维普资讯 http://www.cqvip.com ・隧道／地下工程・ 小直径ＴＢＭ导洞扩挖法在双线铁路隧道中的应用 殷怀连，龚彦峰 （铁道第四勘察设计院城建院，武汉４３００６３） 摘要：介绍小直径ＴＢＭ导洞扩挖法，并对施工双线铁路隧道 ＴＢＭ直径达到１５ ｍ时，其设备购置费、使用成本每米 直径费将出现几何倍数增加。 ＴＢＭ选型、导洞位置及施工组织方案进行研究，对铁路双线隧 道采用小直径ＴＢＭ导洞扩挖法比选及设计具有指导意义。 关键词：铁路隧道：小直径：ＴＢＭ 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—２９５４（２００７）０８～００５４—０４ １ 概述 掘进机法是修建隧道的一种先进方法，为隧道施 工走向机械化、标准化创造了条件，使施工程序大大简 化，基本实现了流水化作业。 我国铁路隧道规划区域通道按照大流量、高标准 进行规划设计，正线数目一般设计为双线，相应出现大 量双线特长隧道，根据目前铁路设计标准，若采用全断 面ＴＢＭ，ＴＢＭ直径要大于１５ ｍ，设计、制造及使用成本 呈几何倍数增加。 在国外出现小直径掘进机导洞扩挖法，即首先采 用小直径掘进机超前掘进导洞，然后采用扩孔机或钻 爆法扩挖至设计断面。由于意大利自２０世纪８０年代 初期开始使用该方案施工大断面隧道，通常称该掘进 方法为“意大利工法”。 ２ 小直径ＴＢＭ导洞扩挖法优缺点分析 ２．１ 小直径ＴＢＭ导洞扩挖法优点 根据国内外研究认为，采用小直径ＴＢＭ导洞扩挖 （１）超前探明地质，便于制定相关计划； 地应力； 另外釜 … 田押 。采 竺 法扩 ，小直径ＴＢＭ导洞扩挖法较全断面ＴＢＭ法 妻 好。 有如下优点： 三 兰兰兰 ：５ 躺 作者简介：羿 翟 主殷怀连（ 。 １９—７ ２－ ），男，工程师， １９９７年毕业于西南交通大学。年毕业于西南交通大学。 ５４ （２）ＴＢＭ只能适用同一直径隧道，采用全断面 ＴＢＭ时，其通用性较低。在确定ＴＢＭ直径时，只能按 照最大尺寸选定刀盘直径，对于同一隧道岩层条件好 的段落工程费用增加，而采用小直径ＴＢＭ导洞扩挖， 其开挖轮廓可以根据不同围岩条件调整。 以秦岭隧道使用ＴＢ８８０Ｅ掘进机掘进单线隧道为 例，ＴＢＭ掘进外轮廓为８．８ Ｉｌｌ，根据其拟定支护参数，最 好的Ｉ级围岩和最差的Ｖ级围岩支护参数相差５～１０ ａｍ， 由于ＴＢＭ直径为同一直径，Ｉ级围岩每延米开挖增加 １．３８—２．７６ ｉｎ ，占其开挖比例的２．３％～４．６％。 （３）采用全断面ＴＢＭ，由于其断面为圆形，对隧道 内轮廓拟定有较大的浪费，而采用小直径ＴＢＭ导洞扩 挖法，则可避免断面拟定内轮廓的浪费。 对于铁路隧道，建筑限界一般为马蹄形或城门洞 形，采用全断面ＴＢＭ施工，会存在较大超挖量，可以简 化为图１。 Ｌ————叠———＿一 图１ 全断面ＴＢＭ开挖面积与实际使用面积对比简化示意 设超挖量为占，则 （Ｓ￣实－Ｓ２）／￥２＝Ｓ式中。ｏｓ Ｔ ＢＭ际开挖面积将图 中：２ 一 一 ～ ～… ； 一 一 ～ 。ｊ、 ，ｔｒＤ￣ 广，，ｒｒＤ２ ， ２霄Ｄ ｚ 占 ＝—————————１—６ｈ了 （‘一‘Ｄ ＿＝ ｈ — ） ・ ＝ 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００７（８） 维普资讯 http://www.cqvip.com 殷怀连，龚彦峰一小直径ＴＢＭ导洞扩挖法在双线铁路隧道中的应用 ・隧道／地下工程・ 一 一 ｒ＞０ ＞√２ 越地质条件要了解情况，要选择地质条件好的隧道，否 则会增加大量的临时支护，并且影响小直径ＴＢＭ施工 ４ （ 一ｉ： １ ） ￣ｈ １／ 一 Ｉ。