国内外长大隧道施工技术的综述与展doc文档格式.docx

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”均称之为隧道。

近代隧道兴起于十七世纪的运河时代，从这一时期起，欧洲陆续修建了许多运河隧道。

1820年前后，随着铁路运输的兴起，英国、法国等欧洲，然后是美国和明治维新后的日本先后开始修建铁路隧道。

在19世纪60年代以前，修建的隧道都用人工凿孔和黑火药爆破方法施工。

1861年修建穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道时，首次应用风动凿岩机代替人工凿孔。

1867年修建美国胡萨克铁路隧道时，开始采用硝化甘油炸药代替黑火药，使隧道施工技术及速度得到进一步发展。

在20世纪初期，欧洲和北美洲一些国家铁路形成铁路网，建成的5公里以上长隧道有20座。

20世纪60年代以来，隧道机械化施工水平有很大提高，全断面液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道施工。

其后，喷锚技术的发展和新奥法的应用更是为隧道工程开辟了新的途径，而隧道掘进机的采用则彻底改变了隧道开挖的钻爆方式。

据2000年的统计数据，世界隧道主要分布在中国、日本、意大利、法国、美国、英国、挪威、瑞士、德国、奥地利和加拿大等国，其中，有超过总长1/3的隧道是本世纪五十年代后在中国和日本的铁路线上建成的。

日本在20世纪70年代末之前共建成5公里以上的长隧道达60座，为当时世界上铁路长隧道最多的国家，1981年建成的长22228米的大清水双线隧道，为当时世界最长的山岭铁路隧道；

其后建成的长53850米的青函海底隧道为当今世界最长的海底铁路隧道。

1.2国内长大隧道建设我国第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道，1903年建成第一座长度超过3Km的兴安岭隧道。

截止2003年年底的统计资料表明，中国大陆上已建成的铁路隧道有7400余座；

公路隧道1970余座。

在“十五”期间，我国铁路、公路、水利等领域将建造总长超过3000km的隧道工程，其中长度大于10km的隧道约占10。

因此，中国是当前世界上隧道工程最多、最复杂、今后发展最快的国家。

图1隧道施工方法中国大陆山岭隧道施工大致经历了上个世纪五十年代以前的以钢钎、铁锤和人力斗车为代表的“人力开挖时代”；

六、七十年代以手持风钻、风动装岩机和电瓶机车、斗式矿车为代表的“小型机械化施工时代”。

1956前后建设的2km长的宝成铁路秦岭隧道施工中首次使用风动凿岩机和轨行式矿车，是中国大陆隧道施工由“人力开挖”过渡到“机械开挖”时代的标志。

1970年前后成昆铁路大于6km的关村坝等长隧道施工中采用轻型“小型机械化”，创造了“百米成洞”，标志着中国大陆隧道建设进入了“机械化时代”。

八十年代修建长14.295km的大瑶山双线隧道，采用了进口液压凿岩台车、履带或轮式装载机、轨行式扒装机和大型运输汽车、组合列车等型机具综合机械化施工，标志着中国隧道“大型机械化作业时代”的开端。

大瑶山隧道的修建缩短了中国隧道同国际隧道先进施工水平的差距。

在此以后修建的长大隧道基本上都按照“大瑶山模式”进行施工，且在南昆铁路长9388m米的花岭隧道施工中创造了单口月成洞502.2m的山岭隧道施工记录。

以九十年代西康铁路秦岭1号线隧道采用大型全断面隧道掘进机TBM为代表，我国隧道建设步入了现代隧道修建技术阶段。

秦岭隧道1号线采用8.8m直径的全断面掘进机创造了单口平均月进度312m，最高月进尺528m，单口最高日进尺40.5m的掘进记录。

秦岭1号隧道的成功改变了中国大陆长大山岭隧道施工中采用钻爆法为唯一手段的施工现状，标志着我国隧道建设进入了“现代隧道修建技术时代”。

2.长大隧道施工技术现状及发展就当前国内外长大隧道施工技术而言，隧道施工方法，除钻爆法与掘进机法外，在一些特殊条件下，还可采用其它一些施工方法，常见隧道施工方法见图1所示。

