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1、铁路隧道建设理念及主要设计原则,中国工程院院士 王梦恕,一、 “品德”是建好工程培养创新人才的基础 1、爱因斯坦说：“人只有献身社会，才能找出那短暂而有风险的生命意义”，“自强不息，厚德载物”。 2、没有思路，便没有出路。 3、人类历史上最有价值的知识是方法的知识。 4、学术论文要有提出个人许多烙印（创新思维）的新概念、新名词、新公式、新观点，以推动科技的发展。 5、学会在海洋的资料中去伪存真、浪里淘沙。,6、每个人应有科学精神、合作精神、自立精神、社会精神。 7、朝着一个目标走是“志”，一鼓作气中途不停的是“气”，两者结合起来就是“志气”，一切事业的成败取决于此。 8、最大的危险是看不到危险
2、，看不到自己所作所为的好坏。 9、每个企业要制定社会的责任，每个人才要有自己的社会责任。,二、施工、建设、设计、管理、规划的理念 1、当前不合理工期、不合理造价、不合理方案、不合理合同（四个不合理）是工程建设的癌症。 2、施工单位是工程建设的主体。当前施工单位带着设备、机具、人力、技术、资金来出卖自己，变成要饭的局面，必须扭转。 3、地下工程变化因素太大，必须动态管理、动态信息化施工、动态修改设计、动态验工计价，绝不允许地下工程全包，必须有自己的架子队。,4、采用大标、BT方式、设计施工总承包的管理建设模式，是当今主要采用的模式。 5、“平等相待、实事求是、畅所欲言、团结一致”是干好工程的基本
3、条件。 6、五个阶段（规划、投招标、勘测设计、施工、运营）的风险分析是确保安全、质量的关键，必须认真执行。,三、 建设铁路隧道的四个理念 （一）地下工程是不可逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程。不允许是遗憾工程和灾害工程。,（二）地下工程是风险性很大工程，必须实事求是，科学地进行风险性评估。评估内容为：施工安全评价、施工质量评估、环境评估，最后是施工进度和施工成本评估。 据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安全事故的原因的调查结果表明，将施工方作为工程安全唯一主体是不对的，目前五个阶段的风险界定不清，而这些风险往往到施工时才反映出来，由施工方完全承担这些风险是不合理的。,设计失误
4、41%,不可抗力18%,施工缺陷21%,地质勘探不足12%,信息缺乏8%,（三）必须进行信息化动态反馈设计。通过支护参数调整，确保施工安全，不改变设计是不对的，应有工程哲学的思想。 毛泽东主席在65年对北京地铁修建的批示“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）用技术条件取代规范，多搞指南少搞规范，为创新构建平台。,四、钻爆法主要设计施工原则 (一)单洞双线、两个单洞隧道的选择原则 根据无轨运输堵头通风最大长度3.5Km的技术条件，单洞双线隧道最大长度78Km； 两个单洞隧
5、道必须采用射流巷道式通风，省电、效率高，可实现堵头10Km以上，是最好的通风方式。,射流巷道通风技术 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（1530KW/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。,建议隧道设计采用上、下行分洞设计，或正洞加平导设计，能实现长距离施工通风。,平行双洞特长隧道施工多工作面圆梁山隧道11公里，无斜、竖井施工实例。,终
6、南山公路隧道18.4公里，利用铁路平导及8个横通道建成，没有设置任何竖井、斜井，节约造价3.6亿、一年半建成上行线。,采用平行双洞射流通风模型，可解决长大隧道施工通风难题。采用无轨运输模式，施工通风可达10公里以上。,从设备投入，快速施工考虑，有轨运输设备投入大，管理复杂，充电电池满足不了长距离运输；无轨运输设备投入小，配合洞内射流巷道通风，是快速施工的最好模式。,鉴于以上三个前提，建议优选两个单线隧道设计方案。可不要任何斜竖井实现特长、长隧道的安全、快速施工。不破坏山体环境。该方案对建设过程和建成后都会带来很大方便，尤其在软弱、岩溶、煤系、浅埋、大变形地层更会减少风险和工程投资。也可设计单洞
7、双线隧道加平导贯通方案。,利用射流巷道式通风方式，可改变辅助坑道的理念，可改变长大隧道设计的方法。,（二）隧道纵坡设置问题 1、应高位选线（如南昆线），可避免许多灾害。 2、禁止在岩层交界面上选线，如福田车站、大连地铁上软下硬，很难施工。,3、富水地区必须采用人字坡，以利于防灾和排水。 4、铁路进城市应按深埋选线，减少对环境的破坏。（如石家庄市客运专线）,平行既有线采用明挖法施工，对运营、施工安全影响很大,（三）隧道辅助导洞设置问题 1、利用平导增设工作面、解决施工通风是最好的方法。不设斜竖井施工，可增设多条平导和横洞。如终南山隧道、瑞士阿尔比斯山隧道。,2、深层岩溶及富水地区，必须增设泄水洞
8、和大流水溶洞相联，释能减压，不搞全断面帷幕注浆，不做止浆混凝土墙，采用周边浅孔注浆+迂迴导洞排水。 3、施工分段应考虑施工通风的方式，从隧道中部分段优点很多。不允许像TBM施工中的单条分割法。,（四）支护结构设计原则 1、初期支护是保证施工安全的关键，要有足够的刚度和强度，承受二衬砌施作前施工期间的全部土压力荷载。不计水压力（以绕排降压）。,2、软弱、破碎围岩（、级）按普式拱理论计算压力；、级围岩按爆破松动圈22.5m厚计算。 3、初期支护由喷网、网构钢拱架、锁脚锚管、纵向链接系组成，形成永久承载结构，二次混凝土衬砌作为安全储备。今后不再提喷锚支护。,全部采用网构钢拱架，取消型钢拱架，靠近工作
