地下工程概论-设计与施工

地下工程的基础技术

地下工程的基础技术，包括；规划、调查、设计、施工以及运营等方面技术的现状和展望。

5/11/20251第四章第二节设计技术二、地下结构设计流程与解析技术5/11/20252第四章第二节设计技术三、地下结构设计方法1、围岩分级（P127）（1）基本概念①岩石：均质、连续和各向同性的介质。②岩体：是在地质历史中，经过岩石建造、构造形变、和次生蜕变而形成的地质体，它被许多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。5/11/20253第四章第二节设计技术③围岩：地层中受坑道开挖影响的那部分岩体。④围岩分级：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，并依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。

5/11/20254第四章第二节设计技术（2）我国铁路隧道围岩分级的指标①由岩石强度的坚硬程度、围岩的完整程度确定围岩的基本分级②地下水及初始应力场修正围岩基本分级（3）分级方法（P128表4-7）将围岩分为Ⅵ级，从Ⅰ~Ⅵ围岩力学性质由强到弱

5/11/20255第四章第二节设计技术5/11/20256第四章第二节设计技术5/11/20257第四章第二节设计技术2、地下结构体系的计算模型（1）地下结构体系：由地层和支护结构共同组成，其中以地层为主，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的变形而破坏坍塌，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的根本来源。5/11/20258第四章第二节设计技术（2）地下结构体系的设计模型①经验设计法参照过去隧道工程实践经验进行工程类比的；②实用设计方法（情报设计法）以现场量测和实验室试验为主的，例如以洞周位量测值为基础的收敛一约束法；③作用一反作用模型，即荷载一结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；④连续介质模型包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。5/11/20259第四章第二节设计技术（3）结构力学方法——荷载结构模型计算方法

①基本原理是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，②隧道支护结构与围岩的模拟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。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。

5/11/202510第四章第二节设计技术5/11/202511第四章第二节设计技术③适用条件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。④评价一般说来，按此模型设计的隧道支护结构偏于保守。5/11/202512第四章第二节设计技术（4）岩石力学的计算方法①基本原理岩石力学方法是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，故又称为围岩一结构模型或复合整体模型，②隧道支护结构与围岩的模拟在这个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，5/11/202513第四章第二节设计技术③评价它符合当前的施工技术水平，在围岩一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。在这种模型中有些问题是可以用解析法求解或用收敛一约束法图解的，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，主要是有限单元法。5/11/202514第四章第二节设计技术5/11/202515第四章第二节设计技术（5）以围岩分级为基础的经验设计方法在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计的前提要正确地对坑道围岩进行分类，然后在分类的基础上编制支护结构系统的基本图示。在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：①首先要对坑道围岩进行分类，这些分类大都是根据地质调查结果，为各种地下工程单独编制的

5/11/202516第四章第二节设计技术②在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用：a完整、稳定的岩体：锚杆长度<1.5ｍ，n=４～４.２根/m左右，喷混凝土用于填平补齐二次衬砌用最小混凝土厚度，约３０ｃｍ左右。B易破碎、剥离的块状岩体:锚杆长度1.5~3.5ｍ，n=10根/m左右，喷混凝土0~10cm，二次衬砌30~40cm5/11/202517第四章第二节设计技术C、有地压作用的破碎岩体锚杆长３.０～４.0ｍ，ｎ＝１０根／ｍ喷层：拱部和侧壁喷层厚约１５～２０cm。二次衬砌厚度为４０～５０ｃｍd、强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体。锚杆长４.０～６.0，n＝１５根／ｍ左右喷层厚20～２５ｃｍ，二次衬砌厚度，５０ｃｍ左右。5/11/202518第四章第二节设计技术③在施工中应尽量少扰动围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，应采用控制爆破技术。④预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护（包括正面），使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。⑤在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。⑥允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少支护所需的防护措施。

5/11/202519第四章第二节设计技术⑦应有一个详细周密的量测计划。它系统地控制施工中的变形与应力情况，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及是否还需要加强措施。。⑧要严格按照预定的施工程序施工。5/11/202520第四章第二节设计技术（6）情报化设计方法①情报化设计，实质上是通过施工前和施工过程中的大量信息（情报）来指导设计和施工，以期获得最佳地下结构的一种设计方法，也有称之为信息反馈设计方法或现场预测设计方法的。

5/11/202521第四章第二节设计技术②地下工程的情报化设计方法：预测施工前的信息（主要是地质信息）——施工——进行施工监测——依其信息（主要是位移、应变、压力等）修改预设计——再施工、再量测——直到形成一个长期稳定的结构体系。它不仅包括施工前的预设计，也包括施工过程中的修正设计，把过去截然分开的施工和设计两个阶段，融化为一体，构成了一个完整的设计过程。5/11/202522第四章第二节设计技术四、铁路隧道的设计方法我国铁路隧道的设计方法，基本上是采用结构力学的方法，即按结构——荷载模式进行设计和计算的。铁路隧道尺寸、形状比较单一。因此，铁路隧道衬砌的设计已经定型化、标准化。目前铁路隧道的标准图，包括单线、双线隧道的衬砌、洞门、明洞等。根据牵引类型的不同，又分为电力牵引、内燃牵引及蒸汽牵引等标准设计。5/11/202523第四章第二节设计技术1、设计步骤：（1） 断面形式和结构尺寸的拟定——工程类比法；（2） 计算作用在结构上的荷载——主动和被动荷载；（3）计算结构内力；（4）检算：安全系数，偏心距，基底承载力；5/11/202524第四章第二节设计技术地下工程施工施工工艺过程工法的关键技术要点5/11/202525第四章第二节设计技术第一节施工方法分类

