高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择

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1、高速铁路深埋长隧道最优施工方法的选择1 引言 对于一座隧道来说，一般有各种不同的、可能都适用的施工方法可供选择，这取决于很多变化的因素，包括地质一土工一岩石力学一水文地质等条件，所要开挖的岩体和土体的特性，设计时所能掌握的地下开挖技术等等。但是，全部的施工方法原则上都可归类为2 种主要方法中的一种，即传统施工方法和机械施工方法。对于大埋深、长隧道施工，越来越倾向于优先接受机械施工方法，其目的的主要在于缩短工期。 尽管机械施工方法是一种现代化的先进技术，但它并不是一种无风险的方法。遇到不同于设计猜测的地质和水文地质条件，或者施工机械本身的性能不抱负，或者仅仅是实现的地屋一机械系统性能偏离理论的情

2、况，都将导致产生一系列的问题和风险。如果不进行适当管理，这对于隧道工程来说常常是灾难性的。 在世界各地，主要是在发达国家已经修建了很多特长的交通隧道，从中获得的共同阅历表明，高速铁路隧道的施工，特别是大埋深、长隧道的施工一般具有很高的风险性。这类隧道工程的成功很大程度上取决于勘察的水平和正确施工技术的选择。从风险管理的角度动身，笔者强列地认为，正确选择一座隧道的施工方法是“首要的风险减轻措施”，或者“首要的对策”或者简单地说，是对所识别的主要风险的第一反应。因此关键的问题是，如何针对一座隧道做出正确的选择。 本文简要回顾最近的欧洲重大高速铁路隧道工程实例、以及近年来所掌握的属于两种主要施工方法

3、（机械施工方法和传统施工方法）的开挖技术（注意其优缺点），并在风险分析和多重标准分析原理的基础上建议接受一种稳健方法来确定大埋深、长隧道的最优施工方法。本文以里昂- 都灵高速铁路连接线工程为例，并连同其他阅历来阐述所建议的方法。里昂- 都灵高速铁路连接线工程的全部进入隧道目前已开头施工，整个工程的参考设计方案（即所谓的APR-PD 设计包）已经完成并提交意大利和法国政府审批。 2 适用施工方法的回顾 隧道施工方法可分为两大类：机械方法（使用TBM 开挖地层）和传统方法（使用炸药或机械工具开挖地层）。下面总结这2 种方法的突出特征。 2.1 机械方法的主要特征 长大、深埋隧道主要设计修建于岩石中

4、。在岩层中运用的机械施工方法包括2 种类型的隧道掘进机（TBM）。第一种是开敞式TBM，它通过纵向千斤顶作用在坚硬的支撑框架上向前推动, 而支撑框架则由一组或两组在洞径方向相对伸展的撑靴顶推在已开挖隧道的断面上来稳住。其次种是护盾式TBM，在盾壳本身（后面部分）的保护下安设管片，刀头前进所需的接触压力通过纵向顶住已安装的管片衬砌而获得。 护盾式TBM 有2 种类型： 即单护盾TBM 和双护盾TBM。与没有护盾的TBM 类似，双护盾TBM 具有建筑在此后盾壳内的撑靴，因此它有双顶推系统，可以供应连续作业循环的可能性。特别是通过双顶推系统，TBM 可以在不顶住预制管片衬砌的情况下而向前移动，这样就

5、可以在TBM 向前掘进的同时安设管片。另外，如果地质条件许可，双护盾TBM也可以仅仅依靠顶住后面撑紧的盾壳而向前移动，而不需要安设管片。或者反过来，双护盾TBM 可以像单护盾TBM 一样进行工作，即如果围岩条件不能供应有效和足够的支撑，他可仅通过顶压管片而向前移动。 开敞式TBM 可比同始终径的护盾式TBM 短得多，允许靠近工作面设置支护，如径向锚固。 在TBM 后面的后配套（也称为后勤系统）中，可以进行其他施工作业。这样的后配套系统或者由TBM 制造商设计，或者由有阅历的承包商直接设计，可以跨接永久衬砌的设置区域，特别是在隧道的底部，使得能够将施工材料运到工作面的作业区并为TBM 供应新奇空

6、气、能源、冷却水等。其它重要的革新在于使用高度机械化和自动化的系统来设置支护及使用专用列车或者连续反带输送系统连续出碴。 机械方法的主要优点是： （1）通过几乎连续和平行的方式进行断面的开挖和支护，实现施工工序的高度工业化，因此接受该方法能使独头掘进的长度有显著增加，削减了工作面的数量。 （2）可以在离开挖面最短的距离处设置支护，在接受护盾式TBM 的情况中几乎可以在工作面处直接设置支护。 （3）作为上述优点的直接结果，该方法可能缩短工期、降低费用和提高最终产品，即隧道的质量。 （4）另一方面的优点是对于工作供应了较高的平安条件。 对过去10 年机械施工方法所做的持续技术改进极大地扩大了机械方

7、法在岩石隧道工程中的运用范围，进一步提高了掘进效率。事实上，目前使用机械方法掘进910m 直径的高速铁路隧道，在一系列无异常地层条件下每天的掘进速率可以达到1540m，如表1 中所总结的很多实例所示。 另一方面，应指出机械施工方法的缺点： （1）难于在理论断面周围形成大的、连续的超挖，以适应潜在的大的变形（收敛），如在挤压/ 膨胀地层中常常要求的那样。 （2）难于进行工作面前方的地层加固或处理，特别是在隧道仰供周围区域。 （3）一套用于掘进10m 直径的高速铁路隧道的机械机组，其总的长度可能达到200m，而且在安装后它在很大程度是一个刚性系统，并且它的操作主要遵循一系列的标准。因此，一旦实际的

