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1、软弱破碎围岩及不良地质地段大断面隧道施工技术和长大隧道快速施工技术及设备配套技术前期研究报告石家庄铁道学院目 录1 武广客运专线隧道工程概况11.1 沿线隧道分布概况11.2 隧道断面11.3 主要工程地质11.4 水文地质概况22 国内大断面隧道施工现状22.1 大断面隧道定义22.2 国内大断面隧道施工概况22.3 国外大断面隧道施工概况33 国内外大断面长大隧道快速施工设备配套技术概况223.1 连接法国意大利的Frejus隧道223.2 日本关越公路隧道和五里峰隧道233.3 瑞士隧道243.4 我国大瑶山隧道273.5 我国米花岭单线铁路隧道273.6 秦岭线隧道平导隧道293.7
2、桃花铺2号单线铁路隧道303.8 大伙房水库输水隧洞工程303.9 乌鞘岭单线铁路隧道314 不良地质隧道施工技术现状314.1 富水软弱破碎地质314.2 岩溶地质324.3 煤系地层324.4 高地应力软岩大变形隧道324.5 高地应力硬岩地质335 大断面及大断面不良地质围岩施工方法建议385.1 、级稳定性围岩385.2 级围岩385.3 级围岩385.4 大断面隧道施工技术研究重点405.5 不良地质段隧道施工方法原则406 大断面长大隧道快速施工机械配套建议416.1 国内外现有机械配套模式416.2 我国隧道施工中影响施工循环速度的薄弱环节426.3 武广客运专线大断面长大隧道快
3、速施工机械配套建议427 武广客运专线大断面隧道施工中的若干关键技术研究建议447.1 大断面隧道安全性评价研究447.2 长大隧道快速施工及设备配套技术研究457.3 大断面隧道变形控制基准研究457.4 大断面不良地质隧道施工技术研究467.5 软弱围岩大断面隧道长期稳定性研究487.6 大断面隧道施工动态信息智能管理系统研究501 国内外大断面隧道施工现状1.1 大断面隧道定义目前我们国家还没有一个依据对隧道开挖面积的大小而对隧道断面进行的分级标准。表1为国际隧协的断面划分的建议标准。表1 国际隧协的断面划分划分净空面积(m2)超小断面3.0小断面310中等断面1050大断面50100超
4、大断面100武广客运专线双线隧道内部净空断面积128m2，有效面积100m2，开挖面积147165m2，如按国际隧协对隧道断面的划分，应称为超大断面隧道。本文泛称为大断面隧道，但研究对象多为净空面积大于100m2者1.2 我国大断面隧道施工概况我国铁路系统从20世纪60年代起修建大断面隧道，其数量相对较少，技术也相对落后，主要是一些三线或车站隧道。20世纪80年代以后，高速公路隧道相继出现，大断面隧道也日渐增多。表2为所收集的我国大陆地区交通类大断面隧道工程概况。我国台湾的高速铁路已于2003年完工，改线修建了许多大断面隧道。台北高雄高速铁路全线长394km，设计时速350km/h，运行时速3
5、00km/h，其中暗挖施工隧道42座，总长39km，最短隧道92m，最长隧道7360m。隧道净空有效面积为90m2。双线隧道净空跨度为15.35m，净高10.5m，线间距4.5m，实际开挖面积147155m2，如图1。主要地质条件为：新第三纪中新世到第四纪沉积物，从淤泥、粘土、砂和卵(砾)石，到漂砾。轻质胶结，一般从密实、坚硬到强度只有几个MPa的软岩，无断层出现。由于围岩的自稳定能力很差，所以在开挖之前对隧道围岩进行管棚预支护：管棚长l12m，搭接4m，在拱部120范围内施作管棚预支护。补强预留空间 喷混凝土30cm无纺土工布 绝缘区二次衬砌45cm 运行区轮廓安全通道 安全区 1.2m 2
