隧道工程施工技术

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【摘 要】改革开放以来,我国社会经济蓬勃发展,城镇化进程加快,为了促进经济和社会的进一步发展,提高居民的生活质量,方便人们的交通出行,我国修建了大量的隧道工程.从早期的深圳梧桐山隧道,到目前我国最长的秦岭终南山隧道,我国隧道的数量以及规模都在不断扩大.截止2007年底,我国建成公路隧道4673座,总长度达2556km,居世界首位.

【关 键 词】隧道；设计理论；施工技术

改革开放以来,我国经济发展迅速,城市规模不断扩大,城市人口剧增,许多城市不同程度地出现了建筑用地紧张,生存空间拥挤,交通堵塞等问题.这些问题给人类居住条件带来很大影响,阻碍了现代城市的可持续发展.为了缓解以上问题,我国及世界上其他各国都开始向地下空间发展,隧道工程便是对地下空间利用的一种体现.与西方发达国家相比,我国隧道建设起步较晚,存在施工经验不够丰富、设计理念不够先进等问题.不过,改革开放以后,我国隧道工程发展迅速,各种隧道工程的建设为我国隧道理论的发展、完善提供了宝贵的经验.

一、隧道工程理论

隧道设计理论主要有两种,一种是二十世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”,其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力,不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌,需要用支护结构予以支撑.这样,作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力.

另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论,即“围岩承载理论”（简称“岩承理论”）,其核心内容是：围岩稳定显然是其自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定确实有一个过程的,如果在这个过程中提供必要的帮助或限制,则围岩仍然能进入稳定状态.这是一种比较现代的理论,它已经脱离了地面工程考虑问题的思路,而更接近于地下工程实际,半个世纪以来已被工程界广泛接受和推广应用,并且表现出了广阔的发展前景.

二、隧道超前地质预报

隧道建设是一项十分复杂的工作,为了防止发生重大工程事故,确保施工过程中的稳定和安全,必须认真做好超前地质预报工作,尽可能详细地调查隧道位置的区域工程地质、水文地质情况,施工过程中应做到勤监测,密切注意围岩状况,及时发现异常情况,以保证后续工作的顺利开展.

隧道超前地质预报不仅可以进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质和水文地质条件,指导工程施工的顺利进行,而且还可以降低地质灾害发生的几率和危害程度,并为优化工程设计提供地质依据.由此可见,隧道超前地质预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益.因此,对隧道超前地质预报工作应给予足够的重视.

三、隧道施工方法以及选择原则

目前,常用的隧道施工方法有矿山法（又称钻爆法）、新奥法（我国称为“锚喷构筑法”）、明挖法、盖挖法、盾构法、掘进机法、沉埋法（又称沉管法）.

矿山法指的是用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法.矿山法是一种传统的施工方法.它的基本原理是,隧道开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能坍落.矿山法施工的基本原则是“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”.

“新奥法”是奥地利隧道学家腊布希维兹教授在总结锚喷支护技术的基础上首先提出的,简称为NATM（NewAustrianTunnellingMethod）.它是采用锚杆和喷射混凝土作为初期支护,达成围岩的基本稳定,带隧道开挖完成后,在逐步地作内层衬砌作为安全储备,以保持隧道长期稳定的施工方法.至今,可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM.新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法.

明挖法指的是先将隧道部位的岩（土）体全部挖除,然后修建洞身、洞门,再进行回填的施工方法.具有施工简单、快捷、经济、安全的优点,城市地下隧道式工程发展初期都把它作为首选的开挖技术.其缺点是对周围环境的影响较大.

盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后,将顶部封闭,其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工.主体结构可以顺作,也可以逆作.在城市繁忙地带修建地铁车站时,往往占用道路,影响交通当地铁车站设在主干道上,而交通不能中断,且需要确保一定交通流量要求时,可选用盖挖法.

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法,它是将盾构机械在地中推进,通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌,同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖,通过出土机械运出洞外,靠千斤顶在后部加压顶进,并拼装预制混凝土管片,形成隧道结构的一种机械化施工方法.盾构法开挖隧道通常适用于软土而不适用于岩石中.

掘进机法是挖掘隧道、巷道及其它地下空间的一种方法.简称TBM法,是用特制的大型切削设备,将岩石剪切挤压破碎,然后,通过配套的运输设备将碎石运出.分为：全断面掘进机的开挖施工,独臂钻的开挖施工,天井钻的开挖施工,带盾构的TBM掘进法.

沉埋法指的是将箱形或管形水泥混凝土预制构件,分段沉埋至河底或海底而构成隧道的施工方法.

目前常用的隧道施工方法主要有上述几种,不同的施工方法有各自的适用范围,在具体工程中选择何种方法应遵循以下原则：在选择隧道施工方法时,应综合考虑围岩工程地质、水文地质条件、隧道工程结构条件和工程施工条件,使所选方法与围岩自稳能力、工程地质条件以及隧道断面大小、形状相适应,并应满足施工技术水平、施工安全、作业空间、施工速度、施工成本控制、工程质量、环境保护、施工组织和管理方面的要求.

四、隧道支护

隧道支护结构的基本作用是保持隧道断面的使用净空,防止岩体质量的进一步恶化,同围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系,承受可能出现的各种荷载.此外,支护结构必须能够提供一个能满足使用要求的工作环境,保持隧道内部的干燥和清洁.

隧道的支护主要有初期支护和后期支护.初期支护的主要作用是承受“早期围岩压力”,帮助围岩达到“基本稳定”,以便安全、顺利地挖除坑道内岩体,保证隧道在施工期间的稳定和安全.初期支护的常用方法有锚喷支护和超前支护.后期支护的作用主要是承受后期围岩压力,并提供“安全储备”,以及满足构造、美观、降阻和耐久等方面的要求,保证隧道在服务期的长期稳定和安全.

五、隧道工程施工质量检测

隧道工程试验检测工作是隧道工程施工技术管理中的一个重要组成部分,同时也是隧道工程施工质量控制和竣工验收评定工作中不可缺少的一个主要环节.工程实践经验证明,不重视施工控制和施工现场质量的控制管理工作,而仅靠经验评估是造成工程出现早期破坏的重要原因.因此,要想切实提高隧道工程施工质量,缩短施工工期,降低工程投资,在建立健全工程质量监测制度的同时,必须配备一定数量的试验检测设备和相应的专职检测技术人员.

六、我国隧道发展方向

改革开放以来,我国隧道建设事业蓬勃发展,目前我国隧道数量已经跃居世界第一位.但我国仅仅是一个隧道大国,而非隧道强国,与西方发达国家相比,我国隧道建设还存在着机械化施工程度不高,施工工艺不够先进,质量控制不够严格,工程事故频发等缺陷.隧道技术的发展表明,今后我国隧道技术的研究方向为：非爆破的机械化施工、合理规划与环境保护、设计可靠合理、使用安全等方面.