高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择.docx
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高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择
高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择
1引言
对于一座隧道来说，一般有各种不同的、可能都适用的施工方法可供选择，这取决于许多变化的因素，包括地质一土工一岩石力学一水文地质等条件，所要开挖的岩体和土体的特性，设计时所能掌握的地下开挖技术等等。
但是，所有的施工方法原那么上都可归类为2种主要方法中的一种，即传统施工方法和机械施工方法。
对于大埋深、长隧道施工，越来越倾向于优先采用机械施工方法，其目的的主要在于缩短工期。
尽管机械施工方法是一种现代化的先进技术，但它并不是一种无风险的方法。
遇到不同于设计预测的地质和水文地质条件，或者施工机械本身的性能不理想，或者仅仅是实现的地屋一机械系统性能偏离理论的情况，都将导致产生一系列的问题和风险。
如果不进展适当管理，这对于隧道工程来说常常是灾难性的。
在世界各地，主要是在兴旺国家已经修建了许多特长的交通隧道，从中获得的共同经历说明，高速铁路隧道的施工，特别是大埋深、长隧道的施工一般具有很高的风险性。
这类隧道工程的成功很大程度上取决于勘察的水平和正确施工技术的选择。
从风险管理的角度出发，笔者强列地认为，正确选择一座隧道的施工方法是“首要的风险减轻措施〞，或者“首要的对策〞或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反响。
因此关键的问题是，如何针对一座隧道做出正确的选择。
本文简要回忆最近的欧洲重大高速铁路隧道工程实例、以与近年来所掌握的属于两种主要施工方法〔机械施工方法和传统施工方法〕的开挖技术〔注重其优缺点〕，并在风险分析和多重标准分析原理的根底上建议采用一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法。
本文以里昂-都灵高速铁路连接线工程为例，并连同其他经历来阐述所建议的方法。
里昂-都灵高速铁路连接线工程的所有进入隧道目前已开场施工，整个工程的参考设计方案〔即所谓的APR-PD设计包〕已经完成并提交意大利和法国政府审批。
2适用施工方法的回忆
隧道施工方法可分为两大类：
机械方法〔使用TBM开挖地层〕和传统方法〔使用炸药或机械工具开挖地层〕。
下面总结这2种方法的突出特征。
2.1机械方法的主要特征
长大、深埋隧道主要设计修建于岩石中。
在岩层中运用的机械施工方法包括2种类型的隧道掘进机〔TBM〕。
第一种是开敞式TBM，它通过纵向千斤顶作用在坚硬的支撑框架上向前推进,而支撑框架那么由一组或两组在洞径方向相对伸展的撑靴顶推在已开挖隧道的断面上来稳住。
第二种是护盾式TBM，在盾壳本身〔后面局部〕的保护下安设管片，刀头前进所需的接触压力通过纵向顶住已安装的管片衬砌而获得。
护盾式TBM有2种类型：
即单护盾TBM和双护盾TBM。
与没有护盾的TBM类似，双护盾TBM具有建造在此后盾壳内的撑靴，因此它有双顶推系统，可以提供连续作业循环的可能性。
特别是通过双顶推系统，TBM可以在不顶住预制管片衬砌的情况下而向前移动，这样就可以在TBM向前掘进的同时安设管片。
另外，如果地质条件许可，双护盾TBM也可以仅仅依靠顶住后面撑紧的盾壳而向前移动，而不需要安设管片。
或者反过来，双护盾TBM可以像单护盾TBM一样进展工作，即如果围岩条件不能提供有效和足够的支撑，他可仅通过顶压管片而向前移动。
