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隧道风筒讲述隧道及地下工程技术的历史沿革
作者:隧道导风筒    发布于:2018-12-28 16:10:23    文字:【】【】【
摘要:隧道风筒讲述隧道及地下工程技术的历史沿革

隧道风筒讲述隧道及地下工程技术的历史沿革

 

1.1隧道及地下工程技术法则的要义

 

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、顶管法等就是经过不断试验、研究及实践出的隧道及地下工程构建方式,各自有其相应的技术法则,而不是一般意义上的工法技艺,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围岩中构筑隧道及地下工程,在矿山法、盾构法和新奥法之后,已经进入了新的历史时期。我们将采用盾构以外的隧道暗挖方法叫作“非盾构方式”。

 

1.2非盾构方式的隧道暗挖技术

 

1.2.1矿山法时期

 

在新奥法创立前,采用矿山法修筑隧道是除沉管法和盾构法外的主要技术方法。暗挖法又分矿山法和盾构法2大类。凡用一般开挖地下坑道的方法修筑隧道的都称为矿山法。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。矿山法有其工程机理、技术方法和操作步骤。矿山法是建立在经典的岩土力学基础上。尽管现代岩土力学理论较经典岩土力学理论有了很大的进步和发展,但是经典岩土力学的理论精髓并没有完全废弃,莫尔—库伦定理及兰金定律沿用至今,用于深埋隧道的普氏坍落拱理论、太沙基土压力理论以及用于浅埋隧道的沉降漏斗压力理论及全土柱压力理论在现实中仍有指导意义。隧道设计、施工的某些方面仍在自觉或不自觉地使用着矿山法的个别技术指导原则。当下仍有人把目前非盾构暗挖隧道的主流施工方法再回归到所谓的“矿山法”中去,无限扩大矿山法的容量,这违背了工程技术发展的历史规则。矿山法隧道分部施工如图4所示。

 

 

1.2.2新奥法时期

 

新奥法由奥地利学者拉布西维兹于20世纪50年代提出,60年代取得专利权并正式命名,70年代被引入我国,对我国隧道工程建设产生了重大的影响。现在我国隧道工程建筑水平能够比肩世界,其中一个重要的因素就是得力于新奥法的推广和使用。在《中国土木工程指南》(第2版)中定义:新奥法尽量利用围岩的自承能力,用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布,使达到新的平衡,目前已用于修建各种用途的隧道。新奥法充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工。1988年原铁道部基建总局组织编写、由中国铁道出版社刊印的《铁路隧道新奥法指南》较为全面详细地总结了新奥法的实施细则。

 

1.2.3新奥法与矿山法对比

 

在工程机理上,新奥法与矿山法的最大区别如下。

 

1)矿山法的工程机理是“稳定”,对围岩松弛荷载进行支撑;而新奥法的工程机理是维护及提高围岩的自承能力,使围岩与支护共同形成承载结构。

 

2)矿山法采用传统工程构筑的思维模式,在围岩稳定的因果关系上注重“果”而非“因”,其工程行为重在“支撑效果”和对“支撑”的处理上;而新奥法则采用信息化的动态管理模式,注重岩变过程及过程控制,依靠信息化手段达到预期的围岩稳定目标。

 

在工程实践中,新奥法的重要特征如下。

 

1)两阶段的地质调查和两阶段的施工设计,即为施工前的地质调查工作和施工中的地质调查工作;施工前的设计和施工中的信息反馈修正设计。

 

2)必须在隧道及地下工程现场进行密集监控量测,建立起信息收集、分析、传递和反馈系统,为隧道设计和施工提供可靠的依据。

 

新奥法所倡导的这些重要的技术原则与隧道及地下工程的基本特性相符合。以喷射混凝土为代表的柔性支护可以达到及早封闭岩面和调整围岩应力的效果;适时施作二次衬砌有可能使得厚度减薄,进而节约原材料和缩小开挖断面;其所主张的信息化设计、施工理论和现场监测控制方法将隧道工程科学推向了更高的层次。因此,隧道及地下工程施工有了较大的进步,具有更快速、更节约、更安全的优势。

 

但仍要看到,有相当数量的隧道工程围岩及支护变形和位移处于失控状态。因此,在国际上曾一度引起过对新奥法原理正确性的讨论,而后在国际隧道协会(ITA)的努力下,主流意见归于统一。我们也应当尊重事实,认真、全面地分析隧道事故的真正原因,客观、科学地对待新奥法。

 

1.3再度创新的技术时期

 

随着人类社会的持续发展,隧道及地下工程规模越来越大,技术难度空前突出。在新的工程实践中,旧有技术往往不能完全胜任,须改进,新技术必将产生。自新奥法成为技术专利至今,已经风行世界隧道界50余年,这期间具有独立个性的隧道新技术不断出现,而且成就斐然,已经进入了又一个技术创新的时代。

 

