地下工程的基础技术.ppt

第四章地下工程的基础技术 第一节规划和调查技术一 规划技术 一 地下设施规划的特征地下空间利用规划的特点有 公共利用性 土木设施共有的 与个人及集团生活的便利等相联系 空间固定性 土木设施共有的 意味着巨额投资 及物理上的寿命长 空间闭锁性 地下工程所特有的 充分地考虑其安全性是极为重要的 二 规划的构成规划的构成要素有 主体 对象 目的 手段 四个静态要素和一个动态要素 构成 规划包含两层含义 一是形成一个怎样的规划 即规划应达到怎样的目的 要求二是进行规划的过程 形成方案 初步设计 施工设计 施工 运营管理 工程废弃 三 规划中的调查1 规划阶段中的调查目的为了编制规划的方针 决定方法提供依据 为了获得对正确判断有用的情报资料 是要正确地认识规划所涉及的环境 并预测对规划的影响等 2 调查的内容自然环境的调查经济条件的调查社会条件的调查 四 规划的评价评价的目的 是提供用于解释 判断规划方案优劣的数据 以便选择最优方案 评价基准 技术价值基准 经济价值基准和社会价值基准 五 城市地下空间利用规划的编制原则和方法 六 评价表的构成及分析二 调查技术 一 概述地层的调查流程 一般分为下述几个阶段 规划阶段的调查 概略调查 主要以收集地形 地质资料 判读航空照片 进行地表勘察为主 必要时还可进行弹性波测定和少数的钻孔调查 设计阶段的调查 精密调查 使用机具进行详细的调查 获取力学性能参数施工阶段的调查 施工中调查 岩体和地下水位 水质等变化的长期观察 维修 管理阶段的调查 施工后的调查 主要实施岩体和地下水位 水质等变化的长期观测 结构的安全性和损伤 二 现状地层分为土体和岩体两大类 其调查是为了收集从规划到设计 施工 维修管理各阶段所需的情报 三 铁路隧道调查 1 调查目的 隧道位置 工期 工程费用 施工方法 运营和维修提供基础资料2 调查内容 自然概况 地形 地貌特征 地质条件 工程地质特征和水文地质特征 影响隧道洞口安全或洞身稳定的不良地质和特殊地质现象 判明其对隧道影响程度 有害气体和矿体 应查明其分布范围 成份和含量 地震 查明基本烈度等级 气象资料 气温 气压 风向 风速以及雨量 雪量 寒冷和严寒地区的冻结深度等 施工条件 建筑材料 水电可资供应情况 交通运输现状 施工场地及弃碴条件等 3 调查重点 地质调查 规划阶段 设计阶段 施工阶段和维修管理阶段的地质调查 1 规划阶段调查 地质图 1 50000 1 10000 手段 地质踏勘地质踏勘 根据露头的情况获取地质学情报和土木工程地质 地质学情报 岩质 层理走向 倾斜 断层 褶皱构造等土木工程地质 岩石的软硬 裂隙状态 风化程度 变质程度 破碎程度 2 设计阶段调查 围岩的物性指标 手段 精密地质调查 弹性波勘探 钻孔调查弹性波勘探 调查地下结构和物性 围岩的级别 弹性波速度与地层的物理强度成正比分析地下构造 地层的固结度 裂隙程度 风化程度 变质程度分主测线和副测线 洞口附近或预计有断层 破碎带地区 与主测平行或斜交 钻孔调查 采集岩心观察 物理实验和化学试验和钻进记录分析 岩体的物理力学指标 强度 硬度 矿物组成 含水状态 空隙率等 每一地点做2 3个以上的实验 3 施工阶段调查 手段 开挖工作面直接观察 或利用超前钻孔 辅助导坑 试验坑道方法进行 根据对围岩性质的直接观察和量测 试验结果 核定岩层构造 岩性 地下水等情况 及时预测和解决施工中遇到的工程地质和水文地质问题 为验证或修改设计提供依据 4 维修管理阶段调查主要实施岩体和地下水位 水质等变化的长期观测 结构的安全性和损伤 4 铁路隧道围岩分级 1 基本概念1 围岩地壳中受开挖影响的岩体 范围 从力学角度分析 围岩边界应划在因开挖应力变化可以忽略不记的地方 从变形角度分析 围岩边界上因开挖而产生的位移为零的地方 经验上 围岩边界在横断面上约为6 10倍洞径 2 隧道围岩分级隧道围岩分级 隧道围岩稳定性分级 根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别 2 影响围岩稳定性的因素地质因素 岩体结构类型 结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质 围岩的初始应力场 地下水状况人为因素 如隧道的形状 跨度 施工方法 隧道轴线与岩层产状的关系等等 分级的本身则主要从地质因素考虑 3 围岩分级的指标作为隧道围岩分级的指标 大体上有以下几种 单一的岩性指标单一的综合岩性指标多因素定性和定量的指标相结合多因素组合的复合指标 4 铁路隧道围岩分级分级思路 铁道隧道围岩分级方法是根据地质勘察资料 