新建時速300~350公里客運專線鐵路隧道施工培訓教材第1頁/共59頁

一、客運專線隧道的特點第2頁/共59頁

為了迎接市場競爭的挑戰(zhàn)，近期，鐵道部啟動了以250km/h、300km/h和350km/h速度為目標的客運專線的建設(shè)工程，我國的鐵路建設(shè)又進入了一個新階段。由于速度的跨越，對構(gòu)成線路的各種結(jié)構(gòu)物，包括橋梁、隧道、軌道、路基等，提出了更加嚴格的要求和標準，也提出來許多前所未有的新課題。目前，正在建設(shè)的和擬建的幾條客運專線都有大量的隧道工程涌現(xiàn)。在客運專線條件下，如何針對隧道觀察的特點、認識和解決所面臨的新問題，是一個值得研究的問題。第3頁/共59頁

首先，如何認識客運專線中隧道工程與一般線路中隧道工程有何不同。第4頁/共59頁(一)、列車運行的高速度，引起的列車——空氣動力學問題突出，不容忽視；這包括：

·

隧道凈空有效斷面積的確定－舒適性；

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列車運行產(chǎn)生的空氣壓對結(jié)構(gòu)物的影響－耐久性；

·

對周邊環(huán)境的影響－緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)置。三個方面的問題。第5頁/共59頁(二)、考慮列車高速運營的特點，隧道的凈空有效斷面積增大，例如在350km/h速度的條件下,Ⅴ級圍巖隧道的開挖斷面積可達170m2，屬于超大斷面隧道的范疇，與三車道公路隧道的開挖斷面積相當，給設(shè)計、施工提出來許多新課題；(三)、由于開挖斷面積的增大，施工難度也急劇增加，特別是對一般地質(zhì)條件下的初期支護技術(shù)和不良地質(zhì)條件下的超前支護技術(shù)，提出來很高的要求；第6頁/共59頁(四)、列車高速運行的作用，對洞內(nèi)軌道（包括基底結(jié)構(gòu)，如仰拱或鋪底、混凝土填充層等）的影響增大，不僅需要加強基底結(jié)構(gòu)，對襯砌結(jié)構(gòu)也具有一定的影響，不容忽視。(五)、對襯砌混凝土的耐久性，如抵抗列車風壓的疲勞特性；如何保證初期支護的噴混凝土的耐久性?，以及大斷面襯砌結(jié)構(gòu)的抗開裂特性等，都提出來了明確的要求；(六)、由于這一輪隧道工程的數(shù)量特別巨大，因此，合理控制工程造價，意義也特別重大。第7頁/共59頁

總之，目前要解決的問題是：高速運營條件下的超大斷面隧道的設(shè)計施工問題。因此、客運專線的隧道工程，將是提高我國隧道設(shè)計施工技術(shù)的重要機遇。我們應(yīng)該下大力氣，切實地做出具有時代意義的貢獻。第8頁/共59頁

二、重點控制的施工環(huán)節(jié)第9頁/共59頁控制的內(nèi)容：

運輸方式及隧道開挖重視地質(zhì)超前預報，盡早確定施工預案監(jiān)控量測及時反饋,調(diào)整支護參數(shù)與施工方案.加強防排水施工工藝研究.強化嚴格過程控制，保證工程質(zhì)量。

第10頁/共59頁◆運輸方式及隧道開挖第11頁/共59頁◆運輸方式及隧道開挖

★運輸方式：

有軌運輸與無軌運輸；

以出碴車輛為例：需配車數(shù)NaNa=x/y，X－每個鉆爆循環(huán)出碴所需車輛次，Y－每車每爆破循環(huán)的裝卸循環(huán)次數(shù)。x=K*Va/QB*ψaK—土石松散系數(shù)；Va—每循環(huán)出碴量m3(實方)；QB—車容積m3；ψa—滿載系數(shù)。y=Ty/(t1+t2+t3+2L*60/ν)第12頁/共59頁

