客运专线特大断面隧道开挖方法研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 铁　道　建６０　筑　Ｍａｙ，２００８　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３—１９９５（２００８）０５—００６０—０５　客运专线特大断面隧道开挖方法研究　杨仲杰　（中铁四局集团技术中心，合肥２３００２３）　摘要：文章针对高速铁路客运专线特大断面隧道的特点，结合多年的隧道施工经验，详细分析阐述了各　种开挖方法的优缺点、技术参数、施工工序及施工注意事项等，对今后客运专线特大断面隧道工程施工　具有指导借鉴意义、　关键词：特大断面　隧道　开挖方法　中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：Ｂ　２．１全断面开挖法　ｌ客运专线隧道断面特点　研究表明，当列车以２００　ｋｍ／ｈ以上速度通过隧道　全断面开挖有较大的工作空间，适用于大型配套　机械化施工，施工速度较快，且因单工作面作业，便于　施工组织和管理。但开挖面大，围岩相对稳定性降低，　且每循环工作量相对较大，要求具有较强的开挖、出渣　能力和相应的支护能力。全断面开挖时钻孔宜采用液　压凿岩台车，单线隧道也可采用门架式凿岩台车，中长　时，空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环　境的不利影响已十分明显，增大隧道横断面积对空气　动力学效应有整体减缓作用。因此，客运专线隧道断　面内轮廓主要由下列条件确定：①隧道净空横断面积　应满足空气动力学效应影响标准；②满足铁路建筑接　近限界要求，双线隧道还应满足线间距要求；　养护、　维修和救援空间要求。　和短隧道可采用多功能台架气腿凿岩机钻孔。装渣采　用大斗容的铲装机、挖装机或装载机；出渣采用大吨位　带净化装置的自卸汽车（根据目前的机械通风能力，双　线隧道独头掘进长度在４　０００　ｍ以下，单线隧道独头掘　进在２　０００　ｍ以下时可采用无轨运输）。锚杆施工可根　据现场情况选用凿岩台车、锚杆台车或锚杆钻机。喷　根据《京沪高速铁路设计暂行规定》：单洞双线隧　道断面有效面积不宜小于１００　ｍ２，单线隧道断面有效　面积不宜小于７０　。在实际设计中除应满足以上条　件，还需从围岩稳定、结构受力及空间利用等角度对断　面形状和尺寸进行优化。综合上述因素，目前客运专　线单洞双线隧道开挖断面均在１５０　ｍ２以上，最大开挖　宽度１５　ｍ，开挖高度１３　ｍ左右，属特大断面隧道。　射混凝土应采用生产能力不小于５　ｍ　／ｈ的湿喷机，并　应用与其配套的喷射机械手或集装料、配料和喷射于　一体的喷射三联机。采用全断面配套机械化作业，开　挖月进尺可达１５０～２００　ｍ。为充分发挥大型机械作业　效率，采用全断面配套机械化作业的施工区段不宜少　于１　０００　ｍ。　隧道断面的扩大和长大隧道的增加，都极大地增　加了隧道施工难度，使得隧道工程常常成为全线控制　工期的关键工程。因此，选择合适的施工方法是安全、　优质、高效地建成客运专线隧道的关键。　采用全断面开挖有较大的断面进尺比（即开挖断　面面积与掘进进尺之比），可获得较好的爆破效果。采　用全断面掘进时，每循环爆破进尺一般为３．５～４．５　ｍ。　但因开挖断面大、用药量多，每次爆破引起的振动较　２隧道开挖主要施工方法　在隧道施工中，开挖方法是影响隧道稳定的重要　因素之一。目前客运专线隧道开挖施工主要采用的方　法如表ｌ所示。上述开挖方法按隧道横断面开挖分割　大，要求进行严格的控制爆破设计。对于有严格振动　限制的隧道，可采用表ｌ中的“下导洞超前法”，下导洞　超前长度一般为２倍的循环进尺长度。根据试验采用　下导洞超前法开挖较全断面一次成型法开挖，炸药用　情况，主要可分为全断面开挖法、台阶开挖法及分部开　挖法　量可减少３０％，爆破振动可减少５０％。　２．２台阶开挖法　收稿日期：２００７一『ｌ一２６：修回日期：２００８．Ｏ１．１０　台阶开挖法就是将断面横向分割为两或三个部　分，进行分部开挖。