漫谈矿山法隧道技术第十二讲——隧道情报化施工的“情报”

隧道情报化施工是指在施工中根据能够充分表现隧道开挖后围岩和支护构件动态的“动态情报”来进一步掌握围岩的特性以修正设计和施工。1）指出实现情报化施工的前提是“情报”,需要的情报包括能够判定掌子面是否稳定、掌子面前方围岩是否发生变化、已支护地段变形是否收敛、围岩分级是否合适等。强调隧道情报化施工的情报“量”是基础,“质”是关键。以位移量测为例,介绍施工中需要获取什么样的情报; 以日本矿山法数据库（DB）为例说明情报“量”的重要性及其应用。指出我国的施工现状是积累情报“量”较大,但“质”不足,要在情报的“质”上下功夫,能够进行系统地总结和分析,为情报化施工建立数据库。2）从掌子面前方围岩的探查、掌子面观察、量测和试验等方面介绍获取情报的主要方法和目的。分别以日本北海道公路隧道和筑紫隧道为例,重点介绍了超前钻孔在掌子面前方和洞口段开挖前地质探查中的应用。3）介绍我国、日本和美国掌子面观察的内容和方法,指出我国的观察大部分获得定性的情报和少量定量情报,而日本和美国的观察是可以数值化的,我们在这方面尚需努力。介绍对已施工区间进行检查和观察的项目,以喷混凝土为例介绍观察结果的利用方法,反馈指导施工,统计建立管理基准。4）最后强调在不同围岩级别中,获取情报的方法是不同的,量测不是唯一的,也不是万能的。在块状、岩质围岩中,应把观察放在重要位置;在软弱围岩中,量测、观察以及掌子面前方围岩预测等方法应同时并举,循环验证。     

特大跨度四线深埋隧道施工工法研究——以乌蒙山2号出口车站隧道为例

针对特大跨度四线铁路隧道,其开挖面积相当于6倍普通单线铁路隧道,开挖成洞难度大,尚无成功先例。以六（盘水）沾（益）铁路乌蒙山2号出口四线车站隧道工程为背景,通过数值模拟和现场监测,开展特大跨度隧道施工工法研究。研究结果表明： 1）通过“撑索转换”,即利用“外锚”替换“内撑”,实现拱部临时支撑的安全拆除,降低拱部支护体系转换过程中的施工风险,并且突破传统软岩隧道施工中拆撑步长、跳拆等限制,提高了拆撑安全性及灵活性,同时为后续施工提供了较大的工作面。2）通过“以索代撑”,即利用锚索取代临时横撑,避免临时撗撑拆除风险,使得开挖更加灵活。3）采用三台阶“撑索转换”及“以索代撑”施工工法,实现了特大跨度隧道台阶法施工。     

蒙华铁路隧道工程施工技术要点及机械化配套

目前我国隧道钻爆法施工存在整体机械化程度较低、施工环境恶劣、工人劳动强度大的问题。以蒙华铁路隧道工程实践为依托,从建立监控量测信息化平台、大断面开挖及初期支护早封闭施工、提高硬岩地段隧道光面爆破水平、确保隧道支护结构质量等方面总结蒙华铁路隧道工程施工技术要点,即"一强化(强化量测)、二紧跟(钢架紧贴掌子面、仰拱紧跟下台阶)、三超前(超前预报、超前加固、超前支护)、四到位(工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌质量到位)";并重点介绍隧道施工机械化配套情况,包括湿喷机械手、自行式仰拱长栈桥、新型二次衬砌台车工装、马蹄形盾构、预切槽设备、悬臂式掘进机等的应用和创新;为全面统筹全线路隧道施工技术管理及提高隧道施工机械化水平形成示范效应并提供技术支撑。     

大瑶山1#隧道富水充填性溶洞施工技术

 介绍了武广铁路客运专线大瑶山一号隧道正洞施工至DK1909+624，进入F6断层时，掌子面发生大规模涌水涌泥，经观察隧道右侧为一巨型富水充填性溶洞，施工中严格按照“先探水、预注浆、再管棚、后开挖、径向补注浆、快衬砌”的总体施工原则组织施工，采取“排堵结合”的方法，安全、快速地通过了此溶洞。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