8、地层条件要求转变施工方法，则某一简略的机械方法的选择常常是不行撤回的，其造成的严峻后果是工期延长，费用增加。 换句话说，对于未预料到的变化的地层条件（估计的工作条件范围之外的情况），机械施工方法自身的适应性较小，因此接受这种方法必须担当相对较高的风险。出于这一缘由，人们也开头倾向于给掘进机工作面供应支撑压力（像土压平很）的可能性，以进一步扩大机械施工方法的作业条件范围。 与传统法施工的隧道相比，接受TBM 掘进隧道要求有额外的空间。特别是需要有大的作业场地用于TBM 和后配套系统的始发。除此之外，与施工相关的后勤工作应考虑所估计的TBM 掘进速率，其掘进速率可能比同等（类似）条件下传统施工方法

9、的掘进速度快34 倍。但是还应记住，由于削减了开挖掌子面的数量接受机械施工方法所要求的总的作业场地数量也就大大削减了，同时也就削减对环境的影响。 TBM 的投资费用远远大于钻爆法。购置和安装TBM 所花费的时间一般也大大多于钻爆法所接受的机械。 另外，总的来说，机械法施工的隧道工程要求作业人员具有不同于钻爆法所要求的技能，而且还要求聘用更多的专家。 2.2 传统施工方法（钻爆法、新奥法等）的主要特征 该方法受大多为人力施工工序的循环作业影响，具有以下与众不同的确作业阶段； （1）接受炸药及/ 或点击开挖机械工具（挖掘机、液压锤、巷道掘进机）破岩。 （2）靠近开挖面设置临时支护。（3）依据岩体特

10、征和后勤工作的需要，在离开挖面肯定距离的地方设置防水系统和永久衬砌。 一般情况下，初期支护的设置应尽可能靠近开挖面，而最终初砌的浇筑可在离开挖面不同距离处进行，这取决于总的施工工序和相应的作业循环（如仰拱的设置可在开挖面四周或在初始衬砌浇筑后进行）。 传统施工方法在以下几方面具有特别敏捷的特点： （1）开挖尺寸（全断面开挖或者分步开挖，横断面可变）。 （2）支护设置到开挖面的距离。 （3）可以“相对容易地”在开挖面前方进行超前勘探和地层处理。 （4）可以获得想得到的大尺寸超挖，并在需要时设置可变形的支护。 （5）可以依据所遇到的地层条件调整地挖技术和支护技术，即所谓的适应性。 在正常条件下，传

11、统施工方法所能获得的平均进尺寸410m/ 工天，而在困难条件下则为0.52m/ 工天。 该方法的主要缺点是：平安条件相对较低；施工耗费人力；由于循环作业的性质，生产效率低下，特别是有效性和掘进速度。 如今，传统的隧道循环作业也可得到高度机械和部分自动化的专用机械的支持，如在圣哥达山底隧道所接受的那样。传统施工方法能够适用于几乎全部的正线隧道，长大双孔隧道之间的横通道、地下救援车站和平安车站的施工。此外，有些洞段如果已经排解了使用任何机械方法开挖的可行性或可能性，则对于这些洞段来说传统的方法是唯一的选择。 对于某一简略洞段来说，选择接受钻爆法还是TBM 开挖主要取决于猜测的施工条件及其变化范围，

12、要开挖的洞段长度，以及允许用来建筑该洞段的总时间。施工条件变化越大，长度越短，则使用传统施工方法的优点就越多，反之亦然。 3 施工实例的回顾 近年，欧洲国家大力进展高速铁路，由于特别的地形设定，这些铁路囊括了世界上大部分的最长及埋深最大的铁路隧道。表1总结了欧洲主要的长大、深埋铁路隧道，这些隧道或者已完工，或者正在修建，或者处在先期开发阶段。 依据表1 所列的数据及笔者所掌握的这些工程的背景资料，可以得出以下观察结果： （1）欧洲的很多新建高速铁路项目包括在地质条件变化极大的情况修建下特别长的及大直径的隧道，特别是在阿尔卑斯山地区。 （2）除了工期和费用限制条件外，还存在一系列的风险，特别是隧

13、道标高处的挤压地层、高压地下水（最高达200bar）、岩爆、高地温等是影响施工的关键因素。 （3）在一个给定的铁路线走廊中，连接两相邻点的最佳线路并非肯定是直线。很多因素影响着定线的选择（Kalamaras 等，2001）。影响最佳线路选择的一个普遍因素是地质条件，表1所列的工程实例均是这种情况。 （4）由于运营平安的缘由，欧洲高速铁路隧道的结构无一例外都是双孔形式，而且对于特别长的隧道都估计设置地下救援站、平安站或多用途车站。 （5）这些隧道的开挖直径一般在910m，视估计的开挖后地层变形特性而定。 （6）为缩短工期及由于通风的需要，这些特别长的铁路隧道常常分成肯定数量的区段及相应的施工标段

14、（Pajares 隧道、勒奇山山底隧道、圣哥达山底隧道）。 （7）常常要求接受机械施工方法，以限制项目的工期，在某些情况下是为了提高工期和费用预算的牢靠性。 （8）简略使用TBM 类型为开敞式TBM 和护盾式TBM（单护盾或双护盾），简略类型取决于设计接受机械施工法进行掘进的区段的地层条件。另外，单护盾或双护盾TBM 并不总是隧道开挖的正确方法，特别是在估计有很多洞段存在不利地层条件的情况时，如发生快速挤压的地层和（或）工作面坍塌。 （9） 这种尺寸的TBM 的独头掘进最长距离还未超过15km。（10）为修建正线隧道，仅接受机械施工方法（TBM）是可行的，但仅仅是一个特例（参见瓜达腊马隧道和A

15、bdalajis隧道），在前一个隧道工程中，沿隧道线路超过90% 的岩体的质量都有利于TBM 开挖，另外施工方和设计方的良好合作。在后一个隧道过程中，其长度相对较短并为此开发了一种特别类型的TBMDSU 型TBM（Grandori 和Romualdi，2004）以应付可能的大的收敛变形。 (11) 传统施工方法在修建这些长隧道中仍然起著重要作用。 最后应指出的是，在表1 最后一列所给出的施工工期是实际的或者估计的，而且这些工程实例具有以下共同的特点： （1）规划、设计和环境评估阶段的时间特别长，一般都持续了几十年。 （2）针对长隧道选择最佳施工方法的问题确实简单，它几乎从来都不是一个纯粹的技术

