高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择

高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择1引言对于一座隧道来说，一般有各种不同的、可能都适用的施工方法可供选择，这取决于许多变化的因素，包括地质一土工一岩石力学一水文地质等条件，所要开挖的岩体和土体的特性，设计时所能掌握的地下开挖技术等等。但是，所有的施工方法原则上都可归类为2种主要方法中的一种，即传统施工方法和机械施工方法。对于大埋深、长隧道施工，越来越倾向于优先采用机械施工方法，其目的的主要在于缩短工期。尽管机械施工方法是一种现代化的先进技术，但它并不是一种无风险的方法。遇到不同于设计预测的地质和水文地质条件，或者施工机械本身的性能不理想，或者仅仅是实现的地屋一机械系统性能偏离理论的情况，都将导致产生一系列的问题和风险。如果不进行适当管理，这对于隧道工程来说常常是灾难性的。在世界各地，主要是在发达国家已经修建了许多特长的交通隧道，从中获得的共同经验表明，高速铁路隧道的施工，特别是大埋深、长隧道的施工一般具有很高的风险性。这类隧道工程的成功很大程度上取决于勘察的水平和正确施工技术的选择。从风险管理的角度出发，笔者强列地认为，正确选择一座隧道的施工方法是“首要的风险减轻措施”，或者“首要的对策”或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反应。因此关键的问题是，如何针对一座隧道做出正确的选择。本文简要回顾最近的欧洲重大高速铁路隧道工程实例、以及近年来所掌握的属于两种主要施工方法（机械施工方法和传统施工方法）的开挖技术（注重其优缺点），并在风险分析和多重标准分析原理的基础上建议采用一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法。本文以里昂-都灵高速铁路连接线工程为例，并连同其他经验来阐述所建议的方法。里昂-都灵高速铁路连接线工程的所有进入隧道目前已开始施工，整个工程的参考设计方案（即所谓的APR-PD设计包）已经完成并提交意大利和法国政府审批。2适用施工方法的回顾隧道施工方法可分为两大类：机械方法（使用TBM开挖地层）和传统方法（使用炸药或机械工具开挖地层）。下面总结这2种方法的突出特征。2.1机械方法的主要特征长大、深埋隧道主要设计修建于岩石中。在岩层中运用的机械施工方法包括2种类型的隧道掘进机（TBM）。第一种是开敞式TBM，它通过纵向千斤顶作用在坚硬的支撑框架上向前推进,而支撑框架则由一组或两组在洞径方向相对伸展的撑靴顶推在已开挖隧道的断面上来稳住。第二种是护盾式TBM，在盾壳本身（后面部分）的保护下安设管片，刀头前进所需的接触压力通过纵向顶住已安装的管片衬砌而获得。护盾式TBM有2种类型：即单护盾TBM和双护盾TBM。与没有护盾的TBM类似，双护盾TBM具有建造在此后盾壳内的撑靴，因此它有双顶推系统，可以提供连续作业循环的可能性。特别是通过双顶推系统，TBM可以在不顶住预制管片衬砌的情况下而向前移动，这样就可以在TBM向前掘进的同时安设管片。另外，如果地质条件许可，双护盾TBM也可以仅仅依靠顶住后面撑紧的盾壳而向前移动，而不需要安设管片。或者反过来，双护盾TBM可以像单护盾TBM一样进行工作，即如果围岩条件不能提供有效和足够的支撑，他可仅通过顶压管片而向前移动。开敞式TBM可比同一直径的护盾式TBM短得多，允许靠近工作面设置支护，如径向锚固。在TBM后面的后配套（也称为后勤系统）中，可以进行其他施工作业。这样的后配套系统或者由TBM制造商设计，或者由有经验的承包商直接设计，可以跨接永久衬砌的设置区域，特别是在隧道的底部，使得能够将施工材料运到工作面的作业区并为TBM提供新鲜空气、能源、冷却水等。其它重要的革新在于使用高度机械化和自动化的系统来设置支护及使用专用列车或者连续反带输送系统连续出碴。