隧道设计的基本原则和理念 王梦恕.docx

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隧道设计的基本原则和理念王梦恕

隧道设计的基本原则和理念

-王梦恕

建立四个理念

一、中国铁路勘测设计应给后代留下遗产而不是遗憾。

1、不合理工期、不合理造价、限额设计、轻方案研究是产生根本性遗憾之源。

2、铁路设计标准低、突出快、技术含量不高、大坡度、小半径、沿沟线不应出现。

3、取消单线建设，修建复线、多线或局部多线，全面合理提速。

二、用技术条件取代规范、多搞指南少搞规范，为创新构建平台。

三、在建设过程中必须及时修改图纸，取消问责制。

毛主席在65年对北京地铁建设的批示“精心设计、精心施工、在建设过程中会有不少错误失败，随时注意修正”。

隧道工程不确定因素很多，设计者必须实事求是，及时修改图纸。

这是衡量设计水平高低的标准之一。

四、设计应高起点、构建较高的技术平台，实现技术创新。

反对长隧短打。

如渝兰线32公里关角隧道设计，应考虑小TBM+钻爆法施工新模式。

利用二线导洞快速施工+横通道模式取消斜井。

取消费工费时、造价高向上运输方式的理念。

五、建设要点

1、洞门前不设路堑，必须早进晚出，不破坏山体环境。

（1）洞门位置不当，产生塌方、偏压的理念。

（2）洞口间距过大，不利管理和节约土地，可以小间距的理念。

（3）洞口不设深路堑（应小于10m）的理念。

（4）优选切削式不受力洞门的理念。

（5）美化洞口及周边环境的理念。

（6）上下行洞口错开，设挡墙防止废气进入另一洞口、气流短路的理念。

（7）洞口段、洞门、明洞之间合理施工方法的理念。

（8）洞口边坡点合理设置的理念。

2、全隧道不设变形缝，特殊地段设置诱导缝，8级地震区在洞口段40~50m处设减震缝。

3、必须重视岩溶地区的综合地质超前预报，长短结合以短为主，预报范围为前方≥30m，隧道周边外1倍洞径作为工序列入。

4、一次工序要强，承受部分水压和全部土荷载，浅埋和海底隧道则承受全部水荷载和土荷载，二次模筑衬砌作为安全储备。

5、全部采用网构钢拱架，取消型钢拱架，靠近工作面的第一排钢拱架不受力。

网构钢拱架在X、Y方向能够做到等强度、等刚度、等稳定度。

喷射混凝土后的网构拱架承受10倍荷载，工钢则承受4倍荷载；工钢后部混凝土喷不上，渗漏水；耐久性好；宜和小导管、锁脚锚管结合。

6、一次支护由钢筋网、钢拱架、喷射混凝土组成，钢拱架接头联结处设锁脚锚管（灌浆）。

7．取消系统锚杆，目前锚杆结构不是永久锚杆，只是临时锚杆。

软弱地层不设锚杆，只设锁脚锚管。

有钢拱架区段不设临时锚杆。

V~IV及围岩不设锚杆。

III~IV级围岩局部破碎设置锚杆和钢筋网。

锚杆在设计计算中是无法作为支护结构来考虑的。

锚杆是施工时临时加固的手段。

锚杆施工的临时效应很难实现

8、软弱地层必须采用潮喷混凝土，不提倡湿喷混凝土。

9、必须采用复合式衬砌结构形式，一次支护和二次模筑衬砌之间必须设半包是防水隔离层，不允许全包，采用无钉铺设防水板，无纺布后部必须设置系统排水盲管。

水的处理有两个理念：

一是以堵为主，限排为辅。

而是全堵方案，但要给水有排出的通道。

10、取消中部排水沟。

11、反对长隧短打。

提倡设置平行导坑，可提高正洞2倍速度。

斜井设置仅是0.5倍的正洞速度。

竖井是0.1~0.3倍的正洞速度。

斜坡道不同于斜井，是无轨运输，仅是0.5倍的正洞速度。

平行导坑+横通道实现快速施工。

终南山隧道有成功事例。

