大斷面隧道設計施工中的

關鍵問題

西南交大關寶樹6/24/20251一、背景1、世界范圍內，鐵路建設的重新定位，一些長大隧道，不斷涌現。例如歐洲共同體，啟動了新一輪的高速鐵路建設計劃，其中在穿越阿爾匹斯山區的線路上出現了幾座特長鐵路隧道（圖1）。6/24/20252穿越阿爾匹斯山幾座特長鐵路隧道6/24/202536/24/20254在日本5條新干線的整備計劃中，隧道工程量也是相當可觀的。北陸新干線輕井一長野段，長83.6km，隧道約占44％(36.8km)；東北新干線宮內—八代段，長60.0km，隧道約占85％(51.5km)；九州新干線八代一西鹿兒島段，長125.2km，隧道約占70％(87.7km)。在這些線路上也出現了幾座長隧道，如巖手隧道長25.8km，紫尾山隧道長10.0km等。6/24/20255日本新干線的修建把日本的隧道技術水平提高到一個新的起點。其中一個重要標志，就是長隧道的涌現。例如日本的東北新干線在盛崗~八戶間約94.5km的線路上，有70%左右（約69km）是隧道。其中巖手隧道是長25.8km的長隧道。在東北新干線的八戶~新青森間的81.2km的線路上，隧道約占60%（49.89km）。其中八甲田隧道長26.455km，比巖手隧道（25.8km）略長一些。2000年3月所有工區都陸續開工。北陸新干線的長野~上越間隧道約占65%，其中飯山隧道長22.2km，是目前施工難度比較大的一座長隧道。長野~高琦間的五里峰隧道長15.2km也政治施工中。另一個特點就是，在新干線隧道工程中采用了不少新技術，新工藝、新材料。6/24/20256德國于80年代初期動工修建的從漢諾威到威爾茲堡新干線，長327km，隧道總延長達118km，占線路長度的37％。包括長達10.7km的蘭得呂肯隧道。另一條從曼海姆到斯圖加特線路，長100km，隧道約占30％(30km)。6/24/20257瑞士聯邦鐵路也計劃修建穿越阿爾卑斯山的新隧道。該計劃包括4條高速鐵路比選方案。將要修建多座特長隧道。這些隧道分別是：樂琴山隧道（38.2km）、辛普郎隧道(35.4km)、圣哥達隧道(49.3km)、斯普林肯隧道(46.7km)和Y型隧道（25.7km）。6/24/20258意大利從羅馬到佛羅倫薩的線路，長度237km，其中穿越阿爾卑斯山的線路實際長度只有78.2km，而且隧道的總延長則達85km。其中，主隧道長度為73km，輔助隧道長度達12km。6/24/20259臺灣正在修建的臺北到高雄的高速鐵路全長333km，共有總延長39km的50座隧道，最長的隧道約8.4km，隧道比重為11.7％。其中36座隧道將采用掘進機法或鉆爆法施工，其余11km用明挖法修建。6/24/2025102、我國客運專線的啟動，引發新一輪鐵路隧道的建設。例如我國鐵路開始的新一輪鐵路建設，在總長12500km的鐵路線上，隧道總延長約2500km，而目前開始修建的客運專線就有近700km的單、雙線鐵路隧道，長度超過10km以上的，有10多座，其中最長的太行山隧道，長度達27.8km，目前已經開始修建。我國長度超過10km的鐵路隧道列于表1。6/24/202511表1中國特長鐵路隧道表序號隧道名稱長度（m）線別建設時期1太行山隧道27892石太客專在建2烏鞘嶺隧道20050蘭武線20063秦嶺Ⅰ線隧道18456西康2000．54秦嶺Ⅱ線隧道18456西康2003．125大瑤山隧道14294衡廣復線1987．126野三關隧道13845宜萬線在建7北天山隧道13573精河～霍爾果斯在建8呂梁山隧道13365太原～中衛規劃9大別山隧道13251武漢合肥規劃10霞浦隧道13124溫州福州線規劃11長梁山隧道12782朔黃2000．312東秦嶺隧道12268西合線2003．313堡鎮隧道11588宜萬線在建14南梁隧道11451石太客專在建15通海隧道11115玉溪蒙自鐵路規劃16圓梁山隧道11068渝懷2004．1217金寨隧道10682武漢合肥規劃18大巴山隧道10655襄渝線規劃19齊岳山隧道10469宜萬線在建20大瑤山一號10080武廣客專在建6/24/202512根據統計，截止2004年底的統計數據，各國已經建成通車的、正在修建的和規劃中的長度超過10km以上的公路隧道及鐵路隧道，共有117座，其中中國擁有22座。約占20％。6/24/202513NO隧道名稱長度（km）所在地開通時間1GotthardBase57.1瑞士施工中2BasisBernner55.0澳大利亞·意大利規劃中3青函53.9北海道·青森19884BasisMondAmbin52.1法國·意大利施工中5Channel（Euro）50.5法國·英國19946LotchbergBase34.6瑞士施工中7Koralm32.8澳大利亞規劃中8Guadarrma28.4西班牙施工中9太行山27.9中國規劃中10八甲田26.5日本施工中11巖手一戶25.8日本200212PajaresBase24.7西班牙規劃中13Lainzer

Wienerwald23.9澳大利亞規劃中14飯山22.2日本施工中15大清水22.2日本198216烏鞘嶺20.1中國施工中17Belledonne20.0法國規劃中18LaGrandeChartreuse20.0法國規劃中19Lianoklade

Domokos20.0希臘規劃中20Simplon（No2）19.8瑞士·意大利192221Simplon（No1）19.8瑞士·意大利190622ZimmerbergBasis19.7瑞士施工中23SemmeringBasis19.2澳大利亞竣工24Vereina19.1瑞士199925ChannelTunnelLink19.0英國施工中26新關門18.7日本197527Vaglia18.6意大利施工中28Apennino18.5意大利193429秦嶺Ⅰ－Ⅱ18.5中國200330Valico16.6意大利

