(譯文）外文翻譯---日本山嶺隧道的設(shè)計(jì)和施工（節(jié)選）

1、<p>　　中文4330字，3200單詞，1.7萬(wàn)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(shè)計(jì)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(shù)上不斷發(fā)展的今天，除了評(píng)論隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，著重探討了隧道大斷面施工技術(shù)的發(fā)展和城市隧道在非固結(jié)土地上的施工，還有大型機(jī)械TBM的使用。</p><p>　　1. 目前山嶺隧道的設(shè)計(jì)和施工的狀

3、況</p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　自從十九世紀(jì)末以來，日本的山嶺隧道的施工方法很普遍。許多復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道包括Secikan tunnel,已經(jīng)成功的運(yùn)用了先進(jìn)的施工方法。</p><p>　　大約在20年前，當(dāng)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(shè)計(jì)方法工藝有了很大的進(jìn)步。先進(jìn)的施工工藝用于大斷面隧道和城市復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道，同樣可以有加快施工速度。這些成果已經(jīng)成功的促進(jìn)了隧道設(shè)計(jì)和施工的發(fā)展。</p><p>　　1.2 初步設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p>　　一般情況下，對(duì)于一個(gè)負(fù)責(zé)人會(huì)首先采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的斷面，作為一個(gè)初步設(shè)計(jì)的截面。一般情況下可以根據(jù)圍巖分級(jí)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。</p><p>　　初步

5、設(shè)計(jì)的確定有以下幾種方法：</p><p>　　A：2(2，6，1) 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用</p><p>　　在日本，鐵路和公路等的負(fù)責(zé)人，會(huì)根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)制定一些對(duì)于不同的圍巖級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。隧道在正常的條件下進(jìn)行施工，可以采用這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　b.在相似的條件下可以應(yīng)用這些設(shè)計(jì)。</p><p>　　c.應(yīng)用數(shù)值分析方法

6、。</p><p>　　當(dāng)隧道遇到特殊的斷面復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，可以采用數(shù)值分析方法。大多數(shù)的數(shù)值分析方法是有限單元法。</p><p>　　1.3 觀察，測(cè)量和修改設(shè)計(jì)</p><p>　　施工階段進(jìn)行設(shè)計(jì)修改時(shí)，就要判斷地質(zhì)情況是否和最初設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)想的一致。</p><p>　　當(dāng)設(shè)計(jì)必須進(jìn)行修改時(shí)，以下的幾個(gè)問題必須先解決：(1)如何確定

7、支護(hù)的數(shù)量和進(jìn)行支護(hù)的最佳時(shí)間；(2)如果施工仍在繼續(xù)，就應(yīng)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(píng)價(jià)</p><p>　　通過觀察掌子面，來評(píng)價(jià)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(jìn)去。人們嘗試著把每種因素占整個(gè)記錄的百分比表示出來，通過它來評(píng)價(jià)當(dāng)前的地質(zhì)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(píng)價(jià)地層的條件顯得特別的重要。為了達(dá)到這個(gè)目的，在掌子面之前就應(yīng)對(duì)地層進(jìn)行調(diào)查，并應(yīng)作出評(píng)價(jià)。應(yīng)用超前鉆孔，通過鉆孔的能量或彈性波進(jìn)行估算。</p><p>　　1.3.3 測(cè)量方法的應(yīng)用</p><p>　　用測(cè)量的方法來評(píng)價(jià)現(xiàn)在情況下的地層，以下的幾個(gè)方法都可以：</p>

9、<p>　　·評(píng)定地層的穩(wěn)定性；櫻井和櫻井等人通過極限應(yīng)變和單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，提出允許的位移值；</p><p>　　·保持極限設(shè)計(jì)支護(hù)的穩(wěn)定性；</p><p>　　·這種設(shè)計(jì)的支護(hù)不會(huì)影響到周圍的地層。</p><p><b>　　1.4 支護(hù)設(shè)計(jì)</b></p><p&g

10、t;　　1.4.1 噴射混凝土</p><p>　　強(qiáng)度為18MP的襯砌混凝土經(jīng)常被作為初步設(shè)計(jì)的強(qiáng)度。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，就象名古物和神戶的高速公路深埋隧道。</p><p>　　有時(shí)采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土以增強(qiáng)它的強(qiáng)度。鋼纖維混凝土經(jīng)常被用于有復(fù)雜壓力和大變形的地質(zhì)條件下。隨著新的施工方法如噴射早強(qiáng)混凝土和擠壓式混凝土襯砌的應(yīng)用，人門

11、發(fā)明了新的支護(hù)方法。</p><p><b>　　1.4.2 錨桿</b></p><p>　　錨桿被用來作為初級(jí)的支撐材料就像噴漿。錨桿的主要錨固方法是進(jìn)行全面錨固。在任何情況下錨桿孔不能是獨(dú)自存在，自鉆式錨桿可以被采用。當(dāng)錨桿被錨在地層中時(shí)，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(dāng)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(dāng)遇到不好的地質(zhì)情況時(shí)，可以用鋼拱架進(jìn)行初期支護(hù)，再加上早強(qiáng)混凝土和超前錨桿的運(yùn)用，就可以保障掌子面和仰拱的穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.5 設(shè)計(jì)襯砌</b></p><p>　　在一般的場(chǎng)地和一般的地質(zhì)條件下，襯砌設(shè)計(jì)的的目的是增加支撐的安全度的。因此，對(duì)它的功能沒有

