1、<p>　　中文4330字，3200單詞，1.7萬英文字符</p><p>　　出處：Tunnelling and Underground Space Technology 18 (2003) 115–126</p><p><b>　　譯文</b></p><p>　　日本山嶺隧道的設計和施工</p><p>

2、;　　Katsushi Miura</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　這篇文章介紹了日本山嶺隧道目前施工工藝的狀況。在技術上不斷發(fā)展的今天，除了評論隧道設計和施工技術，著重探討了隧道大斷面施工技術的發(fā)展和城市隧道在非固結土地上的施工，還有大型機械TBM的使用。</p><p>　　1. 目前山嶺隧道的設計和施工的狀

3、況</p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　自從十九世紀末以來，日本的山嶺隧道的施工方法很普遍。許多復雜地質條件下的隧道包括Secikan tunnel,已經成功的運用了先進的施工方法。</p><p>　　大約在20年前，當砂漿錨桿和鋼拱架用于隧道施工后，日本山嶺隧道的施工發(fā)法也發(fā)生了改變。從那以后隧道的施工和

4、設計方法工藝有了很大的進步。先進的施工工藝用于大斷面隧道和城市復雜地質條件下的隧道，同樣可以有加快施工速度。這些成果已經成功的促進了隧道設計和施工的發(fā)展。</p><p>　　1.2 初步設計和改進設計</p><p>　　一般情況下，對于一個負責人會首先采用一個標準的斷面，作為一個初步設計的截面。一般情況下可以根據圍巖分級進行初步設計。</p><p>　　初步

5、設計的確定有以下幾種方法：</p><p>　　A：2(2，6，1) 標準設計的應用</p><p>　　在日本，鐵路和公路等的負責人，會根據以前的經驗制定一些對于不同的圍巖級別的標準設計。隧道在正常的條件下進行施工，可以采用這些標準的設計。</p><p>　　b.在相似的條件下可以應用這些設計。</p><p>　　c.應用數值分析方法

6、。</p><p>　　當隧道遇到特殊的斷面復雜的地質條件時，可以采用數值分析方法。大多數的數值分析方法是有限單元法。</p><p>　　1.3 觀察，測量和修改設計</p><p>　　施工階段進行設計修改時，就要判斷地質情況是否和最初設計時設想的一致。</p><p>　　當設計必須進行修改時，以下的幾個問題必須先解決：(1)如何確定

7、支護的數量和進行支護的最佳時間；(2)如果施工仍在繼續(xù)，就應考慮掌子面是否穩(wěn)定；(3)如果不穩(wěn)定的話，如何使用合理的方法。</p><p>　　1.3.1 地層的評價</p><p>　　通過觀察掌子面，來評價地層的條件很重要。盡管如此，有許多因素都必須有系統(tǒng)地考慮進去。人們嘗試著把每種因素占整個記錄的百分比表示出來，通過它來評價當前的地質情況。</p><p>

8、　　1.3.2 探索方法</p><p>　　為了加快施工的速度，合理的評價地層的條件顯得特別的重要。為了達到這個目的，在掌子面之前就應對地層進行調查，并應作出評價。應用超前鉆孔，通過鉆孔的能量或彈性波進行估算。</p><p>　　1.3.3 測量方法的應用</p><p>　　用測量的方法來評價現在情況下的地層，以下的幾個方法都可以：</p>

9、<p>　　·評定地層的穩(wěn)定性；櫻井和櫻井等人通過極限應變和單軸抗壓強度之間的關系，提出允許的位移值；</p><p>　　·保持極限設計支護的穩(wěn)定性；</p><p>　　·這種設計的支護不會影響到周圍的地層。</p><p><b>　　1.4 支護設計</b></p><p&g

