隧道施工常用理論與技術(shù)研究

陳玉鍵 王璐 閉芬 李強(qiáng)

摘要：隨著隧道建設(shè)行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)已形成了比較成熟的隧道施工理論與技術(shù)。本文主要介紹了我國(guó)隧道施工的理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。對(duì)隧道施工常用的5種理論與方法進(jìn)行了介紹，包括礦山法與新奧法、盾構(gòu)法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技術(shù)。與此同時(shí)，對(duì)每種隧道施工方法的重點(diǎn)與難點(diǎn)、適用范圍、關(guān)鍵技術(shù)等作了說(shuō)明。對(duì)隧道施工理論與技術(shù)發(fā)展方向研究有一定的參考價(jià)值。

Abstract： With the continuous development of the tunnel construction industry， China has formed a relatively mature tunnel construction theory and technology. This article mainly introduces the current state of development of the theory and technology of tunnel construction in China. Five theories and methods commonly used in tunnel construction are introduced， including mining method and new Austrian method， shield method， immersed pipe method， open cut method and TBM tunnel construction technology. At the same time， the key points and difficulties， scope of application， and key technologies of each tunnel construction method are explained. It has certain reference value for the study of tunnel construction theory and technology development direction.

關(guān)鍵詞：鉆爆法;盾構(gòu)工法;沉管工法;明挖法;TBM隧道修建技術(shù)

Key words： drilling and blasting method;shield tunneling method;immersed pipe method;open cut method;TBM tunnel construction technology

中圖分類號(hào)：U452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0248-02

0? 引言

改革開放以來(lái)，我國(guó)的隧道建設(shè)越來(lái)越多。對(duì)于隧道施工的理論與技術(shù)研究也越來(lái)越成熟。錢七虎[1]對(duì)不良地質(zhì)地段隧道工程的超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展進(jìn)行了全面總結(jié)，并綜述了各種超前預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。劉聰?shù)萚2]針對(duì)復(fù)雜大斷面隧道工程的施工進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了圍巖的力學(xué)響應(yīng)特征。徐鐘[3]進(jìn)行巖溶隧道的涌突水災(zāi)害防治措施研究，為巖溶隧道施工技術(shù)提供依據(jù)。張俊家等[4]研究了公路隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于隧道災(zāi)害預(yù)警及安全管理。肖洋等[5]針對(duì)褶皺構(gòu)造隧道工程的地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究，并提出了相關(guān)問(wèn)題的解決對(duì)策。李術(shù)才等[6]全面對(duì)比研究TBM和鉆爆施工隧道工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。洪開榮[7]對(duì)多種類型隧道及地下工程的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)分析。趙勇等[8]針對(duì)我國(guó)高鐵隧道的地質(zhì)、斷面、襯砌、軌道等特點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)。張頂立[9]針對(duì)隧道圍巖力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，并分別針對(duì)圍巖不同深淺程度構(gòu)建了力學(xué)分析模型。梁榮柱等[10]針對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中刀盤的擠土效應(yīng)進(jìn)行研究，研究提出了不同深度土體水平位移規(guī)律。

本文主要介紹我國(guó)隧道施工5種常用理論與技術(shù)。隧道施工常用的施工方法如表1所示。

1? 礦山法與新奧法

礦山法與新奧法也稱鉆爆法，該方法經(jīng)鉆孔、裝藥、爆破等過(guò)程開挖巖石。其設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程包括古典壓力理論、彈塑性力學(xué)理論、新奧法理論、能量支護(hù)理論。荷載-結(jié)構(gòu)法和地層-結(jié)構(gòu)法是隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算常采用的方法，荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型為其計(jì)算模型。工程類比法、荷載-結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法、信息反饋法、綜合設(shè)計(jì)法等為其設(shè)計(jì)方法。初始地應(yīng)力場(chǎng)、施工影響、巖體力學(xué)等因素與計(jì)算參數(shù)密切相關(guān)。礦山法的施工原則有少擾動(dòng)、早支撐、慎撤換、快襯砌。其施工順序有順作法、逆作法。

