国外高速铁路隧道施工技术

国外高速铁路隧道施工简介铁科院(北京）工程咨询有限公司2005年2月国外高速铁路隧道施工简介意大利佛罗伦萨—博洛尼亚高速铁路隧道--投资27亿美元，全长78km约94%穿越亚平宁山脉。1997年9月总长71.5km（9座）的双线隧道正式开工，其开挖断面为135m2。采用方法有：钻爆法、装有剥离破碎装置或液压锤的机械开挖，1.5km用明挖。最长18561m。--“ADECO”设计理念针对沿线地层复杂多变，部分地段存在高应力、大变形的挤压岩层，地质条件较差的情况。类似我国“动态设计、信息化施工”的概念。基本程序是通过大量地质勘查和土工试验，经计算具体分析，预测隧道开挖后岩体变形收敛情况及稳定状况，针对不同的情况，采取有针对性支护方式及结构设计参数，进行预设计。施工中加强监控量测及预测预报，将信息及时反馈给设计者，对预设计安全度进行评估，必要时及时调整设计参数，指导施工。处理困难的岩土应力-应变情况证明是有价值的。意大利佛罗伦萨—博洛尼亚高速铁路隧道--新奥法原理贯彻特别强调软弱围岩地段隧道开挖后，及时对开挖断面周边径向进行支护。二次衬砌紧跟、仰拱超前施作等措施对软弱围岩施工具有较强的指导意义。大断面软弱围岩开挖支护，初期支护变形20~30mm，初期支护厚度最大达550mm，对我国高速铁路隧道大断面隧道设计参数的确定有一定参考价值。意大利佛罗伦萨—博洛尼亚高速铁路隧道--超前支护措施针对不同的地质情况，采取超前锚杆、全断面帷幕注浆等支护措施。玻璃纤维锚杆，在国内运用较少，其超前支护长度达24m，目前国内使用大管棚超前支护措施，施工进度较慢。--密集隧道群总体施工组织根据该段隧道工程的特点、造价及工期（5年）要求，采用钻爆法、装有剥离破碎装置或液压锤的机械开挖进行施工，共修建总长19km辅助坑道和100km施工便道，开辟40个工作面进行施工，隧道平均掘进速度36m/d。马德里—巴塞罗那高速铁路线上的隧道工程--最高行使速度350km/h--采用两种断面形式：长大隧道断面面积74m2，短隧道（≤1000m）断面面积109m2。短隧道扩大的净空面积用于降低列车在通过隧道时进洞期间和两列列车在隧道内会车时的空气动力学效应。马德里—巴塞罗那高速铁路线上的隧道工程--在隧道施工方面在大断面隧道施工中，埋深较浅的覆盖层，采用分部形式的土层挖掘机，这样对周围岩体的扰动较小，其初期支护采用钢拱架，反填贝尔纳板，然后施作5cm厚喷混凝土。在岩层较好的地层施工时，采用钻爆法。在断面隧道施工中，先用小直径的TBM（4m直径）法在拱顶作超前导坑掘进后，再进行扩挖，这在我国未试验过。当隧道通过地层较差的围岩地段时，使用喷混凝土导坑先行的方式（台阶法，我国经常使用）。在隧道支护方面，围岩较差，隧道周边变形大的地段，初期支护一般采用钢拱架、贝尔纳板及喷混凝土支护形式。德国科隆—莱茵/美因高速客运线隧道工程--线路长219km，设计时速300km/h，隧道47km（30座），24座采用矿山法施工。--Ferthal隧道全长1526m，在一座圆形垃圾场通过，覆土层厚约35m，采用能很好控制下沉的侧壁导坑法施工，侧壁导坑开挖后就对整个断面的仰拱进行封闭，与我国目前采用的中部预留核心土的侧壁导坑法有明显的区别。德国科隆—莱茵/美因高速客运线隧道工程--Dernbach隧道全长3285m，埋深相当浅，分两个矿山法施工段。北段隧道在叶岩断裂带区段设置了半圆形临时仰拱，并采用了钢钎作为超前支护，这与目前我国隧道过断裂带常用的拱部小导管注浆加固作为超前支护基本相同。隧道在穿越3号联邦高速公路时采用侧壁导坑法施工引起高速公路路堤下沉量达25cm，需对路面进行修复。开挖作业再加上含水量高和高达13m弃土的填方荷载引起了下沉（采用钻孔注浆支护，是否可用拱部大管棚）。德国科隆—莱茵/美因高速客运线隧道工程--Schulwald隧道全长4500m，是本线最长的隧道。