5地下结构与隧道工程2013

隧地引第道下言构八工结与章——程构隧道工地程下结 8.1引言地下空间是一种重要的自然资源。地下空间具有恒温、恒湿、隔热、遮光、气密、隐蔽、安全等优点。人类对地下空间的利用，经历了一个自发到自觉的漫长过程。用于墓葬、居住、储存、市政、交通、水电、军事工程等。 起源于“仿兽穴居”时期，历时上百万年，沿用至今黄土窑洞 秦始皇陵兵马俑——世界第八奇迹秦始皇地宫透视图寝室皇陵 洛阳回落仓遗址浚县黎阳仓遗址粮仓 敦煌莫高窟 龙门石窟 坎儿井 罗马下水道 伦敦下水道 外环隧道殷行路隧道闸殷路隧道嫩江路隧道翔殷路隧道军工路隧道周家嘴路隧道隆昌路隧道大连路隧道新建路隧道江浦路隧道延安东路隧道外滩观光隧道复兴东路隧道人民路隧道西藏南路隧道陆家浜路隧道打浦路隧道宛平路隧道龙耀路隧道新建隧道上中路隧道罗秀路隧道已建隧道上海隧道 21世纪是人类合理开发利用地下空间的新世纪(城市可持续发展的要求)：生存空间抑制城市病（人口拥挤、交通阻塞、环境污染、能源紧缺）（1）地下空间将成为城市的第二空间：地下空间资源是城市的总面积乘上开发深度，再乘上40％的可开发系数，空间广阔；（2）地下空间造价新说：城市土地昂贵，地下开发造价相对会有所降低；（3）把飞机开到地下去：解决城市交通的出路就是高效率的地下交通。可造无两翼的飞机，以超过600km/h的速度飞行，不需要驾驶员，由中心遥控，类似于磁悬浮列车；（4）贯通海洋的地下工程，如渤海湾隧道、琼州隧道、台海隧道等；（5）新型城市公用市政隧道，如建设共同沟(城市地下管道综合走廊)…… 城市地下管网 采用隧道交通前后对比采用地下停车场前后对比 上海世博变电站 挪威约维克洞穴体育馆 多层次综合开发利用地下空间，是城市地下工程建设的一个特点：日本东京的上层地下工程，便多作为地下街、商场等；瑞典、挪威、美国等更把地下工程用于民用住宅、图书馆等；我国有利用人防工程改造的商场、地下人行街、车库等。城市地下工程 8.2地下结构地下结构的定义：保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物，统称为地下结构。地下结构与地面结构的主要区别：1.地下结构与周围岩土体的共同作用岩土体不仅是荷载，也是“结构”，约束变形2.地下结构所承受的荷载比地面结构复杂3.计算理论、设计和施工方法 “入地”的难度不亚于“上天”。地下结构(工程)分类：1.按周围地层介质分类：•软土地下工程•岩石（硬土）地下工程•海（河、湖）底或悬浮工程•按照地下工程所处围岩介质的覆盖层厚度，又分为深埋、中埋、浅埋不同埋深工程 2.按使用功能分类：•地下交通工程：地下铁道、公路隧道、过街人行道、海（河、湖）底隧道等•地下市政管道工程：输水隧道、地下给（排）水管道、通讯、电缆、供热与供气道、共同沟等•地下工业建筑：地下核电站、水电站厂房、地下车间、地下厂房、地下垃圾焚烧厂等•地下民用建筑：地下商业街、地下商场（购物中心）、地下医院、地下旅馆等 •地下军事工程：人防掩蔽部、地下军用品仓库、地下战斗工事、地下导弹发射井、地下飞机（舰艇）库、防空指挥中心等•地下仓储工程：地下粮、油、水药品等物资仓库、地下车库、地下垃圾堆场、地下核废料仓库、危险品仓库、金库等•地下文娱文化设施：图书馆、博物馆、展览馆、影剧院、歌舞厅等•地下体育设施：篮球场、乒乓球馆、网球场、羽毛球场、田径场、游泳馆、滑冰场等•地下综合体 3.按施工方法分类：•明挖法（放坡、支护、降水）•盖挖法、逆作法•浅埋暗挖法•沉箱、沉井、沉管法•盾构法（SM,TBM）•顶管法(大口径与微型顶管)•新奥法（NATM）、钻爆法 按照使用要求在地层中挖掘洞室，沿洞室周边修建永久性支护结构——即衬砌结构，内部结构与地面结构的设计基本相同。衬砌结构的作用：承重：即承受围岩压力，地下水压力，结构自重以及其它荷载作用围护：除用来防止围岩风化与崩塌外，必须做到防水和防潮衬砌结构足够的刚度、耐腐蚀性和稳定性。地下结构示意图 衬砌结构材料：砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、钢轨（型钢、格栅拱）、锚杆、喷射混凝土，铸铁、钢纤维混凝土，聚合物钢纤维混凝土等。