新奧法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、巖體力學(xué)理論、圍巖自穩(wěn)能力，使錨桿與噴射混凝土為整體的支護(hù)方法。達(dá)到隧道巖體壓力由錨桿、噴射混凝土、圍巖三者共同承擔(dān)的目的。新奧法施工原則為少擾動(dòng)、早噴錨、勤量測(cè)、緊封閉。隧道施工采用鉆爆法時(shí)，鉆孔、裝藥、爆破等方式被采用。運(yùn)用圍巖-結(jié)構(gòu)支護(hù)理論、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)、施工作業(yè)等重要的施工方法。對(duì)于開挖方法，則有臺(tái)階法、全斷面法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形開挖留土法、CRD法、CD法。根據(jù)隧道開挖的實(shí)際情況，對(duì)于不同的圍巖情況應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的支護(hù)形式。當(dāng)考慮隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化時(shí)，使用全站儀、收斂計(jì)、水準(zhǔn)儀等形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)的變化情況。針對(duì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)情況，我國(guó)采用的方法和設(shè)備有地質(zhì)分析法、超前導(dǎo)洞法、超前鉆探法、巖體溫度發(fā)、紅外探水儀。面對(duì)隧道開挖時(shí)突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，處理應(yīng)對(duì)的原則為“防、排、堵、截”，除此之外還有注漿、疏水降壓、水源探測(cè)等綜合治理措施。

2? 盾構(gòu)法

盾構(gòu)工法的目標(biāo)是使內(nèi)部水壓力或泥水壓力與開挖面土壓力保持平衡。該方法有管片設(shè)計(jì)、盾構(gòu)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)、選擇類型以及始發(fā)到井設(shè)計(jì)等幾個(gè)步驟。根據(jù)隧道的工程地質(zhì)情況，其中耐久性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、土質(zhì)條件等很大程度的決定刀盤的設(shè)計(jì)。此外，鉸接機(jī)構(gòu)、舉重臂、推進(jìn)裝置、附屬結(jié)構(gòu)等決定了盾構(gòu)的主體設(shè)計(jì)。值得注意的是，設(shè)計(jì)方法的決定性因素是開挖面的穩(wěn)定性。

盾構(gòu)，顧名思義，即使用盾構(gòu)機(jī)在地下進(jìn)行掘進(jìn)施工作業(yè)。該方法有對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小、自動(dòng)化作業(yè)、一般沒有地面施工作業(yè)等特點(diǎn)。隨著城市建設(shè)的需要，如今的隧道已經(jīng)遍布到繁華街區(qū)的地下。為了滿足環(huán)境的要求，需要在隧道上面預(yù)留吊裝口始發(fā)作業(yè)已不再適用。在盾構(gòu)施工作業(yè)中，重點(diǎn)技術(shù)為盾構(gòu)到達(dá)。如果把洞門去除，則暴露了端頭地層，帶來(lái)的結(jié)果就是端頭受力已經(jīng)不再平衡。因此考慮到自穩(wěn)土體時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題，如果時(shí)間比較短，則需要對(duì)端頭進(jìn)行加固。該端頭即為始發(fā)掘進(jìn)前的端頭。在對(duì)隨待進(jìn)行盾構(gòu)法施工時(shí)，為了對(duì)隧道高質(zhì)量施工和保證施工的持續(xù)性進(jìn)行下去，則需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行良好的維護(hù)。即在施工中盾構(gòu)姿態(tài)要合適。在施工中要重視控制地面沉降的情況。對(duì)于盾構(gòu)管片而言，其中可控制的因素有注漿材料、注漿參數(shù)。在施工中考慮到施工工期長(zhǎng)短問(wèn)題、豎井的設(shè)置問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，可以使用地中對(duì)接的盾構(gòu)技術(shù)。當(dāng)盾構(gòu)施工中遇到不好的地質(zhì)情況，則需要商議進(jìn)行專項(xiàng)的施工方案。不好的地質(zhì)情況有黃土地層等，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的損害有刀具磨損等問(wèn)題。

3? 沉管法

提到沉管法，隧道橫截面形狀一般是多孔箱型，材料為鋼筋混凝土。對(duì)于尺寸問(wèn)題，則橫向尺寸小，縱向尺寸大。計(jì)算理論方面考慮彈簧地基，方法采用分層法。在進(jìn)行縱向分析計(jì)算時(shí)，一個(gè)重要步驟即模擬接頭。為了保證的結(jié)果的準(zhǔn)確性，已經(jīng)不能在按之前的將接頭認(rèn)為鉸接或者剛接。與一般的隧道相比較，沉管隧道存在特殊性。其一是沉管隧道的修建地點(diǎn)一般是軟弱地層，所以要對(duì)地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生沙土液化問(wèn)題，從而造成不均勻沉降等問(wèn)題;其二是上覆土層對(duì)于隧道的約束力非常小，這是由上覆土層的厚度非常薄所導(dǎo)致的;其三為由于地下水的存在和沉管隧道的重要性決定的。如果隧道破壞后果十分嚴(yán)重;其四是對(duì)于破壞后隧道的修復(fù)十分困難。