由于千枚岩地层岩石分界面特别光滑，遇水容易破碎，为此，在开挖面上设置一条长约30米的排水钻孔，采取预先降低地下水位的措施。隧道采用超前顶部导洞小断面、台阶法施工。对于水量较大的隧道采用超前小导洞作为排水导洞不失为一种好方法。⑤①②③④①：核心土支撑超前上导坑②+③：左右拱顶部开挖④：台阶开挖⑤：底拱开挖地质测绘·事先地质勘查·开挖面测绘·特性值确定·推算统计计算书用于设计和施工·统计证明·参数研究·评估地质测量·变形测量·应力测量·水位测量解释经验开挖等级确定德国科隆—莱茵/美因高速客运线隧道工程--万德斯曼北隧道两个单线隧道，覆土5.5~20m，穿越粘土层，局部有水，采用具有中央平台的敞胸平台盾构施工。采用臂式挖掘机挖土、装渣机出土的开挖方式。为浅埋、软弱地层隧道的设计和施工提供了借鉴。盾构机外径11m，管片采用5+1的分块方式（底块作封闭块，衬砌1.2m宽）隧道设计为两层衬砌，内层衬砌内径9.7m，用防水混凝土做成不透水的结构，接头处设置止水橡胶带（我国用遇水膨胀止水条）。德国科隆—莱茵/美因高速客运线隧道工程--尼登豪森隧道开挖断面160m2，拱部（80m2）、台阶和底部开挖，采用弱爆破法。在掘进中湿喷5cm厚的混凝土，安设锚杆系统，沿周边每2m进尺循环施作14~15根锚杆，再喷15cm厚喷混凝土。在石英岩中每次进尺增加到2.7m。隧道施工不分昼夜，每星期工作7天。当覆盖层增至98m时，隧道需设具有仰拱的内层衬砌。在水压高的情况下需设强劲的仰拱。在下钻A3公路段，因覆土很薄，采用侧洞法并辅以大管棚施工。英法海峡隧道工程----长49km连接英国和法国的英法海峡隧道工程由三条隧道组成，于1987年2月开始动工，1993年6月对外运营开放。在整个隧道长度的走向中，直径4.8m的服务隧道居中，直径7.8m铁路隧道位于两侧。建成后的铁路隧道主要用于装载乘客、汽车、特快列车和货运慢车运行。----总计长度147km的隧道，主要由11台具有高度自动化和ZED激光导向特点的盾构掘进机担任掘进施工。盾构掘进机后辅助设备车架长数百米，盾构掘进机昼夜不停地连续施工，推进速率达到1400m／月。当英法海峡隧道施工完成后，大多数盾构掘进机的施工距离都超过世界上已有的其它多数盾构掘进机设计施工的三倍多。隧道断面超前钻探----在制定英法海峡隧道设计和施工方案中，提出一个重要建议是利用服务隧道对前方渗透度很高的不稳定地层或地带进行超前钻探，以期掌握服务隧道前方的地层规律。服务隧道进行钻探，在开挖工作面前经常保持至少20m的地层探查，钻孔深达100m。勘探钻机在工作面稍稍偏上部位钻入，垂直地向下来找出泥灰质粘土层的位置，并向侧面达到铁路运行主隧道的位置。一旦查明确定是一个不稳定的高渗透性地带，在盾构掘进机到达通过前使用速凝水泥浆进行注浆加固处理。----隧道总长近50km,其中38km位于海底以下，因此，作了超前探测，以确定潜在的大量涌水地段的位置。探测孔直径56mm，钻孔长度有时接近240m，定期监测涌水、渗透率以及钻探冲洗返回物．即冲洗水和岩屑的性质。超前钻探----除在隧道内进行探测工作外，岩土工程师还承担了对暴露出的工作面与侧墙地段（位于工作面后16m处）的一般地质描述分析工作。对于危险程度高的地段，如在超前的服务隧道中已出现过问题的地段，应予以特别注意。施工高峰期间有30个岩土工程技术人员参加地面和地下监测仪器的安装与监测工作，以及工作面的正规地质描绘（作了几千份记录）。探测钻进总长约32km，建立了计算机数据库，广泛使用了计算机成图、赤平投影图以预测岩土状况。服务隧道超前探测作用服务隧道在英法海峡隧道工程中起着超前导洞的作用。在盾构掘进机里面，实施掘进钻探和对地层特性进行量测，并记录地质条件情况。同时也在盾构掘进机后面进行调查研究，以查明位于上部的蓝色白垩地层和位于下部的泥灰质粘土层等地质情况显示渗透率、涌水量与钻屑返回物的典型超前探测图将切割下来的岩屑试样在现场作显微古生物学分析，以确定隧道所处的地层层位。