讲义 - 大断面隧道设计施工技术（陈寿根） - 图文

大断面隧道设计施工技术

第一部分 概述

近年来,随着我国公路和高速铁路建设的快速发展，大断面大跨度隧道不断涌现。在大断面隧道修建中，如何选择正确的施工方法，以保证工程的安全建设和经济效益是一个非常重要的课题。大断面隧道的跨高比大，导致围岩和衬砌的稳定性变差，必须从各方面包括断面结构设计，超前支护设计、开挖方法和方案，施工技术等方面进行分析研究，提出相应的处理方法。 目前我国已建成不少单洞三、四车道公路隧道，隧道跨度最大达到23m左右，开挖断面面积达到250m2以上，有的地方还提出建设单洞五车道，甚至六车道公路隧道的设想，其隧道断面积将进一步增大。我国铁路隧道断面与公路隧道相比要小得多，大断面铁路隧道主要出现在近年来出现的高速铁路双线隧道中。由于考虑到高速列车在高速通过隧道时产生的强大空气动力学效应，其隧道断面积随着列车速度而加大。例如，350/h客运专线铁路双线隧道净空最大跨度达到12.6m（见图1.1），净空面积（内轨顶面以上面积）达到近120m2，开挖面积达到160m2以上。我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路上的张茅隧道（全长8483米），其最大开挖断面积达164平方米，采用了三台阶七步流水作业法施工。

大断面隧道的最大特征是隧道的力学问题。由于车道数的增加,宽度加大,而高度变化不大,使断面变得扁平。扁平大断面隧道与近圆形断面隧道相比，具有如下主要特征。

z 开挖后的应力重分布变得不利。对于圆形隧道，在弹性介质、静水应力场中，

开挖后周边的最大主应力是初始应力的2倍，当围岩强度小于围岩应力时，隧道周边围岩中将出现塑性区，需要施设支护结构来控制变形。而对扁平的大断面图隧道来说，随着高宽比（高度/宽度）的减少，围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加（见图1.2），与近圆形隧道相比，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定。 z 底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。力学分析结果表明,开挖后

围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时，开挖宽度越大,围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大。底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。

z 拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉

块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。

z 较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越大,在埋深作用不

能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。

z 支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构支护条件不

利，相对承载力变小。

贵广铁路隧道采用了大断面的双线隧道，所穿过地区的地质条件非常复杂，主要有岩溶、富水软弱地层、采空区、岩爆、瓦斯、放射性等不良地质条件。本培训将结合贵广高速铁路的特点，针对大断面隧道的以上力学特点，谈谈大断面隧道设计施工技术和围岩预加固技术。

1

图1.1 350km/h客运专线铁路双线隧道建筑限界和内轮廓

高宽比

图1.2 隧道拱顶弯矩比与高宽比的关系

2

第二部分 贵广铁路隧道分析

2.1工程概况

贵广（贵阳至广州）铁路是西南地区通达华南沿海地区的重要区际铁路通道，跨黔、桂、粤三省区（见图2.1），由位于贵州省贵阳市观山的贵阳北站（DK0+000）引出，经龙里，穿斗篷山至都匀，而后由三都沿都柳江经榕江、从江进入广西壮族自治区，跨融江和焦柳铁路，经柳州市三江，穿天平山隧道经桂林后跨漓江、继续经恭城、钟山、贺州进入广东省境内，再经怀集，跨北江，经肇庆、三水、佛山进入广州枢纽新广州车站（DK829+433.79）。贵广铁路正线长度857.016km，建筑长度832.122km。沿线设贵阳北、贵阳（既有车站）、龙里北、昌明、都匀东、三都、怎冷、榕江、帮土、从江、同乐、三江、上跃、五通、桂林西、灵田、南圩、恭城、两安、钟山西、贺州、贺街、大岭、怀集、广宁、四会、肇庆北、新三水、新佛山、新广州共30个车站，其中客运站3个，中间站16个，越行站11个。

图2.1 贵广铁路示意图

贵广铁路正线设计速度200km/h，预留250km/h。概算总额为897.4亿元，技术经济指标为1.047亿元/正线公里。

行车速度

高速铁路一般是指最高行车速度达到250km/h及以上的新建铁路和最高行车速度200km/h及以上的既有线提速铁路。高速铁路的发展趋势是设计速度350km/h，甚至380km/h。贵广铁路旅客列车设计行车速度为200km/h，预留250km/h条件，属于高

3

速铁路的范畴。

线路长度

表2.1为我国目前已经开工和即将开工建设的以线路长度排名的高速铁路统计表。贵广铁路长857km，全国排名第4。

表2.1 我国高速铁路隧道比例统计表（以线路长度排名）

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

线路长度 隧道座数（km）

京沪 1318 18 哈大 914 8 武广 869 222 贵广 857 221 厦深 502 80 郑武 473 40 郑西 458 38 合武 359 37 温福 298 59 甬台温 282 59 福厦 256 37 石太 190 32 广珠 142 4 合宁 133 2 广深港 103 24 线名

隧道长度

（m） 14376 9694 172152 461683 118377 41154 76879 64076 149423 88115 40406 74904 4172 2005 32016

隧线比（％） 速度目标值

1.1 1.1 19.8 53.9 23.6 8.7 16.8 17.8 50.1 31.2 15.8 39.4 2.9 1.5 31.1

350 350 350 250 250 350 350 250 250 250 250 250 200 250 350

表2.2 我国高速铁路隧道比例统计表（以隧线比排名）

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 隧线比

线路长度 隧道座数（km）

贵广 857 221 温福 298 59 石太 190 32 甬台温 282 59 广深港 103 24 厦深 502 80 武广 869 222 合武 359 37 郑西 458 38 福厦 256 37 郑武 473 40 广珠 142 4 合宁 133 2 京沪 1318 18 哈大 914 8 线名

隧道长度

（m） 461683 149423 74904 88115 32016 118377 172152 64076 76879 40406 41154 4172 2005 14376 9694

隧线比（％） 速度目标值

53.9 50.1 39.4 31.2 31.1 23.6 19.8 17.8 16.8 15.8 8.7 2.9 1.5 1.2 1.1

250 250 250 250 350 250 350 250 350 250 350 200 250 350 350

表2.2为我国目前已经开工和即将开工建设的以隧线比排名的高速铁路统计表。

4

贵广铁路全线共新建隧道221座，总延长466336m，其中：左线拉通共新建隧道215座，总延长461683m，占正线长度的53.9％全国排名第一。

10公里以上隧道 表2.3为我国目前已经开工和即将开工建设的高速铁路中10公里以上隧道统计表。贵广铁路10公里以上隧道有9个。

表2.3 长度大于10km的高速铁路特长隧道

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 隧道断面尺寸

隧道名称 太行山隧道 格老山隧道 岩山隧道 天平山隧道 同马山隧道 宝峰山 大别山隧道 霞浦隧道 大南山隧道 两安 黄岗隧道 南梁隧道 洛香隧道 高青隧道 狮子洋隧道 金寨隧道 大瑶山一号隧道

长度 27839 14598 14480 14000 13929 13850 13256 13099 12701 12620 12245 11526 11232 10953 10800 10766 10081

高速铁路线 石太线 贵广线 贵广线 贵广线 贵广线 贵广线 合武线 温福线 厦深线 贵广线 贵广线 石太线 贵广线 贵广线 广深港线 合武线 武广线

表2.4为我国高速铁路隧道净空有效面积标准。表2.5为国际隧道协会的断面划分标准。贵广铁路最高行车速度为250km/h，为客运专线兼顾双层集装箱运输。隧道

22

断面双线为92m,单线为60m，可见贵广铁路隧道属于大断面隧道。

表2.4 我国高速铁路隧道净空有效面积标准（m2）

序号1 2 3

类别

200km/h 客运专线兼顾货物运输250km/h 高速铁路 300～350km/h 高速铁路

单线 52（53.6）58(60) 70

双线 80(85) 92 100

注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。

5

表2.5 国际隧道协会的断面划分标准

划分 超小断面 小断面 中等断面 大断面 超大断面

净空断面积（m2）

<3 3-10 10-50 50-100 >100

2.2 工程地质条件

地层岩性

贵广铁路隧道所穿越岩层包括：

z 沉积岩：沿线分布震旦系至第四系地层。其中贵阳至三都间、五通至广宁间

为可溶岩与碎屑岩相间分布，局部夹煤线，从江～五通间则为砂页岩相间分布。

z 岩浆岩：恭城～两安间、马宁一带及广宁至四会段分布燕山期花岗岩。 z 变质岩：三都～从江之间为前震旦系板溪群浅变质岩，包括板岩、千枚岩、

片岩、变质砂岩等，各种岩性相间分布。贺州至四会段零星分布古生界浅变质岩。

z 第四系：山坡普遍覆盖厚度不大的坡残积黏性土；沟谷地区普遍分布冲洪积

黏性土，部分为河流阶地砂、卵石层；局部见滑坡堆积土及人工弃土等。 贵广铁路重点隧道见表2.6。各重点隧道穿越地层列于表2.7中。

表2.6 贵广铁路重点隧道一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

隧道名称格老山 同马山 岩山 黄岗 洛香隧道高青 天平山 宝峰山 两安 狮子岭 牛栏界 北岭山

进口里程 DK124+982 DK172+100 DK218+710 D2K253+945.DK278+125. DK293+252. DK366+870. DK477+968. DK526+745. DK599+820 DK614+492 DK738+395

出口里程 DK139+580 DK186+029 DK233+190 D2K266+190.DK289+357. DK304+205. DK380+870. DK491+818. DK539+365. DK609+322 DK623+023 DK746+495

