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。     

古夫隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术

为提高隧道软弱围岩施工安全性和加快施工进度,依托古夫隧道出口段工程,首先通过超前地质预报、监控量测、应力应变测试等判断围岩及掌子面稳定性; 然后通过超前支护、低预应力涨壳式锚杆加固围岩,提高围岩自稳能力; 最后采用普通型机械化配套大断面法施工,对围岩的拱顶沉降、周边收敛、应力应变等进行监测,通过数据分析结果指导现场施工。研究结果表明： 1)隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术可以有效地加快施工进度,保证施工安全; 2)信息化管理可以通过数据分析结果指导现场施工,大大提升隧道施工的管理水平。     

郑万高铁隧道大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性研究

为研究郑万高铁大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性,依托郑万高铁隧道现场实测数据,确定台阶法和大型机械化配套全断面法2种工法施工的围岩压力分布特征,并采用数值模拟的方法建立围岩-支护结构有限元模型,分析2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。研究结果表明： 1)台阶法多次施工扰动易导致支护结构和围岩之间产生空隙而发生脱空,大型机械化配套全断面法施工对围岩扰动次数少,初期支护快速封闭成环,可保证初期支护及围岩之间良好的密贴性; 2)在软弱围岩中,采用大型机械化配套全断面法施工比台阶法更有利于改善结构受力,减缓结构内部偏心受压的程度,能有效发挥拱形隧道结构承载力; 3)大型机械化配套全断面法在软弱围岩快速施工、控制支护结构变形、保证支护结构受力安全等方面具有综合优势。     

大断面隧道机械化施工支护结构设计方法——以郑万高铁湖北段隧道为例

为了建立适用于大断面隧道机械化施工技术的支护结构设计方法,基于极限平衡法推导了考虑3种超前支护措施(超前管棚、掌子面锚杆和掌子面预注浆)的三维掌子面稳定系数计算公式;基于大量的深埋隧道形变压力现场实测数据,通过多元非线性回归分析方法,拟合推导了基于BQ系统的整体形变压力计算公式及局部形变压力计算公式,并建立了对应的洞身支护结构设计模型。根据提出的支护结构设计方法,给出了郑万高铁隧道掌子面超前支护参数及初期支护参数,通过工程应用,证明了该参数的合理性及本文设计方法的实用性。     

绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验

为了探索绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制技术及合理支护形式,以陕西省宝(鸡)汉(中)高速公路连城山隧道工程为依托,针对采用单层I22b、双层I22b和双层HK200b钢架的3种初期支护形式,通过对围岩变形和支护结构受力进行现场量测,对比分析了不同初期支护形式的变形控制效果,提出了大跨度公路隧道软岩大变形控制方法和支护体系。研究结果表明:“大预留+双层HK200b钢架分次强支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”联合支护体系能有效控制隧道大变形灾害,避免初期支护变形侵限及频繁拆换拱;该支护体系中第1层初期支护钢架的刚度不宜太弱,以避免因其刚度不足导致的局部失稳和局部拆换问题;试验断面第2层初期支护的接触压力约占第1层初期支护围岩压力的61%,二次衬砌接触压力约占第1层初期支护围岩压力的40%;调整仰拱曲率对于优化结构受力和防治仰拱底鼓作用显著;基于对连城山隧道试验断面围岩压力和径向位移的统计分析,建立了不同支护阶段和不同刚度下的围岩-支护特征曲线,揭示了围岩与支护的相互动态作用机制和“多层分次强支护”大变形控制方法的支护作用机制;结合连城山隧道大变形处置实践,总结提出了“三台阶留核心土法+大预留、多层、分次支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”的大变形控制技术、“不侵限、不换拱、不破坏压密区”的大变形防控理念及“大断面、少分步、快挖快支”的施工原则。研究成果可为类似软岩隧道大变形控制提供重要借鉴。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

软岩隧道施工方法数值分析

以软岩单线铁路隧道为工程背景,采用三维数值手段对常规台阶法、扩大拱脚台阶法和预留核心土台阶法等典型工法的施工空间效应进行动态模拟。计算结果表明：对于软岩隧道,当采用常规台阶法施工时,加强上台阶围岩支护效果对大变形控制至关重要;在台阶法开挖过程中掌子面挤出变形明显,掌子面的稳定性不容忽视,而预留核心土在控制掌子面变形、确保掌子面稳定方面有明显的作用;扩大拱脚支护形式与标准断面相比更有利于控制隧道收敛变形和塑性区的发展。综合分析结果认为：兰渝铁路软岩单线隧道采用扩大拱脚支护形式结合预留核心土的台阶法更有利于控制变形和确保洞室稳定。     

郑万高铁隧道大断面机械化施工关键技术研究

为实现大断面隧道机械化施工,针对郑万高速铁路湖北段隧道机械化施工所面临的掌子面稳定性控制、支护结构参数优化、机械化施工工法及施工工艺参数选取等主要问题,采取现场试验、资料调研、理论分析等手段,提出掌子面稳定性综合分级方法及稳定性控制措施,并对超前支护、洞身支护参数进行优化。郑万高速铁路采用全断面法和微台阶法2种工法进行施工,同时,对高压劈裂注浆、低预应力锚杆、超挖控制、高标号初喷混凝土等施工工艺进行探索和应用; 在信息化项目管理平台的基础上,建立基于施工动态管理的隧道作业面分类管理方法。研究成果在郑万高速铁路的成功应用将极大提高隧道建设的机械化水平,为隧道机械化施工提供参考。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

