土木工程概论5-隧道工程及地下工程

土木工程概论-隧道工程及地下工程石建光厦门大学土木工程系隧道工程1970年经合组织（OECD）的隧道会议对隧道所下的定义为：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸，修筑的断面积大于2m2的硐室。隧道技术，对应于修筑隧道过程的各个阶段，可以大致分为：调查计划技术（有关地质、水文等的调查和预测、测量等）；设计技术（指岩石力学、土力学和结构力学、材料等）；施工技术（指开挖、运输、支撑衬砌的施工、地基改良、为改善施工条件而采用的特殊施工方法、安全卫生等）；运用技术（指照明、通风、维修管理、防灾等）。隧道工程--公路隧道公路隧道线路：公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线，如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。隧道净空断面的形状，即是衬砌的内轮廓形状。隧道工程--公路隧道通风隧道通风方式的种类很多，按送风形态、空气流动状态、送风原理等划分如下：一.自然通风二.机械通风1.纵向式1)射流式2)风道式和喷嘴式3)竖井式2.半横向式3.横向式4.混合式隧道工程--公路隧道照明隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。入口照明是指司机从适应野外的高照度到适应隧道内明亮度，所必须保证视觉的照明。它由临界部、变动部和缓和部的三个部分的照明组成。出口照明是指汽车从较暗的隧道驶出至明亮的隧道外时，为防止视觉降低而设的照明。应消除“白洞效应”，即防止汽车在白天穿过较长隧道后，由于外部亮度极高、引起司机因眩光作用而感不适。隧道工程--地铁隧道结构地下铁道是地下工程的一种综合体。其组成包括区间隧道、地铁车站和区间设备段等设施。地下铁道所用设备涉及到各种不同的技术领域。地铁的区间隧道是连接相邻车站之间的建筑物。它在地铁线路的长度与工程量方面均占有较大比重。区间隧道衬砌结构内应具有足够空间，以供车辆通行和铺设轨道、供电线路、通讯和信号、电缆和消防、排水与照明装置。铁路隧道施工地下铁道的修建方法很多，概括起来有两大施工方式，即明挖法和暗挖法。常用的明挖法有三种：（1）敞口放坡明挖（2）板桩法（3）地下连续墙施工法暗挖法（1）盾构法（2）注浆法（3）沉管法（4）顶管法水底隧道水底隧道的埋置深度是指隧道在河床下的岩土的覆盖厚度埋深的大小，关系到隧道长短、工程造价和工期的确定。尤其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的安全问题。设计水底隧道的埋置深度需考虑以下几个主要因素：1、地质及水文地质条件2、施工方法要求3、抗浮稳定的需要4、防护要求水底隧道的断面形式：圆形断面、拱形断面、矩形断面隧道防水1、采用防水混凝土，2、壁后回填，3、围岩注浆，4、双层衬砌地球上由于海洋的存在，陆地被分割，形成不同条件下的若干区域，并造成交通障碍及文化差异。工程界认为：十九世纪和二十世纪是长大桥梁、高层建筑发展的时代，而二十一世纪将是长大隧道工程发展的时代。海底隧道的历史可以说是从1802年提出英法海底隧道设想开始的1944年建成日本关门铁路隧道，是世界上第一条海底隧道；日本青函隧道及英法海峡隧道是20世纪最宏伟的隧道建设壮举。海底隧道1936年动工，1944年建成，是世界上第一条海底隧道。总长3.6km，最深点-40m，最小埋深9.5m，断面积76.9m2日本关门（铁路）隧道世界上第一条海底隧道海底隧道的特点（1）通过深水进行地质勘测比在地面的地质勘测更困难，造价更高，而且准确性较低；（2）沿海底隧道线路布置施工竖井困难很大；（3）很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效应力，造成较低的成拱作用和地层稳定性较低；（4）很高的渗水压力，灾难性的涌水与塌方；（5）高水头造成衬砌承受较大的荷载；（6）海水对钢筋及混凝土的腐蚀作用；（7）纵剖面呈V形或W形，不能自然排水。