隧道施工管理及技术要点(剧仲林)

隧道施工管理及技术要点剧仲林现代隧道技术是建立在弹塑性力学基础之上的“新奥法”与“矿山法”是两种隧道设计、施工技术原理（或思想、原则），二者开挖、支护的手段基本一致，其本质差别是是否承认围岩的承载能力或在设置支护时是否考虑围岩的承载能力；大禹治水的成功是因为利用了自然，而现代隧道技术——“新奥法”的成功也是利用了围岩的自承能力，这种利用是建立在对围岩的应力状态的科学认识的基础之上的，不懂或不了解弹塑性力学就如中医不懂阴阳论、元气论、五行论一样，其实践必然是盲目的，结果是可悲的；所以，现代隧道技术施工，是用科学而不是用钢材来解决隧道技术问题的。选择“好”隧道工程师隧道技术是集设计、施工为一体的经验科学，所以要求隧道工程师必须具备一定的弹塑性力学、土力学、工程地质学的理论知识，否则，就是放弃了盈利的机会，其数额必在数百乃至上千万元；要注意两种倾向：一是“打过隧道”的隧道工程师：因为“矿山法”与“新奥法”有本质的区别，应用“矿山法”思想处理“新奥法”问题，其结果不是成本加大就是冒险；二是“合理错误”：由于对隧道技术问题认识不足，就盲目确定方案，并通过正当的变更程序变更，造成“合理错误”。几个理论要点弹性力学的应力平衡方程中不含E（弹性模量），也即隧道的应力状态与围岩级别无关，更进一步讲，围岩的自承能力总是存在的，包括软塑状围岩，其关键是如何实现其自承能力（软岩中插锚杆如豆腐里插针的说法是错误的，就如某病人用了一种药而病未治就说所有药都不治病一样是错误的）。隧道周边的应力有法向和切向两个应力分量，其中切向应力远大于法向应力，而且，在隧道周边处，法向应力为零；隧道围岩破坏的原因是由于切向应力与法向应力之差大于围岩抗剪强度所致，而不是压力大于抗压强度所致，所以，在支护设计时增大法向应力（设置侧向约束力）以减小二者之差，与提高围岩抗剪强度同样重要。锚杆的外包单价成为隧道成败的关键以单线铁路隧道为例，Ⅲ级围岩每米设计锚杆为7.3米，单价23元/m，隧道每延米单价11500元，Ⅴ级围岩设计锚杆为98.4米，每延米单价30500元，工费承包价为8元/m，而实际上工队最多施作20%，则Ⅲ级围岩工队赚35元，而项目赚96.5元。由于锚杆数量严重不足，与没打锚杆的效果一样，围岩不稳，这样就必须增设钢支撑，而钢支撑只有Ⅴ级围岩才有，所以围岩级别就由Ⅲ级变为Ⅴ级，而工队Ⅴ级围岩锚杆赚470元，项目赚1300元。但是，按照铁道部的变更设计管理办法，增加的成本完全由项目部承担，则实际上项目部不仅一分不赚，还多支出15000元（考虑其它项）。所以，合理确定锚杆外包单价，确保锚杆施工质量，是目前隧道施工成功的关键。衬砌台车制作要点衬砌台车属钢结构，对于土建专业较为陌生，所以，对于衬砌台车如何做到经济适用，有困难，但是，根据经验，保证衬砌台车的强度和刚度，必须保证其最起码的重量，一般情况：单线铁路隧道衬砌台车重量最少为6吨，最多为7吨；双线铁路或双车道公路隧道衬砌台车重量最少为9吨，最多为10吨；三线铁路或三车道公路隧道衬砌台车重量最少11吨，最多为12吨。压低台车价格直接影响就是重量减轻，刚度不足，使用过程中，每天至少增加两个工，每年增加工费约7万元，而台车节约的不过1t/延米，节约制作费约7万元，如果工期超过2年，再施工中的延误，则后期增加的成本远远超过当初节约的资金。装碴运输设备的选配隧道独头掘进长度超过1700m，通风有困难，宜考虑有轨运输或无轨车辆净烟除尘；一般情况下挖掘机的装碴效率高于装载机，且尾气排放较挖掘机小，应优先选用；单线铁路隧道独头掘进超过500m，运输车辆载重不宜超过13吨。施工用电变压器宜靠近洞口与压风站相邻，拌合站距离变压器最远不宜超过300m；隧道独头掘进超过800m，须考虑10kV高压电进洞，输电线路用铠装电缆；长隧道施工供电宜分两期以上；严格执行“一机、一闸、一漏、一保护”、“三相五线”制、接地有效、闸箱上锁等五项供电安全制度。重点抓好两项安全管理隧道塌方和火工品的管理是隧道安全管理的重点，其共同点是易造成群死群伤和极为恶劣的社会影响；认真作好围岩量测是预防塌方的最有效办法；火工品的管理重点是出库-运输-现场监督使用-退库环节；将围岩量测结果及时公布于众，不要放在案头。进、出洞进、出洞最大的风险在于仰坡的稳定与否；在自然仰坡稳定的前提下，仰坡的稳定取决于对支护的下沉控制；人们习惯于关注缓坡（浅埋）的进出洞安全，而其实陡坡进、出洞风险比缓坡更大，因为，较缓坡多了自然坡稳定与否的风险；大管棚不是确保万一的进、出洞措施，小管棚也不是冒险，其关键在于是否清楚洞口围岩应力状态和支护的作用机理以及与之相对应的工艺工序；出洞宜在自然坡状态下进行，不宜提前刷坡。