对岩石坚硬程度和围岩完整程度两个因素应采用定性划分和定量指标两种方法确定 在此基础上确定围岩的基本分级 再结合隧道工程的特点 考虑地下水和初始地应力的状态等因素进行修正 1 围岩的基本质量分级 a 岩石坚硬程度 b 岩体的完整程度 围岩基本分级 2 围岩基本分级的修正a 地下水状态对围岩基本分级的修正 b 围岩初始应力状态对围岩基本分级的修正 围岩岩体为较破碎的极硬岩 较完整的硬岩时 定为 级 围岩岩体为完整的较软岩 较完整的软硬互层时 定为 级 围岩岩体为破碎的极硬岩 较破碎及破碎的硬岩时 定为 级 围岩岩体为完整的较完整软岩 较完整及较破碎的较软岩时 定为 级 四 地下埋设物调查调查包括以下内容 地上结构物供给设施和通信电缆井和古井文物和古迹临时工程遗迹 五 环境保护调查噪声和振动地层变异地下水和有害气体药液压浆施工废弃物 六 调查结果整理勘测结果是工程规划 设计 施工等的重要资料 故应有效地利用并整理 地质学 工程学地质平面图及地质纵剖面图 其比例尺通常为1 1000 1 5000 洞口附近及坑道采用1 100 1 500较好 各种试验结果的综合分析 第二节设计技术 一 概述所谓设计就是为了最优的实现规划的构思 而进行的耐久性 安全性 使用性 经济性的研究 具体地决定实施的形态 尺寸 使用材料 施工方法等的行为 安全性设计技术 指地下设施的设计 是保证在使用期内对预测的外因是安全可靠的 基础资料 分析方法 分析结果 判定结果可靠性使用性设计技术 指地下设施的的设计是按其使用性为目的进行的 一般决定于设施的功能外 还牵涉到社会的各个方面 经济性评价技术 各项费用总和来判断的 使之为最小值就是最优设计 在设计中 主要是根据建设费作为判断基准 在这种评价中 也有采用概率方法对危险补偿费加以计算或对舒适 美观等方面进行评价的 二 地下结构的设计流程与解析技术 1 地下结构的设计流程特点 边设计边施工 在实际施工过程中观测其动态 根据观测结果的分析 修正施工方法的设计流程 就成为地下结构物设计的主要手段 流程 概略设计 基础 规划及调查 结构要求的功能 安全 适用 经济 达到要求 方案选择 材料 形状 尺寸 施工方法的确定和各费用的计算 建设 维修 危险补偿 编制设计图 详细设计 基础 施工调查 概略设计达到要求 修正设计 方案选择 材料 形状 尺寸 施工方法的修正和各费用的计算 建设 维修 危险补偿 编制设计图 经济性研究 编制设计图 2 地下工程的解析技术结构解析技术 研究空洞本身的力学稳定性 地下水解析技术 安全修建结构物并长期保持结构的功能 地下洞室抗震解析技术 地下结构物的抗震性能都比较好 热解析技术 了解结构的热应力和作用在结构上的冻结土压 环境影响解析技术 环境的影响 环境影响的预测 评价以及对策等 三 地下结构的设计方法地下结构 泛指在地下修筑的各种结构物 地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系 即地下结构 支护结构 周边围岩 围岩既是地下结构承载的主体 又是造成荷载的主要来源 支护仅用来约束地层 不使它产生过大变形而破坏坍塌 1 地下结构体系的计算模型 1 地下结构体系的计算模型 目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型 以参照过去隧道工程实践经验进行了工程类比为主的经验设计法 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法 作用 反作用模型 即荷载 结构模型 连续介质模型 2 结构力学方法 荷载结构模型计算方法荷载结构模型概念 它将支护结构和围岩分开来考虑 支护结构是承载主体 围岩作为荷载来源和支护结构的弹性支承 在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的 而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑 适用条件 主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌 支护结构主动承担围岩 松动 压力的情况 只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触 有效地制止周围岩体变形和松弛而产生松动压力 隧道的支护结构应该按荷载 结构模型进行验算 适用位置 浅埋的土质地下结构 隧道的洞口段 以及采用明挖法修筑的地下结构等 关键问题 主动荷载 围岩所产生的松动压力 被动荷载 