管節(jié)制作材料變化、橫截面尺寸改變與總箱長(zhǎng)度變化、截面形狀的改變;適用范圍大;施工工期長(zhǎng);結(jié)構(gòu)等因素對(duì)環(huán)境的影響和擾動(dòng)大;力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜;施工難度大等是沉管隧道的施工特點(diǎn)。對(duì)于沉管隧道基礎(chǔ)的處理方式依據(jù)有抗震要求、水文地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)資料、施工設(shè)備供應(yīng)條件、工期和經(jīng)費(fèi)情況、實(shí)際的試驗(yàn)情況、施工方案等。為了保證浮運(yùn)沉放和使用壽命，要重視管節(jié)預(yù)制這一重要的施工緩解。其次管節(jié)沉放對(duì)于整個(gè)施工過(guò)程的重要性也不言而喻。因影響管節(jié)沉放的復(fù)雜因素太多，所以需要在沉放過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，以保證管節(jié)沉放作業(yè)的順利進(jìn)行。

4? ?明挖法

在有支護(hù)或無(wú)支護(hù)的情況下，需將上覆土或巖體挖除形成溝槽或基坑。然后建造主體結(jié)構(gòu)和襯砌工程，按此種方法施工的隧道為明挖隧道。該施工方法稱為明挖法。懸臂圍護(hù)基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐基坑、放坡基坑等明挖基坑可按圍護(hù)方式的不用分此三種類型。運(yùn)用地基反力、極限平衡、桿系的有限元等方法設(shè)計(jì)基坑支護(hù)時(shí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加外力后，對(duì)于影響結(jié)果正確性的主要原因是由土壓力的理論決定的。對(duì)于荷載的結(jié)構(gòu)模型而言，承載主題為基坑支護(hù)，外部的約束分為地層引起的荷載以及支護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)力與變形可由結(jié)構(gòu)力學(xué)求解得知。有內(nèi)支撐體系、基坑變形控制、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑穩(wěn)定性等幾種設(shè)計(jì)方法。

施工速度快、技術(shù)和理論成熟、施工范圍大、造價(jià)低是明挖法施工的技術(shù)特點(diǎn)，該方法是我國(guó)早期大量使用的隧道施工方法。基坑和邊坡支護(hù)、土方開挖、防水工程、主體結(jié)構(gòu)等是主要步驟。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系施工是明挖法的兩大關(guān)鍵技術(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)有錨索支護(hù)、土釘支護(hù)、水泥攪拌樁、地下連續(xù)墻、旋噴樁、灌注樁、雙排樁等。基坑支護(hù)有內(nèi)支撐系統(tǒng)與外支撐系統(tǒng)。內(nèi)支撐系統(tǒng)有圍檁、立柱、內(nèi)支撐等。外支撐系統(tǒng)有錨桿、錨索等。

5? TBM隧道修建技術(shù)

TBM即巖石隧道掘進(jìn)機(jī)。該機(jī)器的制造一般有刀具和刀盤、大直徑多功能巖石隧道掘進(jìn)機(jī)、小型巖石隧道掘進(jìn)機(jī)等。有雙護(hù)盾、敞開式、單護(hù)盾三種類型。巖石隧道掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)有運(yùn)距長(zhǎng)掘進(jìn)量大等特點(diǎn)。要求巖石隧道掘進(jìn)機(jī)與良好的出渣系統(tǒng)配合使用。對(duì)于隧道和隧洞的掘進(jìn)技術(shù)，巖石隧道掘進(jìn)機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)扮演著十分重要的角色。此外，管片拼接、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)與襯砌掘進(jìn)同步、復(fù)合襯砌施工等技術(shù)也十分先進(jìn)。

6? 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了隧道施工的理論與技術(shù)。包括礦山法與新奧法、盾構(gòu)法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技術(shù)。介紹了礦山法與新奧法理論的發(fā)展過(guò)程、計(jì)算模型、常用儀器、施工原則;總結(jié)了盾構(gòu)法的施工步驟、盾構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素、施工特點(diǎn)、施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)、不良地質(zhì)的專項(xiàng)施工方案;說(shuō)明了沉管法的理論計(jì)算、適用的修建地點(diǎn)、沉管隧道的特殊性、施工特點(diǎn)、管節(jié)預(yù)制、管節(jié)沉放;歸納了明挖法的明挖基坑、基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)方法、施工特點(diǎn)、施工步驟、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系施工;概括了TBM隧道修建技術(shù)的制造類型、施工特點(diǎn)、施工條件等。雖然我國(guó)的隧道施工理論與技術(shù)已非常成熟，但我們?nèi)匀挥泻荛L(zhǎng)的路要走。

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