【干货】那些年你必须了解的隧道工程技术操作要点

随着科学技术的进步和社会生产的发展，原有的隧道定义须要改写，其严格定义应该是：用作容纳区间通路的洞形结构物，也叫隧洞。

由于隧道工程的主体位于隐蔽的地下或水下，决定了它不单能够满足全天候、大流量的交通物流使用功能，还有着安全可靠、便利灵活、节土环保等种种优势。所以隧道工程和以隧道技术为依托的地下工程随着时代的进步及社会的发展越来越受到人们的重视并被广泛运用。近些年来，我国基础设施建设快速发展，给隧道工程技术的发展带来了空前的机遇。 隧道及地下工程的建设规模、速度和已经投入运营的工程数量等方面位居世界第一，某些已建成的或在建的隧道及地下工程项目的难度和技术水平也已跨入了世界先进行列。

进行专业领域的工程建设，必须要尽可能多地了解和熟悉它的专业特性。这可以说是“入门指南”，否则，就只能是“门外汉”。隧道及地下工程建筑所处介质为地层，其承载结构同地层完全贴合，因此它与同属土木工程的地面建筑相比，有着显著的区别。其主要特性是：

1） 隧道及地下工程在地层中的走向、埋深、长度、结构类型、建筑方式及进、出口布置等与所处地形、地貌、地层产状、地质构造、岩土性质和地表、地下水系等关系密切。 隧道及地下工程的修筑难题大多数表现在特殊和不良工程地质及水文地质方面。所以，隧道及地下工程学科的技术理论基础，除有通用的工程建筑学和工程力学外，地理学、工程地质学、岩土力学及水力学占有重要的位置。

图2  铁路隧道

由于地层的多样性和随机性，使用目前的调查手段很难尽知，加之地层的原始状态由于工程实施而引起的变化也十分复杂。这些构成了隧道及地下工程设计和施工的“不确定”性。在工程建设的实际操作中，则要根据揭示出来的客观情况，实施信息化的动态管理。及时地补充和修正原来的设计，进而改变施工方法和保障措施。这也正是隧道“新奥法”主要法则之一。

3） 隧道及地下工程技术水平的提高在很大程度上有赖于工程实施手段的进步。

图3  全断面掘进机进洞

图4  四臂液压凿岩台车在工作

辅助工法用于隧道及地下工程围岩加固和地层力学特性的改善以及施工中疏水、排水、降水和堵水等等。如注浆、冷冻、锚固、喷护、管棚、等等，均为隧道工程施工的辅助工法。辅助工法十分重要，很多情况下关系到主体工程施工的成败。由于辅助工法不到位而招致工程事故甚至工程失败的例子很多。所以研发新的辅助工法和完善改进既有辅助工法是隧道及地下工程科研题目的重要方面。

5） 隧道及地下工程建设的生产组织需要有较高的专业化水平。

图5  隧道底部钢筋作业  

图6  隧道通风管路

1）指导性施工组织文件应由施工承包商的技术管理部门以施工图设计和现场勘察资料为依据进行编制，须企业主管生产负责人批准执行，用于企业项目计划、资源组织及管理控制。

2）实施性施工组织文件应由项目机构依据施工图设计、施工现场实际和指导性施工组织文件来进行编制，报请企业主管部门和建设管理单位核准执行，是现场施工安排的纲领性文件。

1）编制依据及工程概况；

2）施工方案及施工方法；

3）技术支持及平面布置；

4）施工进度及工期安排；

5）资源组织及项目管理；

6）安全质量及环保措施。

对于长大隧道或重要地下工程项目，往往还要在总体施工组织文件的基础上编制重点或难点部位的个别施工组织文件。

隧道及地下工程施工方案是针对建设项目的工程地质情况、技术经济条件、总体工期要求和周边环境限制对该工程项目的工点分布、切入形式、资源投入及实施计划所做的重要决策。它带有战略性，关乎到工程施工能否顺利进展甚至于工程建设的成败。