6、.25m 2.25m 8cm 14.53m 图1 台湾台北高雄高速铁路隧道断面2.2m开挖方法采用上部弧形导坑开挖，留核心土，上导坑初期支护设置大拱脚，并设拱脚支撑桩(钢管桩、旋喷桩等)喷射混凝土30cm，设临时仰拱，无管棚支护范围设长度6m的锚杆，格栅钢架0.51.0m，如图2。-2-表2 我国大陆地区大断面隧道概况编号名称长度(m)用途时间断面面积(m2)跨度(m)埋深(m)地质概况开挖方法辅助工法锚杆长/环纵钢架间距(m)喷混凝土(cm)二衬(cm)1狗磨湾隧道1284.45铁路199425020.9大于38砂粘土、石英云母、页岩双侧壁导坑管棚、锚杆、钢架3.0/1.51.51.01.2
7、203050902何家湾隧道177铁路1972227.426.57大于100泥质粉砂岩夹少量页岩台阶法、侧壁导坑钢架、锚杆703邬家湾隧道151铁路1973213.2426.05大于50泥质粉砂岩夹少量页岩侧壁导坑、台阶法钢架、锚杆704松树坡车站隧道192铁路197320020大于50凝灰质砂岩品字形导坑钢架1005大巴山三线隧道108铁路1972181.719.1大于20白云质灰岩品字形导坑806鹰山一号隧道221.5铁路1994220.719.58侧壁导坑2.0/1.61.01.030507柳林河隧道111铁路197714618.1石灰岩、泥质灰岩台阶法锚杆、钢架2.0/1.01.035
8、30308新密隧道112铁路196623127.440灰岩台阶法、侧壁导坑锚杆、钢架3.5/1.11.1409老爷岭隧道1007.74公路198610.17花岗岩下导坑锚杆5010马兰坝隧道60公路199614.5610灰岩侧壁导坑管棚、锚杆、钢架208011雷公山隧道铁路1249粉砂岩台阶法地面锚杆、洞内锚杆、钢架3.5/12燕山隧道1275铁路199611.16风化花岗岩台阶法地面注浆3.5/0.6204513乐普村隧道274铁路1995136.813.0620灰岩、粉砂岩CD法超前锚杆、锚杆、钢架3.5/1.00.80.82550120 双层钢筋网长12m的管棚 喷混凝土30cm扩大拱脚
9、70cm锚杆长6m4个排水孔核心土 s ss=0.8-1.0m上导坑核心土临时仰拱台阶仰拱双层钢筋喷混凝土1.5m临时仰拱2s临时仰拱闭合6s 7S 台阶 2s 仰拱4s6s仰拱闭合至上导坑开挖面150m格栅钢架图2 台湾台北-高雄高速铁路双线隧道施工方法-4-1.3 国外大断面隧道施工概况随着国外高速公路和高速铁路的发展，交通类大断面隧道不断涌现，表3列出了国外一些大断面隧道工程的概况。(1)巴西圣保罗西环线3号隧道(1999年开始施工)巴西圣保罗环线是为了缓解市区交通拥挤而修建的，其中西环线3号隧道长1730m，软弱破碎围岩段隧道的开挖宽度19.3m，开挖高度11.6m，开挖总面积220m
10、2，最大埋深181m，水位20m。隧道进出口部分围岩为土层和破碎岩石，岩体质量指标Q约为0.33。为保证开挖安全，其南口和北口隧道段均采用钢管棚进行拱部超前支护。开挖采用双侧壁导坑法进行施工，断面中部再采用台阶法开挖，如图3。其南口段采用超前上部导坑法施工，然后单侧台阶法扩挖，如图4。 3 1 3a 2 4图3巴西圣保罗西环线最长隧道北口施工方法 12 3 2a3a 4图4 巴西圣保罗西环线最长隧道南口施工方法隧道初期支护采用喷射钢纤维混凝土30cm，钢纤维掺量为2045kg/m3，格栅钢架1榀/0.6m，二衬厚度为65cm，强度等级为C25，要求二衬混凝土的渗透系数kc10-10cm/sec