16、问题。 （3）通常需要首先在技术可行性、隧道施工、运营要求、费用和环境影响之间进行大的折衷。 4 方法 4.1 与施工方法选择相关的风险总体考虑 高速铁路长隧道是特别简单的土木工程，其一般位于偏远的高山地区，进入条件困难且既有基础设施特别有限。因此，很难进行现场勘察，以弄清所规划隧道沿线的地层条件，这要花费大量的时间和费用，而这正是从技术上正确选择施工方法的关键之处。依据隧道界积累的阅历，与高速铁路深埋长大隧道有关的典型不利条件包括： （1）高地应力，很难加以确定（特别是水平应力），意味着作用于隧道支护上的地层压力特别大。 （2）在其无侧限抗压强度低于平均原位应力的岩层中，具有强烈的挤压和高的

17、塑性变形（大的收敛和强度的软化）。 （3）在特别坚硬、原位应力水平特别高的岩层中会消失岩爆。 （4）黏土质岩层中的膨胀和蠕动（长时间的隧道底部变形）。 （5）高水压和（或）大的涌水。 （6）断层的剪切带，其强度常常特别低，水压特别高（工作面和洞室不稳定）。 （7）严峻裂开带，力学性能差，各向异性，可能需要对工作面前方地层进行预处理，以穿越断层带。 （8）高的地温和水温可能要求在施工中进行良好的通风甚至冷却。 （9）沿隧道穿越的活动断层消失因地震引起的局部位移。 （10）环境影响，特别是对地下水体系的不良影响，对公众的干扰和对洞门区域土地和财产的干扰。 在某一隧道区段内这些不利条件的存在与否，以

18、及存在的话这些条件的消失频率，对于选择施工方法以及制定相关的设计施工方案是至关重要的。 为了降低上述不利条件的不确定性，倾向于接受以下方法中的一种： （1）全线或者至少在最困难的洞段开挖小直径导洞。并利用导洞作为今后的服务平安隧道（在笔者看来，这并不是必要的，如果最终的正线隧道是双孔结构的话）。意大利和奥地利之间的高速铁路线上的Brennero 山底隧道即是这种情况。 （2）在施工阶段对工作面前方地层进行钻孔探测。探孔可以相当长，以符合隧道施工工序的整个作业，其目的是确保连续掩盖所要开挖的隧道线路（无论是对机械施工法还是传统施工法）。该方法在在建的圣哥达山底隧道中得到了广泛的实践，在该隧道中，

19、对于高水压下的钻孔探测取得了重要的技术进步。 但是应该指出，接受第一种方法，导洞必须面临以后正线隧道施工时所要面对的相同风险。中国台湾雪山（Hsuehshan）隧道的教训揭示了，缺少对这一关键方面的生疏将会导致整个工程的失败（Cheng，2004）。 4.2 所建议的方法 依据所获得的阅历，表1 中所列的工程实例以及上述风险考虑，笔者最近开发了一种选择最优施工方法或者施工方法组合的综合方法，图1 为该方法的流程示意。 确定长隧道的最佳施工方法要求对大量的参数有很好的了解，特别是对项目（功能性的）的总全特征以及沿隧道定线的地层条件。 在流程图右侧的“输入数据和帮助分析”是概括性的，下面给出相对简

20、略的解释。 首先必须生疏到，确定深埋长隧道的最佳施工方法或方法组合的过程是一个迭代的过程。鉴于此，在长隧道的新开发阶段开头时，必须仔细和通盘考虑前一阶段的结论，特别是决定前一阶段设计施工选择的主要因素，如果这样的决策是有组织的、有记录的。 对于第13 步，输入数据和基本分析可能包括： （1）政治决策，例如时间表目标、因财政限制和（或）日益增长的交通要求需要分期实施工程。 （2）功能性要求，以及依据技术进步和相关法律、标准的演化，对功能性要求所做的转变。 （3）隧道的定线和结构，始终寻求最优化的可能性。 （4）确定可行的和最长的独头掘进的长度，并考虑通风的技术限制、交通（在隧道内外）、开挖技术（

21、TBM）、工期和费用等。 （5）既有和即将修建的进入通道的可用性，并要正确考虑隧道的实际埋深。 （6）社会一环境要求及限制，包括所谓的一个国家所特有的和一般的风险因素。 （7）审查隧道业界所能供应的施工方法。 （8）承包商的阅历，特别是在相像地层条件下修建类似长隧道的阅历。 （9）工期和费用限制，它们在全部大型地下工程中都存在。 对于第4 步，必须进行以下工作： （1）进行桌面商量以收集全部有关隧道线路的信息，这些信息可能影响到施工方法的选择。 （2）收集并用钻研眼光去审查从类似条件所获得的实实在在的阅历，向参建的承包商和设备供应商进行询问。 （3）现场勘察数据。对此必须切记，没有什么可以替代

22、由阅历丰富的地质和水文地质专家所做的有价值的现场工作，其费用也并不十分昂贵。 （4）地层特性和地质灾害分析。对此必须注意，由于现场勘察数据有限以及由此产生的不确定性较大，因此对岩石力学特性建议接受概率方法（Russo 和Grasso,2006）。 （5）风险清单。对于初步的风险定性分析这是一种特别有用的工具，风险清单可结合相像工程的类似清单加以编制。 （6）工程设计方案，即使是初步的或者概念性的。要记住，对于施工工期和费用的估算，接受一些典型的设计方案也比什么都没有要好。 （7）施工可行性的审查。在确定每一隧道工段可行的、备选的施工方法后应立即由在类似工程中获得丰富阅历的技术人员进行施工可行性

