国外长隧道的设计施工概况.ppt

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1、2023/3/2,1,隧道工程设计/施工要点,最近我国的隧道工程有了新的发展，一些工程具有开创意义，如我国第一条海底隧道厦门东通道工程，即将启动，目前已经设计阶段。武汉越江工程用盾构法修建的公路隧道，也进入招标阶段。四条长17.5km的锦屏输水隧洞也处于施工的前期。这些隧道的修建，无疑地将大大提高我国修建隧道工程技术的水平。下面我想结合这些工程，谈隧道设计、施工的要点。,2023/3/2,2,国外长隧道的设计施工概况,2023/3/2,3,一 横断阿尔卑斯山脉的隧道工程,2023/3/2,4,2023/3/2,5,横断阿尔卑斯山脉的隧道，目前铁路隧道有8座，公路隧道有7座，共15座。从西边看，

2、通过法国和意大利边境的有一座铁路隧道，2座公路隧道。铁道是130年前修建的莫思尼隧道，长13.657km。到1994年铁道运量旅客达620万人，货物运量达940万吨。从环境上的考虑，今后高速公路用的隧道很难发展,由于高速旅客列车（TGV）再加上可搭载货物卡车的列车的出现，铁路隧道的建设将成为主流。预计修建的称为阿尔卑斯隧道，长度达52km，法国和意大利已经成立机构，开始大规模的调查。预计2006年开工，2015年开通。此隧道比130年前修建的铁路隧道低500m。在瑞士和意大利的边境西边有一座公路隧道，中部是约100年前修建的长19.823km的辛普伦铁路隧道。目前正在规划在其下方修建长36km

3、的新辛普伦隧道。,2023/3/2,6,在瑞士国内，20世纪初开始在列其堡和圣哥达峰下方修建铁路隧道，其中铁路隧道2座，公路隧道1座。并规划在低位分别修建长达5030km的隧道。在澳大利亚境内穿越阿尔卑斯东部有2座铁路隧道，3座公路隧道，并规划在朴林纳峰下修建55km的铁路隧道。从这些隧道的修建可以看到，铁路隧道在19世纪末20世纪初的50年间修建了6座，其后的70年间一座也没修。而公路隧道是从20世纪后半（19641980）的16年间修建了7座。其后的20年也没有新的规划。由于环境的要求，增加的汽车逐渐向利用铁道的方向转移。因此，铁路隧道从1980年以后由开始兴起，预计的几十公里长的隧道有的

4、已经进入实施阶段。这些隧道几乎都是以采用大断面掘进机（TBM）为前提的。,2023/3/2,7,1新圣哥达隧道（瑞士）57km 铁路隧道作为铁道王国的瑞士，提出了铁道改良计划“铁道2000”和以长隧道为主体的“新阿尔卑斯横断铁道计划（NEAT）”向21世纪的经济增长和环境保护挑战。“铁道2000”是强化瑞士东西干线的计划，“NEAT”是用长隧道南北贯穿阿尔卑斯山的计划。实际上，意大利和瑞士在1882年就兴建了圣哥达隧道（14.998km）。但随着南北货运量的大幅度增加，欧洲共同体强烈要求采用铁道方式把增加的货运量运出去。再加上1999年的勃郎峰公路隧道的火灾事故，促使了“NEAT”计划的实施。

5、NEAT计划中的隧道有东部线的Zimmerberg（19.7km）、Gotthard（57km）和Ceneri等3座隧道，其中包括正在修建的长57km的新圣哥达隧道（比老圣哥达隧道标高降低600m）（图2）。西部线有长36km的Lotschberg（列奇堡）隧道。东西线的3座隧道全部完成后，目前运行的特快列车从3小时40分钟缩短到1小时30分钟。目前这几座隧道，作为第1期工程的Lotschberg（列奇堡）隧道和圣哥达隧道已开始施工。,2023/3/2,8,2023/3/2,9,Gotthard Base隧道是穿越阿尔卑斯山的长达57km的隧道工程，是由能够相互换乘的2条单线隧道构成。其中设置

6、了2座紧急用的多功能的地下站。紧急时，列车可以停在站上，其他隧道和竖井可以作为通道使用（图3）。隧道经过对施工计划、设施的维修管理、安全性、建设营运经费及建设期间和经费的相互关系分析，决定设置2座相互距离40m的单线隧道，每隔325m用联络坑道联络。因隧道长度达57km，为了缩短工期采取了在中间能够设置辅助坑道的线形（图6）。,2023/3/2,10,2023/3/2,11,中间作业坑道根据地质条件和各工区的尽量同等负担的原则设置了3个（2斜1竖）。阿姆斯特斜坡道长1.8km，坡度1.1%。Sedrum竖井深800m，直径8.0m。法伊斯斜坡道长2.7km，坡度12%。竖井也作为开挖的作业基地