根据地质条件、断面大小和机械配　作者简介：杨仲杰（１９６５一），男，安徽芜湖人，高级工程师，工程硕士。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年第５期　客运专线特大断面隧道开挖方法研究　６１　表１铁路客运专线隧道开挖施工主要方法　备情况，台阶开挖法又可分为两台阶或三台阶。台阶　开挖法对围岩的适用范围广，对开挖设备的配置较全　断面法相对要低，洞内有足够的工作空间和相当的施　工速度，是目前应用较为广泛的一种开挖方法。　台阶法开挖时应注意台阶长度的选择。选用长台　阶还是短台阶，应根据两个条件确定：一是初期支护形　成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要　求愈短；二是上半断面施工时开挖、支护、出渣等机械　设备所需的空间大小的要求。一般在机械开挖的土质　隧道内采用短台阶法，在钻爆法开挖的石质隧道内采　用长台阶法。　２．２．１　长台阶法　除了部分石质较好的短隧道，为方便施工组织，可　将上半断面贯通后再进行下半断面施工。采用长台阶　法施工的台阶长度，一般控制在５倍的洞室开挖宽度。　该长度主要是满足上台阶工作台架等设备避炮的需　要，同时又可形成洞内下台阶施工、仰拱施工、二次衬　砌施工的多工序流水作业，有利于加快施工进度。　对于台阶的高度，因为客运专线单洞双线隧道开　挖高度达１３　ｍ，上台阶的开挖高度一般取６～７　ｍ为　宜，可满足装载机、挖装机、自卸汽车等大型设备洞内　作业的需要。下台阶的开挖高度一般取４．０～４．５　ｍ，　不需要工作台架即可实施下台阶的钻爆作业。仰拱的　开挖高度一般取２．０～２．５　ｍ，这样设置的原因：一是目　前客运专线单洞双线隧道仰拱矢高为２　ｍ左右；二是　仰拱施工一般采用钢栈桥分段开挖，取２　ｍ左右的高　度可使洞内运输道路的标高基本为仰拱填充面标高。　长台阶法施工如图１所示。　关于长台阶法施工的循环进尺，在Ⅲ、Ⅳ级围岩中　上台阶每循环进尺可为二榀拱架的长度，Ｖ级围岩每　循环进尺为一榀拱架的长度。下台阶左右交置开挖边　帮，每轮开挖长度不大于上台阶进尺的２倍。仰拱一　图１　长台阶法施工示意图（单位：ｍ）　般在设置钢栈桥后开挖，仰拱初支的开挖长度不应大　挖月进尺一般为８０～１００　ｍ。　于上台阶每循环的开挖长度。每段（一般同二次衬砌　采用长台阶法施工需注意的几个问题：　长度）仰拱初支完成后，应及时进行仰拱二衬和填充混　１）超前支护问题。在Ⅳ、Ｖ级围岩中上台阶开挖　凝土的施工。为保证仰拱的作业节拍，长大隧道中通　面需采用导管超前预注浆加固地层，因掌子面的开挖　常都是多栈桥分段施工仰拱。采用长台阶法施工的开　高度为６～７　ｍ，导管应选用ｋ６０　ｍｍ～ｋ８ｏ　ｍｍ的钢花　维普资讯 http://www.cqvip.com ６２　铁　道　建筑　管，长度８～ｌ２　ｍ，必要时可预留核心土以确保掌子面　的稳定。　２）斜坡道的设置。斜坡道作为上下台阶的连接通　道，其设置的好坏对上、下半断面作业的干扰、下台阶　面的稳定、洞室的安全都有至关重要的影响。洞内斜　阶必要时应采用喷射混凝土临时仰拱封闭，对洞内积　水要做到系统抽排。　２．２．２短台阶法　在非机械开挖的土质隧道中，应遵循“管超前、严　注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、早衬砌”的施工　原则。尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成　环，仰拱和拱墙衬砌及时跟进，尽早形成稳定的支护体　系。　坡道一般按１：３的坡率设置　通常在不安装钢拱架的　Ｉ、Ⅱ级围岩中，可以将斜坡道设置在隧道的一侧，这　样左右侧交置的设置斜坡道或开挖下台阶可加快下台　阶的施工进度。对需安装钢拱架的Ⅲ～Ｖ级围岩，应　在客运专线特大断面隧道施工中要实现短台阶开　挖，目前比较成功的是采用三台阶七步开挖法：即在隧　道开挖过程中，分上、中、下三个台阶七个开挖面，前后　七个不同的位置相互错开同时开挖。．