土木工程概论5-隧道工程及地下工程

1、土木工程概论-隧道工程及地下工程,石建光 厦门大学土木工程系,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

2、据公路规范 要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线、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

3、照明组成。 出口照明是指汽车从较暗的隧道驶出 至明亮的隧道外时，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

4、有 两大施工方式，即明挖法和暗挖法。 常用的明挖法有三种：（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

5、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。 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 1944年建成日本关门铁路隧道，是世界上第一条 海底隧道； 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，1944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,世界上第一条海底隧道,海底隧道的特点,（1） 通过深水进行地

6、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 ； （2）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 ； （5）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； （7）纵剖面呈V形或W形，不能自然排水。,海底隧道施工方法,（1）钻爆法； （2）沉管法； （3）掘进机法（TBM） （4）盾构法 （4）悬浮隧道（SFT，研究中）,钻爆法（Drilling and Blasting ）,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：钻

7、孔、爆破、通风及岩石装运等； 钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工； 采用钻爆法进行洞室开挖通常可分为全断面开挖法、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 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 。,钻爆法关键技术： 必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地 质灾害 ；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 泥石流的危险。 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、 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： 日本的关门铁路

8、隧道、关门公路隧道、新关门 隧道 青函隧道（53.85Km） 英国的墨尔西隧道 冰岛的毕尔海峡隧道 挪威的各海底隧道,日本关门公路隧道（钻爆法）,陆地段断面,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,标准断面,海底松软地段特殊断面,掘进机法（Tunnel Boring Mechine 简称TBM）,TBM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 TBM通常由电动机驱动主轴旋转，对刀盘施加一定压力，使其贴近

9、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； 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；,美国罗宾斯公司1952年生产 第一台TBM； 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）,TBM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 采用全断面掘进机，但需采用优质切刀；,TBM法的优点： 具有掘进快速、经济、安全、岩层适应性好等技术特点； 可精确地切割地层，超挖量一般不超过5%； 不扰动地层，可提

10、高作业面的稳定性。,采用TBM法施工的海底隧道： 英法海峡隧道（49Km） 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 ；应根据海底的地质条件，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、TBM的配套设备等因素来定制掘进机。 （2）超前地质钻探； （3）局部降水； （4）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 推力，便于机械手装配衬砌 ，抗海水侵蚀 耐久性； 英法海峡隧道的建成向人们展示了TBM技术发展所取得的 显著成就。,盾构法(Shield Mechine）,盾构机是在软土、软

11、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；,盾构机主体部分是一可移动的高强度钢套壳。在隧道掘进时，钢套壳插入土内，在永久衬砌施作之前用以支撑隧道四周的地层，以保证永久衬砌的施工而免去临时支撑。 盾构外壳断面一般为圆筒形，也有按隧道实际需要作成异形断面的；,盾构法,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，在深堆积层等软弱的不透水粘土中最为适用；,盾构法的优点： 在盾构机械内进行开挖和衬砌（安装预制管片），作业安全； 机械化程度高，施工人员少，进度快。,盾构法关键技术：,(1)盾构机的选择； (2)掌子面的稳定； (3)防水技术：包括地层及

12、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； (4)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； (5)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。,盾构法,国外盾构已有180余年的发展历史，19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6.8m、宽11.4m的 矩形隧道。,采用盾构法施工的海底隧道： 日本德山港海底隧道 东京湾横断公路隧道 丹麦大海峡隧道,日本东京湾横断公路隧道（盾构法）,9.1Km，1998年建成，是目前世界上最长的海底公路隧道； 该隧道共设三孔，每孔外

13、径13.9m、三车道，其中二孔于1996年修建完 成，第三孔留待将来施工 ； 隧道由8台直径14.14m的超大型泥水式土压平衡盾构在海底地层中穿越 和对接。该盾构机长13.5m，重3200t；,地质：隧道区段主要是软弱的冲积、洪积粘性土层（N值仅在012）,丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 （盾构法）,海底铁路隧道（7.9Km）,斯多贝尔特桥,海底隧道,主航道,丹麦斯多贝尔特大海峡隧道是跨海工程的一部分,丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 （盾构法）,7.9Km，由两条外径8.5m的铁路隧道组成，采用4台直径8.78m的混合 型土压平衡盾构机施工； 隧道最大埋深75m，穿越的地层为冰碛和泥灰岩，均为含水层，渗透

14、水 量大，工程中曾发生了涌水险情，采用了海底井管降水、冷冻、气压等 辅助施工方法加以处理； 1996年建成，积累了宝贵的海底隧道施工经验 。,冰碛和泥灰岩地层，均为含水层,丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 盾构法施工,4台混合型土压平衡盾构机，直径8.78 m，长10m,管片装配式衬砌,沉管法,将若干个预制管段分别浮运到海面现场，并一节接一节地 沉放安装在已疏浚好的基槽内； 自1910年美国在底特律河修建第一座沉管隧道，至今已建成 100多座，最长的5.8km；,预制单元,开槽,沉放单元,沉管法,沉管隧道的结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，钢 结构一般为圆形断面，钢筋混凝土一般为矩形断面； 我国