7、使用。Sedrum工区的竖井，已经于2000年1月完成。隧道的标准断面是以TBM掘进为前提的采用了41.6m2的圆形断面（图5）。,2023/3/2,12,2023/3/2,13,隧道采用喷混凝土和金属网、锚杆，必要时设置钢支撑和防水板的双层衬砌。基本上是以单层衬砌为主体的。TBM 预计掘进42km。全长57km中的53km是良好的3种片麻岩，埋深在1000m以上的地段约20km，2000m以上的约5km，最大埋深达2300m。Sedrum工区的围岩主要是片麻岩、片岩、页岩，最大埋深约2300m。隧道开挖时可能遇到膨胀现象的地段达6km，从竖井向南北两侧开挖为了研究这一地段的施工方法进行了由3

8、6个空隙水压计控制的排水和非排水实验。并参考了意大利、日本、澳大利亚、土耳其、瑞士等国家的17个事例，最后决定采用能够采用各种大型施工机械的大断面施工，开挖时容许一定变形以减轻支护和衬砌上的地压。此工区的围岩的物性值为：E=2GPa、=30、C=250kPa。,2023/3/2,14,设定的隧道开挖规格列于表1。表1 隧道开挖规格,2023/3/2,15,2列奇堡隧道长36km“新阿尔卑斯横断铁道计划（NEAT）”的西部线的列奇堡隧道长36km，于2000年已经开工修建，预计在2007年完成。根据深达1300m的大深度钻孔和9437m的地质调查用的隧道开挖及土质试验等的地质调查结果，没有发现妨

9、碍快速施工的地质风险。此调查坑道是在主洞西侧30m，用直径5mTBM掘进的。平均日进19.5m，最大日进44.3m。比预计的提前2年完成。调查隧道的仰拱设置了兼用排水沟的管片。调查隧道将作为主洞的服务坑道和避难坑道利用（图1）。仰拱管片是用钢纤维混凝土制作的。在最初的160m区间设置了100榀实验管片，对其性能进行试验。一榀管片重量约6t，钢纤维混入量约40kg/m3。,2023/3/2,16,2023/3/2,17,3阿尔卑斯隧道（图1）阿尔卑斯隧道是由2个相距30m，内径8m，净空断面积43m2单线隧道构成。采用TBM 施工。单线间每隔400m设一联络坑道，作为旅客火灾避难之用（图2）。图

10、1隧道位置图,2023/3/2,18,图2 隧道断面及联络通道,2023/3/2,19,隧道在标高3500m的西阿尔卑斯山穿越，长52.11km。最大埋深2500m（图3）除从2洞口施工外还设置了4个辅助坑道。在隧道中央附近埋深最小处（约400m）设了一个车站（图4）。此站不是处理旅客的，而是设置紧急时的旅客避难救援设备、通风排烟设备、货物列车待避线、渡线、维修列车停置线等之用。图3隧道纵断面图,2023/3/2,20,图4隧道内设站状况图,2023/3/2,21,隧道施工时的辅助坑道也作为旅客避难救援、通风排烟之用。该隧道通过航空及卫星摄影、弹性波探察、钻孔调查等编制了详细的地质纵断面图，特

11、别是实施了超过1500m的钻孔测定了地下水位和围岩内的温度。图5是该隧道的地质纵断面图。,2023/3/2,22,2023/3/2,23,地质大致分为7个地段从法国侧洞口到4km附近是砂页岩互层，其上分布冰河堆积物和岩堆。接着的3km是比较复杂的不良的石灰岩类，其次的15km是比较稳定的砂岩、粘板岩。在车站附近是比较复杂的结晶片岩，也比较稳定。车站东侧是石灰质片岩因与河流交差，在施工上是比较困难的地段。在法、意边境的16km范围内是良好的片麻岩，但埋深超过2000m，有可能出现岩爆和高压的突发涌水。该地域的岩石强度超过200MPa是比较硬的，特别是结晶片岩的石英质岩非常硬。在6,5km附近和3

12、0km处有较大的断层构造，形成石膏层。此石膏层遇水膨胀，同时使河水污染。从钻孔得知，在隧道底版附近的温度可能达50。目前工程正在进行详细的导致调查并开始修建辅助坑道，预计2006年主洞开工2015年开通。到2000年地质调查费用已投入约1亿3000万欧元（ECU）。隧道的建设费包括轨道、电气、其他设备等约2200亿里拉。,2023/3/2,24,4Zimmerberg隧道（瑞士）长19.7km这是一座长19.7km 内径10.84m的双线铁路隧道。从隧道北口向南进8.5km和 分岔到Thalwil的2.3km合计10.8km是Bahn2000工程的一部分。残余的11.2km是Alp Trans

