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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。 u 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 u 1944年建成日本关门铁路隧道,是世界上第一条 海底隧道; u 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 ) u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:钻孔、爆破、通风及岩石装运等; u钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工; u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: u 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。 u 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: u日本的关门铁路隧道、关门公路隧道、新关门 隧道 u青函隧道(53.85Km) u英国的墨尔西隧道 u冰岛的毕尔海峡隧道 u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) uTBM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 u 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; u 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; u 美国罗宾斯公司1952年生产 第一台TBM; u 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) uTBM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; uTBM法的优点: l 具有掘进快速、经济、安全、岩层适应性好等技术特点; l 可精确地切割地层,超挖量一般不超过5%; l 不扰动地层,可提高作业面的稳定性。 u采用TBM法施工的海底隧道: l 英法海峡隧道(49Km) l 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) u 盾构机是在软土、软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; u 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。 u 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 u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; u盾构法的优点: l在盾构机械内进行开挖和衬砌(安装预制管片),作业安全; l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 u 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。 u采用盾构法施工的海底隧道: l 日本德山港海底隧道 l 东京湾横断公路隧道 l 丹麦大海峡隧道 日本东京湾横断公路隧道(盾构法) u 9.1Km,1998年建成,是目前世界上最长的海底公路隧道; u 该隧道共设三孔,每孔外径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 ; u 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 u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) u7.9Km,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; u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; u1996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 p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; p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 p 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; p 我国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 沉管拖运 开挖基槽预制管段 沉管沉放 沉管联结 沉管填埋 隧道内部工程 沉管法修建工序 1.1 开挖江底/海底沉槽 Dredging 挖槽 运输沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序: 1.2 沉管单元预制 预制单元 Element Fabrication 预制场(干船坞) Casting Basin 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 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 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序: 3. 沉管单元沉放 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉放单元 Immersion 人孔 沉管法修建工序: 4. 联结沉管单元 单元联结 Element connection GINA橡胶伸缩缝 抽干水 平衡水箱 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 Backfilling 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序: 6. 隧道内部工程 q 路面铺装 q 机电附属设施。 沉管法的优点: p其对地质条件的适应性强; p隧道的覆盖层薄,从而使隧道总长度减小,隧
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