Ty—每爆破循環(huán)要求運輸時間；t1—裝車時間min；t2—卸車時間min；t3—調(diào)車及其它干擾時間min；L—最大運輸距離km;ν—平均行車速度km/h。建議：當隧道的單口掘進超過1.2km（雙線1.8km），且無輔助坑道時宜采取有軌運輸方式。無論采取何種運輸方式，施工中隧底混凝土均應(yīng)盡可能跟緊掌子面以形成高質(zhì)量通道?！锼淼篱_挖方法

鉆爆法（礦山法），以新奧法為代表；機械法，如TBM、盾構(gòu)法；第13頁/共59頁◆初期支護與地質(zhì)預報第14頁/共59頁

★重視支護參數(shù)設(shè)計

高度重視隧道的初期支護動態(tài)設(shè)計初期支護包括：噴混凝土、錨桿、鋼支撐支撐或格柵、超前支護.

★重視地質(zhì)預報并納入工序管理

隧道是一個管狀的隱蔽工程，穿越崇山峻嶺，穿過多種巖類甚至多個構(gòu)造與地質(zhì)年代，所經(jīng)過的水文、地質(zhì)條件十分復雜，設(shè)計階段的地質(zhì)勘察只能給予基本的分析和判斷，而對存在的不良地質(zhì)地段如：斷層、富水地段、巖溶等不可能作出精確的標識。因此，為探明前方圍巖狀況，取得準確的第一手資料，做好施工預案，獲得設(shè)計與施工上的主動，施工過程中的地質(zhì)超前預測預報必不可少并納入工序管理。第15頁/共59頁

地質(zhì)預報的內(nèi)容

斷層及斷層影響帶的位置、規(guī)模及其性質(zhì)。軟弱夾層的位置、規(guī)模及其性質(zhì)。巖溶的位置、規(guī)模及其性質(zhì)。不同巖性、圍巖級別變化界面的位置。工程地質(zhì)災害可能發(fā)生的位置和規(guī)模。含水構(gòu)造的位置、規(guī)模及其性質(zhì)。地質(zhì)預報的方法：地質(zhì)雷達、超前鉆探、HSP(聲波）、TSP（地震波）等。第16頁/共59頁收集、掌握地區(qū)地質(zhì)資料

探測資料研判，給出探測結(jié)論和工程措施意見超前水平鉆探，距離30－50m紅外線探水儀：距離約30m短距離探測：地質(zhì)雷達，距離20－30m地質(zhì)預報工作和流程圖長距離探測：TSP、HSP，預報距離80-150m掌子面地質(zhì)調(diào)查與素描（每排炮后）補充地質(zhì)調(diào)查第17頁/共59頁◆圍巖監(jiān)控量測第18頁/共59頁

圍巖量測技術(shù)

監(jiān)控量測是隧道新奧法施工的核心技術(shù)之一。在隧道開挖過程中，使用各種量測儀器、設(shè)備，對圍巖變化情況和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進行量測，能夠及時提供圍巖的力學狀態(tài)、穩(wěn)定程度和支護結(jié)構(gòu)可靠性的信息，了解和掌握圍巖變化規(guī)律，預見事故苗頭和預兆，排除隱患和險情，評價、調(diào)整或修改支護參數(shù)及施工順序，同時確定二次襯砌的最佳施做時間。

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量測目的:①掌握巖石位移和支護變形的動態(tài)對圍巖穩(wěn)定性作出評價；②確定支護結(jié)構(gòu)形式,指導合理安排工序,及時修改支護參數(shù)，確定支護時間；遇到危及施工安全的嚴重情況時,為分析原因,采取相應(yīng)措施和施工決策提供依據(jù),確保工程的安全性,經(jīng)濟性.⑤評價支護結(jié)構(gòu)的合理性及安全性.⑥為今后類似工程積累設(shè)計、施工資料

