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中国铁建隧道建设技术的创新与发展韩风险中国铁建股份有限公司二〇一三年六月二、中国铁建隧道建设技术的创新与发展三、隧道建设技术发展趋势目录一、前言一、前言中国铁建作为国务院国资委管理的特大型建筑企业，业务涵盖工程承包、设计咨询、工业制造、房地产、物资物流、特许经营、矿产资源和金融保险等，从以施工承包为主发展成为科研、规划、勘察、设计、施工、监理、维护、运营和投融资等完善的行业产业链企业，具备了为业主提供一站式综合服务的能力。一、前言中国铁建抓住“十一五”和近年来国家基础设施建设发展机遇，承担了大量隧道工程建设项目，每年完成超过1500km隧道工程，实现了我国隧道技术的创新发展。在保持山岭隧道、高原隧道技术领先优势的同时，在水下隧道建设技术方面也取得重大突破；主持和参加了我国几乎所有标志性隧道工程项目建设，部分代表性工程如下：一、前言一、前言海拔最高、穿越冻土最长的高原隧道—青藏铁路风火山隧道首座超大断面、富水黄土高铁隧道—郑西客专张茅隧道第一座超过20km的铁路隧道—兰武二线乌鞘岭隧道已开通运营最长的铁路隧道—石太客专太行山隧道第一条海底隧道-厦门翔安隧道一、前言技术难度最大的过江隧道-南京长江隧道已建最长水下隧道、第一条水下铁路隧道—广深港狮子洋隧道在建国内高海拔第一长隧—西格二线新关角隧道在建TBM修建最长、直径最大铁路隧道—兰渝铁路西秦岭隧道在建高原客专第一长隧—兰新二线达坂山隧道我国北方第一条、首条高震区沉管隧道—天津海河隧道二、中国铁建隧道建设技术的创新与发展二、中国铁建隧道建设技术创新与发展近年来，中国铁建通过自主创新和协同创新，在山岭和水下隧道基础性技术、共性技术和关键性技术领域取得显著成绩，隧道修建能力进一步提升，主要表现在：(1)复杂地质、地形和地理环境条件下的隧道修建能力(2)隧道修建速度和长大隧道设计施工水平以下主要结合部分山岭和水下隧道工程项目简单介绍。是目前我国开通运营的最长山岭铁路隧道；隧道为双洞单线，下行线全长27839m，上行线全长27848m，两线间距35m；穿过海拔为1311m的太行山山脉主峰，最大埋深445m。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展工程简介太行山隧道太行山地理位置地形图1.山岭隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展技术难点1.山岭隧道太行山隧道太行山隧道建设需要解决以下重难点技术：1)特长隧道硬质围岩快速施工技术；2)长距离掘进施工通风技术；3)斜井无轨运输快速施工技术；4)斜井有轨运输快速施工技术；5)长隧道控制测量技术；6)多斜井多工作面同时开挖组织模式。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术隧道采用钻爆法施工，全隧道设进口、出口和9个斜井共11处施工通道，24个工作面。1）隧道设计为两座单线隧道，采用复合式衬砌；2）两座单线隧道间设置贯通的救援通道；3）隧道内铺设双块式无砟轨道，采用60kg/m的重型钢轨；4）隧道正洞Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法施工，Ⅳ级围岩采用台阶法施工，Ⅴ级围岩及Ⅵ、Ⅴ级膏溶角砾岩地段采用短台阶法施工；5）施工通风主要采用长管路独头压入式，利用风管对单独掘进工作面供风。1.山岭隧道太行山隧道位于兰渝铁路中段，地处甘肃省陇南市内；隧道长28236m，为我国（含在建）第二长铁路隧道；是我国采用TBM修建的最长铁路隧道。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展工程简介兰渝西秦岭隧道1.山岭隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展1.山岭隧道技术难点兰渝西秦岭隧道1）开挖直径10.23m，是目前我国采用掘进机修建的最大直径的铁路隧道；2）地质复杂，隧道通过秦岭冒地槽褶皱带，主要通过3个时代的6套地层，有5条断裂带、5个褶皱核部，隧道按基本烈度八度设防；3）TBM拆卸洞室断面大，呈蘑菇型，高达20.81m，宽达17.7m，施工周期长，安全风险大。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展采用开敞式TBM掘进，有轨运输；采用TBM自带锚杆钻机及混凝土喷射机械手进行系统支护施工；皮带机出渣运输条件下，采用16m同步衬砌台车施作拱墙衬砌。