隧道全长 14598 13929 14480 12245 11232 10953 14000 13850 12620 9502 8531 8100

水文地质

z 贵阳至三都段（DK0～DK150），以岩溶水为主，裂隙水次之，主要分布于宽阔

的背斜。

z 三都至五通（近桂林西）段（DK150～DK387），具风化带网状裂隙水特征，由

大气降水的渗入。

z 五通至贺州段（DK387～DK596），裂隙溶洞水占岩溶水分布面积的46 %，富

水性强。

z 贺州至广州段，具岩溶水、松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

6

表2.8为各重点隧道地下水一览表。

表2.7 隧道穿越地层一览表

隧道

穿越地层

名称 格老1 最大埋深600m，下伏为寒武系上统炉山组（?ol）白云岩、灰质白云岩等。

山

同马最大埋深约680m，隧道穿越砂质板岩、绢云母板岩夹凝灰质板岩、变质粉细砂岩2

山 等。

最大埋深约637m，隧道穿越地层为泥质砂岩、含砾泥质砂岩等。洞身段一共发育

3 岩山

有22条断层及5个褶曲构造。

隧道穿越地层为板岩、砾岩、长石石英砂岩等。隧区内主要发育有黄岗背斜、黄岗

4 黄岗

1#、2#断层和岜扒逆断层。

隧道穿越地层岩性为白云岩、长石砂岩、硅质岩、页岩、泥质砂岩夹砂质泥岩等。

5 洛香

区内断层较发育，调查中发现了6条断层。

最大埋深约466m。隧道穿越的主要地层岩性依次为泥质砂岩夹砂质泥岩、石英砂

6 高青

岩夹页岩等。隧道洞身发育4条断层，隧区节理裂隙发育。

天平隧道穿越的地层岩性为砂岩夹页岩、砂岩、长石砂岩夹页岩等。隧道范围内岩层走7

山 向均与线路走向近似平行，局部小角度相交。洞身范围内发育有4条断层。

最大埋深有850m。隧道穿越的主要地层依次为灰岩夹泥质灰岩、砂岩、泥质砂岩

宝峰

夹页岩等。本隧道穿越一穹隆构造（老厂穹隆）。段内发育六条断层，断层破碎带8

山

影响宽度大约为100m。 隧道穿越的地层为花岗岩。洞身范围内发育有三条断层，断层附近岩体差异风化现

9 两安

象严重，可见明显的花岗岩球体（孤石）。

狮子隧道穿越的地层为浅海相砂、页岩等。隧道洞身穿越中小型断层10条，断层走向10

岭 以北东向为主、北西向次之，性质主要为压扭性和张扭性。 牛栏隧道穿越的地层为黑云母花岗岩、石英斑岩、泥质砂岩等。隧道洞身穿越9条断层， 11

界 断层走向以北东向、北西向为主，性质主要为压扭性和张扭性。

北岭隧道穿越的地层为页岩夹变质砂岩、粉砂岩等。隧道洞身穿越10条断裂， 断裂走12

山 向以北东向、北西向为主，性质主要为压扭性和张扭性。 序号

不良地质条件

贵广铁路沿线不良地质主要有岩溶、采空区、危岩落石、有害气体、放射性、岩爆、高地温等。表2.9为各重点隧道不良地质情况一览表。

①岩溶。贵阳至贺州间正线可溶岩地段累计长219.1km，其中，隧道地段长88.5km。贺州至广州间可溶岩地段总长为44.74km，其中隧道地段长3.442km。岩溶对隧道工程的影响主要突水突泥等方面。

②采空区。贵阳至三都间石炭系、二叠系地层含煤线，以小煤窑开采为主，线路经过地区可能存在采空区问题。

③危岩落石。经优化，线路已绕避了主要危石影响地段。但还有48处危石的存在对工程有影响，其中羊甲隧道出口、南圩2号隧道出口两处对工程影响最大。

④有害气体。贵阳～三都共有8座隧道（累计长度约6800m）属于低瓦斯工区，按低瓦斯隧道设计；从江～恭城段共8座隧道（累计长约26km）局部存在穹隆构造气体封闭条件；DK145+000~DK146+200段属于莫家寨隧道开挖有遇到游离态汞挥发份从而可能对人体有害。

⑤放射性。恭城至钟山间DK525+500～DK554+600段侵入岩体内含放射性物质，相关隧道包括龙围隧道、两安隧道和东科岭隧道；格老山隧道、洛香隧道、高青隧道

7

穿过含矿砂页岩地层，局部位置见放射性异常。

⑥花岗岩蚀变风化带。龙围隧道出口端和东科岭隧道进口端穿过花岗岩侵入体周围蚀变风化带。

表2.8 隧道地下水一览表

序号 1 2 3

隧道名称 格老山 同马山 岩山

地下水

地下水主要为岩溶管道水、基岩裂隙水、褶曲及断层富水带中的水。设计时先按

3

水质具弱酸性侵蚀性考虑。最大涌水量为: Q平常=159000m/d。

风化、构造裂隙带网状裂隙水。地下水对混凝土具酸性侵蚀，作用等级为H1。

33

隧道最大涌水量为Q平常==22830m/d，Q雨=41095m/d。

风化、构造裂隙带网状裂隙水。对混凝土具硫酸盐及酸性侵蚀，环境作用等级为

33

H1。隧道最大涌水量： Q平常=23280m/d、Q雨季=46500m/d。

地下水主要为基岩裂隙水。地下水对混凝土具酸性侵蚀，环境作用等级为H1。

4 黄岗 33

最大涌水量：Q平常=24226（m/d），Q雨季=39731（m/d）。

地下水主要为基岩裂隙水，地下水较发育，水量较丰富。建议目前先按H1水化

5 洛香隧道 学侵蚀环境（酸性侵蚀）设计考虑，施工中再根据实际情况做部分调整。隧道最

33

大涌水量为：Q平常=30416（m/d），Q雨季=40000（m/d）。 地下水主要为洞身范围内的基岩裂隙水，裂隙水具有分布不均匀、水量较小的特征，主要由大气降雨补给。其中断层带节理裂隙发育、岩体破碎，有利于地下水

6 高青

的聚集与运移，地下水较发育，水量较丰富。地下水对混凝土具酸性侵蚀，环境

33

作用等级为H1。隧道最大涌水量：Q平常=24760m/d、Q雨季=37140m/d。 地下水以基岩裂隙水为主，洞身基岩裂隙水较为发育。地下水对混凝土具酸性侵

7 天平山

蚀，作用等级为H1。最大涌水量：Q平常=12×104m3/d，Q雨季=18×104m3/d。以孔隙水、基岩裂隙水为主。在节理密集地带或断裂破碎带附近地下水量较大，

8 宝峰山 水量较丰富。地下水对混凝土具酸性侵蚀，化学作用等级为H1。隧道最大涌水

量：Q平常=49396m3/d，Q雨季=76391m3/d

主要为基岩裂隙水，段内地下水贫乏。地下水对混凝土具酸性侵蚀，化学作用等

9 两安

级为H1。最大涌水量：Q平常=45248m3/d，Q雨季=67871m3/d。 主要为基岩裂隙水，部分断层位置地下水发育。隧道进口段地表水和地下水均具

10 狮子岭 3

有酸性侵蚀，化学侵蚀环境等级为H1。最大单位涌水量为25.93m/d.m。 主要为基岩裂隙水，部分断层位置地下水发育。隧道进口段地表水和地下水均具

11 牛栏界

有酸性侵蚀，化学侵蚀环境等级为H1。最大单位涌水量64.13m3/d·m。 主要为基岩裂隙水，部分断层位置地下水发育。隧道进口段地表水和地下水均具

12 北岭山 3

有酸性侵蚀，化学侵蚀环境等级为H1。最大单位涌水量23.46m/d·m。

表2.9 隧道不良地质一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

隧道名称 格老山 同马山 岩山 黄岗 洛香 高青 天平山 宝峰山 两安 狮子岭 牛栏界 北岭山 不良地质条件

岩溶、软质岩变形、岩爆，特殊岩土为进口端红黏土。 断层破碎带、软质岩变形、岩爆。

顺层和断层破碎带及影响带、围岩变形、岩爆、较高地温。 无 无 无 无

岩溶、地温、有害气体、岩爆、软质岩变形、顺层、断层破碎带以及危岩落石。花岗岩全风化层中的花岗岩球体、岩爆、地温以及花岗岩放射性。 人工平硐、岩爆、软岩大变形。 采坑、高地温、岩爆、放射性。

放射性、高地温、岩爆、软岩大变形。

8

2.3 隧道结构设计

洞口设计

表2.10为各重点隧道洞口设计一览表。

表2.10. 隧道洞口设计一览表

序号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

隧道名称 格老山 同马山 岩山 黄岗

洛香隧道 高青 天平山 宝峰山 两安 狮子岭 牛栏界 北岭山

洞口设计

进口采用耳墙式洞门，出口采用斜切式洞门。 进口采用柱式洞门，出口采用耳墙式洞门。 进口采用耳墙式洞门，出口采用台阶式洞门。 进、出口均采用台阶式洞门。

进口采用斜切式洞门，出口采用柱式洞门 进口采用柱式洞门，出口采用斜切式洞门 进口采用台阶式洞门，出口采用明洞门 进、出口均采用斜切式洞门

进口采用耳墙式洞门、出口明洞门 进出口均采用斜切式洞门接明洞 进出口均采用斜切式洞门 进出口均采用斜切式洞门

衬砌支护设计

贵广高速铁路隧道采用复合式衬砌结构。表2.11为各重点隧道衬砌支护结构设计一览表。从表中还可看出，隧道施工中拟采用多种辅助工法，包括：

① 全环型钢钢架或格栅钢架； ② 超前φ42小导管注浆； ③ φ108大管棚加强支护； ④ 拱墙格栅钢架；

⑤ φ25中空锚杆加强支护； ⑥ 超前帷幕注浆，等。 2.3 施工方法选择

贵广高速铁路隧道施工方法选择见表2.12，可看出所采用的方法主要有大拱脚台阶法，台阶法，CRD法，七步流水作业法，弧形导坑法。

9

表2.11 隧道衬砌支护设计一览表

序

隧道名称 号

衬砌支护设计

除出口采用斜切及斜切衬砌外，其余段落均采用复合式衬砌。其中洞口浅埋段采用加强型衬砌。V级围岩段设置全环型钢钢架或格栅钢架及拱部超前φ42小导管加强支护，其中洞口段设置φ108大管棚加强支护；IV级围岩段设置拱墙格栅钢架和拱部φ25中空锚杆加强支护。另外，岩溶发育，对洞身部分岩溶极其发育以及断层破碎带进行帷幕注浆设计，数量按段落长度的50%计。

均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。

衬砌支护设计与同马山隧道相同。另外，本隧DK219+160~DK219+192及DK220+810~DK210+950段下穿寨蒿河，其中DK219+160~DK219+192段拱顶以上埋深仅不足4m，此段先采用φ75钢管桩注浆进行地表加固后再暗挖通过；DK220+810~DK210+950段拱顶以上埋深仅20m，为保证施工期间的安全，此段进行超前帷幕注浆堵水后方可暗挖通过。

衬砌支护设计与同马山隧道相同。另外，洞身D2K261+112~D2K261+173以及D2K261+900~D2K261+960段洞身发育有黄岗2#、3#富水断层，且地表村庄较多，为保证地表村庄生活生产正常用水不受隧道施工影响，本段采用超前帷幕注浆堵水后暗挖通过的措施。

除进口段采用斜切及斜切延伸段衬砌外，其余段落均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。除出口段采用斜切及斜切延伸段衬砌外，其余段落均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。除出口端6m采用明洞衬砌外，其余段落均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。

