知名大学高铁隧道超欠挖控制新技术2018

1、西南交通大学 土木工程学院 2018 年 05 月肖 清 华Email ： xqh_电 话：道超欠挖控制新技术(以高铁隧道为例)技术攻关与科学探索主要内容第一部分 目前隧道开挖普遍存在的问题第二部分 土木工程施工技术发展新趋势 (潜在借鉴)第三部分 隧道开挖控制新理念与新模式 (解决思路)第四部分 隧道超欠挖控制方法 (具体方法见另一稿)技术攻关与科学探索第一部分 目前隧道开挖普遍存在的问题 进度慢，严重影响工期。 (1) 兰渝铁路总投资829.16亿元，于2008年9月开工建设，兰渝铁路计划建设工期6年，后因资金链断裂和甘肃段地质问题，建设总工期延至9年，全线于20

2、17年9月29日开通。1.1 施工进度影响全线建设 (2) 贵广高铁 贵广高铁工程投资900多亿元，于2008年10月13日开工建设，计划建设工期为5年，后因施工和管理问题延迟工期 1 年，2014年12月20日全线验收，2014年12月26日正式通车。1.1 施工进度影响全线建设 (3) 沪昆高铁 总投资约为3074亿元，于2009年4月开工建设，计划2015年通车，后因施工等原因沪昆高速铁路全线轨道于2016年6月16日下午正式贯通，2016年12月28日沪昆高铁全线通车，工期延迟1年。1.1 施工进度影响全线建设 (4) 西成高铁 西安至江油段全长509.532km，总投资647亿元，于

3、2012年10月开工建设，建设总工期为5年，计划2017年10月通车，后延误2个月，全线于2017年12月6日开通。1.1 施工进度影响全线建设 (5) 渝黔铁路 总投资531.09亿元，于2012年11月开工建设，渝黔铁路计划建设工期5年，后因施工进度管理问题，建设总工期延至6年，全线于2018年1月25日开通。1.1 施工进度影响全线建设 (6) 哈大铁路 总投资980亿元，于2007年8月开工建设，哈大铁路计划建设工期4年，后因路基出现大面积动胀，建设总工期延至5年，全线于2012年12月1日开通。1.1 施工进度影响全线建设 (7) 深茂铁路 总投资285.95亿元，于2014年6月开

4、工建设，江门至茂名段铁路计划建设工期4年，后因各标段施工进度不一致问题，建设总工期延至5年，全线最早于2019年方可通车。1.1 施工进度影响全线建设 隧道数量多、施工难度大 (8) 宜万铁路1.1 施工进度影响全线建设 宜万铁路全线建成时造价最高（6000万/km），计划工期6年，因全线隧道施工难度大，延期2年才通车，动车直到14年才通车（延期4年）。 隧道超欠挖非常严重！不止直接影响到了施工进度、安全质量 (垮塌-如沪昆)，尤其是开挖费用增加，如过量超填 (喷射混凝土)的费用、提高工程成本、大幅减少利润，甚至造成巨亏！1.2 隧道超欠挖严重，严重影响施工进度1.2 m 岩性 项目软弱中硬硬

5、围岩扰动深度（m）10.80.5平均线性超挖（cm）151510最大线性超挖（cm）252520两炮衔接台阶最大尺寸（cm）151515局部欠挖（cm）555炮眼残痕率50%70%80%炮眼利用率100%95%90%岩壁爆后围岩稳定，无剥落现象石碴块度大块一般不宜超过30cm,大型装碴机允许5060cm,最大100cm,碴堆集中，最大抛距20m,双线隧道深眼爆破时为30m。隧道超欠挖质量检验标准 例1：施工及设计调研与费用计算 按设计院允许超挖值(1015cm)，爆破开挖后必须喷射混凝土补回到设计轮廓线才能进行下一步二次衬砌 (模板浇筑混凝土)。 每延米 (一环)：喷射混凝土约 910m； 单

6、价：600多元/m，设计800多元/m，估计会上调1000多元/m； 每延米总价：600010000元； 每公里总价：6001000万元。 按上述费用，结合隧道比高的现实，达5060亿。超挖非常严重：如贵广有些隧道超挖高达1.5m。经常性超挖：3050 cm。 大量隧道工程实际施工喷射混凝土费用计算 (1) 超挖 50cm非常正常 超挖非常严重：如贵广有些隧道超挖高达1.5m。 (2) 喷射混凝土回弹量非常大！ 如：有的隧道初期支护混凝土喷射量高达300%，采取措施后混凝土喷射量降为180%190%。实际：超挖厉害；回弹厉害；隧道比高达80%以上。费用：全线远远超过 计算值（5060 亿）！