13、it工程的一部分（图1）。图1 隧道线路,2023/3/2,25,隧道的标准断面示于图2。图2隧道标准断面,2023/3/2,26,该隧道的作业基地设在距北口3.5km处，设了2个相距75m的竖井。从2个竖井分别向北掘进2,7km，向南掘进5.7km。该隧道总共设了5个竖井，参见图1。隧道通过的地质条件是：南工区主要是石灰质青砂岩，单轴抗压强度在300800，是比较稳定的围岩。北工区距竖井约2km间是冰河堆积物，从Koller Wiese中间竖井到北口的约0.7km是含有地下水脉的软弱地层。南北工区的开挖都是采用德国的TBM。由于围岩条件的不同，机械和管片的规格也略有不同（表1）。,2023/

14、3/2,27,表1 TBM和衬砌概况,2023/3/2,28,施工基地因空间比较大，设了2个竖井以容纳各种设施。主要设施有：（1）竖井南竖井：直径22m，深度32m；北竖井：直径20m，深度30m；竖井间距离：75m是装配TBM和材料运输所要求的距离。（2）竖井塔式吊机高度19m。臂长50.5m，起吊能力4019.5t。（3）管片制造工厂钢筋加工出厂，蒸汽养护室等。（4）混凝土拌合站（5）混凝土制品堆放场（6）开挖弃土处理设施（7）铁道货物线：运送开挖弃土（8）信息及展示室：公开的展示模型以及信息处理等。施工由7个会社组成的共同企业体联合运营。作业时间是8小时2班制。地质条件比较好的南工区TB

15、M的掘进进尺约2534m/d。隧道洞内，照明充分，并设有直径2000mm的通风管，粉尘少，作业环境好。开挖弃土用皮带运输机集中到集碴场，而后用货物列车运出，每天约运出12000t。运到瑞士和德国边境附近，再生碎石后加以利用。,2023/3/2,29,二日本新干线的隧道工程,2023/3/2,30,日本新干线的修建把日本的隧道技术水平提高到一个新的起点。其中一个重要标志，就是长隧道的涌现。例如日本的东北新干线在盛岗八户间约94.5km的线路上，有70%左右（约69km）是隧道。其中 岩手隧道是长25.8km的长隧道。在东北新干线的八户新青森间的81.2km的线路上，隧道约占60%（49.89km

16、）。其中八甲田隧道长26.455km，比岩手隧道（25.8km）略长一些。2000年3月所有工区都陆续开工。北陆新干线的长野上越间隧道约占65%，其中饭山隧道长22.2km，是目前施工难度比较大的一座长隧道。长野高琦间的五里峰隧道长15.2km也政治施工中。另一个特点就是，在新干线隧道工程中采用了不少新技术，新工艺、新材料。,2023/3/2,31,1岩手隧道（日本）25.8km 日本的东北新干线在盛岗八户间约97km的线路上，有70%左右（约69km）是隧道。其中 岩手隧道是长25.8km的长隧道。岩手隧道分7个工区，1991年一户工区开工，到1997年3月乌越工区开工后，所有的工区都开工了

17、（图1）。到1998年3月已经有乌越、一户、女鹿和小系4个工区约11.3km贯通。目前全隧道已经贯通。,岩手隧道的地质大体上分3段：距入口约17km是粘板岩，间有花岗闪绿岩等，中间段约5km的凝灰岩，是膨胀性围岩。隧道出口约4km是粘板岩，出口有很厚的岩堆分布。其中位于中间地段的女鹿工区，是凝灰岩质的软岩（埋深230m），采用机械开挖和钢纤维混凝土二次衬砌。,2023/3/2,32,2023/3/2,33,2 八甲田隧道（日本）26.455km 在东北新干线的八户新青森间的81.2km的线路上，隧道约占60%（49.89km）。其中八甲田隧道长26.455km，比岩手隧道（25.8km）略长一

18、些。该隧道分6个工区于1998年7月开工。2000年3月所有工区都陆续开工（图1）。隧道的线路大致是东西方向，隧道入口附近及中间部是R=8000m的曲线区间。隧道的纵断面考虑排水、工区划分、中间部的基地等，采用人字坡，坡度为1%。隧道开挖在2洞口工区，是直接从洞口进洞。中间的4个工区都是采用斜坡道进洞。斜坡道考虑汽车出碴，最大坡度取10%，大约每100m设一扩大断面和24m的错车设备（坡度3%）4个斜坡道的长度分别为718m、740m、1330m和985m。考虑排水，逆坡的开挖长度控制在000m以内。本隧道的地质主要是安山岩，有一部分凝灰岩。,2023/3/2,34,2023/3/2,35,斜

19、坡道的标准支护模式示于图2。图2斜坡道断面图,2023/3/2,36,主洞的标准支护结构示于图3。图3主洞标准断面图,2023/3/2,37,目前6个工区已经全面开工。在施工中采用了一些新技术如在市渡工区洞口附近140m采用明挖施工，进洞后采用短台阶法机械开挖。出碴采用在掌子面后方临时设置容器，弃碴处理作业完成后，把临时装在容器的弃碴投入到锟式碎石机破碎，在用皮带运输机运出洞外。（照片1、2）。采用此工法可以大幅度地削减卡车的走行，不仅提高了出碴的效率，也改善了洞内的环境和劳动卫生的条件。,2023/3/2,38,2023/3/2,39,大坪工区的局部地段采用了单臂掘进机（照片4）后因围岩变硬