上官隧道塌方处理

隧道在洞口段围岩破碎时,二次衬砌要求及时施工,但在洞身段时,为了开挖进度,二次衬砌施工比较滞后,这样很容易造成掌子面与二次衬砌之间的初期支护出现塌方。对上官隧道掌子面与二次衬砌之间的塌方原因进行了分析,提出了可行的处理方案,保证了塌方处理过程中的安全。     

蒙华铁路中条山隧道高地应力F7断层软岩破碎段施工技术

为解决中条山隧道在施工至高地应力F7主干断层段时,左右线已施工完成的247 m初期支护发生严重变形开裂的问题,选取不同段落对“刚性支护一次到位”和“柔性支护释放应力后进行二次支护”2种方案进行试验,通过对监控量测数据分析和初期支护表面观察,得出以下结果： 1）软岩大变形段落采取“刚性支护一次到位”相比“柔性支护释放应力后进行二次支护”变形速率明显下降,最大收敛速率由28 mm/d下降至18 mm/d,最大沉降速率由24 mm/d下降至12.8 mm/d,释放应力时发生变形的“度”更易掌控; 2）在采取“刚性支护一次到位”的基础上,辅以优化“隧道边墙曲率”和“施工工法”等措施,能够有效控制隧道初期支护变形开裂,确保隧道结构的质量,顺利通过F7主干断层。     

富水软土地层超大断面浅埋暗挖隧道开挖施工技术

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段在管幕+冻结超前预支护体系下采用5台阶14部工法分台阶分部开挖。隧道开挖施工工序复杂,包括掌子面注浆、初期支护、临时支撑体系、二次衬砌、临时支撑拆除及三次衬砌等多道工序交叉作业。通过对该支护体系下开挖方法的介绍,结合施工监测数据,表明:顶管管幕+冻结止水帷幕的超前支护下5台阶14部开挖工法合理可行;支护体系随开挖随支撑,有利于隧道开挖安全有序推进;冻结对开挖的影响主要体现在冻土开挖困难与冻胀的影响,需在保证隧道封水安全的条件下合理调控。     

对兴建台湾海峡隧道的工程可行性及其若干技术关键的认识

从10个方面对兴建台湾海峡隧道的工程可行性进行论述,并阐述对其中若干技术关键的认识和建议。1）从台湾海峡拟议中兴建隧位沿线的地质与地震灾害性条件,看跨海隧道设计施工的工程可行性--试以“北线”方案为例,说明其对隧道施工与日后运营的影响; 2）海底隧道设计施工的特点和问题：对地质勘察、隧道最小埋置深度、隧道内交通运输工具的选择、关于服务隧道和海底渡线室等的设置、工程的安全设计与安全作业等提出意见和建议; 3）隧道不良地质区段施工水情水患的预测与防治：对隧道场址的水文地质条件的认识与评价;对防塌治水的基本原则,难以预见的施工风险及施工整治处理要点进行了阐述; 4）隧道围岩防塌险情预警、变形预测与控制--围岩施工稳定性评价：提出用“变形速率比值判别法”对围岩的施工稳定性进行评价,在施工期采用BMP软件对隧道衬护原设计参数进行调整和修正; 5）隧道掘进机（TBM）与钻爆法施工方案的比选--隧道施工机械现代化：提出用TBM与钻爆法配合的海峡隧道施工方案,同时指出当隧道部分地段需改用钻爆法开挖时,隧道的主要施工机械及监测仪具应现代化（如自动化喷混凝土机器人、自动化量测及监测反馈系统等）; 6）耐腐蚀高性能海工混凝土材料和隧道支衬结构：指明采用常规材料配制高性能海工混凝土,增强其耐久性的基本途径;给出不良地质区段岩体的隧道开挖、支护、施工排水和限压衬砌设计施工的建议; 7）特长大隧道的运营期通风问题--暂按铁路隧道并以英法海峡隧道为例作考虑：阐述海峡隧道的空气动力学问题,介绍英法海底隧道的通风系统原理及结构布置措施; 8）隧道防灾与减灾：建议学习参考西方一些国家和日本在隧道防灾方面的设计理念; 9）海底隧道施工风险评估与风险管理：提出该隧道的主要技术风险类别,并阐述对风险管理的认识; 10）关于悬浮式隧道：对本隧道情况而言,建议悬浮式隧道方案再另行慎议;最后指出下一步的地质和地震勘察尚有待深入进行的工作。     

