施工中的若干动态问题

第十一部分 动态施工中的若干问题所谓“动态施工”，应该从广泛的意义上去理解。大家知道，根据暴露出来的围岩状态采取对策，是隧道施工的基本原则。这里所谓“动态”是指隧道施工过程中的地质条件是不断变化的；其力学动态也是不断变化的，施工过程就不可能是一成不变的。我们在施工过程中采用的各种施工方法和技术都是为了适应这种“动态”变化的。因此，隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理。这也就是动态施工的基本含义。首先要认识围岩、了解围岩，这在前面我们已经作了比较详细地说明。其次，动态施工的基础条件就是要认识和了解施工中发生的各种“动态”的实质，如岩爆、大变形等，同时也要清楚地认识到我们采取的施工手段和方法，会引起什么样的力学动态的变化？它们的效果如何？这通常是通过量测、观察等手段完成的。因此，在动态施工中，量测、观察起到的作用是不能忽视的。它不是可有可无的，而是施工过程中的一个重要环节。真正地实现“动态施工”，需要严格、科学的施工管理和高素质、技术密集型、应变能力强的队伍。因此，不断地提高施工管理的水平和建立适应技术发展和动态施工的高素质技术密集型的队伍异常重要。最后应该指出，动态施工与动态设计是不可分离的。设计单位提供的设计，在没有通过实践检验前，始终是具有预设计的性质，而真正的设计是在施工过程中完成和完善的。我们应该而且必须在施工体制上去适应这种需求，把施工中的设计权逐步地转移到承包商一方，为实现真正意义上的动态施工创造条件。施工要点一 隧道施工的动态管理过去我们在隧道施工中基本上也是按照“动态施工”的思想，进行设计和施工的，但因获取信息手段发展的迟缓、信息传输系统的不完善以及隧道施工环境和管理体制的限制等等原因，并没有实现真正意义上的“动态施工”。最近一段时期，由于信息技术、通信技术以及各种获取信息手段和方法的迅速发展，特别是设计施工体制的改革，给真正实现隧道的“动态施工”创造了良好的条件和基础。例如，在新建的渝怀铁路一些隧道中，就强调实现真正的“动态施工”管理体制，并建立了相应的“动态施工组”。意大利在修建Vaglia 隧道中，采用了ADECO-RS（Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils）系统进行隧道的设计和施工，该系统用于控制岩土变形，对该隧道的围岩从调查阶段的地质调查信息中，来正确地掌握地质条件的变化，在设计阶段则根据地质条件的工程划分级别，给出基准。最后根据开挖时发生的应力、应变特性给出适合该地质条件的施工方法和支护结构。最近日本建设省对动态施工系统给出的定义是：在工程建设的调查、设计、施工、维修管理的实施过程中，以施工为重点，利用在各过程中获得的与施工有关的电子情报和从各种作业中获得的电子情报，根据使用机械和电子仪器、量测仪器的组合加以连动控制或实现电子网络的一元化施工管理，以提高整个施工的生产性。这是一个立足于电子技术和信息技术的建设工程生产管理系统，它监控了设计、施工及运营管理全过程。在这个思想的指导下，日本的一些会社都在开发“动态施工”的应用系统。例如佐藤工业（株）开发的“SIT系统”，它是一个把洞内的量测数据、测量数据、机械和运输车辆的运行数据、通信数据等情报信号，用单一的通信线路进行传输，实现洞内施工的一元化管理。而西松建设（株）也开发了“隧道综合管理系统”。该系统是由情报化施工、设计支援和质量管理、隧道形状管理四个子系统构成的。其中情报化系统是由TSP（弹性波探查）、DRISS（钻孔探查）、TDEM（电磁探查）三个掌子面地质超前预报技术组合而成。设计支援系统则由过去的施工实际情况和支护模式、辅助工法等构成。同样地，在TBM 的掘进管理中也开发了类似的系统。日本地层科学研究所的“隧道量测和掌子面情报快速管理系统，操作简单、判断迅速，并能够显示出掘进情况、掌子面情报、量测结果等，也可以表示初期位移速度，施工管理基准值等。总之，欧洲、日本等国已纷纷开始隧道工程动态设计系统的开发和研制，有的已开始产业化应用。对促进产业现代化，提高生产效率、降低成本、减少风险都起着十分重要的作用。应该指出，这些系统都是企业自主开发的，是把现代技术融合到施工管理中的必然趋势。我国的施工企业也应该充分认识这种自主开发的巨大作用，它能给企业带来巨大的效益。1系统的构成从目前已经开发的系统看，一个完整的动态施工管理系统应该是一个能够收集传输信息、分析与评价、决策以及实施作业的系统，即由以下子系统构成：信息收集和通信子系统；信息整理、分析和评价子系统；决策及实施子系统；这几个子系统，有机地构成了一个用电子网络联系在一起的大系统。该系统的概念图示于图1。 图 1 信息化管理系统的功能2各子系统的建立如前所述，大系统是由3个子系统构成的，因此要独立地建立各个子系统。1）信息收集、通信子系统信息应包括隧道设计、施工文件、竣工文件及各种图表、超前地质预报、施工监控量测、掌子面地质素描、地下水及掌子面涌水量、施工管理（质量、进度、材料消耗、成本核算等）、工程实验及试验、运营过程的病害监控及整治等信息。信息采集应尽可能采用信息技术，如数码相机、自动采集等，以便能够将信息及时可靠、原样地传递到计算机中。信息的形式是多种多样的，它包括声音、画像、数据、文字、图表等。