳定和施工安全。

　　①　认真做好隧道的全断面光面爆破工作。不仅拱部、墙部要达到规范要求的光爆效果，墙脚、底部、仰拱、洞室、交叉口、变断面处也应按光面爆破进行设计，并同时达到和墙拱一样的光面爆破效果，以减少超欠挖可能产生的应力集中。

　　②　开挖后及时通过初喷混凝土对开挖轮廓岩面进行封闭和找平，减少围岩变形，消除应力集中。

　　③　加大锚杆长度，使开挖断面周边形成一个更大范前目的承载环，以满足高速铁路大断而隧道受力需要；采用能快速受力的锚杆(快凝环氧树脂锚杆、速凝砂浆锚杆等)，以使承载环能尽快形成；可采用预应力铺杆，以使承载环的受力更合理，减少承载环内缘可能出现的拉应力。

　　④　尽快完成锚杆、钢架支撑和复喷混凝土施工，使吲岩羽初期支护共同的承载结构尽快形成。

　　⑤　强时隧道拱顶、拱脚祠和墙脚的支护，以解决拱顶不稳定和拱脚、墙脚受力较大以及应力集中的问题。

　　⑥　仰拱开挖应与整个断面同步进行，并根据围岩情况，控制开挖进尺拱开挖后初期支护应及时进行封闭，仰拱二衬也应紧跟施作。严禁待隧道开挖几百米后才开始仰拱开挖、初期支护和二衬施工，或仰拱施工与无仰拱段捡铺底同步进行。

表3 各种开挖方法的比较

　　⑦　对于破碎的硬岩地层，可采用超前锚杆或超前小导管预注浆的办法提高围岩的整体性，从而确保隧道的稳定和安全。

　　⑧　对于较差的软岩地层、浅埋段、偏压段、洞口段应采取超前大管棚预注浆的办法提高围岩的自承能力，保证掌子面的稳定。

　　3 工程实例

　　新建合肥至武汉铁路站前工程(路基、桥涵、隧道)第三标段位于安徽金寨县及湖北麻城境内，全段共18座隧道，总长25896m，隧道穿越地区基岩基本裸露，以区域变质岩一石英片岩、片麻岩、花岗岩、闪长岩为主。其没计围岩分级见表4。

表4 合武三标隧道设计围岩分级表

　　根据现场围岩情况，Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩全断面法开挖，Ⅳ级围岩、V级围岩采用台阶法开挖，浅埋段、偏压段、围岩破碎段分别采用长管棚、小导管注浆等预加固措施，目前已完成隧道开挖任务66％。

　　台阶法施工段，台阶长度3～5 m，采用光面爆破减少对围岩的震动以控制成形。开挖循环进尺，凿岩台车模式为3.8～4.2 m，人工钻孔模式为2～2.8 mm挖掘机或装载机配合自卸汽车运碴，自卸汽车运碴至指定的弃碴场地。为确保施工安全，量测及时进行。及时施作锚喷及钢架支护，尽早封闭成环，仰拱超前施作，二次衬砌紧跟。