分部同时支护，　在下台阶中间拉槽设置斜坡道，对二侧边帮必要时可　喷射混凝土以确保稳定。　３）台阶面的保护问题。因上台阶底面没有封闭，　不利于受力。特别是部分软岩隧道上台阶土体经水浸　泡后软化，引起拱脚下沉，导致周边围岩松动。对上台　形成支护整体。缩短作业循环时间，逐步向前推进的　作业方法。三台阶七步开挖法如图２所示。　旌工工序正面示意图　旌工工序纵断面示意图　图２三台阶七步开挖法示意图（单位：１１３）　三台阶七步开挖法主要施工步骤如下述。　第一步：拱部超前支护后，采取上部弧形导坑预留　采用短台阶法施工需注意的几个问题。　１）上、中、下三个台阶同步作业，相互干扰较大，施　核心土环形开挖。上台阶高度一般取洞室开挖宽度的　三分之一，开挖进尺一般为一榀钢架间距。开挖后及　时锚喷支护、架设钢架并喷射混凝土至设计厚度，形成　较稳定的承载拱。　第二、三步：在承载拱的支护下，交错开挖左右中　台阶边墙。开挖进尺视围岩条件选用１～２倍钢架间　距，及时施作初期支护。开挖时要注意左右侧错开２　～工中要做好工序衔接，工序安排要紧凑。开挖后要及　时施作初期支护，减少围岩暴露时间。　２）三台阶预留核心土不仅是稳定掌子面的需要，　也是洞内机械施工的作业平台，要重视核心土的稳定。　预留核心土的宽度要尽量大（一般取２／３开挖宽度），　以满足机械化施工的需要。　３）加强围岩变形量测工作。根据量测结果，及时　调整支护参数。　４）完善洞内临时排水系统，严禁积水浸泡拱墙脚。　２．３分部开挖法　３　ｍ，同时要保证台阶面的完整。　第四、五步：交错开挖左右下台阶边墙，开挖进尺　视围岩条件选用１～２倍钢架间距，及时施作初期支　护。开挖时要注意左右侧错开２～３　ｍ，同时要保证台　阶面的完整。　分部开挖因减少了每个开挖洞室的跨度，能显著　增强隧道围岩的相对稳定性，且易于实现局部初支闭　第六步：依次开挖上、中、下台阶预留核心土（斜坡　道）。　合，控制了围岩的变形。因此它主要适用于浅埋、围岩　软弱破碎且对地表变形有较高要求，或设计断面较大　的隧道施工。　第七步：分段开挖仰拱，施作初期支护及仰拱混凝　土。　目前隧道分部开挖的主要形式有双侧壁导坑法、　中洞法、中隔壁法、交叉中隔壁法。　２．３．１双侧壁导坑法　采用短台阶法施工要求做到仰拱紧跟，仰拱距离　掌子面一般为３Ｏ～４０　ｍ。三个台阶开挖及初期支护　每天按２　ｍ考虑，则初期支护全环闭合约为１５　ｄ，隧道　开挖月进尺约５０　ｍ。　双侧壁导坑法也称眼镜法，按照竖向分割的原则　将大跨度隧道分成三个小跨度隧道依次开挖，主要适　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第５期　客运专线特大断面隧道开挖方法研究　６３　用于双线或多线Ｖ、Ⅵ级围岩浅埋隧道施工。双侧壁　导坑法开挖断面见表１示意图。　多线隧道，如表１所示。　交叉中隔壁法主要施工步骤：①先行导坑上部开　挖并封闭成环；②先行导坑中部开挖并封闭成环；③后　行导坑上部开挖并封闭成环；④后行导坑中部开挖并　双侧壁导坑法主要施工步骤：第一步：错开一定距　离、依次开挖左右两侧导洞，并及时施作初期支护；第　二步：错开一定距离，开挖上台阶，并及时施作拱部初　封闭成环；⑤左右交错，分段拆除中导坑临时ｆｒｏ拱，开　挖导坑下部，并完成初期支护仰拱封闭；⑥二次衬砌仰　拱施工；⑦分段拆除洞内临时支撑，施工拱墙二次衬　期支护；第三步：开挖下台阶，并及时施作ｆｒｌＪ拱初期支　护；第四步：分段拆除导坑隔壁，施作仰拱二次衬砌；第　五步：施作拱墙二次衬砌，一般月成洞１０～１５　ｍ。　双侧壁导坑法施工时需注意的几个问题：　１）侧壁导坑形状宜近于椭圆形断面，导坑断面宜　为整个隧道断面宽度的１／３。为保证洞内机械施工的　需要，导坑仰拱初支施工完后，基底应用碎石垫平。　２）各步序错开距离应根据隧道埋深、断面大小、结　构类型及变形量测结果确定。先行侧洞开挖超前另侧　侧洞长度一般为１０～２０　ｍ，中部开挖面距后进侧洞一　般为５～１０　ｍ。　