论隧道施工关键要素

隧道施工的关键要素中铁二十局集团公司吴应明2005年9月1、前言

隧道施工的终极目的是“贯通”，因此，不论采取何种方案都局限在“凿岩出碴、衬砌”这个范围内。故而，施工方案确定后，开挖、支护、通风、道路和衬砌等各工序工艺是否科学，直接影响到施工的安全、质量和经济效益。

2、隧道工程施工的关键要素2.1、开挖开挖是关键

开挖工作是隧道施工的第一流程，开挖工作的优越与否直接影响隧道施工的安全、质量和效益。提高光面爆破，可以减少对围岩的扰动，减少应力集中，有利于自然拱的形成，便于喷砼工艺，因此，隧道施工安全的关键是开挖。

良好的光面爆破可以减少超欠挖，这样减少了欠挖处理及超挖石碴的外运量，减少衬砌时砼的回填量，而且砼衬砌厚度均匀减少了应力集中。因此，开挖也是影响隧道衬砌工作的关键。之所以说开挖是关键，还在于开挖决定了隧道的初始几何尺寸，表明了隧道的贯通及误差，一旦开挖出了问题，其它后续工序也就失去了意义。从目前国际国内隧道施工的现状及以后的发展趋势看，掘进机与钻爆法将长期并存，我国掘进机事业开始于20世纪60年代，至今已走过了近40年的历程。回顾总结这段发展史，可分为四个阶段；1)、20世纪60年代为科研阶段，起步研制国产掘进机；2）、20世纪70年代，国产掘进机进行工业性实验；3）、20世纪80年代，引进国外二手掘进机用于国内施工；4）、20世纪90年代，引进国外最先进的掘进机和管理用于国内施工。在此，我们简单介绍TBM及盾构的工作原理：

2.1.1、TBM刀具的破岩机理

滚刀在刀盘上以一定的刀间距分布，掘进时刀盘在驱动装置的带动下匀速旋转，同时启动推进油缸使滚刀以一定的力作用在开挖面的岩面上。滚刀随刀盘的旋转在岩石磨檫作用下在开挖面滚动，当滚刀作用在岩石上的压力大于岩石的强度时，岩石被破坏剥落。岩石在滚刀正应力破坏的同时刀刃沿部分的岩石在应变时产生龟裂，刀盘进一步顶压，使得滚刀更加深入岩层，从而在岩层表面部分产生张力，导致龟裂向更深更远处进一步的增加，使相邻刀具作用轨迹之间的岩石剥落，从而实现TBM的开挖掘进（如图）。

从以上分析得出，在岩体完整均一的情况下，产生的岩碴有两种状态：一种是刀刃直接作用下破碎的粉状、砂状和粒状的岩石，其直径大多在5mm以下；一种是受刀具间接作用剪切拉伸破坏下的块状、片状的岩石。如果岩体节理发育或有大量原始裂缝，在滚刀作用下岩碴的状态会有很大的变化。

2.1.2、盾构的工作原理

现在较常用的盾构为组合盾构，其特点是自身能前进，不需要以衬砌环做后座，不用支配式的衬砌管片，可以用现浇的钢筋砼衬砌。它吸取了自进和任意组合灵活性好的优点，克除了体积大、推进较难等缺点。它的工作原理是：滑动护板宽约（坑道的横向）0.8～1.2m、长约（坑道的纵向）7m，与护板座组合成基本单元体，护板与护板座只能前后伸缩滑动，根据坑道的形状和大小的需要沿着坑道边界布置，护板座联成一个整体，组成为滑动护板自进盾构体。

它是通过每个滑动护板逐个前进而向前推进，当全部护板前进完毕后，再将护板座拉向前进，至此使整个滑动护板盾构体前进一个进程。在他的保护下前部可以挖土并将土运走，而掘进后的尾部空间，此时滑动护板的尾部又是一个外模板，可以在它的保护下绑扎钢筋、立内模和端模并浇注砼。机械掘进速度快、质量好，但成本高，对操作人员及地质条件要求高，但其发展前景广泛；目前在我国隧道施工中钻爆法仍占主导地位。在渝怀、宜万、内昆、云万、万开等绝大多数铁路和公路隧道施工中，均采用钻爆法开挖。2.1.3、钻爆法开挖隧道开挖关键是光面爆破的控制，光爆控制好，可以减少超欠挖，减少对岩体的扰动，减少砼回填，节约成本；光爆效果控制的好坏跟开挖方式、钻孔设备及爆破参数的设计等因素有关。针对不同地质及地质变化多和跨度变化大的特点，渝怀铁路开挖采取了多种施工方案，并根据地质变化适时改变开挖方案和各种参数。开挖Ⅳ、Ⅴ类（Ⅱ、Ⅲ级）围岩段采用全断面法，Ⅱ、Ⅲ类（Ⅳ、Ⅴ级）围岩段采用正台阶法，少数隧道采用中壁法开挖。中铁十二局在施工涪陵隧道过程中采用了小导洞压顶法开挖，即先在隧道下半断面施作小导洞（基本采用平导断面尺寸），小导洞超前大于10m，预留光爆层，周边一次性爆破，全断面光面爆破效果有很大的提高。