应以最简洁、最方便计算机进行处理的形式表示。 信息通信即将各种信息传送到计算机程序系统的通信系统是本系统的关键技术之一，信息通信系统的功能示于图2。图 2 情报化通信系统的功能2）分析、评价子系统对各种信息进行分析，根据分析结果做出评价。其重点在于： 超前地质预报信息的分析和评价；量测数据的分析和评价；设计变更的分析和评价；施工管理数据的分析和评价；隧道病害监控数据的分析和评价等。 分析、评价子系统的概貌示于图3。图3 分析、评价子系统功能3）决策、实施子系统在分析、评价的基础上作出决策并预以实施。此系统在某些情况下，可能要采用专家系统的方法编制。系统的实施部分应包括设计反馈系统和施工反馈系统两部分。前者是把决策建议，反馈到设计中的系统。而后者则是根据决策建议，反馈到施工中实施的系统。有的需要设计后才能实施，有的可以直接反馈到施工中实施。这两种情况应分别预以考虑。决策、实施系统的功能示于图4。图 图4 决策、实施系统的功能3信息获取方法为了能够实现信息的公共性，应该对获取信息的方法做出规定，例如，超前地质预报信息由以下方法获取：。TSP方法；超前钻孔方法；掌子面地质雷达方法；数码相机超前地质预测、掌子面围岩级别判定等。监控量测信息由以下方法获取：隧道断面激光测试仪；数值相机断面位移测试方法；空隙水压计；一般测试方法，如数值收敛计；有可能的话，建议对光纤维量测衬砌应力、应变的技术进行研究。实验或试验数据由以下方法获取：掌子面取样进行室内试验；掌子面直接进行试验的方法，如回弹仪、射钉枪等方法；空隙水压计、涌水量测试等；质量控制数据由以下方法获取：衬砌厚度检测、喷混凝土厚度检测；混凝土、喷混凝土的强度试验；锚杆密实度测试仪；背后空洞检测方法，如锤击法等。隧道施工中的病害数据由以下方法获取：；隧道开裂的测绘；开裂数据的采集；背后空洞的测试；衬砌厚度的测试等。但不管采用何种方法，最好首选电子仪器测试方法，以便能够在计算机上进行信息的通信、传输、处理等作业。4分析、评价及决策方法同样地，在本子系统中应该对采用的解析方法、评价方法及基准以及决策方法做出统一规定，以便能够进行比较和分析。解析方法：位移、应力的反分析方法；荷载结构模式解析方法；二维、三维FEM分析方法。决策方法：专家系统方法；病害、施工事故诊断方法；类比方法；评价方法：模式化方法；基准对应方法；标准模式方法等。从当前我国的技术现状出发，应该逐步地、有目标地实现上述系统的开发和研究。施工要点二 量测与观察 当前隧道施工的最大特点就是把量测、观察技术和方法引进到施工中，并作为施工一个重要而不可缺少的环节预以实施，其目的之一就是要根据观察、量测等得到的资料对已开挖的区间和掌子面前方的围岩状况进行预测，并反映到施工中去。对于观察的方法，我们在认识围岩、了解围岩中已经详加说明。这里仅对量测方法中的一些问题做进一步地说明。1量测项目的选择量测项目的选择要充分考虑各个量测项目的作用。我们通常把量测项目分为两大类。即日常施工管理所必需进行的必测项目和考虑围岩条件而需要增补的项目。目前的问题是在施工中如何根据围岩的状态来选择应该实施的项目。例如在硬岩中，洞壁位移量测究竟有多大的意义就值得商榷，而在软岩和土砂围岩中，它的作用是非常显著的。表1列出了在各种围岩条件下量测项目的重要性，可以选择实施项目时的参考。表1围岩种类和量测项目的重要性量测项目围岩种类必测项目增补项目洞内观察净空位移拱顶下沉洞地外表地面中下位沉移 洞内地中位移锚杆轴力衬砌应力钢支撑应力锚杆拉拔试验围岩试件试验洞内弹性波硬岩*软岩*软岩（有大塑性地压发生）土砂* ：必须实施的项目；：可以实施的项目；：必要时实施的项目； *：根据量测结果认为判断减少支护量有重要影响的项目。 2管理体制及基准值的设定在量测中最重要的是要有一个基准，以便评价设计、施工是否妥当，并根据基准值进行施工管理。管理基准值中有测定锚杆轴力而根据构件强度的，也有评价隧道周边围岩稳定性，基于解析、经验并在施工中不断修正的，因此，应根据不同的量测项目，规定合适的基准值。 管理基准值多数是按有量测可能的净空位移值、位移速度、岩石变形等加以规定的，以确保围岩稳定，不能使围岩强度和支护功能急剧丧失（考虑初期支护的承载力富裕），能够确保衬砌厚度线在位移内收敛等为前提条件设定的。在埋深小和膨胀性围岩的条件下，对地表面下沉和地中位移、锚杆轴力等也要设定管理基准值。 应该指出，在不连续性围岩中，量测结果不一定能够完全反映围岩的动态，应结合洞内观察的结果设定管理基准。 设定管理基准值时，基本上考虑对隧道周边围岩不要产生有害的松弛为前提。但明确地推定发生有害松弛的位移值是很困难的。要进行多方面的研究才行。基准值的设定可以采用以下方法。 （1）参考类似工程实例设定参考过去的工程实例，并考虑围岩条件、断面大小、施工方法、支护构件的数量等确定基准值。表2是日本铁路隧道的净空位移管理基准值，可供参考。表2净空位移值的管理基准围岩级别净空位移值单线双线、新干线A大于75mm大于150mmB25mm75mm50mm150mmC小于25mm小于50mm （2）根据解析方法设定 采用FEM解析等方法，求出位移值作为管理基准。 （3） 根据极限应变设定调查试件的极限应变，作为开挖中的隧道达到该应变时的基准值表3是拱顶下沉的管理基准值例。