11、。-53-表3 国外大断面隧道概况编号名称国家施工长度(m)用途时间断面面积(m2)跨度(m)埋深(m)地质概况开挖方法辅助工法锚杆长/环纵钢架间距(m)喷混凝土(cm)二衬(cm)1所领隧道日本215公路199015015.37火山碴、亚粘土短台阶法预注浆导管6.0/1.01.0RJ插桩25502新都富良野日本1715公路198917014.5330100砾岩、凝灰岩CD、CRD预注浆导管地表注浆3.0-6.0/1.21.21.020503鸟手山隧道日本842公路198813014.57-70砾岩、凝灰岩CD、CRD、短台阶法注浆、正面锚杆3.0-6.0/1.21.21.015-20504M
12、ount Baker美国451公路198626719.230砂粘土多导坑、台阶法钢架5福冈日本108铁路198812013.110-20砾岩、花岗岩侧壁导坑注浆506Valdarnv意大利216铁路199190-12013.74-12冲积层侧壁导坑大管棚、注浆3.0/1.01.0格栅/1.020807海峡英国161铁路199024015.436白垩泥灰岩侧导坑法导管注浆3.0-6.0/1.01.01.020608Rengershausen德国1597铁路196623114.410-50砂岩、粘土管棚、侧导坑注浆钢管、管棚61.025409凑公路日本197公路1991152184-6火山灰、粘土
13、砾石、粉砂侧壁导坑大管棚、化学注浆1.0156010Heslach德国120公路199614315.7520石膏、软粉砂岩侧壁导坑地表注浆4.0-6.0/1.01.01.0307011Landsberg德国182公路199025018.920第三、四纪岩层侧导坑分部开挖4.5/1.21.0格栅/1.020-404512列克雷斯意大利1427公路19921051240-50粉砂、粘土台阶法导管注浆6/1.0207513Istanbul土耳其1344轻轨199410410.77-20灰岩、粉砂岩CD法小导管注浆 1550(2)新加坡地层深部污水隧道该污水隧道断面为圆形隧道，开挖断面直径为9m，埋深
14、25m。距其上部2.5m为二条地铁区间隧道，隧道交叉处为老冲积层。为保证地铁隧道的安全，污水隧道开挖采用上弧形导坑开挖，留核心土，上部断面初期支护采用扩大拱脚，上导坑开挖每次开挖进尺1.0m，下部台阶每次开挖进尺2m，如图5。9.0m上导坑喷混凝土临时填充扩大拱脚核心土台阶锚杆长6m带肋钢支撑H150型核心土拱脚锚杆32.0m小导管3.0m锚杆拱脚锚杆图5 新加坡大埋深软弱土层中污水隧道施工方法初期支护锚杆采用25，l3m的钢筋注浆锚杆，格栅钢架1榀/m，喷混凝土厚35cm，内设两层钢筋网。(3)土耳其Bolu公路隧道穿超大规模断层隧道Bolu隧道是欧洲TEM(Transit European
15、 Motorway)通道的重要注组成部分，由两个中心线间距40m两条三车道隧道组成，左线全长3287m，右线全长3236m，隧道最大埋深250m。根据地质条件及支护的不同，开挖断面面积大约140220m2，如图6。15m图6 土耳其Bolu隧道断面12m该隧道最古老地质单元为前寒武纪时期的角闪岩、片麻岩、变晶质闪长岩和变晶质石英闪长岩地层，上覆岩层为泥盆纪时期的千枚岩、页岩、石英岩和石灰岩层，其中有上泥盆纪末的碎片花岗岩和板岩侵入。再向上就是古新世始新世时期的砂性石灰岩、钙质砂岩、粉砂岩、粘土岩、泥灰岩、石灰岩和角砾岩。最新的地质单元为上新世的粘土层、粉土层、砂层和卵石层。Bolu隧道所处区域