开敞式TBM可比同一直径的护盾式TBM短得多，允许靠近工作面设置支护，如径向锚固。
在TBM后面的后配套〔也称为后勤系统〕中，可以进展其他施工作业。
这样的后配套系统或者由TBM制造商设计，或者由有经历的承包商直接设计，可以跨接永久衬砌的设置区域，特别是在隧道的底部，使得能够将施工材料运到工作面的作业区并为TBM提供新鲜空气、能源、冷却水等。
其它重要的革新在于使用高度机械化和自动化的系统来设置支护与使用专用列车或者连续反带输送系统连续出碴。
机械方法的主要优点是：
〔1〕通过几乎连续和平行的方式进展断面的开挖和支护，实现施工工序的高度工业化，因此采用该方法能使独头掘进的长度有显著增加，减少了工作面的数量。
〔2〕可以在离开挖面最短的距离处设置支护，在采用护盾式TBM的情况中几乎可以在工作面处直接设置支护。
〔3〕作为上述优点的直接结果，该方法可能缩短工期、降低费用和提高最终产品，即隧道的质量。
〔4〕另一方面的优点是对于工作提供了较高的平安条件。
对过去10年机械施工方法所做的持续技术改进极大地扩大了机械方法在岩石隧道工程中的运用X围，进一步提高了掘进效率。
事实上，目前使用机械方法掘进9~10m直径的高速铁路隧道，在一系列无异常地层条件下每天的掘进速率可以到达15~40m，如表1中所总结的许多实例所示。
另一方面，应指出机械施工方法的缺点：
〔1〕难于在理论断面周围形成大的、连续的超挖，以适应潜在的大的变形〔收敛〕，如在挤压/膨胀地层中常常要求的那样。
〔2〕难于进展工作面前方的地层加固或处理，特别是在隧道仰供周围区域。
〔3〕一套用于掘进10m直径的高速铁路隧道的机械机组，其总的长度可能到达200m，而且在安装后它在很大程度是一个刚性系统，并且它的操作主要遵循一系列的标准。
因此，一旦实际的地层条件要求改变施工方法，那么某一具体的机械方法的选择常常是不可撤回的，其造成的严重后果是工期延长，费用增加。
换句话说，对于未预料到的变化的地层条件〔预计的工作条件X围之外的情况〕，机械施工方法自身的适应性较小，因此采用这种方法必须承当相对较高的风险。
出于这一原因，人们也开场倾向于给掘进机工作面提供支撑压力〔像土压平很〕的可能性，以进一步扩大机械施工方法的作业条件X围。
与传统法施工的隧道相比，采用TBM掘进隧道要求有额外的空间。
特别是需要有大的作业场地用于TBM和后配套系统的始发。
除此之外，与施工相关的后勤工作应考虑所预计的TBM掘进速率，其掘进速率可能比同等〔类似〕条件下传统施工方法的掘进速度快3~4倍。
但是还应记住，由于减少了开挖掌子面的数量采用机械施工方法所要求的总的作业场地数量也就大大减少了，同时也就减少对环境的影响。
TBM的投资费用远远大于钻爆法。
购置和安装TBM所花费的时间一般也大大多于钻爆法所采用的机械。
另外，总的来说，机械法施工的隧道工程要求作业人员具有不同于钻爆法所要求的技能，而且还要求聘用更多的专家。
2.2传统施工方法〔钻爆法、新奥法等〕的主要特征
该方法受大多为人力施工工序的循环作业影响，具有以下与众不同确实作业阶段；
〔1〕采用炸药与/或点击开挖机械工具〔挖掘机、液压锤、巷道掘进机〕破岩。
〔2〕靠近开挖面设置临时支护。
〔3〕根据岩体特征和后勤工作的需要，在离开挖面一定距离的地方设置防水系统和永久衬砌。
一般情况下，初期支护的设置应尽可能靠近开挖面，而最终初砌的浇筑可在离开挖面不同距离处进展，这取决于总的施工工序和相应的作业循环〔如仰拱的设置可在开挖面附近或在初始衬砌浇筑后进展〕。
传统施工方法在以下几方面具有非常灵活的特点：
〔1〕开挖尺寸〔全断面开挖或者分步开挖，横断面可变〕。
〔2〕支护设置到开挖面的距离。
〔3〕可以“相对容易地〞在开挖面前方进展超前勘探和地层处理。
