大断面隧道设计与施工中的关键问题

大断面隧道设计与施工中的关键问题

2021/2/11 1 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。铁路隧道 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 ）。 2021/2/11 2 穿越阿尔匹斯山几座特长铁路隧道 2021/2/11 3 2021/2/11 4 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 。 2021/2/11 5 表 1 中国特长铁路隧道表 序号 隧道名称 长度（ m ） 线别 建设时期 1 太行山隧道 27892 石太客专 在建 2 乌鞘岭隧道 20050 兰武线 2006 3 秦岭 Ⅰ 线隧道 18456 西康 2000 ． 5 4 秦岭 Ⅱ 线隧道 18456 西康 2003 ． 12 5 大瑶山隧道 14294 衡广复线 1987 ． 12 6 野三关隧道 13845 宜万线 在建 7 北天山隧道 13573 精河～霍尔果斯 在建 8 吕梁山隧道 13365 太原～中卫 规划 9 大别山隧道 13251 武汉合肥 规划 10 霞浦隧道 13124 温州福州线 规划 11 长梁山隧道 12782 朔黄 2000 ． 3 12 东秦岭隧道 12268 西合线 2003 ． 3 13 堡镇隧道 11588 宜万线 在建 14 南梁隧道 11451 石太客专 在建 15 通海隧道 11115 玉溪蒙自铁路 规划 16 圆梁山隧道 11068 渝怀 2004 ． 12 17 金寨隧道 10682 武汉合肥 规划 18 大巴山隧道 10655 襄渝线 规划 19 齐岳山隧道 10469 宜万线 在建 20 大瑶山一号 10080 武广客专 在建 2021/2/11 6 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 ％。 2021/2/11 7 NO 隧道名称 长度（ km ） 所在地 开通时间 1 Gotthard Base 57.1 瑞士 施工中 2 Basis Bernner 55.0 澳大利亚 · 意大利 规划中 3 青函 53.9 北海道 · 青森 1988 4 Basis MondAmbin 52.1 法国 · 意大利 施工中 5 Channel （ Euro ） 50.5 法国 · 英国 1994 6 Lotchberg Base 34.6 瑞士 施工中 7 Koralm 32.8 澳大利亚 规划中 8 Guadarrma 28.4 西班牙 施工中 9 太行山 27.9 中国 规划中 10 八甲田 26.5 日本 施工中 11 岩手一户 25.8 日本 2002 12 Pajares Base 24.7 西班牙 规划中 13 Lainzer Wienerwald 23.9 澳大利亚 规划中 14 饭山 22.2 日本 施工中 15 大清水 22.2 日本 1982 16 乌鞘岭 20.1 中国 施工中 17 Belledonne 20.0 法国 规划中 18 La Grande Chartreuse 20.0 法国 规划中 19 Lianoklade Domokos 20.0 希腊 规划中 20 Simplon （ No2 ） 19.8 瑞士 · 意大利 1922 21 Simplon （ No1 ） 19.8 瑞士 · 意大利 1906 22 Zimmerberg Basis 19.7 瑞士 施工中 23 Semmering Basis 19.2 澳大利亚 竣工 24 Vereina 19.1 瑞士 1999 25 Channel Tunnel Link 19.0 英国 施工中 26 新关门 18.7 日本 1975 27 Vaglia 18.6 意大利 施工中 28 Apennino 18.5 意大利 1934 29 秦岭 Ⅰ － Ⅱ 18.5 中国 2003 30 Valico 16.6 意大利   31 六甲 16.3 日本 1972 32 Purka Base 15.4 瑞士 1982 33 榛名 15.4 日本 1982 2021/2/11 8 34 Severomuyskiy 15.3 俄罗斯 2001 35 五里峰 15.2 日本 1997 36 Firenzuola 15.1 意大利 施工中 37 Monte Santaomarco 15.0 意大利 1987 38 St Gotthard 15.0 瑞士 1882 39 Ceneri Basis 15.0 瑞士 施工中 40 Civ 4 15.0 澳大利亚 规划中 41 Cveneri Basis 15.0 瑞士 规划中 42 中山 14.9 日本 1982 43 Lotchberg 14.6 瑞士 1913 44 Mout McDonaid 14.6 加拿大 1988 45 