9、面的第一排钢拱架不受力。网构钢拱架在X、Y方向能做到等强度、等刚度、等稳定度。喷混凝土后的网构拱架承受10倍荷载，工钢则承受4倍荷载；工刚后部混凝土喷不上，渗漏水；耐久性好；便宜省钢材；安装容易；宜和小导管、锁脚锚管结合。,4、不同围岩的稳定由初期支护进行调整，可加强或减弱，当在56倍洞经处通过量测证明已稳定的情况下，方可进行二次衬砌边顶的混凝土灌注。二次衬砌分三次施工：一是底层混凝土和仰拱可以跟在工作面1倍洞经左右，二是衬砌边墙基础紧跟，目的是增加一次支护的安全系数。三是边、顶拱模板台车衬砌，不宜紧跟。,5、二次衬砌作为安全储备，从有利百年大计出发可不设钢筋（当断面轮廓为小偏心受压时），衬砌
10、厚度一般定为3040cm，不随围岩改变而改变。,6、必须取消拱部锚杆；必须采用网构钢拱架；必须取消湿喷混凝土；必须取消中部排水沟；有钢拱架之地可不设系统锚杆，而在接头处设置锁脚锚管。,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，只设索脚锚管。有钢拱架区段不设临时锚杆。 级围岩不设锚杆。 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。 锚杆施作的时空效应很难实现。,7、全隧道不设变形缝；防水隔离层背后设系统盲管，防水隔离层不允许全包，只包在边墙底基础上，和两侧排水沟形成排水系统；取消止水板，施工缝处设置B
11、W防水条。,8、在二衬及防水板铺设前，应进行初期支护背后充填灌浆，确保二衬在无水下施工。 9、大变形、大地应力地段采用圆形轮廓及衬砌是最简单的方法。,（五）快速施工原则 1、隧道的出路在于机械化。 2、应配属钻孔作业线、裝碴运输作业线、一次衬砌作业线、防水及二次衬砌作业线，四条主线。应配属施工通风作业线、注浆防排水作业线，两条辅助线。 3、采用光面爆破工艺、导洞超前、全断面扩大、二次钻爆法实现减震、光爆、快速。,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510%； （3）扩大爆破，炮眼利用率为100%，所以提高开
12、挖速度23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.,4、按无轨运输、双洞、射流巷道式通风实现特长隧道无斜竖井设计和施工。,五、其它 1、洞门洞口段设计。,（）洞口位置不当，产生塌方、偏压的理念 （）洞口间距过大，不利管理和节约土地，可以小间距的理念 （）洞口不设深路堑（应小于）的理念,（）优选切削式不受力洞门的理念 （）美化洞口及周边环境的理念 （）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,（）洞口段、洞门、明洞之间合理施工方法的理念 （）洞口变坡点合理设置的理念,2、必须
13、重视岩溶地区的综合地质超前预报。长短结合以短为主，预报范围前方30m，隧道周边外1倍洞径做为工序列入。,3、软弱地层必须采用混凝土，SEC法，不提倡泵送湿喷混凝土（塌落度8以上）。,4、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1 m。,纵向承载拱 上台阶过长引起松动荷载 开挖过程纵向变位影响长度,微台阶引起工作面失稳,5、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、超前小导管周边注浆支护、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
14、超前降排水、洞外深井泵降水、地面高压旋喷加固、先注浆后冻结法。 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。,6、大跨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。 7、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相匹配，当超过150mm时，对控制地表下沉作用很小。,7、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。,8、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
15、路堑边坡采用光面爆破，不准预裂爆破。,9、隧道顶部允许塌方空洞存在，拱顶上方要有2m土厚保护。,10、地铁盾构施工的经济效益分析,(1)盾构6.23m一台6000万元,资金沉积,周围太慢，3.5年4年可把6000万收回(不计利息),第五年可开始盈利,每年最多能赚1000万元。 (2)盾构搬家，一般城市之间300400万/次。 (3)盾构从竖井拆除再组装一次3050万/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)一班人马配23台盾构才能提高稳定技术人员、高级技工的施工能力。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。
16、与钻爆法、浅埋暗挖法相比，经济效益要低10倍左右。,11、TBM硬岩掘进机：,开敞式,双护盾结构图,TBM硬岩掘进机：,双护盾,TBM硬岩掘进机：,台湾雪山隧道双护盾,(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: 长度与直径之比1，调方向灵活，可确保30mm，调整误差。 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。 不易被地压力卡死护盾。 造价比双护盾便宜10%30%。 衬砌支护比管片便宜2倍以上。,（2）支护结构 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。 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