衬砌构造型式(按现场施工方法)：模筑式衬砌：就地灌注混凝土装配式衬砌：构件预制、拼装喷锚支护衬砌：喷射混凝土，加设锚杆、金属物、钢架共同支护离壁式衬砌：与岩壁隔离且其间隙内不做回填，主要作用不是承受围岩压力，而是防水和隔潮，并可防范个别落石的危险 地下结构形式的确定：首先由受力条件控制，即在一定地质的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构形式。其次由地下结构的功能要求和施工技术要求等确定。(a)矩形(b)梯形(c)直墙拱形(d)曲墙拱形(e)扁圆形(f)圆形地下结构断面形式 土层地下结构形式：1.浅埋式结构•是指其覆盖土层较薄，不满足压力拱成拱条件(H＜(2～2.5)h，h为压力拱高)或软土地层土11中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。•常采用明挖法施工，比较经济；但在地面环境条件要求苛刻的地段，也可采用管幕法、箱涵顶进法等暗挖法施工。•结构形式：直墙拱、矩形框架和梁板式结构，或者是上述形式的组合。 •(1)直墙拱：墙体部分用砖石砌筑，拱体部分视跨度大小可采用砖砌拱、预制钢筋混凝土拱或现浇钢筋混凝土拱;拱顶：半圆拱、割圆拱、抛物线拱。直墙拱形结构 •(2)矩形闭合框架：空间利用率高，易于施工，适用于车行立交地道、地铁通道、车站等；可采用单跨、双跨或多跨，有时在车站部分还需做成多层多跨的形式。矩形闭合框架 •(2)矩形闭合框架：当跨度较小时（一般小于6m），可采用单跨矩形闭合框架，下图为地铁车站的出入口通道示意图。单跨矩形闭合框架 •(2)矩形闭合框架：当结构的跨度较大，或由于使用和工艺的要求，结构可设计成多跨。为了改善通风条件和节约材料，中间隔墙还可开设孔洞，或用梁、柱代替。双跨矩形闭合框架 •(2)矩形闭合框架：地下厂房(例如地下热电站)由于工艺要求必须做成多层多跨的结构。地铁车站部分，为了达到换乘的目的，局部也做成双层多跨的结构。双层多跨矩形闭合框架 •(3)梁板式结构：顶、底板做成现浇钢筋混凝土梁板式结构，而围墙和隔墙则为砖墙；在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中，一般除内部隔墙外，均做成箱形闭合框架钢筋混凝土结构。梁板式结构——地下教室平面图 2.附建式结构•修建于较坚固的建筑物下面的地下室，“防空地下室”或“附建式人防工事”，地下室结构将承受核爆炸冲击波的动荷载。•为地面建筑物的一部分，可以结合基本建设进行构筑。•国家人防部门规定：在新建、改建大、中型工业交通项目和较大的民用建筑中，要按建筑面积比例同时构筑防空地下室，并在本地区人防规划和城市规划的统一安排下，将经费、材料纳入基本建设计划，按照国家基本建设程序和要求进行设计和施工。•结构形式：梁板结构、板柱结构和箱型结构和其他结构。 •(1)梁板结构：防空地下室除个别作为指挥所、通讯室而外，主要在战时作为人员掩蔽工事、地下医院、救护站、生产车间、物资仓库等，属于大量性防空工事，防护能力要求较低。其上部地面建筑，多为民用房屋或一般中小型工业厂房。梁板结构工程中较为常见，顶板为钢筋混凝土梁板结构。梁板结构 •(2)板柱结构：顶板采用无梁楼盖的型式，即板柱结构。对通风、采光都比较有利，并可减少建筑高度，满足大房间的要求。平时做商店、食堂的效果比较好。板柱结构 •(2)箱形结构：a)工事的防护等级较高，结构需要考虑某种常规武器直接命中引起的效应；b)土质条件差，在地面上部是高层建筑物（框架结构或剪力墙结构），需要设置箱形基础；c)地下水位高，地下室处于饱和状态的土层中，结构要有较高的防水要求，根据平时使用的要求，需要密封的房间（如冷藏库）。箱形结构 •(3)其他结构：地下室的顶盖一般采用受力性能较好的钢筋混凝土壳体（双曲扁壳或筒壳）、单跨或多跨拱和折板结构。壳体顶盖折板结构 3.沉井与沉箱结构•不同断面形状（如圆形，矩形，多边形等）的井筒或箱体，按边排土边下沉的方式使其沉入地下，即沉井或沉箱。•沉井也称为开口沉箱，沉箱也称为闭口沉箱。由于闭口沉箱下沉施工时采用压气排水的施工方法，故通常称其为压气沉箱。•沉井（沉箱）施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一。