31六甲16.3日本197232PurkaBase15.4瑞士198233榛名15.4日本19826/24/20251434Severomuyskiy15.3俄羅斯200135五里峰15.2日本199736Firenzuola15.1意大利施工中37MonteSantaomarco15.0意大利198738StGotthard15.0瑞士188239CeneriBasis15.0瑞士施工中40Civ415.0澳大利亞規劃中41CveneriBasis15.0瑞士規劃中42中山14.9日本198243Lotchberg14.6瑞士191344Mout

McDonaid14.6加拿大198845Romeriksporten14.6挪威199946Cikarija14.3克羅地亞規劃中47大瑤山14.3中國198748TaiwanHSRproject14.0中國臺灣施工中49北陸13.9日本196250野三關13.8中國施工中51北天山13.6中國施工中52Frejus13.5法國·意大利187153新清水13.5日本196754Savio13.5芬蘭規劃中55呂梁山13.4中國規劃中56HexRiver13.4南非

57大別山13.3中國規劃中58Bosporus13.3土耳其規劃中59Caponero

Capoverde

13.3意大利200160Sciliar13.2意大利199361霞浦13.1中國規劃中62安蕓13.0日本197563Peloritana12.8意大利200164長梁山12.8中國200265Inntal12.7澳大利亞199466NewCascade12.5美國192967Lainzer12.3澳大利亞施工中68東秦嶺12.3中國20036/24/20251569NovoKunsnetzkij12.2俄羅斯195770Bussolenobypass12.1意大利規劃中71JammuUdhapur12.0印度規劃中72Epine

－Ⅱ12.0法國規劃中73筑紫11.9日本施工中74北九州11.7日本197575福島11.7日本198276Wienerwald11.6澳大利亞施工中77堡鎮11.6中國施工中78Radfeid

Wiesing11.4澳大利亞施工中79頸城11.4日本196980Flathead11.3美國197081南梁11.2中國規劃中82鹽澤11.2日本198283藏王11.2日本198284通海11.1中國規劃中85Monterotond11.1意大利施工中86圓梁山11.1中國200587SanDonand11.0意大利198688ParisCDG10.8法國規劃中89Landruckenn10.8德國198890金寨10.7中國規劃中91大巴山10.7中國規劃中92Lierasen10.7挪威197393Pianoro10.7意大利施工中94Finse10.6挪威199395Stans

Terfens10.6澳大利亞施工中96Mundener10.6德國199197齊岳山10.5中國施工中98Raticosa10.4意大利施工中99生田10.4日本1976100赤倉10.3日本1997101NewKuanying10.3中國臺灣規劃中102Ariberg10.2澳大利亞1884103SantaLuciaBasis10.2意大利1977104大瑤山1號10.1中國規劃中6/24/202516

10km以上的公路隧道NO隧道名稱長度所在地開通1Laerdal24.5挪威20002終南山18.0中國施工中3StGotthard16.9瑞士19804Ariberg14.0澳大利亞19785雪山12.9中國臺灣施工中6Frejus12.9法國·意大利19807MontBranc11.6法國·意大利19658Gudvanga11.4挪威19919Folgefonn11.2挪威199110關越（上）11.1日本199111飛彈10.7日本施工中12Gran

Sasso10.2意大利198413LetunnelEst10.1法國施工中注：隧道長度，按4舍5入計，取小數點后1位。本表的中國數據到2005年4月，其它國家到2003年7月。6/24/202517因此，在隧道工程領域中，我們不僅是一個名副其實的“隧道”大國，而且正在向“隧道”強國邁進。6/24/2025183、這些鐵路隧道都是以高速為基礎修建的,因此，凈空斷面積

增加較多，特別是開挖斷面積增大了，給設計施工帶來新的問題。國家線別線路長度（km）設計最高速度（km/h）營業最高速度（km/h）隧道數量雙線標準斷面積（m2）日本東海道51521027069/13%63.5山陽563250300268/47%63.5東北593260275184/63.4上越275260275107/39%63.5北陸11726026063/54%63.5九州12826026085/69%63.5法國南東410300300－－大西洋28435030016/6%71北歐333350300－100地中海250350300（320）13/5%100德國ICE9930028030/30％82哈諾法327300330120/37%82法蘭克22%92意大利羅馬23730025071/30%西班牙馬德里47130030016/3%75英國CTRL10930030026/24%韓國KTX412350300189/46%107中國臺灣臺北34535030065/19%90合計624213396/24/202519這些長隧道的修建，無疑地是一個新的機遇和挑戰，我們應該利用這個機遇，將我國的隧道設計、施工及維修管理的技術提高到一個新的水平。應該指出，我國近4000km的鐵路隧道和近1000km的公路隧道，以及水工隧道、部分地下鐵道，基本上是采用礦山法修筑的，因此，這次發言也把重點放在客運專線的隧道工程，以礦山法修建隧道的技術現狀和發展上。6/24/202520

在經濟發展的今天，由于環境保護意識的增強，高速鐵路進入一個新的發展時期。由于新的鐵路干線的修筑是以高速為前提的，這必然會出現大量的隧道群，其中超過十公里或幾十公里的長隧道也必然出現。這些隧道共同的特征是：長；斷面變化多；埋深大；地質條件變化多。因此對隧道的設計、施工包括運營管理都提出了不同的目標要求。修建這些隧道的目標要求可以歸納為：

·品質，要具有良好的耐久性、易于維修管理；

·不能對周邊環境造成長期的影響；

·創造一個安全、舒適的作業環境；

·工期短、速度快、造價低。隧道的設計施工技術應該滿足這些起碼的目標。6/24/202521二、客運專線的隧道特點6/24/202522為了迎接市場競爭的挑戰，近期，鐵道部啟動了以250km/h、300km/h和350km/h速度為目標的客運專線的建設工程，我國的鐵路建設又進入了一個新階段。由于速度的跨越，對構成線路的各種結構物，包括橋梁、隧道、軌道、路基等，提出了更加嚴格的要求和標準，也提出來許多前所未有的新課題。目前，正在建設的和擬建的幾條客運專線都有大量的隧道工程涌現。在客運專線條件下，如何針對隧道觀察的特點、認識和解決所面臨的新問題，是一個值得研究的問題。6/24/202523一、列車運行的高速度，引起的列車——空氣動力學問題突出，不容忽視；這包括：