表3拱顶下沉的管理基准值(隧道半径：5m)级别水准ABCI0.30,50.51.01.03.0II1.01.51.54.04.09.0III3.04.04.011.011.027.0注：1）位移基准值是开挖引起的总位移，量测拖后时应注意； 2）本基准是指埋深大的情况，埋深小时，要采用比表列更小的数值； 3）岩块硬、裂隙影响显著的围岩，采用时要加以注意。 （4）根据支护构件的变异设定 喷混凝土、锚杆的变异可以反映当时的荷载、位移情况，因此可以将喷混凝土的破坏应变和锚杆破断的位移作为大致基准。（5）采用上述各种方法组合的综合方法。3量测管理量测得到的结果应迅速地反馈到设计施工中去，力求提高施工的安全性和经济性。把量测结果反映到设计施工中的目的，首先是确认施工的安全性，其次是提高工程的经济性。前面提到的量测管理基准值，在实际施工中应通过一定的管理体制预以管理。如图1的设定所示，根据不同阶段的管理水平进行管理。设计阶段设定的基准值，可作为施工初期的管理基准，随着施工的进展，应适当修正管理基准值。 通常体制 注意体制 要注意体制 严重注意体制 管理基准值（管理基准I） 管理基准值（管理基准II） 管理基准值（管理基准III）A：通常体制指定时量测、洞内观察程度；B：注意体制指加强观察量测频率、现场检查、强化作业人员的注意C：要注意体制指加强观察量测体制、根据管理基准值预测最终位移值、实施对策；D：严重注意体制指停止掌子面开挖、解析变异原因及趋势、再研究支护模式等。图1量测数据的评价和安全管理体制的关系（1） 净空位移和拱顶下沉测定 净空位移和拱顶下沉值是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要量测项目。此项目的量测结果可用以判断周边围岩的稳定性、初期支护是否妥当及衬砌、仰拱的灌注时间等。 变更支护模式时，要考虑最终位移的预测值、掌子面观察、掌子面前方围岩的情报、埋深等，并与其他量测结果一起进行综合判断。表4是根据工程实测的分析说明围岩级别和净空位移、洞内状况等的关系，可在变更支护模式时参考。在良好的围岩条件下，只用位移值是很难划分的，最好根据掌子面观察来判断。最大位移速度和最大净空位移值的关系与围岩条件、施工方法有密切关系，是很离散的，但也有一定的相关关系，在施工的初期阶段预测最终位移值是有可能的。在采用台阶法施工的围岩条件中，最大位移速度超过20mm/d时，最终位移值是相当大的，因此应及早采取措施（图2）。 图2最大位移与最大位移速度的关系 根据初期位移值预测最终位移值或变更支护模式或修正设计的判断基准时，上述的数值可以作为大致的标准，并根据隧道的施工实践加以修正。表4施工阶段的围岩分级基准围岩级别最大位移值mmA：掌子面状态B：毛开挖面状态I：水的劣化其它洞内的围岩状态V单线：25双线：50111几乎没有裂隙,密着，没有掉块的可能IV111F=2的情况有裂隙,开口夹有黏土，局部掉块,有涌水2III121裂隙发育,不密着,随时间会发生松弛，可能掉块，但掌子面稳定；岩质软，裂隙少，密着，、随时间可能松弛，正面稳定II12、32、3裂隙发育，开挖后要及早支护；岩质软，随时间会松弛，壁面可能挤出；正面面积大时，稳定性稍差1、22、32、3岩片坚硬，但破碎、混有黏土等，或风化、脆弱开挖后需立即支护，掌子面松弛，要保留核心；均质、软弱，周边围岩有挤出趋势，掌子面松弛需保留核心In单线 ： 7525双线： 150501、2、32、32、3Il1、21、23、4即使涌水很小，也要保留核心，为保证掌子面稳定；在开挖前要先行支护，开挖后立即支护。Is单线： 15075双线： 30015032、33、4一开始虽然没有看到开口，但随时间分离显著、挤出显著产生剥离。正面挤出、剥离也显著。特L特S单线：150双线：300444伴随涌水，围岩流动、挤出，掌子面清楚不能自稳注：A、B、I、F及14见图7-7（a）。 最终位移的预测方法如下： 吉川等的方法 利用量测初期阶段出现的最大位移速度（mm/d）和该点的最终位移值（mm）的相关关系进行预测，考虑开挖断面、施工方法时，可按图7-15求出。 吉田等的方法根据开挖3d 的位移速度X1X3，按下式求出最终位移值Y。 Y=A+BX1+CX2+DX3常数A、B、C、D根据量测结果采用重回归分析方法求出。 近藤等的方法在任意距离L的位移实测值U1,同样，取对应Lk的位移Uk。设Lk=2L1,则最终位移值A可由下式求出。 A=U1/1U1-Uk拱顶下沉值，对确认围岩稳定性，特别是对预测拱顶崩塌是非常重要的，在埋深小的隧道中应和地表面下沉测定一起进行。（2） 地表面下沉和地中位移测定地表面下沉、地中位移测定，是在埋深比较小的隧道中实施的，是为了掌握地表面产生下沉及其影响范围或周边围岩的松弛区域而进行的。从周边围岩稳定性的观点出发，确定评价基准是很难的，但根据下沉曲线的形状和最大下沉值还是可以直接判断周边围岩稳定性的。此外，接近结构物时的管理基准可采用容许倾斜值，但该值与结构物的种类、用途、构造等有关，根据日本的一些规定，如国铁结构物检查基准提出：结构物的倾斜，不管是横向或纵向，如在1/150以下，就不会影响结构物的功能和构造。此外在建筑基础结构设计指南中也规定以下的变形角的容许值。 