山體隧道施工技術(shù)的研究

曾根龍

(中鐵十二局 第一工程有限公司，陜西 西安 710038)

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山體隧道施工技術(shù)的研究

曾根龍

(中鐵十二局 第一工程有限公司，陜西 西安 710038)

對山體隧道工程的各項(xiàng)開挖施工技術(shù)作了簡要介紹，重點(diǎn)對近年來創(chuàng)新的山體隧道開挖工法“新意法”和“銑挖法”的具體施工程序進(jìn)行詳細(xì)敘述，并就這兩種新工法的特點(diǎn)與施工方式跟傳統(tǒng)工法進(jìn)行對比，為相關(guān)施工技術(shù)人員提供參考。

隧道施工；新意法；銑挖法

0 前 言

山體隧道工程是公路工程的一個(gè)重要分項(xiàng)，是指在野外鋪筑公路時(shí)，遭遇連綿的山體，由于工程建設(shè)要求等因素，不適宜采用開挖半山峒施工方式進(jìn)行施工，公路的修建需穿過山體內(nèi)部進(jìn)行公路鋪設(shè)，開鑿山體的工程就是隧道工程。隧道工程縮短了公路建設(shè)工程量，減少了公路通車后的行車時(shí)間，為提高交通運(yùn)輸效率發(fā)揮了重要作用。隨著山體隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，今年來也研究出了許多新的施工技術(shù)，隨著這些技術(shù)應(yīng)用也取得了不錯的效果。本文重點(diǎn)就“新意法”和“銑挖法”這兩種典型的山體隧道新工藝進(jìn)行詳細(xì)研究，并比較出其與傳統(tǒng)工藝的不同之處。

1 傳統(tǒng)隧道施工工法介紹

傳統(tǒng)的隧道施工技術(shù)分為3大類，即山嶺隧道施工、淺埋及軟土隧道施工和水底隧道施工3大類型。其中山體隧道的施工流派有兩大類：山嶺隧道施工和淺埋及軟土隧道施工[1-2]。山嶺隧道施工分為礦山法及掘進(jìn)機(jī)法，其中，礦山法在其原有的基礎(chǔ)上又創(chuàng)新研發(fā)出新奧法；淺埋及軟土隧道施工的工法主要有5種，分別是明挖法、地下連續(xù)墻法、蓋挖法、淺埋暗挖法和盾構(gòu)法。目前山體隧道施工技術(shù)的主流為盾構(gòu)法及新奧法，二者中又以盾構(gòu)法居絕大多數(shù)，因此，本文將再接下來的篇幅中重點(diǎn)介紹盾構(gòu)法[3-5]。

1.1 新奧法

新奧法是在傳統(tǒng)礦山法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其主要施工方法是最大化地減少對圍巖的擾動，利用圍巖自身的承載能力，采用爆破技術(shù)進(jìn)行隧道全斷面開挖，開挖完成后立即對洞身錨噴混凝土，再用錨桿固定防護(hù)網(wǎng)在混凝土洞身上，此種支護(hù)形式最大限度地發(fā)揮了圍巖本身的承載力。新奧法適用于山體土質(zhì)較堅(jiān)硬的地質(zhì)條件下進(jìn)行施工。

1.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是指借助盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行的一種全機(jī)械式隧道挖掘方法，是現(xiàn)在包括山體隧道在內(nèi)的大多數(shù)隧道施工方式的首選。盾構(gòu)施工法是借助盾構(gòu)機(jī)前方的螺旋刀片將隧道斷面的石塊土壤切削挖掘，再將挖掘出的碎土石由盾構(gòu)機(jī)前方的切口環(huán)傳送至盾尾，再由盾尾將土石排出，隧道會隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)而不斷挖掘成形。此種工藝適用于挖掘較長的隧道。