除进、出口端采用斜切及斜切延伸衬砌外，其余段落均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。除出口端通过花岗岩全风化层采用明洞通过外，其余段落均采用复合式衬砌，其中洞口浅埋和偏压段采用加强型衬砌。V级和IV级围岩段支护设计与格老山相同。

均采用复合式衬砌。V级围岩段设置全环型钢钢架或格栅钢架及拱部超前φ42小导管、超前φ50双层小导管加强、超前φ89管棚支护，其中洞口段设置φ108大管棚加强支护；IV级围岩段设置拱墙格栅钢架、全环型钢钢架和拱部φ25中空锚杆加强支护。

均采用复合式衬砌。V级围岩支护设计与狮子岭隧道相同；IV级围岩段设置拱墙格栅钢架、全环型钢钢架和拱部φ25中空锚杆、超前φ42小导管加强支护。同牛拦界隧道

1 格老山

2 同马山

3 岩山

4 黄岗

5 6 7 8 9

洛香 高青 天平山 宝峰山 两安

10 狮子岭

11 牛栏界 12 北岭山

10

表2.12 隧道施工方法一览表

序

隧道名称 号 1

油竹山

衬砌支护设计

本隧道围岩级别为V、IV、III、II级，施工难度较高，为保证施工安全。除洞口斜切段采用明挖法和V级围岩段采用大拱脚台阶法外，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。除进口段斜切及出口明洞段采用明挖法和V级围岩段采用大拱脚台阶法、CRD法开挖外，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，且进口端位于红黏土层中，施工难度较高，为保证施工安全，进口段DK124+982~DK125+200洞身位于红粘土层中段落采用“七步流水作业法“开挖，出口斜切及斜切延伸段用明挖法开挖，洞身其余V级围岩段采用大拱脚台阶法、CRD法开挖外，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

本隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

本隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD法或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III级，施工难度较高，为保证施工安全。V级围岩段采用CRD法或大拱脚台阶法开挖，其余地段均采用台阶法开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

隧道围岩级别为V、IV、III、II级，施工难度较高，为保证施工安全。洞口明洞段采用明挖法施工，边墙直立开挖面设置φ75钢管桩注浆加固，V级围岩段采用弧形导坑法或大拱脚台阶法开挖，III、IV级围岩段均采用台阶法开挖，II级围岩段全断面开挖，按锚喷构筑法施工，采用光面爆破。

2 斗篷山

3 格老山

4 同马山

5 岩山

6 黄岗

7 洛香

8 高青

9 天平山

10 宝峰山

11 两安

11

第三部分 大断面隧道设计技术

大断面隧道设计包括： z 净空断面形式设计； z 衬砌结构设计； z 辅助坑道设计； z 防排水设计；

z 隧道洞口形式及景观设计； z 防灾救援设计；

z 无咋轨道及隧道内相关设施设计等。 由于时间的关系，为突出重点，本培训只谈谈净空断面形式设计和衬砌结构设计。 3.1 净空断面形式设计

常速铁路隧道断面形式及尺寸主要是根据隧道建筑限界、衬砌结构受力的合理性，并考虑施工与养护维修的方便及工程投资的经济等因素综合确定的。高速铁路隧道与常速铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，产生的空气动力学效应(行车阻力、瞬变压力、微气压波、列车风等)对行车、旅客舒适度、列车相关性能和洞口环境的不利影响十分明显，因此隧道断面的确定除了需考虑常速铁路隧道断面的影响因素外，还必须考虑尽量缓解和消减旅客列车进人隧道时诱发的空气动力学效应的影响。高速隧道断面设计主要应考虑下列因素：

z 隧道建筑限界； z 轨道数量和线间距；

z 缓解空气动力学效应所需的空间； z 需预留的空间,如安全空间、避难和救援空间、养护维修及工程技术作业空间、

其他使用要求所需的空间； z 设备安装空间等。 3.1.1

隧道建筑限界

我国高速铁路隧道建筑限界分为以下三种： z 200km/h客货共线（图3.1）；

z 200km/h及以上客运专线（图3.2）；

z 200km/h客货共线双层集装箱运输（图3.3）。 3.1.2

断面内各空间的配置及衬砌内轮廓

一、净空断面内各种功能空间的配置

考虑到列车一旦在隧道内发生事故，失去动力或无法及时将列车拉出洞外时，车上人员的紧急疏散、逃生和救援将成为非常关键和重要的问题。所以，高速铁路隧道净空断面设计时需要预留各种空间，包括安全空间，救援通道和技术作业空间。

安全空间

安全空间(或称安全区)是为铁路内部员工和特殊情况下养护人员预留的，安全区内包括靠衬砌侧安放施工设施(宽0.3m)或开关柜(宽0.4m、长1.3m)的空间(图3.4)。

安全空间的配置应遵守下列规定：

z 安全空间应设在距线路中线3.Om以外，单线隧道应设在有紧急出口一侧，两

12

图3.1 200km/h客货共线电力牵引铁路KH－200桥隧建筑限界

图3.2 200km/h及以上客运专线铁路建筑限界

图3.3 200km/h客货共线电力牵引铁路双层集装箱运输隧道建筑限界

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座平行单线隧道宜设在相邻侧,双线与多线隧道应在双侧设置； z 安全空间的尺寸：高度不应小于2.2m，宽度不应小于0.8m；

z 安全空间的地面不应低于内轨顶面,地面与接触网设备带电部件间的距离不

应小于3.95m。 救援通道

在隧道内应设置贯通的救援通道，用于自救或外部救援。救援空间的配置应遵守下列规定:

z 隧道内应设置贯通的救援通道(图3.5)；

z 救援通道应设在安全空间一侧，距线路中线不应小于2.3m； z 救援通道走行面不应低于内轨顶面,地表必须平整；

z 设计客车行车速度目标值为200km/h的客货共线铁路隧道救援通道宽度不宜

小于1.25m，设计客车行车速度目标值为250km/h的客运专线隧道救援通道宽度不宜小于1.5m，在装设专业设施处宽度可适当减小，净高不应小于2.2m。 救援通道可部分侵入建筑限界，因为救援通道是在列车停运的情况下才使用的。

技术作业空间

技术作业空间用于安放施工辅助设施，作为预留加强衬砌或安装隔声板等的空间。该空间内允许在有限的长度范围内设置一些设备，如接触导线张力调整器和接触导线以及接头的紧回装置等。技术作业空间沿隧道衬砌内轮廓环向设置，其宽度为0.3m。隧道的施工误差不应占用技术作业空间。

二、我国高速铁路隧道衬砌内轮廓

根据高速铁路隧道建筑限界和隧道内必须配置的各功能空间的要求，结合隧道空气动力学研究有关成果，我国统一制定了200km/h、250km/h、350km/h不同行车速度条件下的隧道衬砌内轮廓,并编制了相应的双线隧道衬砌通用参考图。贵广高速铁路采用250km/h行车速度条件下的隧道衬砌内轮廓。

图3.4

14

图3.5

（一）200km/h铁路隧道衬砌内轮廓

根据开行列车的性质,200km/h铁路隧道衬砌内轮廓,有客货共线铁路单双线隧道衬砌内轮廓和客货共线铁路兼顾双层集装箱运输的单双线隧道衬砌内轮廓两类。

客货共线铁路隧道衬砌内轮廓

客货共线铁路隧道衬砌内轮廓又分单、双线隧道，分别见图3.6、3.7所示。 单线隧道衬砌内轮廓（图3.6）：隧道一侧设置宽125cm的救援通道，另一侧设置宽125cm的水沟、电缆槽，当列车在隧道内停车时其上也可以作为救援通道使用。救援通道底面与内轨顶面齐平。隧道底部结构根据隧道长度和地质条件分别按有碴道床和无碴道床设计。隧道采用曲墙衬砌形式，II级围岩设置钢筋混凝土底板,II级以下围岩设置仰拱。水沟、电缆槽宽度分别为40cm、30cm。

双线隧道衬砌内轮廓（图3.7）：隧道两侧各设宽125cm的救援通道。救援通道底面高出内轨顶面30cm。隧道底部结构根据隧道长度和地质条件分别按有碴道床和无碴道床设计。隧道采用曲墙衬砌形式,II级围岩设置钢筋混凝土底板，II级以下围岩设置仰拱。隧道两侧各设置两槽一沟,电缆槽宽为25cm，水沟宽30cm，水沟和电缆槽总宽度135cm。两侧排水沟的功能主要是集水，间隔适当距离与中心排水沟(管)连通。在隧道中线处仰拱填充内设置中心排水沟(管)。短隧道水量不大时,也可不设中心排水沟(管)。

客货共线铁路兼顾双层集装箱运输的隧道衬砌内轮廓

兼顾双层集装箱运输与否的衬砌内轮廓，主要区别在于采用的建筑限界不同，水沟、电缆槽的布置则基本相同。其内轮廓形状如图3.8和图3.9所示。

15

3.2衬砌结构设计

目前隧道衬砌结构设计主要以工程类比法为主。 3.2.1 衬砌结构类型及选择

衬砌结构类型有：单层衬砌(模筑混凝土衬砌)、复合式衬砌、拼装式衬砌等。对于钻爆法施工的隧道,多采用单层衬砌和复合式衬砌, 其中，单层衬砌更适用于围岩自稳能力较好，地下水不丰富的硬岩隧道，而复合式衬砌更适合软弱围岩、地下水丰富的隧道（新奥法设计）。另外，单层衬砌和复合式衬砌的本质区别就是单层衬砌各支护层间不设置隔离层（防水板），而是采用自防水措施。盾构掘进机法施工一般采用拼装式衬砌。

单层衬砌一般是由单层或多层混凝土构成的承载结构, 在国外得到广泛应用，其支护层与衬砌层是一体的,共同组成支护体系,各层间能够充分传递剪力。单层衬砌基本概念示于图3.14中。表3.2列出了国内外采用单层衬砌的部分隧道。世界上最大断面的人工地下洞室挪威1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场（长90m, 宽62m, 高25m）就是采用单层衬砌（只有锚喷支护，无模筑混凝土）。 贵广铁路采用复合式衬砌，故在此重点谈谈复合式衬砌，同时谈谈单层衬砌。 3.2.2 复合式衬砌结构设计

根据二次衬砌在运营期间是否承受水压力,复合式衬砌结构可分为排水型衬砌和防水型衬砌两种类型。前者二次衬砌不承受水压力,后者承受水压力。两种类型结构的设计原则与支护参数有所不同。

一、排水型复合式衬砌设计

设计原则是：初期支护承担施工阶段全部荷载,二次衬砌承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备。表3.3为时速250～300km双线铁路隧道排水型复合式衬砌设计参数。350km/h双线铁路隧道排水型复合式衬砌代表性衬砌结构断面见图3.15和图3.16。

