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1、2018/10/20,1,大断面隧道设计施工中的 关键问题 西南交大 关宝树,2018/10/20,2,一、背景,1、世界范围内，铁路建设的重新定位，一些长大隧道，不断涌现。 例如欧洲共同体，启动了新一轮的高速铁路建设计划，其中在穿越阿尔匹斯山区的线路上出现了几座特长铁路隧道（图1）。,2018/10/20,3,穿越阿尔匹斯山几座特长铁路隧道,2018/10/20,4,2018/10/20,5,在日本5条新干线的整备计划中，隧道工程量也是相当可观的。北陆新干线轻井一长野段，长83.6km，隧道约占44 (36.8km)；东北新干线宫内八代段，长60.0km，隧道约占85 (51.5km)；九州
2、新干线八代一西鹿儿岛段，长125.2km，隧道约占70(87.7km)。在这些线路上也出现了几座长隧道，如岩手隧道长25.8km，紫尾山隧道长10.0km等。,2018/10/20,6,日本新干线的修建把日本的隧道技术水平提高到一个新的起点。其中一个重要标志，就是长隧道的涌现。例如日本的东北新干线在盛岗八户间约94.5km的线路上，有70%左右（约69km）是隧道。其中 岩手隧道是长25.8km的长隧道。在东北新干线的八户新青森间的81.2km的线路上，隧道约占60%（49.89km）。其中八甲田隧道长26.455km，比岩手隧道（25.8km）略长一些。2000年3月所有工区都陆续开工。北陆
3、新干线的长野上越间隧道约占65%，其中饭山隧道长22.2km，是目前施工难度比较大的一座长隧道。长野高琦间的五里峰隧道长15.2km也政治施工中。另一个特点就是，在新干线隧道工程中采用了不少新技术，新工艺、新材料。,2018/10/20,7,德国于80年代初期动工修建的从汉诺威到威尔兹堡新干线，长327km，隧道总延长达118km，占线路长度的37 。包括长达10.7km的兰得吕肯隧道。另一条从曼海姆到斯图加特线路，长100km，隧道约占30 (30km)。,2018/10/20,8,瑞士联邦铁路也计划修建穿越阿尔卑斯山的新隧道。该计划包括4条高速铁路比选方案。将要修建多座特长隧道。这些隧道分
4、别是：乐琴山隧道（38.2km）、辛普郎隧道(35.4km)、圣哥达隧道(49.3km)、斯普林肯隧道(46.7km)和Y型隧道（25.7km）。,2018/10/20,9,意大利从罗马到佛罗伦萨的线路，长度237km，其中穿越阿尔卑斯山的线路实际长度只有78.2km，而且隧道的总延长则达85km。其中，主隧道长度为73km，辅助隧道长度达12km。,2018/10/20,10,台湾正在修建的台北到高雄的高速铁路全长333km，共有总延长39km的50座隧道，最长的隧道约8.4km，隧道比重为11.7 。其中36座隧道将采用掘进机法或钻爆法施工，其余11km用明挖法修建。,2018/10/20
5、,11,2、我国客运专线的启动，引发新一轮铁路隧道的建设。 例如我国铁路开始的新一轮铁路建设，在总长12500km的铁路线上，隧道总延长约2500km，而目前开始修建的客运专线就有近700km的单、双线铁路隧道，长度超过10km以上的，有10多座，其中最长的太行山隧道，长度达27.8km，目前已经开始修建。我国长度超过10km的铁路隧道列于表1。,2018/10/20,12,表1 中国特长铁路隧道表,2018/10/20,13,根据统计，截止2004年底的统计数据，各国已经建成通车的、正在修建的和规划中的长度超过10km以上的公路隧道及铁路隧道，共有117座，其中中国拥有22座。约占20。,2
