隧道工程和城市轨道交通工程

第7章 隧道工程与城市轨道交通工程 7隧道工程与城市轨道交通工程 7 1概述 7 2隧道的分类 7 3隧道设计 7 4隧道施工 7 5城市轨道交通工程 7 1概述 隧道是一种地下工程结构物 通常是指修筑在山下或山体内部 两端有出入口 供车辆 行人 水流及管线等通过的通道隧道一般包括交通运输方面的铁路 公路 航运和人行隧道 城市地下铁道和海底 水底隧道 军事工程方面的各种国防坑道 水利发电工程方面的各种水工隧道或隧洞 7 1概述 7 1 1隧道工程的发展现状 交通隧道 黄浦江打浦路隧道 厦门翔安海底隧道 青函海底隧道 英法海底隧道 陕西秦岭终南山隧道 挪威拉达尔隧道 7 1概述 7 1 1隧道工程的发展现状 水工隧洞 二滩水电站导流洞 天湖抽水蓄能电站 锦屏二级引水隧洞 东北伙房水库输水工程隧洞 7 1概述 7 1 2隧道工程的优势及其发展前景 优势 1 在城市修建隧道工程 可以大大减少地面交通占地 节省宝贵的城市有限空间 形成立体交通 2 在山岭地区 则可以大幅度地减少展线 缩短线路长度 能够降低线路的最大坡度和减少曲线道路数目 改善线形等 3 在江河 海峡及港湾等地区 可不影响水路通航 优于桥梁 同时大大缩短原有的路程 7 1概述 7 1 2隧道工程的优势及其发展前景 优势 4 可以减少对地表植被的破坏 保护原有的生态环境及景观 5 可减少深挖路堑 避免高架桥和挡土墙等 6 减少线路受自然因素 如风 雨 雪 沙尘 塌方及冻害等的影响 延长线路使用寿命 降低事故发生率 7 1概述 发展前景 7 1 2隧道工程的优势及其发展前景 中国已成为世界上最大的隧道工程市场 并有望迅速发展成为国际隧道建设方面的强国 我国的隧道工程建设已进入蓬勃发展时期 而且工程技术也正不断赶超世界先进水平 7 2隧道的分类 从地质条件可分为岩石隧道和土砂隧道按埋深可分为浅埋隧道和深埋隧道从所处的位置可分为山岭隧道 水底隧道和城市隧道按断面形式又可分为圆形 马蹄形 矩形隧道等按车道数分 可分为单车道 双车道 多车道等通常隧道在工程规划 设计和建设中主要是按照隧道长度 断面大小和用途而进行的分类 7 2隧道的分类 7 2 1按照隧道长度分类 7 2隧道的分类 7 2 2按照隧道断面积分类 7 2隧道的分类 7 2 3按照用途分类 铁路隧道公路隧道水底隧道地下铁道航运隧道人行地道 交通隧道 7 2隧道的分类 7 2 3按照用途分类 水工隧道 引水隧洞 尾水隧洞 导流隧洞或泄洪隧洞 排沙隧洞 7 2隧道的分类 7 2 3按照用途分类 市政隧道 给水隧道 污水隧道 管路隧道 线路隧道 人防隧道 矿山巷道 运输巷道 给水巷道 通风巷道 7 2 3按照用途分类 7 2隧道的分类 7 3隧道设计 安全 经济和适用 埋置于地下是隧道工程最主要的特点 受施工方法的影响较大 隧道工程的设计首先应考虑隧道修建位置的选择 其次是隧道形式与结构的设计 包括几何设计与结构构造设计等 以及隧道的施工设计等 本节将只对隧道选址 隧道的几何设计及构造设计等进行介绍 7 3隧道设计 7 3 1隧道选址 确定采用隧道方案后 要进一步解决隧道选址问题 隧道位置的合理选择 要求工程师根据隧道勘察所得的工程地质及水文地质资料 综合考虑地形 环境保护等因素 制定出多个隧道路线方案 再对这些方案进行经济及技术上两方面的比较 从中选出技术可行 经济合理的一条最优路线 下面将简单介绍按地形及地质条件进行隧道选址时的基本方法及指导思想 7 3隧道设计 7 3 1隧道选址 越岭隧道的位置选择 1 隧道平面位置的选择 2 隧道立面位置的选择 7 3隧道设计 7 3 1隧道选址 傍山隧道的位置选择 多年总结出来的工程经验为 宁里勿外 即沿河谷线的隧道 其位置应稍向山体内侧靠为好 这样可使隧道有足够的覆盖厚度 同时还可避免隧道结构受到偏压作用 有利于山体稳定 当然也不能过分内靠 会使隧道增长 土石方工程量陡增 7 3隧道设计 7 3 1隧道选址 隧道洞口位置的选择 选取洞口位置时 首先要按照洞口的地形和地质条件控制其边坡和仰坡的高度及坡角 其次选择地质条件良好 有利于排水的区域 最后结合施工条件 工期 造价及洞口的相关工程 如桥涵 通风设施等 等因素进行综合考 7 3隧道设计 7 3 1隧道选址 隧道洞口位置的选择 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道的几何设计 即隧道几何形式与尺寸的设计 是指交通工具 汽车或列车等 行驶与隧道各个几何元素的关系 主要包括隧道的平 纵 断面设计 隧道洞外连接线的设计等 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道的平面设计 隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影 一般应根据地质 地形 路线走向 