知名大學(xué)高鐵隧道超欠挖控制新技術(shù)2018

1、西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 2018 年 05 月肖 清 華Email ： xqh_電 話：道超欠挖控制新技術(shù)(以高鐵隧道為例)技術(shù)攻關(guān)與科學(xué)探索主要內(nèi)容第一部分 目前隧道開挖普遍存在的問題第二部分 土木工程施工技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì) (潛在借鑒)第三部分 隧道開挖控制新理念與新模式 (解決思路)第四部分 隧道超欠挖控制方法 (具體方法見另一稿)技術(shù)攻關(guān)與科學(xué)探索第一部分 目前隧道開挖普遍存在的問題 進(jìn)度慢，嚴(yán)重影響工期。 (1) 蘭渝鐵路總投資829.16億元，于2008年9月開工建設(shè)，蘭渝鐵路計(jì)劃建設(shè)工期6年，后因資金鏈斷裂和甘肅段地質(zhì)問題，建設(shè)總工期延至9年，全線于20

2、17年9月29日開通。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (2) 貴廣高鐵 貴廣高鐵工程投資900多億元，于2008年10月13日開工建設(shè)，計(jì)劃建設(shè)工期為5年，后因施工和管理問題延遲工期 1 年，2014年12月20日全線驗(yàn)收，2014年12月26日正式通車。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (3) 滬昆高鐵 總投資約為3074億元，于2009年4月開工建設(shè)，計(jì)劃2015年通車，后因施工等原因滬昆高速鐵路全線軌道于2016年6月16日下午正式貫通，2016年12月28日滬昆高鐵全線通車，工期延遲1年。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (4) 西成高鐵 西安至江油段全長(zhǎng)509.532km，總投資647億元，于

3、2012年10月開工建設(shè)，建設(shè)總工期為5年，計(jì)劃2017年10月通車，后延誤2個(gè)月，全線于2017年12月6日開通。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (5) 渝黔鐵路 總投資531.09億元，于2012年11月開工建設(shè)，渝黔鐵路計(jì)劃建設(shè)工期5年，后因施工進(jìn)度管理問題，建設(shè)總工期延至6年，全線于2018年1月25日開通。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (6) 哈大鐵路 總投資980億元，于2007年8月開工建設(shè)，哈大鐵路計(jì)劃建設(shè)工期4年，后因路基出現(xiàn)大面積動(dòng)脹，建設(shè)總工期延至5年，全線于2012年12月1日開通。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) (7) 深茂鐵路 總投資285.95億元，于2014年6月開

4、工建設(shè)，江門至茂名段鐵路計(jì)劃建設(shè)工期4年，后因各標(biāo)段施工進(jìn)度不一致問題，建設(shè)總工期延至5年，全線最早于2019年方可通車。1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) 隧道數(shù)量多、施工難度大 (8) 宜萬鐵路1.1 施工進(jìn)度影響全線建設(shè) 宜萬鐵路全線建成時(shí)造價(jià)最高（6000萬/km），計(jì)劃工期6年，因全線隧道施工難度大，延期2年才通車，動(dòng)車直到14年才通車（延期4年）。 隧道超欠挖非常嚴(yán)重！不止直接影響到了施工進(jìn)度、安全質(zhì)量 (垮塌-如滬昆)，尤其是開挖費(fèi)用增加，如過量超填 (噴射混凝土)的費(fèi)用、提高工程成本、大幅減少利潤，甚至造成巨虧！1.2 隧道超欠挖嚴(yán)重，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度1.2 m 巖性 項(xiàng)目軟弱中硬硬

5、圍巖擾動(dòng)深度（m）10.80.5平均線性超挖（cm）151510最大線性超挖（cm）252520兩炮銜接臺(tái)階最大尺寸（cm）151515局部欠挖（cm）555炮眼殘痕率50%70%80%炮眼利用率100%95%90%巖壁爆后圍巖穩(wěn)定，無剝落現(xiàn)象石碴塊度大塊一般不宜超過30cm,大型裝碴機(jī)允許5060cm,最大100cm,碴堆集中，最大拋距20m,雙線隧道深眼爆破時(shí)為30m。隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 例1：施工及設(shè)計(jì)調(diào)研與費(fèi)用計(jì)算 按設(shè)計(jì)院允許超挖值(1015cm)，爆破開挖后必須噴射混凝土補(bǔ)回到設(shè)計(jì)輪廓線才能進(jìn)行下一步二次襯砌 (模板澆筑混凝土)。 每延米 (一環(huán))：噴射混凝土約 910m； 單