。

量測內(nèi)容：監(jiān)控量測項目分為必測項目和選測項目。必測項目為日常施工管理必須進行的量測并納入工序管理，內(nèi)容包括：洞內(nèi)收斂量測；拱頂下沉；地表沉降觀測等。第20頁/共59頁量測儀器量測部位（斷面）及基線布置凈空變化、拱頂下沉和地表下沉（淺埋地段）等必測項目應(yīng)設(shè)置在同一斷面。圍巖級別斷面間距（m）每斷面測點數(shù)量凈空變化拱頂下沉Ⅴ～Ⅳ5～101～2條基線1～3點Ⅳ10～301條基線1點Ⅲ30～501條基線1點必測項目量測斷面間距和每斷面測點數(shù)量

注：洞口及淺埋地段斷面間距取小值。各選測項目量測斷面的數(shù)量，宜在每級圍巖內(nèi)選有代表性的1－2個。軟巖隧道的觀測斷面適當加密第21頁/共59頁凈空收斂量測基線布置示意圖第22頁/共59頁

量測頻率位移速度（mm/d）量測頻率≥52次/d1～51次/d0.5～11次/2～3d0.2～0.51次/3d＜0.21次/7d量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率（0～1）b2次/d（1～2）b1次/d（2～5）b1次/2～3d＞5bb—隧道開挖寬度

1次/7d量測頻率1（按位移速度）

量測頻率2（按距開挖面距離）

當按上表選擇量測頻率出現(xiàn)較大差異時，宜取量測頻率較高的作為實施的量測頻率

第23頁/共59頁量測數(shù)據(jù)分析

量測數(shù)據(jù)整理、分析與反饋應(yīng)符合下列要求：每次量測后應(yīng)及時進行數(shù)據(jù)整理，并繪制量測數(shù)據(jù)時程曲線和距開挖面關(guān)系圖。對初期的時態(tài)曲線應(yīng)進行回歸分析，預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。數(shù)據(jù)異常時，應(yīng)根據(jù)具體情況及時采取加厚噴層、加密或加長錨桿、增加鋼架等加固措施。

按變形管理等級指導施工

管理等級管理位移（mm）施工狀態(tài)ⅢU＜U0/3可正常施工ⅡU0/3≤U≤2U0/3應(yīng)加強支護ⅠU＞（2U0/3）U實測位移值；U0最大允許位移值

應(yīng)采取特殊措施變形管理等級表

U/mm位移時程曲線示意圖第24頁/共59頁

根據(jù)位移變化速度判別凈空變化速度持續(xù)大于5.0mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強初期支護系統(tǒng)。凈空變化速度小于0.2mm/d時，圍巖達到基本穩(wěn)定。

第25頁/共59頁◆隧道防排水第26頁/共59頁

隧道的防排水

隧道防水采取先期主動防水.全工序.全過程防水的理念結(jié)構(gòu)防水

柔性防水層作用：阻斷地下水沿初期支護的薄弱環(huán)節(jié)和甬道侵入二次襯砌，對二襯混凝土造成侵蝕，從而導致結(jié)構(gòu)的損害和破壞，影響行車安全。第27頁/共59頁防水板的施工

材質(zhì)：聚乙烯

規(guī)格：寬度大于1.5m，厚度要求不小于1.2mm。

機具：專用焊接機

施工方法：無釘鋪設(shè)。

鋪設(shè)完成后的防水板與鋼筋第28頁/共59頁止水帶

設(shè)置部位：工作縫及變形縫結(jié)合部的中間。

作用：防止地下水沿工作縫及變形縫結(jié)合部（薄弱環(huán)節(jié)）滲入洞內(nèi)。

兩種典型止水帶斷面結(jié)構(gòu)示意圖

止水帶端頭板臺車模板開挖輪廓線第29頁/共59頁初期支護注漿防水

種類:帷幕注漿.周邊注漿.徑向注漿

巖石地層預注漿設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)圍巖水文地質(zhì)條件合理定宜比靜水壓力大0.5－1.5MPa；當靜水壓力較大時，宜為靜水壓力的2－3倍；注漿泵的壓力應(yīng)達到設(shè)計壓力的1.3－1.5倍。