盾構(gòu)機(jī)施工，大體主要分以下幾大步驟：

1) 在置放盾構(gòu)機(jī)的地方打一個(gè)垂直井，再用混泥土墻進(jìn)行加固；

2) 將盾構(gòu)機(jī)安裝到井底，并裝配相匹配的千斤頂；

3) 用千斤頂之力驅(qū)動井底部的盾構(gòu)機(jī)往水平方向前進(jìn)，形成隧道；

4) 將開挖好的隧道邊墻用事先制作好的混泥土襯砌加固，地壓較高時(shí)可以采用澆鑄的鋼制襯砌加固來代替混泥土襯砌。

盾構(gòu)法施工前，應(yīng)現(xiàn)在山體隧道的進(jìn)出口兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)升降盾構(gòu)機(jī)所用的豎井，用來放入及取出盾構(gòu)機(jī)，又可用來將盾構(gòu)機(jī)切削下來的土體運(yùn)出隧道，并方便對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修。為了方便對盾構(gòu)機(jī)的檢修，在較大工程的隧道中央還應(yīng)再設(shè)置一個(gè)檢修站，方便在施工中處置盾構(gòu)機(jī)突發(fā)事件，確保施工順利進(jìn)行。

盾構(gòu)法的主要施工順序?yàn)橥翆娱_挖—推進(jìn)糾偏—襯砌拼裝—襯砌壓注。

土層開挖分為網(wǎng)格式開挖、機(jī)械切削式開挖、擠壓式開挖、敞開式開挖這4種。分別對應(yīng)不同的地質(zhì)采取不一樣的開挖方式。

推正糾偏為盾構(gòu)機(jī)在山體隧道挖掘的過程中，由于機(jī)械本身及地質(zhì)原因，會產(chǎn)生不可避免的挖掘方向偏離設(shè)計(jì)軌道的情況，因此，就需要實(shí)時(shí)對盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)的角度進(jìn)行測量，一旦發(fā)現(xiàn)有偏差，立即停止施工，及時(shí)調(diào)整推力及方向進(jìn)行改正。

襯砌拼裝是隨著盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)對隧道進(jìn)行鋪設(shè)工作。盾構(gòu)法施工中，其隧道一般采用以預(yù)制管片拼裝的圓形襯砌，也可采用擠壓混凝土圓形襯砌，必要時(shí)可再澆筑一層內(nèi)襯砌，形成防水功能好的圓形雙層襯砌。

襯砌壓注是為了為了防止地表沉降，必須將盾尾和襯砌之間的空隙及時(shí)壓注充填。壓注后還可改善襯砌受力狀態(tài)，并增進(jìn)襯砌的防水效果。

以上幾種施工工藝，最適于山體隧道施工的工法是盾構(gòu)法及新奧法，但由于當(dāng)今隧道工程施工長度往往較長，建設(shè)工程又有工期要求，而盾構(gòu)法采用全自動盾構(gòu)機(jī)施工，可以全天候不間斷施工，且不受惡劣天氣影響，不延誤工期，且盾構(gòu)法是在山體內(nèi)施工，對山體外已有的交通運(yùn)輸不造成影響，所以盾構(gòu)法施工是絕大多數(shù)山體隧道施工的首選。

但盾構(gòu)法也存在其自身的問題，一是盾構(gòu)機(jī)造價(jià)高，且維護(hù)成本相對較高昂，對于投資預(yù)算有限的工程來說不是首選。如果建設(shè)項(xiàng)目的工程量達(dá)不到一定程度，使用盾構(gòu)機(jī)施工有可能會帶來財(cái)政緊張問題。二是山體土質(zhì)會隨著隧道施工的變化而時(shí)刻發(fā)生改變，如果一直按原先設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行施工的話，很可能會造成隧道圍巖不穩(wěn)定，影響工程進(jìn)展，甚至?xí)l(fā)生質(zhì)量安全事故。因此必須要引進(jìn)新的山體隧道施工技術(shù)，替代成為不適宜使用盾構(gòu)法施工的工程項(xiàng)目進(jìn)行施工，彌補(bǔ)盾構(gòu)機(jī)施工法自身缺陷。