钻孔设备的选择对光面爆破的效果起重要作用，渝怀铁路隧道开挖绝大多数采用人工开挖的方式，因此，操作手的经验及熟练程度至关重要，中铁二十局在施工枳城隧道前对操作人员进行了岗前培训，操作人员在施钻时抓住了“准、平、齐、直”的要点，同时对风枪进行了适当改进，改造了部分风枪油壶的位置，减少了钻爆形成的台阶，拱顶和边墙光面爆破均达到了很高的水准。

爆破参数设计是光爆控制的重要环节，在综合考虑围岩状况、岩石整体性好坏、节理裂隙发育规律等多方面因素后，精确合理的设计爆破参数，降低工料消耗，提高光面爆破效果。

渝怀铁路个别隧道跨度大、截面变化多，中铁十六局施工的旗号岭隧道进口段352米大跨度，最大跨度20.04米。有12个变截面，而且大跨段部分地质条件极为复杂，挤压严重，围岩稳定性差，溶洞多，他们结合已有的的大跨度变截面施工经验，经过精确检算，将原设计的中壁法和双侧壁法开挖改为三台阶七步平行法开挖，仰拱超前、衬砌紧跟，大大加快了进度，安全、顺利地完成大跨段施工。2.1.4、开挖中应着重注意的问题

开挖中最重要的一点就是防塌。山岭隧道施工绝大部分采用传统的施工方法——钻爆法施工。钻爆法施工的山岭隧道由于受炸药爆破震动的影响，破坏了原有岩体内部受力平衡，当施工方法不当或支护不力时，围岩就会因失稳而发生坍塌。因此，采用钻爆发施工的山岭隧道如何防止坍方是确保隧道施工安全和工程质量的关键，也是获得良好效益和信誉的保证。

（1）、易发生坍方的地形和部位

在山区修建隧道（交通隧道，水工隧洞等），由于隧道穿越地区工程地质和水文地质的复杂多变，决定了山岭隧道的施工难度。下面列举容易发生塌方的地段和部位，以便遇到类似情况时能引起高度重视。

a.容易发生塌方的地段

埋深较浅地段：山岭隧道埋深在200米以下时，围岩由于受到地表水侵蚀，岩层风化严重，如施工不当易发生塌方。断层破碎带及断层影响带：因其围岩破碎，自稳能力差，并含有大量的填充物和地下水，如施工不当易发生塌方。岩层接触带：因其岩层不同，且大多伴有小构造，如重视不够可能会发生塌方。高应力地段：在软质围岩中，由于受到高地应力的影响，围岩变形较大，若支护不力极易发生坍方。在高水位富水地段：岩溶呈不规律性分布，随时遇到意想不到的溶洞，若防备不及，溶洞内的填充物涌出或坍塌，也会给工程造成不利的影响。

b.容易发生坍方的部位

隧道洞口：隧道洞口集埋深浅、石质较差、受力结构复杂等不利因素于一体，处理不当极易发生坍方。隧道拱脚：当采用半断面施工开挖下半断面时，若拱脚支护不力，极易造成坍方。隧道墙脚：当进行检底施工时，措施不当墙脚悬空时，致使边墙失稳而发生偏帮。隧道拱部：地质条件较差，拱部变形较大，支护强度不足时，易发生拱部坍塌。隧道与隧道的交叉部位，即主洞与支洞交叉的部位，也就是通常所说的交叉三角区，如果处理不当，支护不力，极易发生坍方。在水平岩层或近似水平岩层中，拱部易发生掉顶；在垂直岩层或近似垂直岩层中，边墙易发生偏帮。（2）、预防措施

在山岭隧道施工中，如果施工方法及支护手段使用不当，不仅不能加快施工进度，而且也不能保证工程质量和施工安全，易造成坍方。i、常用的施工方法如何选择安全、合理、实用的施工方法与围岩级别和隧道断面大小密切相关，如施工方法选择不当，就有可能在施工时造成坍方。各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况详见下表：