竹｛【 ＝＜０ 。 ＝＜ 速度，与选择小直径ＴＢＭ法初衷违背。 总之，同以往全断面ＴＢＭ一样，需要对小直径 由此可得，在 ＝√２ 时，超挖量取最小值。将Ｄ ＴＢＭ进行充分的适应性分析。 ＝√２ 代人（１）得 ３小直径掘进机应用技术 ８：— 一１： 一１：０．５７ ４ｈ￣／（ ） 一ｈ ３．１ 设备选型 由此可知，采用全断面ＴＢＭ一次成洞的最小超挖 针对不同的地质条件，岩石掘进机可分为敞开式、 量远超过钻爆法的超挖量，当然，根据目前时速２００ 单护盾式和双护盾式，此外还研制出既能在岩石又能 ｋｍ以上隧道需要在一侧或两侧设置救援通道，从某种 在软土中掘进的两用混合型掘进机。 意义上讲，减少了全断面ＴＢＭ一次成洞的超挖量，但 掘进机选型主要考虑掘进机的可钻掘性和开挖面 是尽管如此，其超挖量仍远远大于钻爆法的超挖量。 的稳定性。单护盾式ＴＢＭ适用于岩石仅仅能自稳、不 ２．２小直径ＴＢＭ导洞扩挖法缺点 塌落，但承受不住水平（Ｘ型）支撑的巨大支撑力，则 （１）小直径ＴＢＭ导洞扩挖法主要缺点是不如钻 必须采用辅助推进缸将破岩力传递到混凝土管片上的 爆法施工灵活，同全断面ＴＢＭ一样，小直径ＴＢＭ对地 隧道，刀盘推进时需借助已完成的衬砌提供顶推力，故 层地质条件比较敏感。 ＴＢＭ推进和衬砌不能同时进行，掘进速度受本身工作 （２）与全断面ＴＢＭ法相比，需要二次扩挖，施工 模式限制，在围岩好的情况下不能达到理想的掘进速 组织管理复杂，并且在某种意义上讲，施工组织管理的 度，不适于小直径ＴＢＭ导洞扩挖工法。 好坏决定了小直径ＴＢＭ是否成功的关键。 双护盾式ＴＢＭ和敞开式ＴＢＭ特点见表１。 （３）由于导洞需要临时支护，所有需要对隧道穿 表１ 敞开式ＴＢＭ、双护盾ＴＢＭ特点 项目 敞开式ＴＢＭ 双护盾式ＴＢＭ 地层适应性 硬岩至轻微破碎岩体 适应性广，硬岩至严重破碎岩体 掘进速度 在稳定岩层中较双护盾式掘进速度快，受围 在各种岩层条件下能获得稳定的掘进速度，在除稳定岩层条件外掘进速度较 岩条件影响大 敞开式ＴＢＭ快 施工安全 刀盘后人员、机械有一定时间在无支护的洞 室中工作掘进，有一定的安全隐患 、出碴、衬砌及控制均在护盾与衬砌保护下进行，人员及设备安全有保证 施工地质素描及监 可以对围岩地质素描及围岩及时进行监控量 由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面观察窗了解围岩情况，也难以进行围岩 控量测 测断面布设 收敛变形量测 不良地质影响 软弱地层、断裂带、岩爆、涌水、围岩变形和围 软岩大变形及膨胀岩膨胀容易卡住护盾 岩的剥落与坍塌等不良地质均需要超前处理 支护类型 可选用喷锚支护作临时支护 围岩条件好时，刀盘推力由后护盾支撑洞壁提供条件下，可采用喷锚支护作临 时支护；围岩条件不好时，刀盘推力由管片衬砌提供，则必须采用管片村砌 设备一次性投资 双护盾ＴＢＭ节约２０％一４０％设备购置费 设备购置费高 对于小直径ＴＢＭ和全断面ＴＢＭ，设备选型除了上 时性，而采用护盾式ＴＢＭ，则支护不具备及时性； 述因素外，更重要的是要考虑采用小直径ＴＢＭ工法的 （３）设备设计、制造及使用费用护盾式ＴＢＭ较敞 目的是尽量减少临时支护量、导洞快速掘进，总体上提 开式ＴＢＭ高； 高隧道施工速度。 （４）从国外使用情况看，大部分采用敞开式小直 所以，从另外角度对小直径ＴＢＭ工法进行了如下 径掘进机，从统计的结果分析，采用敞开式ＴＢＭ占 分析及调研： ６３％（图２）。 （１）采用小直径掘进机目的之一是导洞快速掘 从以上分析得知，小直径ＴＢＭ工法最适宜选用敞 进，总体上提高隧道施工速度，减少辅助坑道的设置， 开式ＴＢＭ。从另外一个方面说，对隧道选择小直径 在完整、稳定岩层中掘进，敞开式ＴＢＭ速度较护盾式 ＴＢＭ工法适应性分析时，分析隧道地层地质条件是否 速度快； 适宜敞开式ＴＢＭ是重点之一。 （２）小直径掘进机超前导洞掘进，然后扩挖成设 ３．２导洞位置布置 计断面，为降低工程造价，尽量减少临时支护的数量， 小直径掘进机导洞超前掘进，除了有利于隧道快 采用敞开式ＴＢＭ，能及时了解围岩条件，支护具有及 速施工、超前探明地质等作业外，导洞在设计隧道断面 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００７（８） ５５ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・隧道／地下工程・ 殷怀连，龚彦峰一小直径ＴＢＭ导洞扩挖法在双线铁路隧道中的应用 也有利于施工通风等，并且在不良地质地段也可以起 到超前预处理的作用。 ３．３施工组织方案 采用小直径ＴＢＭ导洞扩挖法，ＴＢＭ施工速度快， 制约综合施工进度是钻爆法扩挖工序，但是在ＴＢＭ没 有贯通前，导洞不能扩挖，否则会影响ＴＢＭ施工出碴、 Ｅ； 双护盾ＴＢＭ 敞开式ＴＢＭ 施工通风、排水等正常进行。 表３为参考国外工程实例拟定的小直径隧道掘进 机综合进度和钻爆法扩挖成洞指标及钻爆法施工进度 图２ ＴＢＭ使用统计比例 导洞位 位置不同，对后续钻爆法扩挖的作用也不同。 于隧道断面不同位置优缺点见表２。 表２导洞位置优缺点对比 方案 位置示意图 优点 缺点 ①有利于施工通风、排烟， 导洞 改善作业环境； ①导洞贯通后扩挖效 位于 ｆ』 超前预加固；②有利于对不良地质地段 率较低； 拱顶 士 ＝ ＝蒯 ③导洞贯通后钻爆法扩挖 ②不利于施工排水 ＝ｆ凹【 ； 。／ 时有利于无轨运输布置 ①导洞贯通后围岩完 导洞 ①导洞贯通后围岩完整全 整全断面施工时软弱 位于 断面施工时钻爆法扩挖效 地层段采用台阶法施 率最高，有利于扩挖快速 工时效率低； 中部 施工 ②钻爆法扩挖软弱围 、 ｌ ｌ：；／， 岩台阶法施工时对运 输不利 位下导洞 于部 ② 水＠ ①便③①有利于施工通风、排烟，降低对有钻利导爆洞地隧利； 法位下道于于水扩施隧位挖工时道的排，对断减影水 排运面少响输底地； 最部下 ， ①②利③率低对不烟导于软超利洞；、 贯弱前于改通地预施善后层支工作扩施护通业挖工风环； 效不境、 导洞 改善作业环境； 位于 ②对不良地质超前预加固 拱顶 较有利； ①不利于施工排水 下 ③钻爆法扩挖采用全断面 １．５ ｎｌ 法或台阶法工效均较高； ④对施工运输较有利 ①钻爆法扩挖时对运输最 便利； 导洞 ②导洞位于隧道断面底部， ①采用台阶法施工段 位于 降低地下水位，减少地下 影响运输布置； 边墙 壬＝士＝土 水对隧道扩挖的影响； ②钻爆法扩挖工效低 、 Ｊ：；；／ ④对不良地质超前处理有利 ③有利于施工排水； ＴＢＭ导洞扩挖法在意大利应用最多，德国和日本 在２０世纪８０年代中期也开始应用该项技术，国内铁 路隧道尚无此先例。通过对国外类似工程调研统计标 明：超过１００ ｍ 的大断面隧道大多把导洞设置在设计 隧道断面轮廓的中上部。对于断面较小隧道，导洞大 多设置在中下部。 小直径掘进机导洞扩挖法中ＴＢＭ施工速度快，制 约工期的是钻爆法扩挖，采用此法的重要目的之一就 是快速施工。