7、例2：喷射混凝土比较差！检查时喷得好(主观)！ 操作手水平 (客观) 非常关键，回弹率 30%正常，20%非常好！经常 50%以上！沪昆局部高达300%。侧墙背后空洞或脱空，检测跑不掉！拱顶更厉害，现场发现有的隧道超过2m！后续交工非常麻烦！ 总体原因大致如下： 1、技术 方面 (稍后分析)； 2、体制方面； 3、管理方面。1.3 问题出现的总体或根本原因1.4 传统技术与现实需要的矛盾1.4.1 基本概念现场设计图与施工照片。炮眼的种类和作用 (常规断面)(1) 掏槽眼(孔)(2) 辅助眼(孔) (多种叫法) 辅掏、掘进(3) 周边眼(孔)1.4.2 开挖方法本身导致系统性超欠挖问题围岩开挖

8、侧视图 (拱顶超挖，两侧同理) 如下：拱顶超欠挖：ShaL影响因素：1、钻孔位置是否精确，h；h 也能一定程度控制超欠挖。ShaL3、循环进尺 L；4、施工控制质量，如孔底集中装药导致能量不均匀。2、支护紧跟影响钻孔空间和钻孔角度，外插角偏大。一、某隧道进口1、工程难点(1) 水平岩层(2) 炭质页岩(3) 岩溶发育，涌水10万m3/d(4) 下穿高速公路，垂直距离30m。1.5 现场施工控制不力 (举例说明)隧道进口倾斜岩层 爆破控制非常困难，很容易顶部和拱肩垮塌造成严重超挖！黑色的炭质页岩潜在有害气体2、爆破施工基本参数现场施工人员描述(无正式爆破设计) 循环进尺2.0m；(3) 掏槽眼长

9、度4.0m(4) 周边眼间距小于40cm(5) 装药量不合理！ 单耗、断面S、装药系数(0.25?) 。(2) 左侧纵向测距达3m；3、爆破不良后果左侧初支背后脱空超挖严重；周边眼底部装药容易出问题顶部脱空严重 (超过50cm)超挖；掌子面中部凸出超过60cm；爆后剩余掏槽眼深度达90cm。 二、某隧道进口1、工程难点红砂岩遇水软化，不利于爆破，但目前未见水。水平岩层2、爆破施工基本参数现场施工人员描述结果：循环进尺2.5m与支护间距1m不匹配；断面面积及体积不清(3) 掏槽眼长度2.8m肯定不对！(4) 周边眼间距小于40cm，装药1.5/1.0卷不合理。(5) 总装药量 56Kg不合理！如

10、何校核药量？3、爆破不良后果(1) 左侧和顶部欠挖严重，必须二次处理；(2) 右侧边墙欠挖严重，必须二次处理； 欠挖会导致二衬厚度不足，后续交工困难！(3) 掌子面中部凸出超过50cm；(4) 左侧纵向测距达3m。 三、另例：隧道进出口1、工程难点红砂岩遇水软化，不利于爆破，但目前未见水。水平岩层浅埋自重隧道出口红砂岩遇水软化，不利于爆破，但目前未见水。水平岩层 加大超挖量(含不住)和围岩稳定2、爆破不良后果 (1) 超挖严重！(2) 掌子面中部凸出超过80cm；以大断面隧道为例1.6.1 技术把握1、掌握不好有哪些方面？1.6 传统技术掌握不好或技术(故意)退化经常会出现什么问题？(1) 两

11、个掏槽口！(2) 槽口太大！(3) 炮眼交叉！(4) 全部斜眼！2、不良后果有哪些？(1) 楔形体出不来(2) 锅底且碎裂(3) 底欠挖口超挖(4) 口欠挖底超挖3、正确的隧道爆破 设计成果注意掏槽、辅助和周边眼的布置方法： (1) 正视图 (掏槽等)； (2) 俯视图。掏槽炮眼的标准设计方法 (手册和规范)1.6.2 技术主观故意退化1、基本不做设计如外委后技术力量太差！无设计或设计仅为走形式，甚至不会。即使包给爆破公司，也。2、爆破器材不到位如只有部分段别雷管、无导爆索、无小药卷。3、技术主观故意退化如不堵塞，周边眼不用竹片？也没有“不耦合”装药！周边眼间隔装药结构 无导爆索！连续装药结构