钢筋混凝土结构：1/10002/1000； 混凝土砌块结构：0，5/10001/1000；参考上述基准，以下各值可以作为大致的标准： 钢筋混凝土：2/1000； 混凝土砌块结构：1/1000； 木结构：5/1000；横断方向的地表面下沉曲线是左右非对称的，出现下沉值异常大的场合，多数是由于偏压地形、接近施工等造成的，因此应增加其他量测项目，仔细研究地形、地质构造等。下沉值也受到地下水的影响，因此也要注意与地下水外、降雨等有关的条件。地中位移测定地中位移发生的模式，如表5所示，因围岩条件、施工方法而异。如果不与地质状况及净空位移值一起研究，可能会得出错误的判断，因此，进行综合判断是很重要的。例如该表最下面的图，净空位移值大，但地中位移值小的情况，这是因为地中位移计的基准点设置在松弛区内，没有进行正确的量测所致。净空位移值比预计的大，松弛区比锚杆长度深时，在研究锚杆轴力中，或是加长锚杆或是增加根数。反之，净空位移值小，松弛区也小，要研究或是缩短锚杆长度或是减少根数的问题。表5地中位移模式地中位移发生模式发生原因和现象对策发生不连续面为弛区的最大位置研究增打锚杆在隧道壁面附近发生松弛区，有产生后期荷载的可能修正锚杆长度；修正锚杆根数；修正支撑尺寸；研究改良地层地中位移计的长度不足，端点在松弛区内，不能看作不动点修正锚杆长度；变更支撑尺寸锚杆轴力测定可以根据锚杆轴力分布的峰值位置或峰值的大小，一般可做出表6的判断。表6锚杆轴力分布模式锚杆轴力发生模式发生原因和现象对策轴力峰值的深度可以作为松弛区，左图，峰值在锚杆中心附近，锚杆长度超过松弛区，长度是适当的左图，峰值的位置在锚杆的头部附近，可以判断松弛区已达到锚杆的头部应修正锚杆长度左图，峰值位置相对地靠近壁面附近，可以判断松弛区与锚杆长度相比是比较小的。是不经济的，应修正锚杆长度衬砌应力测定衬砌应力的测定，重要的是测定隧道径向的背后土压力和切向的喷混凝土应力。钢支撑应力测定根据钢支撑应力测定的结果，可以按钢材的容许应力作为大致标准检验已施工区段的支护妥当与否。综合考虑钢支撑的断面力和喷混凝土的断面力，能够评价两者的荷载负担率，来适当地选定钢支撑的间距、尺寸等。同时，根据钢支撑应力测定结果可以计算出轴力、弯矩、剪力，并推断土压力的分布状态。锚杆拉拔试验锚杆拉拔试验是在施工前的露头处，或是在施工初期阶段进行，求出破断时的抗力，作为设计承载力，来选择材质、形状、锚固方式等。洞内弹性波测试洞内弹性波速度测定，主要是在隧道洞内侧壁发射地震波，而后记录该地震波，说明传播（屈折波）的状况，并推断围岩的性质。与净空位移、地中位移的测定结果一起可以评价松弛区的范围。此外，与初期的地表面弹性波速度测定结果比较，可以重新评价围岩级别，与围岩试件试验一起，可以推断围岩的强度。量测结果是获取的定量数据，很容易识别其变化动向和量测地点的不同差异，是极为有用的指标。但量测条件不会是一样的，评价时要考虑这种量测上的限制，在数据处理上要极为慎重。4设计的修正施工阶段应基于观察、量测结果，判断预设计不合适时，应毫不迟疑地修正设计。考虑到地质条件的复杂性和隧道结构的特性，要想事前进行全线的、详细的调查，在技术上、经济上都是有困难的。为此，根据初步设计的围岩条件进行设计，要在施工中根据对掌子面及洞内观察等量测结果的分析，进行必要的修正是极为重要的。特别是量测结果与初期预测有较大差异，而确认必须进行设计变更时，应毫不迟疑地根据围岩的变化修正设计。支护结构变更的程度，受到地质条件、涌水等围岩状况、位移值、位移速度、位移的收敛性、掌子面的稳定性、周边环境条件等因素的影响。在支护构件的变形上，对锚杆数量、形状尺寸、喷混凝土厚度、材质、一次掘进长度、钢支撑的大小等进行局部修正或进行围岩分级、支护 模式、变形富裕量、开挖断面形状、施工方法、衬砌厚度等根本性的修改。当量测结果出现与初期预计很大差异时，应补充进行包括掌子面前方钻孔调查在内的地质补充调查。支护结构的变更，如下所述可分为两种情况考虑：（1）变更未开挖部分的预设计根据地质调查结果等设计，的初期支护模式是标准的支护模式，应根据观察、量测结果和具体的围岩状况进行合理的修正。此时，因围岩条件、位移值和当初预计的差异大小和前方预测的情况等有很大差异，变更的内容和规模也不同，同时，为确保施工的安全与效率，也要修正辅助工法。（2）变更已开挖部分的预设计开挖后位移不收敛时，可增打锚杆、增加喷混凝土厚度、仰拱临时闭合等，要充分研究所增加的支护构件的形状、材质等从而采取适当的对策。同时，要求地表面下沉、对周边结构物的限制收敛到某一限度内时，应分析研究量测结果和当前的支护结构的力学性能，在这种情况下，必要时可采取隔断壁等防护措施。判断修正的必要性，除根据量测结果外，一般的修正方法和注意事项，列于表7。 表7设计的修正方法和注意事项现象修正方法注意事项净空位移值比预计大的情况扩大变形富裕量应确认喷混凝土等没有开裂；应确认锚杆轴力有富裕；应确认变形是收敛的增强支护构件增加喷混凝土厚度、锚杆长度、根数；缩短支护构件间距；在破碎带、塑性化显著的围岩，提高支护构件刚性，有时会收到控制变形的效果断面闭合用仰拱或临时仰拱尽快闭合；控制变形是最有效的措施加强掌子面及掌子面前方掌子面自稳性差的情况，采用超前支护等辅助工法变更开挖工法即使采用环形开挖和辅助工法也不能使隧道和周边围岩稳定的情况下采用；因多要变更机械设备，也要研究采用其他辅助工法的可能性净空位移值比预计小的情况减少支护构件应确认锚杆轴力小；与喷混凝土比，应优先减少锚杆数量缩小变形富裕量以充分的精度进行研究施工要点三 施工管理 在动态施工中，一个重要问题就是如何提高施工管理的水平。