隧道施工常用理论与技术研究

陈玉键 王璐 闭芬 李强

摘要：随着隧道建设行业的不断发展，我国已形成了比较成熟的隧道施工理论与技术。本文主要介绍了我国隧道施工的理论与技术发展现状。对隧道施工常用的5种理论与方法进行了介绍，包括矿山法与新奥法、盾构法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技术。与此同时，对每种隧道施工方法的重点与难点、适用范围、关键技术等作了说明。对隧道施工理论与技术发展方向研究有一定的参考价值。

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.

关键词：钻爆法;盾构工法;沉管工法;明挖法;TBM隧道修建技术

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

中图分类号：U452                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0248-02

0  引言

改革开放以来，我国的隧道建设越来越多。对于隧道施工的理论与技术研究也越来越成熟。钱七虎[1]对不良地质地段隧道工程的超前预报技术应用与进展进行了全面总结，并综述了各种超前预报技术的应用现状。刘聪等[2]针对复杂大断面隧道工程的施工进行研究，重点研究了围岩的力学响应特征。徐钟[3]进行岩溶隧道的涌突水灾害防治措施研究，为岩溶隧道施工技术提供依据。张俊家等[4]研究了公路隧道的实时监测技术，并应用于隧道灾害预警及安全管理。肖洋等[5]针对褶皱构造隧道工程的地质预报进行了研究，并提出了相关问题的解决对策。李术才等[6]全面对比研究TBM和钻爆施工隧道工程的超前地质预报技术。洪开荣[7]对多种类型隧道及地下工程的技术发展进行了总结分析。赵勇等[8]针对我国高铁隧道的地质、断面、衬砌、轨道等特点进行分析总结。张顶立[9]针对隧道围岩力学特性进行深入研究，并分别针对围岩不同深浅程度构建了力学分析模型。梁荣柱等[10]针对盾构施工过程中刀盘的挤土效应进行研究，研究提出了不同深度土体水平位移规律。

本文主要介绍我国隧道施工5种常用理论与技术。隧道施工常用的施工方法如表1所示。

1  矿山法与新奥法

矿山法与新奥法也称钻爆法，该方法经钻孔、装药、爆破等过程开挖岩石。其设计发展过程包括古典压力理论、弹塑性力学理论、新奥法理论、能量支护理论。荷载-结构法和地层-结构法是隧道衬砌结构计算常采用的方法，荷载-结构模型和地层-结构模型为其计算模型。工程类比法、荷载-结构法、地层结构法、信息反馈法、综合设计法等为其设计方法。初始地應力场、施工影响、岩体力学等因素与计算参数密切相关。矿山法的施工原则有少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌。其施工顺序有顺作法、逆作法。

新奥法是根据工程经验、岩体力学理论、围岩自稳能力，使锚杆与喷射混凝土为整体的支护方法。达到隧道岩体压力由锚杆、喷射混凝土、围岩三者共同承担的目的。新奥法施工原则为少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。隧道施工采用钻爆法时，钻孔、装药、爆破等方式被采用。运用围岩-结构支护理论、复合衬砌结构、施工作业等重要的施工方法。对于开挖方法，则有台阶法、全断面法、双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、环形开挖留土法、CRD法、CD法。根据隧道开挖的实际情况，对于不同的围岩情况应采取对应的支护形式。当考虑隧道内监测点的变化时，使用全站仪、收敛计、水准仪等形成监测系统监控隧道内测点的变化情况。针对隧道地质超前预报情况，我国采用的方法和设备有地质分析法、超前导洞法、超前钻探法、岩体温度发、红外探水仪。面对隧道开挖时突发的地质灾害，处理应对的原则为“防、排、堵、截”，除此之外还有注浆、疏水降压、水源探测等综合治理措施。

2  盾构法

盾构工法的目标是使内部水压力或泥水压力与开挖面土压力保持平衡。该方法有管片设计、盾构的构造和设计、选择类型以及始发到井设计等几个步骤。根据隧道的工程地质情况，其中耐久性、结构强度、土质条件等很大程度的决定刀盘的设计。此外，铰接机构、举重臂、推进装置、附属结构等决定了盾构的主体设计。值得注意的是，设计方法的决定性因素是开挖面的稳定性。

盾构，顾名思义，即使用盾构机在地下进行掘进施工作业。该方法有对周边环境扰动小、自动化作业、一般没有地面施工作业等特点。随着城市建设的需要，如今的隧道已经遍布到繁华街区的地下。为了满足环境的要求，需要在隧道上面预留吊装口始发作业已不再适用。在盾构施工作业中，重点技术为盾构到达。如果把洞门去除，则暴露了端头地层，带来的结果就是端头受力已经不再平衡。因此考虑到自稳土体时间长短的问题，如果时间比较短，则需要对端头进行加固。该端头即为始发掘进前的端头。在对随待进行盾构法施工时，为了对隧道高质量施工和保证施工的持续性进行下去，则需要对盾构机进行良好的维护。即在施工中盾构姿态要合适。在施工中要重视控制地面沉降的情况。对于盾构管片而言，其中可控制的因素有注浆材料、注浆参数。在施工中考虑到施工工期长短问题、竖井的设置问题、经济问题，可以使用地中对接的盾构技术。当盾构施工中遇到不好的地质情况，则需要商议进行专项的施工方案。不好的地质情况有黄土地层等，此时盾构机的损害有刀具磨损等问题。