20、而改为爆破法。梨木工区有一段约300m的富水未固结层，施工中采用深度超过150m的深井点降水，无事通过。照片4单臂掘进机概貌,2023/3/2,40,3日本饭山隧道长22.2km日本北陆隧道仅次于东北新干线的八甲田隧道（26.5km）和岩手隧道（25.8km），是日本第3长的陆上隧道。饭山隧道在规划时，预计到会遇到强大的膨胀性土压。因此施工前开挖了9个调查坑道进行了许多调查。9个调查坑道的概况列于表1。,2023/3/2,41,表1,主要用于调查膨胀性围岩的隧道中可能呈露的部位。,2023/3/2,42,饭山隧道的地质纵断面图示于图1。图1隧道地质纵断面图,2023/3/2,43,饭山隧道周边

21、的围岩主要是新第三纪末期到第四积的脆弱的堆积软弱围岩，是瓦斯、天然气的胚胎，因此围岩的塑性变形和天然气造成的围岩挤出是隧道施工上最大的难题。为此，在各工区相继开工后又进行追加调查。追加调查的目的是：掌握围岩的强度；进行钻孔调查，划分地层，进行单轴抗压强度试验并分类；掌握向斜轴附近和饭食河附近的单轴构造；进行约10km的地表勘察；掌握地质沿深度的变化及综合评价；在隧道线路上进行高精度的弹性波探查。从单轴抗压强度的调查结果，对地层进行了重新分类。并把西山层、椎谷层从强度上分为扰乱带和非扰乱带。两者在强度上差异显著（图2、3）。,2023/3/2,44,2023/3/2,45,地表勘察的调查结果明确

22、了中栗向斜轴附近的地质构造（图4）,2023/3/2,46,饭食河周边的地质构造（图5）。,2023/3/2,47,弹性波探查采用新开发的高精度屈折法，在隧道线路上进行探查和再分析。解析结果的弹性波速度是指隧道施工基面位置的值（图6）。结果表明：向斜轴附近的灰抓层的速度值大致在2.53.0km/s左右，160.7km处的速度值为2.42.5km/s，与周围比较低一些。,2023/3/2,48,从地质调查结果进一步研究了对施工的可能影响。例如，对预计是扰乱带的区间，将围岩等级根据围岩物性值和埋深分出一个特s级。此区间的单轴抗压强度：泥岩场合的平均值为32kg/cm2，砂岩场合的平均值为1350k

23、g/cm2，围岩强度比小于2。因此开挖时要采取对策。在调查结果的分析中，与类似的工程（锅立山隧道、赤仓隧道）的数据进行了比较。如单轴抗压强度（图10）、自然含水比（图11）、盐基性交换容量（图12）、粒径2m以下的含有率（图13）等的比较。,2023/3/2,49,2023/3/2,50,比较综合结果列于表3。表3围岩物性值和膨胀性水平,2023/3/2,51,另外，用弹塑性解析结果和净空位移量测值进行了比较，其结果示于图15。图15解析结果和净空位移的比较,2023/3/2,52,4日本的清水、新清水、大清水的时代建筑上越线的清水、新清水、大清水隧道在日本铁路隧道的发展中占据重要的地位。清水

24、隧道（长9072m，单线）的建成（1929年12月）基本上解除了运输的瓶径，缩短线路约98km，运输时间缩短4小时。1958年随着日本经济的高速发展，为了增强运输能力，开始修建新清水隧道（长13.49 km，单线），采用全断面钻孔台车，于1963年8月开通。大清水隧道（长22.22km，新干线断面），在当时是世界上最长的隧道。工程于1972年6月开工，引进大型台车，分为6个工区，从竖井、斜井、横洞等同时开工，于1980年5月完成。与新清水比，工期缩短1/3，工程费节省1/6。,2023/3/2,53,3座隧道的位置比较示于图1。1,2023/3/2,54,大清水隧道的纵断面示于图2。图2大清水

25、隧道的纵断面图,2023/3/2,55,完成后的大清水隧道内部概貌示于图3。图3大清水隧道的内部概貌,2023/3/2,56,3座隧道的施工概况列于表3。表3 清水隧道的施工概况,2023/3/2,57,三 意大利高速铁道（BolognaFirenze间）,2023/3/2,58,欧洲共同体的实现，各国间的联络交通网的整备是不可缺少的要素。为此各国都在进行高速铁道网的整备。基本方针是：各国的高速铁道要跨越国境相互接续。意大利正在实施以300km/h为目标的长期计划其中包括南北线的建设。从BolognaFirenze间是隧道比较集中的地段，因为要穿越阿平宁山脉。在78.2km的线路上，有超过总延