衬砌结构的设计特点：

z 根据围岩级别、埋深、偏压等具体条件对围岩自稳能力和结构受力的影响,适当

细化了衬砌类型。以往的习惯作法是浅埋段按降低一级围岩级别设计,这难以正确反映工程的实际特性,也不够经济,因为高速铁路隧道跨度大,对应的浅埋段覆土厚度也增大,同时从环保要求出发,隧道洞口位置一般较以往习惯作法外延较多,致使浅埋段长度较长,因此有必要专门设计用于浅埋段的加强衬砌。

z 突出“加强基底”和注重“刚度变化”的原则，① 针对以往隧道底部易发生病

害和高速列车运行要求,加强了基底设计。III～Ⅴ 级围岩衬砌均采用有仰拱结构,且仰拱厚度较拱墙大;② 时速350km/h双线隧道Ⅱ级围岩衬砌设计了有仰拱和无仰拱两种结构,根据地下水及岩性等具体情况选用。

z IV、V级围岩和III级围岩偏压段二次衬砌均采用钢筋混凝土结构,主要原由是考

虑列车长期的振动作用；可增加软弱围岩大跨隧道衬砌承载能力,满足有时需及时施作二次衬砌的要求；减少大跨混凝土结构的收缩裂缝。

z 喷射混凝土中掺加合成纤维,既可减少回弹量,也可减少喷射混凝土硬化过程中

的早期裂缝,有利于防水与耐久性。

21

图3.14 单层衬砌概念

表3.2 国内外部分隧道使用单层衬砌情况

表3.3 时速250～300km/h双线铁路隧道排水型复合式衬砌设计参数

22

图3.15

图3.16

衬砌结构的计算方法：

z 二次衬砌计算采用荷载一结构模型，衬砌采用弹性梁单元模拟，初期支护对二次

衬砌的约束采用无拉弹簧单元模拟，弹性反力系数按《铁路隧道设计规范》中的

23

参数范围取中间值计算。

z 深埋隧道与浅埋隧道的荷载按《铁路隧道设计规范》计算，如IV级围岩取按规范

算得荷载的50%加载，V 级围岩取按规范算得荷载的70%加载。

z 二次衬砌按《铁路隧道设计规范》采用破损阶段法进行结构强度检算。

z 设置底板时,应对其在高速列车的冲击荷载作用进行核查，按弹性地基梁计算。

二、防水型复合式衬砌设计 z

设计原则：

对于防水型隧道而言，二次衬砌承受的水压力为主要荷载，一般远大于围岩压力。为提高其经济性,初期支护按在施工阶段与围岩共同保证施工安全和控制地面沉降量的要求确定,二次衬砌承担全部后期围岩压力；

围岩压力根据深浅埋条件按《铁路隧道设计规范》中的有关公式计算；

二次衬砌计算采用荷载一结构模型,衬砌采用弹性梁单元模拟,初期支护对二次衬砌的约束采用无拉弹簧单元模拟；

二次衬砌按《铁路隧道设计规范》采用破损阶段法进行结构强度检算。 三、复合式衬砌设计与施工中应注意的问题 z z z z z

衬砌断面形状应力求圆顺，减少围岩和衬砌在荷载作用下产生应力集中； 采用分部开挖时,应加强各连接点的强度和刚度，防止接头受力变形破坏； 大断面隧道衬砌设计参数应根据施工方法适当调整；

合理设置二次衬砌纵向施工缝位置，施工缝处宜设置加强钢筋； 加强施工中的监控量测通过监控量测结果合理调整支护参数。

z z z

3.2.3 单层衬砌结构设计

单层衬砌结构设计方法目前有基于挪威法的Q系统支护设汁法、极限状态设计法及基于能量守恒的能量原理设计法。以下简要介绍一下挪威Q值法。 相对于新奥法(NATM) 于1963年由蜡布希维兹提出，挪威Q值法由巴顿于1974年提出，并于1993年，2002年两次更新完善。主要用于土木工程中的中硬~硬岩隧道施工。

挪威隧道施工方法的特点 z z z z z z z z

重视前期的地质调查，两步地质调查

施工中对每个开挖面进行地质素描和支护设计 非常系统定量的设计方法—Q值法 锚喷为主要永久性支护 施喷湿钢纤维混凝土 采用自立式锚杆 采用自立式防水板

强调离散单元法（UDEC，3DEC）应用 与新奥法NATM相比，挪威法NMT优点有： z 快速施工 z 安全施工

z 造价低，综合经济效益可节省达20~30%

24

z 可操作性强 z 维修费用低

挪威法特别适合 z z z z

节理岩体 中硬以上围岩 大跨度隧道与洞室 钻爆法施工

挪威Q值法支护结构设计两步骤：即Q值的计算和支护结构选择。 Q值的计算采用下列公式计算：

Q=

RQDJrJw

?? JnJaSRF

其中：RQD＝岩石质量；节理组数Jn；节理粗糙度 Jr；节理填充物Ja；地下水Jw；地应力系数SRF。 得到岩石质量Q之后，参照图3.17的支护结构设计图进行设计。与新奥法不同，单层衬砌的支护设计主要由现场工程师在地质素描的基础上，针对掌子面的地质情况进行支护结构设计，因此，其设计更经济合理，但同时对现场工程师的要求更高。

ROCK CLASSESGExceptionallypoorFExtremelypoorEVerypoorDPoorCFair2.3 mBGoodVerygoodAExt.goodExc.good20100reated a1.7 merctoin sh1.5 mcing aps tloB1.3 m1.0 m2.1 m2.5 mBolt length in m for ESR = 150117Span or height in mESR隧道宽度

20958RRS7Sfr6Sfr5Sfr4B(+S)BCCA32sb14.0 m10 cm35 cm25 cm15cm9 5 cmm3.0 m2.0 m1.6 m21.0 m1.3 mlt sBocpainnsn ui gtcrhod aetereas4 c122.41.510.0010.0040.010.040.10.41410401004001000Rock mass quality Q = x xREINFORCEMENT CATEGORIES:1) Unsupported2) Spot bolting, sb3) Systematic bolting, B4) Systematic bolting, (and unreinforced shotcrete, 4 - 10 cm), B(+S) RQD Jr Jw Jn Ja SRF5) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 5 - 9 cm, Sfr + B6) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 9- 12 cm, Sfr + B7) Fibre reinforced shotcrete and bolting, 12 - 15 cm, Sfr + B8) Fibre reinforced shotcrete, > 15 cm, reinforced ribs of shotcrete and bolting, Sfr, RRS+B9) Cast concrete lining, CCA 图3.17 Q值法支护结构设计图

图3.18是挪威1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场，该地下洞室长90米, 宽62米, 高25米，埋深只有25－50m，采用单层锚喷支护，没有模筑混凝土衬砌，采用挪威法（Q值法）设计，岩石平均Q=9。

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图3.18 挪威1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场（长90m, 宽62m, 高25m） 图3.19为某地下洞室，长100米, 宽27米, 高11米。全采用锚喷单层衬砌。采用挪威法（Q值法）设计，岩石平均Q=10。

图3.19 某地下洞室（长100米, 宽27米, 高11米，锚喷支护)。

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单层衬砌应选择在围岩较好、基本无水的地段应用。大量的工程实践表明，开挖时无水的地段经过若干年后仍可能有一定的地下水，因此，高速铁路隧道采用单层衬砌时宜采取多种有效的措施确保衬砌结构自防水性能。 3.2.4 衬砌结构耐久性设计

—、影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性的因素

影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性的主要因素就是结构物所处的环境。《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定(铁建设[2005〕157号)将混凝土结构所处的环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境。

除了环境因素影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性外,高速列车运行引起的压力波动以及列车振动作用也是影响结构耐久性的主要因素。有初始裂纹的衬砌结构,在气动压力波正压、负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不断扩展，直到断裂破坏;同时,衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下.也容易出现疲劳性破坏。

二、复合式衬砌结构耐久性设计

目前.我国高速铁路隧道的衬砌结构多数采用复合式衬砌。复合式衬砌包括初期支护和二次衬砌两部分.听以在隧道衬砌结构耐久性设计中,要分别考虑初期支护和二次衬砌的耐久性，并应包括以下主要内容：

z 明确混凝土结构的使用环境类别与环境作用等级; z 提出混凝土结构的设计使用年限;

z 提出与结构耐久性有关的结构构造措施;

z 提出混凝土原材料品质要求、配合比的主要参数及耐久性的具体指标; z 提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与措施; z 确定钢筋混凝土保护层厚度;

z 提出对结构应采取的防腐蚀附加措施;

z 明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更换的要求。 （一）初期支护的耐久性

初期支护一般包括喷混凝土、锚杆、钢架等,所以对每一种支护措施都应进行耐久性设计。

喷混凝土

z 在腐蚀性严重的场合,喷混凝土的强度等级应不低于二次衬砌混凝土的强度

等级;

z 喷混凝土的强度要满足长期强度(28d)的要求,且1d的抗压强度不宜小于

10MPa。 锚杆

锚杆宜采用全长灌浆式锚杆,并应设置垫板。在腐蚀性环境中,应采用防腐蚀的灌浆材料或者采用耐腐蚀的纤维锚杆。

钢架

喷混凝土内设置的钢架,靠围岩侧的保护层厚度不小于4cm,靠另一侧不小于3cm。 （二）二次衬砌的耐久性

二次衬砌是由混凝土或钢筋混凝土材料构成的,因此二次衬砌的耐久性问题归根到底还是混凝土的耐久性问题。混凝土结构耐久性研究可按学科及影响因素分为如下

27

课题（图3.20）:

图3.20 混凝土结构耐久性研究

（三）复合式衬砌结构耐久性设计原则及方法

高速铁路隧道复合式衬砌结构的耐久性,应考虑环境因素的影响进行设计。 z 当环境对衬砌结构侵蚀作用很小或无侵蚀作用时,可考虑初期支护和二次衬砌共

同承担荷载;

z 当环境对衬砌结构的侵蚀作用明显时,一种设计方法是可考虑初期支护和二次衬

砌共同承担荷载,这时初期支护和二次衬砌均应考虑耐久性;另一种设计方法是可不考虑初期支护的长期耐久性,只在构造上采取一些综合措施进行防范,满足施工期间的安全,而二次衬砌考虑全部承担荷载,并考虑耐久性。

28

第四部分 大断面隧道施工技术

高速铁路隧道施工的最大特点是开挖断面积大,因而施工难度大为增加。

大断面隧道的施工方法要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定。选择施工方法时要注意以下几点:

(1) 地形、地质的特殊性，如洞口段、浅埋段、易变形地段的地质状况等; (2) 是否有限制条件,如对地表沉降的限制、地基承载力不足等; (3) 必要时要与辅助工法配合;

(4) 要尽量采用能避免围岩松弛的施工方法,如在泥岩或黄土中采用机械开挖; (5) 应尽量使支护及早封闭,避免多次扰动围岩,控制初期支护位移、变形; (6) 施工组织的统一协调,在同一隧道中尽量减少工法的频繁变换; (7) 尽量采用机械化施工,提高作业效率,加快施工速度。

高速铁路隧道施工方法的选择,关键在于要和隧道的地质条件相匹配,这就要求提供给高速铁路隧道设计的地质资料要齐全完整、真实可靠。要求隧道地质勘察要查明隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性和地质构造；岩质隧道应着重查明岩层层理、片理、节理等软弱结构面的产状、密度及组合形式、断层、褶曲的性质、产状、宽度及破碎程度；土质隧道应着重查明土的地层年代、成因类型、结构特征、物质成分、料径大小、密实度及潮湿程度；查明不良地质、特殊岩土的分布及对隧道的影响,特别是对洞口及边仰坡的影响，据此选择合适的施工方法。

从目前的施工技术水平出发,适合大断面隧道的开挖方法主要有以下三类(图4.1):

z 以爆破开挖为主导的施工方法,如全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、中壁法

等;

z 以机械开挖为主导的施工方法,如掘进机法、盾构法、铣挖法等; z 爆破与机械开挖相结合的施工方法,如TBM导坑超前扩挖法等。

图4.1 大断面隧道施工方法分类

不管采用哪种施工方法，在不良地质条件下，都需要配合采用各种辅助工法。特别是在大断面隧道的施工中，辅助工法显得更为重要。

贵广铁路拟采用一爆破开挖为主导的施工方法－钻爆法，即矿山法。 4.1 钻爆法

我国绝大多数铁路隧道是采用钻爆法修建的，积累了极为丰富的施工经验，创造了许多施工奇迹。但在高速铁路大断面隧道，特别是超大断面隧道中，如何运用这种施工方法，还有待实践。 （一）全断面法

按照隧道设计轮廓线一次开挖成形的施工方法叫全断面开挖法(简称全断面法)。该工法的特点是有较大的作业空间，有利于大型机械化配套作业,提高施工速度,且工

29

序少、干扰小，便于施工组织和管理。其缺点是由于开挖断面大,对地质条件要求严格,围岩必须有足够的自稳能力，且每循环工作量相对较大，要求施工单位应具有较强的开挖、出咋、运输及支护能力。

在高速铁路隧道中,全断面法主要用于I～III级围岩的单线隧道，在IV～V级围岩采用全断面法施工时，必须辅以辅助工法，如正面喷射混凝土、打设正面锚杆等。在双线铁路隧道中，由于开挖面积达140～170m2，受施工机械作业能力的限制，难以采用全断面法。

全断面开挖法的操作工序比较简单,主要有钻孔、爆破、出碴、支护、防水层铺设、衬砌和地板混凝土施工等。该方法的施工组织要求底板混凝土作业尽量超前,这是确保施工安全、质量和文明施工的重要做法。

采用全断面法施工应注意以下事项:

(1) 加强对开挖面前方的工程地质和水文地质调查。对不良地质情况,要及时预测预

报、分析研究，随时准备好应急措施(包括改变施工方法)，以确保施工安全和工程进度。

(2) 各种施工机械设备务求配套,以充分发挥机械设备的效率。各工序机械设备要配

套,如钻孔、装碴、运输、防水层铺设、衬砌等主要机械和相应的辅助机具,在尺寸、性能和生产能力上都要相互配合,工序能环环紧扣,不致彼此互受牵制而影响掘进,以充分发挥机械设备的使用效率和各工序间的协调作用,并注意经常维修设备及备有足够的易损零部件,确保各项工作的顺利进行。

(3) 加强对各种辅助作业和辅助施工方法的设计与施工检查。尤其在软弱破碎围岩中

使用全断面法开挖时,应对支护后围岩的动态进行量测与监控,对各种辅助作业的三管两线(即高压风管、高压水管、通风管、电线和运输路线)要求保持技术状态良好。

(4) 重视和加强对施工操作人员的技术培训,使其能熟练掌握各种机械和推广新技术,

不断提高工效，改进施工管理，加快施工速度。

(5) 全断面法开挖选择支护类型时，应优先考虑锚杆和锚喷混凝土、挂网等支护。 (6) 加强施工中的各项辅助作业，尤其是加强施工通风，保证工作面有足够的新鲜空

气。 （二）台阶法

各国高速铁路隧道施工实践证明,台阶法已成为大断面隧道施工的主流施工方法。日本在修建第二东名一名神高速公路隧道(隧道开挖断面积为150～200m2)中,80%的隧道采用了各种台阶法。中国台湾台北一高雄高速铁路隧道(隧道净空有效面积为

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德国科隆一法兰克福高90m,开挖断面积为130~15Om)大部分也是采用台阶法修建的。

速铁路上的隧道工程，虽然地质条件比较差，但多数隧道仍采用台阶法施工。

所谓台阶法，就是为了控制围岩变形而采用的纵向分部开挖法。它将结构断面分成两步或多步开挖，具有上下两个工作面或多台阶时有多个工作面开挖。其优点是灵活多变、适用性强。视围岩条件及机械配套情况派生出的各种台阶法,可根据工程实际、围岩条件及机械条件,选择适合的方式。部分台阶法的比较列于表4.1。

（1）导坑超前扩挖台阶法

台阶法有许多变化方案,如导坑超前扩挖法。它在开挖主洞之前,先用钻爆法快速掘进一个超前导坑,进行地质调查、排水以及围岩改良等作业,而后再次用钻爆法进行扩挖的一种施工方法,即先由爆破法开挖一个小导坑形成临空面,再使用钻爆法开挖。

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表4.1 大断面隧道台阶施工法比较

导坑超前是为了提高开挖工作面的自稳性,以及为地质预报、排水等目的而实施的。导坑超前的距离,从发挥机械效率出发,可取10～30m，当大量涌水时可延长到100m。

导坑超前扩挖法的施工顺序,可按照图4.1中的①→⑥各分部顺序进行。整个隧道断面的爆破分为导坑爆破和扩大爆破。

导坑超前扩挖法的特点是:(1)开挖工作面稳定性高,辅助工法规模小;(2)有涌水的场合,导坑可以作为排水坑道;(3)可从导坑进行围岩补强。其缺点是:(1)导坑和扩挖交互掘进,施工干扰大；(2)导坑需要通风；(3)导坑支护要废除。

（2）多层台阶法

当隧道断面较高时,可以用多层台阶法开挖,如图4.2所示。台阶长度一般不超过1.5倍洞径。多层台阶法通常用在单层台阶上半断面掘进的导坑尺寸较大、开挖面难以自稳的情况。由于在低强度的围岩中,整个开挖断面要分为三部开挖,故开挖造成的应力重分布的次数较多,而且台阶多,断面闭合的时间也加长。所以,在选择这种方法时,先要进行充分研究,在采用稳定开挖面的辅助工法(开挖面超前锚杆与喷射混凝土、小型管棚、改良围岩等)分两步开挖仍很困难时才采用。在地表有建筑物等情况,预计地表、洞内下沉(位移)超过允许限值时,应同时采用临时仰拱控制变形的发展。

（3）短台阶和超短台阶法

大断面隧道施工中也经常采用短台阶法(图4.3)和超短台阶法(图4.4)等。

短台阶法的长度约在15m。这种方法由于上、下半断面的开挖面较接近,两个开挖面作业有干扰,而且存在上半断面出碴打乱开挖循环平衡的问题。上半断面的出碴可用斜坡道、皮带输送机、装载转运机等组合起来使用。

超短台阶法的台阶长度约为5～8m,适用于膨胀性围岩和土质围岩需及早封闭断面的情况。在以全断面开挖法为主要方法的硬质围岩中,由于一部分地质条件变化而需要采用分部开挖时,也可用此方法。超短台阶法施工时的上、下半断面的开挖面是

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同时掘进的,出碴也是同时进行的。

图4.1 导坑超前扩挖法施工示意

图4.2

（4）中隔墙台阶法

当开挖工作面地层自稳能力较差,上台阶开挖后拱脚支承在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时,可采用中隔墙台阶法(通常配合临时仰拱使用)。通过中隔墙的分载作用,可减轻两侧拱脚的压力,降低地表沉陷值,以确保施工安仝。

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图4.3 短台阶法施工示意

图4.4 超短台阶法施工示意

图4.5 中隔墙台阶法示意

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采用中隔墙台阶法开挖时,上台阶开挖长度一般控制在1.5倍洞径以内,并辅之以超前小导管注浆加固围岩、留核心土环形开挖等措施。由于中隔墙的限制,一般上台阶采用人工开挖、人工出碴,下台阶采用机械开挖、机械出碴,开挖方式及顺序示于图4.5。

（5）临时仰拱封闭台阶法

临时仰拱封闭台阶法是以控制地表和洞内下沉(位移)为目的,在整个断面闭合的过程中对分部开挖断面用临时仰拱闭合的方法。

开挖方法采用上部弧形导坑开挖,留核心土,上导坑初期支护设置大拱脚,并设拱脚支承桩(钢管桩、旋喷桩等),喷混凝±30cm，设临时仰拱,无管棚支护范围设长度6m的锚杆,格栅钢架间距0.5～1.0m,如图4.6所示。

图4.6 临时仰拱封闭台阶法施工示意

采用台阶法施工应注意以下事项:

(1) 台阶法开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度。台阶有利于开挖面的稳

定性,尤其是上部开挖支护后,下部作业较为安全。

(2) 台阶法开挖的缺点是上下部作业互相有干扰,应注意下部作业时对上部稳定

性的影响,台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。

(3) 台阶法开挖宜采用轻型凿岩机钻孔,而不宜采用大型凿岩台车。

(4) 采用台阶法时,台阶数不宜过多,台阶长度要适当,一般以一个台阶垂直开挖

到底、保持平台长3～5m为好;为便于掌握炮眼深度和减少翻碴工作量,装碴机应紧跟开挖面,减少扒碴距离,以提高装碴运输效率。应根据两个条件来确定台阶长度:一是初期支护形成闭合断面的时间要求,围岩稳定性愈差,闭合时间要求愈短;二是上半断面施工时开挖、支护、出碴等机械设各所需的空间要求。对于不良地质,一般要求初期支护封闭到开挖工作面的距离不大于30m。 (5) 个别破碎地段可配合喷锚支护和挂钢筋网施工。如遇局部地段石质变坏、围

