公路隧道施工技术讲座(程崇国)

学术交流公路隧道常见质量问题教授级高级工程师院隧道专业首席专家重庆市设计大师联系电话:18008377165023-62653439传真：[phone]程崇国2015.04.211959年9月生重庆市人1982年毕业于重庆建筑工程学院地下建筑专业学士中国土木工程学会隧道与地下工程分会理事；中国公路学会隧道工程分会理事；重庆市授予：“重庆市优秀专业技术人才”。享受国务院“特殊政府津贴”专家参与《公路隧道设计规范》、《公路隧道施工技术规范》《公路水下隧道设计规范》的编写。程崇国专业方向：地下工程结构、隧道勘察设计，科研，施工控制主要成就:从事隧道专业技术工作30多年。主持或参与了勘察设计项目30多项；科研项目10多项；工程咨询、隧道施工控制近20项，获各类科研成果21项，发表论文20篇。招商局重庆交通科研设计院有限公司过去单位名称“交通部重庆科学研究所”，成立於1965年5月，系直属交通部管理的正厅级科研事业单位。2000年转制为科技企业，整建制进入招商局集团。是中央在渝科研单位和甲级勘察设计院，是国家山区公路工程技术研究中心和隧道建设与养护技术交通行业重点实验室的依托单位。我院主要从事公路行业与市政行业的道路工程、桥梁工程、隧道工程、交通工程、轨道交通、等领域的科研开发、勘察设计、试验检测等。我院也是中国公路隧道分会挂靠单位。公路隧道施工常见的质量问题1、我国公路隧道建设概况2、隧道施工技术特点3、新奥法基本概念4、隧道施工技术特点5、我国公路隧道常见病害6、超挖和塌方面处理概述第一部分1.1公路隧道简史•世界上最古老的公路（道路）隧道是公元初在罗马的那不勒斯挖成的波西利波岩洞，长约1公里，无衬砌，至今还在运用。•至20世纪90年代前，世界上最长的道路隧道为穿越瑞士阿尔卑斯山的圣哥达公路隧道，全长16.3km。于1970年5月5日开工，于1980年建成，用了10年时间。1.1公路隧道简史•目前世界最长的公路隧道，是位于挪威西部地区的洛达尔隧道，全长24.51km，单洞双向行驶。于1995年3月开始动工兴建，2000年11月27日正式通车•目前世界建设规模最大的公路隧道是我国秦岭终南山公路隧道，全长18.02km，双洞四车道，长度居世界第二•我国台湾省2006年6月16日建成通车的雪山公路隧道，长度12.9km，双洞四车道，中间设有平行导坑12.9km1.2我国公路隧道发展概况1949年以前，中国仅有7座道路隧道，总长897m,最长的不过200m，多为单车道，无衬砌或采用条石、砖进行衬砌。如，建于抗战时期的重庆山洞隧道。大连的早期隧道新中国成立后的30年间，我国共建成公路隧道225座，总长42km。较长的隧道有：重庆市歌乐山隧道，长706m、河南辉陵向阳公路隧道，长1400m。进入80年代，改革开放初期，公路隧道的建设开始加速，甘肃七道梁隧道、新疆天山公路铁力买提隧道等。到1990年底，我国建成的千米以上的隧道已有十余座，长度约150km。1.2我国公路隧道发展概况从上个世纪90年代后公路隧道进入了高速发展时期。出现了以成渝高速公路中梁山隧道为代表的长大公路隧道,2000年以后又修建了福建美狐岭隧道、湖南铁峰山隧道、秦岭终南山隧道、重庆方斗山隧道、厦门翔安隧道等长大公路隧道。2012年底全国公路总里程达423.75万公里，比上年末增加13.11万公里。全国高速公路里程达9.62万公里，比上年末增加1.13万公里。等级公路里程360.96万公里，比上年末增加15.60万公里。二级及以上公路里程50.19万公里，增加2.83万公里全国公路隧道为10022处、8052.7公里，比上年末增加1500处、1799.3公里。其中，特长隧道441处、1984.8公里，长隧道1944处、3304.4公里。