隧道工程及隧道机械

隧道工程及隧道机械

一、前言

按照《中长期铁路网规划》，到2020年，中国铁路营业里程将达到12万公里以上，其中客运专线总规模达到1.6万公里以上。将要修建约5000公里的铁路隧道，在特长隧道、穿江过河隧道、城市隧道建设中，将有可能采用隧道掘进机法施工，但传统的钻爆法施工技术仍将作为一项基本的隧道施工技术在大多数的隧道施工中应用。

我国铁路隧道现状与发展

截至2009年年底，我国建成的铁路隧道总长度已经超过7000公里，在建铁路隧道总长度已超过5000公里，即将开工和规划建设的隧道总长度超过5000公里，预计到2012年，我国建成通车的铁路隧道总数量将突破1万座，总长度将突破12000公里。我国铁路隧道建设的总量已经远远超过世界其他国家。但是我国铁路软岩隧道施工的快速修建设备配套技术水平、施工装备及国产化仍处于隧道施工机械化初期，整体技术仍较落后。主要表现在：

主要表现

——以钻爆法为基础的机械化快速施工技术体系尚未完成，在机械化作业线设备配套技术、环境控制、施工安全与风险控制、岩溶高压水、大变形治理等方面，许多设备配套关键技术难题尚未取得突破，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。

主要表现

——以钻爆法为基础的机械化设备配套在硬岩或围岩稳定性较好的条件下才能实现快速施工，而且作业线的主要设备大多从国外引进，自主开发的品种少、质量较差、故障较多，主要技术性能参数与铁路隧道现有施工条件不匹配。

——设备国产化程度低，因而影响作业效率，难以形成先进的机械化作业线。特别是开挖出砟、喷锚、支护、二次混凝土衬砌等工序，设备国产化程度低，制约了全行业整体技术的全面发展和进步。

目前隧道施工现状

——对于软岩和土质隧道，大多数仍采用人工作业，工序循环时间长，围岩扰动大，安全风险高，支护困难，进度缓慢，造成软岩隧道既不能快速施工，也不能形成机械化作业。

国外隧道施工现状

通过对瑞典和丹麦等国家隧道施工现场进行考察，技术人员发现，国外隧道施工从开挖、支护、钻注浆、锚杆、喷混凝土、出砟等各工序都配置了配套的全机械化作业生产线，机械化程度较高，且配套完整。隧道施工作业人员每班仅7人~10人。

隧道施工机械化面临的课题

重点解决开挖与喷锚支护、装砟与运输、防水板铺设机械化施工作业线，控制围岩变形，完善我国软硬岩隧道全断面和台阶法施工的全工序作业线的机械化，尽快建立起合理的设备配套、协调运转机制，形成一套完整的具有理论指导、设备配套齐全且具有广泛适应性以及工法完善的机械化体系，以解决我国铁路修建技术方面的设备配套及国产化问题。

核算机械化施工各项经济指标，对评价投资规模，促进施工进度，缩短工期，保证施工质量和安全，提升隧道施工装备实力与国产化水平，进而形成我国铁路机械化配套施工技术体系具有重要意义。