岩稳定性较差时,应及时架设临时支护或考虑变换施工方法,留好拱脚平台,以防止落石和崩塌。

(6) 应重视解决上、下半断面作业的相互干扰的问题,要注意作业施工组织、质量

监控及安全管理。

(7) 上部开挖时,因临空面较大,易使爆破面的碴块过大,不利用装碴,应适当密布

中小炮眼。若围岩稳定性较好,可以采取分段顺序开挖;若围岩稳定性较差,则应缩短下部掘进循环进尺;若围岩稳定性更差,则可以左右错开,或先拉中槽后挖两帮。

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采用台阶法开挖的关键问题是台阶的划分形式。台阶划分要求做到爆破后扒碴量较少、钻孔作业与出碴运输干扰少。 （三）双侧壁导坑法

双侧壁导坑法主要适用于围岩较差、开挖断面很大的大断面隧道,如三线或多线常速铁路隧道、三车道高速公路隧道、高速铁路大断面隧道等。该法工序较复杂,导坑的支护拆除困难,为了稳定开挖工作面,经常和超前预注浆等辅助施工措施配合使用。一般采用人工、机械混合开挖,人工、机械混合出碴。

中国台湾高速铁路新竹二高隧道在“贯穿国道三号段”采用的双侧壁导坑法,如图4.7所示。

图4.7 新竹二高隧道双侧壁导坑法施工示意

图4.8 双侧壁导坑法施工顺序示意

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图4.8是双侧壁导坑法开挖顺序示意图,导坑内也分成上、下两个台阶施工,台阶高度的确定最好以能满足小型机械施工为原则,以提高导坑的作业效率。图4.9是施工现场概貌图，图4.10是右侧导坑安装格栅钢架图。图4.11是中间断面上台阶开挖情况,台阶长度根据选择的开挖机械的施工能力确定。

图4.9 双侧壁导坑法施工概貌

图4.10 右侧导坑安装格栅钢架

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图4.11 中间断面上台阶开挖

（四）中壁法

中壁法是分部开挖施工方法中的常用工法,根据开挖顺序和支护方式的不同,通常又分为中隔壁法(CD法)和交叉中壁法(CRD法)。所谓中隔壁法,即在软弱围岩大跨隧道中,先开挖隧道的一侧,并施做中隔壁墙,然后再分部开挖隧道另一侧的施工方法(图4.12)。所谓交叉中壁法,即在软弱围岩大跨隧道中,先开挖隧道一侧的一或二部分,施做部分中隔壁墙,再开挖隧道另一侧的一或二部分,然后再开挖最先施工一侧的最后部分,并延长中隔壁墙,最后开挖剩余部分的施工方法(图4.13)。

图4.12 CD法施工

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图4.13 CRD法施工

图4.14 CD法施工示意

武广客运专线铁路某隧道,在浅埋偏压Ⅳ级围岩中采用CD法施工, 其施工顺序如图4.14所示。在Ⅴ级围岩中采用CRD法施工,其施工顺序如图4.15所示。

图4.15 CRD法施工示意

中壁法施工的特点是,在保证各工序施工质量的前提下相对安全可靠,有利于控制地表沉降,但此工法的施工工序繁多,施工组织复杂,施工进度较缓慢,一般月进尺在30～50m。采用此方法施工,应设法多利用小型机械,以提高作业效率。通常采用的

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小型设备有小型反铲挖掘机、小型挖掘装载机、皮带运输机、小型钻机等。

采用中壁法施工应注意以下事项:

(1) 隧道施工应坚持“支护超前,快速封闭,加强量测,及时调整”的原则。 (2) 开挖轮廓尽量采用人工风镐开挖,如果需要爆破应严格控制装药量,充分爱护

围岩,开挖轮廓要圆顺,防止出现应力集中。

(3) 工序变化处的钢架(或临时仰拱钢架)应设锁脚锚杆,以确保钢架基础稳定。 (4) 钢架之间纵向连接钢筋应及时施作并连接牢固。

(5) 临时钢架的拆除应等洞身主体结构初期支护施工完毕并稳定后进行。 (6) 复合式衬砌施工应根据监控量测的结果进行分析,确定二次衬砌的施作时机

及调整设计参数。

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第五部分 特殊性隧道施工

一、特殊地段及不良地质地段概述

贵广铁路沿线地质条件非常复杂，穿越沉积岩、岩浆岩、变质岩和第四系残积土；地下水丰富，主要为岩溶水和裂隙水；遭遇岩溶、采空区、危岩落石、有害气体、放射性、岩爆、高温等不良地质条件。各重点隧道不良地质情况一览见表5.1。

表5.1 隧道不良地质一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

隧道名称 格老山 同马山 岩山 宝峰山 两安 狮子岭 牛栏界 北岭山

不良地质条件

岩溶、软质岩变形、岩爆，特殊岩土为进口端红黏土。 断层破碎带、软质岩变形、岩爆。

顺层和断层破碎带及影响带、围岩变形、岩爆、较高地温。

岩溶、地温、有害气体、岩爆、软质岩变形、顺层、断层破碎带以及危岩落石。花岗岩全风化层中的花岗岩球体、岩爆、地温以及花岗岩放射性。 人工平硐、岩爆、软岩大变形。 采坑、高地温、岩爆、放射性。

放射性、高地温、岩爆、软岩大变形。

二、一般规定

(1) 施工前必须根据设计提供的工程及水文地质资料，结合现场实际情况，进行

分析研究，制定完整的施工技术方案。

(2) 隧道的施工应针对实际情况遵守先预报、再治水、管超前、短进尺、控爆破、

早支护、快封闭、勤量测的原则。

(3) 必须加强量测工作，并及时反馈量测结果。

(4) 隧道施工前，应采用超前地质预测、预报，及时调整施工方案。 三、富水软弱破碎围岩地段施工

（一）富水软弱破碎围岩隧道的开挖应符合下列要求：

(1) 采用超前地质预测预报手段，提前了解开挖工作面前方地质、地下水情况，

采取有效的预防措施。

(2) 施工中宜采用注浆堵水结合超前钻孔限量排水。

(3) 特大涌水时可采用辅助坑道排水，辅助坑道开挖应超前适当距离。

(4) 当地下水与地表水连通时，经技术、经济比选，宜采用注浆堵水措施。当隧

道埋深在20m以内时，可采用地表注浆；当隧道埋深超过20m时，则应采用开挖工作面预注浆。

(5) 宜采用正台阶预留核心土环形开挖法。双线和多线隧道宜采用中隔壁法、交

叉中隔壁法或双侧壁导坑法。 (6) 掘进循环进尺宜为0.5～1.0m。 （二）富水软弱破碎围岩隧道的支护应符合下列要求：

(1) 宜采用超前小导管注浆、管棚、钢架、钢筋网、喷射混凝土等多种支护手段，

构成强支护体系。

(2) 根据支护的位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态，及时调整

支护参数，确保施工安全。

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（三）富水软弱破碎围岩隧道施工时应采取加强防排水的技术措施。防排水系统施工

应符合下列要求：

(1) 衬砌混凝土应按防水混凝土要求施工，施工缝、变形缝的防水处理必须满足

质量要求。

(2) 防水层铺设前应对喷射混凝土基面作平整和清除浮碴处理。

(3) 防水层铺设应平顺，并密贴喷射混凝土基面，接缝应采用常规法、充气法或

真空法检查，确保严密可靠。

(4) 必须先进行注浆并达到止水目的后，方可铺设防水层。防水层铺设后，严禁

在铺设防水层范围内注浆。

(5) 排水盲管安装前应对岩面进行平整，纵横向排水管和水沟应在衬砌施工前完

成，基底应清理干净，确保排水顺畅。

（四）富水软弱破碎围岩隧道的衬砌施工应符合下列要求：

(1) 复合式衬砌应根据监控量测结果确定施作时间。 (2) 仰拱必须及早施作，形成封闭衬砌。 四、岩溶地段施工

（一）隧道通过岩溶地区时，施工前应根据设计图结合施工现场情况，探明溶洞的分

布范围、类型、规模、发育程度、填充物及地下水的情况等，及时正确地制定施工方案。

（二）岩溶地区隧道的施工，可采用下列技术措施进行处理：

(1) 可采用暗管、涵洞、小型过桥或泄水洞等排水方法，将溶洞积水或暗河水排

走。

(2) 当不能排水，或由于溶洞规模大且溶洞填充物为含水量较大的岩溶泥时，可

采用封堵的方法。当溶洞在隧道底部时可采用旋喷，在边墙及拱部时可采用注浆、管棚等，形成堵水墙（边墙）和防水帷幕（拱部）。

(3) 对已停止发育、跨径较小，且无水的中、小型溶洞，可根据其与隧道相交的

位置及其填充情况，采用干砌片石、浆砌片石或低等级混凝土进行填充。 (4) 溶洞仅在隧道底部且较大较深，或者填充物松软不能承载结构物时，可采用

梁或拱跨越，梁的两端或拱的拱座应置于稳固可靠的岩层上，必要时可用混凝土和石砌体加固。

（三）岩溶地区隧道开挖应符合下列要求：

(1) 开挖前应采用超前钻孔探测。

(2) 开挖方法宜采用台阶法。在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，且溶洞仅穿过隧道底部一

小部分断面时，可采用全断面一次开挖。

(3) 爆破开挖时，应做到多打眼、打浅眼，严格控制装药量。

(4) 当隧道只有一侧遇到溶洞时，应先开挖该侧，待支护完成后再开挖另一侧。 (5) 未做出溶洞处理方案之前，不应将弃碴随意倾填于溶洞中。 (6) 岩溶地区隧道支护和衬砌应根据溶洞情况予以加强。 五、瓦斯地段施工

（一）隧道施工过程中,通过施工检测,只要隧道内存在瓦斯，应按瓦斯隧道的要求组

织施工。

（二）瓦斯隧道、瓦斯工区、含瓦斯地段的分类及分级应符合铁路行业标准《铁路瓦

斯隧道技术规范》（TB10120－2002)的有关规定。

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（三）瓦斯隧道施工应建立专门机构进行通风、防突、防爆及瓦斯监测，设置消防设

施。高瓦斯工区及瓦斯突出工区应配备救护队。

（四）开工前必须对施工作业人及管理人员进行安全技术培训、爆破、电工、瓦检等

特种作业人员必须持证上岗。

（五）瓦斯工区钻爆作业应符合下列要求:

(1) 必须采用湿式钻孔;