15、修建沉管隧道起步较晚，已建成有广州珠江隧道、宁波 甬江隧道、上海黄埔江隧道、香港维多利亚港2座海底沉管 隧道等,混凝土沉管欧洲,日本还修建了复合断面的沉管隧道,钢套沉管美国,沉管法修建工序,沉管法修建工序,1.1 开挖江底/海底沉槽,Dredging 挖槽,沉管法修建工序：,1.2 沉管单元预制,沉管法修建工序：,2.沉管单元拖运至隧道现场,暂时密封单元两端 成可漂浮体,驳船浮运沉管单元,沉管法修建工序：,3. 沉管单元沉放,沉管法修建工序：,4. 联结沉管单元,单元联结 Element connection,拆除临时隔板,沉管法修建工序：,5. 填埋沉管单元,填埋沉管 Bedding and

16、 Backfilling,沉管法修建工序：,6. 隧道内部工程,路面铺装 机电附属设施。,沉管法的优点：,其对地质条件的适应性强； 隧道的覆盖层薄，从而使隧道总长度减小，隧道断面利用率高； 防水可靠度高； 施工周期短等。,沉管法施工有以下限制：,缓平潮必须有足够有持续时间借以沉放管段，最好潮流速 小于1m/s和持续时间超过2小时。 受潜水作业限制，极限深度在水面以下30m； 底部不应软弱和不稳定到不能断续开挖基槽。 工地必须合理地避免被流动的淤泥迅速地淤积，淤泥能改 变基槽中水的密度并在沉放管段时影响浮力的平衡。,目前沉管隧道的设计施工正向大型化方向发展。为适 应城市交通发展，隧道的车道数已由

17、最初的双车道发展 到目前城市隧道通用的六车道，甚至八车道,沉管法的发展方向：,水中悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT）,SFT是一种悬浮在水中的管段联结隧道，而不是被埋置或固定支 撑的结构，它代表了一种跨越深水域的新概念；,这种隧道和传统的 沉埋或掘进隧道的 区别是，悬浮的隧 道结构被水围着， 隧道既不是位于地 层也不是穿过地 层，而是其结构主要靠它本身的结构浮力来保持在其位置上；,水中悬浮隧道（SFT）,通过辅助支撑系统来帮助隧道结构悬浮位置的稳定。这种辅助支撑系统 可采取浮筒悬吊、海（河）床拉索锚系等方式 ； 通过浮力和辅助支撑系统使得整个隧道稳定的悬

18、浮于水面之下，船只可 从其上面毫无阻碍地通过。从使用的角度看，这种结构具有通常隧道的 所有特点，因为它是密封的，所以被认为是隧道而不是桥梁,水面浮筒悬吊,拉索锚固,支撑柱锚固,水平锚固,桥台锚固,桥台锚固,桥台锚固,辅助支撑系统,水中悬浮隧道的特点：,（1） 坡度小，原则上表面水道运输不受干扰； ； （2）在对付诸如深水、两岸之间的距离或对环境的考虑等难题情况 下，SFT可能是唯一可能的、可行的和可接受的固定跨越结构形 式；SFT为在以前认为绝对不可能修建跨越通道的地方提供了新 的机会； （3）SFT可以是其它固定跨越通道如桥梁、浮舟桥梁、悬浮桥梁、 掘进隧道、沉管隧道的比选方案，并且SFT对

19、这些方案可能有很 大的竞争性； （4）SFT的跨越结构淹没在水中是不可不见，从环境影响的角度看 更具有吸引力； （5）SFT的概念可应用于其它目的，如：连接大陆和深水湖的人工 岛屿的人行隧道，用于安装各种管路和电线服务隧道,水中悬浮隧道目前还只是一种构想,悬浮隧道（SFT）概念从提出到研究深化成为一个比较可行的方 案，已延续了近40年 目前悬浮隧道在国内外正在进行深入研究论证中； 其中研究的重点之一是如何把结构位移限制在人们可察觉到的程 度之下，事实上，人们对这种位移在心理上所理解的安全限度比 技术上的安全限度更为关键； 这些研究已经表明SFT在技术上和经济上都是可行的，在安全上 也是可保障的

20、，增加了人们对修建水中悬浮隧道可行性的信心。 但是因为悬浮隧道（SFT）是一个全新的隧道建设概念，迄今为 止世界上尚未开始建设任何悬浮隧道，可以说距离真正的工程实 践还需要一段时间。,水中悬浮隧道（SFT）研究实例（一）,挪威赫格峡湾SFT试验工程： 水面宽度：1400m 水深：150m 平均水流速度：0.6m/s 1987年开始有关这项工程情况的调查和研究，包括： 设计荷载问题 结构分析与设计理论问题 主要构筑物问题 深水施工问题 其他特殊问题 ：环境负载的现场量测，水工模型试验等,水中悬浮隧道（SFT）研究实例（二）,墨西拿海峡SFT工程 ： 水深：350m 水面宽度：3000m 平均水流