Romeriksporten 14.6 挪威 1999 46 Cikarija 14.3 克罗地亚 规划中 47 大瑶山 14.3 中国 1987 48 Taiwan HSR project 14.0 中国台湾 施工中 49 北陆 13.9 日本 1962 50 野三关 13.8 中国 施工中 51 北天山 13.6 中国 施工中 52 Frejus 13.5 法国 · 意大利 1871 53 新清水 13.5 日本 1967 54 Savio 13.5 芬兰 规划中 55 吕梁山 13.4 中国 规划中 56 Hex River 13.4 南非   57 大别山 13.3 中国 规划中 58 Bosporus 13.3 土耳其 规划中 59 Caponero Capoverde 13.3 意大利 2001 60 Sciliar 13.2 意大利 1993 61 霞浦 13.1 中国 规划中 62 安芸 13.0 日本 1975 63 Peloritana 12.8 意大利 2001 64 长梁山 12.8 中国 2002 65 Inntal 12.7 澳大利亚 1994 66 New Cascade 12.5 美国 1929 67 Lainzer 12.3 澳大利亚 施工中 68 东秦岭 12.3 中国 2003 2021/2/11 9 69 Novo Kunsnetzkij 12.2 俄罗斯 1957 70 Bussoleno bypass 12.1 意大利 规划中 71 Jammu Udhapur 12.0 印度 规划中 72 Epine － Ⅱ 12.0 法国 规划中 73 筑紫 11.9 日本 施工中 74 北九州 11.7 日本 1975 75 福岛 11.7 日本 1982 76 Wienerwald 11.6 澳大利亚 施工中 77 堡镇 11.6 中国 施工中 78 Radfeid Wiesing 11.4 澳大利亚 施工中 79 颈城 11.4 日本 1969 80 Flathead 11.3 美国 1970 81 南梁 11.2 中国 规划中 82 盐泽 11.2 日本 1982 83 藏王 11.2 日本 1982 84 通海 11.1 中国 规划中 85 Monterotond 11.1 意大利 施工中 86 圆梁山 11.1 中国 2005 87 San Donand 11.0 意大利 1986 88 Paris CDG 10.8 法国 规划中 89 Landruckenn 10.8 德国 1988 90 金寨 10.7 中国 规划中 91 大巴山 10.7 中国 规划中 92 Lierasen 10.7 挪威 1973 93 Pianoro 10.7 意大利 施工中 94 Finse 10.6 挪威 1993 95 Stans Terfens 10.6 澳大利亚 施工中 96 Mundener 10.6 德国 1991 97 齐岳山 10.5 中国 施工中 98 Raticosa 10.4 意大利 施工中 99 生田 10.4 日本 1976 100 赤仓 10.3 日本 1997 101 New Kuanying 10.3 中国台湾 规划中 102 Ariberg 10.2 澳大利亚 1884 103 Santa Lucia Basis 10.2 意大利 1977 104 大瑶山 1 号 10.1 中国 规划中   2021/2/11 10 10km 以上的公路隧道 NO 隧道名称 长度 所在地 开通 1 Laerdal 24.5 挪威 2000 2 终南山 18.0 中国 施工中 3 St Gotthard 16.9 瑞士 1980 4 Ariberg 14.0 澳大利亚 1978 5 雪山 12.9 中国台湾 施工中 6 Frejus 12.9 法国 · 意大利 1980 7 Mont Branc 11.6 法国 · 意大利 1965 8 Gudvanga 11.4 挪威 1991 9 Folgefonn 11.2 挪威 1991 10 关越（上） 11.1 日本 1991 11 飞弹 10.7 日本 施工中 12 Gran Sasso 10.2 意大利 1984 13 Le tunnel Est 10.1 法国 施工中 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。 2021/2/11 11 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。 2021/2/11 12 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。 