施工方法适用表

围岩级别

施工方法隧道断面全断面法

正台阶法

单侧壁导坑法

双侧壁导坑法

中导坑法

Ⅰ～Ⅱ

60m2以下

首选首选60m2～90m2

首选首选90m2以下

首选首选Ⅲ

60m2以下首选首选60m2～90m2首选首选90m2以下首选首选Ⅳ

60m2以下首选首选60m2～90m2可用首选可用90m2以下首选可用首选施工方法适用表

（续）围岩级别

施工方法隧道断面

全断面法

正台阶法

单侧壁导坑法

双侧壁导坑法

中导坑法

Ⅴ～Ⅵ60m2以下

首选附注：仅适用于有辅助导坑的隧道。60m2～90m2

首选可用90m2以下

首选简图其他施工方法

在山岭隧道施工中，也曾出现过其他一些施工方法，随着隧道施工技术和机械化程度的不断提高和完善，有些施工方法过于陈旧老化，难于满足施工安全的需求，且不利于施工速度和工程质量的提高，已在现代隧道施工中被逐步淘汰，如漏斗棚架法、半断面法、先拱后墙法、先墙后拱法。

ii、采用正确的支护手段

除了施工方法安全合理实用外，采用合理、经济的施工支护手段也是防止隧道坍方的关键。施工支护手段与围岩级别及隧道断面大小密切相关。在现代隧道施工中，普遍采用的施工支护手段有：喷混凝土、锚杆、钢支撑、超前锚杆、混凝土衬砌等。在隧道施工中，应根据实际工程地质及水文地质情况，选择经济、合理符合设计及规范要求、满足施工安全的支护措施。iii、采用超前地质预报及监控量测技术提供防坍信息

现代隧道施工中，利用先进的信息技术，及时反馈地质变化情况和支护受力变形情况，适时调整施工方法和支护手段，准备预防应急措施，避免坍方施工的发生，确保施工安全。在目前隧道施工中，一般采用超前地质预探探报技术、监控量测技术等手段预报隧道开挖前方工程地质和水文地质情况，监测支护结构受力变形情况，为设计变更及施工中采取相应的施工方法和支护手段提供依据。

前面我们就隧道施工中开挖的关键性及方法我们做了简单阐述，下面我们再介绍隧道施工的第二个要素——支护。

2.2、支护支护是保证支护是安全的保证。隧道支护应根据不同的围岩类别及地质状况进行施作，对洞口存在堆积体、滑坡体、浅埋及软弱地层等不良地质隧道，如中铁二十局施工羊角碛隧道采用了大管棚、小导管注浆超前支护，地表注浆加固及地面旋喷桩加固等措施。部分隧道洞口设置抗滑桩保证坡体的整体稳定，进洞后尽快施做洞门，确保进洞洞口安全；洞内软弱地层地段以锚、喷、网为主要支护手段，必要时加格栅钢架，强化支护措施，同时减少对岩体的扰动，抑制围岩过度松弛变形，确保洞内施工安全。

有效的支护是隧道快速推进的保证。现在的隧道施工中除了上述的支护方式外还有喷微纤维砼、喷细钢丝砼等支护方法，不论那种支护方法，在实施中必须按照要求认真施做。渝怀铁路白马二号隧道施工中遇到填充性溶洞，按要求采用小导管超前注浆及格栅钢架、喷砼联合支护的形式，但在施工过程中发现超前小导管未注浆、结果导致了坍方，造成了不必要的损失，也影响了施工进度；在随后的处理过程中，施工人员认真总结教训，严格按照技术要求施工，顺利通过了该区间。

笔者曾在成都西岭雪山隧道施工中遇到同样的问题：该隧道的支护以格栅钢架、喷砼为主，辅以少量的锚杆。由于种种原因，隧道进口停工近九个月，重新开工后发现原有的喷砼表面有裂缝（30米左右，无格栅钢架），施工人员进行补喷后即开始正常掘进。但由于喷砼支护无法抑制围岩的变动，而导致了大的坍方和亡人事故。如果开工后及时架设格栅钢架，则这次事故完全可以避免。综上所述，支护是隧道施工安全、进度的保证，必须高度重视。