13、特殊的要求。傳統(tǒng)的做法采用的是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。</p><p>　　在一些情況下襯砌可以用力學(xué)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jīng)驗(yàn)公式，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析或進(jìn)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(jīng)常被用于穩(wěn)定一個(gè)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(gè)穩(wěn)定的掌子面。</p><p>　　1.6.1 穩(wěn)定拱頂</p><p>　　早強(qiáng)混凝土的快速硬化，可以維護(hù)拱頂?shù)姆€(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(jī)械在原有的地方讓可以進(jìn)行施工。</p><p>　　保持拱頂?shù)姆€(wěn)定也可以用管棚支護(hù)(圖1)、水平旋噴注漿(圖2)和大跨度的鋼管前列樁

15、。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件十分惡劣時(shí)且工作面有限可采用特殊的施工設(shè)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(jìn)行打孔。由于這種方法比較簡(jiǎn)單經(jīng)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(gè)獨(dú)立的塊進(jìn)行分步開挖。然而，有時(shí)在不良的地質(zhì)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(dá)到穩(wěn)定很普遍。在一個(gè)傳統(tǒng)的工作周期，初襯和錨桿很容易被應(yīng)用。經(jīng)常用灌漿的方法來改變地層的性質(zhì)?，F(xiàn)在水泥和氨酯脂漿液還在被應(yīng)用。在一些情況下，長(zhǎng)的錨桿或錨索首先被打入掌子面中；當(dāng)開挖時(shí)再切斷。</p><p>　　1.6.3 防水措施</p><p>　　隧道排水經(jīng)常采用鉆孔排水和泄水洞。對(duì)于非膠結(jié)的土質(zhì)，地下水會(huì)使它液化，從而造成施工困

17、難。基于這個(gè)原因，人們一般施工前要定點(diǎn)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(jù)以前應(yīng)用與SEIKAN 隧道的經(jīng)驗(yàn)來看，注漿堵截水是一個(gè)不錯(cuò)的方法。壓力注漿法和氮?dú)饫鋬龇ㄔ谝恍┕こ讨幸脖蝗藗兯褂谩?lt;/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(jī)械進(jìn)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(jī)械經(jīng)常用于軟巖和風(fēng)化嚴(yán)重的巖石。然而，有些大動(dòng)力的開挖機(jī)械可以開挖單軸抗壓力達(dá)到40MPa的巖石。這些機(jī)械開挖的速度肯定比鉆孔爆破的速度快。</p><p>　　爆破開挖產(chǎn)生的噪

19、音和震動(dòng)對(duì)人和建筑物都有很大的影響。選擇爆破開挖后，必須對(duì)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)以達(dá)到允許的標(biāo)準(zhǔn)。在某些情況下，是不能選擇爆破開</p><p>　　挖的。人們已經(jīng)研制出一種懸臂開挖機(jī)械，它可以開挖單軸抗壓力達(dá)到80-100MP的巖石。對(duì)于硬巖進(jìn)行破碎開挖的特殊機(jī)械已經(jīng)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(jī)械的動(dòng)力。選擇的方法要適用于大多數(shù)不同地層，而且對(duì)于不穩(wěn)定的掌子面通過輔助的方式要能達(dá)到穩(wěn)定。(圖5)表明，臺(tái)階法開挖適用于很多地層條件。臺(tái)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(chǎng)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(jī)械。在爆破施工中，大型的鉆孔臺(tái)車經(jīng)常被使用。

21、對(duì)與軟巖，已經(jīng)開發(fā)出一種名叫TWS的機(jī)械開挖方法，并且已經(jīng)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(yùn)輸方法</p><p>　　一般是用牽引機(jī)車或者是翻斗汽車將大量的土運(yùn)輸?shù)剿淼劳狻榱藴p少工作時(shí)間和通風(fēng)時(shí)間，一般都會(huì)使用大型的翻斗車和選擇臨時(shí)堆放雜物的地方。軌道運(yùn)輸一般用于斷面比較小而又比較長(zhǎng)的隧道