•在市政工程中，沉井（沉箱）常用于桥梁墩台基础、取水构筑物、排水泵站、大型排水窨井、盾构或顶管的工作井等工程。 桥梁基础电力基础设施隧道始发井连续隧道结构泵站设施基础地铁车站沉井与沉箱应用领域地下停车库防波堤垃圾处理设施 4.地下连续墙结构(地下连续墙施工方法，又称槽壁法，diaphragmwall或slotwall)。•自1950年意大利开始在水库大坝中修建地下连续墙这一技术取得了突飞猛进的发展。•地下连续墙尺寸一般厚度不超过0.6m，深度不过20m。•到了20世纪80年代，由于技术设备的提高，该技术得到急速发展。•到了90年代，由于成功研制并使用了水平多轴铣槽机，出现了超厚(3.20m)和超深(170m)的地下连续墙结构。•工程实例：日本东京湾跨海公路的川崎人工岛(墙厚2.8m，直径108m)的地下连续墙基础，最大深度已达l40m。 川崎人工岛地下连续墙施工（1991.3—1992.10）墙厚：2.8m,最大深度：140m •地下连续墙结构施工：在地面上用一种特殊的挖槽设备，沿着深开挖工程的周边)，依靠泥浆(又称稳定液)护壁的支护，开挖一定槽段长度的沟槽；再将钢筋笼放入沟槽内；采用导管在充满稳定液的沟槽中进行混凝土浇筑，将稳定液置换出来。相互邻接的槽段，由特别接头（施工接头）进行连接。a)b)c)d)a)沟槽开熔；b)安设接头管；c)吊放钢筋笼；d)浇混凝土地下连续墙施工过程示意图 岩石地下结构形式：主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形等。此外，还有一些其它类型的结构，如喷锚结构、穹顶结构、复合结构等。喷射混凝土混凝土衬砌 斯德哥尔摩地铁 地下工程初步设计的主要内容：1.工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定2.确定埋置深度与施工方法3.选择建筑材料4.选定结构型式和布置5.估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸6.绘制初步设计结构图7.估算工程材料数量及财务概算 地下工程详细(施工图)设计的主要内容：1.计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等，求出作用在结构上的各种荷载值2.计算简图：根据实际结构和计算工具情况，拟出恰当的计算图式3.内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力4.内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利的可能情况进行荷载组合和内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值5.截面设计：配筋计算6.绘制结构施工详图 8.3隧道工程隧道工程的概念：隧道是人类利用地下空间的一种形式，是埋置于地层中的一种工程结构物。1970年国际经合组织的隧道会议对隧道的定义：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的洞室。 隧道工程的分类：按隧道所处的地质条件划分：土质隧道、石质隧道按埋置深度划分：浅埋隧道、深埋隧道按隧道所在的位置划分：山岭隧道、水底隧道、城市隧道按用途划分：•交通隧道：铁路、公路、地铁、航运和人行隧道•水工隧道：引水、尾水、导流、泄洪和排沙隧道•市政隧道：给水、污水、管路、线路和人防隧道•矿山隧道：运输、给水、通风隧道 隧道施工方法 1.矿山法深埋于坚硬岩体中的区间隧道，采用传统钻爆法或悬臂式和门架式多臂凿岩车钻眼爆破，使用人工或装渣机出渣，大型自卸柴油车运输的开挖方法，又称钻爆法。•基本工序：钻孔装药放炮散烟出渣支护衬砌 独臂钻开挖凿岩台车 •点火装置：电雷管非电雷管导火索点火 •排出CO、氮气、灰尘、CO2通风设备 人工清理碎石 机械清理碎石 机械清理碎石 运出碎石垃圾 1）矿山法：传送带运输碎石 支护—安装锚杆 支护—网架支撑 支护—喷射混凝土 •围岩稳定或基本稳定，开挖面不大，采用全断面一次钻爆钻孔点火一次全断面施工浇筑衬砌 •断面高度较大时采用台阶施工法。