2 山體隧道施工新工藝

2.1 新意法

新意法最早起源于20世紀(jì)70年代的意大利，又稱巖土控制變形分析法(ADECO-RS法)這種施工工藝最早流行于歐洲，近年間傳入我國。其理論是基于圍巖壓力拱形理論和新奧法施工工法提出的，是通過對隧道掌子面土體的勘察、丈量，測試出圍巖受應(yīng)力后的形態(tài)變化，根據(jù)測試出的形態(tài)變化的結(jié)果，以圍巖穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定、不穩(wěn)定為劃分標(biāo)準(zhǔn)，其中穩(wěn)定型為巖石型變形特性、暫時(shí)穩(wěn)定為黏性變形特性、不穩(wěn)定為松散地形型變形特性，按這3種特性將隧道掌子面劃分為A、B、C 3種類型，根據(jù)不同的類型設(shè)計(jì)出相應(yīng)的支護(hù)措施。此法意在困難地質(zhì)施工時(shí)，采用新意法對巖土變形情況進(jìn)行分析，并根據(jù)不同類型的巖土特質(zhì)，設(shè)計(jì)出不同的施工方案。此工法可依據(jù)施工的進(jìn)展而進(jìn)行動態(tài)的設(shè)計(jì)，隨時(shí)掌握施工區(qū)域巖土變形情況，并根據(jù)其變化設(shè)計(jì)出合理的施工方案。其設(shè)計(jì)基于以下3點(diǎn)原則：

1)施工方式采取全斷面開挖，對斷面以此開挖成型，不采取分塊施工模式；

2)在施工前根據(jù)巖土變形情況，提前設(shè)計(jì)好支護(hù)和加固措施的方案，在全斷面開挖之前預(yù)先對隧道斷面進(jìn)行支護(hù)加固措施，盡最大努力保持巖土不產(chǎn)生形變，使施工能夠按照根據(jù)原先測定的巖土變形量設(shè)計(jì)出的施工方案進(jìn)行施工；

3)當(dāng)施工隧道的掌子斷面間距較短時(shí)，應(yīng)采取全封閉式支護(hù)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最大限度減少支護(hù)變形的目的，使施工狀態(tài)下的隧道巖土形變在最大程度上符合預(yù)先設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

新意法的設(shè)計(jì)及施工階段是一個(gè)動態(tài)的整體，因此整個(gè)階段應(yīng)分為測量階段—診斷階段—處治階段—實(shí)施階段—監(jiān)控階段—最終設(shè)計(jì)調(diào)整階段。其中，測量階段為分析隧道掌子面巖土形態(tài)變化，搜集設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；診斷階段的工作為分析和預(yù)測隧道斷面在不采取任何支護(hù)措施的情況下，其最大變形狀況；處治階段為根據(jù)先前讀取的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出施工時(shí)所需支護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，防止施工是隧道巖體變形超出設(shè)定范圍；實(shí)施和監(jiān)控階段為具體的施工操作和在施工過程中隨時(shí)監(jiān)控隧道圍巖發(fā)生的變化并控制其變形；最終設(shè)計(jì)調(diào)整階段為根據(jù)前面所做的工作，解釋出隧道圍巖形變的原因，根據(jù)分析出的原因設(shè)計(jì)出隧道整體支護(hù)穩(wěn)定系統(tǒng)，使隧道洞身及掌子面與支護(hù)系統(tǒng)之間能夠形成平衡。

新意法的整體施工工序?yàn)橄仍跍?zhǔn)備施工山體外進(jìn)行測量放線，待復(fù)查施工點(diǎn)位無誤后，將鉆機(jī)運(yùn)送至設(shè)計(jì)點(diǎn)位開始開挖作業(yè)，在鉆孔過程中隨時(shí)檢測并調(diào)整鉆孔的角度，鉆孔完成后下噴管噴射灌注水泥漿，噴射完成檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的施工。隨著支護(hù)系統(tǒng)的施工同時(shí)進(jìn)行隧道全斷面開挖作業(yè)，并隨著隧道圍巖土體變形的變化，隨時(shí)調(diào)整隧道的支護(hù)及施工方案。