26、长85km的隧道。其中73km是正线隧道，另外12km是为实施工程的辅助隧道。长隧道有15.07km的Firenzuola隧道和长18.346km的Vaglia隧道以及长10.367km的Raticosa隧道。隧道主洞的开挖断面积是120m2，横洞是70m2，主洞完成后的断面是82m2。线路最小曲线半径是5540m，最大坡度是1.8%。在这段线路的隧道中最主要的问题是：有膨胀性围岩出现；有广泛分布的瓦斯地层；未固结的围岩等。因此，稳定掌子面是修建成功的关键。施工中要采用注浆的预衬砌工法，压注化学浆液法以及超前支护等辅助工法。,2023/3/2,59,为了正确地掌握掌子面变形的影响，开发了ADE

27、CO-RS系统。并把它作为隧道新的设计施工方法。其基本概念如下。量测隧道开挖掌子面前方40m间的围岩动态，一边预测开挖引起的隧道位移，一边进行管理；补强相当与隧道宽度（D）的周边的围岩，而后进行开挖为前提；隧道前方40m，是作为地层没有位移的固定点进行量测；隧道原则上采用全断面法施工；配合预测的隧道围岩分级，决定施工模式，一边施工一边进行量测管理，根据管理值一边评价围岩，一边进行开挖；基本上以事前决定的施工模式，签定合同，以降低工程费用；根据最近的施工事例，修正施工模式并标准化。,2023/3/2,60,在隧道中采用的各种稳定掌子面的工法如图1所示。,2023/3/2,61,2023/3/2,

28、62,图1各种掌子面稳定的施工方法隧道施工中最重要的是量测管理。本系统的量测是在掌子面前方设置孔内位移计进行量测。孔内位移计的测定是在掌子面向开挖方法钻40m长的钻孔，在孔中插入带有量测标记的PVC套管（67mm）在其周边压浆固定。移动带有探头的导管，量测开挖时的位移并进行评价（图2）。,2023/3/2,63,2023/3/2,64,Raticosa隧道的地质图及围岩分级、长度如图3所示。,2023/3/2,65,C2级围岩的施工顺序及断面图示于图4。图4 施工顺序及断面图,2023/3/2,66,图5是超前支护采用的专用机械。开挖10m需96小时，相当每天进尺0.9m。最高达1.25m。图

29、5超前支护的钻机,2023/3/2,67,采用的预衬砌例示于图6。图6预衬砌法概貌,2023/3/2,68,四 Laerdal隧道（挪威）24.5km 特长公路隧道,2023/3/2,69,目前已经贯通（2000年8月24日），历时6年。建设费约172亿日圆。换算人民币约13.76亿元。隧道的开挖是通过一个横洞（长2.1km）把隧道分为各长13.5km 和11.0km的2个工区。地质条件是片麻岩，涌水小的良好围岩。最大埋深1450m，约20km 长的地段的埋深在800m以上。开挖断面积：64.4m2，开挖半径：4.85m。隧道坡度：0.72.7%。图1是隧道地质纵断面图。,2023/3/2,7

30、0,2023/3/2,71,图2是隧道的标准断面。图2 隧道标准断面,2023/3/2,72,采用爆破开挖，一次掘进长度5.0m，一循环时间约6小时，日进1015m。开挖采用2班制，配备3个开挖班，工作3周，休息1周。爆破采用直眼掏槽，4个中孔（直径110mm）全断面钻100个炮眼（图3）。炸药消耗量为2.22.3kg/m3。钻孔采用计算机控制的台车。为控制超挖，在合同规定超挖为设计断面的10%。,2023/3/2,73,2023/3/2,74,支护采用2.55.0m的锚杆和纤维喷混凝土。不设二次衬砌（图4）。锚杆平均设7根/m。共施设20000根锚杆。锚杆的垫板采用三角形和圆形并用的垫板。喷

31、混凝土的设计强度采用400kgf/cm2，钢纤维的混入量为50kg/m3。同时在喷混凝土中加入了硅灰。回弹量为5%，采用液体速凝剂。出碴采用6m3的装碴机和20m3的大型卡车。配合进度在掌子面后方500m铺设路面，以提高运行的效率和安全。在出现岩爆地段采用爆破后用高压水冲洗浮石。而后打锚杆（L=5m）和喷混凝土。,2023/3/2,75,为了不使运行单调，采用缓和曲线和短直线相结合的线形配置能够通视1000m 前方的光源。在洞内设置3处大型车辆能够回转的场所通风：在隧道顶部设置风机，安装能够改变后方气流的装置，在隧道最高的地点设置集尘机（距出口10km）。为了长隧道的施工安全，在隧道内设置了以