3~5m台阶施工 •地质条件复杂，断面较大，采用导洞施工法。2~3m2~3m2~3m导洞施工 导洞施工 •地质条件复杂，断面较大，采用中隔墙施工法。①④②⑤3~5m③3~5m3~5m3~5m⑥3~5m3~5m中隔墙施工 •地质条件复杂，断面较大，采用交叉中隔墙施工法。①③②④3~5m3~5m⑤3~5m3~5m⑥3~5m3~5m交叉中隔墙施工 2.新奥法新奥法(NewAustrianTunnelingMethod,NATM)是新奥地利隧洞施工法的简称，由奥地利学者于1948年提出，目前已成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。新奥法的主要特点是：①充分利用岩体的强度，发挥岩体的自承能力。②正确运用围岩﹑支护共同作用原理，以薄层柔性支护与围岩结合形成的支护系统取代厚层混凝土衬砌支护。③把监测作为必要手段，始终监测支护的位移和压力变化。④强调封底重要性，务必封底。⑤施工﹑设计﹑监测三结合。⑥经济性和安全性优于传统的矿山法。 •施工顺序可以概括为：开挖→一次支护→二次支护•开挖：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等•第一次支护：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土•第二次支护(封底)：永久性的支护(或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱）新奥法施工(尺寸单位：cm)1-混凝土；2-喷射混凝土；3-锚杆；4-金属网；5-U形钢支架；6-聚酯止水膜 3.隧道掘进机法(TunnelBoringMachine，TBM法)：•1852年，第一台蒸汽驱动的掘进机产生；1956年，美国的研究人员成功解决了第一台TBM的刀具问题。•与传统矿山法相比，具有高效、快速、优质、安全等优点。•TBM技术在一定程度上反映了一个国家的综合实力与科技水平。 •TBM的分类：①以围岩地质条件划分：硬岩、软岩、软硬兼容②以开挖直径划分：微型(0.25-3m)、中型(3-8m)、巨型(>8m)③以护盾形式划分：敞开式、双护盾式、多护盾式、盾构•典型工程实例：①英法海峡隧道：1987年动工，1993年竣工，全长49.3km，3条隧道②秦岭铁路隧道：中国首次采用TBM法施工，1997年动工，2000年竣工，全长18.46km 4.盾构法(ShieldTunnellingMethod)•利用盾构进行隧道开挖、衬砌等作业的施工方法，主要适用于在软质地基或破碎岩层中进行隧道施工。•盾构的出现：法国工程师布律内尔由观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发，在1818年开始研究盾构法施工，并于1825年在英国伦敦泰晤士河下用一个矩形盾构建造世界上第一条水底隧道。•盾构发展：气压盾构—泥水平衡盾构—土压平衡盾构—多功能综合化盾构 泥水平衡盾构土压平衡盾构球体盾构三圆盾构 •衬砌：铸铁管片﹑钢管片﹑钢筋混凝土预制管片 盾构法施工原理图 盾构法施工过程 •优点①安全开挖和衬砌，掘进速度快；②可实现自动化作业，施工劳动强度低；③不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；④穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；⑤在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。 •工程应用实例：①日本东京湾海底公路隧道：采用盾构法施工，于1997年12月竣工，隧道长10km。盾构设计采用最先进的自动掘进管理系统、自动测量管理系统和管片自动拼装系统，8台盾构在海底实现了对接。日本东京湾桥隧公路工程东京湾隧道采用的盾构机 ②打浦路隧道：1970年，上海隧道建设公司用盾构法建造了中国第一条水底公路隧道，全长2.7km，在黄浦江底掘进1322m，外径10m。直径10.22m盾构掘进机打浦路隧道工程施工 5.明挖法(基坑法)•是浅埋地下铁道最常用的方法。