软弱围岩地层隧道大断面机械化施工工法应用

为解决我国山岭隧道施工技术落后的问题,对高速铁路大断面隧道的机械化施工工法进行阐述。通过配备成套的隧道机械化工装设备,并经现场试验研究,形成开挖、支护、衬砌、水电缆槽4条隧道施工生产作业线的新型施工组织模式,以实现Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩机械化大断面的连续施工。通过全电脑三臂凿岩台车的应用,开挖炮眼精确定位、系统锚杆精准安装、施工信息同步上传等施工难题得以解决; 通过各类大功率机械设备的配置和应用,可缩短各道工序的循环时间,实现软弱围岩早封闭的安全管理理念。根据大量的监测数据和现场实践表明,隧道大断面机械化施工工法的施工质量可靠、施工效率高且施工安全。     

铁路隧道软弱围岩大断面机械化施工经济性研究与分析

为分析铁路隧道软弱围岩大断面机械化施工经济性的影响因素，以及各因素的影响程度，依据郑万高铁软弱围岩大断面机械化施工和普通机械化施工（台阶法）2套设计图的工程量，结合现行铁路造价标准与部分软弱围岩大断面机械化配套工艺单价分析，编制3套概算方案从工程量优化和工艺工法变化2个方面进行对比研究。研究结果表明： 1）影响大断面机械化施工经济性的主要因素是超前加固； 2）Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩大断面机械化施工较普通机械化施工延米概算指标分别增长了-9.41%、10.81%和6.24%； 3）Ⅳ、Ⅴ级围岩大断面机械化施工较普通机械化施工月进尺分别提高了9.33%和22.22%，体现出一定的综合经济性。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性,对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正,并再次分析不同铁路隧道的安全性,同时与挪威Q法支护参数进行对比,最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道,Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济,但Ⅴ级围岩安全系数偏低;采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用,从而可以减少喷层和二次衬砌的强度,提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

XM1200三臂拱架台车在大断面软弱围岩隧道施工中的应用

为提高大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工机械化水平,引进三臂拱架安装台车进行拱架安装。通过对三臂拱架安装台车参数和性能、施工工艺、与传统台车对比应用效果等多方面进行分析,主要结论如下： 1）三臂拱架安装台车抓举和连接拱架可在有效保证施工人员安全的前提下,缩短拱架安装时间; 2）钢拱架安装工艺流程更规范,有效提高拱架安装精度和质量; 3）三臂拱架安装台车和传统台架、改装机械设备应用效果相比,更适应大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工; 4）三臂拱架安装台车除可完成拱架安装施工外,还可辅助进行部分隧道高空作业施工。     

涨壳式预应力中空锚杆在机械化开挖大断面隧道中的施工应用研究

为了解决软弱围岩隧道机械化开挖后快速支护的难题，采用三臂凿岩台车、风动扳手等配套机具施作涨壳式预应力中空锚杆对围岩进行快速支护。通过在郑万高铁高家坪隧道软弱围岩段大断面机械化施工条件下涨壳式预应力中空锚杆的应用研究，总结出涨壳式预应力中空锚杆工作原理、工艺流程，通过注浆试验对比分析，提出适合的隧道锚杆注浆比例，并结合锚杆轴力监测和地层位移监测结果，表明该锚杆具有快速约束围岩、形成应力拱、减少围岩松动圈、保证围岩稳定的优势，能够有效保障隧道机械化施工的安全，并提高隧道机械化施工效率。     

机械化施工大断面高铁隧道围岩压力测试及分布特征研究

为了解机械化施工大断面隧道围岩压力的变化规律和分布特征,依托郑万高速铁路湖北段大型机械化施工隧道群,开展大量围岩压力现场监测,根据测试结果对Ⅳ级和Ⅴ级深埋条件下围岩压力变化规律和分布特征进行分析,并与规范荷载进行对比。结果表明： 1）围岩压力监测数据从21~27 d开始稳定; 2）实测围岩压力小于《铁路隧道设计规范》深埋隧道计算荷载; 3）Ⅳ级深埋条件下,侧压力系数为规范荷载侧压力系数的1.2~2.4倍; 4）Ⅴ级深埋条件下,侧压力系数为规范侧压力系数的0.86~1.43倍。     

铁路隧道智能化建造装备技术创新与施工协同管理展望

为配合郑万高铁实施的基于全工序机械化配套的隧道安全、快速、高质量修建技术,针对超前支护、钻爆开挖、初期支护、二次衬砌等关键工序开发系列化智能装备,并系统性地总结和提炼钻爆法隧道智能建造装备的4大支撑技术,即围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统,是实现隧道全生命周期智能化的基础与前提; 同时,运用先进的传感技术、互联网、大数据分析和人工智能技术,研究施工协同管理平台,借助隧道大容量通信网络和隧道智能建造协同管理平台,实现隧道内装备与装备、装备与环境、装备与围岩的互联互通互动,为隧道智能建造提供装备保障。