通风等因素来确定隧道的平曲线线形 原则上 不论是公路隧道还是铁路隧道 应当尽可能采用直线线形 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道的平面设计 公路隧道若采用曲线设计时 公路隧道设计规范 JTGD70 2004 规定 不宜采用设超高的平曲线 并不应采用设加宽的平曲线 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道纵断面设计 隧道纵断面是指隧道中心线展直后在垂直面上的投影 隧道纵断面的设计主要包括纵断面线路坡型的选择 坡度大小及坡段长度的确定 对于存在坡度改变的隧道 在变坡点前后还要设置竖曲线连接 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道纵断面设计 坡型的选择 坡度大小及坡段长度的确定 坡道连接的规定 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道横断面设计 隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间 包括隧道建筑限界 通风及其它所需的断面积 其断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全 而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道横断面设计 7 3隧道设计 7 3 2隧道的几何设计 隧道横断面设计 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 隧道的结构构造可分为主体构造物与附属构造物 为了保持隧道岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物 附属构造物是指保证隧道正常使用所需的各种辅助设计 是为了运营管理 维修养护 给水排水 供蓄发电 通风与照明 通讯 安全等而修建的各种构造物 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 洞身衬砌 整体式混凝土衬砌 装配式衬砌 锚喷式衬砌 复合式衬砌 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 洞门 洞门是隧道两端的外露部分 也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 洞门 环框式洞门 端墙式 一字式 洞门 翼墙式 八字式 洞门 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 柱式洞门 喇叭口式洞门 洞门 7 3隧道设计 明洞 7 3 3隧道结构构造 明挖是指把岩体挖开 在露天修筑衬砌 然后回填土石 明洞一般修筑在隧道的进出口处 当遇到地质条件差且洞顶覆盖层较薄 用暗挖法难以进洞时 或洞口路堑边坡上有落石而危及行车安全时 或铁路 公路 河渠必须在铁路上方通过 且不宜做立交桥或涵渠时 均需要修建明洞 7 3隧道设计 明洞 7 3 3隧道结构构造 明洞在外形上与一般隧道相同 具有拱圈 或顶板 边墙和底板 净空同样必须满足隧道建筑限界要求 与隧道相同 与地表相连处 也设有洞门 排水设施等 明洞的洞门一般作成直立端墙式洞门 7 3隧道设计 7 3 3隧道结构构造 拱式明洞 明洞 棚式明洞 7 3隧道设计 附属构造物 7 3 3隧道结构构造 防排水 电力 通风及通讯设施 内装 顶棚及路面 紧急停车带 7 4隧道施工 隧道施工是按照隧道设计的成果构筑隧道的过程 通常指修建隧道及地下洞室的施工方法 施工技术和施工管理的总称 隧道施工方法 根据地质及水文地质条件 隧道埋置深度 断面形式和尺寸以及技术条件等因素而有不同的选择 7 4隧道施工 7 4 1隧道施工的特点及分类 7 4 2隧道施工的常用方法 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 7 4隧道施工 7 4 1隧道施工的特点及分类 隧道工程的施工特点 1 隐蔽性大 地质情况不易掌握 2 施工工作面有限 3 作业环境恶劣 4 工作地点偏远 5 建成后修改困难 7 4隧道施工 7 4 1隧道施工的特点及分类 7 4隧道施工 7 4 1隧道施工的特点及分类 指导隧道设计和施工的主要原则 1 围岩是隧道的主要支承结构 2 通过各种手段充分发挥围岩的承载能力 3 改善隧道支护结构的受力条件 4 实施监测 调整初期设计 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 长期以来 世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法 