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第28卷第5期中国公路学报Vol.28No.52015年5月ChinaJournalofHighwayandTransportMay2015文章编号:1001-7372(2015)05-0001-65中国隧道工程学术研究综述·2015《中国公路学报》编辑部摘要:为了促进中国隧道工程学科的发展,系统梳理了各国隧道工程领域的学术研究现状、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。首先在总结中国隧道工程建设历程和现状、技术发展与创新的基础上对未来隧道工程的发展趋势进行了展望;然后分别从钻爆法、盾构工法、沉管工法、明挖法和抗减震设计等方面对隧道工程设计理论与方法进行了系统梳理;进而从不同工法(钻爆法、盾构工法、TBM、沉管工法、明挖法)的角度对隧道施工技术进行了详尽剖析;最后从运营通风、运营照明、防灾救灾、病害、维护与加固等方面对隧道运营环境与安全管理进行了全面阐述,以期为隧道工程学科的学术研究提供新的视角和基础资料。关键词:综述;隧道工程;设计理论与方法;施工技术;运营环境;安全管理中图分类号:U45文献标志码:AReviewonChinasTunnelEngineeringResearch:2015EditorialDepartmentofChinaJournalofHighwayandTransportAbstract:InordertopromotethedevelopmentofChinastunnelengineeringsubject,theacademicresearchstatus,hotissues,existingproblems,correspondentcountermeasuresanddevelopmentprospectsabouttunnelengineeringathomeandabroadwereanalyzedsystematically.Firstly,Chinastunnelengineeringconstructionhistoryandstatusquo,technologydevelopmentandinnovationweresummarizedandthedevelopmenttrendoftunnelengineeringinthefuturewasintroduced.Secondly,tunnelengineeringdesigntheoryandmethodwereinvestigatedsystematically:drillingandblastingmethod,shieldmethod,immersedmethod,cutandcovermethod,andanti-seismicandshockabsorptiondesign.Thenfromtheaspectofdifferentmethods(includingdrillingandblastingmethod,shieldmethod,TBM,immersedmethod,andcutandcovermethod),tunnelconstructiontechnologywasdissectedindetail.Finally,basedonoperationventilation,operationlighting,disasterpreventionandrescue,disease,maintenanceandreinforcement,tunneloperationenvironmentandsecuritymanagementwereelaborated.Thispaperissupposedtoprovidenewperspectivesandbasicdataforacademicresearchesontunnelengineeringsubject.Keywords:review;tunnelengineering;designtheoryandmethod;constructiontechnology;op-erationenvironment;securitymanagement
2中国公路学报2015年现,隧道工程建设如火如荼;然而,迄今为止学术界索引缺乏对整个隧道工程领域学术研究成果的系统总结0引言…………………………………(2)和梳理。为了促进中国隧道工程学科的发展,充分1隧道工程建设成就与展望……………(2)发挥《中国公路学报》在公路交通行业中的学术引领1.1建设历程………………………(2)作用,本刊编辑部特约请了隧道工程领域的专家、学1.2建设现状………………………(3)者20余人,在分析行业发展现状和趋势的基础上,1.3技术发展与创新………………(4)围绕隧道工程设计理论与方法(钻爆法、盾构法、沉1.4展望…………………………(5)管法、明挖法、抗震设计)、隧道施工技术(钻爆法、盾2隧道工程设计理论与方法……………(6)构法、TBM、沉管法、明挖法)、运营环境与安全管理2.1钻爆法…………………………(6)(运营通风、运营照明、防灾减灾、病害、维护与加固)2.2盾构工法………………………(9)等主题,论述各国该领域的学术研究现状、热点、存2.3沉管工法………………………(12)在问题、具体对策及发展前景,以期为中国隧道工程2.4明挖法…………………………(14)学科的学术研究与发展提供参考和借鉴。由于资2.5抗减震设计……………………(18)料、水平有限,加之时间仓促,该综述还不够系统和3隧道施工技术…………………………(21)完善,对一些问题分析的深度和广度还不够,敬请广3.1钻爆法…………………………(21)大读者批评指正。3.2盾构工法………………………(24)1隧道工程建设成就与展望(山东大学3.3TBM隧道修建技术…………(27)李术才老师提供初稿)3.4沉管工法………………………(31)3.5明挖法…………………………(33)1.1建设历程4隧道运营环境与安全管理……………(37)纵观世界公路隧道修建史,中国古人早在汉朝4.1运营环境………………………(37)就开凿了世界上第1条人工隧道———石门隧道,之4.2防灾救灾………………………(45)后历代陆续有用于交通、灌溉和军事用途的小规模4.3病害…………………………(48)土洞和岩洞出现,相续衍生于秦驰道、汉丝绸之路、4.4维护与加固……………………(48)唐宋御道以及明清官道的华夏交通网络中。直至5结语…………………………………(51)20世纪上半叶中国公路发展仍举步维艰,清末和北洋政府时期是中国公路的萌芽阶段。中国第1条公0引言路是1908年在广西南部边防兴建的龙州至那堪公[1]随着社会经济水平的持续发展和人们对生活质路,长30km,随后广东、湖南、福建、江苏等省相量要求的不断提高,中国的交通运输及工程建设规继修建公路,建有邕武公路、龙州至水口公路、长沙模与数量在总体上呈现出不断增长的趋势。隧道作至湘潭公路等,至1927年全国公路通车里程仅4为地下通道的工程建筑物,具有某些其他工程无法2.9×10km。民国时期,公路开始纳入国家建设规划阶段,至1936年公路通车里程约11.73×104比拟的优势,因此也呈现出了非常明显的增长趋势,具体表现为里程数不断增加,特长和长大隧道以及km。抗日战争时期,公路发展缓慢,总里程增长至4大规模隧道群不断涌现,以隧道方式跨越水域的工13×10km,截止到新中国成立前夕,能通车的公路里程也仅为7.5×104程日益增加。隧道作为交通运输线路上的工程结构km,全中国仅有十几座公路物,具有重大的社会、经济效益。特别是在山岭地区隧道用于低等级公路穿山越岭,最长不超过200m,可克服地形或高程障碍,改善线形,缩短里程,节省但铁路隧道有200多座,总延长近90km,最长的约[2]时间,减少对植被的破坏;在城市可减少地面用地,4km,如滇缅铁路碧鸡关隧道、大转弯隧道、密马对疏导交通起到积极的作用;在江河、海峡和港湾等龙隧道等,但整体建设水平和质量较为落后,至今几地区,可不影响水路通航,提高舒适性,增加隐蔽性乎全部废弃。且不受气候影响。由此可见,隧道建设对于交通的新中国成立后,公路开始在中华大地迅速延伸,发展起着积极的促进作用。随着隧道工程领域相关1950~1952年国民经济恢复时期新建公路38464研究的不断深入,新工法、新技术、新结构等不断涌km,全中国通车里程近13×10km。1953年第1
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·20153个五年计划开始实施,这是中国公路的稳步发展阶等一批标志性特长隧道工程。其中,秦岭终南山公段,通车里程增长了1倍,举世闻名的川藏、青藏公路隧道已成为中国目前运营最长的公路隧道。路于1954年通车。但在五十年代中国仅有公路隧目前,中国已成为世界上隧道工程建设规模最道30多座,总长约2500m,且单洞长度均较短,六大、数量最多和难度最高的国家,这不仅体现在隧道七十年代干线公路上修建了一些超过百米的隧道,长度、埋深和断面尺寸的增长上,建设难度和技术创主要用于低等级公路穿山越岭。“大跃进”和国民经新也达到了空前的高度,各种新材料、新工艺等不断济调整时期,公路数量急剧猛增,成鹰、宝成、川黔、涌现。随着中国公路交通路网不断向崇山峻岭、离渝厦、福温、沈丹、滩石等国家干线公路相继建成,至岸深水延伸,越来越多的隧道工程将修建在高海拔、4强风沙、高温高寒环境和高应力、强岩溶区域,包括1965年底中国公路通车里程已达51.4×10km。十年动乱期间,中国公路建设仍有发展,10年增长越江跨海等水下隧道,亟需发展新材料、新工艺、新了10×104方法和新技术,为未来几十年公路隧道工程建设的km,其中不乏有打浦路水下隧道和挂壁公路郭亮隧道等亮点工程,分别长达2.761km和持续发展提供重要的技术支撑。1.25km。到1978年,全中国公路通车总里程超过1.2建设现状4公路隧道的发展得益于高速公路的建设。201189×10km,次年公路隧道达375座,通车里程52km,隧道建设规模和数量有所增长,主要出现在年以来,公路隧道年均净增已超过1000km,至省道和国道公路上,诸如河南S229省道的愚公洞隧2014年底,中国已有公路隧道12404座,总长道和向阳洞隧道等。10756.7km。2010~2013年公路隧道总里程与座十一届三中全会以后,公路交通建设变得更为数增长率分别为46.7%和35%,远超过公路本身的[4]迫切,1985年中国公路总里程历史性的突破百万千增长率,且于2012年其年均建设里程超越铁路隧米,但交通功能亟待改善,高速公路进入国人视野,道,具体见图1。在很长时期内,公路隧道的建设规隧道工程建设进入前所未有的高峰期。1984年,中模和数量远不及铁路隧道。进入新世纪后,公、铁隧国第1条高速公路———沈大高速公路开工,高速公道建设速度稳步增长,且在2008年左右均进入快速路建设如火如荼,公路隧道工程越来越多,代表性工增长期,公路隧道建设里程于2012年超越铁路隧程有深圳梧桐山隧道、福建马尾隧道和甘肃七道梁道,目前总里程已超过1×104km,涌现出一大批具[5-7]隧道等。至1990年底,中国已建成十余座千米级隧有开创性和示范功能的隧道工程。道,福建鼓山隧道成为中国第1座现代化公路隧[3]道。“九五”期间新建隧道504座,27.8万延米,高速公路总里程于1999年突破了1×104km,跃居世界第4位,至1993年公路隧道通车里程137km(683座),均以二级以下的短隧道为主,发展至2000年达627km(1685座)。2001年末中国高速公路通车里程达到1.9×104km,跃居世界第2位,至2007年底已建成公路隧道总里程2555km,先后涌现出成渝环线高速中梁山隧道(3.16km)、沈海高图1中国公路、铁路隧道建设里程增长情况速大溪岭隧道(4.116km)等一批特长或宽体扁坦Fig.1GrowthofChineseHighwayandRailway隧道工程,面临的修建环境和地质条件越发艰难,隧TunnelConstructionMileage道工程建设和营运技术空前复杂。在沈大高速公路扩建期间,2004年建成的金州进入21世纪以来,中国公路隧道年均增长率高隧道成为中国第1座单洞四车道公路隧道,最大开达20%,且有逐年加快的趋势,仅前十年公路建设[8]挖宽度达22.482m。深圳雅宝隧道和广州龙头年均隧道里程就高达555km,隧道建设与营运技术山隧道分别是中国第1条双洞八车道公路隧道和最得到了长足发展。先后建成了沪蓉高速华蓥山隧道长大跨度高速公路隧道,后者的最大开挖面积达(4.706km)、二广高速雁门关隧道(5.235km)、福2[9]229.4m,于2008年建成通车。福建万石山隧银高速美菰林隧道(5.580km)、沪渝高速方斗山隧道-钟鼓山隧道是中国第1座地下立交互通隧道,由道(7.605km)和秦岭终南山公路隧道(18.02km)7条隧道组成隧道群,于2008年全部建成通车,这
4中国公路学报2015年是地下立体互通设计理念的大胆尝试,在隧道扁平[10-11]度和埋深方面均有了较大突破。福建的金鸡山隧道是当时跨径最大的高速公路双连拱隧道,单洞净跨18.198m,连拱隧道总跨度达41.498m,于[12]2010年建成通车。福建弄尾隧道为单洞四车道,宽度达21.9m,是中国开挖断面最宽的公路隧道,[13]于2011年通车。西藏嘎隆拉隧道是中国最后一条通县公路———墨脱公路的控制性工程,其坡度达[14]4.1%,是中国坡度最大的公路隧道。四川雅克图2中国水下隧道建设里程增长曲线夏雪山隧道海拔4300m,是中国目前已通车海拔Fig.2GrowthCurveofChineseUnderwaterTunnel最高的公路隧道,青海长拉山隧道则是世界上在建ConstructionMileage[15-16]海拔最高的公路隧道,出口海拔达4493m。的城市交通建设需要修建水下隧道。目前,运营最青海鄂拉山隧道是世界上在建最长的高原冻土双洞长的水下隧道是狮子洋隧道,长度为10800m。中公路隧道,知亥带隧道则是同类隧道中海拔最高的,国正在规划未来30年内建设包括穿越渤海湾、琼州进口海拔4462m,这2座隧道分别于2011年和海峡、台湾海峡等在内的5条世界级海底隧道工程,2013年开工建设。陕西的羊泉隧道和唐家塬隧道近百座跨越江河湖泊的水下隧道即将投入建设。因分别是中国最长和断面最大的黄土隧道,前者长此,中国水下隧道建设方兴未艾,任重而道远。2[17-18]。广东牛6.146km,后者最大断面达172.4m1.3技术发展与创新头山隧道横截面积可达243.5m2,是中国横截面积1.3.1勘测与设计水平不断提高最大的单向四车道公路隧道,于2013年建成通车。近年来,随着复杂地质条件下大埋深和长洞线河南红专路矩形顶管隧道断面高7.5m,宽10.4隧道工程的不断增多,工程勘察综合利用了遥测遥[19-20]m,于2014年12月建成通车。上述工程的出感、多点高频物探、GIS、GPS等技术,不仅提高了勘现极大程度上刺激了中国隧道建设水平的飞速提测效率,也大幅提高了控制精度的等级。设计技术高,在项目规划、勘测设计、施工建造以及运营管理方面引入了BIM技术,隧道设计逐步重视交通和建多个方面取得了重大突破,使得公路隧道建设技术造艺术的双重功效,在隧道扁平度和埋深方面均有[21]水平达到了前所未有的高度。较大突破,涌现出一批新型隧道结构形式,诸如分岔此外,水下隧道建设发展蓬勃,越来越多的城市隧道等,并形成了地下立体互通的设计理念,立体交交通急需修建大量的河底、湖底、江底和海底隧道叉广泛应用于公路、铁路隧道和地铁中,如长沙营盘(图2)。中国第1条水下隧道是1970年建成的打路湘江隧道。浦路越江隧道,2009年建成的浏阳河隧道是当时世1.3.2隧道施工技术的发展界埋深最浅的河底隧道,暗挖段河床下覆土厚度仅中国大部分地铁隧道采用浅埋暗挖法,包括部[22-23]14m,风险极高。厦门翔安隧道是中国第1条分公路、铁路隧道,尤其是浅埋山岭隧道与水下隧[24]海底隧道,全长8.695km,于2010年建成通车。道。钻爆法施工长期主导中国隧道工程施工技术,安徽的方兴湖隧道是中国最宽的湖底隧道,左右跨推进了中国设备的信息化和自动化进程,针对开挖[25]度净跨16.45m,于2012年主体竣工。江苏瘦西和支护流水线作业,先后自主研制了液压凿岩台车、湖隧道主体盾构段长1275m、直径14.5m,下穿瘦挖装机、自动机械化喷射混凝土设备、拱架安装机、西湖,是世界上直径最大的单洞双层公路隧道,于移动栈桥、模板台车等一系列装备,极大提高了工作[26]2014年9月建成通车。此外,在武汉、南京、上海效率。等地修建了大量的江底隧道,引入了TBM、盾构等盾构、TBM掘进机长期以来依赖国外引进,但施工技术,极大程度地促进了水下隧道建设和运营近年来以中铁装备为代表的中国厂家已实现了中国[27]水平的提高。盾构和TBM的自主制造,占据了中国大部分市场,中国水域面积辽阔,内陆水域面积达17.47×在地铁工程中广泛应用,并于2014年成功实现了超42(长江、黄河、珠江等七大水系),辽东湾、渤10km前地质预报装备的搭载。在大量工程实践中,不断海湾等海湾水域面积超过0.5×1042,越来越多km创新了单护盾TBM和敞开式TBM技术,解决了