1.2我国公路隧道概况2009年2010年2011年2012年12年较11年增长公路（万公里）386.08400.82410.64423.753.19%等级公路(万公里）305.63330.47345.36360.964.5%高速公路(万公里）6.517.418.499.6211.31%隧道公里394251226253.48052.728.29%座6139738485221002217.6%1.2我国公路隧道发展概况1.2我国公路隧道发展概况近10年来一大批重大科研项目和重大公路隧道工程的完成表明我国特长公路隧道建设与运营的技术已经取得了很大发展，公路隧道的设计水平已接近国际先进水平，部分达到国际先进水平，施工技术有了重大进步。1.2我国公路隧道发展概况公路正持续不断地向山区延伸、平原和沿海地区的水下隧道也方兴未艾，公路隧道建设这几年的增长量每年达1000多公里。隧道长度由90年代初的3公里，发展到现在的7、8公里，甚至10、12、18公里的超特长隧道。从隧道的形式上看，从过去的2车道隧道到今天的3车道隧道、4车道隧道；隧道的结构型式有连拱隧道、小间距隧道、分岔隧道。还有如“地下立交结构”、“桥隧混合结构”、“匝道进洞”等。公路隧道的改建扩建工程也逐年增加。公路隧道建设还将持续高速发展。公路隧道标准断面1.2我国公路隧道发展概况2车道A=63m2高宽比=0.673车道A=96m2高宽比=0.544车道A=136m2高宽比=0.48连拱隧道小净距隧道1.2我国公路隧道发展概况二车道三车道四车道六车道连拱六车道小净距洞内分岔式公路隧道标准断面2车道隧道2车道隧道3车道隧道3车道隧道4车道隧道（深圳雅宝）1.2我国公路隧道发展概况连拱隧道小净距隧道喷射混凝土预制混凝土构件拱墙混凝土衬砌仰拱混凝土衬砌仰拱填充混凝土隧道基本构造围岩隧道洞内匝道隧道洞内匝道1.2我国公路隧道发展概况•公路隧道由于其特殊的运营环境和运营条件，根据隧道不同长度、不同交通组成、不同交通量，需要配备必要的交通工程设施、管理设施、和防灾救援设施等。•长度大于150m的高等级公路隧道需设置照明；等级低于二级公路，长度大于200m的隧道需设置照明。•大于1000m的隧道需设机械通风；大于5000m的隧道一搬需设采用分段通风（竖井或斜井）。隧道洞内照明设施消防设施消防设施照明设施隧道洞内设施隧道洞内设施广播系统通风设施横通道隧道监控设施隧道洞内设施隧道施工技术特点第二部分2、隧道施工技术特点2.1隧道施工是在有原始应力场的介质内构筑结构，即:“先有荷载，后有结构”。2.2隧道工程结构的受力是不确定的。2.3隧道开挖方法、支护时间、支护刚度对结构受力影响很大。2.4设计是以工程类比为主、计算为辅，实行动态设计。2.5隧道施工环境恶劣，能见度差、空气质量差、噪音大。影响工人的工作情绪和技能发挥。2.6施工作业空间小，各工序干扰大。2、隧道施工技术特点2.7隧道不可预见的因素较多。2.8施工水排水困难、泥浆难以清除，影响结构质量。2.9施工工人技术水平普遍低。2.10隧道工程大部分是隐密工程，各工序过程检查力度不够、有些还没有有效的检测手段，工程隐患难以发现。2.11建成后的隧道只有一个可视面，工程质量难以通过表面发现问题、进行评价，表面显示出来的问题，不易判断问题的实质。第三部分新奥法3、新奥法3.1新奥法的基本概念3.2新奥法的力学特征3.3新奥法的设计原则3.4新奥法及其技术特点3.5新奥法与喷锚支护的关系3.6喷射混凝土的作用3.7锚杆的作用3.8隧道施工顺序和要求3.1新奥法的基本概念新奥法是由奥地利的一位地质学家-拉布西维兹（L.V.RABCEWICZ）在50年代总结了前人的经验，提出来的一套隧道设计、施工技术。是新奥地利隧道施工方法的简称,它的英文名字是(NewAustrianTunnelingMethod),简写（NATM）新奥法不是能用一句话能回答的，他是一种设计施工思想、概念，一套方法。3、新奥法3.1新奥法的基本概念新奥法的核心是：最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，围岩不仅仅是荷载，也是结构的一部分，很多时候是结构的主要部分。在整个工程的设计、施工过程中，以利用和发挥围岩的自承能力为基本出发点，采取各种工程措施，使围岩成为隧道承载体系的一部分。