国家 线别 线路长度（ km ） 设计最高速度（ km/h ） 营业最高速度（ km/h ） 隧道数量 双线标准断面积（ m 2 ） 日本 东海道 515 210 270 69/13% 63.5 山阳 563 250 300 268/47% 63.5 东北 593 260 275 184/ 63.4 上越 275 260 275 107/39% 63.5 北陆 117 260 260 63/54% 63.5 九州 128 260 260 85/69% 63.5 法国 南东 410 300 300 － － 大西洋 284 350 300 16/6% 71 北欧 333 350 300 － 100 地中海 250 350 300 （ 320 ） 13/5% 100 德国 ICE 99 300 280 30/30 ％ 82 哈诺法 327 300 330 120/37% 82 法兰克福 177 280 300 17/22% 92 意大利 罗马 237 300 250 71/30% 西班牙 马德里 471 300 300 16/3% 75 英国 CTRL 109 300 300 26/24% 韩国 KTX 412 350 300 189/46% 107 中国台湾 台北 345 350 300 65/19% 90 合计 6242 1339 2021/2/11 13 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，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。 2021/2/11 14 二、客运专线的隧道特点 2021/2/11 15 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。 2021/2/11 16 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。 2021/2/11 17 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。 2021/2/11 18 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 ,Ⅴ 级围岩隧道的开挖断面积可达 170m 2 ， 属于超大断面隧道的范畴，与三车道公路隧道的开挖断面积相当，给设计、施工提出来许多新课题； 2021/2/11 19 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； 2021/2/11 20 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。 2021/2/11 21 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，都提出来了明确的要求； 2021/2/11 22 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。 2021/2/11 23 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 。 2021/2/11 24 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，第二东名公路初期建设的三车道隧道的断面积为 113 ～ 170m2 比一般双车道的 85m2 大 1.5 ～ 2.0 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 170m2 ～ 200m2 ，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 1.3 ～ 1.5 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 3 ～ 4 车道的断面（最大开挖宽度 24m 、开挖断面积 240m2 ）。 2021/2/11 25 大断面隧道的分类   隧道断面划分和开挖断面积 （日本） 划分 开挖断面积 (m 2 ) 说明 标准断面 大断面 超大断面 70~80 100~120 >140 双车道 有人行道的双车道 车道与路面宽相同的三道 2021/2/11 26 日本公路隧道断面划分的基准（ 2003 年） 通常断面 大断面 小断面 净空宽度（ m ） 8.5 ～ 12.5 12.5 ～ 14.0 3.0 ～ 5.0 净空形状 上部断面为单心园 上半断面为三心园 上半断面为单心园，侧壁为直墙 净空纵横比 约 0.6 以上 约 0.57 以上 约 0.8 以上 净空断面积（ m2 ） 约 40 ～ 80 约 80 ～ 100 约 8 ～ 16 2021/2/11 27   国际隧协的断面划分 划 分 净空断面积 (m 2 ) 超小断面 小断面 中等断面 大断面 超大断面 <3.0 3.0~10.0 10.0~50.0 50.0~100.0 >100.0 2021/2/11 28 2021/2/11 29 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。 