弹性抗力 1 荷载结构模分类荷载 结构模型虽然都是承受岩体松动 崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征 但对围岩与支护结构相互作用的处理上却有几种不同的做法 主动荷载模型主动荷载加围岩弹性约束的模型实地量测荷载代替主动荷载的 图4 12a 类模型的亚型 2 主动荷载模型 松动围岩压力的计算 2 主动荷载模型 松动围岩压力的计算1 围岩松动压力的形成坑道开挖后的成拱作用 a 坑道开挖后 应力重分布过程中 顶板开始沉陷 并出现拉断裂纹 b 顶板中间部分的裂纹发展并张开 石块变松动 掉落 支护压力急剧增加 c 顶板向上继续坍落 石块与围岩母体分离 其界面多为拱形 此时垂直压力稳定在一定的数值内 但侧向压力增加 即地层中原始应力沿两侧传递 d 顶板停止塌落 垂直压力和侧向压力都趋于稳定 自然拱 塌落拱 将坑道上方所形成的相对稳定的拱形范围 称为自然拱 其过程也称为 成拱作用 围岩压力 坑道开挖后 欲松动变形的岩体作用在衬砌支护上的压力 影响因素 围岩地质条件 支护架设时间 刚度 接触状态 坑道形状与尺寸 坑道埋深 施工因素 2 确定围岩松动压力的方法现场实地测量法 理论公式计算法 统计法 a 深埋隧道围岩松动压力的计算方法 统计法 我国 铁路隧道设计规范 推荐的方法 竖向均布 压力 作用 式中 竖向围岩压力 KPa 围岩容重 KN m3 计算围岩高度 m 当为单线铁路隧道时 当为双线及以上隧道时 其中S 围岩级别的等级 如 级岩 即S 2 开挖宽度影响系数 以B 5m为基准 B每增减1m时围岩压力的增减率 当B5m 取i 0 1 水平匀布压力使用条件 采用钻爆法施工的深埋隧道 且H B 1 7的范围内 H为坑道的高度 B为坑道宽度 没有显著偏压力及膨胀性压力的围岩 例隧道穿经 级围岩 其开挖尺寸净宽7 40m 净高8 80m 围岩天然容重 试确定其围岩松动压力 若开挖跨度为14 8m 试确定其围岩松动压力 普氏理论岩体的坚固性系数 又叫似摩擦系数 的概念 式中 岩体的似摩擦角和内磨擦角 天然拱高度的计算 围岩竖向的匀布松动压力 则为 围岩水平的匀布松动压力按郎金公式计算 b 浅埋隧道围岩压力的确定方法深浅埋隧道的判别原则由埋深经验判定 由埋深与天然拱高度关系确定 深浅埋隧道的分界深度 判定 埋深 全自重型的计算方法 3 被动荷载 弹性抗力定义 弹性抗力 视围岩为弹性体 衬砌在主动荷载作用下 产生朝向围岩方向的变形而挤压围岩引起围岩的反作用力 性质 反映围岩对地下结构变形的约束能力 围岩稳定性越强对结构变形的约束能力越大 弹性抗力的大小和分布形态取决于支护结构的变形 而支护结构的变形又和弹性抗力有关 所以弹性抗力是主动荷载与被动荷载共同作用的结果 计算 按温克尔局部变形理论 相当于把围岩简化成一系列彼此独立的弹簧 某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关 而与其它弹簧不相干 即仅与该处的变形成正比 3 岩石力学的计算方法基本概念 将支护结构与围岩视为一体 作为共同承载的隧道结构体系 模型中围岩是直接的承载单元 支护结构只是用来约束和限制围岩的变形 特点 符合当前的施工技术水平 在围岩 结构模型中可以考虑各种几何形状 围岩和支护材料的非线性特性 开挖面空间效应所形成的三维状态 以及地质中不连续面 施工过程等 数值方法 主要是有限单元法 关键问题 如何确定围岩的初始应力场 以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况 4 以围岩分级为基础的经验设计方法5 情报化设计方法 四 铁路隧道的设计方法1 铁路隧道的设计方法基本上是采用结构力学的方法 按结构 荷载模式进行设计和计算 2 设计步骤 3 支护结构类型 1 锚喷衬砌 喷混凝土衬砌 锚杆喷混凝土衬砌 钢筋网 锚杆喷混凝土衬砌 2 复合式衬砌 由内外层复合而成 外层为初期支护 宜采用锚喷支护 即由锚杆 喷混凝土 钢筋网和钢架等支护形式单一或组合而成 内层为二次衬砌 一般采用模筑混凝土 五 应力设计与耐久性设计1 简述耐久性设计的流程采用耐久性设计时 应考虑以下几点 综合考虑材料 设计 施工的因素 应适用土木和建筑 具有定量的评价标准 耐久性设计时间 视结构物的重要度 规模 特性等 应能改变拟达到耐久性水准 2 劣化所谓劣化 就是材料初期具有质量或性能 因物理的或化学的因素 随时间而逐渐降低的现象 设计耐用期限设计耐用期限应考虑项目如下 结构物的规模 种类 重要度 使用期限 维修管理水平 维修加固 构件交换的难