3、新奥法3.1新奥法的基本概念新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自稳能力为基本出发点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地对围岩进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工的方法。3、新奥法3.2新奥法的力学特征圆形洞室计算简图3、新奥法3.2新奥法的力学特征围岩位移及支护抗力特征曲线3、新奥法3.2新奥法的力学特征通过上面分析我们可以认识到：1）围岩所需的支护抗力是变化的,他与岩体本身性质、结构刚度和支护时间有关；2）隧道围岩变形是岩体内能量的释放过程。要允许围岩产生一定变形，释放一定能量。3）隧道围岩壁面的变形速度是判断（内空变位量的大小、变化速率）洞室能否稳定重要指标。3、新奥法3.2新奥法的力学特征实际施工中，要及时进行初期支护，封闭围岩，但刚度不能太大，很多时候要分几次施作初期支护，要让围岩在有控制的条件下变形。通过对围岩变形的监测，掌握洞室周边位移、支护变形情况，观察位移和变形是趋于稳定还是在发展来决定下一步的处理措施，进行第二次、第三次初期支护、决定二次衬砌施作时间。若围岩变形没有趋于稳定的迹象，应加强初期支护，或提早施作二次衬砌。3、新奥法3.3新奥法的原则1）最大限度地利用和发挥围岩的自承能力2）隧道的支护结构，是要解决如何有效地控制变形问题。3）要允许围岩有一定的变形（也包括结构的变形），不要试图阻止围变形，使支护承受过大压力；要限制围岩变形，防止围岩过大变形，发生垮塌。4）应在适宜的时机，构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力状态。5）要早支护、柔支护，不能顶着干！3、新奥法3.4新奥法的原则6）要求支护结构与围岩密贴、尽早地封闭，保证支护结构与围岩共同工作。7）通过现场监控量测，掌握围岩应力状态和围岩、支护变形发展趋势，及时调整支护参数，力求获得最适宜的支护结构。8）根据隧道围岩力学概念和原则，进行隧道的设计和施工，要有效地、充分地利用围岩天然的自承能力，保证隧道结构安全、节省工程费用。3、新奥法3.5新奥法技术要求1）要求采用光面爆破（开挖面平顺）断面轮廓尽量圆顺，避免应力集中，减少对围岩的扰动2）初期支护要及时施作、紧贴围岩、及早封闭岩面（封闭成环）、与围岩共同工作；3）开展现场监控量测工作，掌握围岩动态；4）根据现场量测结果，确认和修改支护参数，调整施工方法，确定二次支护施作时间。3、新奥法3.5新奥法技术特点1）动态设计、动态施工（至施工方法整）；2）考虑预留变形量；3）强调施工方法与施工顺序；4）“理论导向、测试定量、经验判断”。3、新奥法3.6新奥法与喷锚支护的关系1）喷锚支护不是新奥法。2）喷锚支护是目前最简便、最经济、最有效的快速柔性支护结构、是利用和发挥围岩的自承能力最主要的、最有效的支护手段；3）喷锚支护是一种加固围岩、抑制围岩变形、利用和发挥围岩自承能力的衬砌形式，具有支护及时、柔性、紧贴围岩、与围岩共同变形等特点。3、新奥法隧道支护衬砌要求第四部分4.1喷射混凝土支护4.1.1喷射混凝土的作用机理1）喷混凝土特点：a)喷射混凝土支护、施作速度快、早期强度高、密实度好、与隧道围岩紧密粘结的突出优点。b)隧道开挖后及时施作喷混凝土支护，可以起到封闭岩面、填充坑凹及缝隙、防止围岩风化松动、维护和提高围岩的整体性、帮助围岩发挥自身的结构作用、调整围岩应力分布，防止应力集中，控制围岩变形，防止掉块、坍塌作用。4、支护与衬砌2）喷混凝土作用：增加了围岩切向方向的约束力，使围岩与喷层共同作用。a.粘接作用粘结力模型4.1喷射混凝土支护4、支护与衬砌b.弯曲压缩作用由于向内产生径向变位受到弯曲压缩，对围岩施加了径向约束力。轴力模型2）喷混凝土作用：4.1喷射混凝土支护4、支护与衬砌4.1喷射混凝土支护2）喷混凝土作用：c.抗剪切作用以喷射混凝土的剪切力保持岩体稳定4、支护与衬砌4.1喷射