土木工程概论5隧道工程及地下工程.ppt.ppt

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1、土木工程概论-隧道工程及地下工程隧道工程 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

2、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

3、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，即明挖法明挖法和暗挖法暗挖法。常用的明挖法有三种

4、：（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

5、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。u 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 u 1944年建成日本关门铁路隧道，是世界上第一条海底隧道；u 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，年动工，1944年建成，是世界上第一条海底隧道年建成，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 76.9 m2日本关门（铁路）隧道日本关门（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通过深水

6、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）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）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；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）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）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；）海水对钢筋及混凝土的腐蚀作用；（7）纵剖面呈）纵剖面呈V形或形或W形，不能自然

7、排水。形，不能自然排水。海底隧道施工方法 （1）钻爆法；）钻爆法；（2）沉管法；）沉管法；（3）掘进机法（）掘进机法（TBM）（4）盾构法）盾构法（4）悬浮隧道（）悬浮隧道（SFT，研究中），研究中）钻爆法（Drilling and Blasting）u是指采用传统爆破技术进行隧道开挖的施工方法，其程序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：包括：钻孔、爆破、通风及岩石装运钻孔、爆破、通风及岩石装运等；等；u钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工；钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工；u采用钻爆法进行洞室开挖通常可分为全断面开挖法、台阶采用钻爆法进行洞室开挖通常可分为全

8、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：钻爆法关键技术：u 必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地 质灾害质灾害；海底隧道都是处于水系之下，随时都；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，或形成有可能给工程带来淹没、塌通、涌水，或

9、形成 泥石流的危险。泥石流的危险。u 关键是断层破碎带的支撑和加固堵水。目前国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、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：采用钻爆法施工的海底隧道主要有：u日本的关门铁路隧道、关门公路隧道、新关门日本的关门铁路隧道、关门公路隧道、新关门 隧道隧道u青函隧道（青函隧道（53.85Km）u英国的墨尔西隧道英国的墨尔西隧道u冰岛的毕尔海峡隧道冰岛的毕尔海峡隧道u挪威的各海底隧道挪威的各海底隧道日本关门公路隧道（钻爆法）陆地段断面陆地段断面 海底段断面

10、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次衬砌标准断面标准断面 海底松软地段特殊断面海底松软地段特殊断面 掘进机法（Tunnel Boring Mechine 简称TBM）uTBM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u TBM通常由电动

11、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；u 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；u 美国罗宾斯公司1952年生产 第一台TBM；u 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）uTBMTBM法适用范围：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；采用全断面掘进

12、机，但需采用优质切刀；uTBM法的优点：法的优点：l 具有掘进快速、经济、安全、岩层适应性好等技术特点；具有掘进快速、经济、安全、岩层适应性好等技术特点；l 可精确地切割地层，超挖量一般不超过可精确地切割地层，超挖量一般不超过5%；l 不扰动地层，可提高作业面的稳定性。不扰动地层，可提高作业面的稳定性。u采用采用TBMTBM法施工的海底隧道：法施工的海底隧道：l 英法海峡隧道（英法海峡隧道（49Km）l 香港地铁中环线海底隧道，地铁将军澳线海底隧道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）掘进机的定制；应根据海底的地质条件，主要是掘进工；应根

13、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、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。的配套设备等因素来定制掘进机。（2）超前地质钻探；）超前地质钻探；（3）局部降水；）局部降水；（4）测量定向的准确性；）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）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推力，便于机械手装配衬砌 ，抗海水侵蚀，抗海水侵蚀 耐久性；英法海峡隧道的建成向人们展示了英法海峡隧道的建成向人们展示了TBM技术发展所取得的技术发展所取

14、得的显著成就。显著成就。盾构法(Shield Mechine）u 盾构机盾构机是在软土、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；的一种专用机械设备；u 盾构机盾构机主体部分是主体部分是一可移动的高强度一可移动的高强度钢套壳。在隧道掘钢套壳。在隧道掘进时，钢套壳插入进时，钢套壳插入土内，在永久衬砌土内，在永久衬砌施作之前用以支撑施作之前用以支撑隧道四周的地层，隧道四周的地层，以保证永久衬砌的以保证永久衬砌的施工而免去临时支施工而免去临时支撑。撑。u 盾构外壳断面一般盾构外壳断面一般为圆筒形，也有按为圆筒形，也有按

15、隧道实际需要作成隧道实际需要作成异形断面的；异形断面的；盾构法u盾构法适用范围：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；深堆积层等软弱的不透水粘土中最为适用；u盾构法的优点：盾构法的优点：l在盾构机械内进行开挖和衬砌（安装预制管片），作业安全；在盾构机械内进行开挖和衬砌（安装预制管片），作业安全；l机械化程度高，施工人员少，进度快。机械化程度高，施工人员少，进度快。盾构法关键技术：(1)(1)盾构机的选择；盾构机的选择；(2)(2)掌子面的稳定；掌子面的稳定；(3)

16、(3)防水技术：包括地层及衬砌壁后压浆防水，衬砌结构本身防水技术：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；及其接缝的防水，内衬防水；(4)(4)隧道衬砌安装：初衬一般为装配式钢筋混凝土管片，二衬隧道衬砌安装：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；一般是用于补强、加强防水或装饰等目的；(5)(5)背衬注浆：目的是防止围岩松动并提高防水性；施工时应背衬注浆：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。控制好注浆压力、注浆量和注浆材料质量。盾构法u 国外盾构已有国外盾构已有180余年的发展历史，余年的发展历史，19世纪初，世界上第一次世纪初，世界上第一次 用盾构法修建了伦敦泰晤士河下的一条高用盾构法修建了伦敦泰晤士河下的一条高6.8m、宽、宽11.4m的的 矩形隧道。矩形隧道。u采用盾构法施工的海底隧道：采用盾构法施工的海底隧道：l 日本德山港海底隧道日本德山港海底隧道l 东京湾横断公路隧道东京湾横断公路隧道l 丹麦大海峡隧道丹麦大海峡隧道日本东京湾横断公路隧道（盾构法）u 9.1Km，1998年