但就世界范围内的隧道建设总体而言，当前量大面广的仍然是采用矿山法。

中国大陆矿山法隧道施工在施工机械化程度、修建速度、长大隧道的修建能力包括独头通风深度等方面均同国际先进水平相差无几。

2.1隧道分类及相关概念根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。

为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭隧道；

为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道；

为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道。

这三类隧道中修建最多的是山岭隧道。

对山岭隧道，根据隧道长度将隧道区分为特长隧道长度大于10Km、长隧道长度大于3Km、中长隧道（长度大于500m）和短（长度小于500）；

根据隧道开挖断面面积，以国际隧协建议标准将隧道分为特大断面隧道（开挖面积大于100m2）、大断面隧道（开挖面积50－100m2）、中等断面隧道（开挖面积10-50m2）、极小断面隧道（开挖面积小于3m2）。

根据以上概念，我国当前在建的长度大于3km的铁路、公路双线隧道均属于长大隧道。

这类隧道不但长度大，而且一般埋深也较大，且常常要穿越断层、涌水、高温、瓦斯、溶洞、暗河、岩爆、泥石流等水文地质及工程地质条件十分复杂而多变的地层。

因此长大隧道的生产系统十分复杂，包含了开挖、运输、衬砌、通风、风水管、供电、通讯、灾害防治和预警等子系统。

2.2长大隧道施工理念及相关问题2.2.1矿山法隧道施工概念山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法，因最早应用于采矿坑道而得名。

在矿山法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。

从隧道工程的发展趋势来看，钻爆法仍将是今后山岭隧道最常用的开挖方法。

在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑（传统矿山法）和锚杆喷射混凝土支护（新奥法）两类。

作为施工方法，人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统的矿山法”；

而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。

我国从20世纪60年代开始引用锚杆和喷射混凝土技术，近几十年来，通过工程实践积累了丰富的在不良地质等困难条件下用新奥法修建隧道工程的成功经验。

2.2.2新奥法基本原理“新奥地利隧道修建方法”NATM简称“新奥法”的概念是奥地利学者腊布希维兹（L.V.Rabcewicz）教授于20世纪50年代首先提出的。

它是以既有隧道工程经验和岩体力学理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。

经过奥地利、瑞典、意大利等国的许多隧道与地下工程实践和理论研究及科学论证，于20世纪60年代取得专利权并正式命名为新奥法（NATM）。

之后新奥法在欧洲、美国、日本等国家的隧道和地下工程中获得了快速发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。

新奥法的核心是充分利用围岩的自承与自稳能力，开挖后及时锚喷网支护，封闭围岩，控制围岩变形。

同时在施工中连续监测围岩动态，根据监测到的信息，随时调整设计、施工参数。

因此，所谓新奥法不是单纯的开挖、支护的方法和顺序，而是按照实际观察到的围岩动态的各项指标来指导开挖隧道的方法，因此，新奥法应该理解为新奥法原则而不能将其片面理解为施工的一种方法。

基于以上的理解，可归纳新奥法的原则为充分保护、利用围岩自身的承载能力；

其施工要点为控制爆破、锚喷支护和施工监测，其实施方法为设计、施工和监测三位一体的动态模式。

中国在20世纪70年代末开始了解和接受新奥法的概念，从20世纪80年代开始在一些隧道的设计中贯彻了新奥法基本原理，采用了信息化设计方法，例如大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道等。

1988年中国批准发布了铁路隧道新奥法指南，并编写了“喷锚技术法规则”等作业标准。

随着新奥法基本原理在隧道工程实践中的应用，以及开挖方法、辅助工法、锚喷技术、现场监测技术等的不断完善和提高，逐步形成了具有中国特色的隧道修建方法，如“浅埋暗挖法”，即“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字决”和“复合式衬砌”等技术，丰富和发展了新奥法原理。

2.2.3挪威隧道工法和新意法隧道工法所谓挪威法NTMNonwegianMethodofTunneling，简单地说就是由正确的围岩评价（采用巴顿法N.Barton的Q系统）、合理的支护参数和高性能的支护材料（即，锚固支护＋喷射钢纤维混凝土相结合）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中节理发育与极度松散破碎的岩体。

挪威法在支护体系上的最大特点是把一次支护作为永久衬砌，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的湿喷钢纤维混凝土和全长胶结型高拉力耐腐蚀的锚杆。

