1、隧道建设设计与施工摘 要：随着社会经济的飞速发展，交通状况变得越来越重要。由于一些特殊地区的地理结构，为了缓解城市间、地区间的交通压力，便于两地人员和货物的往来，在城市和海洋底部设计建造了隧道。隧道的建设缓解交通压力，加速货物的运输，不影响生态环境，是一种利民利国的交通运输方案。随着我国改革开放步伐的快速推进，工程技术的不断发展，中国的隧道建设很快就会驶入快车道，它将给日益繁荣的国民经济建设注入新的活力。海底隧道正以一种独特的形式在新型的市场上崛起。但是海底隧道在施工中，总会遇到一些问题，特别是水压和最小岩层问题，这些问题的出现，将会影响海底隧道工程的顺利进行。要想保证海底隧道工程顺利进行，对
2、海底隧道工程设计施工技术进行相应的分析是必不可少的。 关键词：隧道；海底隧道；设计与施工 中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号： 隧道工程设计与施工技术应用发展 隧道工程的发展 隧道工程根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。山岭隧道技术在我国已经发展迅猛，像广东的白云山隧道工程、青藏铁路关角铁路隧道工程、京广铁路衡韶段大瑶山双线隧道等。水下隧道在我国发展还不是很快，但应却达到了世界先进水平，像厦门翔安海底隧道、香港海底隧道、大连湾海底隧道工程、胶州湾隧道工程。我国是一个临海大国，海岸线长达 3.2 万多公里，较大海湾有 150 个，岛屿众多，有三大海峡（琼州海峡、渤
3、海海峡和台湾海峡） 。因此，修建海底隧道加快我国沿海地区经济发展非常必要。 2隧道工程的施工方法 目前，海底隧道的施工方法主要有两种。 一种是采用盾构作为施工机具的隧道施工方法。现在较常用的盾构为组合盾构, 盾构与 TBM 技术，其特点是自身能前进,不需要以衬砌环作后座,不用支配式的衬砌管片,可以用现浇的钢筋混凝土衬砌。1825 年在伦敦泰晤士河水下隧道首先试用盾构，并获得成功。此后，松软地质多采用盾构法开挖。盾构是一种圆形钢结构开挖机械，其前端为切口环，中间为支撑环，后端为盾尾。开挖时，切口环首先切入地层并能掩护工人安全地工作;支撑环是承受荷载的主要部分,其中安设多台推进盾构的千斤顶及其他机
4、械；盾尾随着上述两部分前进，保护工人安装铸铁管片或钢筋混凝土管片。盾构法适用于松软地层，施工安全，对地层扰动少，控制围岩周边准确，极少超挖。日本丹那铁路隧道曾采用盾构法施工。在海底的地面以下，采用钻机在海床上钻洞，英吉利海峡的海底隧道和日本的青函隧道就用这种施工方法建成的。 另一种是管道沉埋法，就是将预制好的钢筋水泥管道敷设于海底，用特制的钢架将其固定在海床上，在外部用混凝土封上接头处，将内部海水抽干，然后在内部做好加固衬里，我国香港与九龙之间的海底隧道就是采用此种方法施工建成的。 自 20 世纪 60 年代以来，隧道机械化施工水平有很大提高。全断面液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道施
5、工。喷锚技术的发展和新奥法的应用为隧道工程开辟了新的途径。掘进机的采用彻底改变了隧道开挖的钻爆方式。盾构构造不断完善，已成为松软、含水地层修建隧道最有效的工具。 3隧道工程施工设计与工艺 道路隧道的建设过程主要为隧道规划、勘测、设计、贯通控制测量和施工等工作。 3.1 隧道勘测为确定隧道位置、施工方法和支护、衬砌类型等技术方案，对隧道地处范围内的地形、地质状况，以及对地下水的分布和水量等水文情况要进行勘测。在隧道勘测和开挖过程中，须了解围岩的类别。围岩是隧道开挖后对隧道稳定性有影响的周边岩体。 3.2 隧道设计包括隧道选线、纵断面设计、横断面设计、辅助坑道设计等。 选线根据线路标准、地形、地质