2021/2/11 30 大断面隧道施工的基本问题 安全：安全为主线，技术和管理为后盾，实现安全生产 技术：以技术确保掌子面稳定和施工质量 管理：以风险观点实现精细的工程管理 2021/2/11 31 结合具体情况，主要谈三个问题： 1 、初期支护； 2 、初期支护的喷混凝土； 3 、隧道防水板的铺设工艺。 2021/2/11 32 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。 2021/2/11 33 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。 2021/2/11 34 2021/2/11 35 2021/2/11 36 超前支护 工程实践证实，在地质不良的地段，发展各种稳定掌子面的辅助工法并使之模式化是极为重要的。日本、意大利在这方面都做了极有成效的工作。 定义 ：以稳定掌子面和地层下沉为目的的拱形薄壳结构体。即： 不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果的支护 。 适用范围： 1 、需要提高掌子面稳定性的土砂围岩； 2 、以控制地表下沉和相邻结构物的影响为主要目的的场合；如浅埋地点、接近重要结构物施工的场合等 2021/2/11 37 模式化的超前支护 日本在新版“城市矿山法隧道技术标准”（ 2004 年）中，把超前支护类型、参数及适用条件做了具体的规定。 2021/2/11 38 超前支护由于构筑方法的不同，有的是以横向刚性大的拱形构造为主，有的是以纵向连续性强的梁构造为主，也有具有两者功能的。其分类列于下表。 超前支护方法分类 超前支护的分类 预计的功能 混凝土拱壳方式 隧道横向刚性大（拱结构） 水平喷射注浆方式 隧道纵向刚性大（梁结构） 长钢管注浆方式 2021/2/11 39 预衬砌 其标准参数如下。 超前支护厚度：１７０ｍｍ 设置范围：１２０ º （１１５ º ～１２５ º ） 设置角度：７ º （５ º ～１０ º ） 纵断方向钻孔长度：４ . ０ｍ 纵断方向充填长度：３ . ５ｍ 搭接长度：０ . ５ｍ 超前残余长度：１ . ０ｍ（１ . ０～２ . ０ｍ）． 2021/2/11 40 水平喷射注浆方式 其标准断面如下： 喷射改良体直径：６００ｍｍ 设置范围：１２０ º （１２０ º ～１８０ º ） 设置角度：５ º （５～１０ º ） 纵断方向钻孔长度：１３ . ０ｍ（９～４８ｍ） 纵断方向改良长度：１０ｍ 搭接长度：１ . ０ｍ 超前残余长度：４ . ０ｍ（３ . ０～４ . ０ｍ） 设置间距：６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ） 2021/2/11 41 长钢管注浆方式 标准断面如下： 钢管直径：１１４３ｍｍ 设置范围：１２０ º （５０～１８０ º ） 设置角度：５ º （４～３０ º ） 纵断方向钻孔长度：１２ . ５ｍ（４～４０ｍ） 纵断方向注浆长度：１２５ｍ（４～４０ m ） 搭接长度：３ . ５ｍ 超前残余长度：３ . ５ｍ（１ . ０～７ . ５ｍ） 设置间距：４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ） 2021/2/11 42 除预衬砌方式外，其它两种方式，我们也是经常采用的。也取得不少的经验，因此，当务之急是如何提高超前支护技术的水平，一个重要措施就是首先要建立模式化的、标准的超前支护工法体系，在此基础上，根据我们的实践确立各种超前支护的类型、设计参数及使用机械的配套。 2021/2/11 43 预衬砌工法的机械 预衬砌工法采用的机械，有 2 大类： 1 、排钻。示于下图。用其钻设槽形孔，中央的钻用于压注砂浆或混凝土，形成拱形混凝土壳体。 2021/2/11 44 2 、装备有切槽钻头的专用机械，用于钻孔，同时充填混凝土。其机械概况示于下图。 2021/2/11 45 脚部的施工机械之一 2021/2/11 46 脚部施工机械之二 2021/2/11 47 二、 支护结构 在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。 加强的途径有二。其一是 改变过去采用的支护结构参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等； 这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是 改变材料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆等。 第 1 种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因之一。 