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·20155TBM在软弱地层掘进脱困与市区沉降控制技术中工等面临着空前严峻的技术挑战。的难题,形成了超浅埋、大宽度、小净距矩形顶管技(1)隧道全寿命与结构耐久性设计术与盾构始发、到达零覆土技术,在甘肃引洮7号隧隧道传统设计方法主要包括经验类比法、荷载洞、重庆轨道交通6号线等工程中成功应用,创造了结构法、地层结构法和信息反馈法,主要侧重结构的多项世界纪录。安全,在围岩荷载、水压力取值以及岩体破坏机理方1.3.3隧道工程防灾和减灾技术的进步面缺乏突破性进展,且较少涉及运营期的管理、维护隧道地质灾害主要包括突水突泥、岩爆、大变形等问题,诸如防排水系统维护更换、运营期突涌水和高瓦斯。突水突泥灾害源的定位定量预报技术取等。同时,在投资上存在重建设期、轻运营期的现得了较大突破,尤其是对含水构造的静储量的估算,象。针对复杂及深部地层的隧道工程,急需建立考灾害预测预警尝试建立以微震为载体的多元信息综虑结构耐久性的隧道全寿命周期设计方法,将空间合预报预警系统,以实现对灾害源动补给水量和涌三维结构、物料特性、工艺设计与全寿命周期管理融水量的预测预警,该技术已在成兰铁路跃龙门隧道于一体,实现高应力和高渗压作用下隧道结构的定进行了现场试验。对于大规模突水突泥灾害的治量设计,开发耐腐蚀和耐疲劳等超高性能的混凝土理,涌现出了一系列新型注浆材料及配套工艺、装材料,以适应复杂地层和深部地层的特殊地质环境备,初步解决了高压大流量动水封堵与富水破碎岩和运营要求,并制定相应的标准和规范,使隧道在设体加固的技术难题,如江西吉莲高速莲花隧道大规计和建造阶段就充分考虑到全寿命的使用性能和模破碎带突水突泥的治理。大变形问题在乌鞘岭隧要求。道中极为突出,在兰渝铁路、沪蓉西高速等诸多工程(2)隧道精细化勘测与地质预报中也有出现,其具有变形速率快、总变形量大和持续隧道勘测将向精细化和大数据方向发展,逐步时间长等显著特点,实际施工中主要从开挖工法、支借助遥感、北斗卫星定位系统等技术,结合多点频物护措施等方面进行改进,诸如采用深孔锚杆、钢管混探、高速地质钻机以及水位地质资料信息进行大数凝土等,但尚未从根本上解决该问题。锦屏引水隧据分析,形成天、地、空三位一体化大数据分析平台,洞施工中遇到了强烈的岩爆灾害,主要采用导洞释提高勘测的精度和效率。隧道施工过程超前地质预放应力,掌子面洒水等措施进行预防,监测预警主要报,在传统TSP、地质雷达等基础上发展可实现含依赖微震技术,对应力型岩爆具有一定效果,整体来水构造定位定量预报的复合式激发极化和全空间瞬讲岩爆灾害的防治仍处于被动状态。变电磁技术,汲取地质素描、物探钻探动态信息,进1.3.4隧道工程结构新材料与运营管理的进步行多元信息的联合反演,实现掌子面前方含水构造以防排水材料、衬砌混凝土材料以及反光材料的定位预报(100m)、水量估算(40m)。同时,关注为代表,隧道结构新材料及工艺不断涌现,诸如喷涂钻孔雷达与跨孔电阻率CT技术,使得预报技术能速凝型防水材料、高性能防腐混凝土、自发光材料“深入腹地、精细窥探”钻孔周围30m范围含水构等。隧道风险监控方面发展了无线智慧感知及可视造的空间展布和赋存形态。化技术,研发了隧道结构健康快速检测车,提出了等(3)岩溶隧道灾害预测预警与控制技术效节能照明理念,并以秦岭终南山公路隧道为应用富水断层、充水溶洞等含水构造定位定量预报示范工程,突破了长大隧道防灾救灾和通风照明技是岩溶隧道施工面临的首要难题,突水突泥灾害预术的难题,采取竖井送排式纵向通风方式,每座隧道测预警则是灾害控制的核心难题。通过综合物探技洞内设置3处特殊照明带,缓解驾驶疲劳。整体来术圈定灾害源区域位置,发展以微震为载体的突水讲,隧道工程运营管理仍需向精细化、信息化和智能前兆多元信息实时监测方法与综合预警技术,通过化方向继续发展。含水体补给通道的微震定位推测最大补给水量,预1.4展望测突水量量级,对隔水阻泥结构进行实时监测,获取隧道将成为人类“上天入地”的重要探索途径,内部通道微破裂信息与外部力场等多元监测信息,未来的隧道工程将面临空前复杂的地质条件和施工进行大数据挖掘与实质融合,发展基于前兆多元信环境,呈现出长洞线、大埋深和大断面的发展趋势,息综合预警阈值的突水预报预警装备与技术,对于复杂地层及深部地层高应力和强渗透压导致的岩突水灾害远程监控与临灾预警具有重要的工程价爆、突水突泥等地质灾害愈演愈烈,钻爆法、TBM施值。对于已探明的重大灾害源,需综合考虑地下水
6中国公路学报2015年资源保护与灾害处置效果,以及充水溶洞等含水构的岩爆综合防治技术体系;同时,还应关注防岩爆型造的防排堵截决策模型,形成灾害协同治理的基本支护结构的研究,尤其是具有缓冲压力和一定弹性原则与方法。针对突水突泥、大体积坍塌等地质灾能力的初喷混凝土材料,发展高应力区钻爆法施工害,急需突破高压大流量突水封堵与富水破碎岩体的防岩爆型支护结构和掘进机施工的护盾技术,突坍塌治理难题,发展具有早高强和抗分散功能的堵破深部岩体工程岩爆预测预警和防治关键技术也是水加固一体化注浆材料及配套工艺、装备,并关注大重要的研究方向。深部岩体大变形具有强流变、难型溶洞的充填技术,发展新型充填材料及配套支护支护的显著特性,尤其是深部岩体的分区破裂化现结构体系,为岩溶隧道地质灾害防治提供技术支撑。象和特殊岩质的持续流变特性引发一系列极具挑战(4)水下隧道建设关键技术性的支护难题,导致工程围岩坍塌、冒顶等重大灾越来越多的河底、江底和海底隧道即将投入建害。此外,硬岩大变形是高地应力区深部工程特有设,其覆盖厚度和路线选址异于山岭隧道,水下隧道的一种灾害形式,但尚未引起足够重视。针对当前设计需更多考虑超高水压条件下结构的防排水和防研究对大变形的共性认识和尚需验证的争议点,还腐寿命,急需研究强渗流和施工扰动双重作用下衬应进一步探讨岩体由浅层转入深部后岩体力学性能砌结构的动态演化破坏机理,并着重研究地震、火灾急剧变化带来的支护理念和支护技术、工艺等方面等对深水长线隧道结构设计的影响,突破现有隧道的革新,尤其是深部分区破裂对支护的要求,重点关设计理念。建设方面,水下隧道面临深水不良地质注钢管混凝土支护体系、六肢格栅及其他新型支护预报和精细化勘察的难题,需突破钻爆法或掘进机结构形式,研究大变形控制标准和支护设计的技术穿越浅覆土层、陆域流沙层、海域风化槽等不良地层难题,突破深部地下工程岩体大变形预测预警与防的施工关键技术。运营方面,应加强对衬砌结构健治关键技术。康监测与运营安全管理的研究,尤其是发生火灾时2隧道工程设计理论与方法的预警救援与应急逃生,实现复杂地质条件下高水压、大断面海底隧道施工与运营的安全管理。2.1钻爆法(山东大学李术才、李利平老师,长安大(5)复杂及深部地层大型掘进机施工关键技术学陈建勋、罗彦斌老师提供初稿)为适应隧道工程的长大深发展趋势,TBM、盾钻爆法也称钻孔爆破法,是通过钻孔、装药、爆构等大型掘进机将面临诸多设计和施工难题,尤其破开挖岩石的方法。是越来越大的断面尺寸,超大型掘进装备的设计与最原始的岩石破碎是先用锤击岩石,然后根据制造成为中国国产化装备的重大突破方向(直径大热胀冷缩的原理,用木材烧热岩石,随后再用冷水浇于17m)。超大型掘进机动力传递、突变载荷顺应淋,造成岩石碎裂。随着黑火药在军事上的发展使性设计、导向纠偏等关键设计难题的进一步研究也用,1627年KasperWeinde首先在匈牙利使用黑火刻不容缓。针对掘进机穿越浅覆土层、软硬岩交接、药进行了矿山岩石巷道的爆破,爆破法第1次应用[5]岩溶区等特殊地段,需突破硬岩地层刀具磨损、软岩于隧道工程施工。1863年,意大利Sommineller地层卡机以及突水突泥、岩爆等灾害发生时机械脱发明了风动凿岩机,风钻开始应用到隧洞开挖中。困、护盾等技术难题。发展TBM搭载激发极化等预同时,火药也被做成药卷状使用,1857~1870年,欧报装备,在线实时监测感知围岩———机械系统信息技洲修建的仙尼斯铁路隧道,长12235m,就是采用这术,突破大型掘进装备施工自动化、多样化、高适应性种开挖方法。风动凿岩机的发明,使隧道钻爆技术以及智能化发展的技术难题也是下一步的研究方向。产生了巨大的突破。1870年,欧洲修建长14912m(6)岩爆与大变形灾害预测预警与控制技术的圣哥达隧道时,隧道钻爆技术更趋进步,该隧道掘岩爆(冲击地压)是典型的深部工程灾害形式,进速度创造了日进7.3m、月进171m的记录。在岩质坚硬的地层尤为突出。大量现场岩爆记录表经过100多年的发展,钻爆法的施工方法得到明爆破对岩爆发生的强度和频次有直接影响,当前了迅猛发展,先后出现了喷锚支护、控制爆破、新奥的研究主要集中于开挖后瞬间发生的岩爆,对时滞法等技术,使得隧洞施工迈向全断面、大断面、机械性岩爆尚无太多讨论。在当前综合超前地质预报、化、高效率的发展方向。微震等新型监测技术的基础上,应加强对岩爆预测2.1.1设计理论方法的研究,从多个角度出发探讨具有广泛适用性经过多年的基础工程建设和研究,采用钻爆法
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·20157[29]施工的隧道及地下工程结构设计理论正逐步形成一诀,避免了照搬硬岩隧道新奥法经验的弯路。门完善的学科理论。到目前为止,结构设计的发展2.1.1.4能量支护理论大致经历了如下几个阶段:古典压力理论、弹塑性力1975年Salamon提出了能量支护理论,认为支学理论、新奥法理论、能量支护理论等。护结构与围岩相互作用、共同变形,在变形过程中,2.1.1.1古典压力理论围岩释放一部分能量,支护结构吸收一部分能量,但古典压力理论认为在支护结构上覆盖的重力是总能量没有变化,因而,其主张利用支护结构的特其压力的来源,其代表有Haim理论、Rankine理论点,使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收和金尼克理论、Terzaghi理论和普氏理论。但是这的能量,支护结构具有自动释放多余能量的功能。种理论没有考虑围岩自身的承载能力,由于早期地不足之处在于该理论发展尚不够成熟,很难用于指下工程埋置深度不大,此种理论曾一度被认为是正导实践。确的。通过近几十年的研究,隧道所处位置地应力2.1.1.5其他理论垂直分量的实测结果表明,地应力垂直分量常常并为了解决隧道开挖和支护的稳定性问题,各国不等于上覆盖层重力的量值,两者往往有很大差异,提出了多种控制理论:日本山地宏和樱井春辅提出[30]该理论逐渐被人们所怀疑。了应变控制理论;于学馥等在1981年提出了“轴[31]2.1.1.2弹塑性力学理论变理论”和“优系开挖控制理论”;陆家辉通过对弹塑性力学是固体力学的1个重要分支,是研新奥法支护理论进行总结,提出了“联合支护基础”究弹性和弹塑性物体变形规律的1门科学。1678理论,注重“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支[32]年,Hooke提出了弹性体的变形和所受外力成正比护”;郑雨天提出了锚喷-弧板支护理论,认为联的定律;19世纪20年代,法国的Navier,Cauchy和合支护理论先柔后刚的支护形式为“钢筋混凝土弧[33]DeSaintVenant等建立了弹性理论;1864年,Tres-板”;He提出关键部位耦合组合支护理论,认为ca提出了最大剪应力屈服条件;Mises提出形变屈巷道破坏主要由于支护结构与围岩在强度、刚度上服条件,Prandtl和Reuss提出了塑性力学中的增量不耦合造成的。理论;Fenner和Kastner分别推导了弹塑性理论施工过程力学最早于20世纪80年代初期由朱公式。维申提出,是以钻爆法隧道工程的施工过程(开挖与2.1.1.3新奥法理论支护的时间和空间顺序,即时空效应)为研究对象,新奥法是应用岩体力学理论,以维护和利用围强调施工过程对围岩稳定状态的影响,通过深入研岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射混凝土为主究施工过程对围岩稳定性的影响与锚固效应的准确要支护手段,及时进行支护,控制围岩的变形和松评价方法,采用科学的方法提出设计和施工方案的弛,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过对围岩优化原理,为寻求最佳的开挖和布锚等施工方案提[34]和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设供理论依据。计施工的方法和原则。2.1.2设计模型Rabcewicz最早把新奥法思想应用于奥地利阿目前有关隧道衬砌结构的计算方法有“荷载-结尔卑斯山深埋硬岩隧道建设,采用柔性支护旨在充构法”和“地层-结构法”2种理论,与其相对应的计[28]分利用“拱效应”———地层的自承能力;20世纪算模型分别为荷载-结构模型、地层-结构模型。60年代中期,Muller把新奥法应用于城市地铁软岩2.1.2.1荷载-结构模型(土)隧道,认为新奥法用于硬岩隧道和软岩(土)隧荷载-结构模型的设计原理为,隧道开挖后地层道开挖时应有所区别;1964~1969年Rabcewicz提的作用主要是对衬砌结构产生荷载,而衬砌结构应出了岩石压力下隧道稳定性的理论分析,强调采用能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。隧道支薄层支护,并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性,根护结构的承载能力极限状态计算,可以采用传统的据试验证实,衬砌应按剪切破坏进行设计计算。综合安全系数法(破损阶段法),也可以采用基于结中国在20世纪70年代引入新奥法,并得到迅构可靠度理论的分项安全系数法。计算时先按地层速推广,取得了良好的技术经济效果,在软岩(土)隧的类别计算出地层压力,然后再按弹性地基结构物道新奥法施工中,提出了既全面又科学的“管超前、的计算方法计算隧道衬砌内力,内力求出后再进行严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字结构截面的设计。20世纪80年代中期,以概率论
8中国公路学报2015年数理统计为基础的可靠度分析方法开始应用到隧道大位移,又能计算岩体内部的应力和位移分布,进行[43]结构设计的研究中。颗粒行为的模拟和分析。2.1.2.2地层-结构模型由于本构模型和物理参数等诸多方面的原因,地层-结构模型设计理念是将隧道衬砌和地层数值模拟仿真得到的数据虽然很难作为设计的准确看成是整体共同受力的统一体系,在满足变形协调依据。但是,数值计算将随着计算机技术的发展和条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力,并据此岩石及土力学问题的逐步解决,越趋于准确和完善,验算地层的稳定性和进行结构截面设计。与荷载-在以后的隧道设计中必将成为一种重要的设计和验[44]结构模型相比,地层-结构模型充分考虑了地下结构证方法。与周围地层的相互作用,结合具体的施工过程可以2.1.3设计方法充分模拟地下结构以及周围地层在每个施工工况下钻爆法隧道施工的设计方法主要有工程类比的结构内力以及周围地层的变形,更符合实际工程。法、荷载-结构法、地层-结构法、信息反馈法、综合设地层-结构模型的计算方法可分为解析法和数计法和针对地震荷载的抗震设计法6种。值法。其中解析法只适用于均匀介质中的圆形隧2.1.3.1工程类比法道,且只能计算若干典型工况,一般采用收敛-约束工程类比法又称经验法,是将拟建工程的地质法、特征曲线法或剪切滑移破坏法。除简单边界条结构状况与已建成工程的地质结构状况进行类比,件的圆形洞室有较严格的解析解外,其他断面形状综合分析以确定拟建工程破坏面的各项参数指[45]的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、标。近几年,这种方法在国内外得到了普遍的运弹塑性或粘(弹)塑性的隧道地层结构。用,可以针对不同的围岩类别及地质情况,直接定量(1)解析法地给出与隧道设计有关的围岩压力和应采取的支护解析法主要是采用复变函数积分变换法、复变措施和类型,提高隧道设计和施工的效率。函数法、分离变量法、变分法等对围岩应力变形进行围岩分级从Terzaghi最早提出发展至今,分类[35]计算求解,具有精度高、速度快等优点。1956年方法有上百种之多。从最初以单一指标分类,到以Tumei最早提出了解析法求解围岩应力变形问题;多项指标分类,再到以多种因素组合分级,围岩分级[36][37]Panet,Unlu等根据三维有限元弹性分析法得在各国工程实践中不断完善。随着勘探测量技术、[38]出了LDP拟合公式;Basarir等,Abdel-Meguid监控量测技术和岩石力学的发展,围岩分级逐渐从[39]等采用三维有限差分法探究了理想弹塑性围岩以主观经验定性描述,向经验定性描述和定量指标开挖面的空间效应。由于周围地层以及地层与结构相结合对围岩进行综合评价的分级方法发展,并将相互作用模拟的复杂性,地层-结构法处于发展阶继续发展成为以定量分析为主。目前世界上比较著段,在很多工程应用中,仅作为一种辅助手段。不过名的围岩分类方案有:奥地利的MATM分类法、前随着今后的研究和发展,地层-结构法将会得到广泛苏联的普氏系数法、Barton的Q系统法、Deer的[40][46]应用和发展。RQD分类法等。(2)数值法在目前的钻爆法隧道工程中,工程类比法应用随着计算机技术的迅猛发展,各种数值计算方较为普遍,理论体系发展迅速,但是还存在一定的不法越来越多地被应用到围岩稳定性的分析中,主要足和局限性,致使有些工程设计不合理,技术措施不使用的方法有有限元法(FEM)、边界单元法当,易造成工程事故或安全隐患,因此,应加强和重(BEM)、离散单元法(DEM)、拉格朗日单元法以及视钻爆法隧道工程的经验积累,建立隧道数据库和块体理论等,或是上述几种方法的耦合分析。专家评判系统。19世纪60年代,有限元法最早被用于隧道结2.1.3.2信息反馈法构计算,目前仍是解决岩土工程最有效的数值方随着新奥法的应用,作为新奥法施工三大技术[41]法;边界元法最早由英国人Bribbia提出,其原理手段之一的监控量测,其地位显得尤为重要。通过是将偏微分方程转化为边界积分方程再离散为代数监控量测,现场监控得到的信息可以及时、准确地反[42]方程,求解未知量;离散元法最早由Cundall提馈给施工和设计部门,实现隧道的动态管理,使开挖出,是分析物质系统动力学问题的强有力的数值方方式及支护结构的设计更符合现场实际情况,同时法,既能反映岩体之间接触面的滑移、分离和倾覆等也能够更好地适应复杂多变的地质环境和各种不同