·隧道凈空有效斷面積的確定－舒適性；

·列車運行產生的空氣壓對結構物的影響－耐久性；

·對周邊環境的影響－緩沖結構的設置。三個方面的問題。首先，如何認識客運專線中隧道工程與一般線路中隧道工程有何不同。6/24/202524二、考慮列車高速運營的特點，隧道的凈空有效斷面積增大，例如在350km/h速度的條件下,Ⅴ級圍巖隧道的開挖斷面積可達170m2，屬于超大斷面隧道的范疇，與三車道公路隧道的開挖斷面積相當，給設計、施工提出來許多新課題；6/24/202525三、由于開挖斷面積的增大，施工難度也急劇增加，特別是對一般地質條件下的初期支護技術和不良地質條件下的超前支護技術，提出來很高的要求；6/24/202526四、列車高速運行的作用，對洞內軌道（包括基底結構，如仰拱或鋪底、混凝土填充層等）的影響增大，不僅需要加強基底結構，對襯砌結構也具有一定的影響，不容忽視。6/24/202527五、對襯砌混凝土的耐久性，如抵抗列車風壓的疲勞特性；如何保證初期支護的噴混凝土的耐久性?，以及大斷面襯砌結構的抗開裂特性等，都提出來了明確的要求；6/24/202528六、由于這一輪隧道工程的數量特別巨大，因此，降低工程造價，意義也特別重大。6/24/202529總之，目前要解決的問題是：高速運營條件下的超大斷面隧道的設計施工問題。因此、客運專線的隧道工程，將是提高我國隧道設計施工技術的重要機遇。我們應該下大力氣，切實地做出具有時代意義的貢獻。6/24/202530何謂大斷面？目前我國大斷面（三車道）公路隧道已開始修建，如聯絡重慶市的幾條高速公路也從一開始就決定采用3車道的大斷面隧道，如鐵山隧道，大梅沙隧道、大寶山隧道等都是三車道大斷面的。由于3車道公路隧道的斷面積比雙車道大得多,例如，第二東名公路初期建設的三車道隧道的斷面積為113～170m2比一般雙車道的85m2大1.5～2.0倍。目前為適應140km/h高速度的要求而規劃的3車道公路隧道，其斷面積達170m2～200m2，局部斷面達230m2的超大斷面，開挖寬度達23m。較初期三車道隧道斷面又增加了1.3～1.5倍。英法海峽隧道分叉處斷面的開挖寬度達21.2m，開挖高度達15.4m，開挖斷面積為252.2m2。又如，日本的第二布引隧道，在分叉段是從2車道（凈空斷面積59m2）變化到3～4車道的斷面（最大開挖寬度24m、開挖斷面積240m2）。6/24/202531

大斷面隧道的分類

隧道斷面劃分和開挖斷面積（日本）劃分開挖斷面積(m2)說明標準斷面大斷面超大斷面70~80100~120>140雙車道有人行道的雙車道車道與路面寬相同的三道6/24/202532日本公路隧道斷面劃分的基準（2003年）通常斷面大斷面小斷面凈空寬度（m）8.5～12.512.5～14.03.0～5.0凈空形狀上部斷面為單心園上半斷面為三心園上半斷面為單心園，側壁為直墻凈空縱橫比約0.6以上約0.57以上約0.8以上凈空斷面積（m2）約40～80約80～100約8～166/24/202533

國際隧協的斷面劃分劃

分凈空斷面積(m2)超小斷面小斷面中等斷面大斷面超大斷面<3.03.0~10.010.0~50.050.0~100.0>100.06/24/2025346/24/202535

大斷面意味著什么？在同樣圍巖條件下，隨著開挖斷面積的增加，意味著：

1、掌子面的穩定性的降低；

2、施工難度、特別是施工安全管理的難度增大；

3、施工風險的發生概率加大；

4、結構物質量要求的提高。6/24/202536隧道工程管理的基本問題安全：安全為主線技術：確保掌子面穩定和施工質量管理：實現風險管理6/24/202537最近一段時間，安全生產形勢十分嚴峻。特別是地下工程，表現得更為明顯。其中瓦斯爆發事故占了很大比重。董家山隧道的特大瓦斯爆發事故就是一例。因此，提高安全生產的意識是非常重要的。6/24/202538

所謂提高安全生產意識或風險意識，實質上是要認識到任何生產都存在著風險，只是風險有大、有小，有的是可以接受的，有的是不可以接受的。特別是對地下工程來說，風險常常是在災難性的，也是不可以接受的。瓦斯爆發、大規模的塌方等就屬于這種類型的風險。因此、減少風險、控制風險和防止風險就成為工程管理中的重大課題。6/24/202539

如何減少風險、控制風險和防止風險，就要依靠純熟的技術和完善的管理。因此，技術和管理就成為工程管理中的重要手段。沒有純熟的技術和完善的管理，就談不上風險的控制。因此，不管是業主、還是設計、施工以及監理都必須下大力氣，狠抓“技術”和“管理”。6/24/202540技

術1、確保掌子面的穩定；2、大力提高支護結構，特別是初期支護的支護能力，特別是噴混凝土的性能；3、多機作業，盡可能地縮短各項作業的時間；施工方法要為采用大型施工機械或多臺機械同時施工創造條件；4、提高混凝土襯砌的施工水平，防止襯砌的初期開裂；5、采用根本性的措施，確保防水的質量；6、設計和施工要采取措施盡可能地減小開挖斷面積；6/24/202541一、掌子面穩定性