包家山隧道大断面斜井进正洞挑顶技术

结合包家山隧道1＃斜井与正洞交叉口处的施工实例,介绍大断面斜井（横断面84.315m2）进正洞的挑顶施工技术。在充分了解地质条件的基础上,制定了“超前支护、分部开挖、加强支护、随挖随护、及时封闭、加强监测”的施工方案。重点阐述接头部位的施工方法,对施工经验进行了总结,可供同类工程参考。     

既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽技术综述

采用人工手持混凝土切割机、凿毛机等通用机具进行既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽施工，存在机械化程度低、开槽速度慢、难以满足隧道病害快速整治要求且施工安全难以保证等问题。在调研国内外隧道病害整治开槽方法和设备现状的基础上，基于金刚石锯片切削混凝土属于脆性破坏机制，提出“组合式刀具一次切削成槽”的隧道衬砌钢拱架安装槽开槽方法及施工工艺； 针对水射流切割技术，提出隧道衬砌钢拱架安装槽“水射流切槽”施工工艺； 针对切割轮和环形轨道开槽机，提出“多次切削成槽”方法及施工工艺。基于“组合式刀具一次切削成槽”、“水射流切槽”和“多次切削成槽”3种开槽施工技术，提出既有铁路隧道衬砌钢拱架安装槽开槽设备的研制建议。     

隧道施工对围岩应力变形的分析

以某高速公路隧道开挖和支护为工程背景,通过数值模拟方法分析上下台阶法、交叉中隔壁法和三台阶法3种施工方法情况下,隧道围岩的变形情况以及对支护时机的影响。设置不同的应力释放率方案,得到上台阶开挖、初衬施工步、核心土开挖和仰拱施工的应力释放率分别为50%,30%,5%和5%。采用上下台阶留核心土法施工最多允许释放90%的原岩应力,而采用三台阶法和交叉中隔壁法施工时分别为90.5%和91%。隧道的施工方法对掌子面和二次衬砌之间的允许距离具有较为显著的影响,交叉中隔壁施工方法允许掌子面和二次衬砌之间的距离最大,从而延缓二衬衬砌的支护时间。选取V级围岩中的上下台阶留核心土法的掌子面和二次衬砌之间的距离作为参考值,则需对其他开挖方法的掌子面和二次衬砌之间的距离进行修正,分别为:交叉中隔壁法1.53,三台阶法1.14。     

漫谈矿山法隧道技术讲座——后语

本讲座在16讲中,总结的矿山法隧道设计、施工的基本经验和行动准则（关键技术）可归纳为以下的“32字箴言”,即： 围岩为本,地质先行,松弛有度,内实外美,排堵协调,重视环境,预防维护,管理到位。实际上,“32字箴言”也是老生常谈,也是大家公认的。问题是,与“32字箴言”对应的“八大关键技术”,我们做得如何,要心中有数。有些技术亟待完善,有些技术则刚刚起步,有些技术尚在研究之中。因此,如何利用每年修建上千座隧道的大好契机,把我国修建矿山法隧道的技术提高到与“隧道大国”相适应的水平,实现“隧道强国梦”,是本讲座所追求的一个愿望。“抛砖引玉”,愿大家共勉之。     

大断面矩形土压平衡式顶管上跨施工对运营地铁隧道变形的影响分析

以川大停车场下穿人民南路地下人行通道矩形顶管隧道工程为依托,采用数值模拟方法对大断面矩形土压平衡式顶管隧道上跨地铁运营区间隧道所引起的地铁隧道变形进行全过程分析研究,并将模拟结果与现场监测数据进行对比,验证模型的合理性。主要结论如下： 1）顶管法隧道上跨施工引发的既有地铁隧道竖向变形受前期掌子面支护压力影响较大,随着开挖面的推进,开挖卸载效应逐渐占据主导地位; 2）地铁隧道横向位移受顶管隧道掌子面支护压力和开挖卸载效应的共同影响,且地铁隧道管片衬砌上半断面的横向位移对掌子面支护压力极为敏感。     