1.山岭隧道修建技术兰渝西秦岭隧道隧道施工方法及其范围二、中国铁建隧道建设技术创新与发展1.山岭隧道修建技术兰渝西秦岭隧道西秦岭隧道TBM西秦岭隧道施工图位于青海大通县和门源县境内，是兰新二线最长隧道；为双线隧道，全长15.897km，基本尺寸12.6m×14.9m；高原客专第一长隧，海拔最高的客专隧道。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展工程简介达坂山隧道1.山岭隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展1.山岭隧道技术难点1）高寒缺氧，平均海拔约3000m、最高4211m，极端最低气温-34.5℃，最大积雪厚度130cm，最大冻结深度184cm，隧道最大埋深1085.5m，工程抗防冻要求严格；2）位于达坂山深断裂系大坂山结合带主断裂附近，穿过4条区域断层和7条次级断层，区内断裂、褶皱及地下水均发育，且存在较高的地应力。达坂山隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术采用新奥法的复合衬砌结构，铺设无砟轨道；衬砌混凝土的抗渗等级、耐久性和防冻融要求高，两端洞口各1000m进行保温设计；采用钻爆法施工；设3座双车道无轨运输斜井和贯通平导；总结形成高原高寒防冻胀技术、高地应力岩爆及大变形预测技术、高地应力富水软岩隧道结构安全技术等成套高原高寒地区复杂地质条件下特长高铁隧道综合修建技术。1.山岭隧道达坂山隧道达坂山隧道光面爆破达坂山隧道斜切式洞门施工二、中国铁建隧道建设技术创新与发展1.山岭隧道达坂山隧道效果图出口洞门图修建技术达坂山隧道我国大陆第一条海底隧道；隧道最深在海平面下70m，双向6车道，行车速度为80km/h，兼具公路和城市道路双重功能。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展2.水下隧道工程简介厦门翔安隧道隧道位置示意图开挖最大断面尺寸为17.04×12.55m(170m2)；V型纵剖面，下坡施工，施工排水量大；经过陆域、浅滩带和海域三种地貌，穿越软弱地层、富水砂层、风化深槽、海底硬岩等复杂地层；水量大，水压高，施工难度大，安全风险高。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展技术难点2.水下隧道厦门翔安隧道隧道断面图二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术整体采用钻爆法施工；综合超前地质预报，地面垂直注浆、帷幕注浆和双侧超前小导管注浆超前加固技术；CRD或双侧壁导坑法开挖，喷射混凝土、钢筋网片、钢拱架联合支护技术；总结形成软弱地层大断面海底隧道施工稳定性控制技术、海底隧道穿越富水砂层综合施工技术、穿越海域风化深槽（深囊）综合施工技术、海底硬岩控制爆破技术等成套海底隧道修建技术。2.水下隧道厦门翔安隧道位于广深港客专东涌站至虎门站之间，穿越狮子洋，河面宽度6100m；设计车速350km/h，为双线高速铁路隧道；总长10.8km，盾构段9340m，双管单线，隧道外径10.8m。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展2.水下隧道工程简介狮子洋隧道隧道地理位置示意图铁路第一条水下隧道；国内已建最长的水下隧道；世界上行车速度目标值最高的水下隧道；国内水压力最大的水下隧道，最大水压0.67Mpa；国内第一条进行地中对接施工的盾构隧道；国内第一次使用内衬的盾构法隧道。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展技术难点2.水下隧道狮子洋隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术设计方面：采用高铁盾构法水下隧道断面设计准则、覆盖厚度确定方法、盾构管片耐火极限等创新设计方法；应用盾构地中对接技术、综合减振技术、双层衬砌、双道密封垫、隧道洞口缓冲结构、过渡段设置竖直剪切键抗不均匀沉降等创新技术。2.