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第一章概述第一节隧道工程施工基本认识地下结构物是多种多样的，构筑地下结构物的施工技术也是多种多样的。这些施工技术的形成和发展是与地下结构物的施工特性有关，因此，首先要充分了解地下施工的特性。概括地说，地下施工具有以下特性：·隐蔽性大；·作业的循环性强；·作业空间有限；·作业的综合性；·施工是动态的，施工过程的力学状态是变化的，围岩的物理力学性质也是变化的；·作业环境恶劣；·作业的风险性大。各种施工技术必须考虑这些特性，才能够发挥其作用。地下结构物竣工后，我们只能看到外观，而其内部及结构物背后的状态是隐蔽的。严格意义上说，地下工程就是一个隐蔽工程。我们要求结构物做到“内实外美”，就是说，要把隐蔽的工程做到实处，不留后患。一般的地下结构物都是纵长的，施工是严格地按照一定的顺序循环作业的。如开挖就是按照“钻孔—装药—爆破—通风—出碴”的循环，一步一步地循环开挖，直到最后隧道贯通。这种循环性是地下施工最具特色的一点，也是我们组织施工的基本原则。地下结构物通常都是在地下一定深度修筑的，结构物的尺寸就受到极大限制，这也就决定了施工空间的尺寸和形状。在有限的空间内进行施工，投入的人力和机械，都不能够“畅所欲为”，要考虑有限空间这个特点。因此，像地面工程中使用的大型机械，是很难在地下工程中发挥其作用的，必须采用适合地下工程有限空间的施工机械和施工方法。地下施工是由多种作业构成的，开挖、支护、出碴运输、通风及除尘、防水及排水、供电、供风、供水等作业缺一不可。每一项作业搞得不好都会影响全局。因此，地下施工的综合性很强，这就要求我们必须有良好的施工管理和施工组织经验，才能使工程有序快速地进展。地下结构的力学状态是极为复杂的，其复杂程度直到目前，还有许多不清楚的地方。我们只能在修筑地下结构物的整个过程中，逐渐地去认识和了解它的力学状态变化，并通过各种手段尽力控制和调整结构力学状态变化。施工过程，从力学角度看，就是控制和调整这个力学状态变化的过程，施工技术也就是控制和调整这个力学状态的手段和方法，理解这一点是极为重要的。地下施工的作业环境比较差，黑暗、潮湿、粉尘多，在恶劣的地质条件下，还有安全的问题。因此，如何创造一个安全、舒适和工厂化的作业环境，就成为地下施工技术要解决的重要课题。最后，风险性与隐蔽性是关联的，施工人员必须经常关注隧道施工的风险性。特别是在不良地质条件下，更要有风险意识和应变意识。目前，在地下工程，也包括隧道施工中出现的问题，许多是由于对上述地下施工特性认识不充分或没有认识所造成的。因此，提高对地下施工特性的认识是十分必要的。第二节隧道工程施工的现状与存在的问题改革开放以来，我国铁路、公路、水电站等山岭隧道工程的发展又进入了一个新的时期。我国铁路隧道到上世纪末为止已投入运营的6877座总延3667km，已列世界前茅。我国公路隧道的修建起步较晚，但二十年来得到很大发展，许多高速公路上相继修建长度超过5km的特长隧道，最长的终南山隧道达18km。我国地铁也处于发展阶段，北京、天津、上海、广州、南京、深圳等10座城市已有630多公里地铁投入运营，新的线路正在修建。其他城市进行规划的地铁多达30多条，长650公里。我国大型水电站的建设，使许多大型输水隧洞不断进行修建，如引大入秦工程，修建了上百公里的隧洞，其中盘道岭隧洞长15.7km；万家寨引黄入晋工程，有200多公里隧道，南水北调工程引水隧洞就更多了。另一项突破表现在施工技术上，如秦岭的I线隧道是采用直径8.8m的全断面掘进机（TBM）修建的，这标志着我国铁路隧道施工技术的进步和成熟。在铁路隧道中，已不再单纯地依靠钻爆法修建隧道，也采用非钻爆的机械开挖法进行隧道的修建。正在修建和预计修建的长度超过4km以上的公路隧道，包括大断面（3车道或4车道，双联拱隧道等）的公路隧道也不断出现。特别是在加强铁路、公路建设的新高潮中，不同长度、不同类型的山岭隧道大量涌现。因此，隧道技术的发展，面临一个新的机遇和挑战。从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建山岭隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。因此，改造和完善矿山法及其相关施工技术，仍然是刻不容缓的，必须及时总结经验，适应形势发展的要求，不断提高山岭隧道矿山法的施工技术水平。在隧道施工中最重要的是选择合理的施工方法。在长期的工程实践中，我国已经积累了相当丰富的经验和理论，逐渐形成了具有中国特色的隧道施工方法体系。隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。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（中隔壁法）和双侧壁导坑（眼镜法）采用较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，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。也就是说，施工方法有向全地质型方法转变的趋势。因此，目前选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。因此，选择施工方法时需考虑的基本因素主要为：1）施工条件：实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前隧道施工队伍的素质和施工装备水平，有高有低，参差不齐，因此，在选择施工方法时，不能不考虑这个因素的影响。2）围岩条件：也就是地质条件，其中包括围岩级别，地下水及不良地质现象等。围岩级别是地围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。从施工技术的发展趋势看，地质条件虽然是重要的，但基本施工方法的变化却不显著。例如全断面法和超短台阶法的结合以及全地质型掘进机及自由断面掘进机等的开发都说明了这一点。3）隧道断面积：隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响。目前隧道断面有向大断面方向发展的趋势，如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面，水电工程是的大断面洞室，更是屡见不鲜。