在大斷面條件下，如何控制掌子面的穩定性，減少和預防掌子面出現坍塌的風險，是極為重要的。特別是在通過各種不良地質地段時。從風險的角度看，掌子面失穩有多種方式：

·掌子面擠出；

·掌子面拱部坍塌；

·上半斷面拱腳下沉；

·底部鼓起等。從技術角度出發，預防和減少上述風險發生的主要方法也是多種多樣的。

·超前支護；

·擴大拱腳、設置拱腳錨桿或錨管；

·正面噴射混凝土和錨桿；

·底腳錨桿或錨管等。6/24/202542例如意大利在修建高速鐵路隧道中，曾采用以下穩定掌子面的方法。這些方法都是為了確保掌子面穩定，減少施工風險而形成的。6/24/2025436/24/2025446/24/202545掌子面超前支護是采用鋼管、插板以及注漿等，沿隧道外輪廓，以低角度打設方式加固掌子面前方圍巖、約束圍巖松弛、掉塊的方法。超前支護，基本上是借助構件的抗彎剛度發揮作用的，因此，采用抗彎剛度大的構件是有利的。6/24/202546í?2μ￥??1ü3??°?§?¤ày6/24/202547í?3??±3°?3??°?§?¤ày6/24/2025486/24/202549í?10?y????é??ì?yíáày6/24/202550í?11?ò?íD??§?òμ???×ó???ó??ày6/24/202551上述的掌子面超前支護方法，在大斷面的條件下應用，雖然起到一定的作用，但其作用會受到一定限制。也就是說，在大斷面的條件下，為了確保掌子面的穩定，必須加強超前支護的作用，讓超前支護盡可能形成一種工法。6/24/202552超前支護工程實踐證實，在地質不良的地段，發展各種穩定掌子面的輔助工法并使之模式化是極為重要的。日本、意大利在這方面都做了極有成效的工作。定義：以穩定掌子面和地層下沉為目的的拱形薄殼結構體。即：不僅沿隧道縱向具有梁結構的作用，在橫斷方向還具有拱形結構支護效果的支護。適用范圍：

1、需要提高掌子面穩定性的土砂圍巖；

2、以控制地表下沉和相鄰結構物的影響為主要目的的場合；如淺埋地點、接近重要結構物施工的場合等6/24/202553標準化的超前支護日本在新版“城市礦山法隧道技術標準”（2004年）中，把超前支護類型、參數及適用條件做了具體的規定，超前支護已經標準化。6/24/202554超前支護由于構筑方法的不同，有的是以橫向剛性大的拱形構造為主，有的是以縱向連續性強的梁構造為主，也有具有兩者功能的。其分類列于下表。

超前支護方法分類超前支護的分類預計的功能預襯砌方式隧道橫向剛性大（拱結構）水平噴射注漿方式隧道縱向剛性大（梁結構）長鋼管注漿方式6/24/202555預襯砌其標準參數如下。超前支護厚度：１７０ｍｍ設置范圍：１２０o（１１５o～１２５o）設置角度：７o（５o～１０o）縱斷方向鉆孔長度：４.０ｍ縱斷方向充填長度：３.５ｍ搭接長度：０.５ｍ超前殘余長度：１.０ｍ（１.０～２.０ｍ）．6/24/202556水平噴射注漿方式其標準斷面如下：噴射改良體直徑：６００ｍｍ設置范圍：１２０o（１２０o～１８０o）設置角度：５o（５～１０o）縱斷方向鉆孔長度：１３.０ｍ（９～４８ｍ）縱斷方向改良長度：１０ｍ搭接長度：１.０ｍ超前殘余長度：４.０ｍ（３.０～４.０ｍ）設置間距：６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ）6/24/202557長鋼管注漿方式標準斷面如下：鋼管直徑：１１４３ｍｍ設置范圍：１２０o（５０～１８０o）設置角度：５o（４～３０o）縱斷方向鉆孔長度：１２.５ｍ（４～４０ｍ）縱斷方向注漿長度：１２５ｍ（４～４０m）搭接長度：３.５ｍ超前殘余長度：３.５ｍ（１.０～７.５ｍ）設置間距：４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ）6/24/202558除預襯砌方式外，其它兩種方式，我們也是經常采用的。也取得不少的經驗，因此，當務之急是如何提高超前支護技術的水平，一個重要措施就是首先要建立模式化的、標準的超前支護工法體系，在此基礎上，根據我們的實踐確立各種超前支護的類型、設計參數及使用機械的配套。6/24/202559預襯砌工法的機械預襯砌工法采用的機械，有2大類：1、排鉆。示于下圖。用其鉆設槽形孔，中央的鉆用于壓注砂漿或混凝土，形成拱形混凝土殼體。6/24/2025602、裝備有切槽鉆頭的專用機械，用于鉆孔，同時充填混凝土。其機械概況示于下圖。6/24/202561腳部的施工機械之一6/24/202562腳部施工機械之二6/24/202563二、支護結構

在大斷面的條件下，隧道支護結構需要加強。加強的程度應與標準斷面的作用相同。加強的途徑有二。其一是改變過去采用的支護結構參數，如增加噴混凝土厚度，加密鋼支撐間距等；這是我們目前采用的主要方法。另一個方法就是改變材料的規格，例如高強度噴混凝土、高承載力錨桿等。第1種方法的后果，就是：加大了開挖斷面積，這也是在同樣凈空斷面積的條件下，我們的開挖斷面積比較大的原因之一。第2種方法，是其他國家采用的主要方法。結果不僅提高了支護結構的效果，也縮短了作業的時間。6/24/202564支護結構的構成隧道的支護結構包括：初期支護；噴混凝土、錨桿、鋼支撐或格柵超前支護；二次襯砌：包括仰拱及底板；臨時支護：需要拆除的支護構件，如中隔壁等。6/24/202565初期支護在初期支護中，噴混凝土具有獨特的作用。是如何情況下，都是不可缺少的支護手段。因此，在大斷面隧道中，對不斷提高噴混凝土的性能，寄予極大的期望。6/24/202566噴混凝土的幾個關鍵性的性能指標1、設計基準強度2、初期強度：3、附著強度；4、附著配比；5、回彈率；6、粉塵量。6/24/202567