湿喷钢纤维混凝土的回弹量很小，通常仅为4－6。

采用挪威法NMT可以大大地降低成本，仅为采用新奥法NATM成本的1/3。

与其它方法相比，采用挪威法可节省劳动力，更多地采用机械手，较少地进行监控。

因此，挪威法在钻爆法施工的隧道中进度快，且施工安全和工作环境得到了根本改善。

我国从90年代初开始进行挪威法理论探讨和室内试验，并在铁路隧道和公路隧道进行了大规模现场实验（如我局承建的杭兰高速摩天岭隧道1通风斜井就首次采用了挪威法），可以预见，在未来的五年或十年内，这一方法将在我国隧道工程中广泛应用。

意大利全断面预加固隧道施工工法（NewItalianTunnelingMethodNITM）又称为岩土控制变形分析ADECO－RS施工工法。

该施工法是意大利人PietroLunardi在研究围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上提出的，该工法主要关注工作面超前核心围岩的稳定，并以此为基础对施工方法进行选择。

意大利全断面预加固隧道施工工法适用于低粘聚力的软弱地层，大断面隧道开挖及用于浅埋隧道控制地面沉降和挤压地层的深埋隧道开挖，该工法被意大利公路及铁路领域纳入规范并广泛采用。

欧洲国家的大型项目施工也较多地采用此工法。

我国铁道部在2007年5月15号铁建设[2007]102号文件关于加强铁路隧道工程安全工作的若干意见要求“隧道的设计和施工要积极学习、借鉴、采用、推广国内外先进技术，对条件适宜的隧道要积极采用岩土控制变形分析法新意法等先进施工方法和施工工艺”。

可以预见，在未来的五年或十年内，意大利全断面预加固隧道施工工法将在我国隧道工程中推广应用。

2.2.4不同施工方法的区别和联系1新意工法与矿山法、新奥法的比较传统的矿山法是依据松弛荷载理论的一种传统的施工方法，一般只应用于岩质山岭隧道，而对一般的土质地层基本上不采用传统的矿山法。

将新奥法的使用原则引入到传统的矿山法中，矿山法的应用范围逐步拓展到的软弱围岩和第四系地层中的浅埋市政隧道，取代了传统的明挖法或盾构法。

在我国，这种方法称之为“浅埋矿山法”。

新奥法概念的内涵就是保护围岩，充分调动和发挥围岩的自承能力。

不论采用什么开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法，其目的都是为了“保护围岩，充分调动和发挥围岩的自承能力”。

新意法是以工作面超前核心岩土的变形与隧道的稳定性为主要评价目标，设计和施工都是以此为基础进行确定。

它不但考虑到了隧道后方的变形影响，同时重点考虑前方工作面的变形对隧道稳定性的影响；

而新奥法则没有考虑前方工作面核心岩土的影响，两者区别见表2。

因此，在一定程度上可以认为新意法是新奥法的继承和发扬，其精髓都是“保护围岩，充分调动和发挥围岩的自承能力”。

两者的重要区别在于新意法提出了新奥法未提及的但很重要也很有价值的“临时保护超前核心围岩，充分调动和发挥超前核心围岩的自承能力”的方法，这个方法是通过加固工作面超前核心围岩，从而控制工作面超前核心岩土的变形及防止围岩失稳塌方。

2挪威法（NTM）和新奥法（NATM）的区别和联系挪威和奥地利在理论和应用上有显著差别，NATM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，因此，NATM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。

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，挪威法以锚杆作为隧道的主要支护手段。

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。

这种锚杆加喷混凝土或喷钢纤维混凝土支护系统，即可用作隧道临时支护，又可用作隧道永久支护。

该系统对开挖轮廓形状适应性强，即使轮廓不平顺，喷层也能贴合岩面，远比钢拱架或网构好。

表1.新意工法与新奥法的比较不同点类别ADECORS工法新奥法岩土观点重视工作面超前岩土的稳定性没有重视洞体量侧重视工作面超前核心岩土的收敛变形和挤压变形的量测没有重视超前支护强调工作面超前核心岩土的人工控制、岩体强度的改善只注重了前方轮廓的预加固没有对超前核心土加固断面开挖机械化全断面开挖断面分步开挖工期可以在设计阶段较准确地预测完成时间设计阶段只能大概估计时间设计、施工量测关系强调了预收敛量测和洞身的收敛量测、及时反馈设计调整参数的动态设计不进行预收敛量测，只对洞身量测，属被动测量，动态设计的及时性弱适用范围包括新奥法可以修建的及部分不可以修建的地下工程没有ADECORS工法应用范围广经济性与施工速度对于新奥法无法修建的或开挖速度很慢的情况下，ADECORS工法有很好的经济性，施工速度较快；