21、速度：12 m/s 隧道上方水深：35m,国外著名海底隧道工程简介,3.1.日本青函隧道钻爆法 3.2.英法海峡隧道TBM法 3.3. 丹麦鄂尔森通道卓戈登隧道沉管隧道,日本青函隧道钻爆法,日本青函隧道，穿过津青海峡，全长53.85km，海底段长23.3km，采用钻爆法施工； 1972年正式开工，1983年导坑贯通，1988年3月全线通车。,3.1.日本青函隧道钻爆法,隧道在海面下最大埋深240m，其中水深140m左右，隧道顶部岩层平均厚度100m，最大纵坡为12% 。 地质条件十分复杂：隧道通过地层主要为受到很大扰动的火山质岩和中新流沉积岩，地下水为基岩裂隙水，突然涌水与断层有关，并与海水有

22、一定水力联系，水压力值为2.5MPa2.4MPa。沿线海底段有9条较大断层。其它小断层每千米约13处。,日本青函海底隧道,1988年建成,英法海峡隧道TBM法,1802年提出设想，1993年实现，全长50 Km，其中海底段长度37 Km，总投资约128亿美元。 采用TBM法施工，工程于1987年9月开工，1991年6月全部凿通，1993年6月投入运营。,隧道纵线位选择在一不透水白垩质泥灰岩层中,隧道海底段长37.5km，覆盖层厚2170m，平均埋深40m。 隧道沿线有三个主要岩层，按从上到下为中白垩、晚白垩和泥灰质粘土。晚白垩下部为白垩质泥灰岩，表现为中等强度，均质、稍具塑性，且一般没有张开断

23、裂，使它成为实际上不透水的岩层，对开挖隧道十分理想。海峡隧道工程的线路就设置在这一地层中，十分成功。 但隧道工程在海峡英法两侧的地质地形相差很大，英国侧较平坦，法国侧多起伏。,隧道断面设计,设3条平行的隧道，线间距15m，两侧为内径7.6m的单轨铁路隧道，中间是一条内径4.8m的辅助隧道； 沿线有若干横贯通道使隧道相通，每隔375m设置一条与服务隧道相通的横通道，每隔250m设置一条连接两条铁路隧道的横向活塞式泄压风道，每隔750m设置一个电力控制室或变电站； 设立了四个交叉转线段，火车可从一条铁路隧道驶入另一条铁路隧道，有利于火车编组和往复行驶。其中两个交叉转线段设在海底,丹麦卓戈登（Dro

24、gden）海底沉管隧道是“鄂尔森越海通道工程（Oresund Fixed Link）”的一部分 2000年完工,丹麦鄂尔森通道卓戈登沉管隧道,丹麦-哥本哈根,瑞典-马尔墨,4050m海底隧道 （其中3510m沉管）,人工岛（4Km）,鸟类生态保护岛,桥 7.1Km,卓戈登沉管隧道地质剖面,人工岛,桥,水深一般为3.58.5m之间，局部最深达12m； 航道控制水深为7.7m，宽300m； 工程场址基岩主要为石灰岩地层；表层510米有挤压和破碎 ，大致呈水平分布。,沉管总长3510m；两端洞口连接段各270m ，隧道全长4050m； 共20节段沉管，每节段长约176m，重约55000吨； 横断面为

25、38.8mX8.6m；横向分割为5室，公路和铁路各占2室，另外1室用于服务通道、逃生通道和市政管廊；隧道全线公路按双向4车道加紧急停车带设计，铁路按复线设计。,卓戈登沉管隧道,人工岛,桥,代表了欧洲混凝土沉管隧道的最新进展，是目前世界最长的用于交通的混凝土沉管隧道； 在陆地上工厂条件下以工业化的方式生产沉管节段单元； 采用无裂缝混凝土防水，通过全断面无施工缝连续浇注实现无裂缝混凝土。 首次采用砂砾基床作为如此大尺寸的混凝土沉管单元的基础；,卓戈登沉管隧道工程技术特点：,人工岛,桥,国内外海底隧道展望,国内海底隧道概况,（1）香港地区于上个世纪7080年代修建了5座海底交通隧道，长度都在1.5Km左右，具体包括： 公路隧道（双向三车道，沉管）： 香港西区海底隧道 香港红磡海底隧道 香港东区海底隧道 轨道交通隧道（双管TBM法）： 香港地铁中环线海底隧道， 香港地铁将军澳线海底隧道,国内海底隧道概况,（2）厦门翔安隧道 ：05年4月30日动工修建，将是我国大陆第一条海底隧道 ，海底隧道长约5.95Km，采用钻爆法施工，设计为三孔隧道形式 ， 主要洞宽13.5m，高