6、等条件选定隧道位置和长度。选线应作多种方案的比较。长隧道要考虑辅助坑道和运营通风的设置。洞口位置的选择要依据地质情况。考虑边坡和仰坡的稳定，避免塌方。 3.3 隧道贯通控制测量隧道测量是为了保证测量的中线和高程在隧道贯通面处的偏差不超出规定的限值。 3.4 隧道的施工全断面开挖法和分部开挖法是钻爆法开挖常用的方法，但隧道施工很复杂，时常遇到各种困难情况，如大断层、流沙、膨胀地层、溶洞、大量涌水等，尚需采取相应措施。 隧道衬砌隧道开挖后，为使围岩稳定，确保运营安全，需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构，这种隧道支护结构称为隧道衬砌。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单
7、喷混凝土、复合式衬砌。在岩石地层中采用全断面开挖及喷混凝土衬砌，其质量好坏首先取决于光面爆破。运用新奥法原理，考虑围岩自身承载能力，可在坑道爆破后尽早采用单喷或喷锚作初期支护，随即连续量测位移，判定围岩基本稳定时间，再进行二次支护，这样可以建成较经济的衬砌结构。 隧道工程设计与施工技术研究 1 .施工准备期的技术准备 1.1 施工环境的勘测 在海底隧道工程的设计施工前，应对相应的地质、水文进行勘测和研究特别是海床地质勘测信息和相应的技术数据报告。只有根据这些可行性的报告和实际状况，通过地震测试法对海底岩层进行分析、研究找出不良缺陷和基岩界限，通过声纳法探测海底地形沉积物，分析其厚度对水文地形地
8、质进行综合预测。 1.2 施工材料设备和方案的准备 1.2.1 施工中地质的监测 在隧道施工中，对相应的地质进行监测预报能够保证海底隧道工程进行的顺利，是一种补充勘察的手段。对不良地质的预报分析，可以对服务隧道进行调整和修正。因此施工中的地质监测是海底隧道预测和控制的重要手段。 1.2.2 要做好对最小岩层和厚度的综合分析 在海底隧道中，对最小覆盖层的厚度进行预测是有必要的，在隧道设计中一旦选定了隧道设计路线方案，就需要对岩石覆盖的厚度进行相应的分析，毕竟海底隧道的剖面设计是以岩石覆盖层厚度为依据的。当岩石覆盖层比较薄的时候，海底隧道的施工面就可能失去稳定性，甚至会出现海水涌入危险。虽然很多时
9、候可以用其他的方法进行弥补，但是会增加隧道施工工程成本；当覆盖层过厚的时候，就会衬砌结构上的水压力带来一定的影响，会使其水压增大。水压增大，海底隧道的长度也会随之变大，同时也会增加海底隧道施工工程成本。对于覆盖层厚度而言，其是没有技术限度的，不管最小岩石的覆盖厚度薄，还是厚，都不会影响海底隧道的修复工作，但其却要用开挖支护技术或是投入较高的费用才能修复；要想确定合适的覆盖层厚度，可以根据流入水量进行相应的预测。当最小岩层的厚度下面，流入水量增加的时候，最小岩石覆盖厚度就会达到一个极限，这时这种最小岩石覆盖厚度是海底隧道工程设计施工技术中首选。 1.2.3 对水压力值进行分析 在海底隧道中，不仅
10、要考虑最小岩石覆盖厚度，也要考虑海水的压力。最小岩石覆盖层的荷载可能会被地层的拱现象降低，但是水压力荷载并不受地层拱压的影响。因此，在海底隧道施工设计中，海水水压值的大小与对隧道衬砌结构设计是有一定影响的。其不仅与相应的水源有一定关系，与排水方式也是有一定关系的。为了防止水源进入隧道，可以对相应的防水方式和排水方式进行相应分析，并从中选取最优方案。在采用全堵水方式的时候，衬砌背后的水压力是不能减少的，采用附加法，水压也不会减少；在采用排导系统进行排水的时候，可以相应的降低水压力，但是必须保证其在排水的过程中没有盲管堵塞。一旦有盲管堵塞，即使有出水孔，也是没有作用的，但是这种排水系统是可以进行修
