隧道工程发展及施工方法114页[详细]

1、1,隧道工程发展及施工方法,2,隧道工程发展 隧道施工方法,一.,二.,3,当今人类正在向地下、海洋和宇宙开发。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、大距离的“空间”利用进展。 20世纪80年代国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：,一. 隧道工程发展,4,第一时代 从出现人类至公元前3,000年的远古时期。人

2、类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。 第二时代 从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。 第三时代 从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。 第四时代 从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。,5,我国地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。 70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开

3、发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。 80年代上海建成延安东路水底公路隧道 1985年至1987年，上海建成黄浦江上游引水隧道一期工程 90年代以来，上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通,我国隧道工程发展,6,90年代后期至今，广州、深圳、南京等地相继地铁开通 南京、杭州、福州琅岐等正计划修建过江隧道,7,修筑隧道和利用地下空间从原始时代起就已成为人类营生的一种方式。 随着近代文明的发展，才使它成为土木工程学的一个学科，并应用近代工程技术修筑了很多隧道。 隧道是修筑在地面下的通路或空间，但孔径太小，属于所谓管道范畴的除外。1970年经合组织（OECD）的隧道会议对隧道所下的定义为

4、：1970年世界经济合作与发展组织隧道会议从技术方面将隧道定义为： 以任何方式修建，最终使用于地表以下的条形建筑物，其空洞内部净空断面在2平方米以上者均为隧道。,8,当前隧道应用于铁路、公路交通和水力发电、灌溉等，也用于上下水道、输电线路等大型管路的通道，另外诸如地下发电变电所、地下汽车停车场、大型地下车站、地下街道等都适用隧道工程技术。,隧道工程范围,9,优点： 恒温，能较好地绝热和蓄热； 抗震性能强； 隐蔽性好，能经受和抗御武器的破坏； 气密性、遮蔽性、隔音性均良 好； 具有良好的地下水保持性； 节约用地； 空间开挖有很大的灵活性； 可综合利用。,缺点： 见不到阳光、温差小、湿度大； 空气

5、封闭压抑，不易流通； 人员活动不自在； 环境噪音级增强； 微生物繁殖快。,隧道工程特点,10,世界著名隧道,最古老的隧道是古代巴比伦城连接皇宫与神庙间的人行隧道，建在公元前2160-2180年间。古代使用原始工具挖掘，驱使3万奴隶挖掘，每周进尺仅75mm。 我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年。 瑞士中部的圣哥达 (St.Gotthard）铁路隧道于1872年开工，1881年竣工，长15千米，隧道开凿时，第一次使用了硝化甘油炸药。,11,古希腊萨摩斯隧道,12,陕西汉中“石门”隧道,路易斯法波莱 （Luis Favre） 圣哥达隧道的设计与施工总负责人,13,瑞士

6、圣哥达基线隧道贯通后，超越日本青函隧道，成为世界上最长的铁路隧道，全长57公里,日本日本青函隧道1961年3月开始动工，1988年3月10日贯通，全长约54公里。,14,英国/法国英吉利海峡隧道（又称英法海底隧道）于1994年5月6日开通，全长51公里，其中海底部分长约38公里，是世界上最长的海底隧道。,挪威洛达尔隧道位于挪威西部，全长约24.5公里，是目前世界上最长的公路隧道。,15,中国中国秦岭终南山公路隧道2002年开始动工，2004年贯通，并于2007年正式通车，全长18公里，是目前世界上最长的双洞公路隧道 中国2009年，中国辽宁大伙房引水隧道贯通，全长85公里，成为世界上目前在建和