机械化配套实例

三都隧道为贵广铁路重点工程，全长14.6公里，隧道地质条件复杂，共穿越13条大的断层破碎带。Ⅲ级围岩1665米占段内总长65%。

贵广铁路三都隧道出口已配置三臂凿岩台车2台、挖掘机2台、装载机4台、自卸汽车6辆、仰拱移动栈桥1座、喷射机械手1台、多功能超前地质预报钻机1套、可移动整体仰拱

模板1套等，基本形成了隧道施工全断面机械化配套作业流水线。

隧道工程介绍

一、隧道分类：

根据建造的地区、环境来分：可分为山岭隧道、城市隧道和水底隧道；

根据交通性质和用途来分：可分为铁路、公路的交通隧道，上下水、河流的水工隧道；

根据使用的用途来分：可分为地铁隧道、电力、通讯、煤气、供暖的城市设施隧道；

根据隧道的形状来分：可分为单洞双线隧道、双洞单线隧道和眼镜隧道。

隧道分类

隧道按围岩软硬程度分：软土隧道和山岭硬岩隧道

软土隧道开挖方法：通常用矿山法和盾构法施工

山岭硬岩隧道开挖方法：可分为钻爆法，自由断面开挖法和全断面掘进法（TBM法）。

洞口型式

2、隧道断面

隧道净空面积影响因素：

隧道建筑限界

线间距

应预留的空间：安全空间、救援通道、工程技术作业空间、内部配件空间等

考虑空气动力学影响所需的空间

我国客运专线隧道内净空面积

350km速度目标值断面

隧道施工开挖方法的选择

隧道施工开挖方法的选择：主要依据断面形状、隧道长度、大小、地质条件、工期长短、周围环境等因素综合考虑确定，施工方法有钻爆法和全断面掘进机法。

钻爆法一般常用的开挖方法有：全断面法、台阶法、侧壁导坑先掘进法、中隔壁法等。

隧道施工方法-新奥法

新奥地利隧道修建方法（简称新奥法）遵循这样一个原理,即主动地使隧道围岩（岩土体）成为环状承载“结构”的一部分。

- 新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原则。

铁路隧道设计理念

二、围岩分级及隧道开挖方法

1、围岩的基本概念

围岩：隧道工程影响范围内的岩土体。

2、围岩分级：

为了设计和施工的方便，将复杂的地层按工程性质，分为六级。

围岩的分级只要是按统计规律划分：重点是各种围岩的坍塌高度。按三车道隧道计，各种围岩的塌方高度和单位荷载重量为：

Ⅰ级：约0.9m；约25kN

Ⅱ级：约1.8m；约47kN

Ⅲ级：约3.5m；约88kN

Ⅳ级：约7.2m；约173kN

Ⅴ级：约15.0m；约345kN

Ⅵ级：约31.0m；约682kN

各级围岩塌方高度示意图

铁路围岩基本分级

钻爆法

钻爆法最早应用于采矿坑道，又称矿山法。但矿山法又多采用钻孔爆破进行开挖，故称作钻爆法。

岩石破碎方法一是使用炸药的爆破方法，另一种是使用机械的切削掘进的方法。选择爆破的方法还是选择机械开挖的方法，应该根据地质条件而决定。

3.隧道开挖方法

隧道开挖方法主要有全断面法、台阶法（以及由台阶法派生的环形开挖预留核心土法、弧形导坑左右台阶错开开挖支护法）、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法（眼镜工法）；还有意大利研究使用的岩土控制变形法，以及TBM、盾构、铣挖法等非钻爆法等施工方法。

要根据地质条件、断面大小、结构形式、机械配备等因素合理选择开挖方法。

主要介绍以下几种方法：

隧道开挖方法

（1）全断面法

全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型，再施做初支和二次衬砌的隧道开挖方法，一般适用在地质条件较好的Ⅰ～Ⅱ级围岩，也可用在单线铁路隧道Ⅲ级围岩地段。

全断面法可采用大型机械作业，施工进度快，一般在150～180m/月。

全断面法

全断面法施工顺序：按照设计断面形状一次开挖成形--初期支护(锚杆、喷射混凝土)--浇筑混凝土衬砌。

（1）全断面法

全断面法使用的施工机械

多臂式凿岩台车；带有伸缩臂吊篮的多臂式凿岩台车；装渣用短臂式液压挖掘机、轮式装载机、挖装机等，隧道用自卸卡车、集装箱式自卸卡车、有轨电瓶车或内燃机车、自行延伸式皮带输送机等；喷射混凝土机械手；锚杆钻机；衬砌用混凝土搅拌联合设备、混凝土输送车、混凝土输送泵和衬砌钢模台车。

机械开挖的全断面法

采用机械开挖的全断面法的施工机械有液压反铲掘进机、动臂式旋转刀隧道掘进机和全断面隧道掘进机（TBM)

3.隧道开挖方法

（1）全断面法

（2）台阶法

台阶开挖法是将隧道设计断面分两次或三次开挖，台阶间控制一定距离，采用同时并进的隧道开挖施工方法，一般用在Ⅲ级围岩，也可用在单线铁路隧道Ⅳ级围岩地段。

根据台阶长度不同，分为长台阶(大于50 m或大于5B,B为断面宽度)、短台阶(5~50 m或1~2B)、微台阶(3~5 m或小于1B)及多段台阶4种形式。

3.隧道开挖方法

（2）台阶法

上下台阶工法

2、上下台阶工法