16、有两个大的构造带，断裂、褶皱发育。在距Blou隧道入口、出口分别为700m和150m处各有一大规模断层，两断层都呈小角度与隧道相交，在隧道轴线的投影影响长度分别达233m和197m。这两个断层均为逆断层、断层裂隙内充填大量粘土矿物。在断层破碎带，原设计采用双侧壁导坑法施工，柔性初期支护如图7，最大允许变形量为25cm。侧壁导坑拱部采用注浆小导管超前支护，上导坑环形开挖留核心土，下部采用二步台阶落底，仰拱以上部分全部设46m长锚杆，环向间距1.2m，喷射混凝土厚度30cm，双层钢筋网，钢拱支撑1榀/m。在施工过程中，隧道位移严重超限，拱顶下沉将近50cm，水平收敛达105cm。支护参数经过多次变
17、更，如喷射混凝土改为钢纤维混凝土，厚度最后竟达到70cm，围岩变形仍不能得到有效控制，最终决定采用重型支护措施：包括Bernold衬砌和双侧拱脚导坑法，取得成功。上导坑小导管d=3-5cml=3-4m核心土 0.0 -0.75台阶仰拱核心土台阶仰拱上导坑排水孔喷混凝土30cm注浆锚杆长46m仰拱(30MPa)底纵梁(30MPa)喷混凝土20cm图7 土耳其Bolu隧道断层破碎带原设计施工方案喷混凝土d=40cmBernold衬砌B40/d=50cm二次衬砌40cmR=900cm24.14R=780cmR=887cm30cm10cm图8 土耳其Bolu隧道采用的Bernold衬砌在厚砂页岩夹层段
18、采用Bernold衬砌，它是在初期支护和二次衬砌之间铺设一层带有波纹的带孔钢板，内有重型带肋钢拱架支撑，如图8。仅初期支护和Bernold衬砌二者厚度之和就达到了1.0m。图9 双侧拱脚超前导坑施工方法示意图坍塌回填上部导坑第一步第二步第三步喷混凝土厚70cm注浆锚杆长l=9m18.94m24.2m在断层破碎带，采用双侧拱脚导坑法，导坑直径5.6m，支护后内径5.0m。在导坑内正断面上导坑进行注浆加固，导坑衬砌为厚30cm的C30钢筋混凝土，在两侧拱脚导坑内部分回填C30混凝土，作为正断面拱脚支承，然后开挖正断面上导坑，喷射钢纤维混凝土衬砌70cm，注浆锚杆长9m，然后开挖下部断面台阶、落底，
19、施作仰拱，如图9。(4)日本东京高速铁路线Narashinodai隧道大多数日本城市都座落在新沉积层上或海边填海造地，因而在过去很多年的时间里，许多隧道都采用盾构法施工和明挖法。由于造价较低和隧道断面设计的灵活性，矿山法在城市里应用范围正在扩展，矿山法已经应用于更新世沉积层隧道，日本“矿山法隧道标准及解释”认为在单轴抗压强度约大于0.1MPa，变形模量大于10MPa的非胶结土层中都可以采用矿山法施工。为减少施工对周围环境的影响和保证开挖面稳定，经常采用超前支护技术，如小导管注浆、长管棚支护、水平旋喷超前支护以及预衬砌等。图10 日本Narashinodai隧道开挖步骤图10是日本东京高速铁路线
20、上Narashinodai隧道采用分块开挖的方法(CRD)，在隧道拱部采用超前小钢管，钢管直径34mm，长2.75m，间距25cm，共用47根，临时支护结构采用125H型钢支撑，喷混凝土厚125mm，锁脚锚杆直径25mm，长2.0m，图10中表示开挖顺序。(5)日本大断面公路隧道新东明明神高速公路隧道原东明明神高速两车道公路于1969年投入运营，曾为日本经济发展作出重要贡献。但随着日本经济发展，车流密度大幅度增加，致使维修工作量日益增加，原东明明神高速公路已明显显示出其运能的不足。于是计划修建时速140km/h双向车道(双孔三车道)第二条东明明神高速公路。隧道中线 道路中线 343434”63