〔4〕可以获得想得到的大尺寸超挖，并在需要时设置可变形的支护。
〔5〕可以根据所遇到的地层条件调整地挖技术和支护技术，即所谓的适应性。
在正常条件下，传统施工方法所能获得的平均进尺寸4~10m/工天，而在困难条件下那么为0.5~2m/工天。
该方法的主要缺点是：
平安条件相对较低；施工消耗人力；由于循环作业的性质，生产效率低下，特别是有效性和掘进速度。
如今，传统的隧道循环作业也可得到高度机械和局部自动化的专用机械的支持，如在圣哥达山底隧道所采用的那样。
传统施工方法能够适用于几乎所有的正线隧道，长大双孔隧道之间的横通道、地下救援车站和平安车站的施工。
此外，有些洞段如果已经排除了使用任何机械方法开挖的可行性或可能性，那么对于这些洞段来说传统的方法是唯一的选择。
对于某一具体洞段来说，选择采用钻爆法还是TBM开挖主要取决于预测的施工条件与其变化X围，要开挖的洞段长度，以与允许用来建造该洞段的总时间。
施工条件变化越大，长度越短，那么使用传统施工方法的优点就越多，反之亦然。
3施工实例的回忆
近年，欧洲国家大力开展高速铁路，由于特殊的地形设定，这些铁路囊括了世界上大局部的最长与埋深最大的铁路隧道。
表1总结了欧洲主要的长大、深埋铁路隧道，这些隧道或者已完工，或者正在修建，或者处在先期开发阶段。
根据表1所列的数据与笔者所掌握的这些工程的背景资料，可以得出以下观察结果：
〔1〕欧洲的许多新建高速铁路项目包括在地质条件变化极大的情况修建下非常长的与大直径的隧道，特别是在阿尔卑斯山地区。
〔2〕除了工期和费用限制条件外，还存在一系列的风险，特别是隧道标高处的挤压地层、高压地下水〔最高达200bar〕、岩爆、高地温等是影响施工的关键因素。
〔3〕在一个给定的铁路线走廊中，连接两相邻点的最正确线路并非一定是直线。
许多因素影响着定线的选择〔Kalamaras等，2001〕。
影响最正确线路选择的一个普遍因素是地质条件，表1所列的工程实例均是这种情况。
〔4〕由于运营平安的原因，欧洲高速铁路隧道的结构无一例外都是双孔形式，而且对于非常长的隧道都预计设置地下救援站、平安站或多用途车站。
〔5〕这些隧道的开挖直径一般在9~10m，视预计的开挖后地层变形特性而定。
〔6〕为缩短工期与因为通风的需要，这些非常长的铁路隧道常常分成一定数量的区段与相应的施工标段〔Pajares隧道、勒奇山山底隧道、圣哥达山底隧道〕。
〔7〕常常要求采用机械施工方法，以限制项目的工期，在某些情况下是为了提高工期和费用预算的可靠性。
〔8〕具体使用TBM类型为开敞式TBM和护盾式TBM〔单护盾或双护盾〕，具体类型取决于设计采用机械施工法进展掘进的区段的地层条件。
另外，单护盾或双护盾TBM并不总是隧道开挖的正确方法，特别是在预计有很多洞段存在不利地层条件的情况时，如发生快速挤压的地层和〔或〕工作面坍塌。
〔9〕这种尺寸的TBM的独头掘进最长距离还未超过15km。
〔10〕为修建正线隧道，仅采用机械施工方法〔TBM〕是可行的，但仅仅是一个特例〔参见瓜达腊马隧道和Abdalajis隧道〕，在前一个隧道工程中，沿隧道线路超过90%的岩体的质量都有利于TBM开挖，另外施工方和设计方的良好合作。
在后一个隧道过程中，其长度相对较短并为此开发了一种特殊类型的TBM——DSU型TBM〔Grandori和Romualdi，2004〕以对付可能的大的收敛变形。
（11）传统施工方法在修建这些长隧道中仍然起著重要作用。
最后应指出的是，在表1最后一列所给出的施工工期是实际的或者预计的，而且这些工程实例具有以下共同的特点：
〔1〕规划、设计和环境评估阶段的时间非常长，一般都持续了几十年。
〔2〕针对长隧道选择最正确施工方法的问题确实复杂，它几乎从来都不是一个纯粹的技术问题。