12、示意图小药卷！必须采用竹片(时间更长)，但与大断面隧道快速掘进理念矛盾！1.7 现有的技术水平本身不足1.7.1 传统隧道爆破解决质量问题有待改进传统的隧道光面爆破技术本身是不存在问题，但就目前而言，逐渐不适应新时代的发展要求。 1、大断面隧道掏槽布置与施工问题 如台车太宽(6m)，怎么办？ 2、大断面大量炮眼堵塞问题 如不堵炮眼 计算效益，可加快23小时。 3、高铁的新要求，压力要求结构强度高。 不能欠挖，更不能超挖后脱空！ 假设隧道施工质量得不到保障，如顶部有脱空(如沪昆高铁岗乌隧道)、空洞或不密实，则可能会出大问题。 普铁隧道：列车速度不高，空气压力不大，不会出问题。 高铁隧道：列车进洞

13、时正高压、出洞时负高压，频繁压拉后，对隧道影响非常大，搞得不好就会混凝土碎裂掉块，击打高速列出，后果不堪设想。 一旦出事，肯定会超过甬台温高铁撞车事件(空间小、救援困难 非常担心隐藏的衬砌质量问题)。1.7.2 传统技术可能的改进方法 要很好地控制隧道超欠挖问题，潜在的改进方法有以下几种： 1、确保钻孔位置合理 周边孔孔口与开挖轮廓线的距离要根据岩石的软硬程度（f 值）来定：一般软岩1015cm，以利于钻孔（钻直孔）；中硬岩为5 cm（钻直孔）；硬岩为0 cm（钻斜孔，孔底向外偏斜10cm）。也就是 中的 h 问题！2、支护适当滞后：39m？ 须结合围岩条件确定 3、循环进尺合理：进尺、进度与

14、超欠挖的博弈！ 4、半边孔迹率保证：小药卷、分散装药、竹片。 5、长短孔控制技术短孔长孔长短孔光面爆破孔口放样定点现场长短孔钻凿作业长短孔导爆索连接以节能环保隧道水压爆破技术为例。与传统技术根本区别在于炮眼装药结构。1.7.3 新技术开发必须跟上现实需要隧道掘进节能环保爆破炮眼装药结构 往炮眼一定位置注入一定量的水，产生“水楔”和降尘作用；在孔口位置用专用设备加工而成的“炮泥”进行回填堵塞，充分利用爆炸气体膨胀以加强岩石破碎效果。这种炮眼装药结构的工程爆破被称为“节能环保水压爆破”。 “节能环保水压爆破”的作用 优点：与常规爆破相比其具有显著的“三提高一保护”的作用。 三提高：提高了炸药能量的

15、利用率，即节省炸药；提高了施工效率，即加快了施工进度；提高了经济与社会效益。 一保护：大大降低粉尘含量对环境的污染，保护了施工人员的身体健康。2、不足及其需要改进的地方水压爆破的概念 (2) 可操作性有待改进操作复杂、增加人员、增加成本、施做时间超出传统爆破施工太大，导致现场施工人员不愿用。 需要专用的水袋机、炮泥机。很多铁路线全面推广：结果：不愿意用，堆在洞口！应付检查！就像传统的竹片光面爆破一样，不用！1.8 设计与施工模式问题 从总体看，掏槽及周边光面爆破都是传统技术，实际爆破效果及隧道轮廓线控制效果均有很大不足。 必须严格把关传统技术或研发新技术！ 1、设计存在问题 隧道爆破设计往往都

16、是走形式，一张图纸从隧道头用到隧道结束，对实际施工爆破基本上起不到指导作用。因为隧道爆破必须依据隧道围岩地质条件、断面形状与尺寸 (隧道不同围岩级别下，设计院为了控制预留变形量要求开挖的轮廓线大小是不一致的)、水文及支护条件等都是随时变化的，不能一成不变。 特别是遭遇下穿或跨越既有铁路或高速公路，必须要做好设计！ 为什么会出现这种情况？当前施工单位缺乏设计人员，大多数技术人员不懂爆破，全部依靠施工队伍，导致基本上不做施工设计，仅由施工队伍自己凭经验施工，也即农民工除了做了现场操作的工作还做了本应技术人员做的设计工作，即使施工单位做了爆破设计，基本上是应付交差的。必须改变这种模式！但又不能增加施