从前面所述中也知道，最适宜小直径 ＴＢＭ工法的地层条件是岩体完整的隧道，也就是适宜 敞开式ＴＢＭ施工的隧道，需要超前处理的不良地质地 段少。从导洞位置特点表中也可以看出，对双线隧道 导洞位于拱顶下１．５ ｍ位置处，钻爆法扩挖效率高，且 ５６ 指标。 表３施工进度指标 ｍ／月 围岩级别 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ｖ级 小直径ＴＢＭ施工 ７００ ７００ ４００ ２００ 小直径导洞扩挖法 ＴＢＭ 钻爆法扩挖 ３００ ３００ ２００ ｌ５Ｏ 平均指标 ５００ ５００ ３００ ｌ７５ 钻爆法 ｌ５Ｏ ｌ２Ｏ ７０ ４０ 在采用小直径ＴＢＭ导洞扩挖法时，通常为了提高 整体施工进度，会采用在洞身设置斜井，当ＴＢＭ掘进 通过斜井位置后，洞口即可进行扩挖，ＴＢＭ施工出碴、 通风、施工排水等通过斜井进行（图３）。 （部分断面ＴＢＭ掘进段 图３辅助坑道布置 对于斜井最佳位置的确定，从理论上讲，当 段 和 ：段同时在施工工期时间 内完成扩挖，斜井位置 为最佳位置，即满足下式 主ｌｕ５＝ ｉ＝ｌ （ ＋ ）＝ ∑ｚ ＝ ∑ｚ： ＝ ： 式中 Ｚ —— 段中各级围岩的长度； Ｚ：ｉ—— ：段中各级围岩的长度； ——各围岩级别掘进机掘进速度； ——各围岩级别钻爆法扩挖速度； ｉ＝１、２、３、４、５，为围岩级别。 当然，对于斜井位置的确定处理考虑工期及地质 条件外，尚需要考虑斜井长度、地形地貌、防灾救援、通 风、排水、弃碴的需要，通过技术经济综合比较确定。 ４小直径掘进机应用工程实例 （１）瑞士Ｍａｐｐｏ－Ｍｏｒｅｔｔｉｎａ公路隧道 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００７（８） 维普资讯 http://www.cqvip.com 殷怀连，龚彦峰一小直径ＴＢＭ导洞扩挖法在双线铁路隧道中的应用 ・隧道／地下工程・ 瑞士Ｍａｐｐｏ－Ｍｏｒｅｔｔｉｎａ公路隧道是瑞士南部Ｌｏｃａｒ． 能与一体，在隧道施工中有快速、优质、安全、环保等特 ｎｏ通往意大利的高速公路隧道，长５ ５ｌ８ ＩＴＩ。隧道先采 点，为改变隧道施工危险，施工环境脏、乱、差，使隧道 用 ４．５ ｍ小直径ＴＢＭ在隧道同心圆开挖一个导洞， 施工走向机械化、标准化创造了条件，使施工程序大大 导洞完成后，再用 １Ｏ．８ ｍ敞开式ＴＢＭ扩大为正洞。 简化，基本实现了流水作业。目前，国外发达国家超过 小直径掘进机平均掘进速度为９６０ ｍ／月。 ３ ｋｍ隧道基本采用ＴＢＭ施工。从发展趋势上讲，ＴＢＭ （２）日本汤田２号隧道 施工也是我国隧道施工的必由之路。小直径ＴＢＭ导 日本秋田公路汤田２号隧道，用 ３．５ ｍ的掘进机 洞扩挖法在我国尚没有先例，希望通过对小直径掘进 掘进导洞，然后采用钻爆法扩挖至设计断面。 机导洞扩挖法应用技术的一点想法，起到抛砖引玉的 （３）意大利Ｐｏｎｔｅ Ｇａｒｄｅｎａ隧道 作用，广大铁路建设工程技术人员和科学工作者去对 该隧道由火山凝灰岩、千枚岩和片岩组成，岩体有 小直径掘进机及扩孔机等进行探索、研究和完善，从而 整块状的也有层状的。熔结凝灰岩抗压强度为１２０— 推动我国铁路隧道修建技术水平。 １６０ ＭＰａ、未熔结的凝灰岩抗压强度为４０～８０ ＭＰａ，导 参考文献： 坑从南部开始掘进，并以１１‰的上坡向前。导洞大部 ［１】 中国铁道建筑总公司．隧道掘进机施工技术［Ｍ】．北京：机械工业 分不衬砌也没有支护，只有个别地方使用了一些锚杆 出版社，２００５． 