1、設計基準強度噴混凝土不僅是初期支護的一個重要構件，也是永久支護的一個重要組成部分。因此在許多國家都規定噴混凝土的設計基準強度，采用與襯砌混凝土同等的強度。不僅如此，考慮到材料、配比或者施工機械的技術進展，噴混凝土穩定的高強度已經成為可能，因此噴混凝土的設計基準強度有向高強度方向發展的趨勢。例如，日本第二東名·名神高速公路，在大斷面隧道中，采用材齡28天的抗壓強度36N/mm2作為設計基準強度。也有的國家規定在不良地質條件下采用高強度噴混凝土的建議。6/24/202568在一般地質條件下的隧道，噴混凝土設計基準強度采用與襯砌混凝土強度相當的建議是可行的。另外應該指出，在歐洲一些國家的噴混凝土規定中，很少有采用小于C25等級的噴混凝土。在不良地質條件下的隧道，應該提高噴混凝土的強度等級，采用高強度混凝土也是合適的。6/24/202569

噴混凝土抗壓強度劃分

EFNARC的標準

強度劃分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圓柱體試件24283236404448立方體試件303540455055806/24/202570

挪威的標準

噴混凝土抗壓強度劃分

抗壓強度(MPa)C30C35C40C45C50C55立方體試件的最小抗壓強度303540455055取樣試件的最小抗壓強度19.222.425.628.832.035.26/24/2025712、初期強度一般說，噴混凝土是最先施設的，都希望它盡快地發揮作用，這是我們要求噴混凝土具有一定初期強度的目的。設定噴混凝土初期強度的場合，應考慮隧道開挖條件及隨掌子面進展產生的圍巖動態，以充分確保掌子面及其附近圍巖的穩定，取24小時以內的強度為標準。初期強度，應根據圍巖條件和施工條件，可以取24小時以外的強度為標準，有的國家就是以3小時的強度作為基準的。6/24/202572初期強度的設定值與設計基準強度一樣，因隧道功能、斷面形狀等構造條件、荷載條件及設計方法等而異。下表是日本各單位的初期強度設定事例。6/24/202573

日本噴混凝土初期強度設定事例單位類別材齡3小時抗壓強度（N/mm2）材齡24小時抗壓強度（N/mm2）道路協會噴混凝土－5鐵道建設·運輸設施高品質噴混凝土1.58道路公團噴混凝土－5高強度噴混凝土210高強度纖維噴混凝土2106/24/202574歐洲，根據掌子面的進展，考慮確保掌子面及其附近的圍巖穩定的重要性，要求噴混凝土具有圖示的初期強度。6/24/202575J1：（A~B）：適用于干燥圍巖、薄層施工的場合J2：(B~C)：適用于厚層施工和有涌水，受到后續作業直接作用的場合J3：(C以上)：只適用于特殊條件的場合（例如，大量涌水的場合）6/24/2025763、附著強度噴混凝土與圍巖及其它物體的附著，是發揮噴混凝土支護作用的關鍵指標。許多國家都有明確的規定。6/24/202577

噴凝土的歐洲標準（EFNARC)G規定的附著強度如下表所示，通過附著試驗核查。

附著強度最小值（MPa)附著的劃分與混凝土的附著與巖體的附著非結構物0.50.1結構物1.00.5挪威規定附著強度在0.2～1.8MPa之間。6/24/202578巖類等礦物粒子大小附著強度

粗糙面破壞面片巖粘土礦物、綠泥石非常細0.24±0.180.28±0.11云母片巖石英、長石、云母中位0.58±0.190.85±0.35片麻巖（葉狀構造）石英、斜長石、云母、角閃石中位0.19±0.050.51±0.11片麻巖（葉狀構造）石英、斜長石、云母、角閃石中位1.53±0.281.8砂巖（裂隙多）石英、長石細（1.1）破壞面（1.1）破壞面砂巖石英、長石細1.81.8泥灰巖方解石、粘土礦物細1.491.84石灰巖方解石細1.58±0.121.54±0.30大理巖方解石中位1.38±0.301.52±0.28花崗巖、閃綠巖石英、斜長石、黑云母粗0.34±0.121.12±0.20花崗巖、閃綠巖石英、斜長石、黑云母中位1.04±0.321.40±0.26花崗巖、閃綠巖石英、斜長石。黑云母細～中位1.48±0.451.71±0.14輝綠巖斜長石、輝石細～中位1.56±0.251.7木版－－1.71.7噴混凝土表面－－1.71.76/24/2025794、附著配比對工程來說，噴混凝土的附著配比是最有意義的。附著配比指的是：噴混凝土噴射后附著在圍巖上的配比。它與噴射配比、噴射工藝以及噴射工的技術熟練程度有直接的關系，不容忽視。下表是歐洲的一個標準。噴射后噴混凝土強度（附著配比）C30C35C40C45C50C55噴射前噴混凝土強度（噴射配比）C38C43C48C54C60C656/24/2025805、回彈率及粉塵濃度回彈意味著粗骨料的損失，而粉塵則意味著微細顆粒的損失。這兩者對附著的噴混凝土質量，具有重要的影響。因此，噴射施工中，如何控制回彈和減少粉塵的發生是很重要的課題。也是確保噴混凝土質量的重要課題。在質量控制中，有的國家規定：回彈不能大于20％，粉塵濃度不能大于5mg/m3，否則，就是不合格。6/24/2025816、噴射機械噴射機械的性能和能力是減少噴混凝土質量離散性的重要保證。特別是，在大斷面隧道中，一次噴射混凝土的數量有所增加，同時為了縮短噴射時間，采用大容量，高性能的噴射機械，已是大勢所趨。因此許多國家都規定了噴射機的要求性能。如單位時間的噴射量等。有的更明確規定，噴射機的生產效率應在10m3/h以上。許多施工單位也都認識到這一點，開始采用大容量的噴射機，是非常英明的決策。6/24/202582錨桿錨桿的支護作用是不能忽視的。特別是在大斷面隧道的條件下。錨桿是隧道施工過程中，維護圍巖穩定，保證施工安全的重要手段之一。施工完成后，在一定程度上，它還可以作為永久支護結構的一部分發揮作用。因此，在施工中，如何保證和檢查錨桿的施工質量，是極為重要的。但從目前的施工狀況看，錨桿長度不足、不配置墊板、配置不合理、砂漿充填不密實，甚至“長錨短打”的現象也時有發生。造成這種現象的原因雖然是多方面的，但主要還是對錨桿在隧道施工中的作用認識不足，不能完全按照要求施工，而且缺乏有效的檢測手段。6/24/202583歸納起來，目前錨桿施工中應該注意的幾個問題是：