21、mm路面图11 东明名神高速公路三车道隧道标准断面图（开挖面积190cm2）喷混凝土厚20cm二次衬砌厚60cm 锚杆长6.0m第二东明明神高速公路全长约503km，隧道总长度占线路总长度的比例约为25%，长度超过2km的隧道就有22座。三车道隧道的标准断面如图11，开挖面积达113220m2，断面扁平率约为0.65。如果把传统两车道或三车道隧道的用料标准用于东明明神超大断面隧道，就会导致施工效率大大降低。为解决此问题，开发了适用超大断面支护的材料，如表4所示。表4 新东明明神超大断面支护所用材料支护材料标准传统标准新东明明神公路隧道标准喷混凝土28d=18MPa1d=5MPa28d=36MP
22、a1d=10MPa3h=2Pa喷混凝土素混凝土钢纤维混凝土轻型高强钢支承SS400SS540/HT590抗拉强度抗拉强度450510MPa590MPa屈服点屈服点245MPa440MPa锚杆屈服强度屈服强度120180MPa180290MPa衬砌28d=18MPa28d=30MPa在超大隧道施工中，必须采取相应措施来保证工作面的稳定，控制渗漏水，控制拱脚沉降，较为详细地掌握工作面前方的地质情况，不但可以使采取的施工措施更具针对性，而且由于导坑的存在能提高开挖效率，降低费用，因而采用超前导坑法施工是可行的。表5为新东明明神高速公路隧道的标准支护参数。表5 新东明明神高速公路隧道的标准设计支护参数
23、围岩类别开挖进尺(上半断面)锚杆钢支撑上半断面及台阶钢纤维喷混凝土厚度(cm)衬砌厚度(cm)长(m)间距拱部边墙仰拱上半断面及边墙环向(m)轴向(m)B1.54.01.51.5H-150155050C1.56.01.21.5H-200205050C1.26.01.01.2H-200255050D1.06.01.01.0H-200306080经过日本公路公团在其它高速公路线路上隧道中的实践，新东明明神高速公路大断面隧道标准支护模式如表6。表6 新东明明神高速公路大断面隧道最终支护模式围岩类别开挖进尺(上半断面)锚杆钢拱支承喷混凝土厚(cm)衬砌厚度(cm)长(m)周边轴向(m)上部台阶拱部/边
24、墙仰拱上部台阶(m)(m2/piece)B2.5(2.0)443.0(2.0)3.82.5(2.0)10*40C2.0(1.5)6*41.5(2.0)2.92.0(1.5)H-154H-15415*(15)4055C1.5(1.2)6*41.3(1.6)1.81.5(1.2)H-154H-154154055D1.2(1.0)6*41.3(1.6)1.41.2(1.0)H-154H-154205070注：( )表示TBM超前导坑，喷混凝土为高强型，*上部断面用钢纤维混凝土(SFRS)锚杆：*表示其强度为2901型，其它类型的强度为180kN，钢支撑为高级别型。导坑的开挖可以采用钻爆法也可采用TB
25、M，在出现断层破碎带、有大量涌水时不适合采用TBM施工超前导洞。东明静岗2号隧道这是一座按140km/h速度设计的大断面公路隧道，上行隧道长1185m和下行隧道长1187m。该隧道的地质条件是砂岩、泥岩及两者的互层。围岩的弹性波速度，硬岩是3.65.0km/s。泥岩的单轴抗压强度在50MPa左右，砂岩在100MPa左右。洞口附近有2条破碎带并有涌水。为了对施工方法进行比较，在不良地质地段分别采用了中壁法、导坑超前法和上半断面短台阶法。各种方法的基本模式和适用的位移情况如下a、中壁法(如图12)本方法是以掌子面和拱顶附近的稳定为主要目的而采用的。超前距离约20m，中壁拆除时间距后进坑道掌子面约2