在英国一侧，探测工作占盾构掘进机停机时间的7％。几乎海峡的整个宽度都进行了上述的探测。服务隧道向铁路隧道拱部作侧向探测这种侧向探测的频率取决于对潜在问题重视的程度。特别要注意在直接邻近服务隧道已经发现涌水量增大和岩土条件恶化的那些地段，探测间距应密集些。通常作取芯钻探井作压水透水性试验，以验证岩石质量与涌水量。在海底波线洞室施工开始之前，对其拱顶部位也进行了类似的侧向探测。贯通监测情况1989年12月1日，英法海底服务隧道在里程41596m处最终贯通，从英国一侧开挖算起历时3年，距离21773m．TBM在英法海峡隧道工程中取得惊世成就英法海峡隧道采用TBM施工法进行长距离、大断面机械开挖施工成效显著。特别是TBM机型的确定，TBM技术创新与进步，新型掘进机的技术性能和功能特征以及TBM后车架配套设备优化等技术环节起到了非常重要作用，其有效性也得到了证实。(1）采用TBM掘进大断面隧道长度达18532m(8号TBM）创世界之最；(2）最大月进尺达1487m(9号TBM）创长大海底铁路隧道施工掘进最好成绩之一；TBM在英法海峡隧道工程中取得惊世成就(3）在长大的海峡隧道中TBM时间利用率提高到90%，整个系统的时间利用达到了60%的最好成绩，也是最新纪录；(4）建造海底长大铁路隧道采用混合机型TBM崭新技术的施工还属首创；(5）由于最初的基本技术的应用得到了极大的变革，已与复杂地质条件下施工相适用，TBM的适用性、可靠性和先进性在工程实践中作用也得到证实。丹麦斯多贝尔特大海峡隧道工程丹麦境内连接菲英岛与西兰岛、丹麦首都哥本哈根之间交通的斯多贝尔特大海峡连接工程，是丹麦建筑史上最大的土木工程，也是当前世界三大隧道工程之一。该工程对隧道事业的建设和发展具有很大的影响，有助于丹麦将公路、铁路交通网贯通全国，将来也有助于交通网连接丹麦、瑞典和欧洲大陆。斯多贝尔特越海工程是连接东、西丹麦（西兰岛和菲莫岛）的一条由桥梁和隧道组合而成的通道。在斯多贝尔特大海峡的中间有一个斯普罗的小岛，该岛将海峡分成东、西两部分。连通菲英岛和斯普罗的通道是一座铁路／公路两用桥；连通西兰岛和斯普罗岛的通道是由一座公路桥和两条铁路隧道组合而成。斯多贝尔特大海峡通道的全长为18km，其中隧道长度为7．9km。与英法海峡隧道相似。设计要点(1）隧道的竖向曲率半径和平面曲率半径按列车运行速度160km/h的指标设计。(2）隧道使用寿命100年；(3）坡度≤1．56％；(4）隧道最浅覆土15m（位于泥灰岩层）；(5）为确保隧道是在未受过扰动的地层中掘进，相邻两条隧道的中心间距为25m；(6）在铁轨旁设有紧急人行道；(7）相邻隧道旁通道的最大间距为250m；(8）设置25kV的悬垂式电缆；(9）隧道中设有排水系统、灭火系统、动力供给、灯光、隧道通风、电气设备的通风和冷却、监控系统（空气污染、可视度、温度和湿度等）和通讯系统。隧道内径7．7m、外径8．5m，管片厚度0.4m铁路运行隧道和旁通道断面隧道防腐设计1．地下水氯化物影响严重地层中的碳化作用、细菌、硫酸盐侵蚀、(衬砌表面水泥的）集料的碱化反应、地层里偶然出现的间层和感应电流的侵蚀等，都是潜在的腐蚀因素。而氯化物对钢筋的腐蚀，对大海峡隧道衬砌是一个最严重的风险。可选用的方法是增加钢筋保护层和混凝土施工掺合料，同时用镀锌和不锈钢钢筋以及阴极保护。阴极保护的现行技术还不能充分确保数千米长的隧道衬砌，反而会造成钢筋骨架分离。因而，用于阴极保护的设备装置还须进一步研制。隧道防腐设计2．钢筋上涂环氧粘合料对衬砌的两个保护系统进行了测试，发现大多数有效的防腐方法，是在管片的背面应用涂膜和使用涂在钢筋上的环氧粘合料(BECR)。在受控状态下，钢筋施受涂膜，并埋置在混凝土里。钢筋施受涂膜在隧道施工中具有不易损坏的优点，而管片上的涂膜易遭损坏。基于最初调查研究的结论，招投标设计中已将两种方法作为比较方案。比较的结果是,采用在钢筋上涂膜的方案成本低，受益率高。富有成功经验的丹麦MT财团