岩石力学-第5章hyr2015.

15.1概述5.2地下工程围岩分类及地下工程类型5.3地下工程围岩应力5.4地下工程围岩体的破坏机理5.5地下工程支护设计5.岩石地下工程25.1概述地下工程：为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室统称为地下工程。常见的地下工程型式包括：矿山坑道；铁路及公路隧道；水工隧洞；地下发电站厂房；地下铁道及地下停车场；地下储油库及储气库；地下军事设施（导弹发射井、飞机库、防空洞）等。5.岩石地下工程5.1概述3中国最长的铁路隧道：位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ线隧道全长18456米。秦岭隧道4第5章岩石地下工程中国最长的铁路隧道：秦岭隧道隧道最大埋深约1600米，埋深超过1000米地段长约3.8公里。Ⅰ线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。5第5章岩石地下工程中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关，且Ⅰ线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有六类24项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。6世界高原多年冻土区第一长大隧道：昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长1686米，于2001年9月开工，2002年9月26日胜利贯通。昆仑山隧道7第5章岩石地下工程世界海拔第一高的铁路隧道：位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人区”边缘，全长1338米，轨面海拔4905米，是世界上海拔最高的隧道，年均气温零下7℃，寒季最低气温达零下41℃，空气中氧气含量只有内地的50％左右。隧道冻土层最厚达150米、覆盖层最薄处仅有８米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难度之大前所未遇。2001年10月18日开工建设，2002年10月19日胜利贯通。风火山隧道82001.1-2005.6，全长9028米，隧道地质复杂，岩质破碎，有断层、溶洞、暗河、涌水等。隧道采用钻爆法施工，II、III级围岩采用全断面法开挖，IV、V级围岩采用正台阶法施工，微震控制爆破技术。瓦斯工区煤系地层采用瓦斯隧道爆破技术。软弱围岩地段采用管棚双液预注浆加固地层，短台阶法施工。渝怀铁路彭水隧道9Mar,2007第5章岩石地下工程10第5章岩石地下工程“八纵”铁路通道为：京哈通道、沿海通道、京沪通道、京九通道、京广通道、大湛通道、包柳通道、兰昆通道。“八横”铁路通道为：京兰通道、煤运北通道、煤运南通道、太原至青岛通路、陆桥通道、宁西通道、沿江通道、沪昆（成）通道、西南出海通道。八纵八横的宏伟蓝图11泄洪洞1213香港海底隧道九龙入口香港第1条过海行车隧道，于1972年8月通车，耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里，跨越维多利亚港，将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。14城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。大型城市地下综合体：交通、市政、商业15■中关村西区：地下建筑面积50万m2■王府井地区：在1.65km2的范围内，地下可利用建筑60万m2■金融街中心区：金融街地下交通体系是国内第一个大规模地下交通系统，该工程总建筑面积约3万m2北京:16■静安寺广场：是地铁二号线静安寺站的出入口，是由下沉广场、地下商场、露天剧场、喷水池风井、伤残人电梯亭和静安公园延伸绿地等组成的综合体。广场用地面积8412m2，商场建筑面积8200m2,下沉广场面积2800m2，是集交通、商业为一体的综合体。■上海南站地下综合体：上海南站站域地下除了设有三条轨道交通线的三个车站，总开发面积约90000m2，开发深度达15m。较好地解决了铁路、轨道交通和公交的换乘。■人民广场地下综合体：人民广场站地处上海的文化、旅游和商业中心。结合地铁1、2号线换乘站形成了一个总建筑面积50000m2，包括2座地铁车站、2座地下商场、一座地下停车场和一座地下变电站的大型地下综合体。上海：17上海人民广场18上海静安寺19大连奥林匹克广场20核心区地下城，以波浪文化城（100000m2）和地铁1、2号线换乘站为骨干，形成地下城，地下空间总量达到200万m2。杭州钱江新城21深圳罗湖口岸及火车站地区：该综合体地下地上各三层，该项目于2006年7月获城市土地学会亚太区卓越奖。深圳华强北地下商业街：以疏通人流为主，兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸，扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。南京结合地铁1、2号线新街口换乘站建设，形成地下空间网络，总建筑面积超过了40万m2，基本形成了地下城。深圳22朝鲜平壤地铁平壤地铁1968年开建，1987年开通，全长35公里。最深处达120米，号称是世界上最深的地铁。23健身房24地下污水处理厂25玉米棒式地下停车库2627目前，全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条，主要分布在日本、美国、西欧、中国的香港九龙等地区。从工程规模和现代化程度上看，当今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫过于英法隧道和日本青函隧道。英法隧道横贯英吉利海峡，从英国的福克斯通到法国的桑加特，把英伦三岛与欧洲大陆连接起来。隧道由两股火车隧道和一股工作隧道构成，全长53公里，海底部分37公里。该隧道已于1995年建成通车。