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·20159的施工工艺及手段。数对应力释放的影响。信息反馈方法可以通过现场数据来反演隧道围由于对岩土材料的本构模型与围岩的破坏失稳岩的物理力学参数,并以此来评价围岩的稳定性,此准则认识不足,目前还很难获得准确可靠的设计参种方法发展迅速且已日趋成熟,尤其是在软弱或者数。因此,理论计算获得的结果,一般只能作为设计断层破碎带围岩中的应用尤为重要;但是,监控量测的参考依据。信息反馈法也存在一些问题,除需要有较完备的测2.1.5小结试仪器和现场量测工作较为复杂外,量测数据的分中国是隧道及地下工程建设大国,但还不是理析和反馈计算成果的判断,仍然依赖专家的经验。论强国,许多现代设计理论的依据仍来自西方这一2.1.3.3综合设计法局面还未打破,设计模型、方法还有很多不足之处,由于围岩性质复杂,加之施工水平和管理水平数值分析软件开发的能力和国外相比仍然有很大的的差异,不可能通过某种单一方法得出非常可靠的差距。除此之外,采用钻爆法施工的隧道,在设计中结论,因此目前在进行地下结构设计时,广泛采用以尚有许多其他问题有待研究,如:岩体初始地应力各经验类比、数值计算和现场实测信息反馈相结合的相应力学特性参数的确定,数值解析计算中怎样反综合设计法。同时还需研究更加完善的用于地下结映施工方法及支护时机,怎样建立符合隧道动态设构计算的力学模型,以便能更好地考虑结构与地层计的计算模式及分析方法等。这些问题的解决,仍的共同作用,逐步减少“综合设计”中的反馈修正工有赖于隧道及地下工程理论的建立和完善。作。结合国内外钻爆法修建隧道的现状,设计主要2.2盾构工法(北京交通大学袁大军老师提供初稿)以工程类比为主,结构计算为辅。盾构工法主要是通过盾构及内部的土压力或者2.1.4设计参数泥水压力与作业在开挖面上的土压力和水压力保持隧道工程的设计计算参数与初始地应力场、岩平衡的方法取得开挖面的稳定,同时使用坚固的盾体力学和施工因素有关,尽管随着计算机技术的推构外壳支撑着隧道周边地层,在盾构内部进行开挖广和岩土介质本构关系研究的发展,地下结构的数和衬砌的施工,通过重复这样的过程建造隧道的一值计算方法有了很大的进步,但是隧道工程的设计种施工方法。盾构隧道设计主要包括管片设计,盾计算参数还是难以准确获得。构选型及其始发到达井的设计,盾构的构造及设在进行隧道衬砌结构设计计算时,围岩的抗力计等。系数K是1个极为重要的参数,反映了围岩与衬砌2.2.1盾构隧道管片选定及设计[47]共同作用时围岩所能分担的荷载。目前,抗力系盾构管片设计一般是通过容许应力设计法来进数的取值通常是通过设计经验获得或者规范查得,行的,主要依靠经验进行。极限状态设计法可以依具有很大的主观性,中国研究者对围岩抗力系数进据安全系数直接考虑荷载及材料的不均一性及不确[48]行了一系列理论及试验研究,如:钱令希考虑隧定性,且已逐渐开始在盾构管片设计中应用。洞的天然节理裂隙及爆破开挖产生的爆破裂缝区,盾构隧道的衬砌通常由一次衬砌与二次衬砌组提出了基于弹性理论的抗力系数计算公式;蔡晓成,其中一次衬砌是由管片在接头处通过螺栓连接[49]鸿基于统一强度理论,在不同计算模型的基础上而成的,二次衬砌是在一次衬砌内侧现浇混凝土而得出了有压隧道围岩抗力系数的计算公式。成。对于管片的设计,要根据不同的地质条件,选择在进行隧道施工过程数值模拟计算时,为了模合适的管片类型、接头方式,还需要按隧道的横断面拟掌子面的空间支护效应,多采用应力释放法进行方向及纵断面方向分别来进行设计。管片作为一次分析,而释放荷载参数的选取对计算结果有重要影衬砌必须具备极强的密封防水性能。目前中国对于[50]响。于学馥等提出了采用释放系数模拟隧道的二次衬砌的设计及应用并不广泛,但其在修正偏离[51]施工过程;孙钧等论述了采用释放荷载模拟隧道中轴、防水、防腐蚀、防震,抗浮加重及补强加固等方开挖的有限元计算步骤,并对隧道开挖面的空间效面都有极大的作用。应进行了分析,采用广义虚拟支撑力法模拟开挖面2.2.1.1管片类型、接头方式的选择的时空效应,进行了二维粘弹塑性分析;朱维申盾构隧道的管片按材质及形状分类,主要有钢[34]等利用洞壁径向位移释放系数反映开挖面径向管片、球墨铸铁管片、钢筋混凝土(RC)管片和复合[52]虚拟支撑力的释放;杨广安等研究了围岩物理参型管片等。管片种类的选定必须充分考虑对象隧道
10中国公路学报2015年[64]的用途及地基条件。这些种类的管片在工程中均已衬砌进行研究;陈月顺等采用透水法研究了混凝[65]得到广泛应用,例如在武汉地铁越长江盾构隧道江土抗渗性能的影响因素;刘杰胜等认为参入有机中段联络通道中,钢管片可作为主隧道(柔性结构)硅可有效改善水泥混凝土的防水抗渗性能;李厚祥[53][66]与联络通道(刚性结构)的连接部位;球墨铸铁管等研制出一种适用于隧道衬砌的自密实防水混[54]片具有管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀等优点,凝土(WPSCC)。这种新型材料也将逐渐应用盾构隧道建设中;南京橡胶防水是盾构隧道的主要防水措施之一,可长江隧道采用了钢筋混凝土平板型预制管片。分为三元乙丙弹性橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶止水管片接头方式包括对接方法与紧固方法。管片条以及两者复合型止水条,主要通过胶条间的挤压[67]对接方法主要有全面对接式、部分表面对接、键式、来达到防水效果。向科等提出了盾构隧道管片[68]搭接式以及凹式等,紧固方法主要有直螺栓、弯曲螺弹性密封垫断面的主要设计参数;朱祖熹认为中[55]栓、斜螺栓、贯通螺栓以及榫头连接等。何川等国宜采用多孔、特殊断面弹性橡胶密封垫和遇水膨[69]对比分析了直螺栓、斜螺栓和弯螺栓在全面式对接胀橡胶的复合型式;朱伟等通过试验证明三元乙[70]式管片的抗弯性能和承载能力。丙弹性橡胶具有良好的长期防水性能;刘建国得2.2.1.2管片结构设计到了遇水膨胀橡胶在空气中与水中随时间的发展通常情况下,管片断面需要按相对于横断面方规律。向的设计来决定。根据设计条件,在已确定荷载作2.2.2盾构的构造、设计与选型用下,选择一种适当的计算方法,对管片截面进行内2.2.2.1盾构主体设计力计算及校核。管片截面内力计算是管片设计的核盾构主体设计主要包括盾构外径、长度的设定心内容,其主要的计算方法有惯用法、修正惯用法、以及盾尾密封。多铰接环法以及梁弹簧模型方法等。盾构的外径是由管片外径加上壁后注浆间隙与惯用计算法是将管环作为与管片有相同刚度的盾尾钢壳的厚度来决定的。决定壁后注浆间隙大小刚性均一的环,忽略管片接头的存在来评价管片的,的要素主要有盾尾的变形量、土水压力下管片的变而修正惯用法引入了抗弯刚度的有效率及弯矩的增形量、管片的倾斜、管片外径的容许误差等。盾尾钢减率2个参数,计算结果比惯用法更接近实际。多壳的厚度,可以按照所产生的土水压力进行设计。铰接环法是将管片作为铰接来进行评价。梁弹簧模盾构的长度是左右盾构推进时灵敏性的重要因素,型法是将管片主断面作为梁进行模型化处理,将管长径比是评价盾构长度的主要指数之一。片接头作为回转弹簧进行模型化处理,将环接头作盾尾密封应具有耐压性、耐久性、对拼装的管片为抗剪弹簧进行模型化处理的方法。之间产生错缝的追踪性,以及破损更换时的易操作近年来,有许多新的计算方法提出,例如朱伟性。为此开发出了以金属刷为材料的密封技术,现[56]等围绕盾构衬砌管片的设计,提出了一种新的已广泛应用在盾构中,同时也有许多其他材料的盾[57][71]壳-弹簧设计模型;苏宗贤等提出了在地层-结构尾刷不断出现在工程当中。李奕等设计的新型[58]模式下的壳-弹簧-接触计算模型;彭益成等提出盾尾刷压紧板采用弧型结构,很大程度上克服了传了壳-接头模型。统盾尾刷存在的问题,减少了盾尾泄漏现象。在盾2.2.1.3管片防水设计构掘进过程中必须要解决盾尾刷更换问题,赵新合[72]根据防水材料的不同,管片防水方法可分为防等在江底高水压条件下采用冷冻法止水,对盾尾水板(膜),混凝土防水和橡胶等密封材料防水。刷进行改造并改进其更换的技术。防水板(膜)一般用于复合衬砌防水,防水层设2.2.2.2盾构刀盘刀具的设计[59-60]于一次支护与二次模注之间。杨其新等对喷膜刀盘的设计必须要根据结构强度、耐久性、机能[61]防水技术进行了研究;常炳阳等通过试验考察了性和土质条件等因素来确定。刀盘按正面形状分主[62]丙烯酸盐喷膜防水材料的性能;朱祖熹分析了喷要有面板式和辐条式两种,其对应的地层条件,适用涂聚脲防水涂料的防水机理以及其在施工上的的盾构机种也不同。刀具由钻柄及刀刃所组成,主优势。要种类有滚刀、切刀、先行刀、周边刮刀、仿形刀等。管片自身防水性能主要是依靠高抗渗等级(>刀具和刀盘构成了盾构的掘进机构。[63]P8)的防水混凝土来实现的。王育江等对混凝土同一时间刀盘刀具磨损程度应尽量相近,为了
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201511能够高效、快速地进行掘进,需要对刀盘刀具的布置泥水平衡盾构在特殊地层的泥水压力以及泥膜[73-74]进行一定的试验和理论分析。王飞等等从理论的形成较难控制,中国有许多学者在这两方面做了[79-84]上探究了切桩刀具的选型、适应性设计和布置方法,大量的研究。袁大军等进行了室内盾构掘进泥表明切桩宜采用零后角负前角、双面刃的贝壳刀,并水劈裂模型试验和现场泥水劈裂试验,以研究劈裂提出了超前贝壳刀的立体布局方案以及分次切筋的伸展现象及其力学机制。研究表明泥水劈裂伸展的切削理念。力学特性不仅与地层性能有关,而且与所选用的泥2.2.2.3盾构其他部分的构造与设计浆特性有关,为盾构开挖面稳定性研究提供了坚实盾构还需要对推进机构、铰接机构、管片拼装装有力的理论依据。为保证开挖面的稳定,泥水盾构置(举重臂)、后配套台车、附属装置、以及特殊装置泥水舱中的泥浆必须在开挖面上形成微透水的泥进行设计。盾构是一种隧道掘进的专用工程机械,膜,将部分泥浆压力转化为有效应力,泥浆压力才能[85]现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体,这就平衡地层中的土压力和水压力。闵凡路等对不要求盾构各部分构造之间必须要相互协调运作,这同性质的泥浆开展渗透试验,结果表明泥浆压力将也是盾构安全掘进的必要条件之一。会在地层中转化为抵抗地层静水压力的孔压、超静2.2.2.4盾构选型孔隙水应力和抵抗地层土压力的有效应力;魏代伟[86]盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、等指出泥膜的形成时间是影响泥膜能否有效支经济、快速建成的关键工作之一,所选的盾构形式应护开挖面稳定的重要因素。[87]尽量减少辅助施工法确保开挖面和适应地层条件。在土压平衡盾构方面,戴仕敏进行了大直径盾构选型主要是根据地层的渗透系数、颗粒级土压平衡盾构开挖面稳定性控制研究,其成果已成配、地下水压等因素决定的。通常,当地层的渗透系功应用于上海外滩通道工程和迎宾三路隧道新建工-7-1[88]数小于10m·s时,可以选用土压平衡盾构;当程;徐长胜等研究了在粘土卵石地层中开挖面稳地层的渗透系数在10-7-4-1之间时,既定性问题。~10m·s可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构;当2.2.4盾构掘进控制设计地层的透水系数大于10-4-1时,宜选用泥水m·s2.2.4.1盾构掘进参数控制盾构。根据地层的颗粒级配进行选型时,黏土、淤泥盾构掘进参数的控制对保证掘进的效率和掘进质土适用土压平衡盾构进行掘进,砾石粗砂适用泥过程的稳定有很重要的作用。其中掘进参数与地质水盾构进行掘进,粗砂、细砂可使用泥水盾构,经土条件往往具有一定的对应关系,可以利用掘进参数质改良后也可使用土压平衡盾构。以地下水压进行的变化规律和趋势对盾构隧道状况做出正确判断。判断依据时,当水压大于0.3MPa时,适宜采用泥苏州轨道交通2号线穿越古城区,地下水位较水盾构。在实际工程中,盾构选型还需要综合考虑高,透水性强,袁大军等提出了盾构通过时的地表沉经济、安全等因素。降控制标准,并给出了掘进速度、浆液材料组成与配[75][89]在北京站至北京西站地下直径线工程中,其比、注浆量及注浆时机的控制标准;潘庆明通过地层渗透系数大于10-4-1,采用了泥水盾构;盾构掘进参数分析,得到了硬岩段及地层转换时施m·s[76][90]在大连市地铁2号线施工中,其土体渗透系数处工参数的变化规律;肖超等依托长沙市南湖路隧于10-7-4-1,在土压泥水盾构都可行的道工程,对盾构穿越地层裂隙密集带掘进参数进行~10m·s情况下,选用了土压平衡盾构;在广州地铁2号了控制。[77]线施工中采用了盘形滚刀和标准割刀组合布置2.2.4.2盾构掘进姿态控制[78]刀盘的复合盾构;在杭州地铁盾构选型时从工程盾构的姿态控制是盾构掘进中的一个重要环设计条件和土层渗透性来分析,土压平衡盾构和泥节。盾构姿态控制的基本原则是以隧道设计轴线为水平衡盾构均可,但从施工工期和经济因素等方面目标,偏差控制在设计范围内,同时在掘进过程中进考虑,土压平衡盾构较为适合。行盾构姿态调整确保不破坏管片。[91-92]2.2.3开挖面稳定在南京长江隧道施工中,合理控制了大直开挖面稳定是盾构工法设计中需要考虑的主要径盾构的掘进姿态。与小直径盾构相比,大直径盾因素之一。对于不同盾构机,其维持开挖面稳定的构若在推进过程中偏离设计轴线或姿态不良,造成理论与措施也不尽相同。的后果会更为严重,此工程设计经验成功应用于扬
12中国公路学报2015年州瘦西湖隧道、南京地铁10号线大盾构越长江区普尔隧道,最长管节长达268m,宽21.5m,重达间、广深港高铁益田路隧道和深港隧道等国家省市50000kN;管节最宽的隧道是比利时的压珀尔隧[93]级重大工程项目中。王晖等提出了影响复合地道,宽达53.1m,全长336m;荷兰的德赫特隧道,层盾构掘进姿态的主要因素和控制措施。龚国芳为双向四车道,是迄今为止车道数最多的隧道之一;[94]等基于模糊PID的控制策略为盾构失准问题的瑞典的利尔杰霍尔姆斯维肯隧道的最大水深达50进一步解决提供了理论基础和现实依据。m;美国纽约东63街隧道环境条件很差,海水流速非常急,达2.7m·s-1;比利时的斯海尔德隧道,河2.2.5小结随着国家经济发展,对越江跨海隧道的需求将水流速3.0m·s-1,潮位差很大。此外,在世界范越来越大。越江海隧道由于其独特的不受气候影围内已建成的大型沉管隧道工程还有厄勒海峡响、通行能力稳定和抵抗战争破坏强等特点,日益发(Oresund)、韩国釜山巨济(Busan-Geoje)、土尔其[104]展为城市、地区、甚至国家之间的重要连接手段和交Bosphorus海峡沉管隧道等,这些工程的成功建通命脉。但是越江海隧道具有水压高、地质条件复设均为大型跨江越海通道的建设提供了新[105-106]杂、距离长等特点,一旦建设中发生事故,或是运行思路。中出现应对灾害能力不足的情况,都将带来不可估沉管隧道在中国的发展起步较晚,香港是中国量的损失;因此,揭示高水压越江海长大盾构隧道安沉管隧道的发源地,20世纪70年代起,相继修建了全和正常运行的科学规律,建立确保高水压越江海5条沉管隧道,包括1972年建成的跨港隧道、1979长大盾构隧道安全以及正常运行的理论和分析方年建成的港湾隧道、1990年建成的东区隧道、1996法,从而形成高水压越江海长大盾构隧道建造、运行年建成的西区铁路隧道和1997年建成的西区公路[107-108]安全以及健康服役的控制理论迫在眉睫。隧道。中国大陆已建成的沉管隧道主要有2.3沉管工法(同济大学丁文其老师提供初稿)1994年建成的广州珠江沉管隧道、1995年建成的宁沉管隧道是指将若干个预制段分别浮运至现波甬江沉管隧道、2002年建成的宁波常洪沉管隧场,逐段沉放在水中事先开挖好的沟槽中,在水中拼道、2003年建成的上海外环沉管隧道和2006年建装连接,其后辅以相关工程施工,使这些管节组成的成的广州仑头-生物岛-大学城沉管隧道;在建的有连接体与两端陆域通道相连,形成水下隧道型的交天津海河隧道、广州洲头咀隧道、舟山沈家门隧道、[95]通运输或输水的结构载体。广东省佛山东平隧道和港珠澳跨海桥隧工程等;正沉管隧道的历史可追溯到19世纪初期,Wyatt在筹划阶段的有潮海海峡跨海通道和台湾海峡隧道[109-112]和Hawkins于1810年在伦敦泰晤士河首次尝试修等。中国得天独厚的地理地貌和水域特点,[96-97]建沉管隧道。1885年西特奈湾的自来水管工具有大力发展沉管隧道工程,推进地域间联系与合程和1894年美国波士顿下水管线工程的原理与如作的巨大优势,大量沉管隧道工程必将在21世纪的[98]今的沉管隧道工法基本一致。1910年美国人成中国建成。功应用沉管法建成的跨越美国与加拿大之间的底特2.3.1沉管管段设计律河铁路隧道被誉为历史上第1条真正的大型沉管目前常用的矩形钢筋混凝土沉管隧道的横断面[98]隧道。1928年建成的美国波西隧道是第1条钢多为多孔箱形框架,沉管隧道一般纵向较长,而横向筋混凝土沉管隧道;1941年建成的荷兰马斯河隧道尺寸较小,计算时可沿纵向截取一单位长度的管节,[99]首次采用矩形断面钢筋混凝土管节;20世纪50按弹性地基上平面应变状态的闭合框架进行计算,年代以后,随着科学技术的进步及施工经验的增长,弹性地基一般按照温克尔弹簧地基考虑,地基系数沉管施工技术难题逐步被克服,成为修建跨越河流根据基础处理的砂垫层(或碎石基础压浆垫层)的特和海湾隧道的常用技术。到目前为止,中国、美性及开挖基槽的地质情况,采用分层法来计算。纵[100][101][102]国、荷兰、丹麦、挪威、日本等20多个国向分析计算的另一个关键问题是对接头的模拟,以[103]家已建成了100多条沉管隧道。往均是将其处理成刚接或者铰接,但均与实际存在目前世界上已建成的沉管隧道中,总长度最长一定的差距。[113][114]的是美国旧金山海湾地区的快速运输系统(BayAr-在几何设计方面,黎宝松、陈韶章等等[115]eaRapidTransitSystem,BART),共5825m,由58总结了珠江沉管隧道设计的经验,刘千伟等总节管节组成;单节管节最长的隧道是荷兰的海姆斯结了宁波市常洪沉管隧道工程的设计经验,胡政才