•从地面向下开挖，并在欲建地下结构的位置进行进行结构的修建，然后在结构上部回填土及恢复路面。•6.盖挖法•由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。•当地下工程明做时需要穿越公路、建筑等障碍物而采取的新型工程施工方法。•主体结构可以顺作，也可以逆作。 7.浅埋暗挖法•又称软土隧道新奥法或浅埋隧道新奥法，是基于岩石隧道新奥法的基本原理，针对城市地下工程的特点，于20世纪80年代在北京地铁第四纪软土中开创出的新方法。•适用范围：各种软弱地层的地下工程北京地铁复兴门折返线（1987，军都山隧道（1988，第一国家科技进步二等奖）次用小导管、网构钢架） •18字方针：管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测。①管超前：指采用超前导管注浆防护，实际上就是采用超前预加固支护的各种手段，提高工作面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；②严注浆：在超前预支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的结构体，以增强围岩的自稳能力；③短开挖：即限制1次进尺的长度，减少对围岩的松弛； ④强支护：在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；⑤快封闭：在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为及时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖1环，封闭1环，提高初期支护的承载能力；⑥勤量测：对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。 •特点：①适用于各种地质条件和地下水条件；②具有适合各种断面形式（单线、双线、多线、车站等）和变化断面（过渡段、多层断面等）的高度灵活性；③通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效控制地表下沉和坍塌；④与盾构法比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；⑤与明挖法比较，可以极大地减轻对地面交通和商业活动的影响，避免大量的拆迁；⑥从综合效益观点出发，是比较经济的一种方法。 8.沉埋法(ImmersedTunnellingMethod)•又称沉管法，指的是将箱形或管形预制构件，分段沉埋至河底或海底而构成隧道的施工方法。•适用范围：多用于覆盖层非常薄，且围岩极不稳定的隧道，适合建造跨越江河或海峡的隧道。•产生的历史：19世纪末已用于排水管道工程；第一条用沉管法施工成功的是美国波士顿的雪莉排水管隧洞，于1894年建成；20世纪初，开始用于交通隧道，1910年美国建成了第一条底特律河铁路隧道。 •施工过程：先在隧址以外的预制场（多为临时干坞或利用船坞）制作管段，两端用封墙密封，制成后拖运到指定位置上，在已预先挖好的基槽沉放下去，通过水力压接法进行水下连接，再回填覆土。沉管预制 开挖江底/海底沉槽 沉管单元拖运至隧道现场 人孔沉管单元沉放 GINA橡胶伸缩缝平衡水箱拆除临时隔板拆除临时隔板联结沉管单元 填埋沉管单元 •特点：①容易保证隧道施工质量；②工程造价较低；③在隧道现场的施工期短；④操作条件好、施工安全；⑤适用水深范围较大；⑥断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用。 •工程实例：①宁波甬江隧道：我国第一条采用沉管法建造的水下隧道，1994年建成，隧道全长1018m，沉管长419.58m。 ②上海外环线越江隧道(泰和路隧道)：双向八车道水下公路隧道，全长2870m，江中沉管段长736m，分7节管段，其长度为100～108m不等，管段横断面宽43.00m，高9.55m，2003年建成，是当时亚洲最大、世界第三的沉管隧道。 9.悬浮法：也称阿基米德桥，将隧道悬浮在水中，仍在研究中。