隧道施工常用理論與技術研究

陳玉鍵 王璐 閉芬 李強

摘要：隨著隧道建設行業的不斷發展，我國已形成了比較成熟的隧道施工理論與技術。本文主要介紹了我國隧道施工的理論與技術發展現狀。對隧道施工常用的5種理論與方法進行了介紹，包括礦山法與新奧法、盾構法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技術。與此同時，對每種隧道施工方法的重點與難點、適用范圍、關鍵技術等作了說明。對隧道施工理論與技術發展方向研究有一定的參考價值。

Abstract： With the continuous development of the tunnel construction industry， China has formed a relatively mature tunnel construction theory and technology. This article mainly introduces the current state of development of the theory and technology of tunnel construction in China. Five theories and methods commonly used in tunnel construction are introduced， including mining method and new Austrian method， shield method， immersed pipe method， open cut method and TBM tunnel construction technology. At the same time， the key points and difficulties， scope of application， and key technologies of each tunnel construction method are explained. It has certain reference value for the study of tunnel construction theory and technology development direction.

關鍵詞：鉆爆法;盾構工法;沉管工法;明挖法;TBM隧道修建技術

Key words： drilling and blasting method;shield tunneling method;immersed pipe method;open cut method;TBM tunnel construction technology

中圖分類號：U452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0248-02

0? 引言

改革開放以來，我國的隧道建設越來越多。對于隧道施工的理論與技術研究也越來越成熟。錢七虎[1]對不良地質地段隧道工程的超前預報技術應用與進展進行了全面總結，并綜述了各種超前預報技術的應用現狀。劉聰等[2]針對復雜大斷面隧道工程的施工進行研究，重點研究了圍巖的力學響應特征。徐鐘[3]進行巖溶隧道的涌突水災害防治措施研究，為巖溶隧道施工技術提供依據。張俊家等[4]研究了公路隧道的實時監測技術，并應用于隧道災害預警及安全管理。肖洋等[5]針對褶皺構造隧道工程的地質預報進行了研究，并提出了相關問題的解決對策。李術才等[6]全面對比研究TBM和鉆爆施工隧道工程的超前地質預報技術。洪開榮[7]對多種類型隧道及地下工程的技術發展進行了總結分析。趙勇等[8]針對我國高鐵隧道的地質、斷面、襯砌、軌道等特點進行分析總結。張頂立[9]針對隧道圍巖力學特性進行深入研究，并分別針對圍巖不同深淺程度構建了力學分析模型。梁榮柱等[10]針對盾構施工過程中刀盤的擠土效應進行研究，研究提出了不同深度土體水平位移規律。

本文主要介紹我國隧道施工5種常用理論與技術。隧道施工常用的施工方法如表1所示。

1? 礦山法與新奧法

礦山法與新奧法也稱鉆爆法，該方法經鉆孔、裝藥、爆破等過程開挖巖石。其設計發展過程包括古典壓力理論、彈塑性力學理論、新奧法理論、能量支護理論。荷載-結構法和地層-結構法是隧道襯砌結構計算常采用的方法，荷載-結構模型和地層-結構模型為其計算模型。工程類比法、荷載-結構法、地層結構法、信息反饋法、綜合設計法等為其設計方法。初始地應力場、施工影響、巖體力學等因素與計算參數密切相關。礦山法的施工原則有少擾動、早支撐、慎撤換、快襯砌。其施工順序有順作法、逆作法。

新奧法是根據工程經驗、巖體力學理論、圍巖自穩能力，使錨桿與噴射混凝土為整體的支護方法。達到隧道巖體壓力由錨桿、噴射混凝土、圍巖三者共同承擔的目的。新奧法施工原則為少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉。隧道施工采用鉆爆法時，鉆孔、裝藥、爆破等方式被采用。運用圍巖-結構支護理論、復合襯砌結構、施工作業等重要的施工方法。對于開挖方法，則有臺階法、全斷面法、雙側壁導坑法、單側壁導坑法、環形開挖留土法、CRD法、CD法。根據隧道開挖的實際情況，對于不同的圍巖情況應采取對應的支護形式。當考慮隧道內監測點的變化時，使用全站儀、收斂計、水準儀等形成監測系統監控隧道內測點的變化情況。針對隧道地質超前預報情況，我國采用的方法和設備有地質分析法、超前導洞法、超前鉆探法、巖體溫度發、紅外探水儀。面對隧道開挖時突發的地質災害，處理應對的原則為“防、排、堵、截”，除此之外還有注漿、疏水降壓、水源探測等綜合治理措施。