我们考察支施工队伍的技术管理水平的标志是什么?，大家应该有一个明确而致的认识。其标志是： 施工井然有序、施工速度均衡、快速； 施工质量上乘； 施工成本不断降低： 施工中无灾害性事故发生或应变能力强等。 提高施工管理水平，在现有条件下，应从以下几方面做起： （1）人才的发现与培养，隧道施工技术人员必需是“机械、地质、隧道工程、管理”四者都具备的综合性人才，要改变“懂地质、不懂隧道“、”懂隧道、不懂机械“、”懂隧道、不懂地质“、”懂工程、不懂管理“等片面发展的人才。 (2)从劳务型向技术型的转化，建立一些具有技术竞争力的专业队伍，如量测、压注、防水等队伍；不断地提高施工的工厂化水平，特别是软弱破碎围岩施工的工厂化水平； 大量的民工是目前施工的主力，在这种情况下，管理好、使用好、培养好这支队伍，就是技术主管部门的重要任务。否则，提高施工技术水平就是句空话。(3)把整个施工过程纳入到计算机管理中，前面已经提到，动态施工就是利用在施工过程中获得的与施工有关的电子情报和从各种作业中获得的电子情报，根据使用的方法、机械和电子仪器、量测仪器的组合而实现的一元化施工管理，以提高整个施工的生产性。这是一个立足于电子技术和信息技术的施工管理系统，它监控了设计、施工的全过程。而这一切都是依靠计算机来完成的。 (4)提高作为技术开发主体的思想意识，大力开发新技术，以技术实力求生存。不断地吸收、开发和提高施工技术水平，与时具进，是非常重要的。 下面就提高矿山法施工工厂化水平和降低工程造价两个问题做些说明 （一）施工机械配套，提高施工工厂化的程度应该指出：暗挖法中，掘进机法和盾构法，已经基本上实现了工厂化，因此，无论从施工环境，还是施工质量、施工速度都是矿山法所不可比拟的。如何提高其工厂化程度，关键问题来看就是要解决好隧道施工方法的标准化和模式化。 从我们当前的施工实际出发，采用最多的施工方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面的情况下，单侧导坑法（中隔壁法）和双侧导坑法（眼睛法）采用较多。由于施工机械的开发，施工方法有更多地采用全断面法的趋势，即全断面法和超短台阶法相互结合的全断面施工。因此，隧道施工机械化配套技术，必须考虑施工技术的发展，以适应隧道施工技术发展的需求。例如，大遥山隧道施工的机械化模式，基本上是双线铁路隧道机械化的基本模式，而米花岭隧道则是单线铁路隧道机械化施工的典型模式。“台架模式”是一种以多功能台架集约开挖与支护作业，并紧跟铺底和衬砌的施工方法，也是一种以全断面法为主，局部不良地段转换为超短台阶法的施工机械配套技术，在单线、双线隧道中均可采用。 1隧道施工机械化配套的基本原则 （1)隧道施工机械基本上是由掘进、支护(初期和二次支护)、出碴运输及洞内作业环境的保障设备四大部分构成。这四部分机械和设备的有机配合，就会形成强大的生产能力。但在配套中应将重点放在掘进和支护的机械选择上。因为这是形成生产能力的关键。 在配套方案的研究中,首先要建立基本配置模式,但应留有余地,采用者可根据具体条件,提高或降低其中某些配置的水准。也就是说,机械化的程度，应因地制宜，但都应在基本配置模式的基础上进行，视工程的具体条件和施工单位的机械设备情况,可将机械化分为不同的水平，并按不同水平配置相应的机械。 应该指出:机械配置水平主要是以开挖机械来划分的。二次衬砌的修筑,不管施工方法如何，多数是采用各种类型的模板台车进行。而运输机械则应与开挖机械协调配置。从我国目前的实际情况看,大型施工机械,如多臂液压钻孔台车还是比较少的，而隧道的修建数量却大幅度地增长，在这种情况下，采用多功能台架或自行研制的门架式钻孔台车是很自然的。同时，发展适应各种条件下的全断面法和半断面法开挖的各种机械是很重要的。 （2) 应首先建立配套的目标函数。配套的终极目的是形成一定的、均衡的生产能力。也就是说,在满足工期的条件下,设备最简单、效率最高的配套方案是最佳选择，是我们追求的目标。 在铁路隧道中,配套的目标函数通常是用隧道的月均衡成洞速度(m/月)来表示。实际上成洞速度是不均衡的,开工初期和接近竣工时速度都是比较低的，而在正常施工条件下，有时会出现较高的成洞速度。在地质变化急剧的情况下,成洞速度也不会很高。根据我国有关单线隧道月均衡成洞速度的统计证实这一点。最近在米花岭、秦岭等铁路隧道以及终南山公路隧道的施工中,单线铁路隧道和双车道公路隧道的成洞速度有了较大幅度地提高。在土质隧道(如大寨岭隧道)中,也创造了较高的成洞速度。 为保证实现均衡速度的目标,配套的生产能力应具有一定的富裕。即： 配套的生产能力(1.21.5)均衡的生产能力。 月均衡成洞速度既要考虑技术的发展,也要考虑我们的现状,不宜规定得过高。 应该指出，目前单线铁路隧道的单口月成洞速度最高已达到400多米，双车道公路隧道的单口月掘进速度也达到300米以上。在钻爆法条件下，达到这一速度是一个很大的成就，其经验应加以总结。 （3）运输设备是保证充分发挥开挖机械和支护机械能力的关键设备，是完成目标函数的基本条件。因此，在配套中必需使运输能力大于开挖能力，为不断提高掘进速度创造条件。 