10、t;　　1.4.1 噴射混凝土</p><p>　　強度為18MP的襯砌混凝土經常被作為初步設計的強度。當有些地方需要增加混凝土的厚度，可以通過使用鋼纖維或提高標準設計的強度，就象名古物和神戶的高速公路深埋隧道。</p><p>　　有時采用鋼筋網噴射混凝土以增強它的強度。鋼纖維混凝土經常被用于有復雜壓力和大變形的地質條件下。隨著新的施工方法如噴射早強混凝土和擠壓式混凝土襯砌的應用，人門

11、發(fā)明了新的支護方法。</p><p><b>　　1.4.2 錨桿</b></p><p>　　錨桿被用來作為初級的支撐材料就像噴漿。錨桿的主要錨固方法是進行全面錨固。在任何情況下錨桿孔不能是獨自存在，自鉆式錨桿可以被采用。當錨桿被錨在地層中時，錨固力將增加。錨桿被安裝后不僅可以立即發(fā)揮他的作用，即使當遇到有水的情況，它仍可以發(fā)揮作用。</p><

12、;p>　　1.4.3 鋼拱架</p><p>　　在日本當遇到不好的地質情況時，可以用鋼拱架進行初期支護，再加上早強混凝土和超前錨桿的運用，就可以保障掌子面和仰拱的穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.5 設計襯砌</b></p><p>　　在一般的場地和一般的地質條件下，襯砌設計的的目的是增加支撐的安全度的。因此，對它的功能沒有

13、特殊的要求。傳統(tǒng)的做法采用的是標準設計。</p><p>　　在一些情況下襯砌可以用力學分析進行設計，比如：隧道完工后，土壓力和水壓力的作用。一些工程師采用了過去的經驗公式，然后進行結構分析或進行有限元分析。</p><p><b>　　1.6 輔助工法</b></p><p>　　在山嶺隧道中，輔助工法經常被用于穩(wěn)定一個不穩(wěn)定的掌子面，控制

14、掌子面前端的位移，還可以改善地面的狀況從而得到一個穩(wěn)定的掌子面。</p><p>　　1.6.1 穩(wěn)定拱頂</p><p>　　早強混凝土的快速硬化，可以維護拱頂的穩(wěn)定防止其坍塌。在開挖面打入超前錨桿，這種方式不影響施工的安排，施工機械在原有的地方讓可以進行施工。</p><p>　　保持拱頂的穩(wěn)定也可以用管棚支護(圖1)、水平旋噴注漿(圖2)和大跨度的鋼管前列樁

15、。當地質條件十分惡劣時且工作面有限可采用特殊的施工設備。</p><p>　　在大跨度的鋼管前列樁施工中，用常規(guī)的大鉆頭進行打孔。由于這種方法比較簡單經常用于洞口和斷層帶的施工(圖3)。</p><p>　　1.6.2 穩(wěn)定掌子面</p><p>　　有一種方法是將掌子面分成幾個獨立的塊進行分步開挖。然而，有時在不良的地質條件也需要較大的掌子面，這就要求有大跨度的

16、錨桿和盡早封閉斷面。因此，在最近幾年通過輔助方法來達到穩(wěn)定很普遍。在一個傳統(tǒng)的工作周期，初襯和錨桿很容易被應用。經常用灌漿的方法來改變地層的性質?，F在水泥和氨酯脂漿液還在被應用。在一些情況下，長的錨桿或錨索首先被打入掌子面中；當開挖時再切斷。</p><p>　　1.6.3 防水措施</p><p>　　隧道排水經常采用鉆孔排水和泄水洞。對于非膠結的土質，地下水會使它液化，從而造成施工困

17、難。基于這個原因，人們一般施工前要定點降水或深井降水降低地下水水位。</p><p>　　但是有些地方的水是排不盡的，如海底隧道的水，因此要用堵截的方式來解決問題。根據以前應用與SEIKAN 隧道的經驗來看，注漿堵截水是一個不錯的方法。壓力注漿法和氮氣冷凍法在一些工程中也被人們所使用。</p><p><b>　　1.7 施工方法</b></p>&l