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201513[116][117][118]等、Gokce等、Zhang等对国外的沉管设加止水的可靠性。GINA止水带能很好地适应管节计经验进行了总结提炼。不均匀沉降所产生的变形,具有良好的止水效果,其[119]在结构分析方面,万晓燕等利用有限元法缺点是出现问题以后无法进行修复和替换,而O-对沉管隧道的纵向、横向以及局部等3个部分进行MEGA止水带则可以拆卸更换。GINA止水带作了考虑沉船荷载、列车荷载(单、双线)、温度作用等为柔性接头密封防水的首道防线,其工作状态是反因素下结构的计算与分析,并总结了结构反应的特映接头结构寿命和沉管隧道止水安全性能的关键。[120]点;彭海阔等采用2种不同类型的单元分析其依托在建的港珠澳大桥沉管隧道工程,同济大对沉管隧道结构计算模型有效性的影响,并结合试学在接头力学理论模型构建、解析表达式推导、大比[121]验进行了验证;陈海军对沉管隧道主体结构设例尺力学性态及变形试验和接头渗漏水原位检测技计的管段分节、起浮与干舷、抗浮、结构强度及连接术等领域开展了相关研究工作,取得了如下成果:刘[127-129]技术等方面进行了论述,提出了各部分的设计思路、鹏等在考虑管节接头力学特性的基础上提出[122]影响因素、计算方法和关键技术;张易谦等从大了相应的力学模型及其参数确定的系列方法;萧文[130]型沉管混凝土裂缝控制技术的角度进行了理论和实浩等对港珠澳沉管隧道进行了大比例尺管节接[123][131]践的针对性分析;陆元春等介绍了多向预应力头压弯试验研究;禹海涛等在此基础上提出了[132]混凝土管段的设计要点、计算分析和主要结论;刘霁相应的力学模型及解析表达式;徐晓扉等采用[124]等利用ANSYS有限元软件对沉管隧道管段进红外监测法对接头可能发生的突发渗漏水进行了模[125]行了内力三维有限元分析;陈鸿等阐述了管段型试验研究。横断面设计、浮力设计、静力计算以及计算参数的取各国学者也对此进行了较多研究工作,长安大[126]用和相关控制要求;李荣高总结了上海外环越学谢永利教授团队就节段接头剪力键破坏状态与机江沉管隧道大体积矩形混凝土管段制作的裂缝控制理开展了相应研究,利用ANSYS三维有限元进行[133-134][135]技术。了相应的分析研究。庄道庆从构造、原材2.3.2防水与接头设计料使用、施工等方面介绍了沉管隧道的防水技术。[136-137]沉管隧道的管节接头应满足以下要求:①水密唐英等对沉管隧道接头的设计与理论计算进性要求,即在施工和运营各阶段均不漏水;②接头应行了阐述,结合双框箱形截面沉管隧道中间接头的具有抵抗各种荷载作用和变形的能力;③接头的各具体情况,提出了较为通用的中间接头设计方案,并构件功能明确,价格适度;④接头的施工性好,施工在此基础上,对接头中的五大部件———端钢壳、GI-质量易于保证,并尽量做到能检修。管节接头根据NA止水带、OMEGA止水带、水平及竖直剪切键、接头型式可分为刚性接头、半刚半柔性接头、半刚性欧米加部件提出了较为详尽的设计和计算方法。陆[138]接头和柔性接头。刚性接头通过水下浇筑混凝土方明等针对沉管隧道管段防水性能进行了一系列式形成,其接头刚度与沉管管节本体结构基本一致。试验,包括了应力-压缩变形试验、水密性试验等,试半刚半柔性接头的主要部件有:端钢壳、GINA止水验结果可为类似的大型沉管隧道管段接头的试验、[139]带、OMEGA止水带、波形钢板连接件、水平剪切键设计、施工提供借鉴。刘千伟根据常洪沉管隧及垂直剪切键等。半刚性接头一般由以下部件组道管段接头的构造形式和功能要求,介绍了接头2成:端钢壳、GINA止水带、连接钢板、接头槽钢筋混道止水带的选型依据和安装工艺,描述了接头其他凝土等。柔性接头的主要部件有:端钢壳、GINA止构造如剪切键等的制作方法,分析了常洪沉管隧道[140]水带、OMEGA止水带、预应力钢索、水平及垂直剪最终接头的施工方法。黄帆基于橡胶材料本构切键等。模型、Mooney-Rivlin二参数应变能函数公式和蠕管节接头是沉管隧道的重要部位,同时也是薄应变率方程建立数学模型进行数值模拟分析,并比弱部位,其结构强度和刚度相对混凝土管节而言更对水密性试验,依据计算得出的结果对GINA止水加脆弱。接头的受力特性和隧道的防水能力有直接带的防水性能及耐久性作出判断,对实际工程具有[141]关系。柔性接头的防水一般采用GINA止水带加指导意义。刘正根等按平均水压法和接触应力OMEGA止水带双层组合的方式,但实际上接头防法2种方法计算了保证GINA止水带水密性要求水主要还是依靠布置在接头断面外侧的GINA止的最小压缩量,并在此基础上针对GINA止水带长水带,OMEGA止水带仅作为二次止水元件用来增期压紧状态下的松弛,提出了使用阶段GINA止水
14中国公路学报2015年带最小压缩量的计算方法,估算了GINA止水带的能求出地震波传播时地震波特性不变情况下沉管隧当前压缩水平和GINA止水带的剩余压缩量。陆道中产生的应力和应变,未考虑沿沉管隧道轴向地[142]明等对建设中的港珠澳大桥工程岛隧标段中的基的不均匀性而使地震力可能产生变化的情况。反沉管隧道工程作了详细介绍,并针对超深埋海底沉应谱法认为地震时结构的位移最多等于周围地层的管隧道的管节接头与节段接头防水设计所遇到的一位移,从土体到结构的位移传递比取决于土壤和结系列问题进行了深入探讨,重点阐述了GINA止水构的刚度。动力有限元法将包含对象结构物在内的带、OMEGA止水带、中埋式可注浆止水带的防水整个底层划分成有限元网格,使无限自由度问题转[143]技术。肖晓春等介绍了采用接头井的形式实现化为有限自由度问题,考虑边界条件以后,输入地震[136]最终接头的干地施工法。唐英等提出了双框箱波,进行动力响应分析,从而得出每一时刻地层和结[150]形截面沉管隧道中间接头的设计方案,并提出了端构物中的变形、应力和应变等。丁峻宏等基于钢壳、GINA止水带、OMEGA止水带、水平及竖直显式有限元和高性能计算上的大规模数值模拟仿真[144]剪切键、欧米加部件的设计计算方法。薛勇论方法,建立了包括地基土、沉管隧道以及柔性接头在述了沉管隧道接头的功能、类型、特点和适用条件。内的全三维分析模型,进行了大规模地震响应分析;[145][151]潘永仁等阐述了“止水板式”最终接头的原理。严松宏等采用田村重四郎和冈本舜三提出的沉2.3.3抗震设计埋隧道地震响应分析数学模型对南京长江越江隧道沉管隧道是1种地下结构,其既符合一般地下(沉管段)方案进行了地震响应的纵向受力分析;郭[146][152]结构的地震反应特点,又存在一定的特殊性,主毅之等提出了新的接触模型和算法,可将接触[153]要表现在以下几个方面:①沉管隧道一般都修建在处理的CPU计算时间大大缩短;吴玖荣等在质饱和的软弱地层中,在地震作用下可能会因砂土液点-弹簧体系数学模型的基础上,提出了沉管隧道土化等造成不均匀沉降,对结构受力、接缝防水极为不体地震反应的离散化分析方法,并建议在实际使用利;②沉管隧道上覆土层厚度一般较薄,且为回填中采用质点-弹簧体系的计算结果,辅以剪切波速传[154]土,其对隧道结构的约束作用相对较小;③沉管隧道播理论的计算结果作为参考;韩大建等提出了由于其重要性及在水下的特殊性,一旦破坏将产生将行波法应用到刚度较大、分段较多的水下沉管隧灾难性的后果;④沉管隧道不同于一般的地下结构,道地震分析中的思路,并提出了把轴向、横向2个输受破坏后难于修复。因此,对沉管隧道进行抗震研入波处理成2个独立行波的方法。究,进而设计出安全、合理的结构,以最大限度地减2.3.4防灾研究小和避免地震损失是十分必要的。相对地上公路隧道,沉管隧道和水下隧道由于依托在建的港珠澳大桥沉管隧道工程,同济大其位置的特殊性,使其疏散救援、通风排烟和火灾扑学在超长沉管隧道整体抗震设计、接头抗震性态响救更加困难,因此中国学者在防灾减灾的设计与研应、土-结构耦合分析模型等领域开展了相关研究工究方面做了大量工作,以保证沉管隧道的安全运营。[147][155]作,取得了如下成果:刘鹏等对隧道接头及止水蒋树屏等自主设计建立了高温烧蚀试验平台,[148]带地震响应进行了分析;禹海涛等阐述了超长针对沉管隧道特点,采用C50混凝土制备了局部沉管隧道抗震设计与分析中迫切需要解决的4个1∶1的结构试验构件,并进行了高温烧蚀试验;徐湃[149][156]关键性问题;Yu等对超长沉管隧道的地震响应等结合试验对沉管隧道火灾烟气蔓延特性进行[157]进行了分析。了分析;王冲对特长海底沉管隧道火灾应急救目前,常用于沉管隧道抗震分析的计算方法主援进行了研究。相关研究对沉管隧道的防灾研究提要有:反应位移法、BART法、质点-弹簧法、设计反供了有益的参考。应谱法、动力有限元法等。反应位移法的基本原理2.4明挖法(北京工业大学张明聚、郭雪源老师提是采用弹性地基梁来模拟地下线状结构物,把地震供初稿)时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上,以在无支护或支护体系的保护下,将隧道及上覆求解在梁上产生的应力和变形。BART法针对地一定范围内的岩体逐层分块挖除形成基坑或沟槽,下结构的破坏特点,提出地下结构应具有吸收强变然后施作隧道衬砌结构或地下工程主体结构,最后形的延性,并且不丧失承受静载的能力。质点-弹簧回填上覆土,这种施工工法称为“明挖法”,明挖法施法模型主要用于弥补BART法的不足,BART法只工的隧道称为明挖隧道。明挖法按照施工基坑的形
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201515状主要分为敞口开挖和盖挖,敞口开挖分为放坡开载条件下主动土压力系数和土压力的计算公式,提挖和垂直开挖,盖挖可分为盖挖顺作、盖挖逆作、盖出了临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算[163]挖半逆作和多种支护形式、开挖方式相组合的方公式。王洪亮等通过对挡土墙与既有建筑基础[5]法。明挖隧道主体结构的设计理念与其他工法施间的有限土体进行完整的受力分析,考虑了既有建工的隧道设计相似,基坑工程是明挖隧道工程中的筑基础与有限土体间的法向及切向相互作用力,建关键工序,基坑支护的设计计算是明挖隧道区别于立了求解有限土体主动土压力的计算公式,并进行其他工法施工的隧道设计的特色之处。了适当的简化。2.4.1明挖隧道基坑设计的主要内容有限元法在基坑支护设计领域的应用带动了土明挖隧道基坑按照边坡围护方式的不同,可以压力理论的发展,可通过建立弹塑性的接触单元、双分为放坡明挖基坑、悬臂围护明挖基坑和围护结构线性的接触面本构模型、无厚度的Goodman接触面加支撑明挖基坑。放坡明挖基坑设计主要关注基坑单元,采用数值计算方法模拟围护结构与土层间的[164][165](边坡)的稳定性,包括整体稳定性的设计计算,以及摩擦特性等相互作用。应宏伟等建立了无对土层较差、地面超载较大、基坑较深的边坡的抗隆粘性土中狭窄基坑刚性挡墙的有限元分析模型,研起、抗渗流稳定性和边坡变形的分析和评价。悬臂究了挡墙相对平移时不同宽度土体的被动滑裂面的围护明挖基坑设计需要在此基础上考虑围护结构本分布规律,推导了被动极限状态下滑裂面倾角及被身承载力的要求。围护结构加支撑明挖基坑设计是动土压力系数的解析公式,得到了被动土压力分布、通过内支撑、锚索或锚杆等支撑方式给予悬臂围护土压力合力作用点高度的理论公式。有限元法的发结构约束作用,保证基坑稳定,控制基坑及周边变展为研究挡土墙土压力问题提供了新的途径。形,增加了对支撑体系的设计内容。总之,围护结构2.4.3设计模型加支撑明挖基坑设计内容概括了明挖基坑支护设计1987年,国际隧道协会将各国采用的地下结构的绝大部分问题,也是深基坑工程最常采用的支护设计模型归纳为荷载结构模型、地层结构模型、经验[166]形式。类比模型和连续介质模型。2.4.2设计理论———土压力理论荷载结构模型又称为传统结构力学模型,以基在采用极限平衡法、地基反力法和杆系有限元坑的支护结构作为承载主体,周围地层提供荷载和方法来进行基坑支护设计时,全部或一部分土压力支护结构的外部约束,通过普通结构力学方法解得[167]是以外力的形式施加到支护结构上的,设计是否正结构的内力和变形。黄明琦等针对厦门海底隧确、计算是否精确很大程度上取决于土压力理论的道明洞修筑后地基承载力不足引起的结构安全性问选择是否合理。题,建立荷载结构模型,采用ANSYS结构分析软件朗肯土压力理论和库仑土压力理论作为经典土对回填前后明洞结构变形、受力和安全性进行分析压力理论的代表,一直为基坑支护设计大量采用。和评估,给出了结构安全系数,得出了在回填土自重[158]学者在此基础上进行了一系列改进,陆培毅等荷载作用下结构安全性不够,回填前应进行地基加[168]在试验基础上建议了一种粘性土土压力分布形式。固的结论。宁茂权等采用弹性支点杆系有限元[159]汤连生等以地心引力为依据,提出了一种基于法、荷载-结构二维均质弹簧有限元法、荷载-结构三[160-161]引力场的基坑坑壁土压力计算方法。李峰等维有限元法来分析盾构始发井的围护墙、支护结构推导了考虑土体变形情况的有限土体土压力计算模体系和主体结构,解决始发井结构分析方法问题,指式,并通过工程实例计算进行对比分析,提出了基坑导完成了南京长江隧道盾构始发井结构设计。李新[169]工程中有限粘性土体土压力的计算方法,得出当有星结合上海某邻近基坑开挖的运营地铁车站,限土体宽度不大于坑深的75%时,宜采用有限土体运用叠加原理,采用有限元荷载结构法和强制位移土压力计算模式进行计算的结论;同时依据基坑支法,分别按照裂缝控制和强度控制来对车站标准段护工程的实际监测结果反演分析了基坑工程中主动结构的稳定性及其允许变形进行分析和反算。荷载土压力的时变特性,推导了土压力随时间变化的计结构模型概念清晰,计算简便,是中国基坑支护相关[162]算公式。金亚兵等提出了建立在库仑土压力理规范推荐的主要设计模型。论基础之上的简化计算方法———叠加法,推导并给地层结构模型和连续介质模型可直接考虑地层出了非粘性土和粘性土在不同坡率和地面分布有荷承载能力,支护结构主要起到限制土层变形的约束