第 2 种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。 2021/2/11 48 支护结构的构成 隧道的支护结构包括： 初期支护； 喷混凝土 、锚杆、钢支撑或格栅 超前支护； 二次衬砌包括仰拱及底板； 临时支护：需要拆除的支护构件，如中隔壁等。 2021/2/11 49 喷混凝土的几个关键性的性能指标 1 、设计基准强度 2 、初期强度： 3 、附着强度； 4 、附着配比； 5 、回弹率； 6 、粉尘量。 2021/2/11 50 1 、设计基准强度 喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定 喷混凝土的设计基准强度 ， 采用与衬砌混凝土同等的强度 。不仅如此，考虑到材料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经成为可能，因此 喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展的趋势 。例如，日本第二东名 · 名神高速公路，在 大断面隧道 中，采用材龄 28 天的抗压强度 36N/mm 2 作为设计基准强度。也有的国家规定在 不良地质条件下 采用高强度喷混凝土的建议。 2021/2/11 51 在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中，很少有采用小于 C25 等级的喷混凝土。 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。 2021/2/11 52 喷混凝土抗压强度划分 EFNARC 的标准 强度划分 C24/30 C28/35 C32/40 C36/45 C40/50 C44/55 C48/60 圆柱体试件 24 28 32 36 40 44 48 立方体试件 30 35 40 45 50 55 80 2021/2/11 53 挪威的标准喷混凝土抗压强度划分 抗压强度 (MPa) C30 C35 C40 C45 C50 C55 立方体试件的最小抗压强度 30 35 40 45 50 55 取样试件的最小抗压强度 19.2 22.4 25.6 28.8 32.0 35.2 2021/2/11 54 2 、初期强度 一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初期强度的目的。 设定喷混凝土初期强度的场合，应考虑隧道开挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保掌子面及其附近围岩的稳定， 取 24 小时以内的强度为标准。 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取 24 小时以外的强度为标准，有的国家就是 以 3 小时的强度 作为基准的。 2021/2/11 55 初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。 2021/2/11 56 日本 喷混凝土初期强度设定事例 单位 类别 材龄 3 小时抗压强度（ N/mm 2 ） 材龄 24 小时抗压强度（ N/mm 2 ） 道路协会 喷混凝土 － 5 铁道建设 · 运输设施 高品质喷混凝土 1.5 8 道路公团 喷混凝土 － 5 高强度喷混凝土 2 10 高强度纤维喷混凝土 2 10 2021/2/11 57 欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示的初期强度。 2021/2/11 58 J1 ：（ A~B ）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合 J2 ： (B~C) ：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合 J3 ： (C 以上 ) ：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合） 2021/2/11 59 3 、附着强度 喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定。 2021/2/11 60 喷凝土的欧洲标准（ EFNARC)G 规定的附着强度如下表所示，通过附着试验核查。 附着强度最小值（ MPa) 附着的划分 与混凝土的附着 与岩体的附着 非结构物 0.5 0.1 结构物 1.0 0.5 挪威规定附着强度在 0.2 ～ 1.8MPa 之间。 