漿液：按需要可選用單液或雙液漿。

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三、設(shè)計的優(yōu)化與變更第31頁/共59頁

設(shè)計優(yōu)化

優(yōu)化原則

設(shè)計優(yōu)化是對設(shè)計功能的進一步完善和對工程結(jié)構(gòu)及安全的進一步加強。

設(shè)計優(yōu)化的主要內(nèi)容

施工圖設(shè)計優(yōu)化的重點是根據(jù)鐵道部有關(guān)的技術(shù)法規(guī)和政策，按照施工現(xiàn)場的實際情況核對設(shè)計文件，理解設(shè)計意圖，評估設(shè)計目的和功能，對工程結(jié)構(gòu)、使用功能、安全性能等方面進行優(yōu)化.第32頁/共59頁四、主要施工方法第33頁/共59頁

隧道的開挖方法

在礦山法施工的隧道中，其開挖方式應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件進行確定，其常見的方法一般有如下幾種：全斷面法、半斷面法、上下導坑法；在半斷面法上下導坑法中又分為短臺階法、超短臺階、長臺開挖方法橫斷面示意縱斷面示意全斷面法下導洞超前法臺階法環(huán)形開挖預留核心土法雙側(cè)壁導坑法中洞法中隔壁法（CD法）交叉中隔壁法（CRD法）隧道主要開挖方法表

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階法；在導坑法中又有CRD法及側(cè)壁導坑法，另外還有預留核心土法等等。新奧法的施工技術(shù)均適用于上述施工方法。開挖方法適用圍巖級別及說明備注全斷面法1單線隧道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖；2雙線隧道Ⅰ、Ⅱ級圍巖；3地下水狀態(tài)：干燥或潮濕。循環(huán)進尺宜控制在3～4.0m。下導洞超前法1單線隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖；2雙線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖；3地下水狀態(tài)：有滲水或股水。

臺階法1單線Ⅲ級、Ⅳ級圍巖；2雙線Ⅲ級圍巖；3地下水狀態(tài)：干燥或潮濕。臺階長度應(yīng)有利于施工操作和機械設(shè)備效率的發(fā)揮，同時應(yīng)利于支護盡早封閉成環(huán)。環(huán)形開挖預留核心土法1單線Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖；2雙線Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖；3地下水狀態(tài)：有滲水或股水。施工中應(yīng)盡量減少開挖分部，采用大斷面分部雙側(cè)壁導坑法1單線Ⅴ、Ⅵ級圍巖；2雙線隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖；3地下水狀態(tài)：有滲水或股水。中洞法雙聯(lián)拱隧道中隔壁法（CD法）單、雙線隧道Ⅴ、Ⅵ級圍巖、淺埋隧道、三線隧道。交叉中隔壁法（CRD法）雙線、三線隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖、淺埋隧道。

客運專線隧道各類施工（開挖）方法適用條件

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隧道的控制爆破

一般有兩種：光面爆破、預裂爆破.

第36頁/共59頁

架立完畢的工字鋼架與錨桿

工字鋼拱架與錨桿的安裝

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五、不良地質(zhì)地段的施工第38頁/共59頁

礫石土、巖堆、巖溶、斷層破碎帶、嚴重風化的巖體、流沙、涌泥、洞口嚴重風化地段等Ⅱ類（5級）及以下的圍巖均屬于不良地質(zhì)地段.