从目前的技术进步看，出碴作业的基本要求是迅速、大容量地将石碴撤离掌子面，使掌子面能及早恢复作业。因此，二次倒运的运输方式和大容量斗车的采用，在国外已成为隧道运输的主流。这一点，在我们研究机械配套方案时应给预足够的关注。 在机械配套中必需改变“轻运输机械、重视开挖机械”的观点。 在单线铁路隧道中采用无轨运输和有轨运输都是可行的。从运输方式看，机械化配套方案要包括两种方案以供选择。因此，研究在何种条件下，选择何种配套方案的问题是十分重要的。 在运输方式上目前采用的有以下几种方式： （1）有轨运输方式； （2）无轨运输方式； （3）集装箱运输方式； （4）皮带运输机方式； （5）管道运输方式。 目前运输方式主要在有轨运输和无轨运输两种方式中选择。在大断面隧道中偏重选择无轨运输方式，在中、小断面或独头掘进长度较大的隧道中，则多选择有轨运输方式。 （4）在不良地质条件下，不论采用何种施工方法，配套机械必需包括能够使铺底或仰拱超前的施工机械。 从各国的施工实践看，隧道仰拱结构对控制隧道变异，减少隧道病害的发生和发展具有重要的作用，但这种作用只有在仰拱与上部结构共同工作时才能得以发挥。在国外除硬岩、中硬岩外，仰拱几乎都是先修或同时修或拖后一定距离修筑的。因此，修建仰拱的方法会影响机械化配套方案的构成，它应成为配置方案中的重要组成部分之一。 过去在隧道施工机械配套中，忽视了仰拱施工机械的配套，这是可以理解的。在土质隧道中，由于仰拱施工的干忧，隧道的施工速度受到严重制约。最近一些工程局在隧道施工中注意了这个问题，使仰拱修筑技术有了一定的发展，这是非常可喜的进展。仰拱施工的基本原则是：在施工地段建立第二运输平面，以减少对前方作业的影响。这可以采用皮带桥、扣轨等方法加以解决。在有平行坑道的情况下，也可通过改变运输路径的方法解决。在超短台阶法中，采用小型反铲机械进行仰拱开挖也是成功的方法。在大断面隧道中，可以采用左右分修的方法等等。总之，这个问题是可以解决的。 最近日本在秋间隧道采用马蹄形全断面（包括仰拱）一次灌注衬砌的模板台车取得成功，为在马蹄形断面的隧道中，同时修筑仰拱，提供了一个新的尝试。 （5）在支护机械中，发展湿喷技术很重要。干喷的弊端十分明显。回弹量大、混凝土质量不均匀、粉尘量大、对洞内作业环境影响大、对工人的健康影响大等等，都是有目共睹的。改变这一状态的唯一途径是改干喷为湿喷，在西欧等国，目前几乎都是采用湿喷。因此，研制与之相适应的湿喷混凝土机和配套装置是十分必要的。中铁西南分院研制的TK961湿喷机，在这方面迈出了重要的一步。但从我国目前的施工技术发展水平出发，研究大容量湿喷机械刻不容缓，潮喷混凝土技术也应预以关注。目前一些国家研制干湿两用的喷射机械也是值得重视的一个动向。 （6）在地质条件急剧变化的情况下，为保证施工安全，特别是要保证掌子面的稳定，必要时，应采用“先支后挖”技术，即采取超前支护的方法进行施工。目前我们基本上是以小导管注浆、超前锚杆等方法通过。这种方法费时、费力，对开挖速度的影响极大。因此，研究超前预支护或插板式开挖机械，也是必要的，国外在这方面已取得较好的成就。例如中铁16局在二郎山隧道洞口段采用德国的KLEMM的KR804型管棚钻机就是一例。 2为充分发挥综合机械化施工的预计能力，加强维修管理，使机械经常处于“备战”状态，是十分重要的。必须改变“重使用、轻维护”的观念，应该在施工循环中给出一定的维修养护时间并储备比较富裕的配件，在这方面我们与国外的差距是明显的。 除了机械要经常处于良好状态外，更为重要的是要保证洞内外轨道或道路的良好状态，这也是施工管理水平的一个标志。过去由于“抢工期”、“抢进度”，我们经常忽视了对道路或轨道的维修养护，带来了不应有的损失， 这个问题在大型机械化施工的条件下尤为严重。 在有轨运输的条件下，轨道类型的选择与车辆的体积及隧道长度（总出碴量）有关，在使用小型车辆时，使用24kg/m轨是合适的，但随着车辆的大型化，轨道类型也应随着变化，以满足隧道施工运输快速重载的需要。例如米花岭隧道和正在施工的秦岭隧道，基本上都是采用38kg/m轨。而在采用大容量矿车时，如目前在一些隧道中采用的14m3的梭矿、16m3及20m3的矿车等，都必须采用重型轨道，研究指出，在这种情况下，采用43kg/m类型的轨道可能是合适的。 随着重型轨道的出现，与轨道结构有关的问题也必须同步解决。如与轨道配套的道岔结构、调车、线形等。 在无轨运输中，重要的是大型车辆的行驶路面，必须保证在行驶车辆的重量、速度条件下的安全行驶，并减少车辆行驶中的轮胎磨损。因此，路面结构必须牢固、平整、耐磨损、耐冲击。在隧道施工中，采用超前铺底或先修筑仰拱的方法，可以较好地解决隧道路面问题。 道路或轨道状态的好坏，直接影响机械效率的发挥和综合生产能力的发挥，是不容忽视的。 3对我们目前经常采用的各种施工机械进行生产能力的统计分析，发挥单一机械的生产能力是形成综合生产能力的基础。而配套机械的协调配合则是形成综合生产能力的关键。为了形成均衡的、综合的生产能力，必需首先摸清但一机械在各种使用条件下的生产能力。当前，这只能用统计的方法，把各种施工实例进行数理统计，寻求合理的数据。而对配套机械综合生产能力的统计，也只能在统计已成功的隧道施工数据的基础上进行。