11、复的。可见。排水系统在海底隧道施工中是有一定作用。在排水的时候，围岩的渗透系数与衬砌上的水压力是有一定关系的。同种排水系统参数下，围岩渗透系数越小，衬砌上的水压力也会随之降低。 1.2.4 对衬砌面和防排水进行设计 在对衬砌面和防排水进行设计的时候，要考虑海水的深度及最小岩石覆盖厚度，并以此为依据采取全封堵方案或是排导方案。在采取全封堵方案的时候，水压力对衬砌结构是有一定影响的，要想选择这种方案，就要考虑其成本问题，最好是选择一种隧道结构受力和开挖面积较小的断面形式；在选择排导方案的时候，需要对注浆加固圈和渗透系数的大小进行相应的分析，毕竟注浆加固圈和渗透系数的大小与水压力的大小是有关系的。当
12、这种设计无法满足相应需求的时候，注浆加固圈就会失去原有的稳定性，其排放量也不能得到有效的控制，甚至会给隧道带来一定的安全隐患。在这种情况下，可以采取限量排水方式，对加固圈的厚度及相应的渗透系数进行相应的分析，并在此基础上确定出合理的加固范围。在采用限排方案的时候，最好对隧道周围的注浆效果及注浆加固圈的厚度进行相应的研究，以便更好的进行海底隧道工程设计施工技术的顺利进行。 2 .施工实施阶段技术要点 2.1 开挖 2.1.1TBM 刀具的破岩机理。 滚刀在刀盘上以一定的刀间距分布,掘进时刀盘在驱动装置的带动下匀速旋转,同时启动推进油缸使滚刀以一定的力作用在开挖面的岩面上。滚刀随刀盘的旋转在岩石摩
13、擦作用下在开挖面滚动,当滚刀作用在岩石上的压力大于岩石的强度时,岩石被破坏剥落。岩石在滚刀正应力破坏的同时刀刃沿部分的岩石在应变时产生龟裂,刀盘进一步顶压,使得滚刀更加深入岩层,从而在岩层表面部分产生张力,导致龟裂向更深更远处进一步的增加,使相邻刀具作用轨迹之间的岩石剥落,从而实现 TBM 的开挖掘进。2.1.2 盾构的工作原理 现在较常用的盾构为组合盾构, 盾构与 TBM 技术，其特点是自身能前进,不需要以衬砌环作后座,不用支配式的衬砌管片,可以用现浇的钢筋混凝土衬砌。它吸取了自进和任意组合灵活性好的优点,克服了体积大、推进较难等缺点。它的工作原理是:滑动护板宽约(坑道的横向)0.8 m1.
14、2m,长约(坑道的纵向)7m,与护板座组合成基本单元体,护板与护板座只能前后伸缩滑动,根据坑道的形状和大小的需要沿着坑道边界布置,护板座连成一个整体,组成为滑动护板自进盾构体。它是通过每个滑动护板逐个前进而向前推进,当全部护板前进完毕后,再将护板座拉向前进,至此使整个滑动护板盾构体前进一个进程。在它的保护下前部可以挖土并将土运走,而掘进后的尾部空间,此时滑动护板的尾部又是一个外模板,可以在它的保护下绑扎钢筋、立内模和端模并浇筑混凝土。机械掘进速度快、质量好,但成本高,对操作人员及地质条件要求高,其发展前景广泛;目前在我国隧道施工中钻爆法仍占主导地位。 隧道施工的发展 现代高度竞争的地下采矿与隧
15、道工程要求成本集约，安全开凿与岩石加固等程序步骤。采矿的机器设备必须安全可靠，并紧密跟随工业持续提高的生产力与飞速发展的经济步伐。掘进机开挖法正在不断研究改进，并生产出各种新机械,其应用有广阔前景。液压凿岩机不断更新完善,使隧道开挖进度大大提高。光电测量仪器和激光导向设备的使用，使长隧道施工精确程度有所提高。目前，航空勘测、遥感技术、物探技术、岩层中应力应变的量测技术、电子计算机技术等的广泛应用，使隧道勘测设计技术水平也有很大提高。精确爆破技术，水平钻探技术和预灌浆技术的不断提高，有可能提高隧道开挖过程的安全性，并能保证隧道工程的质量。 随着隧道交通业的发展,建设规模越来越大。隧道规模越大技术也相应复杂，因此对隧道建设的技术水平要求也相对较高。根据隧道的结构特点和运营、养护的要求,隧道的各分部工程中,洞身开挖、支护、防排水、衬砌新设备、新材料、新工艺、新技术研究及应用，隧道监控量测技术研究及配套技术研究；宜列为主要工程,对其质量应严格控制,以确保隧道的运营安全与结构性能和使用寿命。 参考文献： 1.王梦恕 中国隧道及地下工程修建技术 2.关宝树 隧道施工要点集(第二版) 3.陈海波科学时代?综合版 2007 年第 9 期 -走近海底隧道