6、價(jià)：600多元/m，設(shè)計(jì)800多元/m，估計(jì)會(huì)上調(diào)1000多元/m； 每延米總價(jià)：600010000元； 每公里總價(jià)：6001000萬元。 按上述費(fèi)用，結(jié)合隧道比高的現(xiàn)實(shí)，達(dá)5060億。超挖非常嚴(yán)重：如貴廣有些隧道超挖高達(dá)1.5m。經(jīng)常性超挖：3050 cm。 大量隧道工程實(shí)際施工噴射混凝土費(fèi)用計(jì)算 (1) 超挖 50cm非常正常 超挖非常嚴(yán)重：如貴廣有些隧道超挖高達(dá)1.5m。 (2) 噴射混凝土回彈量非常大！ 如：有的隧道初期支護(hù)混凝土噴射量高達(dá)300%，采取措施后混凝土噴射量降為180%190%。實(shí)際：超挖厲害；回彈厲害；隧道比高達(dá)80%以上。費(fèi)用：全線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 計(jì)算值（5060 億）！

7、例2：噴射混凝土比較差！檢查時(shí)噴得好(主觀)！ 操作手水平 (客觀) 非常關(guān)鍵，回彈率 30%正常，20%非常好！經(jīng)常 50%以上！滬昆局部高達(dá)300%。側(cè)墻背后空洞或脫空，檢測(cè)跑不掉！拱頂更厲害，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有的隧道超過2m！后續(xù)交工非常麻煩！ 總體原因大致如下： 1、技術(shù) 方面 (稍后分析)； 2、體制方面； 3、管理方面。1.3 問題出現(xiàn)的總體或根本原因1.4 傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)需要的矛盾1.4.1 基本概念現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖與施工照片。炮眼的種類和作用 (常規(guī)斷面)(1) 掏槽眼(孔)(2) 輔助眼(孔) (多種叫法) 輔掏、掘進(jìn)(3) 周邊眼(孔)1.4.2 開挖方法本身導(dǎo)致系統(tǒng)性超欠挖問題圍巖開挖

8、側(cè)視圖 (拱頂超挖，兩側(cè)同理) 如下：拱頂超欠挖：ShaL影響因素：1、鉆孔位置是否精確，h；h 也能一定程度控制超欠挖。ShaL3、循環(huán)進(jìn)尺 L；4、施工控制質(zhì)量，如孔底集中裝藥導(dǎo)致能量不均勻。2、支護(hù)緊跟影響鉆孔空間和鉆孔角度，外插角偏大。一、某隧道進(jìn)口1、工程難點(diǎn)(1) 水平巖層(2) 炭質(zhì)頁巖(3) 巖溶發(fā)育，涌水10萬m3/d(4) 下穿高速公路，垂直距離30m。1.5 現(xiàn)場(chǎng)施工控制不力 (舉例說明)隧道進(jìn)口傾斜巖層 爆破控制非常困難，很容易頂部和拱肩垮塌造成嚴(yán)重超挖！黑色的炭質(zhì)頁巖潛在有害氣體2、爆破施工基本參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員描述(無正式爆破設(shè)計(jì)) 循環(huán)進(jìn)尺2.0m；(3) 掏槽眼長(zhǎng)

9、度4.0m(4) 周邊眼間距小于40cm(5) 裝藥量不合理！ 單耗、斷面S、裝藥系數(shù)(0.25?) 。(2) 左側(cè)縱向測(cè)距達(dá)3m；3、爆破不良后果左側(cè)初支背后脫空超挖嚴(yán)重；周邊眼底部裝藥容易出問題頂部脫空嚴(yán)重 (超過50cm)超挖；掌子面中部凸出超過60cm；爆后剩余掏槽眼深度達(dá)90cm。 二、某隧道進(jìn)口1、工程難點(diǎn)紅砂巖遇水軟化，不利于爆破，但目前未見水。水平巖層2、爆破施工基本參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員描述結(jié)果：循環(huán)進(jìn)尺2.5m與支護(hù)間距1m不匹配；斷面面積及體積不清(3) 掏槽眼長(zhǎng)度2.8m肯定不對(duì)！(4) 周邊眼間距小于40cm，裝藥1.5/1.0卷不合理。(5) 總裝藥量 56Kg不合理！如