机械方法的主要优点是：（1）通过几乎连续和平行的方式进行断面的开挖和支护，实现施工工序的高度工业化，因此采用该方法能使独头掘进的长度有显著增加，减少了工作面的数量。（2）可以在离开挖面最短的距离处设置支护，在采用护盾式TBM的情况中几乎可以在工作面处直接设置支护。（3）作为上述优点的直接结果，该方法可能缩短工期、降低费用和提高最终产品，即隧道的质量。（4）另一方面的优点是对于工作提供了较高的安全条件。对过去10年机械施工方法所做的持续技术改进极大地扩大了机械方法在岩石隧道工程中的运用范围，进一步提高了掘进效率。事实上，目前使用机械方法掘进9~10m直径的高速铁路隧道，在一系列无异常地层条件下每天的掘进速率可以达到15~40m，如表1中所总结的许多实例所示。另一方面，应指出机械施工方法的缺点：（1）难于在理论断面周围形成大的、连续的超挖，以适应潜在的大的变形（收敛），如在挤压/膨胀地层中常常要求的那样。（2）难于进行工作面前方的地层加固或处理，特别是在隧道仰供周围区域。（3）一套用于掘进10m直径的高速铁路隧道的机械机组，其总的长度可能达到200m，而且在安装后它在很大程度是一个刚性系统，并且它的操作主要遵循一系列的标准。因此，一旦实际的地层条件要求改变施工方法，则某一具体的机械方法的选择常常是不可撤回的，其造成的严重后果是工期延长，费用增加。换句话说，对于未预料到的变化的地层条件（预计的工作条件范围之外的情况），机械施工方法自身的适应性较小，因此采用这种方法必须承担相对较高的风险。出于这一原因，人们也开始倾向于给掘进机工作面提供支撑压力（像土压平很）的可能性，以进一步扩大机械施工方法的作业条件范围。与传统法施工的隧道相比，采用TBM掘进隧道要求有额外的空间。特别是需要有大的作业场地用于TBM和后配套系统的始发。除此之外，与施工相关的后勤工作应考虑所预计的TBM掘进速率，其掘进速率可能比同等（类似）条件下传统施工方法的掘进速度快3~4倍。但是还应记住，由于减少了开挖掌子面的数量采用机械施工方法所要求的总的作业场地数量也就大大减少了，同时也就减少对环境的影响。TBM的投资费用远远大于钻爆法。购置和安装TBM所花费的时间一般也大大多于钻爆法所采用的机械。另外，总的来说，机械法施工的隧道工程要求作业人员具有不同于钻爆法所要求的技能，而且还要求聘用更多的专家。2.2传统施工方法（钻爆法、新奥法等）的主要特征该方法受大多为人力施工工序的循环作业影响，具有以下与众不同的确作业阶段；（1）采用炸药及/或点击开挖机械工具（挖掘机、液压锤、巷道掘进机）破岩。（2）靠近开挖面设置临时支护。（3）根据岩体特征和后勤工作的需要，在离开挖面一定距离的地方设置防水系统和永久衬砌。一般情况下，初期支护的设置应尽可能靠近开挖面，而最终初砌的浇筑可在离开挖面不同距离处进行，这取决于总的施工工序和相应的作业循环（如仰拱的设置可在开挖面附近或在初始衬砌浇筑后进行）。传统施工方法在以下几方面具有非常灵活的特点：（1）开挖尺寸（全断面开挖或者分步开挖，横断面可变）。（2）支护设置到开挖面的距离。（3）可以“相对容易地”在开挖面前方进行超前勘探和地层处理。（4）可以获得想得到的大尺寸超挖，并在需要时设置可变形的支护。（5）可以根据所遇到的地层条件调整地挖技术和支护技术，即所谓的适应性。在正常条件下，传统施工方法所能获得的平均进尺寸4~10m/工天，而在困难条件下则为0.5~2m/工天。该方法的主要缺点是：安全条件相对较低；施工耗费人力；由于循环作业的性质，生产效率低下，特别是有效性和掘进速度。如今，传统的隧道循环作业也可得到高度机械和部分自动化的专用机械的支持，如在圣哥达山底隧道所采用的那样。传统施工方法能够适用于几乎所有的正线隧道，长大双孔隧道之间的横通道、地下救援车站和安全车站的施工。此外，有些洞段如果已经排除了使用任何机械方法开挖的可行性或可能性，则对于这些洞段来说传统的方法是唯一的选择。对于某一具体洞段来说，选择采用钻爆法还是TBM开挖主要取决于预测的施工条件及其变化范围，要开挖的洞段长度，以及允许用来建造该洞段的总时间。施工条件变化越大，长度越短，则使用传统施工方法的优点就越多，反之亦然。