2021/2/11 61 附着强度测定事例 岩类等 矿物 粒子大小 附着强度   粗糙面 破坏面 片岩 粘土矿物、绿泥石 非常细 0.24 ± 0.18 0.28 ±0.11 云母片岩 石英、长石、云母 中位 0.58 ± 0.19 0.85 ± 0.35 片麻岩（叶状构造） 石英、斜长石、云母、角闪石 中位 0.19 ± 0.05 0.51 ±0 .11 片麻岩（叶状构造） 石英、斜长石、云母、角闪石 中位 1.53 ± 0.28 1.8 砂岩（裂隙多） 石英、长石 细 （ 1.1 ）破坏面 （ 1.1 ）破坏面 砂岩 石英、长石 细 1.8 1.8 泥灰岩 方解石、粘土矿物 细 1.49 1.84 石灰岩 方解石 细 1.58 ± 0.12 1.54 ± 0.30 大理岩 方解石 中位 1.38 ± 0.30 1.52 ± 0.28 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石、黑云母 粗 0.34 ± 0.12 1.12 ± 0.20 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石、黑云母 中位 1.04 ± 0.32 1.40 ± 0.26 花岗岩、闪绿岩 石英、斜长石。黑云母 细～中位 1.48 ± 0.45 1.71 ± 0.14 辉绿岩 斜长石、辉石 细～中位 1.56 ± 0.25 1.7 木版 － － 1.7 1.7 喷混凝土表面 － － 1.7 1.7   2021/2/11 62 4 、附着配比 对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。 附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。它与 喷射配比 、 喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度 有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。 喷射后喷混凝土强度（附着配比） C30 C35 C40 C45 C50 C55 喷射前喷混凝土强度（喷射配比） C38 C43 C48 C54 C60 C65 2021/2/11 63 5 、回弹率及粉尘浓度 回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有重要的影响。 因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重要课题。 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于 20 ％，粉尘浓度不能大于 5mg/m3 ，否则，就是不合格。 2021/2/11 64 6 、喷射机械 喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产效率应在 10m3/h 以上。许多施工单位也都认识到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决策。 2021/2/11 65 大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日本从修建第 2 东名高速公路起，就开始研究对策。研究和实践获得如下的成果。 2021/2/11 66 日本第二东名高速公路隧道事例 净空断面积：约 150m2 开挖断面积：最大 200m2 采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少 30 ％； 锚杆采用高强锚杆（设计承载力 28kN) ，锚杆数量减少 30 ％； 采用高规格钢支撑（ HH － 154 ）； 二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少 10cm 不设变形富余量。 2021/2/11 67 1 、喷混凝土的高强度化 主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。 高强度喷混凝土要求的强度列于下表。 种类 要求强度 目标强度 3 小时 1 天 28 天 28 天 高强度配比 2 以上 10 以上 36 以上 50 以上 一般强度配比 － 5 以上 18 以上 － 2021/2/11 68 高强度喷混凝土的标准配比列于下表 要求强度（ N/mm2 ） 塌落度（ cm ） 粗骨料最大尺寸（ mm ） 单位水泥用量（ kg ） 单位速凝剂对水泥的用量（％） 见上表 18 10 450 10 2021/2/11 69 高强度钢纤维喷混凝土主要用于裂隙发育的围岩，标准的钢纤维混入率为体积比的 0.75 ％。其标准配比列于下表。 要求强度（ N/mm2 ） 28 天弯曲韧性（ cm ） 塌落度（ cm ） 粗骨料最大尺寸（ mm ） 单位水泥用量（ kg ） 单位速凝剂对水泥用量（％） 见表 1 如图所示 18 10 450 10 2021/2/11 70 2 、高承载力锚杆 在清水进行了下表的试验施工。 