10、何校核藥量？3、爆破不良后果(1) 左側(cè)和頂部欠挖嚴(yán)重，必須二次處理；(2) 右側(cè)邊墻欠挖嚴(yán)重，必須二次處理； 欠挖會(huì)導(dǎo)致二襯厚度不足，后續(xù)交工困難！(3) 掌子面中部凸出超過50cm；(4) 左側(cè)縱向測(cè)距達(dá)3m。 三、另例：隧道進(jìn)出口1、工程難點(diǎn)紅砂巖遇水軟化，不利于爆破，但目前未見水。水平巖層淺埋自重隧道出口紅砂巖遇水軟化，不利于爆破，但目前未見水。水平巖層 加大超挖量(含不住)和圍巖穩(wěn)定2、爆破不良后果 (1) 超挖嚴(yán)重！(2) 掌子面中部凸出超過80cm；以大斷面隧道為例1.6.1 技術(shù)把握1、掌握不好有哪些方面？1.6 傳統(tǒng)技術(shù)掌握不好或技術(shù)(故意)退化經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)什么問題？(1) 兩

11、個(gè)掏槽口！(2) 槽口太大！(3) 炮眼交叉！(4) 全部斜眼！2、不良后果有哪些？(1) 楔形體出不來(2) 鍋底且碎裂(3) 底欠挖口超挖(4) 口欠挖底超挖3、正確的隧道爆破 設(shè)計(jì)成果注意掏槽、輔助和周邊眼的布置方法： (1) 正視圖 (掏槽等)； (2) 俯視圖。掏槽炮眼的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法 (手冊(cè)和規(guī)范)1.6.2 技術(shù)主觀故意退化1、基本不做設(shè)計(jì)如外委后技術(shù)力量太差！無設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)僅為走形式，甚至不會(huì)。即使包給爆破公司，也。2、爆破器材不到位如只有部分段別雷管、無導(dǎo)爆索、無小藥卷。3、技術(shù)主觀故意退化如不堵塞，周邊眼不用竹片？也沒有“不耦合”裝藥！周邊眼間隔裝藥結(jié)構(gòu) 無導(dǎo)爆索！連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)

12、示意圖小藥卷！必須采用竹片(時(shí)間更長(zhǎng))，但與大斷面隧道快速掘進(jìn)理念矛盾！1.7 現(xiàn)有的技術(shù)水平本身不足1.7.1 傳統(tǒng)隧道爆破解決質(zhì)量問題有待改進(jìn)傳統(tǒng)的隧道光面爆破技術(shù)本身是不存在問題，但就目前而言，逐漸不適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展要求。 1、大斷面隧道掏槽布置與施工問題 如臺(tái)車太寬(6m)，怎么辦？ 2、大斷面大量炮眼堵塞問題 如不堵炮眼 計(jì)算效益，可加快23小時(shí)。 3、高鐵的新要求，壓力要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。 不能欠挖，更不能超挖后脫空！ 假設(shè)隧道施工質(zhì)量得不到保障，如頂部有脫空(如滬昆高鐵崗烏隧道)、空洞或不密實(shí)，則可能會(huì)出大問題。 普鐵隧道：列車速度不高，空氣壓力不大，不會(huì)出問題。 高鐵隧道：列車進(jìn)洞

13、時(shí)正高壓、出洞時(shí)負(fù)高壓，頻繁壓拉后，對(duì)隧道影響非常大，搞得不好就會(huì)混凝土碎裂掉塊，擊打高速列出，后果不堪設(shè)想。 一旦出事，肯定會(huì)超過甬臺(tái)溫高鐵撞車事件(空間小、救援困難 非常擔(dān)心隱藏的襯砌質(zhì)量問題)。1.7.2 傳統(tǒng)技術(shù)可能的改進(jìn)方法 要很好地控制隧道超欠挖問題，潛在的改進(jìn)方法有以下幾種： 1、確保鉆孔位置合理 周邊孔孔口與開挖輪廓線的距離要根據(jù)巖石的軟硬程度（f 值）來定：一般軟巖1015cm，以利于鉆孔（鉆直孔）；中硬巖為5 cm（鉆直孔）；硬巖為0 cm（鉆斜孔，孔底向外偏斜10cm）。也就是 中的 h 問題！2、支護(hù)適當(dāng)滯后：39m？ 須結(jié)合圍巖條件確定 3、循環(huán)進(jìn)尺合理：進(jìn)尺、進(jìn)度與