16中国公路学报2015年作用,体现了支护结构与土体的相互作用,分析计算护结构的内力和稳定性,是一种未考虑土与结构共同较为复杂,一般要借助有限元、有限差分等数值计算作用的近似计算方法,其力学概念明确、简单实用。[170]软件进行。廖少明等采用间接边界单元法推求地基反力法认为围护结构是与侧向地层变形关基坑开挖位移场及其对邻近地铁隧道的影响,表明联的结构,用压缩刚度等效的土弹簧模拟地层对围利用平面计算或监测的可靠数据推算基坑周边位移护结构变形的约束作用。该方法按照对地基反力假[171]场是一个可靠途径。刘庭金等分别采用三维流-设的不同分为极限地基反力法、弹性地基反力法和[177]固耦合数值方法、荷载-结构模式和分层总和法分析复合地基反力法,这些方法不同程度地考虑了计算水位下降对隧道受力和变形状态的影响。薛莲桩与土之间的共同作用。地基反力法经历了由简化[172]等将FLAC软件应用到重庆市某深基坑数值分解析法向数值解法的发展,早期“山肩邦南法”、“弹[178]析中,探讨了基坑开挖在极限状态下的破坏模式,分性法”和“弹塑性法”等假定围护结构后主动土[173]析了开挖对邻近建筑物的影响。朱小蓉结合北压力是已知的,土层仍全部处于弹性阶段或可简单京宋家庄地铁3号线换乘车站工程,采用了地层-结划分为弹性区和塑性区,对模型进行简化计算。邓[179]构模型分析了地铁平行换乘枢纽中后建车站施工对子胜提出了非线性共同作用弹性地基反力法,[174]既有运营车站的影响。李昀等分别采用二维环然后将神经网络引入深基坑位移反分析,研究了根形墙等效弹簧刚度法、三维m法和三维连续介质有据深基坑空间效应的表现形式及规律选取适当剖面限元分析方法,对圆形围护结构的变形及内力进行进行位移反分析的原理与方法,编制了计算程序。[180]分析计算,通过与实测的监测结果对比,认为三维连邓子胜将地基土的水平基床系数视为深度和围续介质有限元法能够综合考虑结构与土体的相互作护墙位移的非线性函数,建立了作用于围护墙上土用,从而较好地模拟基坑开挖引起围护结构的变形压力增量的计算模型,推导出了考虑非线性共同作与应力、周围土体的变形。用的弹性地基梁挠曲微分方程,给出了非线性共同荷载结构模型和平面连续介质有限元方法用于作用弹性地基反力法的计算模型与求解方法。耿建[181]形状不规则基坑时,无法反映所有支撑结构的受力勋等建立了支护结构非线性土抗力模型,考虑和变形状况。因而,对有明显空间效应的基坑和不由于开挖造成土弹簧刚度的软化,提出了模拟基坑规则形状的基坑有必要利用三维分析方法进行分开挖过程的支护结构分析方法,编制出非线性共同析。目前,空间弹性地基板法和三维连续介质有限作用弹性地基反力法的计算程序,分析了1个实际元方法已在一些基坑工程中得到了实际运用。基坑工程中各工况支护结构的受力与变形特征。耿[182]总之,基坑支护设计模型的建立往往不局限于建勋等建立了一个非线性土抗力模型,基于此一种模型的分析,对荷载结构模型、地层结构模型模型提出了一个考虑土-基坑支护结构非线性共同和连续介质模型的研究与应用逐渐穿插渗透、互作用的弹性地基反力法,编制计算程序并分析了基补使用。以现有成功工程案例为依据(经验类比坑工程实例中各工况支护结构的受力与变形。郭发[183]模型),结合荷载结构模型分析计算,并以数值模忠等采用弹性地基反力法进行杭州地铁某盾构拟作为设计分析的检验手段,将各种模型灵活搭区间风井围护结构优化设计,并分析了基坑施工过配使用是现今基坑支护设计广泛采用的模型选择程中的施工监测情况。方法。有限元法是基坑围护结构数值分析的常用方2.4.4设计方法法,把地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构2.4.4.1围护结构设计方法体系,可考虑开挖过程、支护结构与土共同作用、渗基坑工程围护结构设计常用的方法包括极限平流、时间等因素的影响,综合分析支护结构的内力、[184]衡法、地基反力法和有限元法。变形及开挖引起的环境效应。谢凌志等以某地极限平衡法假定作用在围护墙前后的土压力分铁站工程的大量现场监测资料为基础,基于位移反别到达被动土压力和主动土压力,在此基础上再作分析思想,利用三维有限元法对复杂地质条件的场某些力学上的假设,把超静定的力学问题简化为静地土参数进行反演,将反演所得场地土参数用于数[175-176]定问题求解。极限平衡法包括等值梁法、静值计算,得到了与实际监测数据基本吻合的地下连力平衡法、二分之一分担法、太沙基法等。极限平衡续墙位移变形值、临时钢支撑内力值等计算结果,验[185]法均采用荷载-结构模型,根据力的平衡原理求解围证了反分析方法的有效性。周传波等建立支护
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201517结构计算分析求解模型,应用有限元法、非线性规划程手册》给出了规则基坑的刚度公式,但是对于异形[190]方法、遗传算法、以及MATLAB语言编程等研究手复杂基坑支撑刚度未作详细说明。陈焘等以上段,对地铁深基坑的支护结构参数进行优化,建立了海某深大异形基坑为背景,提出了等效刚度算法,将科学、合理的优化模型和优化软件,并据其选择相关异形基坑分块规则化,单独研究各单元刚度。郑刚[191]支护结构参数,为地铁深基坑支护结构设计提供合等以某环梁形式的水平支撑体系为典型,提出[186]理的依据。刘射洪等根据弹性地基梁的计算原了考虑水平支撑设计荷载的冗余度评价指标,并指理和方法,应用有限元法中的加权余量法和杆系有出在满足刚度的条件下合理增加传力路径来提高冗限元法对其进行求解,并与数值模拟计算结果进行余度尤为重要。对比分析,验证了弹性地基梁法的实用性和局限性。2.4.4.3基坑稳定性设计方法由于参数取值困难,有限元法目前还难于直接在设基坑稳定性分析可分为定性分析和定量分析,计中应用,多用于重要深基坑工程的辅助设计和研包括条分法、数值分析法、塑性极限法、可靠度法和究中。模糊数学法等,其中基坑支护设计常采用的是条分2.4.4.2内支撑体系设计方法法和数值分析法。基坑内支撑体系由围檩(冠、腰梁)、内支撑和立条分法是1916年瑞典人彼德森提出的,其中被柱等构成。土压力产生的荷载经由围护结构传递给广泛采用的包括瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu窄条形围檩结构,并最终由杆、线型的内支撑或锚索法、Morgenstern-Price法、Spencer法和Fredlund-承担,立柱主要起到减小内支撑跨度和承担一部分Krahn法等。条分法按照是否同时满足力和力矩平内支撑自重的作用。衡方程,可分为简化条分法和通用条分法。对于简对围檩结构进行设计计算时,通常会将其简化化条分法,瑞典圆弧法完全忽略了土条间的相互作为单跨或多跨连续梁,荷载以均布荷载的形式施加,用,理论与实际情况相差悬殊,其计算结果与其他方内支撑视为固定或铰支座,采用结构力学的方法进法也相差较大,故逐渐被其他方法所取代;简化行计算,支座处位移可通过地基反力法进行分析,围Bishop法虽然只满足了整体力矩和竖向力的平衡,檩结构的分析方法与围护结构基本相同。围檩不是但其迭代求解简单,圆弧滑动面的计算结果较好,在支撑体系主要承力结构,所以不作为支撑体系设计工程上应用依然较多。学者们通过引入新的数学方[192]的重点,各国相关研究较少。法,对条分法进行进一步研究工作,石林珂等提内支撑是支撑体系中的应力集中部位,其设计出了一种新的深基坑稳定分析方法———等弧长条分计算尤为重要。内支撑不与土层直接接触,其轴力法,并给出了公式推导过程,介绍了相应的可视化软[193]通过围檩传递到围护结构,内支撑内力计算方法与件功能,给出了工程实例。罗晓辉等应用Sarma土压力理论无关,涉及到单跨或多跨压杆稳定性的所提出的扰动力概念与条分法相结合,建立了考虑问题。工程中常用钢支撑的钢管直径为600~800条间作用力影响的土钉支护结构稳定性分析极限状[194]mm,壁厚为10~14mm,属于薄壁钢管,经研究其态方程。刘鑫等将不确定性分析法中的概率分失稳破坏的方式包括平衡分岔失稳、极值点失稳、跃析方法与失效分析方法相结合,构建单因素风险率、[187]越失稳。关于薄壁壳屈曲失稳的问题学者们提因素组合风险率、风险值的计算方法与步骤,对某车[195]出了小挠度理论、大挠度理论、欧拉公式等一系列分站基坑稳定风险值计算进行研究。惠趁意等以[188]析方法,并进行了大量的理论研究,由于各理论极限平衡理论和土钉支护结构稳定性计算的条分法的薄壁压杆的稳定性承载力计算结果不够合理且过为基础,根据复合土钉支护结构和稳定性安全系数程复杂,难以应用于工程设计,基本上还是依据最大的关系假定滑动面为抛物线形,利用几何关系和积强度理论进行基坑钢支撑的设计,按钢管发生整体分法建立了最危险滑移面搜索模型,推导了稳定性失稳来考虑。系数的求解公式,并确定了滑移面几何控制参数与[196]内支撑是由多道支撑组合而成的整体系统,其稳定性安全系数之间的函数关系。周勇等基于[189]安全性可由可靠度理论分析,胡强等提出了深圆弧滑动条分法,以内部整体稳定性安全系数作为基坑内部支撑的功能函数,将内支撑体系简化为串目标函数并采用全局差分法建立灵敏度分析模型,联系统,运用几何法计算内支撑杆件可靠度。内支研究设计参数与内部整体稳定系数及其灵敏度之间撑的刚度是描述支撑安全性的另一个指标,《基坑工的关系,为深基坑工程中土钉加预应力锚杆复合土
18中国公路学报2015年钉支护结构的优化设计提供重要的依据,对今后土动周围土体共同作用,有效地控制基坑变形,复合土钉加预应力锚杆复合土钉支护设计提供了理论钉支护中止水帷幕的插入深度和强度对控制边坡变依据。形与失稳有较大作用,为其设计和施工提供了参考[202-203]所有条分法的设计计算都是基于极限平衡理依据。魏焕卫等基于Mindlin应变解,推导出论,是通过求解静力平衡方程的方法进行的,差别在土质直坡和斜坡侧向与竖向变形的理论解,接着又于各方法的安全系数的计算方法、适用范围和计算基于弹性半无限体的Mindlin应变解首次推导出基精度不同。滑面安全系数的计算是条分法设计的重坑边坡变形的理论解,利用该解研究了不同施工步要内容,搜索安全系数最小的可能滑动面尤为重要,数条件下基坑边坡侧向变形和竖向变形的规律,据常用的搜索方法包括:变分法,模式搜索法,数学规此提出了边坡加固方法和施工措施。[197]划法,随机搜索法,人工智能法等。条分法无法2.4.5其他分析稳定破坏的发生和发展过程,更无法考虑变形明挖隧道多见于山区铁路、公路隧道明洞段,城对土体稳定的影响,在理论层面存在较大缺陷,但分市区间隧道和道路隧道、越江隧道的出入口段;其中析计算过程相对简单,误差范围能满足工程需要。城市区间隧道通常埋深较深,基坑变形控制要求更有限元法能更好地反映边坡岩土体的应力应变为严格,设计施工难度更大,故其基坑设计基本包括关系,不受边坡几何形状和土体不均匀情况的限制,了其他形式明挖隧道的基坑设计的关键内容;但由适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,是比较于特殊地形地质条件和应用需求,山岭隧道设计需理想的分析土体应力、变形和稳定的手段。根据采要注意以下问题:为了防止深路堑或隧道洞口高边用方法的不同,边坡稳定性分析的有限元法大体上坡上发生落石、塌方等危险,山岭隧道出入口段多建可以分为基于滑面应力分析的有限元法和基于强度成明洞的结构形式,对明洞设计力求使回填土覆盖[198]折减的有限元法2类。黄春娥等提出有限元法复原自然坡度并对地表恢复植被,以尽可能保护自与条分法相结合的新方法,采用条分法进行基坑边然环境;回填土是为了缓冲落石对衬砌的冲击而设坡的稳定性分析,采用有限元法计算基坑周围的渗的,其厚度应视落石下坠的实际情况计算而定。流场,求出作用于各土条上的渗流力并将其参与到2.5抗减震设计(西南交通大学何川、耿萍、张景、[199]稳定验算中。吴开辉建立了考虑桩土共同作用晏启祥老师提供初稿)的二维有限元数值模型,根据简化Bishop法和有限中国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间,元强度折减法,对工程基坑采用放坡无支护开挖方地震断裂带发育成熟,是世界上最大的大陆浅源强式进行边坡稳定性分析,给出了不同工况下基坑边震活动区。严重的地震灾害一直给中国基础设施造坡安全系数最小解。成严重的破坏,最近30年来的数次强震造成隧道结有限单元法全面满足静力许可、应变相容和应构严重破坏的事实,警示我们不能忽视当前隧道工力应变之间的本构关系,但其计算结果对计算模型、程的抗震问题,应从既有隧道震害中吸取经验教训,材料参数、求解方法很敏感。而极限平衡法已经积采取切实有效的措施,把隧道抗减震设防理念和相累了丰富的经验,使用的参数少,力学模型简单,可应的设计方法贯穿到各类隧道的设计、施工和营运以快速得出结果,计算结果相对稳定。从基坑工程等阶段。专家学者们通过强震观测、震害调研、理论支护设计的需要角度来看,传统的条分法仍是评价分析、试验研究和数值模拟等手段对隧道工程地震土体稳定的首选方法,有限元法多作为验证条分法响应及抗震设计等领域进行了大量研究,取得了许计算结果的辅助性方法。多有益的成果。2.4.4.4基坑变形控制设计方法2.5.1隧道震害地表沉降和桩(墙)水平位移是围护结构强度控地震观测和震害调研被称为“最真实的原型试制的评价。验”,能够真实反映特定工程地质条件下结构物的地[200]陈万鹏在前人研究的基础上,较为系统地震响应特征,受到人们的广泛关注。国外对于隧道总结了坑外地表沉降曲线和围护结构侧向位移形及其他地下结构物地震观测和震害调研开展较早,[201]态。杨茜等采用“相似模型的长度与变形的时樱井等人率先观测了日本长野县松代群发地震时地[204]间成反比”的相似法则设计模型试验,研究了复合土下管道的震害;美国土木工程学会对SanFer-[205]钉支护的作用原理,表明复合土钉支护能够充分调nando地震中地下结构的震害进行了调研;
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201519[206]Dowding等统计了71座铁路隧道和水工隧道构抗震研究的另一重要手段。隧道抗震设计最早的的震害情况,对隧道抗震效果与地震动参数的关系理论分析方法是由日本学者大森房吉提出的静力理[207][217][218]进行了研究;Owen等对不同类型地震波作用下论;Thomas于20世纪60年代末修建旧金山[208]隧道结构的变形模式进行系统研究;Sharma等海湾地区快速地铁运输系统(BART)时,针对地下对85个国家78次地震中的192个地下洞室震害实结构震害特点提出了BART法;日本于20世纪70例进行了整理和分析,建成了当时最丰富的隧道震年代根据盾构隧道地震响应特征提出了反应位移害数据库;日本土木工程学会通过对日本兵库县南法;Shukla和John分别基于弹性地基梁理论提出部大地震中100多座各类隧道震害的调研,对隧道了Shukla法和ST.John法;前苏联学者提出了基[209]破坏特征及其影响因素进行了总结分析;中国于连续介质弹性力学的福季耶娃法;Dasgupta以及[210]学者潘昌实分析了日本、美国等地的数次大地Wolf、Song等根据有限元理论中子结构法提出了递[219]震对隧道的破坏情况,总结出隧道震害与其影响因推衍射法等。在众多抗震设计方法中,由于建[211]素之间的关系;台湾地区的王文礼等对集集大模复杂程度、参数获取难易程度、计算工作量大小等地震中57座山岭隧道受损情况进行调研,分析了山因素不尽相同,在实际工程中的应用程度也不尽相[212-214]岭隧道震害的影响因素及机理;何川等对汶同。目前中国涉及隧道等地下结构的抗震设计规范[220]川地震震区内近40条干线公路上24座公路隧道震主要有《铁路工程设计技术手册(隧道)》、《核电[215][221]害进行了调研;李天斌对汶川地震中山岭隧道厂抗震设计规范》(GB50267—97)、《铁路工程[222]的变形破坏特征进行总结并分析了其影响因素;高抗震设计规范》(GB50111—2006)、《建筑抗震[216][223]波等通过汶川地震后都汶高速公路18座隧道的设计规范》(GB50011—2010)、《公路工程抗震[224]调研数据,系统描述了隧道震害的形式、原因,并对规范》(JTGB02—2013)、《城市轨道交通结构抗[225]震后修复原则提出建议。震设计规范》(GB50909—2014)等。综合现行综合目前隧道地震观测和震害调研结果可得出规范,隧道结构抗震计算方法主要有静力法、反应位如下结论:移法及其变化形式和动力分析法3种。(1)隧道震害的类型2.5.2.1静力法隧道震害主要发生在洞口、断层破碎带等地质静力法(又称地震系数法)是日本学者大森房[217]条件复杂或地质条件突变处,以及隧道与其附属结吉提出的地震荷载计算理论。在该方法中,作构如竖井、联络横通道连接处等结构刚度突变部位。用于结构上的惯性力可由地震动加速度与结构各部洞口段震害主要为:洞口边仰坡垮塌、落石;局部边分质量相乘得到,即化动力计算为静力计算,最初应仰坡地面、截排水沟开裂变形;洞门墙及洞口附近衬用于地面结构,后逐渐扩展至地下结构的抗震计算砌松动、开裂、渗水等。洞身段震害主要为:衬砌受中。因为该方法具有原理简单、计算量小、参数易断层剪切破坏;衬砌环向、纵向、斜向开裂;衬砌错得、操作性强等特点,故为设计人员所熟悉。台、钢筋扭曲、衬砌掉块、拱圈局部垮塌甚至整体掉《铁路工程设计技术手册(隧道)》对静力法做了落;路面裂缝及隆起等。详细规定:定义了结构由地震而受到的惯性力称为(2)隧道震害原因地震力,并规定衬砌受到的地震力由衬砌自重地震隧道在地震作用下的震害是地震波特性、围岩力、隧道顶部上覆土柱地震力和地震时衬砌侧向土地质条件、衬砌结构等诸多因素综合作用的结果,总压力增量三部分组成。当考虑竖向地震荷载时,可结起来,主要可分为:断层错动、地震波自由面放大将水平地震荷载乘以一个折减系数,该折减系数在[222,224]效应和地震波振动效应。不同规范中有不同取值,主要与地震类型以(3)隧道震害影响因素及隧道是否接近断层有关。值得注意的是,采用现影响隧道震害的因素众多,其中最主要的几点行规范中的静力法无法对隧道纵向进行抗震计[220]因素有:地震参数,包括地震震级、震中距、震源深度算,且从静力法计算原理及计算公式可以看出,和地震波特性等;隧道围岩条件;隧道埋深;隧道衬隧道上覆土柱地震荷载的大小取决于土柱的高度,砌材料;施工质量和设防标准等。当隧道的埋深过小时,计算结果偏小;计算结果将随2.5.2抗震计算方法隧道埋深的增大而急剧增大,甚至出现内力过大衬[226-227]除地震观测和震害调研外,理论分析是隧道结砌无法配筋的情况。针对此问题,何川等采