水下隧道狮子洋隧道水下救援定点图隧道地中对接设计图减震轨道结构二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术施工方面：整体方案为二个工作井、四台盾构相向施工、地中对接、洞内解体方式施工；形成长距离掘进盾构设计与配置、相向掘进盾构对接技术、隧道轴线控制技术、复合地层盾构施工技术、地下防坍和变形控制技术、联络通道施工等成套技术。2.水下隧道狮子洋隧道竖井180m597m23m盾构段20m4440m对接现浇段盾构段130m4880m建筑总长10800m隧道长度10490m竖井23m507m广州东涌小虎沥沙仔岛深圳穗丰年西大坦狮子洋沙仔沥(m)-70-60-50100-10-20-30-40进口工作井W4全风化基岩强风化基岩3W弱风化基岩2W第四系土层-80暗埋段明挖暗埋段明挖暗埋段明挖暗埋段明挖出口工作井土层2W2W2W2W2W3W3W3W3W3WW4W4W4W4土层土层土层土层地质剖面及覆盖层盾构对接2.水下隧道穿越长江直径最大、距离最长、工程难度最高、挑战性最多的盾构隧道；6车道城市快速通道，总长6.2km，盾构段3930m，盾构直径近15m。二、中国铁建隧道建设技术创新与发展工程简介南京长江隧道南京长江隧道地理位置图盾构直径超大，刀盘直径达到14.93m，是目前世界上最大的泥水平衡盾构机之一，盾构机尺寸的增大使施工难度和风险呈几何级增长二、中国铁建隧道建设技术创新与发展技术难点南京长江隧道大施工中承受的水土压力达到6.5kg/cm2，居目前超大直径盾构水下隧道项目之首高隧道最深度处到江底60m，地层透水性极强，所有水头压力均直接作用在隧道上，江底掘进风险巨大深南京长江隧道地质纵断面图2.水下隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展技术难点南京长江隧道江底盾构覆土厚度超浅，江中长150m的冲槽地段，隧道上方覆土厚度不足1倍洞径，且地质为粉细沙层，施工坍塌冒顶风险极大，盾构机始发和接收超浅埋，隧道洞口段上方覆土厚度仅5.5m，在同类隧道中埋深最浅，对盾构开挖时开挖面稳定和地层沉降控制的技术要求极高浅盾构水下一次掘进距离长，地质条件复杂，在掘进过程中刀具更换极为困难，两条双向六车道的3020m的盾构段隧道掘进需一气呵成，对刀具保护要求极高。南京长江隧道3km的地质对刀具的磨损相当于地铁盾构掘进17km，而通过江中石英含量高的砂砾层对刀具的磨损相当于同类盾构机在软土地层掘进30km长在设计方面超大直径水下盾构隧道的设计理论和经验在国内几乎是空白，国外经验也不足。施工方面地质条件异常复杂，隧道在江底穿越淤泥、粉细沙、砾砂、卵石和风化岩层，透水系数是粘土层的千倍以上，且松散容易坍塌，高透水、高水压的各项指标均达到或超过世界同类工程的风险防范极限险南京长江隧道结构横断面图2.水下隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术南京长江隧道采用2台泥水平衡盾构机掘进；总结形成超大直径泥水盾构施工技术、复合地层及江中冲槽段施工技术、盾构刀具改进与高水压下刀具常压更换、穿越江中超浅覆土段施工技术、精准信息化施工技术、超浅覆土始发和接收施工技术等成套技术。“863”计划示范课题2.水下隧道二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术南京长江隧道超大直径盾构掘进施工技术：盾构始发：包括洞前加固及洞门破除、盾构机超浅覆土始发技术和工艺等。2.水下隧道冷冻法加固盾构始发二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术南京长江隧道超大直径盾构掘进施工技术：掘进施工：盾构掘进参数控制、盾构掘进姿态控制、常压换刀、泥水管理、同步注浆施工、管片拼装、中箱涵施工技术和工艺等。2.水下隧道同步注浆泵箱涵联结管片三环拼装试验泥水分离渣土场二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术南京长江隧道超大直径盾构掘进施工技术：盾构接收施工：首次采用井内灌水、井外降水+复合式洞前加固的综合接收技术，成功实现超大直径泥水盾构在复杂地质条件下的安全接收。2.水下隧道盾构接收二、中国铁建隧道建设技术创新与发展修建技术南京长江隧道南京长江隧道施工图南京长江隧道2.水下隧道国内沉管隧道分布天津广州上海舟山宁波港珠澳台湾佛山位于天津滨海新区中央大道；路线总长4.2km，隧道长3.38km，地下暗埋段2.98km，其中穿越海河段255m采用沉管法施工工艺，“两孔三管廊”断面，双向六车道是我国北方地区首座沉管法隧道，也是天津