14、超欠挖的博弈！ 4、半邊孔跡率保證：小藥卷、分散裝藥、竹片。 5、長(zhǎng)短孔控制技術(shù)短孔長(zhǎng)孔長(zhǎng)短孔光面爆破孔口放樣定點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)短孔鉆鑿作業(yè)長(zhǎng)短孔導(dǎo)爆索連接以節(jié)能環(huán)保隧道水壓爆破技術(shù)為例。與傳統(tǒng)技術(shù)根本區(qū)別在于炮眼裝藥結(jié)構(gòu)。1.7.3 新技術(shù)開發(fā)必須跟上現(xiàn)實(shí)需要隧道掘進(jìn)節(jié)能環(huán)保爆破炮眼裝藥結(jié)構(gòu) 往炮眼一定位置注入一定量的水，產(chǎn)生“水楔”和降塵作用；在孔口位置用專用設(shè)備加工而成的“炮泥”進(jìn)行回填堵塞，充分利用爆炸氣體膨脹以加強(qiáng)巖石破碎效果。這種炮眼裝藥結(jié)構(gòu)的工程爆破被稱為“節(jié)能環(huán)保水壓爆破”。 “節(jié)能環(huán)保水壓爆破”的作用 優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)爆破相比其具有顯著的“三提高一保護(hù)”的作用。 三提高：提高了炸藥能量的

15、利用率，即節(jié)省炸藥；提高了施工效率，即加快了施工進(jìn)度；提高了經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。 一保護(hù)：大大降低粉塵含量對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)了施工人員的身體健康。2、不足及其需要改進(jìn)的地方水壓爆破的概念 (2) 可操作性有待改進(jìn)操作復(fù)雜、增加人員、增加成本、施做時(shí)間超出傳統(tǒng)爆破施工太大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工人員不愿用。 需要專用的水袋機(jī)、炮泥機(jī)。很多鐵路線全面推廣：結(jié)果：不愿意用，堆在洞口！應(yīng)付檢查！就像傳統(tǒng)的竹片光面爆破一樣，不用！1.8 設(shè)計(jì)與施工模式問題 從總體看，掏槽及周邊光面爆破都是傳統(tǒng)技術(shù)，實(shí)際爆破效果及隧道輪廓線控制效果均有很大不足。 必須嚴(yán)格把關(guān)傳統(tǒng)技術(shù)或研發(fā)新技術(shù)！ 1、設(shè)計(jì)存在問題 隧道爆破設(shè)計(jì)往往都

16、是走形式，一張圖紙從隧道頭用到隧道結(jié)束，對(duì)實(shí)際施工爆破基本上起不到指導(dǎo)作用。因?yàn)樗淼辣票仨氁罁?jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、斷面形狀與尺寸 (隧道不同圍巖級(jí)別下，設(shè)計(jì)院為了控制預(yù)留變形量要求開挖的輪廓線大小是不一致的)、水文及支護(hù)條件等都是隨時(shí)變化的，不能一成不變。 特別是遭遇下穿或跨越既有鐵路或高速公路，必須要做好設(shè)計(jì)！ 為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？當(dāng)前施工單位缺乏設(shè)計(jì)人員，大多數(shù)技術(shù)人員不懂爆破，全部依靠施工隊(duì)伍，導(dǎo)致基本上不做施工設(shè)計(jì)，僅由施工隊(duì)伍自己憑經(jīng)驗(yàn)施工，也即農(nóng)民工除了做了現(xiàn)場(chǎng)操作的工作還做了本應(yīng)技術(shù)人員做的設(shè)計(jì)工作，即使施工單位做了爆破設(shè)計(jì)，基本上是應(yīng)付交差的。必須改變這種模式！但又不能增加施

17、工單位的麻煩！ 2、施工控制存在的問題 鉆孔定位很隨意，孔位不準(zhǔn)，即使施工單位做了爆破設(shè)計(jì)，也不一定有好結(jié)果。必須有很好的定位體系，包括設(shè)計(jì)圖紙如何定位到現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)定位后如何控制炮孔不走樣，如炮孔不偏斜等！三臂臺(tái)車很好，但大多隧道配備不了！ 3、大斷面隧道發(fā)展要求 新技術(shù)必須有效、好操作，時(shí)間要快，所需時(shí)間最起碼不超過傳統(tǒng)技術(shù)！ 4、信息化趨勢(shì)帶來的問題 如 BIM趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，無論你喜不喜歡！ 隧道信息化時(shí)代的迅猛推進(jìn)，BIM由“十二五”計(jì)劃起步到目前“十三五”的全面發(fā)展，爆破數(shù)據(jù)信息化趨勢(shì)不可阻擋。目前已經(jīng)有兩個(gè)平臺(tái)，一是中國鐵道科學(xué)院建設(shè)的鐵路建設(shè)管理平臺(tái)，二是各條線路 (包括鐵路、公路