明挖法暗挖法盖挖法矿山法斜边坡垂直边坡+支挡结构盾构法泥水盾构土压平衡盾构掘进机法沉埋管段法新奥法5/11/202526第四章第二节设计技术第二节明挖法施工为什么采用明挖法施工5/11/202527第四章第二节设计技术5/11/202528第四章第二节设计技术围护结构形式钻孔灌注桩人工挖孔桩地下连续墙SMW桩墙钢板桩土钉墙5/11/202529第四章第二节设计技术5/11/202530第四章第二节设计技术5/11/202531第四章第二节设计技术5/11/202532第四章第二节设计技术5/11/202533第四章第二节设计技术5/11/202534第四章第二节设计技术5/11/202535第四章第二节设计技术5/11/202536第四章第二节设计技术第三节

盖挖法施工为什么采用盖挖法施工？分：盖挖顺作法、盖挖逆作法工程实例：上海地铁车站—常熟路站、陕西南路站、黄陂路站，北京地铁车站—永安里站、大北窑站、天安门站盖挖逆作法工艺过程5/11/202537第四章第二节设计技术5/11/202538第四章第二节设计技术第四节山岭隧道新奥法施工传统矿山法采用钢、木支撑作临时支护，单层钢筋混凝土衬砌，不进行施工量测。新奥法（NATM）NewAustriaTunnelingMethod以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。是指导隧道设计和施工的原则和理论体系。5/11/202539第四章第二节设计技术圣哥达隧道的木支撑5/11/202540第四章第二节设计技术新奥法的原理1、保护围岩光面爆破、预裂爆破或机械掘进2、充分发挥围岩的承载能力锚杆喷射混凝土作初期支护—柔性支护3、施工过程的现场监控量测—信息反馈4、一般采用复合式衬砌新奥法的基本原理可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。5/11/202541第四章第二节设计技术5/11/202542第四章第二节设计技术5/11/202543第四章第二节设计技术5/11/202544第四章第二节设计技术5/11/202545第四章第二节设计技术5/11/202546第四章第二节设计技术5/11/202547第四章第二节设计技术5/11/202548第四章第二节设计技术具体工法全断面法台阶法分部开挖法5/11/202549第四章第二节设计技术施工过程的监控量测为什么要监控量测？一、量测项目

必测项目：收敛量测、拱顶下沉量测、（地表沉降）。

选测项目：围岩内部变形量测、锚杆轴力量测、围岩压力量测、支护及衬砌应力量测、钢架内力及所承受的荷载量测等。二、量测频率三、监控量测信息的整理与反馈：回归分析5/11/202550第四章第二节设计技术5/11/202551第四章第二节设计技术第五节城市地下工程新奥法施工

浅埋暗挖法:CD法、CRD法、中洞法等。施工技术要点：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”。5/11/202552第四章第二节设计技术5/11/202553第四章第二节设计技术5/11/202554第四章第二节设计技术5/11/202555第四章第二节设计技术5/11/202556第四章第二节设计技术盾构法概论5/11/202557第四章第二节设计技术5/11/202558第四章第二节设计技术5/11/202559第四章第二节设计技术5/11/202560第四章第二节设计技术地下连续墙的位置5/11/202561第四章第二节设计技术盾构法施工概貌盾构盾构千斤顶压浆孔在盾尾空隙中的压浆出土转盘盾构正面网格管片拼装机管片压浆泵出土机由管片组成的隧道衬砌结构后盾管片竖井盾构法施工概貌

盾构法是使用所谓的“盾构”机械，在围岩中推进，一边防止土砂的崩坍，一边在其内部进行开挖、衬砌作业修建隧道的方法。5/11/202562第四章第二节设计技术发展史：

最早是在1818年由英国工程师布鲁诺尔(M.I,Brunel)发明的，他是从船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它分泌的粘液加固洞穴得到启发而研制出的，并于1925年开始用一个宽11.58m、高6.7m的矩形盾构，在英国伦教的泰晤出河下面修建世界第一条水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两次被淹，直至1835年对后构作了改良.用压气辅助施工，才于1843年完工。隧道全长458m。5/11/202563第四章第二节设计技术1888~1890年间用盾构法在美国和加拿大间的圣克莱(St,Clair)河下建成了一条直径为6.40m，长为1870m的萨尔尼亚(Sarnia)水底隧道，为盾构法修建隧道开拓了更为广阔地发展前景。20世纪初，盾构法施工已在美、英、法、俄等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。1932年原苏联开始用直径为6.6~9.5m的盾构先后在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的区间隧道及车站。5/11/202564第四章第二节设计技术1922年日本开始用盾构法修筑国铁奥羽线折渡隧道。1943年修建关门水底隧道直径达6.0m，长1100多米。1956年在海州露天矿用直径2.66m的盾构在砂土层开凿了疏水巷道；1957年起北京采用直径2.0m、2.6m的盾构施工下水道工程；5/11/202565第四章第二节设计技术1972年在江苏大屯矿用立井盾构施工了井筒达150m。从1960年起上海在第四纪软弱饱和水土层中用不同类型盾构完成了一批地铁区同隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道等工程。5/11/202566第四章第二节设计技术一、盾构法的主要优点除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，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。盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。土方量外运较少。穿越河道时不影响航运。5/11/202567第四章第二节设计技术一、盾构法的主要优点施工不受风雨等气候条件影响。隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工进度上越有利。5/11/202568第四章第二节设计技术二、盾构法存在的不足当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。

在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法