文档介绍：高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择
1 引言
    对于一座隧道来说,一般有各种不同的、可能都适用的施工方法可供选择,这取决于许多变化的因素,包括地质一土工一岩石力学一水文地质等条件,所要开挖的岩体和土体的特性,设计时所能掌握的地下开挖技术等等。但是,所有的施工方法原则上都可归类为2 种主要方法中的一种,即传统施工方法和机械施工方法。对于大埋深、长隧道施工,越来越倾向于优先采用机械施工方法,其目的的主要在于缩短工期。
    尽管机械施工方法是一种现代化的先进技术,但它并不是一种无风险的方法。遇到不同于设计预测的地质和水文地质条件,或者施工机械本身的性能不理想,或者仅仅是实现的地屋一机械系统性能偏离理论的情况,都将导致产生一系列的问题和风险。如果不进行适当管理,这对于隧道工程来说常常是灾难性的。
    在世界各地,主要是在发达国家已经修建了许多特长的交通隧道,从中获得的共同经验表明,高速铁路隧道的施工,特别是大埋深、长隧道的施工一般具有很高的风险性。这类隧道工程的成功很大程度上取决于勘察的水平和正确施工技术的选择。从风险管理的角度出发,笔者强列地认为,正确选择一座隧道的施工方法是“首要的风险减轻措施”,或者“首要的对策”或者简
单地说,是对所识别的主要风险的第一反应。因此关键的问题是,如何针对一座隧道做出正确的选择。
    本文简要回顾最近的欧洲重大高速铁路隧道工程实例、以及近年来所掌握的属于两种主要施工方法(机械施工方法和传统施工方法)的开挖技术(注重其优缺点),并在风险分析和多重标准分析原理的基础上建议采用一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法。本文以里昂- 都灵高速铁路连接线工程为例,并连同其他经验来阐述所建议的方法。里昂- 都灵高速铁路连接线工程的所有进入隧道目前已开始施工,整个工程的参考设计方案(即所谓的APR-PD 设计包)已经完成并提交意大利和法国政府审批。
    2 适用施工方法的回顾
    隧道施工方法可分为两大类:机械方法(使用TBM 开挖地层)和传统方法(使用炸药或机械工具开挖地层)。下面总结这2 种方法的突出特征。
    机械方法的主要特征
    长大、深埋隧道主要设计修建于岩石中。在岩层中运用的机械施工方法包括2 种类型的隧道掘进机(TBM)。第一种是开敞式TBM,它通过纵向千斤顶作用在坚硬的支撑框架上向前推进, 而支撑框架则由一组或两组在洞径方向相对伸展的撑靴顶推在已开挖隧道的断面上来稳住。第二种是护盾式TBM,在盾壳本身
(后面部分)的保护下安设管片,刀头前进所需的接触压力通过纵向顶住已安装的管片衬砌而获得。
    护盾式TBM 有2 种类型: 即单护盾TBM 和双护盾TBM。与没有护盾的TBM 类似,双护盾TBM 具有建造在此后盾壳内的撑靴,因此它有双顶推系统,可以提供连续作业循环的可能性。特别是通过双顶推系统,TBM 可以在不顶住预制管片衬砌的情况下而向前移动,这样就可以在TBM 向前掘进的同时安设管片。另外,如果地质条件许可,双护盾TBM也可以仅仅依靠顶住后面撑紧的盾壳而向前移动,而不需要安设管片。或者反过来,双护盾TBM 可以像单护盾TBM 一样进行工作,即如果围岩条件不能提供有效和足够的支撑,他可仅通过顶压管片而向前移动。
    开敞式TBM 可比同一直径的护盾式TBM 短得多,允许靠近工作面设置支护,如径向锚固。
    在TBM 后面的后配套(也称为后勤系统)中,可以进行其他施工作业。这样的后配套系统或者由TBM 制造商设计,或者由有经验的承包商直接设计,可以跨接永久衬砌的设置区域,特别是在隧道的底部,使得能够将施工材料运到工作面的作业区并为TBM 提供新鲜空气、能源、冷却水等。其它重要的革新在于使用高度机械化和自动化的系统来设置支护及使用专用列车或者连续反带输送系统连续出碴。
    机械方法的主要优点是:
    (1)通过几乎连续和平行的方式进行断面的开挖和支护,实现施工工序的高度工业化,因此采用该方法能使独头掘进的长度有显著增加,减少了工作面的数量。
    (2)可以在离开挖面最短的距离处设置支护,在采用护盾式TBM 的情况中几乎可以在工作面处直接设置支护。
    (3)作为上述优点的直接结果,该方法可能缩短工期、降低费用和提高最终产品,即隧道的质量。
    (4)另一方面的优点是对于工作提供了较高的安全条件。
    对过去10 年机械施工方法所做的持续技术改进极大地扩大了机械方法在岩石隧道工程中的运用范围,进一步提高了掘进效率。事实上,目前使用机械方法掘进9~10m 直径的高速铁路隧道,在一系列无异常地层条件下每天的掘进速率可以达到15~40m,如表1 中所总结的许多实例所示。
    另