在这种情况下，施工方法必须适应其发展。在单线和双线的铁路隧道、双车道公路隧道中，越来越多地采用了全断面法及台阶法；而在更大断面的隧道工程中，先采用各种方法修小断面的导坑，再扩大形成全断面的施工方法极为盛行。4）埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，通常将埋深分为浅埋和深埋两类，有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下，由于埋深的不同，施工方法也将有很大差异。5）工期：作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。6）环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在城市条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。在长期的工程实践中，不管是哪种方法，都必须正确地坚持隧道施工的基本原则，这些原则在长期的施工实践中积累起来的经验教训的结晶，而且也是得到理论研究证实的。如对软岩隧道施工基本原则：管超前、短开挖、弱爆破、强支护、快成环、拱紧跟、早衬砌，勤量测。瓦斯隧道施工基本原则：加强通风排烟、增设辅助竖井、配齐防爆设施、杜绝明火作业。双连拱软岩隧道施工基本原则：保持围岩原始状态，爆破能量力求最小、分部结构独立受力。归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是：1）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。这在任何施工方法中都是一样的，像古老的黄土窑洞、无衬砌的岩石洞室等的修建就完全遵守了这个原则。2）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。一方面容许变形达到不在围岩松弛的量级，一方面必须限制它，使围岩不会过度松弛而丧失或大大降低承载能力；而在浅埋或地表下沉受到控制的条件下，及时控制变形和松弛及其发展是异常重要的。3）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。因此，在施工中必须合理地确定支护结构的类型、支护结构参与工作的时间、各种支护手段的相互配合、断面封闭时间、一次掘进长度等。4）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。有人认为，量测是“新奥法”的重要组成部分，实际上，在新奥法之前，量测监控的技术早已存在，例如，量测木支撑的横梁弯曲（挠度），用锤击法判定支柱的受力状况等。即使从今天的眼光看，这些技术仍然有其实用价值。5）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。因此，多采用喷混凝土并与锚杆、金属网联合使用，有时也要与钢支撑或格栅等配合使用；临时仰拱也是重要的，不容忽视的支护手段。6）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。因此，在有可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法。7）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。在岩石隧道中，因围岩的结构作用，能够“自封闭”。而在软弱围岩中，则必须改变“重视上部、忽视底部”的观点，应尽量采用能先修筑仰拱（或临时仰拱）或底板的施工方法，使断面及早封闭。8）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。9）在隧道施工过程中，必须建立设计—施工检验—地质预测—量测反馈—修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。我国近4000km的铁路隧道和近700km的公路隧道，基本上是采用矿山法修筑的，目前出现的主要问题集中在以下几个方面：1）施工阶段地质判释技术不完善，缺乏有效的判释方法和手段；2）隧道施工方法，特别是软弱破碎围岩的施工方法的工厂化程度有待提高；3）在施工中没有牢固树立“保护围岩、爱护围岩”的观点和理念，不能有效地控制对遗留围岩的损伤和松弛；4）“重外美、轻内实”，结构存在隐患，如：隧道衬砌光而不实；衬砌背后填而不实，甚至留有空洞；衬砌厚度不足，有的严重不足；衬砌初期开裂普遍存在；基底处理不彻底，运营不久出现翻浆冒泥现象等；5）地下水处理始终是薄弱环节，防水工程质量欠佳，渗水、漏水现象时有发生；6）环境意识薄弱，洞内施工作业环境欠佳，减少对周边环境和结构物影响的措施不力；7）施工阶段工程质量的检测体制不完善，更为重要的是缺乏有效和检测手段和方法；8）应变能力不强，一旦出现施工灾害，有时束手无策；9）没有真正地实现动态施工和管理。实质上，这几点也就是衡量我们隧道施工技术水平的重要标志。出现这些问题主要与施工技术和施工管理有关。当然隧道工程中存在的问题是多方面的，有设计、施工方面的，也有业主、监理方面的；有深层次上的问题，也有面上的问题。但总的来看，施工技术和严格的施工管理是关键。第三节隧道工程施工的基本理念针对目前存在的问题，隧道施工的要点，归纳起来就是四句话：“爱护围岩”、“内实外美”、“重视环境”和“动态施工”。这也就是隧道施工的四大理念。所谓“爱护围岩”有两层含义：一层含义是不损伤或少损伤遗留围岩的固有支护能力，这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决；一层含义是通过各种手段和方法，如采用支护技术、加固或预加固技术以及各种辅助施工技术增强围岩的自支护能力等。这些技术形成了隧道施工的核心技术。所谓“内实外美”，关键是内容。而内实的关键就是要做到“四密实“，即混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。所谓“重视环境”，也有两层含义：一层含义是指内部环境，即施工作业环境；一层是对外部环境，即对周边环境的影响。重视环境是时代的要求，许多环境技术