如前所述 本小节将简要介绍矿山法 新奥法 明挖法 盾构法 掘进机法 沉管法等常用方法 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 传统矿山法 多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖 故又称为钻爆法 按开挖方式的不同 矿山法又可分为全断面法 台阶法 侧壁导坑法等 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 新奥法 新奥法是应用岩体力学的理论 以维护和利用围岩的自承能力为基点 采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段 适时地进行支护 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体系的量测 监控来指导隧道和地下工程的设计和施工 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 新奥法 新奥法三要点锚喷支护 光面爆破 现场监测 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 新奥法 开挖多采用光面爆破 预裂爆破 并尽量采用全断面或较大的断面开挖 以减少对围岩的扰动隧道开挖后 尽量利用围岩的自承能力 充分发挥围岩自身的支承作用根据围岩特征采用不同的支护类型和参数 及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆作为初期支护 以控制围岩的变形和松弛 原则 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 新奥法 衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的 围岩和支护结构形成一个整体 因而提高了支护体系的安全度尽量使隧道断面周边轮廓圆顺 避免棱角突变处应力集中通过施工中对围岩和支护的动态观察 量测 合理安排施工程序 进行设计变更及日常的施工管理 原则 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 明挖法 明挖法是从地表面向下开挖 在预定位置修筑结构物方法的总称 明挖法是浅埋地下通道最常用的方法 也称作基坑法 明挖法多用在平坦地形 以及埋深在小于30m的场合 而且可以适应不同类型的结构形式 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 明挖法 明挖隧道的断面形状 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 盾构法 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 除竖井施工外 施工作业均在地下进行 既不影响地面交通 又可减少对附近居民的噪音和振动影响 隧道的施工费用受埋深的影响小 盾构推进 出土 拼装衬砌等主要工序循环进行 易于管理 施工人员较少 特点 盾构法 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 穿越江 河 海道时 不影响航运 且施工不受风雨等气候条件影响 在土质差 水位高的地方建设埋深较大的隧道时 盾构法有较高的技术经济优越性 土方量较小 特点 盾构法 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 全断面掘进机法 隧道全断面掘进机施工法是用隧道掘进机切削破岩 开凿岩石隧道的施工方法 始于20世纪30年代 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 优点 全断面掘进机法 安全性能高 掘进速度快 经济效益明显 排渣容易 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 沉管法 指在水底预先挖好沟槽 把在陆上预制的适当长度的管体 浮运到沉放现场 顺序地沉放于沟槽中 并回填覆盖而成的隧道 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 沉管法 隧道深度与其他隧道相比 在只要不妨碍通航的深度下就可设置 故隧道全长可以缩短 管段是预制的 结构的质量好 水密性高 施工效率高 工期短 因有浮力作用在隧道上 其视比重小 要求的地层承载力不大 故也适用于软弱地层 特点 7 4隧道施工 7 4 2隧道施工的常用方法 沉管法 对断面形状无特殊要求 可按用途自由选择 特别适应较宽的断面形式 沉管的沉放 虽然需要时间 但基本上可在1 