土木工程概论5-隧道工程及地下工程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,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。,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：,95m,2,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：,74m,2,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,58km,；,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,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，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，并与海水有一定水力联系，水压力值为,2.5MPa,2.4MPa,。沿线海底段有,9,条较大断层。其它小断层每千米约,1,3,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,375km,，覆盖层厚,21,70m,，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（Drogden）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,人工半岛,Drogden航道,人工岛,上层石灰岩,中层石灰岩,下层石灰岩,第四纪沉积层,Bryozoan石灰岩,水深一般为,3.5,8.5m,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,5,10,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,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,桥电缆沟,逃生通道,服务通道,石料覆盖层,射风机,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5m；,（3）以下海底隧道正在积极酝酿、规划研究中：,青岛和黄岛间海底隧道，,海南琼洲海峡隧道；,连接辽东半岛与山东半岛的渤海海峡通道（约,108Km,）；,连接香港、澳门与广州、深圳和珠海的伶仃洋跨海工程,国内海底隧道概况,（4）台湾海峡隧道,两岸专家学者提出了连接中国大陆与台湾的台湾海峡隧道构想；,台湾海峡长约,330Km,，宽约,120,250Km水深约,20,160m,，平均水深约,50m,。台湾海峡通道目前有北线和南线方案：,北线方案：,取道台湾海峡最窄处，从福建福州附近的平潭到台湾台北附近的新竹，直线距离约,120Km,；,南线方案：,厦门,金门,澎湖列岛,台湾新港，全长约,210Km,。,根据台湾海峡工程地质条件、海底地形、海水深度，海峡隧道埋深可在,120m,左右，其中基岩厚度取,60m,左右。为了利于解决通风等问题，台湾海峡隧道宜建成铁路隧道，汽车过海峡采用列车过驳，即采用英法海峡隧道方式。,国外部分规划中的海底隧道,连接西班牙和摩洛哥的直布罗陀海峡隧道，海平面下,412m,，总长约,60km,，海底段,28km,；,联络意大利本土和西西里岛的墨西拿海峡隧道工程，公铁隧道，总长,17km,，海底段,6Km,；,跨越阿拉斯加和楚科奇西伯利亚之间相隔,90km,的白令海峡通道工程，连接亚洲和美洲，水深约,54m,；,从日本福岗通过对马海峡到达韩国釜山的日韩隧道工程，总长约,250km,，海底段约,150Km,；,从德国到丹麦的费门海底隧道，海平面下深约,50m,，长约,19km,。,在亚洲，连接瓜硅岛和苏门答腊岛之间宽,40Km,深,200m,的海峡通道,马六甲海峡通道,国外部分规划中的海底隧道,挪威,有十几座海底隧道也在规划研究之中，其中包括：,Ryfast,公路隧道，长,13.5 km,，最深,285m,；,Rogfast,(,Boknafjorden,),公路隧道，长,22.7,24.2 km,，最深,350m,；,此外，挪威还对一些可能实施的海底隧道进行研究，包括从挪威大陆到近海油田长,60Km,的海底隧道，以及极具挑战性的长,132Km,、深,630m,的,Hareid,隧道。,厦门翔安隧道,