7、已建的最长隧道。（盾构法）,16,二.隧道施工方法,17,明挖法,明挖法优点： 施工简单、快捷、经济、安全的优点。 其缺点是对周围环境的影响较大。 明挖法的关键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。其中边坡支护是确保安全施工的关键技术。,18,明挖法支护方法,(1)放坡开挖技术。适用于地面开阔和地下地质条件较好的情况。基坑应自上而下分层、分段依次开挖，随挖随放边坡，必要时采用水泥粘土护坡。,19,(2)土钉墙支护技术。在原位土体中用机械钻孔或洛阳铲人工成孔，加入较密间距排列的钢筋或钢管，外注水泥砂浆或注浆，并喷射混凝土，使土体、钢筋、喷射混凝土板面结合成土钉支护体系。

8、,20,(3)型钢支护技术。一般使用单排工字钢或钢板桩，基坑较深时可采用双排桩，由拉杆或连梁连结共同受力，也可采用多层钢横撑支护或单层、多层锚杆与型钢共同形成支护结构。,21,(4)地下连续墙支护技术。一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽，也可采用多头钻和切削轮式设备成槽。连续墙不仅能承受较大载荷，同时具有隔水效果，适用于软土和松散含水地层。,22,(5)混凝土灌注桩加锚杆(索)支护技术。在孔内放入钢筋或钢索后注浆，达到强度后与桩墙进行拉锚，并加预应力锚固后共同受力，适用于高边坡及受载大的场所。,23,(6)混凝土和钢结构支撑支护方法。依据设计计算在不同开挖位置上灌注混凝土内支撑体系和安装钢结构内支撑

9、体系，与灌注桩或连续墙形成一个框架支护体系，承受侧向土压力，内支撑体系在做结构时要拆除。适用于高层建筑物密集区和软弱淤泥地层。,24,沉管法,沉管法定义： 先在干坞中或船台上预制隧道管段，并在两端用临时隔墙封闭，然后拖运至隧址位置，沉放到预先挖好的沟槽中，并把各个管段连接起来，最后充填基础和回填砂石将管段埋入原河床中。用这种方法修建的隧道叫沉管法,25,沉管法于19世纪末用于排水管道工程。第一条成功用沉管法施工的是美国波士顿的雪莉排水管隧洞，于1894年建成，由6节钢壳加砖砌的管段连接而成。 1910年美国建成第一条穿越底特律河铁路隧道，1928年美国在奥克兰与阿拉梅达之间修建的波西隧道成为第

10、一条穿越水底的公路隧道。 1941年荷兰建成的马斯河道路隧道，创造了喷砂做垫层的基础处理方法。 50年代以后，由于水下连接技术-水力压接法，并应用橡胶垫圈作止水接头，随后沉管法较快的发展应用。60年代后期，又出现了不设通风道，又无通风机房的第三代沉管隧道。,沉管法发展,26,优点： 采用沉管法施工的水下段隧道，比用盾构法施工具有较多优点。主要有： 容易保证隧道施工质量。因管段为预制，混凝土施工质量高，易于做好防水措施；管段较长,接缝很少,漏水机会大为减少，而且采用水力压接法可以实现接缝不漏水。 工程造价较低。因水下挖土单价比河底下挖土低；管段的整体制作,浮运费用比制造、运送大量的管片低得多;又

11、因接缝少而使隧道每米单价降低；再因隧道顶部覆盖层厚度可以很小，隧道长度可缩短很多，工程总价大为降低。 在隧道现场的施工期短。因预制管段（包括修筑临时干坞）等大量工作均不在现场进行。 操作条件好、施工安全。因除极少量水下作业外，基本上无地下作业，更不用气压作业。 适用水深范围较大。因大多作业在水上操作，水下作业极少，故几乎不受水深限制，如以潜水作业实用深度范围，则可达70米。 断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。大型的矩形断面的管段可容纳48车道，而盾构法施工的圆形断面利用率不高，且只能设双车道。 适用条件： 适合于沉管法施工的主要条件是：水道河床稳定和水流并不过急。前者不仅便于顺利开