海底隧道施工方法（1）钻爆法；（2）沉管法；（3）掘进机法（TBM）（4）盾构法（4）悬浮隧道（SFT，研究中）钻爆法（DrillingandBlasting）是指采用传统爆破技术进行隧道开挖的施工方法，其程序包括：钻孔、爆破、通风及岩石装运等；钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工；采用钻爆法进行洞室开挖通常可分为全断面开挖法、台阶开挖法、导洞开挖法和分部开挖法四类。通常根据具体地质条件、洞室断面大小、支护形式、装运条件以及施工队伍与设备条件等因素综合选择合理经济的开挖方法。124453钻爆法关键技术：必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害；海底隧道都是处于水系之下，随时都有可能给工程带来淹没、塌通、涌水，或形成泥石流的危险。关键是断层破碎带的支撑和加固堵水。目前国内外通常采用的方法是强行穿越法、注浆法、冷冻法和其他辅助方法。采用钻爆法施工的海底隧道主要有：日本的关门铁路隧道、关门公路隧道、新关门隧道青函隧道（53.85Km）英国的墨尔西隧道冰岛的毕尔海峡隧道挪威的各海底隧道日本关门公路隧道（钻爆法）陆地段断面海底段断面1958年，3.4km，最深点-50.1m；最小埋深：20.7m，断面：95m2日本新关门铁路隧道（钻爆法）1974年，18.71km，最深点-50m；最小埋深：68.5m，断面：74m2～0.704.80轨顶线起拱线地质不良地段轨道中心隧道中心设计标高钢筋混凝土道床整体道床直线型曲线型0.500.905.035.93路基标高轨顶标高起拱线1次衬砌混凝土衬砌2次衬砌标准断面海底松软地段特殊断面掘进机法（TunnelBoringMechine简称TBM）TBM是一种将机械破岩和出渣各工序联合作业，并连续掘进的大型工程机械TBM通常由电动机驱动主轴旋转，对刀盘施加一定压力，使其贴近岩壁，通过刀盘上装设的盘形滚刀破碎岩石，使隧道断面一次成型；隧道掘进机有两种基本类型：部分断面掘进机和全断面掘进机；美国罗宾斯公司1952年生产第一台TBM；目前最大直径11.2m的TBM是美国Robbins公司制造的，机体重约300t，功率880kW。TBM已成为掘进岩石隧道最有发展潜力的机械之一。TBM掘进机法（TBM）TBM法适用范围：通常可适用于中硬以下岩石的隧道掘进施工。北欧几国在硬岩中也采用全断面掘进机，但需采用优质切刀；TBM法的优点：具有掘进快速、经济、安全、岩层适应性好等技术特点；可精确地切割地层，超挖量一般不超过5%；不扰动地层，可提高作业面的稳定性。采用TBM法施工的海底隧道：英法海峡隧道（49Km）香港地铁中环线海底隧道，地铁将军澳线海底隧道掘进机法（TBM）关键技术：（1）掘进机的定制；应根据海底的地质条件，主要是掘进工作面前方的不良地质情况以及涌水、岩石稳定性等，断面形式、TBM的配套设备等因素来定制掘进机。（2）超前地质钻探；（3）局部降水；（4）测量定向的准确性；（5）隧道衬砌：必须能抵抗地层和水的荷载以及隧道掘进机推力，便于机械手装配衬砌，抗海水侵蚀耐久性；英法海峡隧道的建成向人们展示了TBM技术发展所取得的显著成就。盾构法(ShieldMechine）盾构机是在软土、软岩和破碎含水地层中修建隧道时，进行开挖和衬砌的一种专用机械设备；盾构机主体部分是一可移动的高强度钢套壳。在隧道掘进时，钢套壳插入土内，在永久衬砌施作之前用以支撑隧道四周的地层，以保证永久衬砌的施工而免去临时支撑。盾构外壳断面一般为圆筒形，也有按隧道实际需要作成异形断面的；盾构法盾构法适用范围：盾构法一般限制在港湾下的浅水区和沿海地带的软土地层施工，在深堆积层等软弱的不透水粘土中最为适用；盾构法的优点：在盾构机械内进行开挖和衬砌（安装预制管片），作业安全；机械化程度高，施工人员少，进度快。