23、的审查。 （8）评估任何极端的情况（危险情况）并商量其影响后果，特别是所遇到的条件超出了原来确定的施工方法的条件范围而需要在施工过程中变更施工方法这一方面。 （9）专家的观点、建议。强调其重要性永久都不为过。 （10）通过与在行业领先的设备供应商的沟通，了解当千可用技术的优缺点并考虑在今后可以预见的技术进展。 对于第5 步，所需的输入数据可从以下分析获得： （1）价格清单。对于没有列在清单中的任何主要项目进行简略的价格分析。 （2）类似工程的参考价格。 （3）工程地质剖面及各种设计方案沿该剖面的分布（所选择的施工方法的断面类型），包括变更方案。 （4）所辨别灾害的分布，其消失的概率以及估计的影

24、响后果。 （5）用确定性方法估算工程量（传统的数量表）。 （6）隧道施工的概率模拟，直接考虑所估计的工程变量的变化范围以及各种已经识别风险的影响后果。 对于第6 步，所需的输入数据可从以下分析获得： （1）进行全局优化。对此要记住，一个相对一小段洞子来说是最佳的方案，当从整个隧道工程或者整座隧道的角度重新审查该洞段时，也许需要让位给其次种，甚至第三种最佳方案。 （2）分析相邻隧道工段之间的制约条件，由于也许存在严峻的接口问题，会严峻影响到所选施工方法的效率。 （3）多重标准分析。 （4）专家建议。 对于第7 步，以下输入数据是必需的： （1）政治决策。 （2）财政限制和策略。 （3）风险分担政

25、策和机制。 （4）专家建议。 对于第8 步，所需的输入数据可从以下分析获得： （1）依据适合系统的最佳方案修改设计。 （2）有系统地识别和分析残余风险。 （3）预先确定残余风险应急措施和实施机制。 （4）专家建议。 5 一些总的标准及相关考虑 为了正确实施前面章节中所建议的方法，需要确定一些总的标准并进行一些额外的相关考虑。 首先，重要的是要生疏到，深埋长隧道最佳施工方法的选择是一个典型的、简单的、多阶段的决策问题，即业主、设计方所做的大部分决策将引导做出其他决策。 由于存在很多不受决策制定者掌握的、非决策的变量，如地层条件和一些施工参数等，大部分的决策是在不确定条件下制定的。因此决策如终包括

26、肯定程度的风险。 另外，如前面所提到的那样，在隧道的标高处可能估计有很多的灾害和不利条件，但它们的精确位置不清晰，因此成为工程风险的主要来源。 在这样的情况下，仅仅依靠工程推断和一套设计原则不能足以确保工程获得成功，而运用决策分析和风险分析技术几乎成为必定。对于只有少量备选方案的情况，可以依据Einstein等人的商量成果（1998）通过“决策树分析”或者技术上称为“多重标准决策分析”的技术来模拟这一问题。 依据笔者的阅历，把前面所建议的方法论与适宜的决策技术正确结合起来将使得不同阶段的各种比选方案的比较分析更具结构化和更为有效，这样可以给关注设计施工方案的各方建立一个合理的、广泛的和定量的基

27、础让大家做到心中有数。另外，考虑到需要在工程开发的第一阶段重复这一评定和决策过程，以上所建议的结合的方法不具有易于跟踪和重复的独特优点。 最初将长隧道分成合适数量的（易于管理的）隧道工段主要是基于功能要求（通风和平安）、进入条件、工期限制（常常是政治决策）以及现有的技术条件限制。图1 中的过程是反复的。为了初步评定所分工段的合理性，可以在历史数据和对工程的简略了解的基础上结合专家的初步估算施工工期和费用。 依据手中工程开发阶段，常常需要针对不同层次的设计方案进行施工方法评估，主要包括： （1）针对某一工段或者整座隧道可供比选项的定线。 （2）针对深埋长隧道可供比选的结构外形，依据国际隧协第17

28、 工作组的报告，有4 种基本方案： 方案1：单孔双线隧道，具有中间救援站； 方案2：单孔双经隧道，具有平行的平安服务隧道； 方案3：平行双孔单线隧道，具有中间救援站； 方案4：平行的双孔单线隧道，具有第三条平行的平安服务隧道。 如第3 节所述，欧洲倾向于接受第3 种方案。 （3）施工方法（机械方法、传统方法以及这两种方法的组合）。 施工方案这3 个层次上的决策可以接受决策树结构形式。各个设计的特征将用于施工可行性分析和方案的比较（分段方式和整座隧道方式）。在工程开发的早期阶段，可以通过仔细的概念性的设计来确定每一种设计方案的特点，概念设计可以在有效结合隧道业界的设计阅历以及业主对于工程的简略要

29、求和期望进行。 必须指出，对于施工方法的评估不应只局限于施工技术的狭隘意义上，相反应从施工系统的广泛意义上来进行评估。 在确定某一隧道工段可行和可供选择的施工方法时，必须记住，正确选择施工方法是“首要的风险减轻措施”，或者简洁地说，是对所识别的主要风险的第一反应。最佳的方法或方法组合可能不是唯一的，因此全部可能适用的比选方法都应列出并加以评定。 对于某一隧道工段和所选的施工方法，可以运用以下标准评估所给定方案的可施工性： （1）地质、土工技术和岩体力学方面的条件。 （2）水文地质条件。 （3）不利条件的存在情况，包括其范围和消失频率。 （4）隧道工作面的稳定性，以及最终所需要的工作面支护。 （

30、5）正线隧道双孔之间立柱的稳定性以及横向连线和换轨的需要。 （6）初期支护和最终衬砌的需求。 （7）施工进入通道的要求。 （8）环境限制条件。对于所获信息中的变化（或不确定性），要求进行定量统计分析以便获得输入数据（上下边界），进行比选方案的比较分析。 别外应对每一位比选方案中的风险进行量化。在对给定工段选择了施工方法并确定了初步设计方案后作为对主要风险的初步响应，必须确定其余的风险并进一步寻找相应的减灾措施以最终完成设计方案。这种做法首先要针对每一工段的全部比选方案，然后是针对构成长隧道的全部工段（图1 中实线所表示的环线）。本文主要作者（Xu,Grasso,2005）提出了一种风险分析方法