12、正台阶施工不允许分长、中、微台阶，台阶长度为一倍洞径，第一个上台阶高度必须为2.5m，小导管长度为台阶高度加1m。

13、支护结构施工必须是一次支护从上向下施作，二次模筑衬砌必须从下向上施作。

二次模筑采用素混凝土可实现百年寿命。

钢筋混凝土衬砌，迎水面钢筋保护层应大于5~7cm。

建议今后采用小偏心受压素混凝土衬砌。

14、选择适宜的辅助施工工法：

常用的有：

环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆式、超前小导管支护、超前小导管周边逐渐支护、设置上台阶临时仰拱、跟踪注浆加固地层、水平旋喷超前支护、洞内真空泵降水、洞内超前降排水、洞外深井泵降水、地面高压旋喷加固、下注浆后冻结法。

注意：

全断面帷幕注浆应改为上半断面周边注浆，下半断面降水、排水。

采用上堵下排的原理、方法。

15、大跨隧道施工应选择变大跨为小跨的施工方法，如CD法、双CD法、CRD法、双侧壁法。

柱洞法、中洞法、侧洞法等。

临时侧壁应拉直，以减少中间跨度。

16、隧道内一般不设长管棚，只在洞口设置。

长管棚的直径应和地层刚度想匹配，当φ超过150mm时，对控制地表下沉左右很小。

17、隧道宜近不宜联，可采用小间距隧道，反对双联拱、多连拱，取消盾构隧道的横通道。

18、大断面硬岩隧道宜采用小导洞超前爆破，可减震30%，也可采用小TBM超前，钻爆法扩大。

注意：

隧道及路堑边坡采用光面爆破，不准预裂爆破。

全断面开挖改为小TBM超前打通，后部用钻爆法扩大。

优点：

（1）可以超前预报；

（2）爆破减振30%，炸药比全断面爆破减少5—10%；

（3）扩大爆破，炮眼利用率为100%，所以提高开挖速度2—3倍；

（4）炮眼半孔保存率80%,线形超挖<10cm;

（5）爆破碴堆、碴块均匀、集中，便于快速出碴；

（6）纵向爆破冲击波小,对后部工序影响小。

19、地铁盾构施工的经济效益分析

（1）盾构φ6.23m一台6000万，资金沉积，周围太慢，3.5~4年可把6000万元收回（不计利息），第五年开始盈利，每年最多赚1000万元。

（2）盾构搬家，一般城市之间300~400万元/次。

（3）盾构从竖井拆除再组装一次30~50万/次。

（4）适用盾构法施工一个盾构掘进长度为6KM以上，这是发挥盾构快速施工，性价比最好的工程筹划。

（5）一般人马配2~3台盾构才能提高稳定技术人员、高级技工的能力。

这是施工单位合理部署的举措。

结论：

应合理慎重规划应用盾构。

与钻爆法、浅埋暗挖法相比，经济效益要低10倍左右。

20、TBM硬岩掘进机

（1）机型方案选择：

开敞式TBM优于双护盾构式、单护盾式。

有五个优点:

①长度与直径之比<1，调方向灵活，可确保±30mm，调整误差。

　②能及时支护，有利于洞室稳定，护盾式不利于及时支护、易塌方。

③不易被地压力卡死护盾。

④造价比双护盾便宜10%—30%。

⑤衬砌支护比管片便宜2倍以上。

（2）支护结构

①开敞式TBM用复合式衬砌，最易适应不同地层和水量；支护寿命长，

可确保100年，出事故维护方便。

②双护盾式TBM必须采用软弱地层管片衬砌厚度，不适应变化多端的

山岭隧道（土压、水压），管片厚度不能调整，管片寿命不可靠，且造价高

于复合初砌数倍以上，因此不宜采用。

（3）必须重视盾构和TBM的国产化。

目前一些甲方盲目追求使用国外最先进的技术设备，既不考虑性能价格比，也不考虑国内制造业的同步发展，造成不断的重复引进，对大量资金纳税人的钱流向国外，发展国外经济，提高国外人民生活水平很有“魂力”，而对养育自己的祖国和人民冷酷无情，这是什么工作感情和能力。