20中国公路学报2015年取振动台模型试验、理论分析、数值模拟等手段,对震设计规范(GB50267—97)》、《地下铁道建筑结构抗不同隧道跨度、不同围岩级别及不同地震烈度时静震设计规范(DG/TJ08-2064—2009)》、《城市轨道交力法的适用性进行研究,提出隧道上覆土柱合理计通结构抗震设计规范(GB50909—2014)》等规范中。[228]算高度的概念,指出上覆土柱计算高度与隧道跨度、反应位移法中地震作用主要分为3个部分:围岩级别等有关,并给出建议取值,对交通隧道中量地层位移差、地层剪应力以及结构自身的惯性力,其大面广的山岭隧道的抗震计算具有一定的指导中惯性力影响较小可忽略,计算时将地层位移差以意义。强制位移的形式施加在荷载-结构模型中地层弹簧2.5.2.2反应位移法的末端,将地层剪应力转化为节点力施加在结构上,与地面结构不同,隧道的地震响应不由其自身准确求解地层位移及剪应力成为反应位移法的关[228]的惯性力决定,而是对地层振动具有依赖性和追随键。文献中推导了均质地层中地层位移及剪应性,隧道在半无限体地层中的存在对地层本身地震力的解析公式,并据此得到了地震作用下圆形盾构[228]响应的影响很小。试验研究作为另一种有效的隧道结构内力计算的简化公式;对于成层地层可以隧道抗减震研究手段,弥补了震害研究中无法主动采用重复反射理论求解特定位置的位移及剪应力。控制地震各变量的改变这一缺陷,同时相比理论分目前反应位移法的应用存在以下几方面的困[238-239]析更接近工程中真实地震的实际情况,因此广泛应难:传统的反应位移法对非均匀地层并不适用于隧道抗减震研究中,一般分为人工震源试验和用;地层弹簧刚度需要利用有限元方法计算,使用不振动台模型试验两大类。人工震源试验最早由方便;再者,当隧道断面复杂时,地层剪应力的施加[229]Phillips等在美国内华达州核试验场附近1座试将变得十分繁琐。针对这些问题,学者们提出许多[240]验隧道中通过核爆炸完成,试验结果表明自由场围简化反应位移法的途径:片山幾夫等提出了反岩与隧道的地震响应基本上相同。人工震源试验法应加速度法,该方法采用地层-结构模型,以地下结由于起振力较小,实地材料类型单一,且代价昂贵,构顶部与底部位移差最大时刻各单元的加速度作为[232-234]一般不采用。输入地震动;何川等提出的广义反应位移法振动台模型试验方法能够较方便地进行材料选解决了在非均匀地层中应用反应位移法精度不足的[241]取和配比,可以通过不同条件、不同工况的控制,从问题;刘如山等对反应加速度法的地震荷载加[242]多个角度探求围岩和地下结构的地震响应特性,因载方法进行改进,提出了反应应力法;陶连金等[230]此得到较广泛的应用。Okamoto等进行过1座详细比较了反应位移法、反应加速度法等目前地铁水下沉管隧道的地震模型试验,试验结果表明沉管地下结构抗震设计方法的差异性和规律;刘晶波[243]隧道地震过程中随周围地层的而振动;何川等结合反应位移法明确的物理概念和严密的理[231-235][244]等利用盾构隧道振动台试验证实了隧道结构论基础,提出整体式反应位移法;李亮等通过改的上述地震响应特征。基于隧道结构的振动特性,进地层弹簧系数的求解方法,提出了改进的反应位日本于20世纪70年代提出了反应位移法,并用于移法,上述诸多改进途径拓宽了反应位移法的适用隧道等线状地下结构的抗震设计中,日本学者立石范围,并使其便利性得到改善。章(1992年)采用土-结构动力分析的子结构法对反2.5.2.3时程分析法应位移法进行了理论推导,证明不考虑阻尼时,反应起源于20世纪60年代的动力分析法是直接通[236]位移法在理论上是严密的。过动力方程求解地震响应的方法,包括频域分析法由于遵从了地下结构的地震响应特征,反应位与时程分析法。频域分析的原理是利用傅里叶变移法能够真实地反映隧道在地震作用下的受力状换,首先计算结构体系的频域传递函数,求得频域解态,适用于盾构、明挖、沉管等软土地层隧道的抗震后再通过傅里叶逆变换求得时域解。频域分析计算计算,在日本共同沟、地下停车场、石油、自来水管速度较快,但由于其叠加原理,仅适用于线性结构系[228]道、铁道等规范中广泛采用;台北捷运系统工程统。当结构形式、边界条件复杂或地层非均匀性大土木工程设计手册(1998)、高雄捷运系统红桔线路时,结构地震响应呈现高度非线性,该方法就不再适[237]网建设案土建及车站工程设计规范(2002)等也用。时程分析法将地震动时程直接带入振动微分方规定土质地层中的盾构隧道采用反应位移法进行抗程,将地震持时划分为许多微小的时间段,通过振动震计算。在中国,反应位移法现已应用于《核电厂抗微分方程逐步积分求出结构在整个地震过程中各时
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201521[247]刻的响应,非线性结构系统也可使用。时程分析法据断层蠕变及错动量采取扩挖措施、采用柔性[248]能够较好地处理介质中各种非均匀、非线性问题,可连接方式通过断层破碎带、设置抗震缝、加固断以全面考虑地震动的峰值、频谱特性和持续时间,计层破碎带处的围岩,以及对断层破碎带过渡段同样[249]算结果能够反映出结构体系较为真实的变形,强度采取抗震设防措施等。变化过程及结构-土体之间的相互作用,被称为真正2.5.3.2减震构造措施[51]的动力反应分析法。求解时程分析法中的振动隧道减震构造措施的思路是在衬砌和围岩间设微分方程一般需要采用数值求解的方法,根据对时减震装置,使原有衬砌-围岩系统变为衬砌-减震层-间增量的处理方式不同,常用的数值计算方法有线围岩系统,通过减震层吸收一部分地震能量,从而减性加速度法、Wilson-θ法、Newmark-β法和中心差小或改变地震对结构的作用强度和方式,达到减震分法等;根据建模方式的不同,时程分析法的数值计目的。在盾构隧道壁后注浆时注入硅胶类的隔震材[204]算方法一般分为有限元法、边界元法、离散元法和有料已经在日本得到应用,在中国仍处于试验研[245][14,250-251]限差分法等。究阶段。蒋树屏等通过振动台模型试验,研动力分析方法使用时应注意以下2点:①采用究了减震层刚度、地震波输入频率和减震层阻尼等[252]有限的模型模拟无限的地层介质时必然将导致地震参数对隧道减震效果的影响;耿萍等开展了穿波在模型边界上的反射,从而引起模型内波的震荡,越断层破碎带隧道设置减震层的振动台模型试验导致计算结果失真,为解决此问题,一般需在模型边研究。[246]界上引入人工边界条件;②受限于计算机容量2.5.4小结和计算能力,合理的模型尺寸及范围是计算精度和通过隧道震害及抗震设计研究现状的调研和总计算效率二者权衡的结果。结,可得出以下结论:2.5.3抗减震构造措施(1)隧道工程的震害情况与房屋、桥梁等地面建隧道工程抗减震构造措施分为两个方面:①采筑相比较小,隧道工程具有较强的抗震性能,但各国取必要的构造措施,使隧道容易追随地层的振动,从数次严重震害警示人们,在强震情况下隧道结构仍而减小结构内力,提高隧道自身的抗震性能;②通过有可能产生较大震害,地下结构无“绝对安全”的神工程手段减少地层传递至隧道结构的地震能量的减话,隧道工程也应重视抗震设防;震措施。(2)现有的隧道抗震计算方法适用范围有限,由2.5.3.1抗震构造措施于在参数取值以及计算成本等方面存在的一些限盾构隧道由管片与接头拼装而成,其抗震构造制,有些计算方法尚未达到可以直接指导设计的阶措施可从管片和接头两方面着手。对管片而言,降段,因此简便、可靠的隧道抗震计算方法仍是今后隧低其刚度可有效降低相同变形条件的衬砌内力,适道抗震设计研究的重点;当减小幅宽、增加管片环分割数可减小隧道整体的(3)专门针对隧道结构物的抗震设计规范仍然[228]等效刚度;同时应注意,过小的结构刚度将导致缺少,亟待制定;现行规范中针对隧道结构抗减震措结构产生过大的变形,从而易使结构破坏或无法正施的条文数量少、实用性和操作性不强,今后应着重常使用。特定条件下盾构隧道内设置二次衬砌可在开展经济、有效的抗减震措施等方面的研究。[231]一定条件下起到减小震害的作用。对接头而3隧道施工技术言,在管片连接处设置橡胶止水带、弹性垫圈,不仅可防止接头处因变形过大而漏水,同时可减小结构3.1钻爆法(山东大学李术才、李利平老师,长安大地震内力;隧道纵向采用直螺栓、加长螺栓长度等措学陈建勋、罗彦斌老师,西南交通大学杨其新施在盾构隧道抗震设计中也经常用到。老师提供初稿)矿山法山岭隧道洞口浅埋、偏压和断层破碎带3.1.1钻爆法施工的发展与现状处震害严重,是抗震设防的重点部位。对于洞口浅钻爆法是以钻孔、装药、爆破为开挖手段,以围埋、偏压段隧道,规范[28],[30]中对洞口边仰坡开岩-结构共同作用为支护设计理论,采用复合式衬砌挖高度、洞门材料、衬砌形式等均做出规定,同时还结构,以钻爆开挖作业线、装渣运输作业线、初期支提出设置系统锚杆、衬砌背后注浆等措施;对于穿越护与防排水作业线、二次模筑衬砌作业线、辅助施工断层破碎带隧道的抗震设防研究中,常用措施有根作业线为特点的重要、应用极广、首选的隧道施工
22中国公路学报2015年[257][258]方法。善、光面爆破装药结构、爆破震动控制技[259]钻爆法开挖隧道的历史要追溯到16世纪产业术等多方面进行了研究。目前,选择合理的掏革命开始后。产业革命开始后,炸药的出现加速了槽形式(比如楔形掏槽)、严格控制单段最大装药量、近现代隧道开挖技术的发展。风动凿岩机的发明使确定合适的循环进尺和台阶长度等技术措施,能有[260]得钻爆技术发生了划时代的飞跃。随着硝化甘油炸效控制爆破震动效应对隧道稳定性的影响。这药及风洞凿岩机的推广使用,钻爆法施工技术渐渐些措施使得隧道爆破技术有了长足的进步。随着控发展起来。此后经过100多年的发展,钻爆法的施制爆破技术的发展,钻爆法的应用范围也逐渐加大,工方法也得到了迅猛发展。在20世纪60年代之并逐步应用于软石及硬土的松动爆破。20世纪90前,中国隧道开挖普遍采用了传统的钻爆法。20世年代后,在众多的隧道工程项目施工中,使用拼装式纪60年代以来,隧道机械化施工水平的进一步提高简易台架进行隧道施工钻岩、支护等作业是值得肯和以岩体力学理论为基础的新奥法的引入,全断面定的技术改进,其代价低廉,实现了风、水、电上架,液压凿岩台车和其他大型施工机具相继用于隧道钻给施工作业以极大的方便,经济效益显著,深受广大[253]爆法施工。隧道建设者们的欢迎。隧道爆破技术的显著进步,20世纪90年代以后,中国隧道工程建设事业极大地促进了隧道施工能力和综合效益的提[253]有了较快的发展,这与隧道爆破技术的进步密切相高。20世纪90年代以后,中国隧道工程建设事关。大量的锚喷支护工程实践和岩石力学的迅速发业有了较快的发展,这与隧道爆破技术的进步密切展,导致了现代支护理论的建立,在此基础上出现了相关。新奥法、挪威法、新意法等更有效的施工方法;冲击在开挖方法的选择上,钻爆法中常用的有全断钻头改进及全液压钻孔台车的出现,大能力装渣、运面法、台阶法、环形开挖留核心土法、双(单)侧壁导渣设备的开发,新型爆破器材的研制及爆破技术的坑法、CD法、CRD法等开挖方法,这些技术已日渐完善,超前地质预报等新技术的应用,改善围岩条件成熟。每种工法具有不同的特点,对于不同的地质[261]及支护技术的进步等,极大地改良了施工环境,提高条件很难做到完全兼顾。当隧道通过浅埋、偏了掘进速度,使得钻爆法的掘进技术得到更新,也为压、软弱围岩、断层破碎带、岩溶以及大面积淋水或水底隧道施工技术的发展(穿越江河、海湾)提供了涌水地段时,应考虑采用适当的超前支护等辅助施[254]新的有效手段。当前中国隧道施工中广泛采用工措施,以保证施工过程中的安全。目前在钻爆法的是与新奥法原理相结合的钻爆法。到目前为止,施工的隧道中通常采用的超前支护方法有超前锚中国采用钻爆法已成功修建了全国99%的隧道,是杆、超前小导管、超前管棚等,在某些特殊地质情况[255][262][263]采用钻爆法修建隧道数量较多的国家之一。目下,也可考虑水平高压旋喷桩、超前管棚、冻[264]前,中国隧道钻爆法施工技术已跻身世界领先行列,结等方法控制隧道围岩变形和开挖面的稳定,已经成为世界上隧道数量最多、发展速度最快、地质提高施工安全性及高效性。条件与施工环境最复杂、隧道结构形式多样的国家。尽管中国在钻爆开挖技术上取得了一定的成3.1.2隧道钻爆开挖技术就,但在具体操作实施上由于员工素质等原因,根本中国隧道爆破作业在20世纪60年代由原始的达不到相应要求;通过运用现代计算机技术着力开钢钎凿岩、打孔方式转变为手持气动冲击钻进行钻发隧道爆破设计计算机程序软件,提高隧道爆破专孔作业,并在1965年首次采用了光面爆破技术。70业化队伍的管理水平,才能促使中国的隧道工程钻年代以后,手持风钻改进为气腿支撑式手持高性能爆施工技术进一步的提高。风钻,70年代后期光面爆破基本取代了传统的爆破3.1.3隧道支护技术方法。在20世纪80年代,中国在隧道开挖爆破技目前,中国隧道工程施工还是以钻爆法为主。术上取得了跨越式的技术进步。在为修建衡广铁路钻爆法是通过各种支护技术、加固技术、预加固技术复线大瑶山隧道时铁道部决定引进世界上最先进的和辅助施工技术,来提高围岩的自承能力,确保隧道[265]多臂液压凿岩台车,同时塑料导爆管(诺雷尔)非电开挖和后续作业时结构的稳定。[256]起爆系统在中国试验成功并批量生产。自20世在钻爆法施工中,针对不同的围岩级别,采用相纪60年代以来,中国对钻爆法开挖隧道进行了持续应的支护形式,由初期支护与二次衬砌组合成的复不间断的研究。从爆破方法及爆破模式的改合式衬砌最为常用,是隧道结构的主要承载单元。
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201523其中初期支护通常采用由喷射混凝土、钢筋网、钢架3.1.4监控量测及锚杆组成的组合结构,而二次衬砌常常采用模筑在国外,西方国家主要采用红外线测距技术、激混凝土作为安全储备来进行设置。传统坑道开挖后光技术及地质图像处理技术、光纤传感监测系统等的支护方法,大致可以分为钢木构件支撑(传统矿山高科技技术手段,对隧道内测点的变化情况进行监[277]法)和锚杆喷射混凝土支护(新奥法)2类。中国从测分析,得到测点处围岩的位移变化情况。20世纪60年代开始应用锚杆和喷射混凝土技术,在中国,目前以位移测试为主体的隧道施工监近几十年来,通过工程实践积累了丰富的在不良地控量测系统普遍采用了全站仪、水准仪以及收敛计质等困难条件下用钻爆法修建隧道工程的成功经等仪器对隧道内的测点变化情况进行监测分[278]验。传统施工方法中初期支护采用钢木构件支撑,析;此外,多种类型的压力盒、位移计、钢筋计等构件支撑在模筑整体式衬砌时通常应予以拆除,即也应用到隧道监控量测工作中。在监测数据处理不作为永久承载构件,被称为临时支撑。目前在隧上,线性-非线性回归预测、时间序列预测、灰色系统道工程施工中,初期支护一般由锚杆、喷射混凝土、预测、神经网络模型预测等一种或多种方法结合应钢拱架、钢筋网等及它们的组合组成,使用最多的组用,对隧道围岩情况分析取得良好的预测结果。合形式是锚杆(主要指系统锚杆)加喷射混凝土(素虽然中国隧道监控量测技术的理论方法取得了喷或网喷)。因此,初期支护可以称为锚喷支护。显著的进步,但是与欧美及日本等隧道修建技术先近年来,国内外研究人员对新型复合材料钢纤进的地区和国家相比,还存在一定的差距。一方面,维喷射混凝土的喷射技术、增强机制、力学试验、早对隧道施工监控量测仪器的研发投入较少,对隧道期强度、应用与设计等方面进行了相关研究,并在恶施工监测管理要求也不严格;另一方面,由于中国公劣环境下提高喷射混凝土耐久性研究取得了较多研路隧道建设起步较晚,在早期的发展过程中,科研攻[266-267]究成果。钢架对限制围岩变形能够起到重要关的重点主要集中在隧道结构设计、受力分析和施[278]作用,尤其是在软弱围岩隧道中。目前中国隧道钢工方法方面,而忽视了监控量测技术的研究。架主要采用格栅钢架与型钢钢架,中国学者曾对格3.1.5隧道超前地质预报技术栅钢架和型钢钢架的受力特性和变形特征、结构特在隧道施工期间,采用各种技术手段和方法对点及适用性也做了相应研究并给出了使用原隧道掌子面前方不良地质条件进行及时、准确的预[268-269]则。锚杆被认为具有悬吊作用、支撑作用、组测是保证隧道施工安全的重要措施。隧道超前地质合梁作用和加固作用,在隧道初期支护中起到重要预报应体现以隧道地质为基础,根据可能存在的不作用。许多学者通过数值模拟或现场量测的方法对良地质条件,选择适宜的地质超前预报方法进行预[279]锚杆的作用效果进行了大量研究。在现场试验与应报。自20世纪70年代起,国际上开始了隧道及用中,总结了诸如“型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网地下工程施工期的不良地质超前预报研究工作,经+锁脚锚杆(管)+纵向连接筋”组成的新型支护结过近40年的发展,已经由起初的超前导坑、超前钻[270-273]构以及多用应用原则。除此之外,近年来隧探等方法发展到地震反射法、电法、电磁法等地球物[280]道衬砌结构的加固补强已引起国内外同行的普遍重理勘探方法。[274]视。内表面补强、粘贴FRP布法因其相对良好隧洞工程超前地质预报最早采用地质分析法,的表现和易于施工的优点,成为了隧道衬砌内表面即工程地质分析法、超前导洞法和超前钻探法。此[274-275]补强方法中最为推崇的一种方法。外,隧道工程领域还发展了红外探水仪、岩体温度法初期支护施作后即成为永久性承载结构的一部等,在一定时期内得到了现场应用,但是隧道环境、[281]分,它与围岩共同构成了永久的隧道结构承载体系。温度等对预报结果影响较大。[282-285]当前常用的永久衬砌形式有:整体衬砌、复合式衬近几年,在国外地表勘探领域,Meju等开[276]砌、拼装衬砌、锚喷衬砌4种。喷射混凝土技术始探索多元地球物理信息的联合反演理论,初步实的发展在隧道工程支护技术发展中占有很重要的地现了2种地球物理信息的联合反演(如:地震信息与位,目前锚喷支护技术的发展趋势主要集中在全面电法信息、地震信息与重力信息),利用多种地球物推行湿喷技术、钢纤维喷射混凝土和聚丙稀纤维喷理勘探方法构制同一地球物理模型已经成为国际公射混凝土推广并应用、隧道喷射混凝土单层衬砌将认的抑制多解性的主要研究趋势,但相关研究尚处成为隧道永久性衬砌3个方面。于起步阶段;中国开展相关研究的单位主要有山东