26、0m。同时中壁的曲率取14m和40m两种进行比较。图13 导坑超前法15026260R=400060186950180250588128070150991:0.51:0.3（单位：cm）约20m约25m3040m150m液压装碴机反铲约30m运碴车5台车行通道约20m最大20m反铲臂式装碴机图12 中隔壁法本方法用中壁分成超前导坑和后进导坑，二者各自独立平行作业，相对来说，掘进速度比导坑超前法要快些。此外超前导坑的锚杆对后进导坑的掌子面稳定是有帮助的，由于被中壁分割掌子面稳定性好。b、导坑超前法(图13)本方法为了提高掌子面的自稳性以及进行地质预报、排水等目的而实施的。超前距离从发挥机械效率出
27、发，取1030m。大量涌水时，可延长到100m。从施工安全出发，导坑和扩挖是交互进行的。c、短台阶法(图14)这是在地质较差的情况下采用的方法，同时采用的辅助施工方法有大导管和正面锚杆等。图14 短台阶法、日本东名沼津隧道东名沼津隧道长597m(上行)和657m(下行)，是按时速140 km/h设计施工的，其断面示于图15。开挖宽度约18m，高度约10m，开挖断面积约190m2，断面的扁平率是0.68。地质条件是以凝灰角砾岩为主体的软岩，隧道最大埋深47m，采用了分四部的中壁法和分三部的中壁法。在埋深特别小的场合，为了确保掌子面的稳定采用四部中壁法，即在上行线东洞口采用三部中壁法而在下行线东洞
28、口采用四部中壁法，三部、四部中壁法的断面分部模式示于图16。在中壁法施工中，关键问题是对中壁的处理，从比较中可以看出，作用在中壁的轴力，四部的中壁比三部的中壁大，前者的最大平均值是236.2kN，三部的是166.6 kN，这说明四部法中壁的功能得到了充分发挥。另外从拱顶下沉看，二者也有很大差异，四部法对控制地表下沉也是极为有效的。图15 东明昭津隧道断面图（单位：mm）图16 东明昭津隧道开挖方法（CD法）中壁拆除时期和中壁拆除后的安全性是这个方法的关键技术。(a) 中壁拆除时机的判定标准在一般的混凝土衬砌施工阶段的位移收敛是根据“一周间的位移增量在1mm以下，得到2次确认”就可以了。在中壁法
29、中，中壁拆除后就进行下部开挖并修筑仰拱。因此，拆除中壁到得到完成的断面有一个过渡阶段。根据量测数据分析，中壁拆除时的判定标准规定如下：拱顶下沉量：7d间的增量2mm；净空位移量：7d间的增量4mm(拱顶下沉量的2倍)。中壁留存距离除考虑上述拱顶下沉和净空位移外，还要从机械配置和施工安全等方面研究，距后进掌子面最少要有30m。(b) 中壁拆除后的安全性判定在中壁法中支护和围岩的相互作用还有一些不清楚的地方，因此，拆除后的安全性判定只有依靠计算来解决。根据计算，拆除后的下沉增量在四部法的场合为16.5mm，三部法的场合是12.0mm。因此，以三部法的中壁拆除后的增量12mm为管理水平，则确定出表7
30、的管理标准。表7 中壁拆除的管理标准(mm)管理水平管理阶段中壁拆除作业中中壁拆除后1安全362注意6123危险1224日本大断面隧道施工的模式化在大断面隧道的施工中，把施工方法模式化是提高工程质量、降低工程造价，发展适应工法施工的定型机械的重要措施。日本在这方面作了许多研究和试验性的施工，表8中图分别表示在软弱围岩中的短台阶法、CD(中隔壁)法和双侧壁导坑(眼镜)法的模式化示例。图中分别表示出在不同地质条件下三种方法的开挖分部、初期支护、二次衬砌以及辅助工法的应用。围岩级别采用日本岩体分级标准。表8 不同施工方法的标准支护模式续表8 不同施工方法的标准支护模式续表8 不同施工方法的标准支护模