盾构法关键技术：(1)盾构机的选择；(2)掌子面的稳定；(3)防水技术：包括地层及衬砌壁后压浆防水，衬砌结构本身及其接缝的防水，内衬防水；(4)隧道衬砌安装：初衬一般为装配式钢筋混凝土管片，二衬一般是用于补强、加强防水或装饰等目的；(5)背衬注浆：目的是防止围岩松动并提高防水性；施工时应控制好注浆压力、注浆量和注浆材料质量。盾构法国外盾构已有180余年的发展历史，19世纪初，世界上第一次用盾构法修建了伦敦泰晤士河下的一条高6.8m、宽11.4m的矩形隧道。采用盾构法施工的海底隧道：日本德山港海底隧道东京湾横断公路隧道丹麦大海峡隧道日本东京湾横断公路隧道（盾构法）9.1Km，1998年建成，是目前世界上最长的海底公路隧道；该隧道共设三孔，每孔外径13.9m、三车道，其中二孔于1996年修建完成，第三孔留待将来施工；隧道由8台直径14.14m的超大型泥水式土压平衡盾构在海底地层中穿越和对接。该盾构机长13.5m，重3200t；覆土约15m水深20~25m(将来施工)横剖面图地质：隧道区段主要是软弱的冲积、洪积粘性土层（N值仅在0~12）丹麦斯多贝尔特大海峡隧道（盾构法）海底铁路隧道（7.9Km）斯多贝尔特桥海底隧道主航道丹麦斯多贝尔特大海峡隧道是跨海工程的一部分丹麦斯多贝尔特大海峡隧道（盾构法）7.9Km，由两条外径8.5m的铁路隧道组成，采用4台直径8.78m的混合型土压平衡盾构机施工；隧道最大埋深75m，穿越的地层为冰碛和泥灰岩，均为含水层，渗透水量大，工程中曾发生了涌水险情，采用了海底井管降水、冷冻、气压等辅助施工方法加以处理；1996年建成，积累了宝贵的海底隧道施工经验。横通道衬砌由22块600mm宽的铸铁管片构成3.85m4.25m33503500450025m横通道施工参照线横通道轴线冰碛和泥灰岩地层，均为含水层丹麦斯多贝尔特大海峡隧道——盾构法施工4台混合型土压平衡盾构机，直径8.78m，长10m管片装配式衬砌沉管法将若干个预制管段分别浮运到海面现场，并一节接一节地沉放安装在已疏浚好的基槽内；自1910年美国在底特律河修建第一座沉管隧道，至今已建成100多座，最长的5.8km；预制单元开槽沉放单元沉管法沉管隧道的结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，钢结构一般为圆形断面，钢筋混凝土一般为矩形断面；我国修建沉管隧道起步较晚，已建成有广州珠江隧道、宁波甬江隧道、上海黄埔江隧道、香港维多利亚港2座海底沉管隧道等混凝土沉管—欧洲日本还修建了复合断面的沉管隧道钢套沉管—美国沉管法修建工序沉管拖运开挖基槽预制管段沉管沉放沉管联结沉管填埋隧道内部工程沉管法修建工序1.1开挖江底/海底沉槽Dredging挖槽运输沉放联结填埋内部工程挖槽预制沉管法修建工序：1.2沉管单元预制预制单元ElementFabrication预制场（干船坞）CastingBasin拖运沉放联结填埋内部工程挖槽预制沉管法修建工序：2.沉管单元拖运至隧道现场暂时密封单元两端成可漂浮体驳船浮运沉管单元拖运沉放联结填埋内部工程挖槽预制沉管法修建工序：3.沉管单元沉放拖运沉放联结填埋内部工程挖槽预制沉放单元Immersion人孔沉管法修建工序：4.联结沉管单元单元联结ElementconnectionGINA橡胶伸缩缝抽干水平衡水箱拆除临时隔板沉管法修建工序：5.填埋沉管单元填埋沉管BeddingandBackfilling拖运沉放联结填埋内部工程挖槽预制沉管法修建工序：6.隧道内部工程路面铺装机电附属设施。。。沉管法的优点：其对地质条件的适应性强；隧道的覆盖层薄，从而使隧道总长度减小，隧道断面利用率高；防水可靠度高；施工周期短等。沉管法施工有以下限制：缓平潮必须有足够有持续时间借以沉放管段，最好潮流速小于1m/s和持续时间超过2小时。受潜水作业限制，极限深度在水面以下30m；底部不应软弱和不稳定到不能断续开挖基槽。工地必须合理地避免被流动的淤泥迅速地淤积，淤泥能改变基槽中水的密度并在沉放管段时影响浮力的平衡。目前沉管隧道的设计施工正向大型化方向发展。为适应城市交通发展，隧道的车道数已由最初的双车道发展到目前城市隧道通用的六车道，甚至八车道沉管法的发展方向：水中悬浮隧道（S