因此，确定几个工点进行统计分析是必要的，也就是说，在进行机械效率和配套机械效率的分析中，一定要引进数理方法，不能单凭主观的臆断。（二）降低工程造价 地下结构，如果仅仅从初期投资的土木工程造价上看，是比较昂贵的。但如综合考虑其投资效果（初期投资、工程的社会效益等）或从可持续发展的观点出发，是比较有发展前景的。 但不管怎么说，土木工程的造价是很可观的。因此，目前许多国家都非常注意如何降低土木工程，当然也包括地下工程的造价问题。例如日本在比较了与美国在一些工程领域中的工程费后明确指出，平均来说日本的工程费约比美国高出2845。因此，日本建设省提出削减工程费的指示，并提出从设计阶段开始就采取缩小结构物断面、结构物形状单纯化、构件预制化、材料规格化和标准化及施工技术标准化等5大基本措施。以地下工程为例，在盾构隧道中，减薄衬砌、缩小断面可降低工程费约30，在山岭隧道中，缩小断面也取得较好的效果，例如新干线隧道，净空内半径从4.80m减小到4.75m；，东名高速公路隧道将建筑限界的宽度缩小1.5m使开挖断面积从230m2减小到195m2， 使工程费减小1516；而降低工程费最显著的是东京都的12号线小断面地铁，降低工程费达30以上。又如在山岭隧道中，如能控制好隧道断面的超欠挖，就可把隧道工程费降低3%5等等。 因此，要从根本上解决降低土木工程的工程费问题，要有经济观念，特别是地下工程，这一问题尤为突出。降低造价必需有可靠的技术保证，否则就是一句空话。 从目前技术发展的趋势看，降低隧道工程造价的途径，可从以下几方面进行：减少和控制超欠挖技术； 采用高强喷混凝土或纤维混凝土技术，减少永久衬砌厚度 或取消二次衬砌的技术； 施工方法模式化，辅助施工措施标准化技术； 减少施工中灾害事故的发生和发展，加强施工地质的预测技术； 施工中控制施工质量的技术； 良好的施工管理是保证工程质量、降低工程造价的保证。 这里既要解决认识上的问题，也要解决技术上的问题，前者是基础，后者是手段。 首先应该认识到，土木工程的造价是有潜力可挖的，其次是“降造”要形成“双赢”的局面，最后要认识到，只有提高技术水平才能真正地把造价降下来。 （1）土木工程的造价是有潜力可挖的 扩大内需、加大基础设施建设力度， 是目前我国经济形势发展中的重大举措。以铁路、公路、城市轨道交通建设为例，今后5年的投资总额，将达上万亿元，仅仅今年就将启动2 0 0 0亿元，是极为可观的。其中隧道和地下工程量，更为可观。据不完全统计，近期修建的几条铁路线，隧道平均占线路总长的1 01 5，个别地段可达4 05 0，甚至超过5 0以上。而且，长度超过1 0 km以上的隧道和三车道、四车道的大断面的公路隧道，也不断涌现。城市轨道交通的里程也大幅度增加。在这种情况下，如何降低地下和隧道工程的造价，是个重要的课题，也是土木工程领域中具有意义的课题。可以想象，如果造价降低1，就是100个亿，降低2就是200个亿，降低造价的意义是不言而喻的。 我们目前的工程造价水平，不好与国外比较。但就我们目前采取的人为的“降造措施来看，是完全有潜力可挖的。因为业主要求承包商，在承包额的甚础上“降造”520，有的甚至“降造”30%以上。这说明造价是可以降低的。 （2）“降造”要形成“双赢”的局面 这里所谓的“双赢”，就是“降造”对业主有利，对承包商也有利。否则，“降造”就是一句空活。 例如，日本规定在承包价确定以后，承包商采取技术措施而降低造价的部分，归承包商所有。这样就鼓励承包商采用技术手段降低工程造价的积极性。这也是为什么日本的地下和隧道技术不断发展的一个重要原因。 要实现这一点，就必须彻底地改变我们的投标的体制和方法。 （3）只有技术水平才能真正地把造价降下来 从目前的技术发展趋势看，降低隧道工程造价的基本途径有： 缩小结构物断而尺 以山岭隧道中盾构隧道为例，在确保必要的功能前提下尽量减小结构物的断面尺寸。例如，日本在盾构隧道中为减小一次衬砌的厚度，采用了高强的薄管片。此外，为减小二次衬砌厚度，采用喷23 mm树脂的方法，使外径从3.8 m，变为3.4 m，减小0.4 m。这样，开挖土方量减少2 5，工期缩短4 0%。在某一共同沟工程中，将二次衬砌省去，节省造价9.9。当然省略二次衬砌是有条件的。 在山岭隧道中日本铁道公团，在北陆新干线的隧道工程中，将拱部内半径从4.8 m改为4.7 5 m，减小5 c m。在舞子隧道的通风横洞(断而积8 0 m2)中，在一次衬砌(1 5 c m)上，增喷5 c m的高强喷混凝土，而取消了厚3 5 c m的二次衬砌。由此可见，缩小断面尺寸主要与采用新技术、新工艺有关。如采用高强的喷混凝土和混凝土、喷射树脂等，其次在满足净空的条件下，尽可能地缩小隧道内轮廓尺寸，最终减薄二次衬砌或取消二次衬砌。 例如，在增加列车运行密度的前提下，减少列车编组长度，就可以缩短车站和站台的长度。采用宽度小的车辆，也可以减少净空尺寸，从而减少坑道的开挖量。目前，我国采用的盾构管片的厚度是35cm，如果证明采用30cm是可行的，也可以降低工程造价，这些措施都是行之有效的。 结构物形状的单纯化 从实际出发，除地下铁道车站外，隧道的断面形状是比较单纯的。形状单纯化，可使钢筋和模板的架设简单，与之配套的材料也可以标准化和规格化，如采用钢筋骨架和定尺钢筋等。隧道的拱部最好采用单心圆，在公路隧道中，整个上部也最好采用单心圆。