22、。</p><p>　　人們開發(fā)出一種皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，隨著掌子面的前進(jìn)，運(yùn)輸系統(tǒng)可以很簡(jiǎn)單的向前延伸。TBM開挖經(jīng)常采用這種方法。在SHINKANSEN 隧道的的某些施工地點(diǎn)，皮帶運(yùn)輸與移動(dòng)式破碎機(jī)結(jié)合起來一起進(jìn)行工作。</p><p>　　1.8 特殊的地質(zhì)條件</p><p>　　1.8.1 膨脹巖石</p><p>　　當(dāng)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(zhì)巖就會(huì)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(zhǎng)錨桿。從進(jìn)行施工后，如果掌子面的圍巖不穩(wěn)定并有較大變形時(shí)，重要的是盡快的封閉斷面，并用高強(qiáng)度的支撐系統(tǒng)以減小圍巖的松動(dòng)和強(qiáng)化掌子面。</p><p>　　(圖6)就是這樣的一個(gè)例子。當(dāng)隧道圍巖有較大的膨脹時(shí)，先開挖上部仰拱以強(qiáng)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(yù)報(bào)可以阻止情況變的很糟糕，通過它可以及時(shí)的改變條件如施做排水設(shè)施或堵截住水然后在進(jìn)行施工。</p><p>　　1.8.3 砂性土層</p><p>　　當(dāng)遇到沙性土層時(shí)，當(dāng)有地下水時(shí)，掌子面會(huì)變的不穩(wěn)定或出現(xiàn)液化而沒有一點(diǎn)的承載力。當(dāng)沙土中的粘土和纖維含量低于

25、百分之十，均勻系數(shù)低于百分之五，這時(shí)的土土層就很容易產(chǎn)生液化。</p><p>　　而在黏土層中，水的含量增多會(huì)降低它的強(qiáng)度。當(dāng)土的承載力不大時(shí)特別是已經(jīng)變質(zhì)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(shí)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?xì)怏w象瓦斯及缺氧氣體等。</p><p>　　1.8.5 高地應(yīng)力硬巖</p><p>　　高地應(yīng)力地層出現(xiàn)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(yù)測(cè)到，推薦用聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)。</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(shè)計(jì)要考慮力學(xué)的影響。當(dāng)?shù)貙邮艿较嗯R隧道的影響，塑性區(qū)域就有可能擴(kuò)大。因此，要選擇輔助施工的方法進(jìn)行施工。(圖7)畫的是一個(gè)相臨的隧道。</p><p><b>　　2. 大斷面隧道</b></p><p>　　2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shù)量也增多了。圖8表明，新的NEW-MEISHIN高速公路連接了日本三個(gè)主要的城市。它是高標(biāo)準(zhǔn)的六車道，行車速度可以達(dá)到140km/h。有很多的部分要經(jīng)過山嶺，隧道的程度占了路線總長(zhǎng)度25%?？紤]到建隧道與經(jīng)濟(jì)的平衡，除了具有足夠的建筑限界，圖9表明計(jì)劃建造單位面積和開挖面積達(dá)到190m2的隧道。第一組長(zhǎng)度是370km，另一組502km也在建設(shè)中了。這一工作段中有1

29、67隧道，總長(zhǎng)度達(dá)到了224km。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)支護(hù)和襯砌</p><p>　　表一表明，通過分析施工中反饋的信息再指導(dǎo)施工的新標(biāo)準(zhǔn)被確立了：</p><p>　　a.隧道斷面很大時(shí)，拱頂下沉很大，而水平收斂比較小。當(dāng)位移發(fā)生在離一側(cè)邊墻很近時(shí)拱部的位移較大，基于這個(gè)原因，支護(hù)要阻止拱頂?shù)牡乇硐鲁痢?lt;/p><p>　　

30、b.為了防止地面的變形，要及早用高強(qiáng)度的噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。高強(qiáng)度的噴射混凝土的強(qiáng)度一般達(dá)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(qiáng)度很重要，也應(yīng)該特殊設(shè)計(jì)。</p><p>　　c.除了簡(jiǎn)化噴漿工序和使用高強(qiáng)度的鋼材外，那些質(zhì)量比較小而易于進(jìn)行加工的材料也用來做初期支護(hù)。</p><p>　　d.當(dāng)圍巖的級(jí)別為B級(jí)時(shí)，拱的部分有自我承載力，在拱的兩側(cè)噴鋼纖維混凝土就可以

31、了，而不用鋼拱架。</p><p>　　e.因?yàn)楣安恳么罅康腻^桿，所以高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)施工的結(jié)果，TBM隧道掘進(jìn)機(jī)實(shí)用于長(zhǎng)大隧道。對(duì)于其它的隧道，選擇的施工方法是由隧道斷面

32、和拱頂?shù)姆€(wěn)定來確定的。</p><p>　　直徑為5米的TBM掘進(jìn)機(jī)被人們所采用。試點(diǎn)建設(shè)產(chǎn)生以下幾個(gè)結(jié)果：</p><p>　　a.當(dāng)確定掌子面很穩(wěn)定及地質(zhì)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(zhǎng)度，上部導(dǎo)坑的開挖方法一般作為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　b.對(duì)于地質(zhì)條件差的地層，一般采用鋼索錨桿從隧道的內(nèi)部來增強(qiáng)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(shè)前要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查。對(duì)于硬巖隧道，通過調(diào)查和研究所取樣的巖石看是否能找到即合理又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3. 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　本文介紹了目前日本山區(qū)隧道開挖的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。目前，正在進(jìn)行研究和開發(fā)以克服技術(shù)上的困難。正在研究的施工方法可以在復(fù)雜的地質(zhì)條件下