(2) 炮眼深度不应小于0.6m，炮眼应清除干净，炮眼封泥不严或足不得进行爆破。 (3) 必须采用煤矿许用炸药；

(4) 必须采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管；使用煤矿许用毫秒延期电雷管

时,最后一段的延期时间不得大于130ms；严禁使用秒或半秒级电雷管； (5) 严禁反向装药；

(6) 爆破网路必须采用串联连接方式，严禁将瞬发电雷管与毫秒雷管在同一串联

网路中使用；

(7) 必须使用防爆型起爆器作为起爆电源,一个开挖面不得同时使用两台及以上

起爆器起爆；

(8) 在非瓦斯突出工区进行爆破作业时,爆破15min后应巡视爆破地点，检查通风、

瓦斯、煤尘、瞎炮、残炮等情况，如有危险，必须立即处理；在瓦斯突出工区，揭煤爆破15min后，应由救护队员配戴防毒面具或自救器到工作面对爆破效果、瓦斯浓度等进行检查，确认安全后方可通知送电、开动局部通风机，通风30min后，由瓦检人员检测工作面、回风道瓦斯浓度；在瓦斯浓度小于1%，二氧化碳浓度小于1.5%后，方可解除警戒，允许工作人员进人开挖工作面。

（六）瓦斯突出隧道，应单独编制预防煤与瓦斯突出和揭煤、过煤的实施性施工组织

设计。

（七）瓦斯突出隧道施工，应采用下列防突技术措施：

(1) 接近突出煤层前,必须对设计标示的各突出煤层位置进行超前探测，标定各突

出煤层准确位置，掌握其赋存情况及瓦斯状况。

(2) 施工时，应至少选用下列五种方法中的两种对突出危险性进行预测，并相互

验证:

z 瓦斯压力法; z 综合指标法; z 钻屑指标法;

z 钻孔瓦斯涌出初速度法; z “ R” 指标法。

(3) 防治煤与瓦斯突出宜采用钻孔排放的措施。 (4) 防突措施实施后,必须进行效果检验。 （八）石门揭煤应符合下列要求:

(1) 揭煤前应进行石门揭煤设计,其内容包括揭开石门、半煤半岩段、全煤层段等

各阶段施工方法、支护手段、组织指挥、抢险救灾方案及安全措施等； (2) 石门揭煤宜采用微震动爆破法；

(3) 石门揭煤方法应根据煤层的倾角、厚度选用；

(4) 石门揭煤爆破应在洞外起爆,洞内必须停电、停止一切作业,人员撤至洞外； (5) 揭开煤层后,应检验工作面前方1Om上、中、下、左、右范围内煤与瓦斯突出

的危险性,确保工作面前方有5m的安全区。

（九）半煤半岩段与全煤层段掘进、支护和衬砌施工应符合下列要求：

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(1) 每循环进尺不宜超过1.0m,在全煤层中必须采用电煤钻钻孔，应少钻孔、少装

药；

(2) 在半煤半岩中掘进应在岩石炮眼中装药，煤层需爆破时，必须采用松动爆破； (3) 在软弱破碎岩层或煤层中掘进,应采用超前支护或预注浆，防止坍塌或突出； (4) 爆破后应及时喷锚支护，及时封闭瓦斯；

(5) 仰拱应及早施工，保证拱、墙、仰拱衬砌能够形成闭合整体；

(6) 煤系地层设防段的二次衬砌应预留注浆孔,衬砌完成后应及时压浆,充填空隙,

封闭瓦斯。

（十）瓦斯隧道的施工通风,应符合下列要求:

(1) 施工组织设计中，应编制全隧道和各工区的施工通风设计，并考虑各工区贯

通后的风流调整和防爆要求。

(2) 施工期间,应建立瓦斯通风监控、检测的组织系统,测定气象参数、瓦斯浓度、

风速、风量等参数。低瓦斯工区可用便携式瓦检仪，高瓦斯工区和瓦斯突出工区除便携式瓦检仪外，尚应配置高浓度瓦检仪和瓦斯自动检测报警断电装置。

(3) 非瓦斯工区的施工通风宜采用压人式和混合式。低瓦斯工区的施工通风应采

用压人式或巷道式。

(4) 高瓦斯工区和瓦斯突出工区的施工通风宜采用巷道式。

(5) 瓦斯隧道各掘进工作面必须独立通风,严禁任何两个工作面之间串联通风。 (6) 瓦斯隧道需要的风量,必须按照爆破排烟、同时工作的最多人数以及瓦斯绝对

涌出量分别计算,并按允许风速进行检验，采用其中的最大值。

(7) 按瓦斯绝对涌出量计算风量时,对于低瓦斯工区,应将洞内各处的瓦斯浓度稀

释到0.5%以下；对于高瓦斯工区和瓦斯突出工区，其长度较大的独头巷道，应能将工作面风流中的瓦斯浓度稀释到0.5%以下；用平行导坑作巷道式通风的回风道时，平行导坑的瓦斯浓度应小于0.75％。超过时，应采取稀释措施。 (8) 施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于1m/s。对瓦斯易于积聚处,应实施局部通

风。

(9) 施工期间,应实施连续通风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切

断电源。恢复通风前，必须检查瓦斯浓度，符合规定后才可启动机器。 (10) 瓦斯工区的通风机应设两路电源，并装设风电闭锁装置。当一路电源停

止供电时，另一路应在15min内接通，保证风机正常运转。

(11) 必须有一套同等性能的备用通风机,并经常保持良好的使用状态。 (12) 应采用抗静电、阻燃的风管。

（十一）隧道内瓦斯浓度限制值及超限处理措施应符合表5.2的规定。

（十二）高瓦斯工区和瓦斯突出工区供电应配置两套电源。工区内采用双电源线路,

其电源线上不得分接隧道以外的任何负荷。

（十三）隧道内高瓦斯工区和瓦斯突出工区必须采用安全防爆型机电设备。非瓦斯工

区和低瓦斯工区的机电设备可使用非防爆型，其行走机械严禁驶人高瓦斯工区和瓦斯突出工区。

（十四）瓦斯隧道严禁火源进洞。任何人员进人隧道前必须在洞口进行登记并接受检

查人员的检查,进人瓦斯突出工区的作业人员必须携带个人自救器。

（十五）发生瓦斯事故后,应尽快探明事故性质、原因、范围、遇难人数和事故地点

所在的位置，以及洞内瓦斯及通风情况，并立即制定抢救方案。

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表5.2 隧道内瓦斯浓度限制值及超限处理措施

六、岩爆地段施工

（一）隧道施工中可能发生岩爆时，应遵循以防为主，防治结合的原则,对开挖面前

方的围岩特性,水文地质情况等进行预测、预报，当发现有较强烈岩爆存在的可能性时，应及时研究施工对策措施，作好施工前的必要准备。

（二）在岩爆隧道施工过程中，应采用下列方法进行地质预报：

(1) 以超前探孔为主,辅以地震波,电磁波、钻速测试等手段； (2) 开挖面及其附近的观察预报,通过地质的观察、素描,分析岩石的“动态特性”，

主要包括岩体内部发生的各种声响和局部岩体表面的剥落等； (3) 采用工程地质类比法进行宏观预报。

（三）应根据岩爆强度大小对其进行严格分级,针对不同的岩爆级别可采取下列技术

措施：

(1) 微弱岩爆地段，可直接在开挖面上洒水，软化表层，促使应力释放和调整。 (2) 中等岩爆地段，在隧道开挖断面轮廓线外10～15cm范围内，在边墙及拱部,

打设注水孔,并向孔内喷灌高压水，软化围岩，加快围岩内部的应力释放。 (3) 强烈岩爆地段，除采用上述1、2款的方法外，在浅理地段，可采用在地面钻

孔注水的方法，大范围软化围岩。对双线或多线隧道，可先掘进贯通一个断

2

面积为15～30m的小导洞，使岩层中的高地应力得以部分释放，再进行隧道的开挖。

（四）在可能发生岩爆的隧道中施工，应遵守“短进尺，多循环”的原则，具体应符

合下列要求:

(1) 采用短进尺,一般情况下,每循环进尺宜控制在1.0～1.5m，最大不得大于

2.0m；

(2) 采用光面爆破技术，使隧道周边圆顺，降低岩爆发强度； (3) 采用网喷钢纤维混凝土；

(4) 施作超前锚杆，对于岩爆强烈的开挖面，可采用超前锚杆，对开挖面前方的

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围岩进行锁定；

(5) 在拱部及两侧边墙布置预防岩爆的短锚杆，该锚杆长度宜为2m左右，间距宜

为0.5～1.0m,并宜与钢纤维喷射混凝土联合使用，形成喷锚加固作用。

（五）隧道施工中,一旦发生岩爆,应立即采取下列处理措施：

(1) 彻底停机待避，同时进行工作面的观察记录，如岩爆的位置、强度、类型、

数量以及山鸣等；

(2) 在工作面、边墙和拱部，每一循环内进行2～3次找顶； (3) 采用能及时受力的摩擦型锚杆；

(4) 采用喷射钢纤维混凝土，厚度宜为5～8mm；

(5) 当用台车钻眼，岩爆的强度在中等以下时，可在台车及装碴机械、运输车辆

上加装防护钢板,避免岩爆弹射出的块体伤及作业人员和砸坏施工设备。 七、浅埋偏压地段施工

另外，岩山隧道存在超浅埋段。DK219+160~DK219+192段拱顶以上埋深仅不足4m， DK220+810~DK210+950段拱顶以上埋深仅20m。部分隧道洞口段还存在偏压现象。隧道开挖中应根据各隧道不同的地质情况分别采取不同的技术措施。 （一）浅埋段施工原则及对策

浅埋隧道按照 “保护围岩，控制变形，你变我变，动态管理，确保掌子面安全”的原则进行施工。施工对策按照：“先探测、管超前、预注浆、小断面、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”等施工原则施做。 （二）超前注浆堵水，加强渗漏水防治

由于隧道浅埋，开挖后地表水沿裂隙向隧道渗漏，易使地表水漏失、流量减少，地下水水位下降，洞顶坍塌等，能逐步加大对导水裂隙的侵蚀和潜蚀作用，从而使围岩的导水作用进一步加强，同时因地表水漏失，沟溪流量减少，从而影响到当地居民和牲畜的引水和农田灌溉等问题，因此隧道富水浅埋地段施工时必须首先进行超前注浆堵水，加强渗漏水防治。 （三）加强地质超前预测及预报

超前预测，你变我变，确保掌子面安全。掌子面施工是隧道施工的“龙头”，掌子面安全是隧道施工质量和进度管理的重点。上场后针对浅埋地段进行地质超前预报、配备TSP203、地质雷达及数码相机等，用仪器探测法、开挖断面地质素描分析法、数码相机成像分析等方法进行预测预报，根据预测结果，针对性地进行开挖、支护。 （四）、选择安全有效的开挖方法