12、挖沟槽，并能减少土方量；后者便于管段浮运、定位和沉放。,沉管法的优点及适用条件,27,28,管段制作,按管段制作方式：1.船台上制作。 2.干坞中制作 干坞型管段制作。在临时的干坞中制成钢筋混凝土管段,然后向干坞内放水,最后将其浮运到隧址沉放。其断面大多为矩形。在制作管段时，对混凝土施工工艺须采取严格措施，以满足对均质性和水密性特别高的要求，并保证必需的干舷（管段顶部浮出水面的高度）和抗浮安全系数。 这类管段较船台型管段的造价经济，自50年代以来，在欧洲已成为最常用的制作方式。荷兰鹿特丹马斯河水底隧道为用干坞制作管段的最早一例。,29,30,31,管段沉放,浮箱吊沉法是比较新的一种管段沉放法。

13、通常在管段上方放4只方形浮箱,用吊索直接将管段系吊，浮箱分成前后两组,每组两只浮箱用钢桁架联成整体,并用锚索将各组浮箱定位，在浮箱顶上安设起吊卷扬机和浮箱定位卷扬机。管段的定位须在其左右前后另用锚索牵拉，其定位卷扬机则设于定位塔的顶部。这一沉放法的主要特点是设备 简单，适用于宽度20米以上的大、中型管段。 小型管段可采用方驳杠吊法,即在管段两侧分设4艘或2艘方驳船,左右两艘之间设钢梁作杠吊管段的杠棒。这一方法在沉放时较平稳，且在浮运时可以用左右的方驳夹住管段以提高稳定性。,32,管段水下连接,50年代以前,对钢壳制作的管段,曾采用水下灌筑混凝土的方法进行水下连接。对钢筋混凝土制作的矩形管段，现

14、在普遍采用水力压接法。此法是在50年代末期在加拿大隧道实践中创造成功的，故也称温哥华法。 施工中在每节管段下沉着地时，结合管段的连接，进行符合精度要求的对位，然后使用预设在管段内隔墙上的 2台拉合千斤顶（或利用定位卷扬机），将刚沉放的管段拉向前一节管段，使胶垫的尖肋略为变形，起初步止水作用。完成拉合后，即可将前后两节管段封墙之间被胶垫封闭的水，经前节管段封墙下部的排水阀排出，同时利用封墙顶部的进气阀放入空气。排水完毕后，作用在整个胶垫上更为巨大的水压力将其再次压缩,达到完全止水。完成水力压接后,便可拆除封墙（一般用钢筋混凝土筑成），使已沉放的管段连通岸上，并可开始铺设路面等内部装修工作。,33

15、,34,管段基础处理,处理沉放管段基础的目的是使沟槽底面平整，而不是为了提高地基的承载力。在水下开挖的沟槽，其底面凹凸不平，如不加以整平，管段沉放后会因地基受力不均匀而导致局部破坏，或因不均匀沉陷而开裂。为了提高沟槽底面的平整性，至今绝大多数建成的水底隧道采用垫平的方法。早期大多采用一种在管段沉放之前先铺砂石作为垫层的先铺法。它是在作业船上通过卷扬机和钢索操纵特制的刮铺机或钢犁，沿着沟槽底面两侧设置的、具有规定标高和坡度的导轨，将放下的垫料往复刮平。该法缺点较多。另一种垫平的方法为后填法。即先将管段沉放在沟槽底上的临时支座上，并使管底形成一定的空间（管段底板内预设液压千斤顶，在定位时可以顶向支

16、座，调节管段高程），随后用垫层材料充填密实。后填法中最早用的是灌砂法，仅适用于底宽不大的船台型管段。 40年代初创造成功的喷砂法，适用于宽度较大的大型管段。从水面上用砂泵将砂水混合料通过伸入管段底下的喷管向管底空间喷注，使形成一厚实均匀的砂垫层，喷砂作业须设专用台架和一套喷砂与回吸用的 L形钢管（图3）。喷砂开始前,可利用它清除沟槽底上回淤土或塌方土。喷砂完毕，随即松开定位千斤顶，利用管段重量将砂垫层压实。这一基础处理方法在欧洲用之较多。 沉管法 70年代日本用沉管法建造东京港、衣浦港等水底隧道时，采用了压浆法、压混凝土法等管段基础处理的新技术。,35,36,围岩分级,在不同的岩体中开挖隧道后

