浅谈隧道掘进中的优化方案

浅谈隧道掘进中的优化方案
近些年大量应用的隧道掘进工程，但因其造价相对高昂，在实际应用中也受到了一定限制。

本文对隧道掘进中的优化方案进行李详细分析。

标签：隧道掘进；优化方案
一、前言
我们知道，在隧道掘进的施工过程中，其施工方式与施工进度受到很多条件的限制，比如复杂的地质有限的施工空间特别是爆破开挖施工中，过程非常复杂且有随机性，很难依靠数学模型来进行描述，所以我们需要进行系统分析研究各种因素，使施工过程中各个环节紧密配合，优化施工方案，在保证施工进度的基础上，能够实现施工过程的经济性与安全性。

二、优化的必要性
主洞开挖方式需优化。

交叉口主洞原设计开挖方式为两台阶开挖，由于所处段落为Ⅲ级围岩加宽段，最大开挖宽度达14.70m，加上排风通道的临空面，采用上、下台阶开挖施工风险大。

交叉口支护形式需优化。

交叉口所处围岩为Ⅲ级围岩，排风通道支护形式为：超前支护为22早强砂浆超前锚杆，初期支护为Ⅰ14@1m钢拱架、22全螺纹砂浆锚杆、8钢筋网片和20cm厚C25喷射混凝土，二次衬砌为40cm厚的C30钢筋混凝土，隧道设计预留变形量为5cm。

主線所处围岩为Ⅲ级围岩，支护形式为：初期支护为Ⅰ16@1.2m 钢拱架、22全螺纹砂浆锚杆、8钢筋网片和22cm厚C25喷射混凝土，二次衬砌为45cm厚的C30钢筋混凝土，隧道设计预留变形量为7cm。

交叉口所处结构复杂，且临空面较大较多，主洞设计没有超前支护，施工安全风险大。

右线排烟通道需优化。

斜井右线排烟通道经主线左洞拱顶6m通至右洞，施工难点在于60.11°上坡段和52.15%下坡段，坡度大势必加大施工难度，增加施工时间，并且大坡度带来较大安全风险。

与交叉口相距最近处车行横洞需优化。

斜井排风通道优化后，斜井与左线主动相交桩号为ZK16+581.320，与ZK16+449.884车行横洞相距131.436m。

该段围岩开挖完成至少需要43.4d，考虑二次衬砌的及时跟进，二次衬砌完成至少另需22d。

如由ZK16+449.884车行横洞进入主线右洞，势必对隧道工期形成很大制约。

施工组织需优化。

由于交叉口临空面多、主洞断面大，需要合理安排施工组织，减少对各个工作面的扰动。

三、优化方案
进入左线排风联络风道的优化。

为了斜井可以有效的分担主洞施工任务，对于原设计斜井内轮廓进行扩大变更。

原设计5m净宽排风联络通道调整为8.8m 净宽；原设计2m半径转角调整为30m半径转角。

该项优化不仅有利于现场施工，而且排风联络风道断面的加大改善了洞内排风效果。

主洞开挖方式的优化。

首先
斜井以导坑形式进入左洞，在导坑完成后，采用上、中、下三台阶预留核心土方式开挖。

为了减少超欠挖，降低二次扰动，完善炮眼布置，保证开挖轮廓面一次成型。

交叉口支护形式的优化。

排风通道支护加强：靠近主洞10m范围内，原设计超前支护为22早强砂浆超前锚杆加强为42超前小导管，原设计初期支护为Ⅰ14@1m钢拱架加强为Ⅰ16@1m钢拱架，靠近主洞处拱架加强为Ⅰ20，隧道预留变形量提高为10cm。

主线靠近交叉口20m范围内，增加42超前小导管超前支护，原设计初期支护为Ⅰ16@1.2m钢拱架加强为Ⅰ18@1m钢拱架，并在靠近交叉口处采用Ⅰ20钢拱架，隧道预留变形量提高为15cm。