17、工单位的麻烦！ 2、施工控制存在的问题 钻孔定位很随意，孔位不准，即使施工单位做了爆破设计，也不一定有好结果。必须有很好的定位体系，包括设计图纸如何定位到现场、现场定位后如何控制炮孔不走样，如炮孔不偏斜等！三臂台车很好，但大多隧道配备不了！ 3、大断面隧道发展要求 新技术必须有效、好操作，时间要快，所需时间最起码不超过传统技术！ 4、信息化趋势带来的问题 如 BIM趋势不可逆转，无论你喜不喜欢！ 隧道信息化时代的迅猛推进，BIM由“十二五”计划起步到目前“十三五”的全面发展，爆破数据信息化趋势不可阻挡。目前已经有两个平台，一是中国铁道科学院建设的铁路建设管理平台，二是各条线路 (包括铁路、公路

18、、水利、城市地铁) 都必须构建的BIM平台，如张吉怀高铁等。给各个施工单位带来了极大的麻烦和挑战！ 2011 年5月，住房城乡建设部正式发布“十二五”建筑业信息化发展纲要，明确指出加快建筑信息模型 (BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用，以改进传统的生产方式和管理模式，提升企业的生产效率和管理水平。BIM将成为下一个十年 (2011年2020年)建筑业信息化发展最重要的关键词。 必须完成的任务：这些平台要求所有施工数据进入平台系统。如果完全这样做，施工单位基本上是无法做到数据全面准确的，一旦出现问题，就会追究他们的责任。 但要完成这个任务非常困难：要保证做好，则增加10多个技术人

19、员也完成不了这个任务，因为即使爆破专家，要做一个爆破设计也要一个上午甚至一天，现场等不了，何况还要收集数据传送到平台，爆破数据上平台人工操作非常困难。 谁受益？给我们带来的问题：更麻烦了！数据输入 什么是BIM ？ Building Information Modeling 建筑信息模型 总体如何做？ (1) 技术层面 创建大型数据库 + 数据库管理 (平台) 给每个使用单位预留接口，由上层统一管理 (2) 大型数据库创建与管理层面 应该由业主 如何牵头？ 顾问公司：数据库、平台、培训 (如数据标准) (3) 自动化与智能化是唯一出路或发展趋势！第二部分 土木工程施工技术发展新趋势(他山之石)

20、1、中外对比发展(1) 传统土木工程技术 美国已经完成 (例1：工程少公路已全面、东西铁路困难)，早就进入了高科技时代。 科罗拉多大峡谷(2014-9-4)例2：看“男人的最爱”? 纽约最著名的三座大桥。布鲁克林大桥威廉斯堡大桥曼哈顿大桥金门大桥另例1：地铁旧，建mall慢 (不加班)。另例2：美国东西线高铁建设困难！ 中国发展，实际已超越，但高科技较差。港珠澳大桥，49.968公里青岛海湾大桥，36.48公里杭州湾跨海大桥36公里琼州海峡跨海通道：隧道方案，全长28公里，投资额至多1500亿元人民币。 纽约小隧道渤海湾跨海大桥和隧道，2000 3000亿。另，京台高铁。例3：中国长沙建楼房。

21、中国速度惊呆美国人：湖南长沙19天建成57层高楼“小天城”。 (2) 土木工程交叉科学与技术 高科技 MIT 校园10号建筑物及其沉降曲线 该建筑在1915年建成后的10年中，一直以较大的速率沉降，并引起相当大的惊慌。Terzaghi于1925年首次到美国后，通过检查和分析，正确地预测出其沉降速率将逐渐减小。(3) 对科学技术的心态不同，差异非常大 2、今后发展方向 (自己的一点认识) 必须创新 (相当于第二次改革开放)创新才有出路，出高附加值的成果，“互联网 + ” 就是“互联网+各个传统行业”；互联网大会。第三部分 隧道开挖控制新理念与新模式 (问题的解决思路) 开发手持式(如iPad或微信)的隧道及地下工程光面爆破智能优化控制管理决策系统，对隧道及地下工程的地质构造环境、岩石性质等地质信息进行准确快速采集与分析。未来隧道开挖发展趋势 利用网络技术实现实时数据和信息的交流，对光面爆破过程中各参数与岩体是否匹配进行智能分析，在综合判断前期现场试验爆破过程是否合理的基础上，及时反馈分析并修正优化各