24中国公路学报2015年大学、吉林大学等,并取得了一定的进展。东大学和中国矿业大学初步开展了单裂隙条件下的中国的研究人员在隧道超前地质预报技术上开动水注浆扩散及封堵模型试验,但未涉及可视化三[299-302]展了不同程度的研究和试验工作,取得了较丰富的维条件下的动水环境和其他含导水构造。动成果,例如:利用瞬变电磁对隧道不良地质探测研水注浆理论急需突破破碎岩体加固封堵机理,当前[286][287]究、基于地质分析的“断层参数法”、基于地研究还无法对动水条件下的破碎岩体浆液的扩散、[288]质力学理论的综合超前预报技术体系;综合超运移和封堵过程进行合理分析,尚未建立针对不同前地质预报技术“三结合”原则,以及高风险岩溶隧孕灾模式和灾变演化阶段的注浆封堵、加固与效果[6,289]道综合预报技术体系和流程。评价理论模型。近几年来,隧道超前地质预报技术得到了蓬勃目前在针对突水突泥灾变演化过程的注浆控制的发展,技术手段越来越趋于多样化;但是面对复杂理论研究方面,国内外尚属空白。考虑水资源和环的地质环境,仍然还有很多的问题需要解决,根据目保生态效应,建立疏水泄压、注浆堵水和岩体结构加前的现状与技术水平,未来超前预报发展的重点也固于一体的协同控制机制和动态防控集成理论,是逐渐明确,即通过利用超前地质预报技术实现定性深长隧道突水突泥防控的基础和关键。辨识和定量预报不良地质体三大核心属性(空间位3.1.7小结置、赋存形态、充填特性)的定位定量化探测的概念隧道修建技术的进步为长大隧道工程的发展和及思想需要得到发展和肯定;基于多元地球物理信开发利用地下空间奠定了基础;同时,大规模地下工息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是程的建设也必将对隧道修建技术提出新的更高要压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径;求。为了适应今后隧道工程大规模发展的需要,展激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量望钻爆法隧道施工的发展方向,需开展以下几个方的响应敏感性在定量探测水量方面也显示出较好的面的工作:①加强施工中隧道地质勘探工作,施工中[290-291]应用前景。的地质超前预报技术的开发与完善和发展多种勘探3.1.6隧道突水突泥灾害防控技术手段,进而迅速及时地获得尽量多的地质信息资料,[257-258]在突水突泥“防、排、堵、截”综合控制理论方面,保证施工的安全。②加快隧道施工机械化,最主要的手段是水源探测、疏水降压和注浆堵水,其在应用最广泛的钻爆法作业方面,建立以钻孔台车中水源探测是决策依据,疏水降压和注浆堵水是控为先导的几条机械化作业线(开挖、出渣作业线,喷[292-293]制方法。目前国内外学者多针对灾害发生前混凝土作业线,模筑混凝土衬砌作业线),可以使钻的“防”和灾害发生后的“治”2个方面开展了相关研爆法适应性更强;在特长隧道中,采用以全断面掘进究,并取得了一定的研究成果,鲜有学者开展突水突机为核心的综合机械化技术(开挖、出渣、衬砌),以泥等灾变过程的“控制理论”研究,主要因为不同孕实现特长隧道的高速、高效和高质量施工技术水平。灾模式下的突水突泥灾变演化过程关键控制因素及3.2盾构工法(北京交通大学袁大军老师提供初稿)其相应的控制方法尚不确定,难以建立相应的决策盾构施工法简称盾构法,是使用盾构机在地下[294]模型。在隧道突水突泥“堵、排”理念及控制理掘进,在护盾保护下防止软基开挖面土砂崩塌和保论方面,从传统的“封堵”和“疏排”到现阶段的“以堵持开挖面稳定的同时,在机内安全的进行开挖和衬为主、适量排放、堵排结合”,很少从环保方面考虑对砌作业,从而构筑成隧道的施工方法。与传统地铁水资源的保护,造成了地下水资源的浪费和生态环隧道施工方法相比较,盾构法具有地面作业少、自动[295]境的破坏。注重水资源和生态保护的突水突泥化程度高、对周围环境影响小等特点。灾害协同治理理论和方法尚属空白。在注浆控制理3.2.1盾构始发、到达技术论研究方面,目前国内外学者在渗透注浆、裂隙注(1)盾构始发技术浆、挤密注浆、劈裂注浆等浆液扩散理论和机理研究由于地铁盾构隧道的增加,越来越多的隧道在方面均取得了一定进展,许多高校和学者已经开展城市中心区的繁华地带修建,在线路上方预留盾构了一系列的注浆仿真试验,初步建立了简化的注浆吊装口进行始发作业已基本不能满足环境要求。邓[296-298][303]扩散理论模型。然而以上研究均针对静水条美龙等在沈阳地铁南京街站至南市站处采用车件下的超前预注浆和岩体、土体的防水及加固,并未站风道下井、始发的施工方式进行,成功开创了车站考虑深长隧道的复杂动水环境。动水注浆方面,山风道下井盾构始发施工方法。在地下水位较高或有
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201525[310]含承压水的砂性地层,盾构进洞时的地下水控制较影响到盾构机的姿态控制。在盾构施工中,保为复杂,稍有不慎,便可能引起涌水、涌砂等重大事证良好的盾构姿态,不仅有利于保护好盾构机,同时故,除工程本身以外,对周边环境造成的影响及损失也有利于保证良好的隧道施工质量。也十分巨大。钢套筒辅助盾构进洞工艺主要基于水(3)刀具磨损检测土压力平衡的理念,以小空间换取大空间、循环利用盾构掘进过程遇到复杂地质条件对盾构刀具的为核心,为盾构进洞提供了新的技术和思路,成功克磨损特别严重,减小盾构刀具磨损,是保证土压平衡[311-313]服盾构在进洞过程中受加固空间局限制约的进洞,后构长距离掘进的重要措施。袁大军等进行[304]减小了对周边环境的影响。刀具磨损现场监测,利用数学统计方法对监测数据(2)盾构到达技术进行回归,得到砂卵石地层盾构刀具的动态磨损情盾构到达技术既是盾构施工的关键环节,也是况,提出了刀盘选型和刀具配置原则以及合理的设施工的重点和难点。盾构直径不断增大及地层和环计参数,为工程实际中减小刀具磨损及预测盾构在境条件越来越复杂易导致到达施工过程中的塌方、类似地层条件下的最长掘进距离等提供理论依据。透水等工程事故不断出现,且多数事故与端头加固刀具的磨损检测也是盾构能顺利进行的关键因素之模型使用不当及纵向加固范围不够有关。近些年,一,现在的刀具磨损检测技术包括:开仓检查、安装[314]深覆土、高水压、复杂地层工况一直是盾构到达施工刀具磨损感应装置、通电式刀具磨损等。重大难题,武汉地铁2号线越江隧道工程采用头旋3.2.3管片拼装技术喷加固、冷冻加固以及基坑回填、盾构掘进等水下到盾构推进结束后,迅速拼装管片成环。除特殊达关键施工技术实现了水下到达施工,成功地解决场合外,大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工[305-306]了盾构到达过程中高水压风险。的情况下,有时采用通缝拼装。由于地铁等盾构隧(3)端头加固道工程的不断开展,在现有施工工艺的基础上,应该洞门凿除以后端头地层暴露,端头地层受力平在盾构隧道地层适应性(特别是复杂地层)、管片拼衡被打破,对于自稳时间较短的土体,始发掘进之前装密封(防水防漏)、管片注浆、管片拼装方式等方面[307][315]的端头加固显得十分有必要。丁修恒通过列举几逐步提高。宋艳玲对超大型盾构隧道管片拼装种典型的工程地质条件下采用的端头加固方案,提出方法、技术要点控制、拼装精度控制、拼装顺序优化、了端头加固常用的施工技术工艺和要点以及注意事掘进姿态影响等方面进行了较系统的总结,可为同[316]项。特殊地段及复杂地质条件下盾构始发到达采用类工程施工提供借鉴。张晓莉针对大直径隧道的水平冰冻加固方法,基于冻结法技术在越江隧道工中的管片错缝拼装技术以及盾构掘进过程中管片拼程中的参数设计计算过程,提出采用冻结法安全施工装的施工工法提出需要控制盾构掘进姿态、加强人[308-309]可设置冻结泄压孔、适当补浆并加强监测等。工检测、严格控制注浆量等要求,有利于保证管片拼3.2.2盾构掘进技术装质量的关键方法。(1)开挖面稳定控制3.2.5壁后注浆技术盾构隧道施工中,合理的开挖面支护力控制,保盾构管片后的注浆材料以及注浆参数的控制是证开挖面的稳定,能有效减少开挖对周围地层变位决定地面沉降的关键因素。及构筑物的影响。泥水平衡盾构是通过泥水压力使注浆材料的选择需考虑隧道土质和盾构形式等掘削面稳定平衡,从而控制开挖面稳定。土压平衡条件,为使壁后充填注浆材料能迅速、准确地填充到盾构则是通过保持土仓压力使掘削面稳定平衡,维衬砌管片与地层间的空隙中,要求壁后充填注浆材持开挖面土体稳定。目前,开挖面稳定性理论研究料具有优异的填充性、均一性,流动性良好,不会产主要侧重于开挖面极限支护压力的确定。国内外学生沉淀现象;有地下水存在时浆液不会被稀释,且在者在分析开挖面失稳破坏模式的基础上提出了许多短时间内能到达与空隙外围原状土相当的强度;浆计算模型和研究方法(包括解析法、现场试验法、数液硬化后,不会发生体积收缩现象,透水性降低,浆[317][318]值模拟法等)。液充填不污染地下水且成本低。王春河等(2)盾构掘进姿态控制以南京长江隧道盾构掘进为背景,将废弃泥浆和高盾构机所处土层的土质情况、隧道轴线设计情分子材料在不同配合比下复合,调制出具有新特性况、盾构机操作手的技术水平和经验等因素都直接的泥浆。为满足复杂盾构工况的需要,徐建平
26中国公路学报2015年[319]等研制出具有快硬、抗水分散性和稳定性好等过加强对地中对接的实施过程控制和采取辅助措特点的高性能同步注浆材料,成功应用于武汉地铁施,解决了对接精度要求高、对接面地层涌水量大及[331-332]4号线杨春湖、工业四路及岳家嘴等标段。游永锋洞内拆机空间狭小等技术难题。[320]等调整胶凝材料组分、水胶比,添加絮凝剂、有3.2.7特殊地层条件施工技术机纤维和减水剂,制备出可减少管片上浮、抗水分散在盾构施工过程中经常会遇到一些特殊的地层性好、抗渗性好于一体的高性能同步注浆材料,在台条件,例如黄土地层、富水砂卵石地层、上软下硬地山核电取水隧洞施工过程中效果良好。层等。理论推导可以根据不同的施工工况,建立不同黄土是一种典型的非饱和结构性土,其强度与的盾构壁后注浆模型,为注浆过程中注入压力、注浆土体结构特征密切相关。黄土地层中盾构法隧道施[333]量、注入时间以及浆液初始粘度等参数提供合理的工开挖面的稳定性与施工参数有关。何川等等[321-324]选取依据。叶飞等将隧道壁后注浆总结为充结合西安地铁2号线,针对在黄土地层中采用土压填、渗透、压密和劈裂4个过程,并引入等效孔隙率平衡式盾构,研究了黄土地层条件下盾构掘进对地概念,提出了壁后注浆的三维饼形充填模型、半球形层的扰动情况以及盾构施工关键参数的匹配问题。[334]和柱形渗透模型等,最后结合工程实例,验证了公式王俊等以南京地铁10号线越长江隧道为研究对的准确性,为合理选取注浆压力、注浆量、注入时间象,通过数值模拟与室内模型试验相结合研究了砂以及浆液初始粘度等参数提供了有效依据。卵石地层条件下大断面泥水盾构隧道施工过程中泥采用数值模拟方法可以针对实际隧道施工工程膜“生成-破坏-再生成”的动态过程以及泥浆渗透范进行数值模拟分析,考虑注浆过程中注浆浆液时间围,探讨了不同泥水压力条件下盾构施工对周围环[325]与强度的变化,壁后注浆压力消散和浆液固结硬境的影响。[326][327]化过程,注浆压力的影响等对地表沉降的影上软下硬的复合地层不同于普通软土地层,易响,为地表沉降与地层变形提供了有利的参考依据。造成盾构偏离轴线、喷涌、开挖面失稳、结泥饼、刀盘3.2.5带压进仓技术刀具严重磨损、软硬交界面处刀具的崩裂和导致地近年来,随着现代盾构装备技术的长足进步,盾面严重沉降等情况出现,因此在上软下硬地层中进[335]构法逐渐成为应对软弱地层、跨越江海等复杂困难行盾构施工也存在很多问题和风险。李有兵以地质条件的主要施工工法。中铁十四局集团公司采狮子洋盾构隧道为背景,总结出了FEM数值模拟、用直径14.93m的泥水平衡盾构机,成功破解了超刀盘刀具配置、掘进参数选择、姿态控制技术等上软大直径、超高水压、带压开仓换刀技术等六大世界级下硬地层综合施工技术。技术难题;在南京长江隧道施工中实现了在高气压3.2.8盾构施工存在的问题及对策条件下成功检修刀盘刀具,采用了在开挖面上形成(1)刀具磨损问题气密性良好的泥膜、气压支护开挖面的带压开舱方随着大直径、长距离的复杂地层盾构隧道的出法,成功地实现了江底更换刀具、修复刀盘作业;随现,刀具磨损问题成为了盾构施工顺利进行的关键后在南京地铁10号线穿江工程中,全球首次成功实因素之一。根据不同的地层进行不同的刀具选型及现11m级泥水盾构机内小空间常压换刀直径泥水刀盘配置,刀具磨损预测,以及在掘进过程中应采用[328]盾构带压进仓作业时,开挖仓内良好的气密性的刀具检测方法都是急需解决的问题。可防止开挖仓内的高压气体逃逸从而保证气压稳定(2)管片上浮问题[329]并能安全施工。盾构机刀盘直径与隧道衬砌管片外径的差值,3.2.6地中对接技术以及在掘进过程中产生的超挖,使得管片与地层间盾构地中对接技术即两台盾构机分别从两向掘存在一个环形建筑间隙,会使管片产生上浮现象。进至结合地点正面对接。地中对接技术能够缩短工采用性能较好的浆液使盾构隧道管片与围岩共同作期,能解决无法设置竖井等困难,还能降低经济成用形成稳定的整体构筑物,调制浆液配比以控制地[322]本。对接地点的选取、对接前的高精度测量和盾构表的沉降和保证管片的稳定。叶飞在理论计算机对接部位的密封等是软弱土层盾构地中对接过程方面,引入等效孔隙率概念,将浮力划分为静态浮力[330]的关键技术难点。广深港铁路客运专线狮子洋与动态浮力,给出了局部抗浮与整体抗浮计算公式。[336]隧道采取了盾构水底地中对接施工的技术措施。通肖明清等应用有限元法,对地层材料的物理力
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201527学性质、注浆材料的性质等影响盾构衬砌环上浮蒙特设计了一台TBM,并在英法海峡水底隧道掘进的因素进行分析。针对大直径盾构隧道的特点,了直径2.1m的导坑,并掘进了5km。1884~1926提出了施工、设计过程中控制衬砌管片上浮的对年间,一些国家先后设计制造21台掘进机之后,因策和措施。受到当时技术条件的限制,例如合金钢材、液压技(3)高水压、长距离、大直径盾构隧道问题术、配套技术、配套设备等,致使掘进机制造处于停越江海隧道具有水压高、地质条件复杂、距离滞状态。直至20世纪40年代至50年代初,欧、美长、直径大等特点。高水压浅覆土复杂地形地质超及日本各工业发达国家和地区又继续研究设计制造大直径长江盾构隧道成套工程技术(2014年获国家和使用掘进机,并在实际使用中获得了较为理想的科技进步二等奖)开发了适应高磨蚀性密实砂卵石效果。目前世界上著名的五大掘进机制造厂商是美砾石地层刀具配置技术,创新了刀具更换技术与进国的罗宾斯公司和贾瓦公司、德国的沃斯公司和德舱泥膜技术,攻克了高水压高磨蚀地层超大直径盾马克公司、瑞典的阿拉斯·科普柯公司,都是20世构长距离连续掘进技术难题,同时还建立了高水压纪50年代和60年代开始研制和生产掘进机的。国强渗透浅覆土地形陡变条件下超大直径泥水盾构安外TBM技术已经相当成熟,到目前为止全世界使全掘进体系。高铁狮子洋隧道、南京纬三路过江通用已超过450台,掘进总长度在2500km以上。道等出现的关键技术问题还未解决,国家重点基础20世纪50年代,中国开始研究TBM制造及掘研究发展计划(“九七三”计划)《高水压越江海长大进技术。1965年,掘进机的研制列入国家重点科研盾构隧道的安全基础研究》将对高水压长大盾构越项目。1966年,由上海勘测设计院和上海水工机械江海隧道的盾构机土相互作用、安全掘进、刀具磨损厂研制生产出中国第1台直径为3.5m的TBM,并等问题进行进一步的研究。在云南下关的洒洱水电站进行试验,掘进机开挖施3.2.9盾构施工新技术展望工通过的岩层是花岗、片麻布岩及石灰岩,最高月进中国城市地铁发展迅速,盾构法以其安全、环尺48.5m。由于种种原因,中国产掘进机的可靠性保、快速的优点必将在地铁隧道的修建中得到更广和技术性能都与国外掘进机有相当大的差距,掘进泛的应用与发展。随着现代科技的发展,盾构施工机的应用未能在中国得到推广。20世纪70年代至技术也将集中在施工断面的多元化、管片衬砌拼装80年代是国外TBM技术突飞猛进的发展时期,而技术、盾构施工技术自动化等方向发展。这期间TBM技术在中国基本上处于低潮阶段。从(1)施工断面的多元化。为适应不同的地质条1991年引大入秦工程开始,中国TBM施工开始进件和特殊的工程,越来越多的盾构形式在不断出现,入新的发展时期,虽然此时的TBM施工市场主要比如多圆盾构、椭圆形盾构、矩形盾构、子母盾构、变控制在国外承包商的手中,但毕竟实现了TBM施形断面盾构,H&V盾构、机械式盾构、箱型盾构等。工的成功应用。20世纪90年代后期,以西康铁路(2)开发新的施工技术,包括进出洞技术、地中秦岭隧道为契机,TBM再次迎来了新的发展机遇,对接技术、带压换刀技术、急曲线施工法等,以满足首次实现了中国承包商独立使用和管理TBM施盾构特殊的工程施工要求。工。2000年以来,随着输水工程、铁路和各大城市(3)管片拼装的自动化并研制隧道衬砌新技术,地铁建设力度的不断加大,TBM在隧道工程中应用包括压注混凝土衬砌、管片接头技术、管片接缝防渗越来越广泛。技术以及高强度、高耐久性管片的制造等。3.3.2TBM的工程应用(4)盾构技术自动化。随着计算机技术的快速自20世纪90年代以来在中国的隧道工程建设发展,盾构的自动化程度也会越来越高,并具有数据中TBM掘进技术得到了广泛的应用,主要的TBM[337-356]采集功能,掘进姿态管理功能等,盾构机正朝着全自施工隧道情况见表1。动化、智能化的方向发展。3.3.3TBM制造技术3.3TBM隧道修建技术(北京交通大学谭忠盛老3.3.3.1TBM刀盘刀具研制师提供初稿)结合秦岭隧道极高强度硬岩的掘进,中国成功3.3.1概述研制了17cm盘型滚刀,其性能指标达到或超过国岩石隧道掘进机(TunnelBoringMachine,外同类产品,而整刀价格只是进口价格的50%。谢[357]TBM)的发展曾经历了一个漫长的过程。1884年博海波等针对TBM掘进中刀盘被困的现象,设计
