高速铁路隧道工程技术

隧道施工技术客运专线隧道的特点客运专线线上的隧道不同于一般的铁路隧道，当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问题，主要表现为空气动力效应所产生的新特点及现象。为了降低及缓解空气动力学效应，除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空面积及在洞口增设缓冲结构；另外还有其它辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。为了降低隧道的空气动力效应，增大隧道有效净空面积是较好的结构工程措施，也是当前世界各国高速铁路发展的总趋势。客运专线隧道的特点客运专线线隧道的横断面较大，隧道受力和衬砌混凝土的地质环境复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，对隧道衬砌的安全性、耐久性和抗渗防水性、抗冻性性能要求提高。对耐久性、等耐久性指标应严格控制。复合衬砌和整体式衬砌比喷锚衬砌安全，且永久性好，故永久性衬砌一般不采用喷锚衬砌。目前，世界隧道界对喷锚衬砌做为永久性衬砌尚有不同看法，随着对喷锚技术的不断深入研究和技术质量的不断提高，喷锚衬砌的应用也会更加广泛。但在目前情况下，特别在高速铁路隧道中仍不宜采用喷锚衬砌。客运专线隧道的特点大断面隧道的受力情况不利，尤以隧道底部较为复杂，隧道拱脚和边墙脚处的应力集中更严重，需要对边墙底与仰拱连接处进行加强，并要求有更高的围岩强度或更好的地基承载力。客运专线隧道的特点隧底结构由于在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养护维修工作量，而且严重影响运营安全，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高速铁路隧道的断面跨度较大，因此要求高速铁路对底板厚度和仰拱、底板混凝土强度要求提高。客运专线隧道的特点除围岩的整体性外，围岩自身强度对客运专线大断面隧道施工方法的确定、隧道的稳定与安全有较大影响。开挖后，隧道周边围岩出现更大范围的塑性化和更大的变形，围岩自稳所要求的围岩强度更高。产生拱作用要求的埋深更深，浅埋隧道的松弛压力更大，浅埋隧道的辅助施工措施要求更强。隧道拱顶更不稳定，拱顶围岩存在拉应力区，拱顶岩块崩塌的可能性更大客运专线隧道的特点隧道渗漏水的危害主要会引起洞内金属设备及钢轨锈蚀、隧道衬砌丧失承载力、隧底翻浆冒泥破坏道床或使整体道床下沉开裂、有冻害地区的隧道衬砌背后积水引起衬砌冻胀开裂、衬砌漏水会引起衬砌挂冰而侵人净空。从运营安全上对隧道防排水要求提高。客运专线隧道的特点为减低养护维修工作量、保障运营安全对隧道病害的监测、诊断及评定、整治技术需求。隧道施工隧道施工关键控制点•1以确定合理的初期支护参数、控制塌方，保证隧道施工经济合理、结构安全。•2以隧道防排水施工达到预期目的、不产生渗漏水现象保证营运安全。•3以隧道净空、宽度、平面和纵面指标满足设计、施工规范要求，保证工程外观及内在质量。新奥法概念新奥法是六十年代奥地利专家腊布希维兹总结前人在隧道施工中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。1948年提出，并于1962年奥地利第八届土力学会议（萨尔茨堡）得到正式命名的隧道施工方法。新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。新奥法概念•奥地利国家地下空间委员会1980年提出的新奥法“定义”：“新奥地利隧道修建方法(简称新奥法)遵循这样一个原理，即通过发挥(activation)围岩承载环的主动作用，使围岩(岩土体)成为承载结构”。•同普氏理论用围岩最终形成的天然平衡拱来描述围岩的自承能力不同，新奥法强调可以主动地通过恰当的围岩支护手段来激发围岩的承载能力，将围岩组织成“承载环“。新奥法概念的提出确实促进了传统的隧道修建技术从设计到施工的全面革新。新奥法概念2000版《中国土木工程指南》第八篇隧道及地下工程中是这样定义和诠释“新奥法”的：“当隧道埋深超过一定限度后，常用暗挖法施工。暗挖法最初采用传统的矿山法。20世纪中叶创造了新奥法，此法尽量利用围岩的自承能力，用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布，使达到新的平衡，目前已用于修建各种用途的隧道。”“新奧法施工的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工。”这些文字应该是对新奥法比较权威的注解。新奥法遵循原则（1）应当考虑岩体的力学特性。（2）应当在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力应变状态。（3）为使围岩形成力学上十分稳定的支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构。（4）由现场量测监控围岩动态。新奥法与喷锚支护的关系喷锚支护只是一种支护手段，并且新奥法中的喷锚支护手段在理论上也有它自己的独立体系。从理论上讲，隧道力学理论分成两个体系。一是松动压学派，一是粘、弹、塑性理论学派。松动压学派是以研究作用于隧道支护结构上的荷载---松动压为中心来解决支护结构设计问题的。粘、弹、塑性理论学派是以研究围岩中应力再分配为中心来解决隧道支护结构设计问题的。新奥法理论属于粘、弹、塑性理论学派的第二分支，因此，没有松动压的概念。新奥法所使用的支护手段新奥法所使用的支护手段中，除了喷锚支护外，还有钢拱支架、U型可缩性支架、钢筋网、二次模注砼等，在特殊情况下，还要配合使用注浆加固、冻结加固等特殊手段，并且这些支护手段的最终目的是约束围岩变位，使围岩和支护结构共同形成支承结构。另外，新奥法构筑支护手段的时间效应和空间效应对形成支承环结构、保障围岩稳定有很重要的意义。施工经验表明，采用喷锚支护如果忽视时间效应和空间效应，不仅达不到预期效果，甚至会造成工程事故。