31、式续表8 不同施工方法的标准支护模式2.4 部分水工大断面隧道洞概况受地形和气候条件的控制，中国的水利资源主要集中在西南地区。由于这一地区雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头、大容量的水电站，所以也常需要布置长引水隧洞或高坝。据资料介绍，中国国内已建成长度5km以上的引水发电隧道20座，由于河谷狭窄，常需要大断面泄洪洞宣泄洪水，施工期间也需要大断面隧洞来导流。隧洞断面较大的有：小浪底水利枢纽三条导流隧洞总长3406m，圆形段开挖面积为254m2，矩形段为460m2；二滩水电站导流隧洞最大开挖断面达25.5m20.5m(约490m2)；云南大朝山水电站尾水隧洞最大开挖直径为16.3m(断面
32、积208.6m2)，城门洞型段最大开挖断面为10.1m13.1m(132.31m2)；漫湾水电站1号导流动洞口处最大断面积为402.5m2；二郎坝溢洪洞最大断面为309m2；清江隔河岩水利枢纽导流隧洞最大开挖断面270m2；李家峡水电站导流隧洞最大开挖断面304m2；公伯峡水电站导流隧洞最大开挖断面296m2；引子渡水电站左岸1号导流隧洞最大开挖断面270m2；水布垭水利枢纽导流隧洞最大开挖断面503.99m2。中国幅员辽阔，但水资源相对贫乏，分布不均。为了解决干旱地区用水，需要进行跨流域调水，其中不少跨流域调水工程输水干线穿过分水岭及山岭地带，主要依靠水工隧洞引水。例如，已建成的由青海大通河
33、引水至甘肃的调水工程总干线全长68.9km，其中隧道33座，总长75.11km，隧洞最大开挖断面28.4m2；万家寨水利枢纽引黄河水穿过海河流域至太原的引水工程，隧洞最长超过200km；近期将修建的辽宁省东水西调工程输水隧洞长86km，最大开挖断面50.24m2。国外也兴建有大量的水工隧洞，尤其是调水工程的长水工隧洞，据不完全统计，目前国内外已建成的10km以上的水工隧洞达90座，中国占11座。例如日本为建立一个容量为110000吨的控制水池，需建的主隧道采用新奥法施工，最大开挖断面254m2。2 国内外大断面长大隧道快速施工设备配套技术概况长大隧道往往是整条线路控制工期的工程。长大隧道，如何
34、安全快速地顺利施工至关重要，钻爆法施工中快速爆破钻眼、装药及出碴运输，又是快速施工的关键。这就要求必须有与地质相适应的施工方法及科学合理的设备配套技术。在长大隧道的修建及设备配套技术方面，日本、欧美等国处于领先地位，也积累了许多宝贵的经验。2.1 连接法国意大利的Frejus隧道Frejus隧道全长12890m，1979年投入运营，它是意、法两国间的重要通道。Frejus隧道的断面净空面积66.25m2，拱顶最大净高度7.51m，最大净宽10.52m。隧道穿越的岩层由三迭纪的石灰岩、白云岩、变质白云岩、绿色页岩和光泽的页岩组成，法国端、意大利端都有破碎带。法国端隧道开挖采用全断面一次爆破，平行
35、直眼掏槽，每次共有160个炮眼，每次循环进尺4.5m。炮眼直径为48mm，中空眼直径为152mm，用两台蒙塔贝尔特公司生产的电力钻孔台车钻孔，每台车有5根臂和一个工作台。用预制的塑料套管药卷分别在两台西法(CIFA)型自动升降脚手架上装药。爆破通风后，出碴利用布鲁伊特(Broyt)X4型电动自动装载机(铲斗2.5m3)和卡特(CAT)613型载重20T的轮胎式自卸车，12辆自卸车中有2辆距工作面100m处靠边墙停放，从工作面装碴后立即返回卸碴，使装卸作业不间断进行。找顶采用pingon找顶机将拱部和工作面的危石排除后，用两台蒙塔贝尔特公司生产的3臂锚杆安装机施作长4.65m20的锚杆。意大利端