·建立有效的錨桿質量檢測方法，及時檢測；

·不能忽視錨桿拉拔試驗的作用；

·合理確定錨桿的參數，充分發揮群錨的作用；

·進一步認識錨桿與圍巖之間的關系；

·大力提高錨桿的商品化程度等。6/24/202584在什么情況下采用錨桿？

能夠發揮錨桿效果的圍巖條件，一句話，就是能夠發揮支護效果的圍巖。為此，要具備以下條件：

·錨桿和圍巖間要有適當的錨固力；

·在不連續圍巖中錨桿要橫切不連續面設置；

·在連續性圍巖中，在設置錨桿的范圍內，圍巖位移差要大。6/24/202585不滿足這些條件的圍巖，錨桿的作用是比較小的，甚至沒有效果。例如以下條件的圍巖。

·在含水的粘性土中，錨固材和圍巖間產生滑動，錨固力有時不充分；

·松砂等因圍巖的強度小，也不能獲得錨固力，但如對圍巖進行改良，也有可能產生效果；

·在連續性圍巖中，變形小，幾乎也不產生塑性變形的圍巖。但在這種圍巖中，因主要是不連續面支配圍巖的動態，作為不連續面的對策，也會產生一定的效果；

·塑性區域超過錨桿設置范圍以外的場合。但此時可加長錨桿長度（圖1）

·有可能發生整體下沉的場合，如淺埋隧道等6/24/2025866/24/202587

如何發揮錨桿的群錨的作用？錨桿是屬于點狀支護的類型。除了隨機配置的錨桿外，絕大多數都應呈網狀配置，以便發揮群錨的作用。這是非常重要的。因此，錨桿的配置參數（長度、間距）要注意符合群錨的工作原則。要想充分發揮錨桿的效果，就必須發揮群錨的作用。也就是說要解決好圍巖條件和錨桿長度、間隔的關系。決定錨桿長度、間隔時應考慮的圍巖條件如下：

·連續性、不連續性的程度；

·不連續面的分布特性（間隔、寬度、方向等）；

·塑性區域產生的范圍。6/24/2025886/24/202589墊板的設置要發揮錨桿的效果，墊板的設置是十分重要的。我們在施工中，多數是不設置墊板的。因為增加墊板，不僅增加了施工成本，對工期也有一定影響。但從效果上看，這是得不償失的。日本對此曾進行了試驗研究。試驗表明：設墊板比不設墊板，加載應力提高了2.5倍；墊板面積越大，頭部軸力提高也越多。例如，墊板面積增加1倍，頭部軸力可提高1.25倍等。其次有墊板時，錨桿軸向應變的最大值的位置，向內部移動。這說明錨桿的3維約束效果，得以發揮。圖5是有墊板和無墊板的的軸力分布的變化。從圖中可以看出，有墊板時，錨桿的口部也發生了軸力、而且軸力的最大值也增加了10%~20%。由此可見，墊板的作用是不容忽視的。在錨桿施工中，必須設置墊板，這在規范中也有了明確的規定。6/24/2025906/24/2025916/24/202592我們在錨桿施工中，最大的問題是錨桿的商品化問題。可以說，在許多國家，錨桿已經是一種商品。只要選擇合適，拿過來用就可以了。而我們的錨桿，目前絕大多數是就地用鋼筋自制的。因此，質量的離散性相當大、施工工藝也不能標準化，不能充分發揮錨桿的支護效果，有時就成為一種計價的“擺設”。當然，也有一些商品化的錨桿開始工廠化的生產。但還沒有完全得到業主、設計和施工人員的認可。原因之一，就是商品錨桿的成本高。因此，大力降低錨桿的制造成本，提高商品化的速度，徹底改變錨桿施工的現狀是非常重要的。6/24/202593因此，錨桿不是可有、可無的問題，而是如何確保錨桿錨固的質量，充分發揮錨桿效果的問題。特別是，在大斷面的條件下，錨桿對控制局部掉塊具有重要的作用。6/24/202594格柵與鋼支撐（鋼架）鋼支撐和格柵在初期支護中主要用于軟弱破碎或土質圍巖中，很少單獨使用。多數上與錨桿、噴混凝土等共同使用。格柵與鋼支撐，很少單獨使用，多數場合是與噴混凝土、錨桿等組合使用的。使用鋼架的目的有四點。一是作為噴混凝土支護功能發現前的支持物；二是對噴混凝土進行補強；三是作為超前支護的支點；最后是與噴混凝土、錨桿共同發揮初期支護的作用。鋼支撐的最大特點是架設后能夠立即承載。因此，多在需要立即控制圍巖繼續松弛和塑性區繼續擴大，或變形迅速發展的場合采用。6/24/202595支撐形式優點缺點鋼支撐·架設后能夠立即承載，充分發揮其力學作用；·加工比較容易，但需要較大的加工設備；·安裝及構件連接，比較簡潔、方便