浅埋段围岩一般极为破碎，且裂隙水发育，在开挖方法上，选择适应围岩稳定的开挖方法，从爆破开挖变为机械或人工直接开挖。在洞口浅埋偏压段开挖前进行预支护，拱部采用超前大管棚或超前小导管预注浆进行围岩加固，并起到止水的目的，使破碎带的岩体处于固结封闭状态，并防止地下水浸蚀渗透作用，增加岩体的强度。软岩段采用中隔壁法（CD或CRD工法）开挖，偏压地段采用双侧壁导坑法开挖，开挖后用喷、锚、网、钢架等联合支护形式稳固开挖面，并及时做好仰拱，形成封闭环。 八、放射性地段施工

放射性物质的重要特点之一是不断地释放出射线,产生辐射照射。当人体接受的放射剂量超过一定值时,人体的机能就要受到损伤,它的危害程度与放射性质、强度、距离和人体吸收辐射率、受照时间有关。

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除了按一般隧道开展常规地质工作外,针对放射性这一特殊的地质问题,还增加了放射源区的勘测、开展辐射环境评价两项工作。 （一）放射性地段隧道施工的危害

在放射性异常地段施工，放射性对隧道及周围环境主要产生以下有害因素: (1) 隧道开挖及爆破时产生含矿粉尘对隧道内空气的污染;

(2) 从开挖后裸露的岩石及裂隙水中逸出的氡气及氡子体对空气的污染; (3) 隧道围岩中矿石γ射线对施工人员的外照射; (4) 放射性物质造成的表面污染;

(5) 施工中产生的废水、废气、废碴等放射物“三废”对环境的污染。 （二）放射源区的勘测及环境评价

(1) 隧道开挖前，应对放射源区进行专门研究，分析地质发展史,掌握隧道所处区

域构造的位置,查明隧道地处的局部构造、岩脉发育状况以及它们与矿点、矿化异常带之间的关系。 (2) 采用新技术、新方法查异常点、分散晕、分散流,找矿化带、构造裂隙发育带、

外接触带。注重矿化、水化分析,按影响程度划分等级区段，圈定影响范围。 (3) 放射性地段隧道施工期间，要做好放射性跟踪监测,密切注视地下水和空气中

放射性物质的变化；应采用辐射仪（如FD－3025定向辐射仪）监测放射性元素的含量和放射性元素的析出率及浓度等。

(4) 在施工期间，应充分利用平导及掌子面素描做好地质超前预报工作，及时掌

握掌子面附近及前方岩体中的放射性辐射情况。

(5) 根据监测结果。根据国家标准以及其它相关规定，确定放射性监测控制参数

（表5.3），对隧道辐射环境进行评价。

（三）辐射量估算

在隧道施工期间,施工人员将主要受到含铀矿段γ辐射和洞内氡及氡子体的吸入内照射。

在估算内照射剂量时,首先要计算氡子体α潜能暴露量。α潜能与作业人员工作环境密切相关,对于不同工作种类的人员要采用不同的模型来计算。

硐室模型

当通风时间很长,硐室内氡子体浓度达到平衡后,α潜能暴露量为

表5.3 有关参数和标准

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??

0.737λ3?λ1?λ2R

E=×(0.507+)?×107 ?0.103+

QQQ?Q

λ1+?λ2+λ3+

??V?VV?

式中:

E—α潜能暴露量,WL; Q—通风量,m3/s;

R—硐室内氡浓度为零时的氡析出量, ci/s;

λ1、λ2、λ3—分别为RaA、RaB和RaC的衰变常数,S-1; V—硐室通风空间的体积，m3。 均匀析出的巷道稳定通风模型 α潜能暴露量E为:

0.82?1.82

E=4.91×103RV巷Q

式中:

R—坐标原点至X0处这一段巷道内的氡析出量ci/s、坐标原点选在入口外; V巷 —坐标原点到坐标X0处这一段巷道内的体积,m3; Q—通风量,m3/s。

工作人员内照射剂量可按下式计算:

H内＝E?T?K

式中:

H内—内照射剂量,mSv； E—α潜能暴露量,WL； T—受照时间,h；

K—剂量转换因子(5.0×10-2mSv/WLh)。

对于开挖人员按硐室模型计算α潜能暴露量，对于初期支护人员及铺底碴人员按均匀析出的巷道稳定通风模型来计算。其中铺碴人员的α潜能暴露量按位于隧道正中位置来估算，通风量按自然通风来考虑。 （四）放射性地段辐射防护设计

按照国家已颁布实施的《放射性卫生防护基本标准》规定的放射防护三原则:即行为的正当化、防护的最优化以及必须遵守的个人剂量限值进行了如下工程辐射防护设计。

在隧道通过放射性地段时,应防止氡及氡子体析出和屏蔽放射性外照射,可采用如下措施：

z 采用以防渗砼为主的综合防护层；

z 并采用铺设无纺布、PE防水板、连接缝设BW止水条、不设泻水孔、全封闭断

面的措施，使地下水不进入正洞而从小导洞排至洞外集中处理； z 同时要求喷射、模注砼的密实度必须达到设计要求；

z 洞内永久排水沟采用密闭盖板式,以防止水中的氡气逸出；

z 在施工防护设计中主要是加强通风、洒水、防排水以及对“三废”处理和施

工监测方面的设计；

z 设计全隧道主体工程完工后，对隧道喷涂防氡涂料。

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在国内通过放射性矿段的隧道工程非常少，所能提供的经验非常少，应与放射性有关部门积极合作，大力加强这方面的研究工作。 （五）放射性地段隧道施工的措施

应积极做好施工组织和防护,及时准确地做好变更设计和记录工(1) 施工过程中，

作；

(2) 对施工中在隧道周边发现的局部零星的小块铀矿石,立即进行了清除并采用

素砼充填捣实,及时喷射砼。

(3) 对开挖出的少量铀矿石,用非矿石石碴在弃碴场就地集中掩埋,并在弃碴场四

周设排水沟。竣工后进行覆土±25 cm以上、夯实,自成封闭体系。

(4) 在施工中遇到的含有微量放射性物质的地下水及时排出洞外,并教育职工不

能用此水冲凉、洗衣服,更不能冲洗疏菜或饮用。并在隧道进、出口各修建了一座淋浴室且配有更衣箱、烘干机等,禁止工人把工作服带回宿舍。

(5) 严禁在洞内放射性物质浓度高的地段吸烟、吃东西和饮水等。施工人员在施

工时必须佩带防尘口罩，口罩中的活性炭定期更换。 (6) 适当注意营养保健并定期进行健康检查等。 （六）隧道贯通后的辐射监测及防护措施

(1) 隧道运营期间，应加强辐射监测工作；

(2) 采用井巷法和衬砌壁表面法测定放射性元素析出率及浓度；

(3) 根据监测结果，采取相应的防护措施，如向衬砌表面喷射放射性防护涂料。

第六节 下伏采空区的处理

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成“三带”——垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷，产生连续或非连续变形，如图5.1所示。采空区引起的岩体变形通常都要经历一个较长的时间，短者几年，长者数十年。当隧道处于岩体大变形区时，将对隧道稳定性留下极大隐患。对于铁路隧道而言，取决于采空区的位置、大小和离隧道的远近，可能造成路基沉陷、隧道偏压、冒顶等危害，必须引起足够重视。

图5.1 采空区上覆岩体中的三带

采空区的处理包括四个方面的内容：（1）采空区的勘探。探明下伏采空区的位置、大小、形状、上覆岩体力学特性等；（2）采空区的稳定性评价。基于采空区的

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探测结果，评价采空区的状态及可能对高速公路的危害；（3）采空区的治理。针对采空区的状态，提出采空区的治理措施；（4）采空区的治理质量控制。对采空区治理的施工进行监测，保证施工质量。 一、采空区的探测技术

在采空区的探测方面，目前国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平[9]。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT 技术方面也发展迅速。 二、采空区稳定性分析评估

采空区稳定性分析评价方法可分为预计法、解析法、半预计半解析法及数值模拟方法。

预计法

传统的矿山开采沉陷的预计理论及方法较多，主要有：(1) 基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等。(2) 在波兰推广使用的Budryk-Knothe 理论法。(3) 在我国广泛使用的概率积分法，以波兰学者李特威尼申(J.Litwiniszyn)提出的随机介质理论为基础，后来得到一定发展。这些方法在高速公路下伏采空区的危害性评价中经适当改进后可应用。还有一些其他预计方法，如灰色预测方法及稳健统计方法、采空区矢量法、模糊数学方法等，但这些方法尚不成熟，需在实践中进一步验证。

解析法

解析法是对采空区进行简化，建立地质模型，再按一定的原则抽象为一个理想的数学物理力学模型，推导其理论计算公式求解，如结构力学方法，就是计算采空区地下残留硐室和矿柱稳定性的一种常用方法，有单硐室或多硐室弹性地基上梁模型或拱模型等。

半预计半解析法

半预计半解析方法是预测法和解析法的结合，如B. Dzezli 教授在Budryk-Knothe 理论基础上引入Fourier 二维积分变换形成的方法。

数值模拟方法

数值模拟方法由于其极强适应性，越来越得到广泛的应用。采空区数值模拟可使用有限单元法、边界单元法、离散单元法及有限差分法等。

图5.2为高速公路下伏房柱式采空区稳定性综合检算流程图。 三、下伏采空区处治技术

对于高速公路的下伏采空区的处理有以下措施供铁路参考。

（一）地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合措施，以吸收和抵抗变形。

（二） 采空区地基处理措施，预防和控制地表残余沉陷的发生。此类方法可细分为4 种：

(1) 全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力

充填和风力充填等，其中，以注浆法应用最广泛、效果最好；

(2) 局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落，常用

的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；

充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、(3) 注浆加固和强化采空区围岩结构，

裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷

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的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全[36]； (4) 采取措施释放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强制措

施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞，在沉陷基本稳定后再开发利用地表土地，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。

（三）对公路、铁路，也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维修方案。

采空区及高速公路资料收集和分析 地表局部塌陷检算 地表整体下沉检算 深厚比初步评价 采空区煤柱强度检算 采深/采厚>40? 否 是 否 煤柱安全? 是 否 有上覆松散地层? 是 顶板安全性检算 否 采空区底板强度检算 底板满足要求? 是 否 地表下沉检算 顶板安全? 是 临界开采深度检算 是 否 地表下沉<限值? 否 采深>临界深度? 是 稳定。不需要处理 不稳定。需要处理 图5.2. 下伏房柱式采空区稳定性综合检算流程图

四、采空区治理质量监控技术

采空区的质量检测主要检测项目有采空区充填率、充填体厚度，地表变形，地层渗透性变化以及注浆范围的检测。采空区质量检测中填充率检测、填充厚度检测和注

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