对于新奥法可以修建的的情况下,两者经济性相差不多，施工速度相当最重要的区别强调了对超前核心岩土的控制、量测、动态设计，突出了机械化全断面和均率开挖的理念没有对超前核心岩土的控制,更偏重分步开挖的手段2.3长大隧道防排水施工技术2.3.1隧道放排水施工理念的发展目前我国铁路、公路的山岭隧道尤其是岩溶山区长隧道的防排水设计贯彻“防排结合，以排为主”的综合治理原则。

以往大量的工程实践（如武隆隧道、大瑶山隧道、中梁山隧道等）均表明，以排为主的隧道内会存在不同程度的水害，且逐年发展，影响衬砌结构和行车安全；

同时，贯彻“以排为主”的治水措施直接导致了隧道洞顶地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面岩溶塌陷、生态环境恶化，严重影响了人民的生产和生活，隧道部门也苦于补救和巨额赔偿。

今后一段时间，随着岩溶、断层发育的富水区隧道修建的日益增多，上述问题愈发突出，“以排为主”的无限制排水原则己不能适应经济和社会发展的需要，因此富水地层的隧道建设应逐渐摈弃“以排为主”的治水理念，开始实施“以堵为主、防排结合，限量排放”的控制型防排水原则。

同时，随着国内铁路的提速，长大隧道采用整体道床已经成为现在通用方法，无节制排水将造成隧道基底水土流失，导致整体道床产生不均匀沉降，影响使用功能。

2.3.2限制排放的主要技术措施阻止地下水向隧道内排放的技术可以从两方面考虑，其一是通过改变围岩的渗透系数，降低地下水向隧道内的涌人量，这是限制排放的根本；

其二是通过设置防水层和增强衬砌混凝土的抗渗抗裂性能，以达到阻隔地下水的目的，这是结构防水的最后保障。

但事实上真正起到限制排放作用的主要在于降低围岩的渗透系数。

长大隧道限制排水的技术措施如下

（1）超前预注浆。

超前预注浆不仅仅是对围岩的提前加固和防止突水涌砂等地质灾害，其更深层的意义是对周边围岩裂隙的充填和堵塞，降低围岩的渗透系数，从而在隧道周边形成一定厚度的止水帷幕，达到限制地下水向隧道内的渗流排放。

国内在圆梁山隧道施工中，采用超前帷幕注浆，达到了5m3/km/d的排放标准。

表2给出了在建宜万线隧道工程注浆加固“限制排放”施工方案。

（2）回填注浆。

隧道施工中，特别是有钢架或挂网联合喷射混凝土时，由于钢筋的骨架作用，难免会在围岩与喷射混凝土层之间产生空隙，因此，在有钢架和挂网支护的情况下，需要根据施工状况对喷混凝土后进行回填注浆，达到充填喷混凝土层与围岩之间空隙的目的。