6、018/10/20,14,2018/10/20,15,2018/10/20,16,2018/10/20,17,10km以上的公路隧道,注：隧道长度，按4舍5入计，取小数点后1位。本表的中国数据到2005年4月，其它国家到2003年7月。,2018/10/20,18,因此，在隧道工程领域中，我们不仅是一个名副其实的“隧道”大国，而且正在向“隧道”强国迈进。,2018/10/20,19,3、这些铁路隧道都是以高速为基础修建的,因此，净空断面积 增加较多，特别是开挖断面积增大了，给设计施工带来新的问题。,2018/10/20,20,这些长隧道的修建，无疑地是一个新的机遇和挑战，我们应该利用这个机遇，
7、将我国的隧道设计、施工及维修管理的技术提高到一个新的水平。应该指出，我国近4000km的铁路隧道和近1000km的公路隧道，以及水工隧道、部分地下铁道，基本上是采用矿山法修筑的，因此，这次发言也把重点放在客运专线的隧道工程，以矿山法修建隧道的技术现状和发展上。,2018/10/20,21,在经济发展的今天，由于环境保护意识的增强，高速铁路进入一个新的发展时期。由于新的铁路干线的修筑是以高速为前提的，这必然会出现大量的隧道群，其中超过十公里或几十公里的长隧道也必然出现。这些隧道共同的特征是：长；断面变化多；埋深大；地质条件变化多。因此对隧道的设计、施工包括运营管理都提出了不同的目标要求。修建这些
8、隧道的目标要求可以归纳为：品质，要具有良好的耐久性、易于维修管理；不能对周边环境造成长期的影响；创造一个安全、舒适的作业环境；工期短、速度快、造价低。隧道的设计施工技术应该满足这些起码的目标。,2018/10/20,22,二、客运专线的隧道特点,2018/10/20,23,为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以250km/h、300km/h和350km/h速度为目标的客运专线的建设工程，我国的铁路建设又进入了一个新阶段。由于速度的跨越，对构成线路的各种结构物，包括桥梁、隧道、轨道、路基等，提出了更加严格的要求和标准，也提出来许多前所未有的新课题。目前，正在建设的和拟建的几条客运专线都有大
9、量的隧道工程涌现。在客运专线条件下，如何针对隧道观察的特点、认识和解决所面临的新问题，是一个值得研究的问题。,2018/10/20,24,一、列车运行的高速度，引起的列车空气动力学问题突出，不容忽视；这包括： 隧道净空有效断面积的确定舒适性； 列车运行产生的空气压对结构物的影响耐久性； 对周边环境的影响缓冲结构的设置。三个方面的问题。,首先，如何认识客运专线中隧道工程与一般线路中隧道工程有何不同。,2018/10/20,25,二、考虑列车高速运营的特点，隧道的净空有效断面积增大，例如在350km/h速度的条件下,级围岩隧道的开挖断面积可达170m2，属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路隧道的开
10、挖断面积相当，给设计、施工提出来许多新课题；,2018/10/20,26,三、由于开挖断面积的增大，施工难度也急剧增加，特别是对一般地质条件下的初期支护技术和不良地质条件下的超前支护技术，提出来很高的要求；因此，在大断面的条件下要特别关注初期支护和超前支护的质量。,2018/10/20,27,四、列车高速运行的作用，对洞内轨道（包括基底结构，如仰拱或铺底、混凝土填充层等）的影响增大，不仅需要加强基底结构，对衬砌结构也具有一定的影响，不容忽视。,2018/10/20,28,五、对衬砌混凝土的耐久性，如抵抗列车风压的疲劳特性；如何保证初期支护的喷混凝土的耐久性?，以及大断面衬砌结构的抗开裂特性等，
11、都提出来了明确的要求；,2018/10/20,29,六、由于这一轮隧道工程的数量特别巨大，因此，降低工程造价，意义也特别重大。,2018/10/20,30,总之，目前要解决的问题是：高速运营条件下的超大断面隧道的设计施工问题。因此、客运专线的隧道工程，将是提高我国隧道设计施工技术的重要机遇。我们应该下大力气，切实地做出具有时代意义的贡献。,2018/10/20,31,何谓大断面？,目前我国大断面（三车道）公路隧道已开始修建，如联络重庆市的几条高速公路也从一开始就决定采用3车道的大断面隧道，如铁山隧道，大梅沙隧道、大宝山隧道等都是三车道大断面的。由于3车道公路隧道的断面积比双车道大得多,例如，第