初期支护三大要点所有系统锚杆与钢架连接；钢支撑纵向梯形连接；拱脚纵向钢筋混凝土托梁。上述三要点是弥补现行规范对形变压力的过分考虑而忽视松动压力以及设计中平面假设与现场不符的不足的有效办法。对钢架作用的合理认识习惯上将钢架作为承受重力的支撑，这是对钢架作用的片面认识，这是“矿山法”理念，是对“新奥法”的曲解，这是许多安设钢架而塌方的直接原因。钢架在提供支撑作用之外，其更重要的作用在于提供于围岩侧向应力，其更准确的定义应为钢带或拱肋。试验证明，增加侧向力可大大提高围岩强度。锚杆质量五要素按照“新奥法”原理，无论何种围岩、何种断面，均采取喷锚支护，不需要钢支撑，这在挪威的实践得以证实。之所以加钢支撑主要就是由于锚杆质量不过关，锚杆质量不过关的原因主要是由于对锚杆的作用机理不清楚以及对锚杆的重要性重视不够。锚杆施工质量五要素：1.锚杆长度：由于现行设计标准锚杆长度不超过塑性区范围，这至少在软岩情况下是错误的，这一点在矿山的实践中证实，所以锚杆长度在确保设计长度的情况下必要时要加长；2.锚杆间距：锚杆的主要作用在于与围岩、喷混凝土、钢架组成组合拱，锚杆间距过大或数量不足，组合拱就有断点，也就是组合拱无法形成。施作20%的锚杆，并不是锚杆作用发挥20%，而是0%。锚杆质量五要素3.锚杆注浆一根锚杆的设计应力为8t，而锚入硬岩40cm，锚入软岩150cm便可达到8t，如果注浆不饱满，锚杆就失效；4.垫板：锚杆不设垫板，无法与喷射混凝土或钢架连接而形成组合拱；5.预应力：锚杆只有达到工作应力状态（锚杆达到工作拉力30～40kN，产生20～50mm的伸长）方能正常发挥作用，对于容许变形量很小的围岩，在锚杆尚未发挥作用就已经塌方；锚杆扭矩：拱顶不小于120N.m，边墙不小于80N.m注意空间效应关于闭合仰拱距离掌子面的距离应根据“空间效应”原理，按照隧道开挖当量直径的1～3倍确定；支护的空洞范围超过1～1.5倍隧道开挖直径就有坍塌的危险；警惕Ⅲ级围岩在距离掌子面2.5倍隧道开挖直径处的侧壁失稳坍塌及局部坍塌。围岩变形的两个关键数据围岩的总变形量不得超过隧道开挖直径的2%，一般情况下按照开挖直径的1%来控制变形量；当变形速率超过20mm/d时，围岩处于极不稳定状态。控制变形（下沉）的最有效办法主动支护，利用围岩自承能力是控制变形的总体指导思想；构造组合拱和闭合初期支护是控制支护变形（下沉）的最有效办法。台阶法开挖的核心思想台阶的划分以稳定掌子面和方便机械和人工开挖及锚杆施工为依据，一般情况下，台阶高度为3.0～4.5m为宜，避免将“三台阶”开挖片面理解；台阶法开挖的核心思想是：以稳定掌子面为前提，实现支护的及早闭合。单线铁路隧道施工组织要注意解决两个干扰：仰拱作业与装碴运输的干扰；二衬作业与装碴运输的干扰；钻爆、锚杆、钢架安装作业应为一个班组，这样可以减少交接时间约一个循环1小时。隧道文明施工“三清”标准1、现场整洁(1)路平：指弃碴场至作业面道路平整，没有淤泥和积水、泥坑和高低不平，各种机械、车辆、人员能顺利到达作业面。(2)灯明：指洞内照明设备、器具齐全，每10~15米一个灯泡，所有灯泡底端在一条直线，架设线路沿洞身顺直，衬砌混凝土表面1平方厘米的斑点能看清楚，作业面亮度明显，不留死角。(3)管顺：指洞内、外风管、水管顺直，距作业面较近的皮管下班或交接班时安放有序，迅速关（封）闭出风、出水口，风管不漏风，水管不漏水。(4)烟少：指隧道洞内通风设备安装规矩齐全，通风管不漏风，通风机风量足，及时通风，粉尘、有害气体少。(5)沟通：指排水沟不得淤积，时刻保证排水畅通。(6)牌靓：要求工队保护好现场各种标牌，不得损毁和污染。2、物料清楚(1)洞内外各种材料堆放整齐有序：如水泥、沙子、石料、木材、钢材、模板、拱架、机具、废弃材料具按指定地点、指定标准堆放（要有明确的标示牌）等，重点检查水泥、钢材堆放，做到不雨淋、无浸泡，钢材不生锈；(2)洞内外材料使用清楚；混凝土拌合站成拌合机拌料时，堆料处配合比清楚；每拌一盘各种材料计量清楚；水泥标号、钢材型号清楚；领料时手续清楚。3、作业面清洁(1)作业面“无头”、“无底”：如钢筋头、木材头、电线头、管子头、铁丝头；无砂底、碎石底、灰底、垃圾底，要求各作业班组收工必收底。(2)作业面机具停放有序：指使用过混凝土喷射机、风枪、混凝土输送泵、输送管等及时洗刷干净，排放整齐，风钻摆放在专门的铁架上，钻杆放在铁匣中。(3)衬砌台车上无水泥等污物。2008年1月6日