〔3〕通常需要首先在技术可行性、隧道施工、运营要求、费用和环境影响之间进展大的折衷。
4方法
4.1与施工方法选择相关的风险总体考虑
高速铁路长隧道是非常复杂的土木工程，其一般位于偏远的高山地区，进入条件困难且既有根底设施非常有限。
因此，很难进展现场勘察，以弄清所规划隧道沿线的地层条件，这要花费大量的时间和费用，而这正是从技术上正确选择施工方法的关键之处。
根据隧道界积累的经历，与高速铁路深埋长大隧道有关的典型不利条件包括：
〔1〕高地应力，很难加以确定〔特别是水平应力〕，意味着作用于隧道支护上的地层压力非常大。
〔2〕在其无侧限抗压强度低于平均原位应力的岩层中，具有强烈的挤压和高的塑性变形〔大的收敛和强度的软化〕。
〔3〕在非常坚硬、原位应力水平非常高的岩层中会出现岩爆。
〔4〕黏土质岩层中的膨胀和蠕动〔长时间的隧道底部变形〕。
〔5〕高水压和〔或〕大的涌水。
〔6〕断层的剪切带，其强度常常非常低，水压非常高〔工作面和洞室不稳定〕。
〔7〕严重破碎带，力学性能差，各向异性，可能需要对工作面前方地层进展预处理，以穿越断层带。
〔8〕高的地温和水温可能要求在施工中进展良好的通风甚至冷却。
〔9〕沿隧道穿越的活动断层出现因地震引起的局部位移。
〔10〕环境影响，特别是对地下水体系的不良影响，对公众的干扰和对洞门区域土地和财产的干扰。
在某一隧道区段内这些不利条件的存在与否，以与存在的话这些条件的出现频率，对于选择施工方法以与制定相关的设计—施工方案是至关重要的。
为了降低上述不利条件的不确定性，倾向于采用以下方法中的一种：
〔1〕全线或者至少在最困难的洞段开挖小直径导洞。
并利用导洞作为今后的效劳—平安隧道〔在笔者看来，这并不是必要的，如果最终的正线隧道是双孔结构的话〕。
意大利和奥地利之间的高速铁路线上的Brennero山底隧道即是这种情况。
〔2〕在施工阶段对工作面前方地层进展钻孔探测。
探孔可以相当长，以符合隧道施工工序的整个作业，其目的是确保连续覆盖所要开挖的隧道线路〔无论是对机械施工法还是传统施工法〕。
该方法在在建的圣哥达山底隧道中得到了广泛的实践，在该隧道中，对于高水压下的钻孔探测取得了重要的技术进步。
但是应该指出，采用第一种方法，导洞必须面临以后正线隧道施工时所要面对的一样风险。
中国##雪山〔Hsuehshan〕隧道的教训提醒了，缺少对这一关键方面的认识将会导致整个工程的失败〔Cheng，2004〕。
4.2所建议的方法
根据所获得的经历，表1中所列的工程实例以与上述风险考虑，笔者最近开发了一种选择最优施工方法或者施工方法组合的综合方法，图1为该方法的流程示意。
确定长隧道的最正确施工方法要求对大量的参数有很好的了解，特别是对项目〔功能性的〕的总全特征以与沿隧道定线的地层条件。
在流程图右侧的“输入数据和辅助分析〞是概括性的，下面给出相对详细的解释。
首先必须认识到，确定深埋长隧道的最正确施工方法或方法组合的过程是一个迭代的过程。
鉴于此，在长隧道的新开发阶段开场时，必须仔细和通盘考虑前一阶段的结论，特别是决定前一阶段设计—施工选择的主要因素，如果这样的决策是有组织的、有记录的。
对于第1~3步，输入数据和根本分析可能包括：
〔1〕政治决策，例如时间表目标、因财政限制和〔或〕日益增长的交通要求需要分期实施工程。
〔2〕功能性要求，以与根据技术进步和相关法律、标准的演变，对功能性要求所做的改变。
〔3〕隧道的定线和结构，始终寻求最优化的可能性。
〔4〕确定可行的和最长的独头掘进的长度，并考虑通风的技术限制、交通〔在隧道内外〕、开挖技术〔TBM〕、工期和费用等。
〔5〕既有和即将修建的进入通道的可用性，并要正确考虑隧道的实际埋深。
〔6〕社会一环境要求与限制，包括所谓的一个国家所特有的和一般的风险因素。