12、二东名公路初期建设的三车道隧道的断面积为113170m2 比一般双车道的85m2 大1.52.0倍。目前为适应140km/h高速度的要求而规划的3车道公路隧道，其断面积达170m2200m2，局部断面达230m2的超大断面，开挖宽度达23m。较初期三车道隧道断面又增加了1.31.5倍。英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m，开挖高度达15.4m，开挖断面积为252.2m2。又如，日本的第二布引隧道，在分叉段是从2车道（净空断面积59m2）变化到34车道的断面（最大开挖宽度24m、开挖断面积240m2）。,2018/10/20,32,大断面隧道的分类隧道断面划分和开挖断面积 （日本）,20
13、18/10/20,33,日本公路隧道断面划分的基准（2003年）,2018/10/20,34,国际隧协的断面划分,2018/10/20,35,2018/10/20,36,大断面意味着什么？在同样围岩条件下，随着开挖断面积的增加，意味着：1、掌子面的稳定性的降低；2、施工难度、特别是施工安全管理的难度增大；3、施工风险的发生概率加大；4、结构物质量要求的提高。,2018/10/20,37,隧道工程管理的基本问题,安全：安全为主线技术：确保掌子面稳定和施工质量管理：实现风险管理,2018/10/20,38,最近一段时间，安全生产形势十分严峻。特别是地下工程，表现得更为明显。其中瓦斯爆发事故占了很大
14、比重。董家山隧道的特大瓦斯爆发事故就是一例。因此，提高安全生产的意识是非常重要的。,2018/10/20,39,所谓提高安全生产意识或风险意识，实质上是要认识到任何生产都存在着风险，只是风险有大、有小，有的是可以接受的，有的是不可以接受的。特别是对地下工程来说，风险常常是在灾难性的，也是不可以接受的。瓦斯爆发、大规模的塌方等就属于这种类型的风险。因此、减少风险、控制风险和防止风险就成为工程管理中的重大课题。,2018/10/20,40,如何减少风险、控制风险和防止风险，就要依靠纯熟的技术和完善的管理。因此，技术和管理就成为工程管理中的重要手段。没有纯熟的技术和完善的管理，就谈不上风险的控制。因
15、此，不管是业主、还是设计、施工以及监理都必须下大力气，狠抓“技术”和“管理”。,2018/10/20,41,技 术,1、确保掌子面的稳定； 2、大力提高支护结构，特别是初期支护的支护能力，特别是喷混凝土的性能； 3、多机作业，尽可能地缩短各项作业的时间；施工方法要为采用大型施工机械或多台机械同时施工创造条件； 4、提高混凝土衬砌的施工水平，防止衬砌的初期开裂； 5、采用根本性的措施，确保防水的质量； 6、设计和施工要采取措施尽可能地减小开挖断面积；,2018/10/20,42,一、掌子面稳定性,在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在通过各
16、种不良地质地段时。从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式：掌子面挤出；掌子面拱部坍塌；上半断面拱脚下沉；底部鼓起等。从技术角度出发，预防和减少上述风险发生的主要方法也是多种多样的。超前支护；扩大拱脚、设置拱脚锚杆或锚管；正面喷射混凝土和锚杆；底脚锚杆或锚管等。,2018/10/20,43,例如意大利在修建高速铁路隧道中，曾采用以下稳定掌子面的方法。这些方法都是为了确保掌子面稳定，减少施工风险而形成的。,2018/10/20,44,2018/10/20,45,2018/10/20,46,掌子面超前支护是采用钢管、插板以及注浆等，沿隧道外轮廓，以低角度打设方式加固掌子面前方围岩、约束围岩松弛、掉块的方法。超前支护，基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。,2018/10/20,47,2,2018/10/20,48,3 ,