18、t;p><b>　　1.7.1開挖方法</b></p><p>　　開挖的方法分為兩種類型，一種是鉆孔法爆破，另一種是用機械進行開挖。(圖4)表明了每種方法在開挖隧道中所占的比例。懸臂機械經常用于軟巖和風化嚴重的巖石。然而，有些大動力的開挖機械可以開挖單軸抗壓力達到40MPa的巖石。這些機械開挖的速度肯定比鉆孔爆破的速度快。</p><p>　　爆破開挖產生的噪

19、音和震動對人和建筑物都有很大的影響。選擇爆破開挖后，必須對爆破產生的震動進行預測以達到允許的標準。在某些情況下，是不能選擇爆破開</p><p>　　挖的。人們已經研制出一種懸臂開挖機械，它可以開挖單軸抗壓力達到80-100MP的巖石。對于硬巖進行破碎開挖的特殊機械已經研制出來了。</p><p>　　1.7.2 開挖方法</p><p>　　斷面一次開挖的面積由

20、掌子面的穩(wěn)定程度來決定。也要考慮開挖機械的動力。選擇的方法要適用于大多數不同地層，而且對于不穩(wěn)定的掌子面通過輔助的方式要能達到穩(wěn)定。(圖5)表明，臺階法開挖適用于很多地層條件。臺階法開挖占到一半</p><p>　　1.7.3 發(fā)展高效率的開挖方法</p><p>　　在大型的施工場地，有些特殊的情況為了加快施工的速度，需要使用一些特殊的施工機械。在爆破施工中，大型的鉆孔臺車經常被使用。

21、對與軟巖，已經開發(fā)出一種名叫TWS的機械開挖方法，并且已經被用于 SAN-NOU 隧道。新的施工方法如快速硬化沙漿及球形全斷面開挖的方法也被人們所使用。</p><p>　　1.7.4 運輸方法</p><p>　　一般是用牽引機車或者是翻斗汽車將大量的土運輸到隧道外。為了減少工作時間和通風時間，一般都會使用大型的翻斗車和選擇臨時堆放雜物的地方。軌道運輸一般用于斷面比較小而又比較長的隧道

22、。</p><p>　　人們開發(fā)出一種皮帶運輸系統(tǒng)，隨著掌子面的前進，運輸系統(tǒng)可以很簡單的向前延伸。TBM開挖經常采用這種方法。在SHINKANSEN 隧道的的某些施工地點，皮帶運輸與移動式破碎機結合起來一起進行工作。</p><p>　　1.8 特殊的地質條件</p><p>　　1.8.1 膨脹巖石</p><p>　　當隧道在開挖后

23、，暴露的圍巖象擠壓緊密的沉積巖中的泥巖和凝灰?guī)r還有變質巖就會由于膨脹而相互擠壓造成很大的壓力。在早期的日本是用噴射混凝土和錨桿來處理膨脹性圍巖的，還研制出一種可伸縮的長錨桿。從進行施工后，如果掌子面的圍巖不穩(wěn)定并有較大變形時，重要的是盡快的封閉斷面，并用高強度的支撐系統(tǒng)以減小圍巖的松動和強化掌子面。</p><p>　　(圖6)就是這樣的一個例子。當隧道圍巖有較大的膨脹時，先開挖上部仰拱以強化掌子面和封閉斷面。&

24、lt;/p><p>　　1.8.2 高壓水和富水地層</p><p>　　用超前預報可以阻止情況變的很糟糕，通過它可以及時的改變條件如施做排水設施或堵截住水然后在進行施工。</p><p>　　1.8.3 砂性土層</p><p>　　當遇到沙性土層時，當有地下水時，掌子面會變的不穩(wěn)定或出現液化而沒有一點的承載力。當沙土中的粘土和纖維含量低于

25、百分之十，均勻系數低于百分之五，這時的土土層就很容易產生液化。</p><p>　　而在黏土層中，水的含量增多會降低它的強度。當土的承載力不大時特別是已經變質的土層受到水的侵蝕，要引起高度的警惕。</p><p>　　1.8.4 高地溫、熱泉、有毒氣體地層</p><p>　　日本的很多地方都位于火山帶上，有些時候隧道就要穿越高地溫和熱泉的地層。</p>