3日内完成 对航运的限制较小 不需要沉箱法和盾构法的压缩空气作业 在相当水深的条件下 能安全施工 但在挖掘沟槽时 会出现妨碍水上交通和弃碴处理等问题 特点 7 4隧道施工 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 断层 膨胀土围岩溶洞 黄土松散地层 岩爆流沙 瓦斯高地应力等 7 4隧道施工 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 1 施工前应详细分析工程的地质和水文地质资料 深入细致地作施工调查 制订相应的施工方案和措施以及相应的紧急预案 备足有关机具及材料 认真编制和实施施工组织设计 做到有备无患 2 不良地质洞段隧道施工 在施工总体上应以 先治水 短开挖 弱爆破 强支护 早衬砌 勤检查 稳步前进 为指导原则 以安全为前提选择和确定施工方案 且综合考虑隧道地质条件 尺寸 断面型式 埋深 施工设备 工期等因素 7 4隧道施工 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 3 特殊地质地段隧道衬砌 为防止围岩松弛 地压力作用在衬砌结构上 致使衬砌出现开裂 下沉 当拱脚 墙基松软时 灌筑混凝土前应采取措施加固基底 衬砌混凝土应采用高标号或早强水泥 仰拱施工 应在边墙完成后尽快进行 使衬砌结构尽早封闭 构成环形改善受力状态 7 4隧道施工 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 4 通过自稳时间短的不良地质地段时 为保证围岩稳定可采用超前锚杆 超前小钢管 管棚 地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施 对地层进行预加固 超前支护或止水 5 为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度 应实施现场监控量测 充分利用监控量测指导施工 协助确定施工工序 保证施工安全 对软岩浅埋隧道须进行地表下沉观测 以及时调整施工方案 预测洞室的稳定状态 7 4隧道施工 7 4 3不良地质条件下的隧道施工 6 当采用构件支撑作临时支护时 支撑要有足够的强度和刚度 能承受开挖后的围岩压力 当围岩极为松软破碎时 应采用先护后挖 暴露面应用支撑封闭严密 支撑作业应迅速 及时 以充分发挥构件支撑的作用 根据现场条件 还可结合管棚或超前锚杆等支护 形成联合支撑 7 对于极松散围岩和自稳性极差的围岩 当采用先支护后开挖的施工方式仍不能开挖成型时 应设法加固围岩 提高其自稳性 如采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法 7 5城市轨道交通工程 城市地下空间的开发利用 目前较为广泛的有高层建筑物的地下室 平战结合的人防工程 大型地下商场及地下商业街等 地铁目前是城市地下空间利用的重要方面 城市轨道交通按运量大小可分为城市快速铁路 地铁和轻轨三大类 7 5城市轨道交通工程 7 5 1城市地下铁道 1863年 世界上第一条用蒸汽机车牵引的地下铁道线路在英国伦敦建成 1863 1899年 有英国的伦敦和格拉斯哥 美国的纽约和波士顿 匈牙利的布达佩斯 奥地利的维也纳以及法国的巴黎共5个国家的7座城市率先建成了地下铁道 1965年7月1日 北京市开始兴建第一条地下铁道 北京规划了 三环 四横 五纵 七放射 的轨道交通网络的宏伟蓝图 7 5城市轨道交通工程 上海地铁1号线工程于1995年5月建成通车 线路总长为21km 年客运总量约3 6亿人次 为上海市发展大运量快速客运交通开创了先例 截至2010年10月 上海市轨道交通开通运营的总里程已达420公里 7 5 1城市地下铁道 上海地铁1号线新闸路站站台 7 5城市轨道交通工程 7 5 1城市地下铁道 西安地铁规划有6条线 形成 棋盘加放射型 的城市快速轨道交通线网布局 2006年开始建设的地铁二号线北起草滩镇陈家堡 南至长安区韦曲镇 线路整体呈南北走向预计2011年二号线一期工程通车运行 这是我国西北地区修建的第1条城市地铁 7 5城市轨道交通工程 7 5 2城市轻轨交通 轻轨交通的发展 轻轨交通是一种中等运量的城市轨道交通客运系统 它的客运量在地铁与公共汽车之间 轻轨可分为两类车型和轨道结构类似地铁 运量比地铁略小的轻轨交通称为准地铁运量比公共汽车略大 在地面行驶 路权可以共用的新型有轨电车 7 5城市轨道交通工程 我国城市轻轨建设展望 7 5 2城市轻轨交通 1 我国的有利条件 1 轻轨交通造价低廉 符合我国国情 2 我国的有轨电车线路和铁路枢纽线路可以改造为轻轨铁路 3 我国大中城市现代化改造为发展轻轨交通创造契机 7 5城市轨道交通工程 我国城市轻轨建设展望 7 5 2城市轻轨交通 2 城市轻轨建设展望 