外文翻译---日本山岭隧道的设计和施工.docx

附录c 外文翻译外文翻译原文外文翻译中文日本山岭隧道的设计和施工摘要这篇文章介绍了日本山岭隧道目前施工工艺的状况。在技术上不断发展的今天，除了评论隧道设计和施工技术，着重探讨了隧道大断面施工技术的的发展和城市隧道在非固结土地上的施工，还有大型机械tbm的使用。1. 目前山岭隧道的设计和施工的状况1.1 引言自从十九世纪末以来，日本的山岭隧道的施工方法很普遍。许多复杂地质条件下的隧道包括secikan tunnel,已经成功的运用了先进的施工方法。大约在20年前，当砂浆锚杆和钢拱架用于隧道施工后，日本山岭隧道的施工发法也发生了改变。从那以后隧道的施工和设计方法工艺有了很大的进步。先进的施工工艺用于大断面隧道和城市复杂地质条件下的隧道，同样可以有加快施工速度。这些成果已经成功的促进了隧道设计和施工的发展。1.2 初步设计和改进设计一般情况下，对于一个负责人会首先采用一个标准的断面，作为一个初步设计的截面。一般情况下可以根据围岩分级进行初步设计。初步设计的确定有以下几种方法：a：2(2，6，1) 标准设计的应用在日本，铁路和公路等的负责人，会根据以前的经验制定一些对于不同的围岩级别的标准设计。隧道在正常的条件下进行施工，可以采用这些标准的设计。b.在相似的条件下可以应用这些设计。c.应用数值分析方法。当隧道遇到特殊的断面复杂的地质条件时，可以采用数值分析方法。大多数的数值分析方法是有限单元法。1.3 观察，测量和修改设计施工阶段进行设计修改时，就要判断地质情况是否和最初设计时设想的一致。当设计必须进行修改时，以下的几个问题必须先解决：(1)如何确定支护的数量和进行支护的最佳时间；(2)如果施工仍在继续，就应考虑掌子面是否稳定；(3)如果不稳定的话，如何使用合理的方法。1.3.1 地层的评价通过观察掌子面，来评价地层的条件很重要。尽管如此，有许多因素都必须有系统地考虑进去。人们尝试着把每种因素占整个记录的百分比表示出来，通过它来评价当前的地质情况。1.3.2 探索方法为了加快施工的速度，合理的评价地层的条件显得特别的重要。为了达到这个目的，在掌子面之前就应对地层进行调查，并应作出评价。应用超前钻孔，通过钻孔的能量或弹性波进行估算。1.3.3 测量方法的应用用测量的方法来评价现在情况下的地层，以下的几个方法都可以：评定地层的稳定性；樱井和樱井等人通过极限应变和单轴抗压强度之间的关系，提出允许的位移值；保持极限设计支护的稳定性；这种设计的支护不会影响到周围的地层。1.4 支护设计1.4.1 喷射混凝土强度为18mp的衬砌混凝土经常被作为初步设计的强度。当有些地方需要增加混凝土的厚度，可以通过使用钢纤维或提高标准设计的强度，就象名古物和神户的高速公路深埋隧道。有时采用钢筋网喷射混凝土以增强它的强度。钢纤维混凝土经常被用于有复杂压力和大变形的地质条件下。随着新的施工方法如喷射早强混凝土和挤压式混凝土衬砌的应用，人门发明了新的支护方法。1.4.2 锚杆锚杆被用来作为初级的支撑材料就像喷浆。锚杆的主要锚固方法是进行全面锚固。在任何情况下锚杆孔不能是独自存在，自钻式锚杆可以被采用。当锚杆被锚在地层中时，锚固力将增加。锚杆被安装后不仅可以立即发挥他的作用，即使当遇到有水的情况，它仍可以发挥作用。1.4.3 钢拱架在日本当遇到不好的地质情况时，可以用钢拱架进行初期支护，再加上早强混凝土和超前锚杆的运用，就可以保障掌子面和仰拱的稳定。