〔7〕审查隧道业界所能提供的施工方法。
〔8〕承包商的经历，特别是在相似地层条件下修建类似长隧道的经历。
〔9〕工期和费用限制，它们在所有大型地下工程中都存在。
对于第4步，必须进展以下工作：
〔1〕进展桌面研究以收集所有有关隧道线路的信息，这些信息可能影响到施工方法的选择。
〔2〕收集并用钻研眼光去审查从类似条件所获得的实实在在的经历，向参建的承包商和设备供给商进展咨询。
〔3〕现场勘察数据。
对此必须切记，没有什么可以替代由经历丰富的地质和水文地质专家所做的有价值的现场工作，其费用也并不十分昂贵。
〔4〕地层特性和地质灾害分析。
对此必须注意，由于现场勘察数据有限以与由此产生的不确定性较大，因此对岩石力学特性建议采用概率方法〔Russo和Grasso,2006〕。
〔5〕风险清单。
对于初步的风险定性分析这是一种非常有用的工具，风险清单可结合相似工程的类似清单加以编制。
〔6〕工程设计方案，即使是初步的或者概念性的。
要记住，对于施工工期和费用的估算，采用一些典型的设计方案也比什么都没有要好。
〔7〕施工可行性的审查。
在确定每一隧道工段可行的、备选的施工方法后应立即由在类似工程中获得丰富经历的技术人员进展施工可行性的审查。
〔8〕评估任何极端的情况〔危险情况〕并研究其影响后果，特别是所遇到的条件超出了原来确定的施工方法的条件X围而需要在施工过程中变更施工方法这一方面。
〔9〕专家的观点、建议。
强调其重要性永远都不为过。
〔10〕通过与在行业领先的设备供给商的沟通，了解当千可用技术的优缺点并考虑在今后可以预见的技术开展。
对于第5步，所需的输入数据可从以下分析获得：
〔1〕价格清单。
对于没有列在清单中的任何主要项目进展具体的价格分析。
〔2〕类似工程的参考价格。
〔3〕工程地质剖面与各种设计方案沿该剖面的分布〔所选择的施工方法的断面类型〕，包括变更方案。
〔4〕所区分灾害的分布，其出现的概率以与预计的影响后果。
〔5〕用确定性方法估算工程量〔传统的数量表〕。
〔6〕隧道施工的概率模拟，直接考虑所预计的工程变量的变化X围以与各种已经识别风险的影响后果。
对于第6步，所需的输入数据可从以下分析获得：
〔1〕进展全局优化。
对此要记住，一个相对一小段洞子来说是最正确的方案，当从整个隧道工程或者整座隧道的角度重新审查该洞段时，也许需要让位给第二种，甚至第三种最正确方案。
〔2〕分析相邻隧道工段之间的制约条件，因为也许存在严重的接口问题，会严重影响到所选施工方法的效率。
〔3〕多重标准分析。
〔4〕专家建议。
对于第7步，以下输入数据是必需的：
〔1〕政治决策。
〔2〕财政限制和策略。
〔3〕风险分担政策和机制。
〔4〕专家建议。
对于第8步，所需的输入数据可从以下分析获得：
〔1〕按照适合系统的最正确方案修改设计。
〔2〕有系统地识别和分析剩余风险。
〔3〕预先确定剩余风险应急措施和实施机制。
〔4〕专家建议。
5一些总的标准与相关考虑
为了正确实施前面章节中所建议的方法，需要确定一些总的标准并进展一些额外的相关考虑。
首先，重要的是要认识到，深埋长隧道最正确施工方法的选择是一个典型的、复杂的、多阶段的决策问题，即业主、设计方所做的大局部决策将引导做出其他决策。
由于存在许多不受决策制定者控制的、非决策的变量，如地层条件和一些施工参数等，大局部的决策是在不确定条件下制定的。
因此决策如终包括一定程度的风险。
另外，如前面所提到的那样，在隧道的标高处可能预计有许多的灾害和不利条件，但它们确实切位置不清楚，因此成为工程风险的主要来源。
在这样的情况下，仅仅依靠工程判断和一套设计原那么不能足以确保工程获得成功，而运用决策分析和风险分析技术几乎成为必然。