·背后的混凝土不易填充密實，留有空隙；·重量大，架設安裝困難；·鋼支撐的變形與混凝土變形不協調，混凝土易開裂；

格柵·架設后不能立即承載，必須與噴混凝土配合，才能發揮其力學作用；·加工容易，且不需要大型加工設備·重量小，易于架設安裝；·因具有一定的柔性，能夠適應圍巖的變形·噴混凝土完全包裹格柵，整體性好，背后不易留下空隙；·架設后不能立即承載，一次支護作用小；·在圍巖變形大的場合，不能有效地控制圍巖的變形

6/24/202596因此，在大斷面隧道施工中，應更多地采用鋼支撐。6/24/202597大斷面隧道如果仍然采用一般隧道的支護結構，必然會加大開挖斷面積、從而延長工期和增加成本。為了解決這個問題，日本從修建第2東名高速公路起，就開始研究對策。研究和實踐獲得如下的成果。6/24/202598日本第二東名高速公路隧道事例凈空斷面積：約150m2開挖斷面積：最大200m2采用高強噴混凝土：比采用普通噴混凝土的厚度，減少30％；錨桿采用高強錨桿（設計承載力28kN)，錨桿數量減少30％；采用高規格鋼支撐（HH－154）；二次襯砌采用高強噴混凝土，設計厚度減少10cm不設變形富余量。6/24/2025991、噴混凝土的高強度化主要研究高強度噴混凝土和鋼纖維噴混凝土。高強度噴混凝土要求的強度列于下表。種類要求強度目標強度3小時1天28天28天高強度配比2以上10以上36以上50以上一般強度配比－5以上18以上－6/24/2025100高強度噴混凝土的標準配比列于下表要求強度（N/mm2）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）單位水泥用量（kg）單位速凝劑對水泥的用量（％）見上表1810450106/24/2025101高強度鋼纖維噴混凝土主要用于裂隙發育的圍巖，標準的鋼纖維混入率為體積比的0.75％。其標準配比列于下表。要求強度（N/mm2）28天彎曲韌性（cm）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）單位水泥用量（kg）單位速凝劑對水泥用量（％）見表1如圖所示1810450106/24/20251022、高承載力錨桿在清水進行了下表的試驗施工。噴混凝土鋼支撐厚度（cm）強度（N/mm2）規格間距（m）標準2018H－2001.5高強度12.540、SFRC－－長度（m）橫向間距（m）縱向間距（m）承載力（kN）標準6.01.21.51801組6.02.01.53102組4.0和6.01.01.5180和3103組4.00.81.51806/24/2025103從試驗施工結果看，第1組的施工循環、成本最理想。第3組最差。因此，把第1組作為標準組合。6/24/20251043、高規格鋼支撐采用了與過去鋼材有相同延伸率的，抗拉強度590N/mm2、破斷延伸率17％以上的高規格鋼支撐。屈服點（N/mm2）抗拉強度（N/mm2）破斷延伸率（％）拉伸試驗片炭素當量Ceg高規格鋼≥440≥590≥171A≥0.47一般規格鋼≥245400~510≥171A－6/24/2025105與過去采用的鋼支撐比，可以小型化，其比較列于下表過去采用的高規格鋼NH-250x250x9x14HH-200x201x9x12NH-200x200x8x12HH-154x151x8x12NH-150x150x7x10HH-123x125x6.5x86/24/20251064、二次襯砌同樣地，二次襯砌也采用高強度混凝土。根據試驗，二次襯砌的混凝土的強度等級從18N/mm2提高到30N/mm2。其結果是，采用18N/mm2時的襯砌厚度在B~D2級圍巖中，為50cm，在D級圍巖中為60cm，而采用30N/mm2時相應的厚度分別為40cm和50cm。減少了10cm。6/24/20251075、施工方法的研究在總長度83km的隧道中，用臺階法修建了80％的隧道。臺階法已經成為修建大斷面隧道的主流方法。另外一種方法就是中央導坑超前開挖法。兩種開挖方法的示意圖如下。6/24/20251086/24/20251096/24/2025110第二東名、名神高速公路隧道的標準支護結構參數(臺階法)圍巖級別支護結構級別一次掘進標準長度m錨桿噴混凝土厚度cm高強度鋼支撐襯砌厚度（cm）變形富余量長度m承載力kN橫向間距m縱向間距m上半斷面下半斷面拱、邊墻仰拱BB2.0上半4.0下半4.0上半170下半1702.02.0上半10纖維補強－－40－0C1C11.5上半6.0下半4.0上半290下半1702.01.515HH－154－40550C2C21.2上半6.0下半4.0上半290下半1.61.61.215HH-154HH-15440550D1D11.0上半6.0下半6.0上半290下半1701.51.020HH-154HH-15450700D2個別設計D3洞口段設計注：1、錨桿注漿采用速硬砂漿；

2、上半斷面錨桿設計承載力采用290kN；

3、鋼支撐采用高規格鋼；

4、D1襯砌采用單筋混凝土；

5、5、二次襯砌、噴混凝土的設計基準強度均采用36MPa。6/24/20251116/24/2025112

第二東名、名神高速公路隧道的標準支護結構參數(TBM導坑超前擴挖法)圍巖級別支護結構級別一次掘進標準長度m錨桿噴混凝土厚度cm鋼支撐襯砌厚度（cm）變形富余量長度m承載力kN橫向間距m縱向間距m上半斷面下半斷面拱、邊墻仰拱BB2.5上半4.0下半4.0上半170下半1703.02.0上半10纖維－－40－0C1C12.0上半6.0下半4.0上半290下半1701.52.0上半15纖維補強－－40550C2C21.5上半6.0下半4.0上半290下半1.61.21.515HH-154HH-15440550D1D11.2上半6.0下半6.0上半290下半1701.21220HH-154HH-15450700D2個別設計D3洞口段設計注：1、錨桿注漿采用速硬砂漿；