20世纪的7080年代,欧洲相继出现了隧道工程“挪威法”和“新意法”。挪威法适用于挪威国以硬岩为主的地层,采用锚杆锁定岩石并敷以钢纤维喷射混凝土层形成了围岩承载圈,是典型的“锚喷构筑法”。本质上挪威法是新奥法的具体运用,因地制宜,高效经济。新意法是要对隧道开挖面前的地层进行预处理或预加固,使得围岩稳定性大幅提高,为实现更大断面开挖创造了条件。其能够有效地控制围岩变形,安全性好,但是工程投入相对较大。

 

近年来,我国隧道建设取得了非凡的业绩。我国技术人员通过地铁施工的实践,建立了城市地下暗挖的成套技术;通过高压富水岩溶隧道建设创造出限压承载结构的设计模型;通过在强风化地层及岩堆中构筑偏压、大跨度隧道总结出了新的围岩加强支护及大断面分部施工技术;还有地质预探、预报,地层预加固、预处理和新型围护结构等新技术,不胜枚举。其中有的是对已有技术的补充和发展,有的则是原发性的技术创造。

 

如今,隧道和地下工程技术是一个包罗甚众、千锤百炼、既专业又综合的庞大系统。与矿山法相比,从工程机理到实施手段已有根本性变化,即使拓展矿山法概念也是涵盖不了的;将其与前期的新奥法相比较,其运用的广度和深度都已远远超出。这个新的技术系统是智慧的结晶,可归结为全面环保、预行措施、制定工法、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。

 

1)全面环保    在隧道及地下工程实施过程中尽可能减少对工程所处地面、地下自然状态的干扰和破坏,如果存在有地质灾害发生的可能,则要进行有效治理或预防。①隧道建设应牢固树立严控水土流失、确保生态安全的目标和因地制宜、综合治理的原则;②越岭隧道“早进晚出”及低仰坡洞门的做法可减少对地面生态环境的破坏和人为地质灾害的发生;③在确保安全的前提下优先选择大断面开挖形式,做好光面爆破及减震措施,降低对围岩的扰动;控制围岩和支护中应力转换的过程及幅度,保持地层相对稳定。

 

2)预行措施    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。①隧道施工中的地质预探主要手段为物探、钻探和通过开挖面地质描绘对前方进行推断。采用电磁法、地震法、地质雷达、声呐法等可对200m范围的地层进行探测,采用红外线法可探测50m以内的较大水体。如在特殊不良地层中掘进或存在较大地质疑点,则需要进一步钻探明了。②地质预报是隧道施工现场日常技术工作的必要内容之一,应明确责任、列入交接班制度并做好文字记录。③对地层中的水害隐患要进行预处理。一般情况下可进行注浆封堵;水头较高且水量较大注浆封堵无效时,应予排放降压后再做处理。④对于渗透性较强的软弱地层可进行注浆固结,提高岩土力学指标及性能。对开挖后不能自稳的地层,应施作管棚或平桩支护,并辅以小导管灌浆。

 

3)制定工法    依据工程实际条件选择隧道开挖、支护、构筑等基本作业的具体实施手段、工艺流程和保证措施。①分部施工几乎体现出非盾构暗挖作业的全部技术特点,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,慎重决定;②辅助工法多用于隧道围岩加固和地层力学特性的改善以及施工中的疏水、排水、降水、堵水等,有时会决定主体工程施工的成败,必须高度关注,恰当使用。

 

4)信息化管理    隧道施工现场必须建立完备有效的监测控制系统,负责测点布设、数据采集、趋势分析、情报处理和信息反馈等工作,项目负责人据以对设计和施工进行动态管理。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;③要求建设、设计、施工和监理各方都必须委派代表进入统一的项目组织内共同工作,以保证工程决策的效率和质量。

 

5)及早完成支护闭合    是保障在软弱地层中隧道施工安全和质量的重要技术原则。只有支护闭合才能有效地控制地层沉陷和结构变形。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,使其尽快达到稳定状态;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闭合时间;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的可能时,可及时对开挖面进行喷混凝土支护,必要时施加锚杆。

 

6)完善承载结构    此项为隧道及地下工程建筑最重要的成果,也是隧道工程建设水平及工程质量的最终体现。完善的承载结构应能全部满足隧道及地下工程符合安全和寿命规定的使用需求。①围岩、支护和衬砌组成了隧道承载结构的3道承力环,施工中地层压力始终在三者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难点和关键。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,应高度关注其使用条件和范围,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、偏压等许多情况下,宜采用限压承载的结构设计。

 

隧道和地下工程用于开辟人类生存和发展的第二空间,有着广阔的发展前景,隧道和地下工程的发展应以环境保护为第一要则,只有这样才能够真正实现造福人民的愿望。

盐城吉利华威矿山设备有限公司,专注煤矿、隧道通风领域30年,主营隧道风筒、隧道通风管。

 

 
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