26、;<p>　　遇到的有毒氣體包括易燃氣體象瓦斯及缺氧氣體等。</p><p>　　1.8.5 高地應力硬巖</p><p>　　高地應力地層出現在SHIMIZU隧道和其它的一些隧道。有一次巖爆將發(fā)生在埋深300m的土層中。巖爆很難被預測到，推薦用聲波檢測技術進行勘測。</p><p><b>　　1.9 相臨隧道</b><

27、;/p><p>　　一般而言，通過分析，相臨隧道的設計要考慮力學的影響。當地層受到相臨隧道的影響，塑性區(qū)域就有可能擴大。因此，要選擇輔助施工的方法進行施工。(圖7)畫的是一個相臨的隧道。</p><p><b>　　2. 大斷面隧道</b></p><p>　　2.1 規(guī)劃設計名古屋到到神戶的高速公路隧道</p><p>

28、;　　在日本由于三車道隧道的不斷增加，斷面的面積超過130m2的大隧道的數量也增多了。圖8表明，新的NEW-MEISHIN高速公路連接了日本三個主要的城市。它是高標準的六車道，行車速度可以達到140km/h。有很多的部分要經過山嶺，隧道的程度占了路線總長度25%?？紤]到建隧道與經濟的平衡，除了具有足夠的建筑限界，圖9表明計劃建造單位面積和開挖面積達到190m2的隧道。第一組長度是370km，另一組502km也在建設中了。這一工作段中有1

29、67隧道，總長度達到了224km。</p><p>　　2.2 設計支護和襯砌</p><p>　　表一表明，通過分析施工中反饋的信息再指導施工的新標準被確立了：</p><p>　　a.隧道斷面很大時，拱頂下沉很大，而水平收斂比較小。當位移發(fā)生在離一側邊墻很近時拱部的位移較大，基于這個原因，支護要阻止拱頂的地表下沉。</p><p>　　

30、b.為了防止地面的變形，要及早用高強度的噴射混凝土進行初期支護。高強度的噴射混凝土的強度一般達到普通混凝土的2倍，從而減少噴層厚度。噴射混凝土的早期強度很重要，也應該特殊設計。</p><p>　　c.除了簡化噴漿工序和使用高強度的鋼材外，那些質量比較小而易于進行加工的材料也用來做初期支護。</p><p>　　d.當圍巖的級別為B級時，拱的部分有自我承載力，在拱的兩側噴鋼纖維混凝土就可以

31、了，而不用鋼拱架。</p><p>　　e.因為拱部要用大量的錨桿，所以高強度的錨桿被人們所采納。</p><p>　　f.混凝土的襯砌所用混凝土的標準提高后，它的厚度就要減少了。</p><p>　　2.3 施工方法的適用性</p><p>　　基于實驗施工的結果，TBM隧道掘進機實用于長大隧道。對于其它的隧道，選擇的施工方法是由隧道斷面

32、和拱頂的穩(wěn)定來確定的。</p><p>　　直徑為5米的TBM掘進機被人們所采用。試點建設產生以下幾個結果：</p><p>　　a.當確定掌子面很穩(wěn)定及地質情況很好，就有可能選擇有效率的施工方法。并且隧道要有一定的長度，上部導坑的開挖方法一般作為標準的設計。</p><p>　　b.對于地質條件差的地層，一般采用鋼索錨桿從隧道的內部來增強開挖圍巖上半部分穩(wěn)定度(圖

33、10所示)。</p><p>　　c.在隧道建設前要進行詳細的地質調查。對于硬巖隧道，通過調查和研究所取樣的巖石看是否能找到即合理又經濟的設計。</p><p><b>　　3. 結語</b></p><p>　　本文介紹了目前日本山區(qū)隧道開挖的設計和施工技術。目前，正在進行研究和開發(fā)以克服技術上的困難。正在研究的施工方法可以在復雜的地質條件下