图7  隧道施工方案示意图

在这方面，以往我们是有着许许多多的成功经验和惨痛教训的。1999年6月我曾在《铁道工程学报》上发过一篇题名《山岭隧道快速施工范例分析》的文章，有人感兴趣的话可以找出来看一下，我列举的几座隧道都是赚了钱又提前了合同工期的。

在有条件的地方设置辅助坑道（斜井、竖井、横通道或平行导洞），通过辅助坑道开辟隧道中间作业面，实现“长隧短打”，是隧道施工方案的重要组成部分。隧道施工相邻工作面之间的距离称之为施工区间。施工区间的长短由施工通风、运输、排水、供电及工期等因素决定。采用钻爆法施工长大隧道的技术关键往往是施工通风，很多时候它成了增设辅助坑道的决定因素。多数情况下辅助坑道从地面贯穿地层延伸至隧道底部会带来地表水和地下水流失的严重后果。开辟辅助坑道工作面需要相当数量的施工便道和施工场地，会不同程度地破坏自然生态环境。在施工结束后辅助坑道只有极少数会被利用，绝大部分辅助坑道需要封堵成为“废弃工程”。因此在制定施工方案时，要尽可能地减少辅助坑道的数量和规模。

在条件容许的情况下，特长隧道施工采用隧道掘进机（含全断面掘进机、摇臂式掘进机和盾构机）比钻爆法会有较多的优势，其生产效率高，工程质量可控，洞内的施工环境较好，人身安全防护有保证，还可以最大限度地减少施工辅助坑道，对地层的破坏影响程度要小很多，有利于生态环境保护。

这里所说的技术法则是指由特定方式的工程构建机理（力学原理）所决定的，能够自成体系的技术指导原则。矿山法、新奥法、盾构法、沉管法、顶管法，等等都是经过工程专家们的不断努力、精心创造出来的隧道及地下工程构建方式，各自有其特定的技术法则。它不是一般意义上的工法技艺，而是工程设计和施工构建的基本指导原则。

从隧道工程近代发展历史看，穿越地层采用暗挖技术在岩土中构筑隧道，人们依次在掌握了矿山法、顶管法、盾构法和新奥法之后，已经进入了目前新的历史阶段。这里有必要简单介绍矿山法和新奥法各自的的技术要领。

1）矿山法是个“舶来词”，英文叫Mine Tunneling Method，它的原意是“矿山巷道方法”。

在新奥法创立之前，采用矿山法修筑暗挖隧道是除沉管法、顶管法和盾构法之外的主要技术方法。国内外曾使用矿山法建成了大量的隧道和地下工程，这些隧道和地下工程的建设也丰富和发展了矿山法。成熟的矿山法有着完整的工程机理、技术方法和操作步骤。

图8  矿山法支撑受力示意图

新奥法由奥地利学者L.v.Rabcewicz于20世纪五十年代提出，六十年代取得专利权并正式命名。新奥法的产生和应用在世界隧道界引起了轰动，并迅即掀起了“新奥法”热。七十年代它被引入我国，对我国隧道工程建设产生了重大的影响。

图9  喷混凝土作业

图10  新奥法围岩支护作用示意图

但是，目前有一些专家学者臆造出所谓的“现代矿山法”来覆盖新奥法，把当前暗挖隧道的一般做法硬塞进矿山法。这样做会造成隧道行业领域工程理念上的混乱，在技术操作上远离了新奥法的实质内容，所带来的不良后果非常严重。

3）其实隧道新奥法同其他任何新技术一样，有它的使用条件和适用范围。这需要在正确的应用中不断地改进和完善，进而推陈出新，而非中断篡改。在20世纪七、八十年代，欧洲相继出现了隧道工程“挪威法（NMT）”和“新意法(ADECO-RS)”，它们在技术操作上各有特点，其运用都很成功。