2、上半斷面錨桿設計承載力采用290kN；

3、鋼支撐采用高規格鋼；

4、D1襯砌采用單筋混凝土；

5、二次襯砌、噴混凝土的設計基準強度均采用36MPa。6/24/2025113三、多機作業在大斷面隧道中，為了縮短作業時間，，應充分利用作業空間較大的特點，實現快速施工。

·采用多機作業的方式，盡可能地隧道單項作業的時間；例如，在大斷面隧道中，機械配套如下：鉆孔：2臺三臂液壓鉆孔臺車；找頂等：1300kg的大型液壓鏟1臺；裝碴：3m3側卸式裝碴機1臺；出碴：30t卡車噴混凝土：20m3/h噴射機2臺。6/24/2025114施工劃分機種規格單位數量摘要鉆孔鉆孔臺車隧道用排出氣體型、液壓、3臂、鑿巖機重量150kg級臺1找頂大型破碎機液壓、1300kg級臺1出碴裝載機隧道用排氣型、容積2.3m3臺1裝碴側卸汽車帶凈化裝置的、10t或20t臺N運碴反鏟隧道用排氣型、容積0.5m3臺1輔助裝碴與一般雙車道公路隧道中的機械配套（下表）增強很多。6/24/2025115·采用改變材料規格，減少單項作業的工作量；如前所述，改變材料規格，采用高強度噴混凝土、高承載力錨桿、高規格鋼支撐以及高強度襯砌混凝土，在同樣進尺的條件下，可以減少單項作業的工作量，更為重要的是，減小了開挖斷面積。6/24/2025116四、改善隧道防水技術，提高防水質量應該指出：對隧道工程來說，地下水的影響和處理是至關重要的。大家都有體會，有水無水、水大水小、一般涌出和異常涌出，在設計施工上的處理是完全不同的。此外，隧道運營期間，結構物耐久性的降低，在許多場合，都與地下水有關。因此，切實地提高隧道的防水技術，是當務之急。6/24/2025117在隧道設計和施工中，一定要區分：運營隧道結構的防水和排水；施工中的止水和排水。這是兩個不同的概念。防水是對結構物性能的基本要求。不是主次的問題。國內外的施工實踐指出：設置防水板的隧道，都能夠滿足隧道結構物防水的基本要求。關鍵在于防水板的鋪設質量。因此，在防水板鋪設工藝上，都是采用機械鋪設的方法。此外也在試驗確保隧道防水性能的新工藝。6/24/2025118對防水板的鋪設要求：要與初期支護密貼，不留有空隙；也要與二次襯砌密貼，不留有空隙。6/24/2025119防水板鋪設工藝的改善為了解決防水問題，一個最切實可行的方法，就是從改善防水板的鋪設工藝著手。目前我們采用的人工鋪設方法，很難避免對防水板的損傷，而且工藝復雜、費時、費力。最近，我們收集到日本的幾個專利和日本“礦山法隧道防水指南”，說的都是防水板機械鋪設方法。這些鋪設機械的構造并不復雜，那個工程局都有條件制造。

6/24/2025120山嶺隧道的防水方法，一般是采用在噴混凝土和襯砌間設置防水板的方法。但因噴混凝土的表面多數凹凸不平，鋪設防水板時，為適應凹凸表面要考慮有適當地富余。如果富余不足或過于富余，防水板會發生拉伸或撓曲，其結果會妨礙混凝土的充填。為此。在山嶺隧道襯砌施工中，強烈要求開發不妨礙混凝土的充填，而且與噴混凝土密著的防水構造。6/24/2025121新的鋪設方法試驗施工是：把通常1.5m寬的防水板在工廠加工成寬6.0m（長跨）的防水板。沿專用的活動模板臺車的外周將防水板展開，并設置在規定的位置固定好，向防水板和噴混凝土間的灌注回填的充填材。之后，組立鋼筋、灌注混凝土。6/24/2025122向防水板和噴混凝土間壓注的充填材是用盾構隧道的經過改良的充填材。在洞外設置壓注設備，最大壓送450m。從洞外分別壓送固化的A液和B液，在壓注地點前混合，在左右側上部、肩部和拱頂5處設壓注管，從下向上依次壓注。下面是展開防水板專用的活動模板構造。6/24/20251236/24/2025124防水板的表面展開會過去的狀況。

6/24/2025125鋪設機械圖中9：防水板14：拱形鋼軌10圍巖11：初期支護13：升降裝置12：臺車6/24/2025126

吊籃式臺架6/24/2025127

帶有展開機的臺架6/24/2025128五、防止二次襯砌的初期開裂后果·可能成為滲漏水的通道；·在列車高速運行的條件下，可能引發混凝土掉塊；·影響混凝土的耐久性能。6/24/2025129溫度收縮及干燥收縮而產生的開裂模式

6/24/2025130

模式①的開裂易在拱頂部附近及拱下部范圍內發生，大約沿隧道縱向呈直線分布。模式②的開裂是與隧道縱向成直角方向分布的，易在起拱線和變斷面處附近，幾乎以規則的間隔產生的，但也有沿隧道全周發生的。模式③是在施工縫附近，沿隧道縱向發生的，長度比較短，間隔規則。模式④是隨機方向的開裂或呈龜甲狀或網目狀分布，易于在拱部發生。這些模式的開裂，也有貫通整個襯砌厚度的。在模式④的開裂中，有與游離石灰不同的膠狀物析出時，可能懷疑是堿性骨料反應所致。這些開裂都是伴隨溫度收縮和干燥收縮而產生的。但幾乎都達不到顯著損傷襯砌功能的程度，如有貫通的開裂從防水和耐久性角度看，或形成3維交差的開裂有可能掉塊的場合，就應該采取對策。6/24/2025131施工方法產生的開裂模式

6/24/2025132模式⑤的開裂是在施工縫附近，沿已灌注好的混凝土的上部的模板接觸面，因安裝或拆除模板時的過大壓力而發生的。模式⑥是在盾構襯砌中發生的。模式⑦的開裂是沿水