新意法的最大特點(diǎn)是能隨著施工的進(jìn)程，隨時(shí)檢測隧道土體變形的狀況，能夠及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，做到設(shè)計(jì)與施工同步進(jìn)行，加快了工程中變更處置的速度，提高了施工效率，降低了建設(shè)成本。相比傳統(tǒng)施工工藝施工的隧道，使用新意法工藝的隧道能將施工時(shí)間縮短1/3以上，提前了通車時(shí)間，提高了交通運(yùn)輸?shù)男б妗?/p>

2.2 銑挖法

銑挖法在國外是一種成熟的山體隧道施工工藝，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，為了適應(yīng)新的施工要求，我國于近幾年引進(jìn)了該施工技術(shù)。其主要施工工法為使用專業(yè)銑挖機(jī)，將隧道斷面分層分塊進(jìn)行開挖?，F(xiàn)將隧道斷面開挖分為3層臺階，先將上臺階部分土體開挖，預(yù)留上臺階核心土體作為隧道圍巖支撐，然后搭設(shè)上臺階初襯結(jié)構(gòu)。接下來開挖中中臺階，將中層臺階分為3段(根據(jù)實(shí)際需要可為分更多段)，先開挖兩側(cè)土體，再開挖中間土體，兩側(cè)土體開挖完成后立即施工初襯支護(hù)，待兩側(cè)支護(hù)完成后再開挖中層核心土。下層臺階施工順序同中層一致，待下層核心土開挖完成后做隧道底初襯支護(hù)，所有支護(hù)完成后對整體隧道進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，完成隧道施工。

銑挖法的測量工作與傳統(tǒng)工法相同，銑挖法施工相比于傳統(tǒng)施工方法，具有施工效率高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，且經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，性價(jià)比高，適用于有一定預(yù)算限度的隧道工程。

3 結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸也迎來了其高速發(fā)展的黃金時(shí)期，這就需要投資建設(shè)更多的基礎(chǔ)設(shè)施來提高公路運(yùn)力，維持交通運(yùn)輸發(fā)展水平。而我國地形所致，公路的修建也越來越多地涉及到了山體隧道的施工建設(shè)，隧道工程的立項(xiàng)也逐漸增多。由于各地地形不同，工程建設(shè)的實(shí)際條件及建設(shè)要求也不盡相同，因此需要因地制宜地采取適合本項(xiàng)目的隧道施工工藝，才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸價(jià)值最大化。本文就山體隧道施工的傳統(tǒng)工藝與新興工藝的特點(diǎn)做了相關(guān)研究，比較了其間的施工特點(diǎn)，為工程建設(shè)者根據(jù)自身項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇相應(yīng)施工工藝提供了參考，為其創(chuàng)造最大化的建設(shè)價(jià)值。

[1] 周愛國. 隧道工程現(xiàn)場施工技術(shù)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004 .

[2] 李緒云, 王剛. 隧道工程施工中的工序質(zhì)量控制[J]. 吉林交通科技, 2007(4): 56-57.

[3] 徐華生. 淺探隧道工程實(shí)例中的施工技術(shù)及質(zhì)量控制[J]. 科技資訊, 2008(9): 63.

[4] 朱云飛. 試析隧道大體積混凝土施工質(zhì)量控制[J]. 科技資訊, 2008(14): 57.

[5] 孫建偉, 曲正家. 和風(fēng)山隧道施工的質(zhì)量控制[J]. 黑龍江交通科技, 2010(33): 10.

A Research of Tunnel Construction Technology

ZENG Genlong

(The1stEngineeringCo.Ltd.,ChinaRailway12thBureauGroup,Xi'an,Shanxi710038,China)

This article has made a brief introduction of the excavation of tunnel engineering construction technology with its focus on innovative methods of tunnel excavation in recent years “new method” and “milling excavation method of specific construction procedures. It also talks about the characteristics of these two kinds of new construction methods and construction way to compare with the traditional method, the technical personnel for the related construction.

The tunnel construction; New method; Milling excavation method

2016-11-04

陜西省科技新星科研項(xiàng)目(2013KJXX-54)

曾根龍(1985-)，男，江西豐城人，工程師，研究方向：鐵道技術(shù)，手機(jī)：13718125675，E-mail：954794360@qq.com.

U455.4

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.023