喷混凝土 钢支撑 厚度（ cm ） 强度（ N/mm2 ） 规格 间距 （ m ） 标准 20 18 H － 200 1.5 高强度 12.5 40 、 SFRC － － 长度（ m ） 横向间距（ m ） 纵向间距（ m ） 承载力（ kN ） 标准 6.0 1.2 1.5 180 1 组 6.0 2.0 1.5 310 2 组 4.0 和 6.0 1.0 1.5 180 和 310 3 组 4.0 0.8 1.5 180 2021/2/11 71 从试验施工结果看，第 1 组的施工循环、成本最理想。第 3 组最差。因此，把第 1 组作为标准组合。 2021/2/11 72 3 、高规格钢支撑 采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度 590N/mm2 、破断延伸率 17 ％以上的高规格钢支撑。 屈服点（ N/mm2 ） 抗拉强度（ N/mm2 ） 破断延伸率（％） 拉伸试验片 炭素当量 Ceg 高规格钢 ≥440 ≥ 590 ≥ 17 1A ≥ 0.47 一般规格钢 ≥ 245 400~510 ≥ 17 1A － 2021/2/11 73 与过去采用的钢支撑比，可以小型化，其比较列于下表 过去采用的 高规格钢 NH-250 x250x9x14 HH-200 x201x9x12 NH-200 x200x8x12 HH-154 x151x8x12 NH-150 x150x7x10 HH-123 x125x6.5 x8 2021/2/11 74 4 、二次衬砌 同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验，二次衬砌的混凝土的强度等级从 18N/mm2 提高到 30N/mm2 。其结果是，采用 18N/mm2 时的衬砌厚度在 B~D2 级围岩中，为 50cm ，在 D 级围岩中为 60cm ，而采用 30N/mm2 时相应的厚度分别为 40cm 和 50cm 。减少了 10cm 。 2021/2/11 75 5 、施工方法的研究 在总长度 83km 的隧道中，用台阶法修建了 80 ％的隧道。台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方法就是中央导坑超前开挖法。两种开挖方法的示意图如下。 2021/2/11 76 二、改善隧道防水技术，是当前要解决的关键问题之一 应该指出：对隧道工程来说，地下水的影响和处理是至关重要的。大家都有体会，有水无水、水大水小、一般涌出和异常涌出，在设计施工上的处理是完全不同的。此外，隧道运营期间，结构物耐久性的降低，在许多场合，都与地下水有关。因此，切实地提高隧道的防水技术，是当务之急。 2021/2/11 77 在隧道设计和施工中，一定要区分： 运营隧道结构的防水和排水； 施工中的止水和排水。 这是两个不同的概念。 防水是对结构物性能的基本要求。不是主次的问题。 国内外的施工实践指出：设置防水板的隧道，都能够满足隧道结构物防水的基本要求。关键在于 防水板的铺设质量 。因此，在防水板铺设工艺上，都是采用机械铺设的方法。此外也在试验确保隧道防水性能的新工艺。 2021/2/11 78 防水板铺设工艺的改善 为了解决防水问题，一个最切实可行的方法，就是从改善防水板的铺设工艺着手。目前我们采用的人工铺设方法，很难避免对防水板的损伤，而且工艺复杂、费时、费力。最近，我们收集到日本的几个专利和日本 “ 矿山法隧道防水指南 ” ，说的都是防水板机械铺设方法。这些铺设机械的构造并不复杂，那个工程局都有条件制造。 2021/2/11 79 山岭隧道的防水方法，一般是采用在喷混凝土和衬砌间设置防水板的方法。但因喷混凝土的表面多数凹凸不平，铺设防水板时，为适应凹凸表面要考虑有适当地富余。如果富余不足或过于富余，防水板会发生拉伸或挠曲，其结果会妨碍混凝土的充填。为此。在山岭隧道衬砌施工中，强烈要求开发不妨碍混凝土的充填，而且与喷混凝土密着的防水构造。 2021/2/11 80 新的铺设方法 试验施工是：把通常 1.5m 宽的防水板在工厂加工成宽 6.0m （长跨）的防水板。沿 专用的活动模板台车 的外周将防水板展开，并设置在规定的位置固定好，向防水板和喷混凝土间的 灌注回填的充填材 。之后，组立钢筋、灌注混凝土。 2021/2/11 81 向防水板和喷混凝土间压注的充填材是用盾构隧道的经过改良的充填材。在洞外设置压注设备，最大压送 450m 。从洞外分别压送固化的 A 液和 B 液，在压注地点前混合，在左右侧上部、肩部和拱顶 5 处设压注管，从下向上依次压注。 下面是展开防水板专用的活动模板构造。 2021/2/11 82 2021/2/11 83 防水板的表面展开会过去的状况。 2021/2/11 84 铺设机械 图中 9 ：防水板 14 ：拱形钢轨 10 围岩 11 ：初期支护 13 ：升降装置 12 ：台车 2021/2/11 85 吊篮式台架 2021/2/11 86 带有展开机的台架