挪威法介绍NTM：NorwegianMethodofTunneling）简单地说就是由正确的围岩评价、合理的支护参数和高性能的支护材料三部分组成的一种经济而安全的隧道施工方法，它适用于公路隧道、铁路隧道、水工隧洞及大型地下工程。挪威法介绍正确的围岩评价体系主要是采用Q系统。即用巴顿法进行围岩分级。而合理的隧道支护结构参数，是通过隧道施工中的观测和量测记录所求出的Q值来选择的，其中包括各种支护结构体系的数值解析检算。挪威法介绍在支护体系上的最大特点是把一次支护作为水久衬砌，只是在运营后，如果有涌水、冰霜等危害的情况下，才修筑二次衬砌。通常一次支护是采用高质量（40～50MPa）的湿喷钢纤维混凝土和全长粘结型高拉力耐腐蚀的锚杆，而湿喷钢纤维混凝土的回弹量很小，通常仅为4％～6％。挪威法介绍Q系统：Q值围岩评价法是70年代初（1974年），由巴顿（N.Barton）等人提出来的一种隧道围岩分级方法。在欧洲各国应用较广。虽然近二十几年隧道的支护技术有了很大的发展，特别是高质量的钢纤维混凝土的开发，并在隧道中得到了广泛的应用，但作为挪威法基本特征之一的Q系统隧道围岩评价法变化却不大，仅仅对岩体应力变量SRF进行了修正（1993年），即SRF考虑了埋深增加时的岩爆及软岩的膨胀性。挪威法介绍Q值隧道围岩分级体系：1.将围岩分为6级(O.001～1000)2.岩体的变形系数分为3级（O.05～50GPa）3.抗剪强度分为2级(0.1～20MPa)。挪威法介绍SRFJJJJRQDQwarnRQD为岩石质量指标，Jn为节理组数，Jr为节理粗糙度系数，Ja为节理蚀变系数，Jw为裂隙水降低系数，SRF为应力降低系数。挪威法介绍SRFJJJJRQDQwarn•第一个商数(RQD/Jn)代表岩体的结构，也是岩块大小和由不同节理组形成的楔形岩块大小的一个量值。•第二个商数(Jr/Ja)代表节理壁或充填料的粗糙度和摩擦特点。挪威法介绍SRFJJJJRQDQwarn参数SRF是衡量以下这些项目的一个量值：(1)在开挖通过剪切带和含粘土挤压岩层情况下的松散荷载；(2)稳固岩层中的岩石应力；(3)塑性不稳固岩层中的挤压荷载。挪威法介绍当以上的6个参数确定以后，就可以根据该式计算出Q值，由Q值就可确定围岩等级。根据围岩的等级就可决定隧道支护的规模和水准，N.Barton等人(1974年)最初提出的Q系统，支护主要是采用加网喷混凝土S(mr)。1978年以后,钢纤维喷混凝土S(Fr)已作为商品投入使用，到1984年已完全代替S(mr)。挪威法介绍Q系统的经验支护设计N.Barton等人根据近l250个永久地下结构物的施工记录整理结果给出了经验设计方法，该方法是通过一张综合考虑各因素的图来选择隧道支护参数。该图的横轴是Q值，围岩类别示于图的上侧，纵轴表示隧道的宽度或高度被表示安全系数的ESR除之的量S。挪威法介绍Q系统的支护设计卡(1993)挪威法介绍•根据横轴Q和纵轴S的数值，将这张图划分成9个不同类型的支护区。•实际应用时，当我们决定了Q值和S值后，即可由Q值和S值在图上确定一点，看这一点落在图中的哪个区域，即可确定隧道支护类型。挪威法介绍NTM和NATM的区别新奥法比较适用于软弱围岩。在软弱围岩中修建隧道，节理和超挖不是主要问题，无论人工或机械开挖，均能形成光滑轮廓，围岩能够形成完整的承载环，利用围岩作隧道的主要承载结构，是新奥法的理论核心，实践中必需做到。因此，新奥法强调围岩监测，根据监测结果决定二次支护施作时间和结构形式。挪威法介绍NTM和NATM的区别NTM则更适用于硬岩。在硬岩中修建隧道，无论用钻爆法或掘进机开挖，节理和超挖都占主导地位。在此条件下，锚杆调动围岩强度的动力最强。因此，挪威法以锚杆作隧道主要支护手段。由于很可能超挖，因此，不宜使用钢拱架或网构拱架。由于节理充填物引起围岩不均匀，可能引起围岩失稳，因此要求用喷混凝土或喷钢纤维混凝土对系统锚杆补强。隧道施工方法施工方法简介•隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。钻爆法仍然是中国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法。客运专线隧道开挖常用的方法有全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑工法。•在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、埋置深度、支护条件、施工条件、环境条件、工期要求、工程量、机械配备能力、施工安全、经济性等相关因素进行综合分析，采用恰当的开挖方法，尤其应与支护条件相适应。施工方法简介•从工程造价和施工速度考虑，施工方法选择顺序应为：全断面法→正台阶法→台阶设临时仰拱→中隔墙法→交叉中隔墙法→双侧壁导坑法。•从施工安全考虑，顺序正好反过来。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。•在大断面隧道中，单侧壁导坑（小隔壁法）和双侧壁导坑（眼镜法）采用较多，由于施工机械的发展和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，是最重要最基本的原则。•为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。•变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。•在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。•要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。减少开挖分部，也就有可能减少因分部过多而引起的围岩内的应力变化和围岩松弛。施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。•为保证二次衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。•在隧道施工过程中，必须建立设计→施工