31、并给出了一张全面检查清单，特别适合识别和分析大型隧道工程（常常是深埋长隧道）中的风险。随着工程的进展，常常需要从相对简洁的定性风险分析转移到半定量分析以及完全定量和概率化的风险分析，这也是由于风险分析所需的信息量随着时间而增加。 除了标准的，确定性方法计算每一典型施工循环（即所估计的技术方案、包括标准的开挖工序和支护参数一断面类型）的时间和费用之外，还需要量化地层条件及施工参数的变化和所识别的风险因素对工期、费用和质量的潜在影响。另外还需估量每一种风险因素的消失概率。之所以要求进行全部这些工作，其目的是为了接受如DAT（隧道工程决策帮助）的相关工具来概略确定各种比选方案的施工工期和费用而建立输

32、入数据。DAT工具可以明确地模拟不确定性和风险因素（Einstein 等，1998；Kalamaras 等，2000）。接受这种方法可以确定每种比选方案的可能费用（或工期）范围，并用如图2 所示的风险模型表现出来（Reilly,2005）。在对以下主要方面的响应进行加权平均基础上，可以确定某种简略施工方法对于某一简略工段和所给定的隧道结构形式的适应性： （1）所选方法的可施工性。 （2）施工方法在不同条件（估计和未估计到的）下的敏捷性。 （3）施工费用。 （4）施工工期。 （5）施工计划对进场区域的要求。 （6）对环境的干扰。 施工方法的敏捷性应在开挖方法和支护措施对于变化的和预料之外的条件的

33、可使用性基础上来加以评估。传统施工方法确实是进度缓慢并要求同时开辟多个工点，但传统施工方法可以加以调整以适应所遇到的地层特性。不过，作者所获得的阅历也表明，不同的传统开挖方法对于高度变化的地层特性的适应性是不同的。施工工期和费用这两个变量本质上是一种概率。这种概率在接受特别程序DAT（隧道工程中的决策帮助）进行费用时间分析的过程中可以直接考虑进出。DAT 是一种专家系统，能够定量模拟在地质和施工不确定的条件下进行地下工程决策的过程。至于对环境的干扰的情况，应从交通分流、公用设施和财产的保护和迁移、施工材料供应及工地区域之外堆碴的影响等方面来加以评估。 为比较隧道结构形式和施工方案可接受多重标准

34、得分模型。关于多重标准分析技术的简略解释和DAT 模拟实例，请读者关注相关的两篇文献（Einstein 等，1998；Kalamaras 等，2000）。 6 LTF 工程的简略标准和分析 除了遵循第4 节所提出的一般方法及第5 节所进行的考虑之外，对于LTF 工程还提出了简略的考虑，在下面章节中将对此加以总结。 6.1 LTF 工程的简介 2001 年1 月29 日，意大利和法国签订了在都灵和里昂之间修建铁路新线的确政府间协议，该铁路线是欧洲东西、南北和连接的关键节点。这条高速、高能量铁路新线的初期目标是将既有公路的大量货运转移到铁路网。 每个国家通过其铁路管理部门负责本国境内的线路部分的建

35、筑，对于在意大利Bruzolo 和法国ST.Jeande Maurienne 之间穿越两国边疆的74km 长的路段，由两国政府成立了名为LTF(Lyon Turin Ferroviaire) 的股份公司，负责项目的推动以及设计和现场勘察工作的管理。LTF 公司的运做受到为此项目专设的政府间委员会CIG 的监督。 在74km 长的跨边界路段上, 最为重要的一项工程是连接St.Jean de Maurienne(Aavoia,法国侧) 和Venaus(Val Cenischia, 意大利侧)的山底隧道, 其长52.5km, 是世界上5 座超过50km 的隧道之一。与该山底隧道相望的是在整个意大利境

36、内的连接Venaus 和Bruzlol 的12km 长的Bussleno 隧道。这两座隧道通过高架桥相连。有关工程更多信息可查询LTF 的官方网站（）。 该工程已经历了两个主要的开发阶段： （1）所谓的“APS-PP”阶段，即可行性商量（法国侧）和初步设计（意大利侧）阶段，该阶段于2001 年完成，随后在20022004 年间对相应的商量工作进行了深化。 （2）所谓的“APR-PD”阶段，即20052006 年间完成的初步设计（法国侧）和最终设计（意大利侧）阶段。 在APR-PD 阶段商量LTF 工程施工方法的目标是： （1）为两座隧道确定最佳的开挖系统。 （2）确定离工场地位置、作业工作面以

37、及从每一工作面进行开挖类型。 （3）为确定作业场地尺寸建立必要的基础，另外给隧道土工设计供应相关输入数据。 依据所建议的方法（图1），LTF 工程的这两座隧道被分成5 个主要的工段，如图3 所示。 6.2 关于施工方法选择的简略考虑 考虑到所建隧道埋深大，长度长（山底隧道长52.5km，Bussoleno 隧道长12km），以及隧道施工工期（包括机电工程）的政治目标是7 年时间，选择工业化的施工方法成为必定，因此机械施工方案成为首选。 LTF 隧道的主要施工困难是在同一地质一隧道区段中间存在不同的地质构造。依据为最近的APR-PD 设计所建立的地质一岩体力学剖面，共识别了对于TBM 施工比较困

38、难的8 种类型的地带，如图4 所示。 与隧道大埋深相关的特别问题是特别大的收敛、挤压（如在St Martin La Potte 进入隧道所观测的那样）、高地压力、高地温（达45C）和高水压（几百巴）。 考虑到隧道直径大以及在大埋深下存在泥板岩岩石构造，因此所估计的隧道大的收敛是隧道本身设计以及施工方法选择所要关注的主要问题之一。 通过深化商量并与TBM 设备制造商合作、导致运用机械方法施工困难的主要因素有： （1）由于强烈收敛变形（在“Houiller Productive”构造中）和地层膨胀（硬石膏）TBM 被卡住的风险，由于土体中的石块掘进速度可能缓慢的风险。 （2）在高耐磨岩层（特别是有