３）因为下台阶施工对掌子面开挖影响较大，实际　施工一般是二个侧导坑和上台阶连续施工，全部完成　该工法段后，再开挖下台阶，施作仰拱。　４）导坑隔壁拆除长度应根据量测结果确定，通常　为６～８　ｍ，隔壁拆除后应及时施作拱墙二次衬砌，再　拆除下轮隔壁。　２．３．２　中隔壁法　中隔壁法适用于Ⅳ、Ｖ级围岩的浅埋双线隧道，如　表１示意图所示。　中隔壁法主要施工步骤：第一步：先行导坑上部开　挖及支护；第二步：先行导坑中、下部开挖及支护；第三　步：后行导坑上部开挖及支护；第四步：后行导坑中、下　部开挖及支护；第五部：ｆｒｏ拱超前浇筑；第六步：全断面　二次衬砌。　采用中隔壁法施工，一般月成洞２０～２５　ｍ。　中隔壁法施工中需注意的几个问题：　１）施工时应沿一侧自上而下分２～３个台阶开挖，　其开挖步骤可参考三台阶七步开挖法。　２）在一侧中隔壁完成后，方可开挖另一侧，二个侧　洞纵向错开距离一般为１０～３０　ｍ。　３）钢架的接头应与底部开挖高程一致，各部开挖　时，周边轮廓应尽量圆顺，以减小应力集中。　４）在半包防水设计时，可将中隔壁浇筑在二衬ｆｒｐ　拱混凝土中，以减小中隔壁拆除对施工的影响。　５）一般在仰拱施工完后，开始拆除中隔壁，施作二　次衬砌。中隔壁一次拆除长度根据量测结果确定，一　般为８～１０　ｍ。　　一２．３．３交叉中隔壁法　交叉中隔壁法适用于Ｖ、Ⅵ级围岩浅埋的双线或　砌。　采用交叉中隔壁施工，一般月成洞１５～２０　ｍ。　交叉中隔壁施工需要注意的几个问题。　１）中、上部左、右侧四个洞室交错开挖，各洞室间　纵向错开距离根据量测结果确定，一般为１０～１５　ｍ。　２）左右侧的中部洞室作为施工运输的主通道，在　保证安全的前提下，断面宜尽量加大，以满足机械化施　工的需要。上部洞室的出渣和物料运输可通过在上台　阶临ｎ，￣４ｒｏ拱上设置工作孔来完成。　３）下部开挖应左右交错开挖，一次开挖长度根据　量测结果确定，一般为３～６　ｍ。两侧开挖后，应及时　进行初支及二次衬砌ｆｒｌＪ拱的施工。在半包防水设计　时，可将中隔壁浇筑在二衬仰拱混凝土中，以减小中隔　壁拆除对施工的影响。　４）洞内临时支撑的拆除长度根据量测结果确定，　在二次衬砌的ｆｒｌＪ拱完成后，临时支撑的拆除长度一般　为８～１０　ｍ。　通过分析上述几种分部开挖方法，无论采用何种　形式，都存在着作业面多、各工序相互干扰大，且增加　了对围岩的扰动次数。若需钻爆掘进，则更不利于围　岩和支护的稳定，施工组织和管理的难度很大，施工工　效低。因此在现场施工中，应尽量创造条件（如对围岩　的超前预加固，提高初期支护的强度和刚度等），减少　分部次数，尽可能采用大断面开挖。　３　结语　在国内，城市之间的客运专线正在快速发展。为　保护城市环境，以武广客运专线浏阳河隧道、金沙州隧　道为代表的城市地下铁路将会越来越多。市区复杂的　工程、水文地质条件，以及众多的地表建筑物和地下管　线都对客运专线特大断面隧道的施工提出了严峻的挑　战。由于隧道和地下工程的施工始终在地层应力的转　换和建筑物结构应力的转换过程中进行，所以构筑方　法和工艺对施工安全和工程质量有着直接的影响。作　为隧道工作者，在实际工作中应深入掌握“新奥法“基　本原理，不断总结、完善和灵活运用各种新工法、新工　艺，为安全、优质、高效地建好铁路客运专线作出贡献。　（下转第７３页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第５期　包边填砂路基边坡稳定性分析　赫　剞馘　２　２　２　２　ｊ　１　７３　Ｏ　８　６　４　２　０　６　４　２　４　结语　通过对填砂路基的破坏模式与稳定性分析的研　赫　１Ｉ｛５　懈　究，主要得到了以下结论：　１）具有包边形式的填砂路基破坏模式主要以坡面　隆起与坡肩沉陷为主，在破坏时路基内部并没有沿贯　通的滑动面产生整体滑动，而是以路基局部发生过大　变形为路基破坏的主要标志。　２）极限平衡法需要对滑动面进行假定，而散体材　图７安全系数与路基高度的关系　料内部的破坏面发展随机性大，因此这类方法并不适　用于填砂路基的稳定性计算。强度折减有限元可以考　３．