2? 盾構法

盾構工法的目標是使內部水壓力或泥水壓力與開挖面土壓力保持平衡。該方法有管片設計、盾構的構造和設計、選擇類型以及始發到井設計等幾個步驟。根據隧道的工程地質情況，其中耐久性、結構強度、土質條件等很大程度的決定刀盤的設計。此外，鉸接機構、舉重臂、推進裝置、附屬結構等決定了盾構的主體設計。值得注意的是，設計方法的決定性因素是開挖面的穩定性。

盾構，顧名思義，即使用盾構機在地下進行掘進施工作業。該方法有對周邊環境擾動小、自動化作業、一般沒有地面施工作業等特點。隨著城市建設的需要，如今的隧道已經遍布到繁華街區的地下。為了滿足環境的要求，需要在隧道上面預留吊裝口始發作業已不再適用。在盾構施工作業中，重點技術為盾構到達。如果把洞門去除，則暴露了端頭地層，帶來的結果就是端頭受力已經不再平衡。因此考慮到自穩土體時間長短的問題，如果時間比較短，則需要對端頭進行加固。該端頭即為始發掘進前的端頭。在對隨待進行盾構法施工時，為了對隧道高質量施工和保證施工的持續性進行下去，則需要對盾構機進行良好的維護。即在施工中盾構姿態要合適。在施工中要重視控制地面沉降的情況。對于盾構管片而言，其中可控制的因素有注漿材料、注漿參數。在施工中考慮到施工工期長短問題、豎井的設置問題、經濟問題，可以使用地中對接的盾構技術。當盾構施工中遇到不好的地質情況，則需要商議進行專項的施工方案。不好的地質情況有黃土地層等，此時盾構機的損害有刀具磨損等問題。

3? 沉管法

提到沉管法，隧道橫截面形狀一般是多孔箱型，材料為鋼筋混凝土。對于尺寸問題，則橫向尺寸小，縱向尺寸大。計算理論方面考慮彈簧地基，方法采用分層法。在進行縱向分析計算時，一個重要步驟即模擬接頭。為了保證的結果的準確性，已經不能在按之前的將接頭認為鉸接或者剛接。與一般的隧道相比較，沉管隧道存在特殊性。其一是沉管隧道的修建地點一般是軟弱地層，所以要對地震發生時產生沙土液化問題，從而造成不均勻沉降等問題;其二是上覆土層對于隧道的約束力非常小，這是由上覆土層的厚度非常薄所導致的;其三為由于地下水的存在和沉管隧道的重要性決定的。如果隧道破壞后果十分嚴重;其四是對于破壞后隧道的修復十分困難。

管節制作材料變化、橫截面尺寸改變與總箱長度變化、截面形狀的改變;適用范圍大;施工工期長;結構等因素對環境的影響和擾動大;力學性質復雜;施工難度大等是沉管隧道的施工特點。對于沉管隧道基礎的處理方式依據有抗震要求、水文地質條件、設計資料、施工設備供應條件、工期和經費情況、實際的試驗情況、施工方案等。為了保證浮運沉放和使用壽命，要重視管節預制這一重要的施工緩解。其次管節沉放對于整個施工過程的重要性也不言而喻。因影響管節沉放的復雜因素太多，所以需要在沉放過程中進行檢測，以保證管節沉放作業的順利進行。