17、岩体所表现出的形态是不同的，可归纳为充分稳定 基本稳定 暂时稳定和不稳定四种,37,38,我国公路隧道围岩分级方法,39,Is=P/D2 两加荷锥头压裂时的极限荷载(P)与两锥顶间距(D)的平方之比,40,41,42,43,44,45,46,新奥法,新奥法即奥地利隧道施工新方法(New Austrian Tunnelling methodNATM)，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。 下列场合应用新奥法应慎重： 大量涌水的岩体； 由于涌水会产生流砂现象的围岩； 极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体； 开挖面完全不能自稳的岩体等

18、,47,48,(二)新奥法施工的基本原则,开挖时要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。,开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。,指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法, 一方面指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。,少扰动,早支护,勤量测,紧封闭,49,新奥法与传统矿山法相比，其基本要点可归纳为以下几点： 1）开挖作业宜采用对围岩扰动较少的控制爆破技术和较少的开挖步骤，避免过度破坏岩体的稳定；

19、 2）隧道的开挖应尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用； 3）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支护如钢拱架、喷射混凝土和锚杆等，以控制围岩的变形和松弛；,三、新奥法基本要点,50,4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定性； 5）二次衬砌原则上是在围岩和初期支护变形基本稳定的条件下修筑，使围岩和支护结构形成一个整体，从而提高了支护体系的安全度； 6）尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中； 7）通过施工中对围岩和支护结构的动态观测，合理安排施工程序，修正不合理的设计和进行日常施工管理。,51,2

20、、新奥法的施工工序,52,初期支护锚杆,锚杆的力学性能： （1）悬吊作用:将不稳定的岩层悬吊在坚固的岩层上，阻止围岩的移动滑落。,53,（2）减跨作用：在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减少。,54,（3）组合梁作用：在岩层中打入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。,55,（4）整体加固作用：将锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在锚固力的作用下构成承载环。,56,57,58,59,60,61,新奥法的施工方法分类,（微台阶法）,（CD法）,（CRD法）,（眼镜工法

21、）,62,定义：按隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法，适用于较完整的，坚硬的围岩，如 类围岩 全断面法开挖优点： 1.工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理 2.工作空间大，便于大型机械化施工 3.施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进150M左右，高者接近300M. 4.施工环境好 缺点： 要求进行分段装药，严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。因开挖面大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求具有较强的开挖、出渣能力和相应的支护能力。,全断面法,63, 施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路； 退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；

22、进行通风、撒水，排烟、降尘； 排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土； 用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外；,全断面法施工的顺序,64, 安设边墙锚杆和喷混凝土； 必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土； 开始下一轮循环； 在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。,65,4.全断面注意事项,66,1、长台阶法,长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用于V级围岩,67,2、短台阶法,短台阶法适用于地质条件差的V级围岩，台阶长度定为1015m，即12倍开挖宽度，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此台阶长度不宜过短。 短台阶法可缩短支护闭

23、合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。,68,3、超短台阶法,适用于级围岩，一般为35m的台阶长度。 微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。,69,(三)分部开挖法,分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。,1、环形开挖留核心土法 环形开挖留核心土法常用于级围岩单线和V级围岩双线隧道掘进。,70,施工要求： 环形开挖进尺一般为0.52.0m； 开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两榀钢架之间采用连续钢筋连接，并加锁脚锚杆； 当围岩地质条件差，自稳时