39、水的石英岩）中切削刀具快速磨损的风险 （3）开敞式TBM 工作面失稳的风险（未加限制）。 （4）与高静水压力有关的力学问题。 （5）高压地下水突然涌出的风险。 （6）瓦斯涌出的风险。 （7）溶洞的风险。 6.3 在选择机械施工方法（TBM）中所考虑的准则 如果只单纯考虑地质和施工后勤方面的因素，那么在给定的隧道尺寸下，传统施工方法（钻爆法）总的来说适用于这两座正线隧道的任何工段。因此，对于给定的隧道工段，选择传统施工方法是在不适于或者不便于接受机械方法情况下的自然结果。 总的来说，接受TBM 开挖主要受到这些因素的影响：即在所估计和未估计条件（地质事故、水、瓦斯等）下不同范围内的土工特性，后勤

40、因素，经济因素，环境限制以及施工中最大限度降低对环境和公众干扰的要求等。 因此, 确定合适的方法仅仅简洁意味着评估机械方法的适用性。 通过分析以下与隧道定线有关的关键方面，制定了解选择TBM 用于掘进LTF 工程正线隧道的准则： （1）地下工程总的特征以及与总体工程的关系（功能要求、设计限制、环境要求等）。 （2）地质特征（现场勘察，了解程度，“GEO”模型的相对牢靠性，地形地貌、水文地质和地热等方面）。 （3）土工特征（岩体特性、原位应力）。 （4）岩体力学变形特性的猜测（在均质地带开挖洞室的稳定性，与地面、地下限制条件的相互作用）。 此外，考虑了以下标准，以确定可能适宜的施工方法： （1）

41、隧道施工人员的平安条件。 （2）最大限度地降低隧道施工对环境的影响。 （3）考虑工程目标，最大限度地缩短工期和降低费用。 （4）机械及设备相对于隧道工程规模尺寸和工程量的适宜性和充分性。 在这些标准的基础上，参考市场上所能获得的各种类型的机械并考虑TBM 制造商指出的今后技术进步情况，得出了对于LTF 隧道可能适用的机械施工方法： （1） 无护盾的TBM（ 或硬岩TBM、开敞式带撑靴的TBM）。 （2）单护盾TBM。 （3）双护盾TBM。 （4）复合的闭胸式盾构：EPBS- 单护盾TBM。 6.4 有助于施工方法选择的半定量风险分析 正如前面所解释的那样，风险分析对于第4 节所建议的方法是至关

42、重要的。针对LTF 工程目前所处的APR-PD 阶段，进行了半定量风险分析和定性风险分析，以助于最佳施工方法的选择。而这种情况下的定量风险分析将是作者下一篇论文的主题目。由于版面有限，下面仅阐述针对相对短的Bussoleno隧道（12km）所做的半定量风险分析。 正如前面章节所指出的那样，确定合适的方法就是评估机械方法的适用性。从检查“GEO”因素开头进行机械方法适用性的检查，这些因素被描述在为隧道建立的工程地质剖面中，并是通过简略的旧面商量和现场勘察得出的。图5 为简化的Bussoleno 工程地质剖面，包括以下关键信息： （1）在每一均质地带中的主要岩性类型。 （2）所识别的分为3 个不同

43、等级的TBM 开挖风险：高（红色）、中等（黄色）、低（绿色）。 （3）可能需要实行干预措施的需求，如地层加固以克服具有不利条件的特别地带。 （4）作为结果，最为适用的方法，以及对于机械开挖选择所使用的TBM类型（开敞式或工作面带支撑压力的护盾式EPB）。 （5）先前商量（APS-PP 阶段）中估计的施工景况。 简略接受的检查程序如下： （1）用以下标准的确定风险等级： 高（红色）质量差别到特别差的岩体，包括： 松散岩石及或有高压水存在；非均质的，有大的岩块、黏土性透镜体；具有高挤压变形可能性的岩体。 中（黄色）质量好到局部质量差的岩体，包括高埋深下的均质岩体（其特征是可能消失岩爆现象）；局部具

44、有地质灾害的均质岩体。 低（绿色）质量特别好到好的岩体。 在针对这些标准进行确定时要考虑接受的TBM 类型（开敞式或护盾式）。 （2）如果接受TBM 开挖方法的风险等级高，则一般不推举对该项方法进行进一步商量，除非如第4、5 点所述能够合理地消减风险。 （3）如果风除等级为中等到低等，则TBM 施工法可被视为是合理的。 （4）为确定整个隧道区段或者某一工段（其中那些被判定为接受TBM 施工风险高的岩层带的消失频率为中等）的开挖方法，建议接受风险减缓措施，如重新改良和处理那些异常地带中的岩体，以使机械开挖法适合于整个区段。 （5）在选择开挖方法时还考虑了以下几个方面： 所开挖岩体的变化频率：如果

45、频率高，则将影响机械开挖效率和速度，由于接受TBM 进行开挖是一个“刚性”系统，其本身对于高度变化的地层条件是适应性低。 下坡开挖意味着施工困难更大，由于要抽走随隧道掘进而积存于工作面处的流入洞内的水。 下坡开挖也意味着机械法的风险更大，特别是在大量的地下水突然涌出的情况下，这会沉没掘进机，损坏机械，特别是电器部分，另外还会危及TBM 上及工作面四周的作业人员。 下穿特别地带（如洞门四周的松散沉积层、断层带、隧道上方有其它基础设施其他隧道和地面大坝的区段），一些般要求TBM 能够施加主动工作面支撑压力，以避开产生与这些不利条件相关的风险。 克服可能有石棉存在的岩层段，接受钻爆技术进行传统开挖可

46、能更容易克服这些条件，特别是可能将石棉纤维散布的风险限制在狭小区域（即开挖前方周围地带）。 参照图5 的最后一行，Bussoleno 隧道各个工段的参考施工方法如下： （1）从西洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点：传统方法（钻爆法）。 （2）从与Foresto 进入巷道的交汇点的西洞门: 传统方法( 钻爆法)。 （3）从东洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点：机械方法（EPB）。 从西洞门到与Foresto 进入巷道的交汇点的工段优先接受传统方法进行开挖，其理由如下： （1） 即使是岩体特征似乎允许接受TBM 掘进， 但在Foresto 进入巷道四周、包含绿色岩的石灰质片岩层的Pie