交叉口右线排烟通道和与交叉口相距最近处车行横洞的优化。

交叉口处、左洞与右洞净距37m。

考虑到交叉口结构复杂，我项目用地质雷达对该段围岩进行了超前地质预报，检测结果显示岩体完整、围岩变化小、无水。

在此前提下，我项目将ZK16+449.884车行横洞处调整至此，提前2个月实现了斜井由左洞进入右洞的目标。

并且，原先T字形的交叉口，在增加进入右洞的横洞后，改变为十字形，有效提高了洞内通风排烟效果。

施工组织的优化，工序优化。

在斜井进入左洞后，采用地质雷达分别对3，4标方向围岩进行了超前地质预报，检测结果表明3标方向围岩较好。

为减少扰动，我项目首先往3标方向施工进尺30m，然后往4标方向施工。

各个工作面同时施工组织的优化。

在左、右洞多个工作面开展后，各个工作面统筹协调，斜井作为进出洞唯一通道，减少车辆行驶干扰。

另外，我项目极其重视监控量测的指导作用，施工中根据监控量测结果，及时调整了支护参数，施工得以顺利进行。

四、隧道掘进机技术研究和发展趋势探讨
隧道掘进机适用地层范围越来越广，已经从相对单一的岩石或者土类岩土体发展到混合地层交替，高地应力或者节理、断层发育的复杂岩土体中，但对其在复杂地层中的掘进理论、施工力学理论以及环境影响控制方面的研究还不够深入彻底，还有以下问题和工作需要深入分析和研究。

（一）TBM掘进机制深入系统的研究和预测模型的建立。

TBM破岩机制直接关系到TBM刀盘选型、设计和开挖性能的评价。

目前，硬岩条件下TBM破岩机制的研究主要是通过理论分析、实验研究以及数值模拟3个方面进行的。

国内外学者提出了很多种破岩理论，但对TBM滚刀作用下岩石的破坏过程、破坏作用方式仍然是众说纷纭，对破岩现象研究还不够深入透彻。

TBM预测模型的适用性与工程岩体特性和TBM机器参数紧密相关，从这个意义上来说，每个独立的TBM工程其适用的预测模型是不一样的。

因此，预测模型的研究更多是要专注于形成一套建立模型的方法和流程，而这些需要对不同工程岩体特性下TBM滚刀破岩机制的深入了解，进而选择合理、合适的影响参数。

（二）地应力影响下TBM掘进机制和施工力学过程、预测模型的研究。

目前，世界范围内将有一批水电引水隧洞、调水隧洞以及交通隧道规划修建，而它们都处于高山峡谷地区，会面临埋深大、岩石坚硬、高地应力和地质结构复杂等情况。

地应力对TBM滚刀破岩模式的影响、复杂地质条件下的施工措施和预案、地应力在TBM施工预测模型中的作用等相关课题均需继续深入研究。

（三）复合地层中盾构掘进力学机制和施工过程控制理论研究。

随着我国城市化进程的推进，大量城市地铁即将修建这些地铁修建中大部分将采用盾构法施工，在修建过程中可能会遇到诸如上软下硬的复合地层，会给盾构施工带来刀盘震动刀具磨损严重和地表沉降等问题因此，需要开展复合地层中刀盘作用力学机制的研究，明确刀盘力学作用和复合地层地质力学参数的匹配关系，进而拟定复合地层中盾构施工控制的对策和方案。

（四）城市盾构中掌子面稳定和地表沉降控制理论研究。

在城市地铁修建中，盾构施工对掘进面稳定和地表沉降控制比较严格，需要发展和完善盾构掌子面稳定和地表沉降控制理论，健全施工力学控制理论，提高地表沉降预测精度，加强环境控制施工对策的研究。

（五）复杂地质条件下隧道掘进机的掘进机制和施工对策研究。

隧道掘进机技术越来越成熟，工程应用也越来越广泛，工程中遇到复杂地质地层的情况也越来越普遍。

如节理岩体和砂卵石地层中掘进机会出现刀具磨损大、施工进度慢等问题，需要开展复杂地层中掘进力学机制和施工对策研究。

（六）复合掘进机技术的应用和发展。

针对隧道施工过程中可能碰到的软硬地层交替出现、地质条件变化剧烈的情况，复合隧道掘进机应运而生，在稳定性好的围岩中采取开敞式模式掘进，在稳定性差的地层中采用土压平衡式或者泥水平衡式模式。

复合掘进机技术的出现大大提高了掘进机适应地层的范围，虽然应用过程中还存在着较多的问题，但它仍将会成为未来掘进机技术发展的趋势之一。

五、结束语
优化措施在隧道斜井得到成功应用，不但保证了施工质量，而且降低了施工难度和安全风险，可为以后类似隧道交叉口施工提供一定的借鉴和参考。

参考文献：
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