24、间较短时，开挖前在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护,特点： 开挖工作面稳定性好 施工干扰大、工效低,71,72,2、侧壁导坑法 根据侧壁导坑开挖的个数，分为单侧壁导坑法及双侧壁导坑法。 单侧壁导坑法 单侧壁导坑法一般将断面分成三块：侧壁导坑、上台阶、下台阶。 侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞跨，高度以到起拱线为宜。导坑与台阶的距离没有硬性规定，一般以施工互不干扰为原则。,73,双侧壁导坑法,适用于V级围岩双线或多线隧道掘进。 具有控制地表沉陷好，施工安全等优点，但进度慢，成本高。,74,由于单侧壁导坑法每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以它适用于断面跨度大，地表沉陷难

25、于控制的软弱松散围岩中。,75,由于单侧壁导坑法每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以它适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。,76,77,3、中洞法 中洞法适用于双连拱隧道。采用先施作隧道中墙混凝土，后开挖两侧的施工方法 。,78,施工要求： 中洞法开挖高度应大于中墙高度1m，开挖宽度应大于5m； 中洞开挖长度根据隧道长度、宽度以及地质情况综合考虑，一般为5080m； 中洞开挖后应及时施作初期支护，再分段灌筑中墙混凝土，在中墙混凝土达到设计强度后方可拆模，并进行临时横向支撑。,79,4、中隔壁法(CD),适用于V级围岩的浅埋双线隧道。中隔墙开挖时，应沿一侧

26、自上而下分为二或三部进行，每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁，底部应设临时仰拱，中隔壁墙依次分步联结而成，之后再开挖中隔墙的另一侧，其分步次数及支护形式与先开挖的一侧相同。,80,施工要求： 各部开挖时，周边轮廓尽量圆顺，减小应力集中； 各部的底部高程应与钢架接头处一致； 每一部的开挖高度约为3.5m； 后一侧开挖应全断面及时封闭； 左右两侧纵向间距一般为3050m； 中隔壁设置为弧形或圆弧形。,81,82,CD法施工、正台阶开挖,83,控制掌子面变形、坍塌的技术 掌子面（开挖面）过大的变形将导致坍塌事故的发生。这种事故占隧道坍方事故的比例最高，造成的人员、机械设备的损失最大

27、，在设计施工中都应该引起高度重视。,隧道施工辅助方法,84,5、交叉中隔壁法(CRD) 交叉中隔壁法适用于V级围岩浅埋的双线或多线隧道。采用自上而下分为二至三步开挖中隔墙的一侧，并及时支护，待完成12部后，即开始另一侧l2部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。,85,“CRD” 超浅埋大跨度,86,常见的控制掌子面变形、坍塌的技术超前支护 超前支护是一种 “先支后挖”技术，是控制隧道掌子面前方围岩变形，防止隧道掌子面坍塌的主要手段。 常用的超前支护有：超前锚杆、超前小导管注浆、超前大管棚。,超前支护示意图,87,软弱围岩超前支护施工中要求做到 1）超前管棚必须按设计要求进行压浆，

28、以起到加固围岩的作用。 2）为保证管棚与钢架的联合支护作用，管棚外露部分应焊接于钢架上。,88,软弱围岩的变形与破坏特征 软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。 由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。,89,这种变形由三部分组成： 一，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出; 二，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;,图 掌子面鼓出/地表沉降槽,90,三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;,图

29、 拱顶下沉和边墙内移,91,若这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。 常见的隧道坍方类型可以归纳为两类： 一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方； 另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。,图 掌子面挤出坍方 图 整体失稳坍方,92,当隧道上部覆土较浅时，隧道内的变形可能发展到地表，引起地表变形开裂，甚至出现坍塌冒顶的情况。这种坍方对隧道工程的建设和环境的危害性极大。,整体失稳坍方工程实例,洞顶地表陷坑,93,隧道施工辅助方法,94,(一)超前锚杆,1、构造组成,超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。,95,2、性能特点及适用条件 特点：柔性