近几十年来，我国隧道建设者在工程实际中发挥聪明才智，克服重重困难，勇于技术创新，取得了非凡的业绩。如在甘肃金川矿高地应力区构筑巷道及洞室；在西南部高水头岩溶地质里构筑隧洞及地下电站；在江河湖海下强渗透地层中构筑大断面隧洞及洞库；在高原缺氧及严寒冰冻地区构筑交通隧道；在断层破碎带、湿陷黄土、含气煤层、膨胀岩、富水区、淤泥、砂层、岩爆、岩堆，等等特殊地层及不良地质中构筑隧道和地下工程，尽数获得成功。在技术进步方面，有对已有技术的补充和完善，也有原发性的技术创造。把它们与早年的矿山法相比较，从工程机理到实施手段已有根本性的区别。有些创新性的技术操作已经超出了新奥法的适用范围。

图11  双侧洞工法

图12  全断面掘进机隧道

业内人士都懂得这么一个道理：在软弱地层中或水下开挖隧洞属于高风险作业，隧道开挖的形式及方法、支护结构的类型及参数，还有辅助工法的运用等等，必须安全可靠。否则，围岩一经被扰动破坏，甚至坍塌冒顶就要演变成严重的灾害事故，难以收拾。在这方面的教训可以说是屡见不鲜。

2）为表述明了，暗挖栏中将盾构和全断面掘进机分开列出，并将除盾构、掘进机和顶管以外的暗挖施工统列为“自由面破岩（土）”；

3）不同类型的盾构机和掘进机在“支护类型”栏中标出，需要依据地质条件和使用环境选择机型；

综上所述，我们需要建立隧道及地下工程暗挖技术新的系统。这个新系统的“技术法则”应该是历代隧道人智慧的总结，包括像矿山法、新奥法、挪威法、新意法等等，和我们自己的宝贵经验及技术创新，进行科学扬弃，集其大成，为今所用。笔者初略概括，它可以归结为全面环保、预行措施、工法制定、信息化管理、及早完成支护闭合和完善承载结构等6个主要方面、18个技术要点。简述于下：

1）隧道设计应切实做到严控水土流失、确保生态安全，做出符合国家规定的环保目标和制订因地制宜、综合治理的有效措施。

图13  低仰坡隧道洞口

图14  “绿色”洞门 

指工程地质预探、预报和地层预处理、预加固等工作应列入隧道施工的必要程序、不可或缺。

4）对于渗透性较强的软弱地层可进行注浆固结，提高岩土力学性能指标。对开挖后不能自稳的地层，可施作管棚或平桩支护，并辅以超前小导管灌浆。

1）分部施工集中体现出隧道暗挖作业的主要技术难度，应着重从利于围岩稳定、便于工序转换、适合机械作业、避免相互冲突等方面权衡利弊，确定分部形式及相应工法。

1）如新奥法实施两阶段的地质调查和两阶段的施工设计，确保设计与施工全程配合。

2）施工计划和施工交底书应根据监测系统的报告及时修正和补充，施工进展发生较大变化施工方要立即通报现场有关各方。

1）隧道上台阶开挖、或开挖环槽留置核心土施工，遭遇支撑过量下沉或支承结构变形较大时，可增设临时仰拱与上部结构组成一体，使其尽快达到合围状态。

2）隧道铺底及仰拱混凝土施工应尽可能紧跟前方开挖工作面进行，以缩短全断面支护的合围时间。

3）若隧道开挖工作面上岩土不能垂立自稳，或有明显的凸出变形及发生坍塌可能时，可即时对开挖面进行喷混凝土支护，必要时施加锁定锚杆。

1）围岩、支护和衬砌组成了隧道承载结构的三道承力环，施工中地层压力始终在三者之间以内应力的形式进行分配和转换。准确把握三者关系、使之平稳转移、合理分担是隧道及地下工程构筑的技术关键。

2）新奥法给出了一种理想情况下的隧道承载结构方式，即围岩和支护构成了全部承载结构，衬砌仅为安全储备。因此，应高度关注它的使用条件和范围，并注意由此带来的安全、工期和成本问题。

3）在高水压、高地应力、蠕变及膨胀岩、湿陷性黄土、浅埋、偏压等等许多情况下，宜采用限压承载的结构设计。