3施工实例的回顾近年，欧洲国家大力发展高速铁路，由于特殊的地形设定，这些铁路囊括了世界上大部分的最长及埋深最大的铁路隧道。表1总结了欧洲主要的长大、深埋铁路隧道，这些隧道或者已完工，或者正在修建，或者处在先期开发阶段。根据表1所列的数据及笔者所掌握的这些工程的背景资料，可以得出以下观察结果：（1）欧洲的许多新建高速铁路项目包括在地质条件变化极大的情况修建下非常长的及大直径的隧道，特别是在阿尔卑斯山地区。（2）除了工期和费用限制条件外，还存在一系列的风险，特别是隧道标高处的挤压地层、高压地下水（最高达200bar）、岩爆、高地温等是影响施工的关键因素。（3）在一个给定的铁路线走廊中，连接两相邻点的最佳线路并非一定是直线。许多因素影响着定线的选择（Kalamaras等，2001）。影响最佳线路选择的一个普遍因素是地质条件，表1所列的工程实例均是这种情况。（4）由于运营安全的原因，欧洲高速铁路隧道的结构无一例外都是双孔形式，而且对于非常长的隧道都预计设置地下救援站、安全站或多用途车站。（5）这些隧道的开挖直径一般在9~10m，视预计的开挖后地层变形特性而定。（6）为缩短工期及因为通风的需要，这些非常长的铁路隧道常常分成一定数量的区段及相应的施工标段（Pajares隧道、勒奇山山底隧道、圣哥达山底隧道）。（7）常常要求采用机械施工方法，以限制项目的工期，在某些情况下是为了提高工期和费用预算的可靠性。（8）具体使用TBM类型为开敞式TBM和护盾式TBM（单护盾或双护盾），具体类型取决于设计采用机械施工法进行掘进的区段的地层条件。另外，单护盾或双护盾TBM并不总是隧道开挖的正确方法，特别是在预计有很多洞段存在不利地层条件的情况时，如发生快速挤压的地层和（或）工作面坍塌。（9）这种尺寸的TBM的独头掘进最长距离还未超过15km。（10）为修建正线隧道，仅采用机械施工方法（TBM）是可行的，但仅仅是一个特例（参见瓜达腊马隧道和Abdalajis隧道），在前一个隧道工程中，沿隧道线路超过90%的岩体的质量都有利于TBM开挖，另外施工方和设计方的良好合作。在后一个隧道过程中，其长度相对较短并为此开发了一种特殊类型的TBM——DSU型TBM（Grandori和Romualdi，2004）以对付可能的大的收敛变形。(11)传统施工方法在修建这些长隧道中仍然起著重要作用。最后应指出的是，在表1最后一列所给出的施工工期是实际的或者预计的，而且这些工程实例具有以下共同的特点：（1）规划、设计和环境评估阶段的时间非常长，一般都持续了几十年。（2）针对长隧道选择最佳施工方法的问题确实复杂，它几乎从来都不是一个纯粹的技术问题。（3）通常需要首先在技术可行性、隧道施工、运营要求、费用和环境影响之间进行大的折衷。4方法4.1与施工方法选择相关的风险总体考虑高速铁路长隧道是非常复杂的土木工程，其一般位于偏远的高山地区，进入条件困难且既有基础设施非常有限。因此，很难进行现场勘察，以弄清所规划隧道沿线的地层条件，这要花费大量的时间和费用，而这正是从技术上正确选择施工方法的关键之处。根据隧道界积累的经验，与高速铁路深埋长大隧道有关的典型不利条件包括：（1）高地应力，很难加以确定（特别是水平应力），意味着作用于隧道支护上的地层压力非常大。（2）在其无侧限抗压强度低于平均原位应力的岩层中，具有强烈的挤压和高的塑性变形（大的收敛和强度的软化）。（3）在非常坚硬、原位应力水平非常高的岩层中会出现岩爆。（4）黏土质岩层中的膨胀和蠕动（长时间的隧道底部变形）。（5）高水压和（或）大的涌水。（6）断层的剪切带，其强度常常非常低，水压非常高（工作面和洞室不稳定）。（7）严重破碎带，力学性能差，各向异性，可能需要对工作面前方地层进行预处理，以穿越断层带。（8）高的地温和水温可能要求在施工中进行良好的通风甚至冷却。（9）沿隧道穿越的活动断层出现因地震引起的局部位移。（10）环境影响，特别是对地下水体系的不良影响，对公众的干扰和对洞门区域土地和财产的干扰。在某一隧道区段内这些不利条件的存在与否，以及存在的话这些条件的出现频率，对于选择施工方法