超前支護小管棚超前支護（預注漿）

該方法是較為常見的支護方法，當不良地質(zhì)地段在系統(tǒng)錨桿支護達不到預期效果時的首選方案之一，主要用于洞口不良地質(zhì)地段、斷層破碎帶、塌方處理、地層預加固等，多與網(wǎng)噴混凝土結(jié)合使用第39頁/共59頁。基本原理：在工作面周邊按一定角度將小導管打（鉆、壓）入巖層，借助注漿泵的壓力，使?jié){液通過小導管滲透、擴散到巖層孔隙或裂隙中，以改善巖體物理力學性能，達到既可止水又可在工作面周圍形成一個承載殼—巖層自承拱的目的，同時管體又可起到超前錨桿的作用，從而增加巖體的自穩(wěn)時間，提高開挖面巖層自穩(wěn)能力，限制巖層松馳變形。1001.432m3m40cm第40頁/共59頁第41頁/共59頁施工方法參數(shù)設(shè)計小導管材質(zhì)、管徑選擇；導管布置（沿隧道開挖輪廓線向外傾斜）；注漿壓力確定；注漿量確定；導管間距確定（注漿半徑）；漿液選則：在圍巖相對較好，涌水量較小時，宜選用水泥漿單液注漿；否則宜選用水泥—水玻璃雙漿液漿或其它化學漿液。

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注漿壓力

如量測靜水壓力有困難時，可參考下列經(jīng)驗公式確定最大設(shè)計壓力，并根據(jù)注漿試驗結(jié)果進行修正：

地表注漿：

P=（0.2－0.5）H1；

洞內(nèi)注漿：

P=（0.2－0.5）H1K；式中：H1——孔口至靜水位高度（m），可參照地下水埋深進行初步確定；

K——洞內(nèi)修正系數(shù)，1.2－2.0；

P——注漿設(shè)計壓力（MPa）。注漿量

漿液注入量可根據(jù)擴散半徑及巖層裂隙率參考下列公式計算確定Q=πR2Hηβ

式中：Q——漿液注入量（m3）；

R——漿液擴散半徑（m）；

H——注漿段長度（m）；

η——巖層裂隙率，一般取1％－5％；

β——漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，視巖層性質(zhì)而定，約0.3－0.9。

第43頁/共59頁注漿

主要種類:

單液注漿

水泥-水玻璃雙液法注漿

第44頁/共59頁

大管棚超前支護

大管棚超前支護具有一次施作支護距離長，支護能力強，一次支護范圍大，施工快速的特點。與型鋼支撐、注漿等方法結(jié)合支護效果良好。多用于風積砂、流沙、軟流塑、斷層破碎帶、塌方處理等。支護機理：長鋼管打入巖層后,與鋼支撐組合形成一個沿隧道外輪廓的簡支結(jié)構(gòu)，從而對作業(yè)面起到棚護作用；若與超前加固預注漿結(jié)合，則可長距離的加固巖體，較適用于富水的破碎軟弱圍巖。

第45頁/共59頁大管棚施工示意圖鋼管頂入靜壓頂入施工現(xiàn)場第46頁/共59頁

水平旋噴樁預支護

水平旋噴預支護在國外又叫作“旋噴拱棚預支護”，與管棚、預切槽均為預支護強有力方案中的一種，水平旋噴在國內(nèi)外的隧道預支護中已得到成功應(yīng)用。作用機理：水平旋噴的原理同豎直旋噴，只是將鉆桿水平鉆進進行旋噴注漿。在不良地質(zhì)隧道工作面前方，沿隧道開挖外輪廓線利用鉆機鉆孔，然后把帶有噴頭的噴漿管放至地層預定的位置，邊后退邊高壓旋噴注漿,用從噴嘴出口噴出的漿液射流沖擊和破壞地層。剝離的土顆粒在噴射流的力的作用下，與注入的漿液摻攪混合，并按一定的漿土比例有規(guī)律地重新排列，在土體中形成固結(jié)體。相鄰的旋噴固結(jié)樁體相互搭接咬合形成旋噴樁拱棚，與鋼支撐共同作用，達到支護目的。水平旋噴適用于軟土、粘性土、黃土、砂類土、砂礫卵石第47頁/共59頁層等。水平旋噴直接用射流破碎土層，在破碎范圍內(nèi)固結(jié)體質(zhì)量能夠保證。其沒有塌孔的危險，在淺埋、軟弱圍巖隧道施工中能夠有效防止?jié)B漏，控制圍巖的變形，防止地表沉降并可靈活應(yīng)用于全斷面或臺階法等不同開挖方法。旋噴作業(yè)成樁第48