建议国家对国外采购要设立强有力的评价体系、规定和制度；要建立项目业主、装备制造企业和保险公司风险同担，利益共享的重大技术装备保险机制；国产化率中的关键部件必须进口，国产率在50%到60%为宜。

21、盾构设计和施工应重视的几个新动向

盾构分为有刀盘和无刀盘两大类：

一、无刀盘盾构

（1）无刀盘盾构称为开敞式简易盾构，人可以站在平台上进行地层开挖。

①开敞网格式

用于地层自稳较差，但降排水后还能自稳。

将工作面用网格结构支撑，盾构刃脚插入地层0.5m左右，起超前支护作

用。

②开敞正台格栅一般分为3个台阶,人可直立工作。

③CD开敞格栅式。

④双CD开敞格栅式

⑤插刀式盾构，单臂掘进机开挖，地层较好，无水处采用。

（2）无刀盘开敞式后部衬砌支护形式

①管片式

②压缩混凝土式：

边推进边压缩混凝土

（3）无刀盘开敞式适用范围

①水少之地，地层较能自稳。

②降水后砂卵石地层，如成都地铁、沈阳部分区段地铁，降水后的黄土地层，如西安地铁。

③性价比好，易国产化，造价比有刀盘便宜一半以上。

二、有刀盘盾构

有刀盘盾构是指靠土压、泥水压、局部气压稳定工作面的盾构。

（一）有刀盘盾构分类

1．士压平衡式盾构。

2．泥水平衡式盾构。

3．泥水加局部气压平衡式盾构

（二）刀盘类型和设计

刀盘是盾构设计的关键技术，对隧道不同地层应及时设计和调整刀盘的开口率和布刀方式。

1.盘形刀盘：

指硬岩地层，开口率仅在30％左右。

靠刀盘压紧地层进行稳定，土压力、泥水压力仅部分稳定工作面。

2.辐条式刀盘：

由于盾构所穿地层松软，扭矩较大、推力小、土压、泥水压易平衡工作面，应予推广。

对刀盘刀具的磨耗也小。

3.无水、少水之地不利于刀盘的寿命，应改为无刀盘盾构。

4.适应范围：

在流沙、富水及不稳定的地层中应用，但不能包打天下。

因性价比差，不易国产化，但必须走向国产化，可在南方地铁及不稳定地层中应用。

江河水底隧道应用。

22、不同地层应选择不同类型的盾构

1.少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构

少水或无水地层，地层具有较好的自稳性，降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒对刀盘刀具磨损也很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。

2.土压平衡盾构不是全能的，应同时考虑选用泥水盾构与土压盾构

（1）土压平衡盾构的考虑

不稳定的粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机。

在含水的黄土地层，有时不需要水或只需要加很少量的水，通过搅拌形成塑性好的泥浆将刀盘全部糊死。

该地层不适合土压平衡盾构，应采用降水配合开敞式网格盾构。

（2）泥水加压盾构的考虑

（a）泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。

（b）泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。

（c）在砂层中进行大断面、长距离推进的盾构机，大多采用泥水加压式盾构机。

实践证明，掘进断面越大，用泥水加压式盾构机的效果越好。

（d）泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外，还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。

（e）泥水加压盾构存在盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态等缺点，还需要较大的泥水处理场地。