18、、水利、城市地鐵) 都必須構(gòu)建的BIM平臺(tái)，如張吉懷高鐵等。給各個(gè)施工單位帶來了極大的麻煩和挑戰(zhàn)！ 2011 年5月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部正式發(fā)布“十二五”建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，明確指出加快建筑信息模型 (BIM)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用，以改進(jìn)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和管理模式，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。BIM將成為下一個(gè)十年 (2011年2020年)建筑業(yè)信息化發(fā)展最重要的關(guān)鍵詞。 必須完成的任務(wù)：這些平臺(tái)要求所有施工數(shù)據(jù)進(jìn)入平臺(tái)系統(tǒng)。如果完全這樣做，施工單位基本上是無法做到數(shù)據(jù)全面準(zhǔn)確的，一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)追究他們的責(zé)任。 但要完成這個(gè)任務(wù)非常困難：要保證做好，則增加10多個(gè)技術(shù)人

19、員也完成不了這個(gè)任務(wù)，因?yàn)榧词贡茖＜?，要做一個(gè)爆破設(shè)計(jì)也要一個(gè)上午甚至一天，現(xiàn)場(chǎng)等不了，何況還要收集數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)，爆破數(shù)據(jù)上平臺(tái)人工操作非常困難。 誰受益？給我們帶來的問題：更麻煩了！數(shù)據(jù)輸入 什么是BIM ？ Building Information Modeling 建筑信息模型 總體如何做？ (1) 技術(shù)層面 創(chuàng)建大型數(shù)據(jù)庫 + 數(shù)據(jù)庫管理 (平臺(tái)) 給每個(gè)使用單位預(yù)留接口，由上層統(tǒng)一管理 (2) 大型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建與管理層面 應(yīng)該由業(yè)主 如何牽頭？ 顧問公司：數(shù)據(jù)庫、平臺(tái)、培訓(xùn) (如數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)) (3) 自動(dòng)化與智能化是唯一出路或發(fā)展趨勢(shì)！第二部分 土木工程施工技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)(他山之石)

20、1、中外對(duì)比發(fā)展(1) 傳統(tǒng)土木工程技術(shù) 美國已經(jīng)完成 (例1：工程少公路已全面、東西鐵路困難)，早就進(jìn)入了高科技時(shí)代。 科羅拉多大峽谷(2014-9-4)例2：看“男人的最愛”? 紐約最著名的三座大橋。布魯克林大橋威廉斯堡大橋曼哈頓大橋金門大橋另例1：地鐵舊，建mall慢 (不加班)。另例2：美國東西線高鐵建設(shè)困難！ 中國發(fā)展，實(shí)際已超越，但高科技較差。港珠澳大橋，49.968公里青島海灣大橋，36.48公里杭州灣跨海大橋36公里瓊州海峽跨海通道：隧道方案，全長(zhǎng)28公里，投資額至多1500億元人民幣。 紐約小隧道渤海灣跨海大橋和隧道，2000 3000億。另，京臺(tái)高鐵。例3：中國長(zhǎng)沙建樓房。

21、中國速度驚呆美國人：湖南長(zhǎng)沙19天建成57層高樓“小天城”。 (2) 土木工程交叉科學(xué)與技術(shù) 高科技 MIT 校園10號(hào)建筑物及其沉降曲線 該建筑在1915年建成后的10年中，一直以較大的速率沉降，并引起相當(dāng)大的驚慌。Terzaghi于1925年首次到美國后，通過檢查和分析，正確地預(yù)測(cè)出其沉降速率將逐漸減小。(3) 對(duì)科學(xué)技術(shù)的心態(tài)不同，差異非常大 2、今后發(fā)展方向 (自己的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)) 必須創(chuàng)新 (相當(dāng)于第二次改革開放)創(chuàng)新才有出路，出高附加值的成果，“互聯(lián)網(wǎng) + ” 就是“互聯(lián)網(wǎng)+各個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)”；互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)。第三部分 隧道開挖控制新理念與新模式 (問題的解決思路) 開發(fā)手持式(如iPad或微信)的隧道及地下工程光面爆破智能優(yōu)化控制管理決策系統(tǒng)，對(duì)隧道及地下工程的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、巖石性質(zhì)等地質(zhì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確快速采集與分析。未來隧道開挖發(fā)展趨勢(shì) 利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息的交流，對(duì)光面爆破過程中各參數(shù)與巖體是否匹配進(jìn)行智能分析，在綜合判斷前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破過程是否合理的基礎(chǔ)上，及時(shí)反饋分析并修正優(yōu)化各