３包边土厚度对路基稳定性的影响　虑路基内部每点的应力应变关系，计算结果可靠，可以　作为评价填砂路基稳定性的有效方法。　３）强度折减有限元计算中，计算收敛性受多种因　素的影响，以收敛性作为路基破坏的判别标准并不可　靠，其结果往往偏大。以关键点的位移突变作为路基　破坏的判断标准更为可靠。　４）通过分析路基高度、路基坡度、包边土厚度三个　断面设计参数对安全系数的关系，建议在包边填砂路　改变路基边坡的包边土厚度进行强度折减有限元　稳定性分析，破坏判别准则取当坡肩点的水平位移“　＞４　ｃｍ或竖向位移　＞６　ｃｍ，视为路基破坏。安全系　数与黏性包边土厚度的关系如图８所示。　基的设计中取路基坡度应＜１：１．２５；路基高度＜８　ｍ；　包边土厚度１．５～２．０　ｍ。　参　考　文　献　［Ｉ］张大伟．长江口细砂在高等级道路工程中的应用［Ｊ］．城市　０　０　５　１　０　１　５　２　０　２　５　３　０　３　５　道桥与防洪，２００２，（４）：２４—２６．　［２］戴自航，卢才金．边坡失稳机理的力学解释［Ｊ］．岩土工程学　报，２００６，（１０）：１　１９１—１　１９７．　包边土厚度／ｍ　图８安全系数与黏性包边土厚度的关系　［３］张天宝．土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计［Ｍ］．成都：　当包边土增厚时路基安全系数随之上升，当厚度　＞２．５　ｍ后安全系数开始下降，说明由于包边土的作　用使塑性区向路基内部转移，从而充分发挥出砂填料　摩擦角较大、围压较大时抗剪强度高的优势，从而提高　填砂路基边坡的稳定性。一定厚度的包边土可使路基　成都科技大学出版社，１９８７．　［４］Ｒｏｎｇｊｉａｎ，Ｌｉ　Ｙｕｚｈｅｎ，Ｙｕ　Ｌｉｊｕｎ，Ｄｅｎｇ　Ｇｕａｎｇｘｉ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　Ｓｏｉｌ　Ｓｌｏｐｅ　ｂｙ　３－Ｄ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ＦＥＭ［Ｊ］．ＡＳＣＥ．　２００６，１９２：４—１０．　［５］Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ　Ｄ　Ｖ，Ｌａｎｅ　Ｐ　Ａ．Ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９９，４９（３）：３８７—４０３．　的安全系数大于全黏土填筑的路基，但过厚的包边土　会导致塑性区集中在包边土内，路基安全系数反而会　下降。包边土厚度＞１．５　ｍ可以保证路基具有足够的　稳定性，推荐６～８　ｍ的填高采用１．５～２．０　ｍ的改良　黏性土进行包边处理。　［６］赵尚毅，郑颖人．用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数　［Ｊ］．岩土工程报，２００２，（３）：３４４—３４６．　［７］刘金龙，栾茂田．关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据　的讨论［Ｊ］．岩土力学，２００５，（８）：１　３４５—１　３４８．　（责任审编　王天威）　（上接第６３页）　参　考　文　献　工程施工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．　［３］中华人民共和国铁道部．铁建设［２００３］１３号　京沪高速铁　路设计暂行规定［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００３．　［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２０４－－２００２铁路隧道施工规　范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００２．　［２］中华人民共和国铁道部．ＴＺ２１４－－２００５　客运专线铁路隧道　（责任审编　赵其文）