我国现已规划及可能修建轻轨交通的城市约20座 线路约50条 每条长约15km 总长度约750km 根据城市的发展 我国应有轻轨交通线路约300条 线路总长约4500km 到2010年 我国将建成轻轨线路约450km 到2020年 我国将建成轻轨线路约900km 到2050年前 将全部建成约4500km的轻轨线路 7 5城市轨道交通工程 我国城市轻轨建设展望 7 5 2城市轻轨交通 重庆单轨交通 武汉轨道交通1号线友谊路站站台 世界上有110多个城市拥有自己的地铁交通网 安全快捷方便 地铁是城市化的重要标志 7 5城市轨道交通工程 纽约地铁交通网 世界上最繁忙的 每天行使的班次多达九千多次 运输量更是惊人 俄罗斯莫斯科地铁 自运营以来 累计运营乘客超过500亿次 担负着莫斯科市总客运量的44 多经过居民区 对噪声和振动的控制较严 行车密度大 运营时间长 采用直流电牵引 轨道为供电回路 曲线段多 半径小 节省能源 不污染环境等 7 5 1城市地下铁道 地铁 的发展第一条蒸汽机车牵引地下铁道线路 英国伦敦1863年 已140多年当时地下隧道烟雾熏人 但因地面街道公共马车拥挤 条件和速度不如地铁 伦敦市民 皇亲显贵都乐于乘坐1879年出现电力驱动机车使地铁客运环境和条件改善 城市轨道公共交通雏形 轨道公共马车 1902年柏林 一些著名大都市开始相继建造地下铁道1863 1899仅36年 英国伦敦和格拉斯哥 美国纽约和波士顿 匈牙利布达佩斯 奥地利维也纳以及法国巴黎共5个国家的7座城市建成地铁 马德里地铁车站和车辆 纽约早期地铁隧道 巴黎地铁车站概貌 柏林地铁车站 二次世界大战期间各国建设处于低潮 仍有日本东京和大阪 苏联莫斯科等少数城市修建了地铁1996年 东京地铁已有12条地铁线路 总长约237km 车站196座 车辆保有总数约2450辆 年客运总量突破25亿人次 是当今世界上地铁客运量最大的城市之一1935年莫斯科第一条地铁通车运营 线路全长11 6km 车站13座 以后莫斯科地铁建设一直没中断 现今莫斯科地铁线路9条 总长约244km 150座车站 莫斯科地铁的建筑风格和客运效率举世闻名 每车站都由著名建筑师设计并配有雕塑作品 艺术水平高 有身临宫殿之感 且所有地铁终点站都与公共汽车 无轨电车和轻轨系统相衔接 有的还与铁路站相连接 换乘方便 1969年长23 6km的北京第1条地铁线路建成 1984年长19 9km第2条环线建成 2000年复八线运营 2007年5号线运营 北京地铁线路总长 140km 车站近百座 总保有车辆 1000辆 年客运量远远突破5亿人次 比1971增长 70倍 客运量占全市公共交通总运量的比重由8 近20 上海地铁1号线工程于1995年5月建成通车 线路总长为21km 年客运总量约3 6亿人次 为上海市发展大运量快速客运交通开创了先例 截至2010年10月 上海市轨道交通开通运营的总里程已达420公里 20世纪50 90年代间城市地铁发展迅速的主要原因 1 战后和平发展为主流的年代 亚洲 拉丁美洲 东欧城市化进程加快 数百万人口的大城市不断增加 2 小汽车激增与城市街道有限通行能力间的矛盾日益突出 空气严重污染 城市面临如何在较长的距离内 有效而快速输送大量乘客的难题实践说明 对于城市客运的大需求量 只有建造地下铁道系统 发展大 中客运量的轨道交通系统是城市交通走出困境的必由之路目前有40多个国家地区的127座城市建有地铁 线路总长5263 9km 年客运总量约230亿人次 7 5 2城市轻轨交通轻轨交通是一种中等运量 客运量在地铁与公共汽车之间 的城市轨道交通客运系统共分两大类 车型和轨道结构类似地铁 运量较地铁略小的准地铁 运量比公共汽车略大 在地面行驶 路权可共用 新型有轨电车在传统有轨电车基础上发展起的新型快速轨道交通系统 造价低 无污染 建设周期短 被许多大 中城市采用 有轨电车历史100余年世界上第一辆有轨电车在1881年德国柏林工业博览会展示 是3辆电车编组的小功率有轨电车 乘6人 轨道长400m世界第一个运营有轨电车系统1888年建在美国弗吉尼亚州里磁门德市上世纪20年代 美国有轨电车线总长达2 5万km30年代欧 日 印度和我国有轨电车也有很大发展我国第一条有轨电车1908年建在上海大连有轨电车1909年建成随后北京 天津 沈阳 哈尔滨 长春 鞍山等城市都相继修建有轨电车 旧式有轨电车行驶在城市道路中间与其他车辆混合运行 既损坏道路又受路口红绿灯的控制 运行速度慢 正点率低 噪声大 加减速性能差大量汽车涌上街头 城市道路面积明显地不够用 各大城市都纷纷拆除有轨电车线路我国也被波及 90年代末我国城市有轨电车已所剩无几 仅长春 大连和鞍山3座城市的没有拆光并一直保留至今 新型有轨电车的主要特点 1 造价较低 客运量适中 2 以钢轮和钢轨为走行系统 车辆牵引动力为电力 可直流传动 交流传动或线性电机传动等我国新型有轨电车基本类型 四轴车 六轴单铰接车 八