32、下设备。每200m设紧急用电话；每125m设消防用的灭火剂（6kg/个）；每1.5km设掉头区，每6km设大型车掉头区；每500m设避难所；无线广播；在隧道可利用携带电话的设备等。,2023/3/2,76,五 几点认识,2023/3/2,77,1在经济发展的今天，由于环境保护意识的增强，高速铁路进入一个新的发展时期。由于新的铁路干线的修筑是以高速为前提的，这必然会出现大量的隧道群，其中超过十公里或几十公里的长隧道也必然出现。这些隧道共同的特征是：长；断面变化多；埋深大；地质条件变化多。因此对隧道的设计、施工包括运营管理都提出了不同的目标要求。修建这些隧道的目标要求可以归纳为：品质，要具有良好的

33、耐久性、易于维修管理；不能对周边环境造成长期的影响；创造一个安全、舒适的作业环境；工期短、造价低。隧道的设计施工技术应该满足这些起码的目标。,2023/3/2,78,2长隧道的修建，必然会遇到各种各样的问题。尤其是地质和水文地质问题。因此，重视和加强施工前的地质调查也是必然的。我们从秦岭长隧道的修建起，也对此给予了极大关注。但我们采用的调查手段和方法与国外有所差异。例如，国外基本上是以地质调查坑道或大深度钻孔调查等直接方法为基础的；我们则是以各种物探的间接方法为基础的。基本上没有采用调查坑道的方法。国内水电系统，例如锦屏水工隧洞就是以调查坑道为主要的调查方法；其次调查结果的分析不仅仅是分析获得

34、的各种情报数据，更重要的是，要与类似工程的数据进行对比分析，就象日本饭山隧道、八甲山隧道那样。在地质调查中，应该发展物探方法，特别是要开发掌握地层构造的3维技术和掌握高精度的地层物性技术。因为这是设计的基础资料。,2023/3/2,79,3隧道的开挖，TBM方法占据主导地位，但也不排除矿山法。特别是在地质不良的地段，各种辅助工法都是建立在矿山法的基础之上的。因此，发展各种稳定掌子面的辅助工法并使之模式化是极为重要的。例如前面提到的预衬砌方法、超前支护方法等。日本、意大利在这方面都做了极有成效的工作。把超前支护纳入预设计作为设计项目之一，是近几年隧道支护技术发展的一个重要标志。“超前支护”一词，

35、是指开挖前预先构筑的支护体系而言，即我们通常所谓的“先支后挖”的支护技术。根据不同的形状、不同的材料、不同的施工方法，可以在极为广泛的范围内采用。因此，超前支护在此处是指矿山法中以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结构体而言。即：不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果的支护。超前支护，因在掌子面前方构筑的薄壳结构，在提高掌子面稳定的同时，也可以作为支护结构的一部分加以利用，适用于以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目的的场合。,2023/3/2,80,超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形构造为主，有的是以纵向连续性强的梁构造为主，也有具有两者功能的

36、。其分类列于表4-6-。表4-6-超前支护方法分类,2023/3/2,81,（1）混凝土拱壳方式混凝土拱壳方式是开挖前沿掌子面的隧道外周开挖厚约的拱形槽，开挖后立即用混凝土或砂浆充填，形成一个拱形的壳体。此方式因在隧道横断方向形成连续的刚性大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用。土砂等强度极低的场合；埋深浅，需控制地表下沉的场合；近接重要结构物会受到开挖影响的场合。,2023/3/2,82,化的设计参数。1）混凝土拱壳超前支护方式混凝土拱壳超前支护方式可用厚约混凝土壳或砂浆壳，比较柔软的拱壳，也可以用厚约的比较刚性大的拱壳。柔软的拱壳主要用于稳定掌子面，刚性大的拱壳用于控制地表下沉。其标

37、准参数如下。超前支护厚度：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.纵断方向充填长度：.搭接长度：.超前残余长度：.（.）铁道和公路隧道的横断面的标准模式和纵向的标准模式示于图4-6-1。图4-6-1设计断面,2023/3/2,83,2023/3/2,84,（2）水平喷射注浆方式此方式是在开挖前于掌子面前方的隧道外周形成长约左右的管状拱形结构体。结构体的形成，是与钻孔的同时用高压喷射搅拌硬化材（水泥砂浆）形成的。可以形成一个沿隧道横向的拱形连续的结构。但与混凝土拱壳方式比，连续体差一些。,2）水平喷射注浆方式其标准断面如下：喷射改良体直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.