1.5 设计衬砌在一般的场地和一般的地质条件下，衬砌设计的的目的是增加支撑的安全度的。因此，对它的功能没有特殊的要求。传统的做法采用的是标准设计。在一些情况下衬砌可以用力学分析进行设计，比如：隧道完工后，土压力和水压力的作用。一些工程师采用了过去的经验公式，然后进行结构分析或进行有限元分析。1.6 辅助工法在山岭隧道中，辅助工法经常被用于稳定一个不稳定的掌子面，控制掌子面前端的位移，还可以改善地面的状况从而得到一个稳定的掌子面。1.6.1 稳定拱顶早强混凝土的快速硬化，可以维护拱顶的稳定防止其坍塌。在开挖面打入超前锚杆，这种方式不影响施工的安排，施工机械在原有的地方让可以进行施工。保持拱顶的稳定也可以用管棚支护(图1)、水平旋喷注浆(图2)和大跨度的钢管前列桩。当地质条件十分恶劣时且工作面有限可采用特殊的施工设备。在大跨度的钢管前列桩施工中，用常规的大钻头进行打孔。由于这种方法比较简单经常用于洞口和断层带的施工(图3)。1.6.2 稳定掌子面有一种方法是将掌子面分成几个独立的块进行分步开挖。然而，有时在不良的地质条件也需要较大的掌子面，这就要求有大跨度的锚杆和尽早封闭断面。因此，在最近几年通过辅助方法来达到稳定很普遍。在一个传统的工作周期，初衬和锚杆很容易被应用。经常用灌浆的方法来改变地层的性质。现在水泥和氨酯脂浆液还在被应用。在一些情况下，长的锚杆或锚索首先被打入掌子面中；当开挖时再切断。1.6.3 防水措施隧道排水经常采用钻孔排水和泄水洞。对于非胶结的土质，地下水会使它液化，从而造成施工困难。基于这个原因，人们一般施工前要定点降水或深井降水降低地下水水位。但是有些地方的水是排不尽的，如海底隧道的水，因此要用堵截的方式来解决问题。根据以前应用与seikan 隧道的经验来看，注浆堵截水是一个不错的方法。压力注浆法和氮气冷冻法在一些工程中也被人们所使用。1.7 施工方法1.7.1开挖方法开挖的方法分为两种类型，一种是钻孔法爆破，另一种是用机械进行开挖。(图4)表明了每种方法在开挖隧道中所占的比例。悬臂机械经常用于软岩和风化严重的岩石。然而，有些大动力的开挖机械可以开挖单轴抗压力达到40mpa的岩石。这些机械开挖的速度肯定比钻孔爆破的速度快。爆破开挖产生的噪音和震动对人和建筑物都有很大的影响。选择爆破开挖后，必须对爆破产生的震动进行预测以达到允许的标准。在某些情况下，是不能选择爆破开挖的。人们已经研制出一种悬臂开挖机械，它可以开挖单轴抗压力达到80-100mp的岩石。对于硬岩进行破碎开挖的特殊机械已经研制出来了。1.7.2 开挖方法断面一次开挖的面积由掌子面的稳定程度来决定。也要考虑开挖机械的动力。选择的方法要适用于大多数不同地层，而且对于不稳定的掌子面通过辅助的方式要能达到稳定。(图5)表明，台阶法开挖适用于很多地层条件。台阶法开挖占到一半1.7.3 发展高效率的开挖方法在大型的施工场地，有些特殊的情况为了加快施工的速度，需要使用一些特殊的施工机械。在爆破施工中，大型的钻孔台车经常被使用。对与软岩，已经开发出一种名叫tws的机械开挖方法，并且已经被用于 san-nou 隧道。新的施工方法如快速硬化沙浆及球形全断面开挖的方法也被人们所使用。1.7.4 运输方法一般是用牵引机车或者是翻斗汽车将大量的土运输到隧道外。为了减少工作时间和通风时间，一般都会使用大型的翻斗车和选择临时堆放杂物的地方。轨道运输一般用于断面比较小而又比较长的隧道。人们开发出一种皮带运输系统，随着掌子面的前进，运输系统可以很简单的向前延伸。tbm开挖经常采用这种方法。