47、montese 构造中频繁地消失高度裂开岩层和交替消失局部的断层带，这要求对开挖面前方岩体实行减缓风险的干预措施（工作面及空洞周围的固结）以确保机械开挖的稳定性，其结果是需要停止TBM 掘进以及缓慢工作业化进程。 （2）除此之外，在这一区段有可能遇到含有石棉纤维的绿色岩，接受传统的钻爆方法能够更好地处理这样的风险，其结果是废碴可以限制污染颗粒在空荡荡气中的散布，可以保护工人（任何情况下都应关心适宜的平安措施）和周围环境以及该区域的设备。 （3）最后，在西洞门还有后勤方面的困难（Berno 作业场地也是修建连接两座隧道的高架桥所需的空间），难以为TBM施工供应全部必需的现场设施。 相反，从与Fo

48、resto 进和巷道的交汇点到东洞门的区段（由意大利向法国方向掘进）则优先接受护盾式TBM（土压平衡EPB）进行机械化掘进，其理由如下： （1）从东洞门开头，隧道的最初路段位于特性极差的地层（Prebech 河的冲积扇）中，埋深浅，靠近有些城市化的区域。正线隧道下穿河流，隐含着可能进入滞水层及地面沉降的风险。接受EPB TBM 进行掘进能够限制对外部环境的干扰，由于立即设置预制的、连缝接受防水密封条的管片衬砌能够最大限度地减小因在地下水位中进行掘进而产生的排水效应，因此也减轻了地面可能沉降的问题。 （2）在克服这一段不良地层之后，连续向着法国方向掘进，估计将在较好的岩层条件下开挖正线隧道，为此

49、建议接受开敞式TBM。这样的岩石力学条件加之相对代的埋深（小于500m）排解了有的大的收敛变形的可能性，从而，在这一区段护盾式TBM 被卡住的风险几乎可以忽视。因此应优先接受EPB TBM 以开敞模式掘进这一区段的正线隧道，并以及此取代另外一台不同类型的TBM，否则的话会花费更多的费用，而且工期也不会最大限度的缩小短。 （3） 因此，EPB TBM 的特征应能适应于从东洞门到与Foresto 进入巷道交汇这一区段的不同地层条件，特别是EPB TBM 的刀盘应装配盘形滚刀以便能够裂开反抗力大的岩体（未扰动岩石）。最后建设在掘进后面的硬岩区段时保留在掘进最初路段松散沉积层中的使用的一级出碴系统，即

50、螺旋输送机。 7 结果 正如前面所述，确定LTF 工程这两座埋深长隧道最佳施工方法的过程是反复的，包含了循序渐进的定性、半定量和定量风险的分析，这符合于通过现场勘察而对地层条件的不断深化了解，施工工艺的持续进展以及工程设计不断深化。鉴于此，以及便于比较，在下面章节总结和提出分阶段获得的结果是合乎规律的。 7.1 APS-PP 阶段的结果和随后的进一步深化商量 APS-PP 阶段的商量工作由业主（原名为“Alptunnel”）组织并于2001 年完成。在这个初步设计过程中商量了地下工程的施工方法和工期。 在APS-PP 阶段，隧道沿线的地层条件信息是有限的。地下工程的设计主要是基于特别粗略的、定

51、性的地质一岩体力学断面，其中有不少不明地带，因此很大程度上依靠于参加其中的设计者和专家的阅历。 作为结果，确定了以下方法可用于这两座正线隧道的机械化掘进： （1）无护盾的TBM。 （2）特别的无护盾TBM。 （3）单护盾TBM。 （4）双护盾TBM。 （5）复合式盾构：EPB 盾构单护盾TBM。 （6）特别复合式双护盾：EPB 盾构双护盾TBM。 除此之外，还确定了需要接受传统的钻爆法（包括一些点击裂开机械设备，如挖掘机、液压裂开机、巷道式掘进机）、全断面开挖法以及依据岩体特性而在距工作面肯定距离处浇筑永久衬砌。 由APS-PP 阶段商量所确定的参考施工方案见图6。 随后，在进一步深化由业主“

52、Alptunnel”进行的ASP-PP商量方面，由LTF 工程新的业主（the LTFs.a.）指定一个隧道专家委员会（CET），其中主要任务是分析和确认通过ASP-PP商量所获得的初步结果，时间为20022004 年。 只要TBM 施工是可行的，而且如果需要限制施工工期并将工期和费用预算的牢靠性提高到肯定程度的话，那么专家建议接受TBM。鉴于当是对地质情况的了解程度，特别是考虑到缺少估量有大收敛的地层的相关信息，专家建议不接受护盾式TBM，除了埋深特别浅的情况，如Bussoleno 隧道东洞门处的初始段。因此，除了后一种情况，专家建议均接受带有模向撑靴和支撑的开敞式TBM。最终衬砌不受开挖的

53、约束，而接受现浇方式进行浇筑。TBM 的电器部分无论如何都应是防爆型的以便开挖Houllier 构造，即使是这种构造包含不行开采CH4 气体。 对于无粘结性的地层，以及其施工不处于整个工程规划关键路径上的隧道工段，专家也建议接受传统施工方法。 由CET 确定的参考施工方案与APS-PP 商量的结果特别相像，主要的区分在于St.Martin La Porte 进入隧道两侧的工段，对此专家极力争取接受TBM 掘进下线隧道。在ASP-PP和CET 的商量中都未确定每一隧道工段的精确和简略的施工主方法。因此专家确定的施工方案未单独示于图6 中。 另外，借助于DAT 程序对施工工期和费用进行了概率商量，

54、其目的在于： （1）评估在ASP-PP 参考施工方案的工期一费用方面的不确定性程度。 （2）比较ASP-PP 方案和“Alptunnel”GEIE2001 方案1（未假设分期修建铁路连接线的方案）。 DAT 分析的主要结论为： （1）仍然肯定，施工规章的关键路径由隧道区段D 所决定。 （2）一些特别洞段存在大的不确定性：在Venaus 侧的D段起始部分，St.Julien（工段A）的冲积锥中的路段，Houlllierprocuctive 地带（在St.Martin La Porte 进入隧道的周围）。 （3）与“Alptunnel”的方案相比，土木工程的总体平均工期似乎可以缩短1 年左右。 （