38、（）纵断方向改良长度：搭接长度：.超前残余长度：.（.）设置间距：（）标准设计断面示于图4-6-2。,2023/3/2,85,2023/3/2,86,（3）长钢管注浆方式此方式，是开挖前在掌子面前方沿隧道外周配置长的钢管，形成拱形结构。为使钢管和围岩间形成一体，应在其间充填水泥浆；压注水泥浆和其他压注材。,长钢管压浆方式标准断面如下：钢管直径：设置范围：（）设置角度：（）纵断方向钻孔长度：.（）纵断方向注浆长度：（m）搭接长度：.超前残余长度：.（.）设置间距：（）标准设计断面示于图4-6-3。,2023/3/2,87,2023/3/2,88,4在支护技术上，除日本外，基本上是采用单层衬砌技术

39、。单层衬砌技术的发展与喷射技术、纤维混凝土技术的发展息息相关。各国都在单层衬砌的模式、设计理论和方法以及施工工艺、材料等方面进行研究和实践。例如德国就提出了单层衬砌的标准化的模式。这里所谓的单层衬砌是一个力学概念的反映。即：不设隔离层衬砌的总称。其力学动态是一体的。由于技术的发展，这种类型的衬砌可以是单层的，也可以是多层的，可以是模筑混凝土的，也可以是喷混凝土的和纤维混凝土的。其组合形态是多种多样的。,过去有一个误解。认为单层衬砌只能用于坚硬围岩的隧道。实际上，我国和欧洲的经验都证实：在软弱破碎的围岩中，其应用前景更为广泛。为了总结这方面的经验，德国1995年提出了单层衬砌结构的技术规定。日本

40、也在“钢纤维混凝土设计施工手册”对在隧道工程中采用单层衬砌作了具体规定。法国也有类似的指南。总之，最近几年大家对单层衬砌技术给予了特别的关注，是不言而喻的。铁路隧道在近几年也开始了用喷混凝土和钢纤维喷混凝土做单层衬砌进行了试验研究，也取得了一定的成果。,2023/3/2,89,德国建议的单层衬砌的构造形式示于表6-3-2。表6-3-2 单层衬砌的构造形式,2023/3/2,90,2023/3/2,91,在瑞士费拉纳隧道的第2工区，采用了3层的合成构造，其规格列于表6-3-4。表6-3-4费拉纳隧道的单层衬砌规格,从表6-3-4可以看出，单层衬砌对喷混凝土性能的要求是比较严格的。,2023/3/

41、2,92,日本在单层衬砌方面也进行了大量研究和实践。并以双车道公路隧道为对象提出了单层衬砌的基本参数（表）。表 双车道公路隧道的单层衬砌,2023/3/2,93,瑞典的双车道隧道的单层衬砌一例示于图。图瑞典单层衬砌例,2023/3/2,94,5在出碴技术上也有了重大的转变。例如，在日本八甲田隧道，出碴采用在掌子面后方临时设置容器，弃碴处理作业完成后，把临时装在容器的弃碴投入到锟式碎石机破碎，在用皮带运输机运出洞外。采用此工法可以大幅度地削减卡车的走行，不仅提高了出碴的效率，也改善了洞内的环境和劳动卫生的条件。在很长一段时期内，隧道施工中，不是采用有轨运输系统，就是采用无轨的汽车运输系统。目前这

42、2种运输系统，仍然的隧道出碴处理的主要方法。但因施工环境要求的提高以及减少作业人员的劳动强度等，在某些场合，也开始寻求新的出碴处理系统。下面介绍的几种出碴处理系统，就是这方面的发展。,2023/3/2,95,皮带运输出碴系统在山岭隧道中提高出碴处理技术是一个重要的课题。过去我们主要是在无轨和有轨2种方式中选择。但随着隧道的长度增加和维护作业环境的要求，都迫切感到要采用新的出碴系统的必要。日本在九州新干线的饭田隧道以及田上隧道均采用了皮带运输机的出碴系统，直接地把掌子面的石碴，运到洞外。田上隧道长6988m，因与临近的另一座长3440m的隧道紧紧相临，不得不将2座隧道并作一个隧道施工，因此隧道总

43、长度达10428m。一个口的掘进长度达5240m。隧道采用超短台阶法施工，开挖断面积约74.5m2。采用皮带运输机的理由是：无轨方式，为了维护洞内的安全和环境，需要大量的通风设备和劳力，根本的解决办法是采用不使用内燃机的运输系统。皮带运输机运输从过去的定置式的改为一定长度固定式的皮带运输机（图1）。皮带运输机的规格是：皮带宽度610mm；皮带速度168m/min；运输能力300t/h。动力是一台440V的主马达（112kW）驱动。在2500m以后，再增加一台，最终是2台驱动。皮带运输机每10m延伸一次。,2023/3/2,96,2023/3/2,97,2023/3/2,98,采用皮带运输机出碴

44、系统的效果是：改善了洞内的作业环境；提高了安全性；缩短工期；提高了作业效率；简化了洞外设备；降低了洞外噪声；洞内路面维护容易；对洞内污染小。,2023/3/2,99,2023/3/2,100,集装箱出碴系统 在日本关越公路隧道，曾采用了集装箱出碴系统。其概况如下。关越隧道长约11km，为了快速施工，在开挖、出碴、支护等作业中，均采用大型的施工机械。其中出碴系统采用了集装箱系统。一般隧道出碴方式，都是在掌子面用汽车将石碴运出洞外的弃碴场，再返回掌子面，反复进行之。但在关越隧道中这种往返就需要1个小时以上，为了连续的运输，就需要投入大量的汽车，不仅增加了运输费用，也造成洞内环境的恶化。集装箱出碴系