2.3、通风

通风创效益长大隧道的通风问题一直是影响隧道施工进度的一大因素，因为每次通风时间越长，循环时间就相应加长，而且长时间的通风消耗的电量也是一笔不小的开支。因此，科学的解决好通风问题，不仅可以降低能耗，创造良好的施工环境，而且可以提高施工进度，降低机械设备的损耗，从而创造整体经济效益和社会效益。在长大隧道的施工方案确定上，通风问题历来是重中之重，是施工单位高度重视的课题。目前隧道通风主要有以下几种形式

2.3.1、独头通风

独头通风方式是目前采用的主要通风方式，又可分为压出式通风和压入式通风。（1）、压出式通风（抽出式）“引大入秦”8#引水洞全长4000余米，单口长2000余米，无平导。当时采用1米直径的硬质通风管，通风设备采用2×55km的日产通风机，通风机安装在洞口，爆破后废气从通风管抽出洞外，新鲜空气流经全洞，效果很理想，通风时间由原来的（软质通风管∮1000）的210分钟缩短到30分钟，不论从施工进度或经济效益方面都取得了满意的效果，仅因通风时间的缩短而节约的电费再加上软质通风管的费用即可满足购置硬质通风管，当然硬质通风管也有其不便之处，那就是制作及安装较困难。

（2）、压入式通风压入式通风也是隧道施工中常用的方式，其优点是掌子面空气新鲜，有利于施工人员工作，其关键是计算通风量及风管、设备等，现以渝怀铁路枳城隧道为例简要介绍其计算方法：

通风标准：

最低风速：大于0.25米/秒氧气含量：按体积不小于20%一氧化碳最高允许浓度：30mg/m3二氧化碳：按体积不小于1.5%氮氧化物：（换算成NO2）为5mg/m3以下粉尘最高允许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg洞内气温：小于28℃通风方式采用管道压入式通风作为主要通风方式，即在洞口安装通风机，通过风管向洞内工作面压入新鲜风流，污风从隧道排出洞外。风量计算按以下三方面因素考虑，取最大值。

1、按洞内同一时间内最多人数计算Q=3km(m3/min)式中3——每人每分钟所需新鲜空气(m3/min)k­­——风量备用系数，取1.1～1.25；

m——同一时间洞内最多人数，取100。计算得Q=360m3/min。2、按稀释和排除炮烟所需风量：

Q=7.5/t×A×(SL)2

式中t——放炮后吹散炮烟所需时间，取30分钟；A——全断面爆破炸药量，取227kg（按一次爆破最大用药量考虑）；S——隧道开挖净断面，取52m2； L——掘进隧道的独头部分长度，取300米。计算得Q=770m3/min。

3、按隧道允许最低风速所需风量：Q=60V小S式中V小——隧道允许最低风速，取0.25m/s；S——隧道开挖净断面，取52m2；计算得Q=780m3/min。取最大值Q=780m3/min。考虑风阻和漏风因素，洞内风量应取大于1000m3/min。

设备配置

选用天津通风机厂生产的TZ——100型子午加速式轴流通风机，配以∮1200软质风管向洞内压风。该型风机功率为55kw，全压2400pa，流量可达1050m3/min。采用∮1200软质双抗（抗燃烧、抗静电）风管，每节20米。我局曾在多座隧道使用，具有风阻小、漏风低，强度高等优点。通风操作要求

为减少风阻，风管接头要密封，吊挂要平直，避免出现褶皱。在施工中要及时接长风管，风管末端距工作面距离不应超过15米。在衬砌台车上设置∮1400的刚性圈，风管从中穿过，在台车移动时便于风管调整理顺。

2.3.2、巷道通风

利用平行导坑作主要回风道。巷道式通风的最大优点是在最短的时间内使正洞空气清新，采用这种方式通风应注意以下两个问题：（1）横通道应随导坑的前进及时封闭，一般保留不超过三个。（2）平行导坑口应设两道风门，横通道设一道风门，风门应保持密封，尽量做到不漏风。渝怀铁路枳城隧道出口采用巷道式通风，效果比较理想。2.4、道路

道路造环境渝怀铁路隧道仰拱和铺底施工采取了超前施做的原则。仰拱和铺底超前较好地防止围岩过度松弛变形，对保证施工安全、消除安全隐患起到重要作用，同时极大地改善了洞内环境，提高了洞内文明施工程度。我公司在施工隧道仰拱和铺底时，铺设10～12米跳板过渡，既保证了仰拱和铺底的施工质量，又不影响洞内其它工序施工。仰拱和铺底超前是值得推广的施工方案，关键是采取合适的方案避开与其它工序的干扰。

2.5、衬砌

衬砌树形象。衬砌是工程