55、4）土木工程总体平均费用增长约18%，其缘由在于隧道尺寸的变化；因缩短探洞的长度而增加地质条件的不确定性；因每周施工的工作班数量（从35 至37）的变化造成单价上涨。 7.2 APR-PD 阶段的结果 关于LTF 工程开发的这一阶段，输入数据的数量显著增加，其缘由在于： （1）在APS-PP 商量的进一步深化阶段增加了现场勘察（钻孔、地球物理勘探）。 （2）一组询问专家进行了广泛的现场地质测绘，并审查和更新了线路沿线的地质、水文地质和岩体力学模型。 （3）对过去两年法国侧的进入隧道开挖获得的数据进行分析得到结果。 （4）阿尔卑斯山地区勒奇山和圣哥达山底隧道及西班牙隧道施的工阅历( 表1)。 作

56、为结果，针对本工程提出了一个概率性的地质和岩体力学表征，其结果很好地反映了针对这两座隧道所做的特别简略的工作程地质分带中。 在广泛现场勘察基础上对工程区域内的地质- 结构模型的修正，加之简略的地质和岩体力学特征，使得能够优化隧道的定线，特别是Bussoleno 隧道的定线更靠近Susa 峡谷，以削减一系列的地质风险。 除了修正地质模型外，与先前的APS-PP 设计方案相比，该工程的功能设计也得到了全面修正。进而通过正确的设计又修订和完成了对全部必需的土木工程项目。 例如，为完成对山底隧道施工方案的商量，确定了以下对于每个救援站都适用的特征条件： （1）从每一工点的技术洞室开头，穿过正经隧道（两

57、条平行的孔洞，称为V1、V2）接受钻爆法开挖约500m 的隧道段。 （2）修建TBM 组装洞室（直径15m，长30m）和TBM始发洞室（直径10m，长10m）。 （3）运输并在上述洞室完成TBM 的组装。 （4）接受组装的TBM 掘进正线隧道。 为与地层概率表征相符，接受概率方法进行了地下工程的土工设计，在本文主要作者为本次研讨会所撰写的另一篇论文中对此进行了阐述（Grasso 等，2006）。 另外，针对机械法开挖隧道工段有风险的地带（图4 例子），也设计了一系列的干预措施，特别是对于断层带、高度裂开和含水的地带。 在上述基础之上，结合地质和施工的概率模拟进行了严格的定性、半定量和定量风险分

58、析，以确定和比较本工程不同的进一步现场勘察设计施工方案。作为结果，第一次可以确定每一工段及整个隧道的简略施工方法（Bussoleno 隧道和山底隧道）。关于整个工程的APR-PD 参考施工方案也示于图6，以便APS-PP 方案比较。 值得指出的是，不能事先单义地确定两个TBM 工作面的精确对接点，其中的一个工作面从Venaus 洞门开头，另一个工作面从Modane 地下平安车站开头（D 段中）。在其中一个工作面消失严峻的施工延误的情况下，相对方向的另一台TBM 能够便利地连续进行掘进并超过原定的对接点。然而，在接受如DAT 工具进行概率模拟的帮助下，一方面能够确定设计所规定的对接点的消失概率，

59、另一方面能够从最可能的对接点范围内选择一个成功率最高的对接点，这是由于在接受DAT 所做的推断中明确模拟了大多数已经识别的不确定性和风险。 另外，还确定了与施工方案相符的工点和工作面。为与第6.4 节中所给定的信息相符，下面仅仅总结Bussoleno 隧道所需的工点和工作面。 （1）Bussoleno 隧道的掘进作业从两个洞门和Foresto 横坑道开头。所需的工点位置为： 西洞门，朝着意大利方向掘进：Berno 工点。 从Foresto 横坑道开头朝着法国方向掘进：Foresto工点。 东洞门，朝着法国方向掘进：Chianocco 工点。 （2）从这三个工点开头，估计始终同时掘进正线隧道的两

60、个平行孔洞，并且保持工作面之间的偏移量保持最小。 （3）西侧工点应用于传统方法的下坡掘进。 （4）Fresto 进入隧道与正线隧道交汇处的工点应用于： 向西（法国方向）的传统方法的上坡掘进。 向东的传统方法的下坡掘进，分别为南北孔洞掘进约50m 和80m 的短隧道以便修建TBM 到达洞室用以拆卸从Bussoleno 隧道东洞门掘进到达的EPB TBM。 （5）东洞门工点应用于正线隧道的两台EPB TBM 掘进，朝着法国方向上坡掘进直至TBM 到达洞室。另外还确定了与上述作业相关的后勤工作布置，并示于图7 中。 8 商量和结论 高速铁路深埋长隧道的施工存在很多潜在风险，这些风险可以识别、商量和管

61、理，但不能被忽视。 由于速度和平安条件方面的优点，机械施工方法可能是首选方案，但是在做出这种决定时应记住，机械施工法不是没有风险的技术。 为了促进平安使用机械施工法以及为了有助于选择深埋长隧道的最佳施工方法或者方法组合，作者提出了一种方法，这种方法的基础是风险分析，同时生疏到这样一个事实，即做出正确选择的问题是一个多阶段的决策问题，因此最佳施工方法的确定过程应是反复的。该项方法可以应用于工程开发的每个阶段并且能够极大地便利对设计一施工方案选择的审查和修正。例如，对于LTF 工程，山底隧道法国侧的3 座进入隧道已在修建之中，而意大利侧10km 长的Venaus 勘探洞却因社会环境缘由而处于停滞中，因此一旦这些进入隧道、导洞以及任何额外的勘察工作完成后，需要对APR-PD 阶段所做的选择进行修订。 目前针对LTF 长隧道工程所做的施工方案选择再一次表