3  沉管法

提到沉管法，隧道横截面形状一般是多孔箱型，材料为钢筋混凝土。对于尺寸问题，则横向尺寸小，纵向尺寸大。计算理论方面考虑弹簧地基，方法采用分层法。在进行纵向分析计算时，一个重要步骤即模拟接头。为了保证的结果的准确性，已经不能在按之前的将接头认为铰接或者刚接。与一般的隧道相比较，沉管隧道存在特殊性。其一是沉管隧道的修建地点一般是软弱地层，所以要对地震发生时产生沙土液化问题，从而造成不均匀沉降等问题;其二是上覆土层对于隧道的约束力非常小，这是由上覆土层的厚度非常薄所导致的;其三为由于地下水的存在和沉管隧道的重要性决定的。如果隧道破坏后果十分严重;其四是对于破坏后隧道的修复十分困难。

管节制作材料变化、横截面尺寸改变与总箱长度变化、截面形状的改变;适用范围大;施工工期长;结构等因素对环境的影响和扰动大;力学性质复杂;施工难度大等是沉管隧道的施工特点。对于沉管隧道基础的处理方式依据有抗震要求、水文地质条件、设计资料、施工设备供应条件、工期和经费情况、实际的试验情况、施工方案等。为了保证浮运沉放和使用寿命，要重视管节预制这一重要的施工缓解。其次管节沉放对于整个施工过程的重要性也不言而喻。因影响管节沉放的复杂因素太多，所以需要在沉放过程中进行检测，以保证管节沉放作业的顺利进行。

4   明挖法

在有支护或无支护的情况下，需将上覆土或岩体挖除形成沟槽或基坑。然后建造主体结构和衬砌工程，按此种方法施工的隧道为明挖隧道。该施工方法称为明挖法。悬臂围护基坑、围护结构支撑基坑、放坡基坑等明挖基坑可按围护方式的不用分此三种类型。运用地基反力、极限平衡、杆系的有限元等方法设计基坑支护时，对支护结构施加外力后，对于影响结果正确性的主要原因是由土压力的理论决定的。对于荷载的结构模型而言，承载主题为基坑支护，外部的约束分为地层引起的荷载以及支护结构，内力与变形可由结构力学求解得知。有内支撑体系、基坑变形控制、围护结构、基坑稳定性等几种设计方法。

施工速度快、技术和理论成熟、施工范围大、造价低是明挖法施工的技术特点，该方法是我国早期大量使用的隧道施工方法。基坑和边坡支护、土方开挖、防水工程、主体结构等是主要步骤。围护结构和支撑体系施工是明挖法的两大关键技术。围护结构技术有锚索支护、土钉支护、水泥搅拌桩、地下连续墙、旋喷桩、灌注桩、双排桩等。基坑支护有内支撑系统与外支撑系统。内支撑系统有围檩、立柱、内支撑等。外支撑系统有锚杆、锚索等。

5  TBM隧道修建技术

TBM即岩石隧道掘进机。该机器的制造一般有刀具和刀盘、大直径多功能岩石隧道掘进机、小型岩石隧道掘进机等。有双护盾、敞开式、单护盾三种类型。岩石隧道掘进机的特点有运距长掘进量大等特点。要求岩石隧道掘进机与良好的出渣系统配合使用。对于隧道和隧洞的掘进技术，岩石隧道掘进机的测量系统扮演着十分重要的角色。此外，管片拼接、岩石隧道掘进机与衬砌掘进同步、复合衬砌施工等技术也十分先进。

6  结语

本文主要介绍了隧道施工的理论与技术。包括矿山法与新奥法、盾构法、沉管法、明挖法、TBM隧道修建技术。介绍了矿山法与新奥法理论的发展过程、计算模型、常用仪器、施工原则;总结了盾构法的施工步骤、盾构设计的影响因素、施工特点、施工的重点和难点技术、不良地质的专项施工方案;说明了沉管法的理论计算、适用的修建地点、沉管隧道的特殊性、施工特点、管节预制、管节沉放;归纳了明挖法的明挖基坑、基坑支护的设计方法、施工特点、施工步骤、围护结构、支撑体系施工;概括了TBM隧道修建技术的制造类型、施工特点、施工条件等。虽然我国的隧道施工理论与技术已非常成熟，但我们仍然有很长的路要走。

参考文献：

[1]钱七虎.隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向[J].隧道建设，2017，37（03）：251-263.

[2]刘聪，李术才，周宗青，等.复杂地层超大断面隧道施工围岩力学特征模型试验[J].岩土力学，2018，39（09）：3495-3504.

[3]徐钟.复杂岩溶隧道涌突水演化機理及灾害综合防治研究[D].成都理工大学，2018.

[4]张俊家，冷先伦，盛谦，等.自动化监测技术在隧道施工安全预警中的应用[J].公路工程，2019，44（02）：14-18，68.

[5]肖洋，何宇，李富明.穿越褶皱隧道施工地质灾害与致灾构造及其预报研究[J].现代隧道技术，2018，55（S2）：612-618.

[6]李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014，33（06）：1090-1113.

[7]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设，2015，35（02）：95-107.

[8]赵勇，田四明，孙毅.中国高速铁路隧道的发展及规划[J].隧道建设，2017，37（01）：11-17.

[9]张顶立.隧道及地下工程的基本问题及其研究进展[J].力学学报，2017，49（01）：3-21.

[10]梁荣柱，夏唐代，林存刚，等.盾构推进引起地表变形及深层土体水平位移分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34（03）：583-593.