28由于英伦海峡隧道把欧洲大陆与英伦三岛联系起来,再乘座高速列车(Eurostar欧洲之星),从伦敦到巴黎仅需要3小时,穿越英吉利海峡仅需要20分钟.29从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径7.3米、长50000米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距30米，在其中间线再修一条直径为4.5米的辅助隧道，每隔375米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿法朗（约合70亿美元）。隧道于1987年动工，1994年竣工并投入使用。坐时速260公里的高速火车，穿越隧道只用26分钟。英法海底隧道30第5章岩石地下工程计划中的这条隧道长103公里，是英法隧道水下部分的3倍长，贯穿白令海峡，将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为北美和俄远东地区每年节省200亿美元运输费和电费。预计历时10到15年，耗资100亿到120亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。横跨白令海峡的海底隧道将沟通欧亚和北美31第5章岩石地下工程当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长为53860米，其中海底部分为23300米。青函隧道1964年开挖斜坑道，经过24年的施工，于1988年3月13日正式投入运营。日本青函隧道32瑞士成功打通世界上最长隧道2010年10月15日，瑞士施工人员当天成功打通哥达基线隧道最后2500米部分，至此哥达基线隧道取代日本青函海底隧道成为世界上最长的隧道。33哥达基线隧道建成后会成为世界最长隧道。哥达基线隧道顶上是2300米高的阿尔卑斯山，要将它建成需要挖掘出2650万吨的石块。当日，这条全长57公里的世界最长铁路隧道全线贯通。该隧道工程自1999年起正式展开，是目前在建的连接德国、瑞士与意大利的高速铁路的一个重要工程，计划于2017年通车，届时从瑞士苏黎世到意大利米兰将仅需2小时40分钟，较目前缩短1小时。3435巨型钻头打通隧道36厦门翔安海底隧道国家“863”计划专题项目的重点工程，由我国自主设计、施工建设。而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。以三孔隧道形式穿越海域的厦门翔安海底隧道，共由三条线路组成，其中中间一孔为服务隧道，作为紧急避难通道和日常维护检修用。从开工到建成仅用时4年8个月。3738海底隧道2010年4月26日上午建成通车，作为世界上断面最大的海底隧道，全长9公里，海底隧道5.95公里，最深在海平面下70米，总投资39.5亿。从厦门岛到达对岸的大陆端，比原来节省了82分钟。厦门翔安海底隧道39隧道施工设备40地下工程的复杂性地下工程修筑于地层之下，其环境条件比地面工程复杂得多，因此，地下工程的设计与实施也具有更多的复杂性。表5-1列出了地下工程与地面建筑工程的一些重要方面的对比。从这些对比，我们来认识一下地下工程的复杂性。地质条件的特点；地质条件对工程的影响；受力结构；材料特性；外载条件；计算参数；工程施工。5.岩石地下工程5.1概述41地下工程的复杂性地质条件的特点地面建筑工程的基础位于地表浅层，地质条件相对简单，且比较容易查明。地下工程一般位于地层深部，地质条件复杂，且不易查明。地质条件对工程的影响对地面建筑工程而言，地质条件一般仅影响其基础的设计和施工，如条形基础，箱形基础、桩基础、不影响工程本身。地下工程的设计和施工则需迁就地质条件，如改线，改变结构形式，改变支护方式等。5.岩石地下工程5.1概述42地下工程的复杂性受力结构地面建筑工程在地表筑基础，在基础上建结构，受力结构明确。地下工程则是围岩与支护共同组成承载体，受力结构不明确。材料特性主要结构材料一般是人造的（如钢筋混凝土），具有均质性和连续性，在正常荷载下表现为线弹性，可忽略其流变性。岩石是地下工程结构材料的一部分，有时甚至是主体。岩体一般是非均质、非连续、非线性、有流变性的。5.岩石地下工程5.1概述43地下工程的复杂性外载条件地面建筑工程的结构荷载包括永久荷载（如结构自重等）和可变荷载（如风载、移动承载物重量等），这些荷载一般是确知的。地下工程的主要荷载是初始地应力，其大小和方向变化较大且不易确定；支护结构承受的压力不是定值而是变值，支护压力不仅与围岩性质有关，还与支护结构的性质有关。5.岩石地下工程5.1概述44地下工程的复杂性计算参数对地面建筑工程而言，材料的计算参数通常可通过室内试验获得，一致性较好。地下工程往往需要借助原位试验和测试，离散性较大。工程施工地面建筑工程场地开阔，便于组织，工期短。地下工程作业面狭窄，工期长。5.岩石地下工程5.1概述45地下工程学科的发展正是由于地下工程的复杂性，导致地下工程的设计和施工长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。随着现代土力学和岩石力学的发展，这种局面已被突破。20世纪50年代以来，随着理论研究的进展，新支护方式的提出和新施工技术的兴起，现在已形成了以岩石力学原理为基础，考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代理论。理论进展：围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐渐出现；新支护方式：锚杆与喷射混凝土支护；新施工技术：与锚杆与喷射混凝土支护相应的新奥法（NATM）。5.岩石地下工程5.1概述465.2地下工程围岩分类及地下工程类型5.2.1地下工程围岩分类围岩及围岩分类地下工程围岩是指地壳中受地下工程开挖影响的那一部分岩体。其范围通常等于地下工程横剖面中最大尺寸的3～5倍。围岩分类（级）根据地下工程的性质和要求，将围岩体的某种或某些属性加以概略的划分，称为围岩分类或围岩分级。5.岩石地下工程5.2地下工程围岩分类及地下工程类型47围岩分类的必要性岩体长期经历地质营力（造岩、构造运动、风化等）作用，力学性质十分复杂，具有多种多样性。在地下工程建设中，无论怎样仔细地研究都不可能把工程区域内岩体的力学性质的细节完全搞清楚。既使能搞清楚，在设计和施工中也不可能对千差万别的情况