在shinkansen 隧道的的某些施工地点，皮带运输与移动式破碎机结合起来一起进行工作。1.8 特殊的地质条件1.8.1 膨胀岩石当隧道在开挖后，暴露的围岩象挤压紧密的沉积岩中的泥岩和凝灰岩还有变质岩就会由于膨胀而相互挤压造成很大的压力。在早期的日本是用喷射混凝土和锚杆来处理膨胀性围岩的，还研制出一种可伸缩的长锚杆。从进行施工后，如果掌子面的围岩不稳定并有较大变形时，重要的是尽快的封闭断面，并用高强度的支撑系统以减小围岩的松动和强化掌子面。(图6)就是这样的一个例子。当隧道围岩有较大的膨胀时，先开挖上部仰拱以强化掌子面和封闭断面。1.8.2 高压水和富水地层用超前预报可以阻止情况变的很糟糕，通过它可以及时的改变条件如施做排水设施或堵截住水然后在进行施工。1.8.3 砂性土层当遇到沙性土层时，当有地下水时，掌子面会变的不稳定或出现液化而没有一点的承载力。当沙土中的粘土和纤维含量低于百分之十，均匀系数低于百分之五，这时的土土层就很容易产生液化。而在黏土层中，水的含量增多会降低它的强度。当土的承载力不大时特别是已经变质的土层受到水的侵蚀，要引起高度的警惕。1.8.4 高地温、热泉、有毒气体地层日本的很多地方都位于火山带上，有些时候隧道就要穿越高地温和热泉的地层。遇到的有毒气体包括易燃气体象瓦斯及缺氧气体等。1.8.5 高地应力硬岩高地应力地层出现在shimizu隧道和其它的一些隧道。有一次岩爆将发生在埋深300m的土层中。岩爆很难被预测到，推荐用声波检测技术进行勘测。1.9 相临隧道一般而言，通过分析，相临隧道的设计要考虑力学的影响。当地层受到相临隧道的影响，塑性区域就有可能扩大。因此，要选择辅助施工的方法进行施工。(图7)画的是一个相临的隧道。2. 大断面隧道2.1 规划设计名古屋到到神户的高速公路隧道在日本由于三车道隧道的不断增加，断面的面积超过130m2的大隧道的数量也增多了。图8表明，新的new-meishin高速公路连接了日本三个主要的城市。它是高标准的六车道，行车速度可以达到140km/h。有很多的部分要经过山岭，隧道的程度占了路线总长度25%。考虑到建隧道与经济的平衡，除了具有足够的建筑限界，图9表明计划建造单位面积和开挖面积达到190m2的隧道。第一组长度是370km，另一组502km也在建设中了。这一工作段中有167隧道，总长度达到了224km。2.2 设计支护和衬砌表一表明，通过分析施工中反馈的信息再指导施工的新标准被确立了：a.隧道断面很大时，拱顶下沉很大，而水平收敛比较小。当位移发生在离一侧边墙很近时拱部的位移较大，基于这个原因，支护要阻止拱顶的地表下沉。b.为了防止地面的变形，要及早用高强度的喷射混凝土进行初期支护。高强度的喷射混凝土的强度一般达到普通混凝土的2倍，从而减少喷层厚度。喷射混凝土的早期强度很重要，也应该特殊设计。c.除了简化喷浆工序和使用高强度的钢材外，那些质量比较小而易于进行加工的材料也用来做初期支护。d.当围岩的级别为b级时，拱的部分有自我承载力，在拱的两侧喷钢纤维混凝土就可以了，而不用钢拱架。e.因为拱部要用大量的锚杆，所以高强度的锚杆被人们所采纳。f.混凝土的衬砌所用混凝土的标准提高后，它的厚度就要减少了。2.3 施工方法的适用性基于实验施工的结果，tbm隧道掘进机实用于长大隧道。对于其它的隧道，选择的施工方法是由隧道断面和拱顶的稳定来确定的。直径为5米的tbm掘进机被人们所采用。试点建设产生以下几个结果：a.当确定掌子面很稳定及地质情况很