对钢筋混凝土衬砌的钢筋，采用顶制的钢筋骨架方式，也可以取得良好效果。例如，四车道的公路隧道，是采用四车道的大断面隧道，或是采用联拱型四车道断面，就需要进一步研究，从形状单纯化角度看，显然采用形状单纯的4车道断面是合理的，同时也简化了施工程序。实践表明，目前采用联拱隧道的成本是比较高的。 地下铁道车站形式的标准化，也是各国追求的目标，在满足功能要求的前提下尽量缩小车站的规模也是车站设计的主流趋势，这也是“降造”所要求的。 构件预制化 结构形状单纯化与构件预制化是有联系的。构件预制化，使制造简单，质量可靠，安装方便，且便于采用新材料。 已经实现预制化的构件，尽可能地向大型、长尺寸方向发展。如日本的瓦斯管道的管片宽度从0.2 m改为1.2 m，使架设时间大为缩短。 在铁路隧道中，仰拱构件预制化是一个方向，特别是在单线铁路隧道，更有发展前景。秦岭隧道仰拱采用预制仰拱获得了成功。在铁路隧道中研究二次衬砌的构件预制化问题是有重要意义的。 隧道衬砌、明洞等结构物的预制化，是提高结构物质量、降低造价的基本措施。也是许多国家正在研究的课题。下面介绍两个示例。 仰拱：为了降低成本和提高修筑仰拱的速度，在某公路隧道中采用预制构件修筑仰拱。首先开挖隧道底部后，灌注坍落度为0的混凝土。而后在其上铺设预制的带突起的混凝土板，用震捣器捣固，使其与混凝土成为一体。隧道是双车道的，施工长度约6m，一块板的大小约宽3m，长 1.5m。施工后车辆可以立即通行。可以走行满载土砂的总重量达39tf的卡车。仰拱的下沉量只有3mm。因为不需要设置和拆除模板，比现场灌注混凝土降低成本10%15。隧道开挖后能够立即施工仰拱，从而能够控制底部的变形。 衬砌预制板：在山岭隧道的二次衬砌中，也开发出预制板兼模板的技术。预制板是钢筋混凝土板。钢筋从板背后伸出，现场灌注混凝土时使之成为一体。开挖后向岩面喷射混凝土，沿内壁架设钢架(间距12m)，使用专门机具把预制板用螺栓连接到钢架上。预制板上设有直径lOcm的孔，用以灌注混凝土。此法较采用活动模板灌注混凝土的方法能够降低成本20%30，并缩短了工期。 材料标准化和规格化 材料的规格化和标准化是与结构断面的单纯化相联系的。将材料按照设计规格，预以标准化，而在工厂或工地预制好，可大大技术减少架设的时间和材料的无理消耗。例如日本在某管路工程中，采用高流动性混凝土管片(直径4m)，在长lkm的隧道中，节省约4000万日元。 施工技术标准化和模式化 隧道施工方法的标准化和模式化是提高隧道修建速度和质量，降低工程造价的关键。 目前，在山岭隧道中采用的的施工方法，越来越集中在少数几种方法上，如超短台阶法及全断面法，中隔壁法及眼镜法等，因此，使这儿种方法标准化和模式化是当务之急。应该指出，目前施工方法混乱、工艺不标准、施工机械不配套等，是使隧道造价增加的重要原因之一。 在城市地下铁道中，目前主要从矿山法、盾构法和明挖法中选择。但在不良地质条件下，不论采用何种施工方法，都必须采用各种辅助工法。这是工程中最难控制造价的部分。 从施工工厂化程度上看，掘进机法、盾构法排在首位，其次是明挖法，最后是矿山法。 从造价控制的难易程度上看，首位也是盾构法，其次是明挖法，最后是矿山法。 从造价的高低看，很难比较。因为各种施工方法的应用条件不同。例如地下车站，多数采用明挖法，但不能采用明挖法时，就只有采用矿山法。在区间隧道，盾构法与明挖法可以做比较，一般说，国外的盾构法都优于明挖法，因为国外都把施工对周边环境(交通、生活、结构物危害等)的影响列入造价之中。在我们的国家，可能是明挖法优于盾构法。 在施工中，辅助施工方法常常是不可避免的，特别是矿山法。在设计中，辅助施工方法的选择，对控制造价是极为重要的。 在认识上我提出了三个观点、一句话。三个观点是：土木工程的造价是有潜力可挖的；“降造”要形成“双赢”的局而；只有提高技术水平才能真止地把造价降下来。一句话是：降低造价必须有可靠的技术保证，否则就是一句空话。 此外，减少施工灾害事故的发生、采用合适的辅助工法、加强施工地质的预测和预报、提高施工管理水平等都可在一定程度上降低工程造价，这要在实践中去探索。隧道工程的信息化管理系统收集、通信子系统分析、评价子系统决策、实施子系统施工管理系统信息收集项目声音画像量测数据文字图表控制数据信息范围固定体间；移动体间；固定与移动体间；隧道外部目的：信息化设计、施工、管理的监视、控制；运行、记录、联络 系统输出文字图表决策（设计施工的效率化与合理化）质量、进度、造价等隧道信息通信系统采用几个特定的小电力无线频率扩大共有化情报的基地局的通信各种情报的单一传输通信项目声音画像量测数据文字图表控制数据经过处理的各种数据，文件等。包括：画像数据及文件量测数据及文件试验数据及文件病害数据及文件目的迅速、可靠地传输各种数据效果通信设备的简化施工的效率化合理化情报的共有化分析、评价系统正反解析方法系统数据处理系统各种评价基准有关法规、规范等经过处理的各种数据文件包括：画像、量测、试验、病害、施工等数据及文件。输出：各种分析结果，如解析结果及各种评价的结果。供决策的参考。目的对数据进行分析评价，为决策提供建议效果：能够及时、有效地对结构的安全性、可靠性及耐久性进行评价。对病害隧道的变异状态、程度及发展进行评价等。决策、实施系统专家系统有关法规、规范等类比工程事例供决策的参考的各种分析结果