和喷混凝土。 ［２］ 王梦恕．岩石隧道掘进机（ＴＢＭ）施工及工程实例［Ｍ］．北京：中国 铁道出版社，２００４． ５ 结语 ［３］ 张照煌．全断面隧道掘进机施工方法探讨［Ｊ］．现代电力，２００５（６）． ［４１ 鱼海哗．苍岭隧道快速掘进施工技术［Ｊ］．铁道标准设计，２００５ ＴＢＭ集掘进、出碴、支护、通风防尘、导向等多功 （１２）． （上接第５３页） 后开裂。 （２）对初期支护的时态关系曲线进行回归分析， 预测出隧道施工中可能出现的最大拱顶下沉量及水平 ４ 结语 相对净空变化值，为二衬施工提供可靠依据。 在公路、铁路立体交叉口进行新线小净距隧道施 （３）通过布设在既有隧道中的速度传感器，采集 工是今后增建铁路二线经常遇到的技术问题，新刘家 各监测点的振动波速，经爆破振动记录仪和ＩＤＴＳ３８５０ 沟隧道安全穿越小净距影响区，达到了预期的控制 软件对采集的数据和波形进行分析处理，确定出合理 目标。 的爆破控制参数。新刘家沟隧道进口段爆破施工过程 （１）新线隧道开挖过程中的控制爆破是施工的关 中，据不同装药量经过５次爆破试验监测，最终确定出 键环节，应通过对既有隧道允许的最大爆破振动速度 每个工作循环的爆破装药量控制在６９ ｋｇ以下时，对 值，计算出允许的最大单响药量。合理调整爆破设计 既有隧道质点最大振速均小于爆破安全规程中一般隧 参数，是有效保证既有隧道安全的根本所在。 道结构最大允许值１０．０ ｃｍ／ｓ的规定。振动速率测试 （２）小净距隧道的开挖应尽可能增大爆破源与既 数据见表１。 有隧道间的距离，在接近既有隧道爆破时要形成尽可 表１ 既有隧道振动速率测试数据 ｃｍ／ｓ 能多的临空面；同时，应选择低爆速品种的炸药或低密 观 实测振速 度、小直径品种的炸药。 测 测点里程 左边墙 拱顶 右边墙 次 （３）在保证既有线正常运营的前提下，进行既有 数 垂直 纵向水平 垂直 纵向水平 垂直 横向水平 隧道加固施工干扰大，工期较长，应预先编制专项施工 ｌ ＤＺＫｌ２３＋９ｌ６ ４．４８５ ２ ３．９８３ ４ ３．１ｌ７ ６ ０．７７７ ５ ０．６５０ ６ ０．５５４ ５ ２ ＤＺＫ１２３＋９１６ ３．３３４ ３ ２．３ｏｏ ７ １．１２６ ３ ０．７００ ３ ０．４９５ ３ 方案，报铁路部门审批。 ３ ＤＺＫｌ２３＋９ｌ６ ３．６８３ ０ ２．８４５ ３ １．８２９４ １．４６３ ６ ０．４０４ ６ （４）新线隧道施工前，对既有隧道渗漏、开裂等病 ４ ＤＺＫｌ２３＋９２２ ３．６５８ ５ ７．１３９ ４ 害进行详细调查了解，做好记录和标识，并请有关单位 ５ ＤＺＫｌ２３＋９２２ ７．１７０ ８ ７．１７７ ８ ２．４４５ ｌ １．７８５ ７ １．７ｌ６ ０ 共同签认。 ３．５仰拱及二衬施作 参考文献： （１）新刘家沟隧道进口段采用超短台阶法施工， ［１］ＴＢ１０００３－－２００５，铁路隧道设计规范［ｓ］． 仰拱采用机械开挖、人工修整，及时进行仰拱及填充混 ［２］ＴＢ１０２０４－－２００２，铁路隧道施工规范［ｓ］． 凝土施工。 ［３］ 齐景岳，刘正雄，张儒林，等．隧道爆破现代技术［Ｍ］．北京：中国铁 道出版社，１９９５． （２）根据初期支护变形量测结果，确定合理的二 ［４］ 丛恩伟．并行双洞小净距公路隧道施工技术［Ｊ］．铁道标准设计， 次衬砌施作时间，及时跟进，避免衬砌过早，使其受力 ２００３（１Ｏ）． ’ 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００７（８） ５７