4? ?明挖法

在有支護或無支護的情況下，需將上覆土或巖體挖除形成溝槽或基坑。然后建造主體結構和襯砌工程，按此種方法施工的隧道為明挖隧道。該施工方法稱為明挖法。懸臂圍護基坑、圍護結構支撐基坑、放坡基坑等明挖基坑可按圍護方式的不用分此三種類型。運用地基反力、極限平衡、桿系的有限元等方法設計基坑支護時，對支護結構施加外力后，對于影響結果正確性的主要原因是由土壓力的理論決定的。對于荷載的結構模型而言，承載主題為基坑支護，外部的約束分為地層引起的荷載以及支護結構，內力與變形可由結構力學求解得知。有內支撐體系、基坑變形控制、圍護結構、基坑穩定性等幾種設計方法。

施工速度快、技術和理論成熟、施工范圍大、造價低是明挖法施工的技術特點，該方法是我國早期大量使用的隧道施工方法。基坑和邊坡支護、土方開挖、防水工程、主體結構等是主要步驟。圍護結構和支撐體系施工是明挖法的兩大關鍵技術。圍護結構技術有錨索支護、土釘支護、水泥攪拌樁、地下連續墻、旋噴樁、灌注樁、雙排樁等。基坑支護有內支撐系統與外支撐系統。內支撐系統有圍檁、立柱、內支撐等。外支撐系統有錨桿、錨索等。

5? TBM隧道修建技術

TBM即巖石隧道掘進機。該機器的制造一般有刀具和刀盤、大直徑多功能巖石隧道掘進機、小型巖石隧道掘進機等。有雙護盾、敞開式、單護盾三種類型。巖石隧道掘進機的特點有運距長掘進量大等特點。要求巖石隧道掘進機與良好的出渣系統配合使用。對于隧道和隧洞的掘進技術，巖石隧道掘進機的測量系統扮演著十分重要的角色。此外，管片拼接、巖石隧道掘進機與襯砌掘進同步、復合襯砌施工等技術也十分先進。

6? 結語

本文主要介紹了隧道施工的理論與技術。包括礦山法與新奧法、盾構法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技術。介紹了礦山法與新奧法理論的發展過程、計算模型、常用儀器、施工原則;總結了盾構法的施工步驟、盾構設計的影響因素、施工特點、施工的重點和難點技術、不良地質的專項施工方案;說明了沉管法的理論計算、適用的修建地點、沉管隧道的特殊性、施工特點、管節預制、管節沉放;歸納了明挖法的明挖基坑、基坑支護的設計方法、施工特點、施工步驟、圍護結構、支撐體系施工;概括了TBM隧道修建技術的制造類型、施工特點、施工條件等。雖然我國的隧道施工理論與技術已非常成熟，但我們仍然有很長的路要走。

參考文獻：

[1]錢七虎.隧道工程建設地質預報及信息化技術的主要進展及發展方向[J].隧道建設，2017，37（03）：251-263.

[2]劉聰，李術才，周宗青，等.復雜地層超大斷面隧道施工圍巖力學特征模型試驗[J].巖土力學，2018，39（09）：3495-3504.

[3]徐鐘.復雜巖溶隧道涌突水演化機理及災害綜合防治研究[D].成都理工大學，2018.

[4]張俊家，冷先倫，盛謙，等.自動化監測技術在隧道施工安全預警中的應用[J].公路工程，2019，44（02）：14-18，68.

[5]肖洋，何宇，李富明.穿越褶皺隧道施工地質災害與致災構造及其預報研究[J].現代隧道技術，2018，55（S2）：612-618.

[6]李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014，33（06）：1090-1113.

[7]洪開榮.我國隧道及地下工程發展現狀與展望[J].隧道建設，2015，35（02）：95-107.

[8]趙勇，田四明，孫毅.中國高速鐵路隧道的發展及規劃[J].隧道建設，2017，37（01）：11-17.

[9]張頂立.隧道及地下工程的基本問題及其研究進展[J].力學學報，2017，49（01）：3-21.

[10]梁榮柱，夏唐代，林存剛，等.盾構推進引起地表變形及深層土體水平位移分析[J].巖石力學與工程學報，2015，34（03）：583-593.