对于只有少量备选方案的情况，可以根据Einstein等人的研究成果〔1998〕通过“决策树分析〞或者技术上称为“多重标准决策分析〞的技术来模拟这一问题。
根据笔者的经历，把前面所建议的方法论与适宜的决策技术正确结合起来将使得不同阶段的各种比选方案的比拟分析更具结构化和更为有效，这样可以给关注设计—施工方案的各方建立一个合理的、广泛的和定量的根底让大家做到心中有数。
另外，考虑到需要在工程开发的第一阶段重复这一评定和决策过程，以上所建议的结合的方法不具有易于跟踪和重复的独特优点。
最初将长隧道分成适宜数量的〔易于管理的〕隧道工段主要是基于功能要求〔通风和平安〕、进入条件、工期限制〔常常是政治决策〕以与现有的技术条件限制。
图1中的过程是反复的。
为了初步评定所分工段的合理性，可以在历史数据和对工程的具体了解的根底上结合专家的初步估算施工工期和费用。
根据手中工程开发阶段，常常需要针对不同层次的设计方案进展施工方法评估，主要包括：
〔1〕针对某一工段或者整座隧道可供比选项的定线。
〔2〕针对深埋长隧道可供比选的结构形状，根据国际隧协第17工作组的报告，有4种根本方案：
方案1：
单孔双线隧道，具有中间救援站；
方案2：
单孔双经隧道，具有平行的平安—效劳隧道；
方案3：
平行双孔单线隧道，具有中间救援站；
方案4：
平行的双孔单线隧道，具有第三条平行的平安—效劳隧道。
如第3节所述，欧洲倾向于采用第3种方案。
〔3〕施工方法〔机械方法、传统方法以与这两种方法的组合〕。
施工方案这3个层次上的决策可以采用决策树结构形式。
各个设计的特征将用于施工可行性分析和方案的比拟〔分段方式和整座隧道方式〕。
在工程开发的早期阶段，可以通过仔细的概念性的设计来确定每一种设计方案的特点，概念设计可以在有效结合隧道业界的设计经历以与业主对于工程的具体要求和期望进展。
必须指出，对于施工方法的评估不应只局限于施工技术的狭隘意义上，相反响从施工系统的广泛意义上来进展评估。
在确定某一隧道工段可行和可供选择的施工方法时，必须记住，正确选择施工方法是“首要的风险减轻措施〞，或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反响。
最正确的方法或方法组合可能不是唯一的，因此所有可能适用的比选方法都应列出并加以评定。
对于某一隧道工段和所选的施工方法，可以运用以下标准评估所给定方案的可施工性：
〔1〕地质、土工技术和岩体力学方面的条件。
〔2〕水文地质条件。
〔3〕不利条件的存在情况，包括其X围和出现频率。
〔4〕隧道工作面的稳定性，以与最终所需要的工作面支护。
〔5〕正线隧道双孔之间立柱的稳定性以与横向连线和换轨的需要。
〔6〕初期支护和最终衬砌的需求。
〔7〕施工进入通道的要求。
〔8〕环境限制条件。
对于所获信息中的变化〔或不确定性〕，要求进展定量统计分析以便获得输入数据〔上下边界〕，进展比选方案的比拟分析。
别外应对每一位比选方案中的风险进展量化。
在对给定工段选择了施工方法并确定了初步设计方案后作为对主要风险的初步响应，必须确定其余的风险并进一步寻找相应的减灾措施以最终完成设计方案。
这种做法首先要针对每一工段的所有比选方案，然后是针对构成长隧道的所有工段〔图1中实线所表示的环线〕。
本文主要作者〔Xu,Grasso,2005〕提出了一种风险分析方法并给出了一X全面检查清单，特别适合识别和分析大型隧道工程〔常常是深埋长隧道〕中的风险。
随着工程的进展，常常需要从相对简单的定性风险分析转移到半定量分析以与完全定量和概率化的风险分析，这也是因为风险分析所需的信息量随着时间而增加。
除了标准的，确定性方法计算每一典型施工循环〔即所预计的技术方案、包括标准
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