36、隧道开挖方法是，在岩体较稳定地层中采用全断面开挖法，钻孔采用特拉斯科普科公司生产的轮胎式6臂钻孔台车，钻臂的定位配有自动控制装置。每一循环钻51的炮眼120个，掏槽眼深4.7m，其它炮眼深4.3m，钻孔速度为1.5m/min，出碴采用一台电动BroytX4型装碴机，配备ASTRA BM22型自卸车(1213m3)运碴，每小时可运走石碴300m3。施工组织：最高月进尺为1979年1月8日的276m，相应于循环时间为9h，两端正常工作循环作业如表9和表10所示。表9 法国端工序时间钻孔2h30min装药1h10min爆破和通风30min找顶和出碴30h40min安装锚杆2h30min挂网50min
37、其它5min开挖进尺44.5m的循环时间合计11h15min表10 意大利端工序时间钻孔2h装药1h15min爆破和通风30min出碴3h找顶和出碴1h45min安装锚杆(包括其它支护作业)4h开挖循环时间12h30min喷混凝土1h30min掘进4m需要总时间14h2.2 日本关越公路隧道和五里峰隧道(1)关越公路隧道关越公路是连接东京和新泻的约300km的日本第一条贯穿本州高速公路，关越隧道是关越公路的关键工程，总延长11km，设计时速80km/h，1979年建成。隧道开挖断面宽12.2m，高8.15m，开挖面积85m2，隧道穿越围岩主要为石英闪长石、凝灰角砾岩、凝灰岩、流纹岩、角闪岩、变
38、质玄武岩等大部分围岩稳定性较好，此类围岩占总长的81.7%。隧道正洞采用全断面开挖，轮胎式车辆运输，地质良好，使用辅助坑进行坑道通风，坑道开挖面积20.7m2，衬砌断面净面积15.1m2，使长大隧道的轮胎车辆运输成为可能。水上端(汤泽端)钻孔采用门架式全液压钻孔机台车(轨行式)，装碴采用2台轮胎式侧翻式装机，铲斗容积2.7m3，运输采用20吨Volvo自卸卡车12辆，混凝土浇注采用输送速度为66m3/h的混凝土输送泵及全端面自行式钢模板台车。由于洞口段地质条件较差及机械操作人员的操作不够熟练，在进口段开挖1m用时较长，平均为335min/m。随着向洞内推进，地质条件渐好及工人操作机械的熟练程度
39、增加，开挖1m用时逐渐减少，到距洞口约500m以后，开挖单位隧道长度用时较为一致，认为工人已达到了相当的熟练程度。正洞爆破进尺1.21.5m，最高月进洞138.4m(1978年3月1978年8月)(2)日本五里峰隧道日本五里峰隧道位于日本上田市到更植市间的五里峰隧道是日本北陆新干线上的一座长15.2km的双线铁路隧道，隧道净空面积70m2，分为4个工区依次施工，于1991年动工，1997年投入运营。五里峰隧道户仓工区为经长620m的横洞进入正洞后独头开挖长约5km的工程，该工区隧道围岩以新第三期中新世中期的页岩、砂岩为主，并夹有凝灰岩及侵入岩等，埋深50600m，围岩的弹性波速为4.05.2k
40、m/s，预计有几条破碎带，大部分围岩稳定性较好。围岩稳定性较好的地段，开挖采用全断面法(部分用台阶法)，钻孔采用6臂门架式台车，规格为长宽高21.5m7.6m9.3m，重180T；装碴采用布洛伊托X43ED大型电动铲装机，铲斗容量3.0m3，长宽高4.02m3.76m6.88m，重量46T，功率132kW/60HZ/440V(电动式)；运碴机械为4台25T Volov BM A25B4大型自卸车，装载能力13m3，长宽高9.015m3.180m3.240m，走行速度3151km/h，最小转弯半径7.5m(外径)，爬坡能力45%(铺砌路面)，发动机排气量6.73l，隧道最小宽度9.5m，自卸车很容易调头。喷射混凝土采用2台曼斯特SF-2两臂喷射机，装在一台特制卡车上，长宽高11.53.013.7m，重量26.0T，每小时可喷射2024m3/h。在这种无轨运输模式下，五里峰双线隧道户仓工区创造了月进尺255m的纪录，充分发挥了