（3）径向注浆。

超前预注浆通常是处理较大范围或较大量的地下水，对于小的局部涌水或渗水，常采用径向注浆。

表2在建宜万铁路注浆治水方案序号适用地质条件方案主要内容全断面超前预注浆（方案一）

（1）可溶岩与非可溶性岩接触带，断层破碎带及向斜、背斜核部，施工中可能发生严重突水涌泥地段；

（2）物探异常地段，超前地质探孔单孔涌水量Q≥40m2/h；

（3）实测水压P≥2MPa。

全断面超前帷幕注浆，注浆加固范围为开挖工作面及开挖轮廓线外正洞8m，平导5m。

全断面超前预注浆（方案二）

（1）可溶岩与非可溶性岩接触带，断层破碎带及向斜、背斜核部，施工中可能发生严重突水涌泥地段；

（2）物探异常地段，超前地质探孔单孔涌水量Q≤40m2/h；

（3）实测水压1MPa≤P≤2MPa。

全断面超前帷幕注浆，注浆加固范围为开挖工作面及开挖轮廓线外正洞5m，平导3m。

径向注浆

（1）一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全；

（2）物探异常地段，超前地质探孔涌水量2m2/h≤Q≤40m2/h，开挖后大面积渗水；

（3）实测水压P≤1MPa。

径向注浆方案，注浆加固范围为开挖轮廓线外正洞5m，平导3m。

局部注浆

（1）一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全；

（2）局部出水；

（3）初期支护完成后不能满足设计的允许排水标准。

局部注浆和局部补充注浆2.3.3隧道防排水施工理念发展趋势12L1211.5Lb短台阶法a长台阶法125LLLL5L12L图2台阶法类型1235mc微台阶法12L隧道建设中排水的目的是为了更好的防水，但无限制的排水，其后果是众所周知的。

因此，根据国内外比较成功的隧道施工实例，采用超前注浆、回填注浆、径向注浆而实现隧道“限制排放”是隧道防排水的发展趋势。

2.4长大隧道施工开挖技术2.4.1山岭隧道矿山法施工方法1）长大隧道开挖方式隧道施工就是要挖除隧道范围内的岩体，并尽量保持隧道围岩的稳定。

开挖是隧道施工的第一道工序，也是关键工序。

在隧道的开挖过程中，围岩稳定与否，虽然主要地取决于围岩本身的工程地质条件，但开挖对围岩稳定状态有直接而重要的影响。

隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法。

按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法等，见表3所示。

（1）全断面开挖法。

采用全断面一次开挖法，必须注意机械设备的配套，以充分发挥机械设备的效率。

采用全断面法施工，隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。

（2）台阶法。

根据台阶长度不同，划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种，如图2所示。

①长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广。

按长台阶施工，在上、下两个台阶上需要分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，因此台阶长度适当长一些，一般考虑至少为50m，但当台阶长度大于l00m以后，通风排烟、排水的难度大，这样反而降低了施工的综合效率，因此，长台阶长度为一般以50－80m为宜。

考虑到长台阶施工，支护不能及早封闭成环，不利于施工安全，软弱围岩隧道杜绝采用长台阶法施工。

②短台阶法适用于地质条件差的Ⅳ、Ⅴ级围岩，台阶长度一般为10－15m，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此，台阶长度不宜过短。

上台阶一般采用少药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶，因此，台阶长度又不宜过长，如果超过15m，则出渣所需的时间过长。

短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。

缺点是上部出渣对下部施工干扰大，不能全部平行作业。

③微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，一般台阶长度3－5m，台阶长度小于3m时无法正常进行钻眼和拱部喷锚支护作业；

台阶长度大于5m时利用爆破将石渣翻至下台阶难度大，需要采用人工翻渣，所以不可取。

微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。

（3）分部开挖法。

分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。

①环形开挖预留核心土法环形开挖进尺一般为0.5－1.0m，开挖核心土面积不小于整个断面的50％。

环形开挖预留核心土法施工具有简单明了，施工易行，不需要特殊的机械设备，减少施工投入；

且开挖工作面稳定性好，施工较安全，因此，在土质及软弱围岩中使用较多。

②双侧壁导坑法，是在隧道跨度大于11m以后，因无法采用全断面或台阶法开挖，因此采用先开挖隧道两侧导坑，相当于先开挖2个小跨度的隧道，并及时施作导坑四周初期支护及边墙衬砌，再根据地质条件、断面大小，对剩余部分断面进行一次或二次开挖。

双侧壁导坑法具有控制地表沉陷好仅为短台阶法的1/2，施工安全等优点；

但进度慢，成本高。

③中洞法适用于双连拱隧道。

采用先施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施工方法。

④中隔壁法CD是近年来从国外引进的先进的施工方法，通过在国内的铁路隧道和城市地下工程中的实践，证明这种方法是通过软弱、浅埋、大跨度隧道的最有效的施工方法。

⑤交叉中隔壁法CRD采用自上而下分为二至三步开挖中隔墙的一侧，并及时支护，待完成1－2部后，即开始另一侧l－2部开挖