长大隧道工程结构安全风险精细化感控研究进展

长大隧道工程是中国重大基础设施重要组成部分,隧道结构周围岩土体性质不确定性高、周边环境敏感、使用条件苛刻,然而目前风险重评估轻控制的研究现状使得结构安全事故仍不断发生,损失严重。基于此,回顾作者所在团队以及国内外相关研究学者近10年来在长大隧道工程结构安全风险管控领域的研究进展,从安全风险时空感知指标、感知方法、感知网络技术、风险预警与控制技术4个主要方面总结风险感控理论与技术研究成果;通过揭示多重复杂环境条件下长大隧道工程结构安全风险特征演化机理,获得风险状态“安全精感”的敏感指标,利用研发的隧道工程结构安全状态的多参数无线感知方法和技术,实现隧道安全风险无线同步“灾变精知”,创建长大隧道工程无线智慧传感网络理论方法,攻克数据传输及超低功耗智慧组网“数据精传”难题,最后提出安全风险动态可视化预警及可恢复控制技术,突破长大隧道工程现场风险管控预警“风险精控”技术瓶颈,最终实现长大隧道工程结构安全风险精细化感控;介绍上述精细化感控体系在超长地铁隧道(连续20 km)、超大断面暗挖隧道(拱北隧道)、寒区隧道(低至-40℃)等重大复杂隧道工程结构安全风险感控中的成功应用案例,并对未来长大隧道工程结构安全风险感控研究热点趋势进行展望。     

隧道超欠挖对隧道成本的影响及控制途径

阐述了钻爆法隧道开挖时超欠挖产生的原因,分析了超欠挖对隧道施工成本的提高产生的重要影响,以此期望能够引起足够重视。最后提出控制隧道超欠挖的三条主要途径：①强化现场施工管理,这是减少超欠挖的根本措施;②实施“新奥法”技术,这是减少超、欠挖的有效技术措施;③改变“宁超勿欠”的传统观点,树立“少超少欠”的观点。     

高速铁路隧道机械化修建技术创新与智能化建造展望——以郑万高速铁路湖北段为例

为实现郑万高速铁路湖北段隧道安全、快速、高质量修建,开展全工序大型机械配套条件下的施工技术、结构设计和信息化管理等一系列探索和创新:1)形成一套基于大型机械化的超前地质预报、掌子面超前预加固、隧道全断面机械开挖工法、初期支护机械化施工、宽幅防水板作业台车铺装和智能衬砌台车的全断面机械化施工技术; 2)基于机械化施工技术,建立隧道围岩稳定性分级方法,并在新奥法理念指导下,优化隧道支护结构设计参数; 3)建立隧道施工管理系统、施工信息采集系统、施工安全管理系统、混凝土拌合站质量管理系统、质量信誉评价系统以及施工动态管理系统等,以对隧道施工进行信息化管理。最后,在隧道机械化、信息化修建技术的基础上,从隧道支护体系智能动态设计系统、隧道支护体系智能机器人施工技术和隧道结构智能化监测系统等方面对隧道智能化修建技术进行探索和展望,以期将我国隧道建设水平推向新高度。     

青山隧道施工控制及质量加固

在软弱围岩地段施工隧道,如何保证隧道的质量和安全是施工的重点和难点。结合青山隧道的施工与体会,介绍了青山隧道在开挖施工、初期支护、二次衬砌、质量加固的施工控制技术。     

大断面隧道高压富水变质岩地层及构造带灾害处理技术——以旧堡隧道为例

旧堡隧道地处区域性构造交汇部位,地层为古老的太古界变质岩,岩石因受多期地质构造运动作用,断裂构造极为发育。隧道地下水发育且部分地段存在承压水,在施工过程中,针对掌子面突水涌碴、开挖面坍塌,采取架设临时仰拱和临时挡墙措施,加固绕避; 针对初期支护大变形、二次衬砌开裂等情况,采取超前注浆、超前大管棚和双层初期支护等措施,确保隧道衬砌结构安全; 针对隧道地下水发育情况,采用排水型防水板、边墙增设碎石盲沟并增加泄水洞等措施,确保隧道运营安全。     

广乐高速公路龙归隧道过冲沟段及断层破碎带关键施工技术

广乐高速公路的龙归隧道左线位于凹形沟谷地段及断层破碎带上,开挖支护风险大。为保证隧道的施工安全,采用了超前地质预报、增设双排超前小导管、掌子面超前注浆、增加临时横撑等关键施工技术,保证了工程质量、安全和工期。