45、统（图2），是在掌子面后方，先准备好大型的集装箱（22m3），爆破后运到掌子面装碴，再放到掌子面后方200400m处，临时放置。装碴采用CAT988B装碴机，集装箱运搬用K250大型叉车。在洞内临时设置的集装箱，在洞内进行钻孔、喷混凝土、锚杆等作业的同时运出洞外。此方式的特征是：准备好与一次爆破相适应数量的集装箱，用少量叉车就可以完成，比较省力；与隧道长度无关，运输距离固定，可保持稳定的循环；因集装箱容量大，采用大型装碴机，装碴时间大为缩短；叉车台数少，对洞内污染小；集装箱是临时设置的，洞内环境井然；对较大块石碴也能适应。,2023/3/2,101,2023/3/2,102,5-3气体输送出碴

46、系统（管道输送系统）日本在长8km的秋间铁路隧道，试行了空气输送出碴系统，同时也是衬砌混凝土材料的输送系统。此系统是充满气体的管道内，设置小车，利用前后的气体的压力差，让小车走行。气体是有鼓风机提供的。整个系统的主要规格列于表1。,2023/3/2,103,表1 输送系统的主要规格,2023/3/2,104,2023/3/2,105,6施工通风方面主要发展通风-集尘一体化技术。,2023/3/2,106,6-2车载型集尘机施工通风系统集尘机系统，由集尘机本体、送风机、高压发生盘和控制盘、风管等构成，均安装在4t的汽车上，其基本构造示于图17。此系统在3个隧道中进行了实验。基础效果最高达86%。

47、该系统的主要规格列于表8。图17车载型电气集尘机,2023/3/2,107,表8 车载型集尘机规格,集尘机系统设置在掌子面后方约100m的地方。排气方向面向洞口。伴随掌子面的移动，车载型集尘机也随之移动，风管也随之延长。通风设备采用最大2000m/min的通风机，设置在洞口，用直径1400mm的风管向洞内送风。7,2023/3/2,108,6施工通风方面主要发展通风-集尘一体化技术。不管是利用平导或上导，导坑贯通后，都可采用配有集尘机的巷道通风系统。日本在第2名神高速公路的栗东隧道（2636m、开挖断面积约155,6m2）中，采用了此系统。该隧道是采用小断面掘进机先行开挖上导坑，而后在上导坑中

48、，隔一点距离设置集尘机，进行施工通风，获得良好效果。施工中的集尘机是以消除爆破和出碴时的粉尘、喷混凝土作业时的粉尘以及施工车辆的煤烟等为集尘对象的，在粉尘没有沉淀前，消除漂浮的粉尘。为了在导坑内设置集尘机，集尘机的尺寸应尽可能地小些。此集尘机的处理风量为2200m3/min，通风机的动力为30kW，集尘的动力为2kW。集尘机的外形示于图15。图15集尘机外形,施工中的集尘机是以消除爆破和出碴时的粉尘、喷混凝土作业时的粉尘以及施工车,2023/3/2,109,2023/3/2,110,7隧道的防排水设计应该指出，在隧道的防排水设计上，我国的经验是十分丰富的，但存在的问题也是最多的。最近几年，隧道

49、的防排水问题引起了各方面的关注，也出现了许多新型的防排水材料和制品，新的防排水方法也不断引用，对提高隧道防排水质量起到了重要作用。,2023/3/2,111,一 隧道防排水类型的划分在隧道防排水设计中，首先要确定隧道防排水的类型。目前比较一致的看法是：把隧道分为防水型隧道和排水型隧道两大类。两者的唯一区别是前者承受水压的作用，而或者则不承受水压的作用。这样在隧道结构的设计上，就有不同的考虑。例如，图1是意大利在某条线路上，从水压角度出发，把隧道断面分为图1的四种类型。第一种是排水式隧道，其类型有在基底下设排水管的（分平底的图1a，仰拱的图1b）和在基底设置过滤层的（图1c）和防水型隧道（图1d

50、）。地下水压大于的区间，释放水压。其他区间采用防水型衬砌。在释放水压地段，于喷混凝土和二次衬砌间设隔离板。,2023/3/2,112,2023/3/2,113,德国在Euerwang隧道中，于困难地质地段曾采用图2的断面。在有底版的构造中，在底版下挖去500mm的岩层，而后用适当的材料（具有排水性能的材料）填充好空隙形成排水层，排水管设在其下方（图2a），与意大利的图1c雷同。在有仰拱的隧道构造中，排水管设在仰拱的下方（图2b）。也是按防水型隧道进行设计的。,2023/3/2,114,2023/3/2,115,下图是意大利在列其堡隧道的调查坑道中采用的带有排水沟的仰拱，是利用借鉴的一种方式。,