23、不同地层应选择不同的刀盘类型

（1）开口面板式刀盘

（2）辐条式刀盘

刀盘特性比较

刀盘形式

比较项目

面板式

幅条式

备注

开挖面水土压控制

一般存在三个压力：

P1：

开挖面～面板之间；

P2：

面板开口进出口之间；

P3：

面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。

其中：

P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。

只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制。

砂、土适应性

（粒径＜15cm）

由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。

仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。

北京西三环向东四环内地层粒径大致如此。

砂卵石适应性

（粒径＞15cm）

适应性强，必要时可加滚刀。

不能加滚刀，刀头形式及数量较少。

刀盘扭矩

刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。

刀盘扭矩阻力小，设备造价低

隧道内刀头更换

安全性

由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠。

在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。

由于是城市隧道，每段长度有限，可避免隧道内更换刀头。

24、水底公路隧道盾构直径的确定

（1）双向4车道Φ11.4m左右的盾构安全风险最小

国内外成功的水底公路隧道盾构直径多在Φ11.4m左右，实践证明，制造、施工及运营风险较小；较经济（1.2亿元/台）。

（2）双向6车道Φ15m左右的盾构风险较大

盾构制造成本很高，价格昂贵（3～3.5亿元/台）；

盾构掘进压力平衡不易控制，施工风险大；

管理、运营风险较大；

埋深加大，纵坡不利；

空间浪费，约80m2左右。

25、TBM的选择考虑

（1）开敞式TBM适应软硬地层

开敞式TBM转向控制灵活、对地层能及时支护。

开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护，在磨沟岭砂页岩含水软弱地层中实现了日掘进快支护41.3m和月掘进快支护574m快速施工水平，平均进尺232m/月。

在TBM上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，而且在确定刀间距、推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上，能适应软岩、硬岩的切削特性。

（2）半护盾、全护盾不适应软岩地层

护盾式TBM转向不灵活、控制较为困难

软弱破碎地层不能及时支护

26、支护型式的考虑

1.管片衬砌

广泛应用于软土地层盾构隧道的支护

管片接头部位是防水薄弱环节，应研究接头型式及防水材料

管片形状及分块型式

管片厚度及钢筋配置与地层压力的关系

2.喷混凝土衬砌

应用于开敞式TBM隧道，能及时支护，很好地适应软弱破碎围岩，在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了成功应用。

3.压缩混凝土衬砌

压缩混凝土衬砌（ECL——ExtrudedConcreteLining），就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。

ECL工法的具有以下特点：

ECL工法的筑造的衬砌质量高；

ECL极大地抑制了地层沉降，无须降低地下水；

采用全机械化施工，节省人员、安全性高，作业环境好；

ECL工法采用一次衬砌，材料用量少；不需要同步注浆；

施工阶段工序少，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期

4、薄管片+二次模筑=复合衬砌结构。

该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道或重要通道。

27、必须坚持动态设计、动态施工、动态管理，设计人员必须及时修改图纸，必须尊重施工信息。

28、设计人员必须提高思想品德、业务素质，要超越规范，创新设计；有新理念、新创新。

应用新技术、新工艺、新材料、新设备、新仪器，反对抄袭图纸。

29、要实事求是，确定合理工期，合理造价。

不合理工期、不合理造价是造成质量差、工程寿命短及安全事故发生的主要原因。

30、要建立循环经济的理念；要有系统地下工程的理念；要有方便运营维修的理念；要有保护环境的理念；要有重视方案设计比选的理念。

特别要注意，不要将工程的简化问题复杂化。

31、隧道顶部允许塌方空洞存在，拱顶上方要有2m土厚保护。

32、运营的隧道应简化通风、照明、防灾、监控，简化思路，节约能源。

建议小于１km隧道不设通风、照明。

横向通风、半横向通风因土建、运营费用很高不可取，应采用纵向竖井分段射流通风方式。

33、城市立交应简化规模，节约土地，方便市民。

34、从安全风险角度出发，从有利于长大隧道施工通风出发，上下行隧道必须分洞修建，分洞运营。

35、隧道施工洞口无主扇风机，U形气流射流风机，通风技术

该技术适用于上下行、分离式双洞隧道。

这是打破常规的新模式，取消了在洞口采用大功率主扇压入式向洞内输送新风的模式。

采用在洞内横通道之间设置射流风机（15—30KW/台），风机本身产生高速气流（30米／秒）的卷吸作用，产生很大的压力差，从而强迫诱导大量新风，在U型风道中产生单向巨大风流，达到换气目的。

36、江河隧道施工方法应优选钻爆法和浅埋暗挖法，其次选择盾构法、掘进机法，在松软地带才可采用沉管法。

严禁在岩石中采用沉管法，水下爆破不可行。

37、铁路进入城市应采取客内货外原则，应重视枢纽换乘车站设计，处理好客流与地铁的关系。