28中国公路学报2015年表1TBM在隧道工程的应用情况Tab.1ApplicationofTBMinTunnelEngineering类别序号工程名称,建设时间TBM类型直径/m掘进长度/km工程地质特点天生桥二级水电站工程,2台二手110.80约7主要为灰岩1985~1992年敞开式TBM2引大入秦工程,1991~1992年双护盾TBM5.5317灰岩、砂岩、板岩夹千枚岩、砾岩等山西万家寨引黄工程,白云质灰岩、泥灰岩为主的37台双护盾TBM4.82~5.96146.71994~2002年软硬岩相间地层云南掌鸠河供水工程,4双护盾TBM3.6513.77砂质板岩、泥质板岩、白云岩等2003~2005年单护盾和双护盾泥岩、砂质泥岩,软硬互层,5甘肃引洮工程,2009年至今5.7517.3~18.3水利TBM各1台复合地层工程混合岩、凝灰岩、砂岩、混合6辽宁大伙房输水工程3台敞开式TBM8.0360.3花岗岩,复合地层新疆伊犁河流域八十一大坂砂岩、粉砂质泥岩、安山岩复合7双护盾TBM6.9021.86输水隧洞工程,2006~2010年地层,96%段落软弱破碎8青海引大济湟工程,2007年至今双护盾TBM5.9324.17复合地层,软弱大变形9陕西引红济石工程,2008年至今双护盾TBM3.6511围岩软弱破碎,富水,大变形锦屏二级水电站工程,8台敞开式大理岩、灰岩、结晶灰岩、1012.40约82012年至今硬岩TBM砂岩、板岩等11辽西北供水工程,2012年至今双护盾TBM3.6511主要为二长花岗岩、混合花岗岩西安安康铁路秦岭隧道工程,2台敞开式以混合花岗岩、混合片麻岩等128.80约18.461995~1999年TBM坚硬岩石为主13磨沟岭隧道工程,2000~2002年敞开式TBM8.806.11主要岩性为石英片岩和大理岩铁路中天山特长隧道工程,14敞开式TBM8.8013.42变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩等隧道2007~2014年工程兰渝铁路西秦岭隧道工程,主要地层有灰岩、千枚岩、变砂岩、152台敞开式TBM10.2019.82008~2014年砂质千枚岩等高黎贡山隧道工程,平导5.60,区内地层繁多,岩性复杂,16敞开式TBM约202014年至今正洞9.00自寒武系至第四系均有出露重庆地铁6号线工程,172台敞开式TBM6.36主要为泥岩、泥质砂岩和砂岩城市地2003~2014年铁工程青岛地铁5号线工程,18敞开式TBM6.85约22.6主要为花岗岩2015年至今大同塔山矿井工程,主要岩性为石灰岩、花岗岩,19双护盾TBM4.823.5煤矿2003~2004年中间穿越煤层工程鄂尔多斯新街台格庙矿区工程,主要为砂质泥岩、粉砂岩、202台TBM7.626.432014年至今砂质泥岩出一种新型的TBM刀盘驱动技术,该系统比现有式,掘进过程中能在2种模式间快速转换,可以穿越[358]驱动系统在脱困性能方面有大幅度提升。刘春软岩、硬岩和复合地层等复杂地层。这台TBM总通过对刀具工作条件的分析,提出关于整刀及其刀长238m,总质量超过1200t,开挖直径7.62m,已圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理用于神华集团鄂尔多斯新阶台格庙的煤矿试验斜井[355-356]和加工精度的技术指标,以及相应试验方法和原则,工程。最终以刀位系数作为刀具评价标准。3.3.3.3大直径多功能TBM研制3.3.3.2大坡度煤矿斜井TBM研制中国中铁装备集团研制了直径8.03m的中国铁建重工集团研制了全球首台长距离大坡TBM,此台设备突破了TBM整机多系统协调控制度煤矿斜井TBM,该仪器具有盾构和TBM两种模集成技术,硬岩环境下高效破岩的刀盘高强度、非线
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201529[365]性布置、小刀间距设计技术,不良地质条件下的高效质条件。西秦岭特长隧道围岩以Ⅲ级为主,岩快速支护系统设计技术,TBM三维激发极化超前地性以层状的变砂岩、夹砂质、千枚岩、砂质千枚岩居质探测预报技术等。该设备将投用于吉林省中部城多,岩石饱和抗压强度小于100MPa,选择敞开式[359-361]市引松供水工程项目。TBM施工。大伙房输水工程突破了国内外TBM3.3.3.4小型TBM研制技术选型的常规经验限制,在Ⅲ类围岩(相当于铁路的Ⅳ中信重工机械股份有限公司研制的5m敞开式级)占掘进长度78.76%的TBM施工段开创性地选无轨运输TBM具有转弯半径小,对工程的适应性用了敞开式TBM,并为其各项设备进行了科学合理强,打破常规有轨运输模式,采用胶轮车无轨运输工的配置,在施工中取得了极大成功,TBM月进尺达[366]艺,爬坡能力更强,小直径隧道掘进连续皮带机出到国际先进水平。渣,提高功效等特点,将在云南驰宏彝良矿山工程中3.3.6TBM洞内组装及拆卸技术应用。针对无法进行洞外TBM组装及拆卸的情况,3.3.3.5TBM再制造技术大伙房输水工程通过分析论证并结合TBM设备的中铁隧道集团结合中天山铁路隧道特点,对直特点,合理确定地下组装洞室断面形式及布置位置,径8.8m掘进机进行改造,通过增加变频装置、加根据TBM的大件尺寸,研究TBM运输支洞的断面长前盾、加大开挖直径及缩短主机,可提高其适应复以及洞内运输方案,中国首次实现了TBM的地下[363]杂地质的能力;通过内伸缩盾刚性连接,可提高洞室组装。通过设置中间支洞,对TBM进行中TBM掘进效率;通过缩短支撑盾、增大腔内空间及间检修来提高TBM长距离掘进的可靠性,并提出[362]增加超前钻机,可实现超前钻探。TBM中间转场方案,为TBM连续掘进20km奠定3.3.4TBM隧道地质勘察技术了基础。最终在西秦岭隧道贯通后成功实现TBM[367-370]TBM施工具有快速、优质、安全、环保等优点,洞内拆卸。但其对地层围岩的特性非常敏感,一般需要针对特3.3.7TBM掘进技术定的地层和要求进行设计。大伙房隧道工程采用地3.3.7.1敞开式TBM掘进质遥感、地球化学勘探、高密度电法、跨孔CT层析(1)刀盘刀具设置技术成像等综合地质勘察技术,查明了工程区地质条件为进一步提高掘进机滚刀的破岩效率,在刀盘和主要工程地质问题,为方案选择、工程设计提供可设计过程中确定合理的刀间距显得尤为重要。冯欢[363][359]靠的地质资料、建议和施工指导。西秦岭隧道欢等在利用岩石破碎角推导破岩刀间距范围的勘察进行了大面积的方案研究和地质调查工作,布基础上,基于RFPA分析系统,进行了双刀、三刀作置了钻孔和可控源大地音频电磁法以及全隧道范围用下的不同刀间距破岩效果的分析,并推导出了最[364]高密度电法、工程地震等方法的物探工作。优破岩刀间距的计算公式,最后通过滚刀-岩-机作3.3.5TBM施工选型技术用综合试验台,验证了所推导的最优刀间距计算公TBM可分为敞开式、单护盾、双护盾3种类型。式的科学性。敞开式TBM适应于较完整、有一定自稳性的围岩,(2)不良地质段TBM施工技术特别是在硬岩、中硬岩掘进中,强大的支撑系统为刀TBM穿越不良地质地段时,地质预报十分关盘提供了足够的推力,能充分发挥出优势。敞开式键。实际工程中主要采用地质素描、物探及超前钻TBM刀盘附近有足够的空间用来安装钢架、锚杆、探相结合的综合超前地质预报方法,确定断层带的超前注浆、喷射混凝土等作业,能及时有效地对不稳规模、充填物、涌水、隧道轴线与断层走向、倾向的组[337,371-372]定围岩进行支护。合关系等情况。双护盾式TBM有护盾保护结构,可在掘进的①TBM穿越断层的处理措施:对于较短的一般同时进行管片的安装,但其适用的地层需相对稳定、性断层,可直接通过,并及时支护;对于高压富水断岩石抗压强度适中、地下水不太丰富。采用双护盾层,需进行管棚超前注浆处理,在TBM通过后及时TBM在通过地应力变化大、破碎、块状围岩时如不采用钢支撑加固和注浆堵水。能迅速通过,则护盾有被卡住的危险。②TBM穿越高地应力硬岩地段的处理措施:预影响TBM选型诸多因素中,地质条件、衬砌型测为微弱岩爆时,在开挖面上喷水,TBM可直接掘式、隧洞用途和造价是重点,而最为关键的因素是地进通过,及时支护封闭围岩即可;预测为中等以上岩
30中国公路学报2015年爆时,超前钻孔,并向孔内注高压水软化围岩,并向对隧洞掘进的指导方面。该技术采用GPS精密定开挖面喷水,然后TBM掘进通过,并及时支护。位技术,布设GPS全面网进行测量,建立工程坐标③TBM穿越高地应力软岩地段的处理措施:加系,确保施工控制网测量精度和隧洞高精度贯通。[382-383]强超前支护、初期支护及监控量测,加快TBM掘进TBM测量技术最早成功应用于秦岭隧道,并速度,快速通过。在大伙房水库输水工程中进一步的改进,在国内外[373-379]3.3.7.2护盾式TBM掘进技术没有现成规范的情况下,合理地比照相应的规范,以[384](1)护盾TBM卡机脱困技术确定本工程测量等级。[385-387]①超高压换步:支撑盾和尾盾发生卡机时,可采3.3.10TBM支护技术用超高压泵站和辅助推进油缸进行超高压换步脱(1)衬砌与TBM掘进同步技术困,这一般适用于支撑盾和尾盾轻微被卡的情况。国外采用敞开式TBM施工时,在掘进贯通设②人工扩挖:在前盾被卡或超高压仍不能推动备拆解后再进行混凝土二次衬砌,施工工期长。中支撑盾和尾盾的情况下,可以通过人工扩挖的方式天山隧道采用矿车运输实现开挖与衬砌同步施工掏空盾壳周围以释放围岩作用在盾壳上的压力,如后,接着西秦岭特长隧道实现了皮带运输条件下的青海引大济湟工程。开挖与衬砌同步,攻克了施工工期长这一世界难题,③化学灌浆加固:利用灌浆泵压力将化学灌浆其主要技术为在台车和台架之间设置具有纵向自由材料灌注到岩体裂隙中,使松散或破碎的围岩结成度的伸缩台架代替皮带机支撑装置,实现在TBM整体,提高围岩完整性,以有利于TBM施工通过,掘进、皮带机运行、机车通行的同时进行混凝土浇筑[346]如山西万家寨引黄工程。的同步衬砌,且在TBM正常掘进的情况下,实现皮(2)护盾TBM预防卡机技术带机三角之间的拆装、台车台架的行走以及台架的①扩大刀盘开挖直径:增大刀盘的开挖直径,可伸缩。以给围岩提供更大的收敛空间,减少盾壳被卡的几率。(2)复合衬砌施工技术②降低盾壳和围岩之间摩擦阻力:在外伸缩盾在内层衬砌施工时,为了实现快速施工,秦岭隧和支撑盾前端盾壳上半圆钻若干个注脂孔,连接1道利用自制的穿行模板台车,和1套与模板台车相套气动油脂泵和分配阀系统,向盾壳和围岩之间注结合的衬砌施工工法,实现了衬砌的快速施工,创每入廉价油脂或其他润滑材料,以降低盾壳和围岩之天衬砌34m的中国最高水平。间的摩擦因数,从而降低推进和换步时的摩擦阻力。(3)管片拼装技术③采用单护盾掘进模式掘进:在软弱围岩破碎护盾式TBM一般采用管片衬砌,其拼装技术带宜采用单护盾模式掘进,以减少撑靴挤压对围岩与盾构隧道管片拼装技术相同,控制盾构掘进姿态、的扰动,减少尾盾的清碴量,提高管片安装速度,快加强人工检测、严格控制注浆量等,是保证管片拼装速通过软弱围岩。质量的关键技术。但是在TBM卡机情况下,一般3.3.8TBM长距离出渣运输技术需进行TBM脱困施工,即将刀盘或盾壳周围围岩TBM施工掘进速度快,单位时间出渣量大、运应力释放,解除其约束,这样TBM通过该段进行管距长,要求具有稳定、高效的出渣系统与TBM配片安装时的周围空间将比TBM正常掘进时大,在套。大伙房输水工程每台TBM掘进距离长达20安装管片时若不及时将管片背后充填,将会出现较km,在比较机车运输出渣和连续皮带运输出渣方案大的错台和间隙。为了防止管片安装失稳,管片脱后,选定连续皮带运输出渣方案,这在中国也是首次出盾壳后必须及时进行背后回填。[388-390]应用。工程在实施过程中,TBM掘进多次突破13.3.11存在的问题及建议[380]km的月进尺。兰渝铁路西秦岭隧道TBM掘进近年来,中国的TBM制造及应用技术取得了长度19.8km,采用连续皮带运输模式出渣,皮带桥很大进步,但还存在许多问题,同时也还远远不能够采用2种支撑方式,在TBM掘进段采用洞壁三角满足中国规模宏大、高速增长的工程建设需求。固定支架技术,在TBM预备洞段采用竖向固定支(1)中国地域广阔,地形、地质条件十分复杂。[381]撑技术。在隧道工程设计中人们对地层认识的不确定性往往3.3.9TBM施工测量技术是TBM技术使用的最大障碍。现有的TBM技术TBM测量系统是一种全新的测量模式,表现在对地层的适应能力和对突发灾害的防御能力仍有很
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201531大不足,限制了它的使用范围。管隧道已成为跨越江河湖海的重要通道。沉管施工(2)中国在TBM技术研发方面力量远远不足,主要工序包括:干坞开挖、管节制作并制作临时封闭缺乏高素质科技人才队伍。TBM设备及关键部件结构、基槽浚挖、地基处理、管节拖运沉放、管节连接仍主要依赖从国外进口,价格昂贵,而中国建筑行业止水及回填覆盖等。沉管隧道施工作为典型的预制工程造价普遍较低,工程施工单位对采用TBM施工法,其施工阶段的平均风险不亚于运营阶段,而随工没有积极性,这种状况不利于TBM技术的发展。着港珠澳大桥沉管隧道工程、南昌红谷隧道工程为(3)大量工程实践表明,护盾式TBM卡死现象代表的一系列重大项目的陆续兴建,系统总结沉管很多,如在台湾雪山隧道、中国引大济秦隧洞、引黄隧道的施工技术更是迫在眉睫。入晋工程、昆明掌鸠河隧洞等工程中都出现过盾构沉管隧道施工技术的发展具有以下特[102,392-393]卡死现象。建议在以后的工程中采用敞开式TBM,点:①管节制造材料的变化,由钢筋混凝土其优点是:灵敏度高,调向精度可控制在±30mm取代钢材;②管节截面形式的变化,高空间利用率的以内;能够及时对不良地层进行支护,不易塌方;衬方形取代圆形;③管节在横断面尺寸和纵向总长度砌随荷载调整,造价低;在TBM上可加装锚杆机、2个维度上不断增大;④适用范围扩大,由传统内河混凝土喷射机、钢拱架安装机以及超前钻机,而且可向复杂海洋环境扩展;⑤施工过程持时更长,工序更调整刀间距、推力、扭矩及撑靴支撑力等参数,以适为精细且工法日趋复杂;⑥结构对环境因素和施工应软岩、硬岩的切削特性。误差(如超大管节预制精度、高水压条件下管节的浮(4)目前中国盾构TBM刀具种类多、产品多、运对接、隧道基底软土地基不均匀沉降控制等)更为性能差异大、无统一标准,技术创新能力较低,建议敏感,力学行为特性更为复杂,施工误差控制难度显进一步加快盾构TBM刀具行业标准化、系列化和著增加,施工误差不良效应问题更为突出。产业化。对复杂海洋环境下超大管节沉管隧道的基础设[337,388-391]3.3.12TBM新技术展望计与施工仍需进行深入系统的研究,总结沉管隧道随着TBM技术在中国隧道领域的广泛应用,常用的地基处理方式,分析各种方式对基床系数的TBM法以其安全、环保、快速的优点必将得到更广影响,并结合实际地勘资料,建立较为精确的基床系泛的应用,TBM新技术也将不断发展。数计算方法,为选择适宜的基础处理方法奠定基础。(1)TBM应能更适应不利的地质条件。从发展在此基础上进一步引入工厂化、标准化、流水化的生趋势来讲,TBM的设计将趋向于两极化,即既要设产理念,结合工厂化预制管节高性能混凝土自身特计能适合复杂地质条件使用的、费用高的多功能点,建立管节制作全过程中的温度场和应力场分布TBM,又要生产用于地质条件简单、廉价的TBM。规律模型,是实现管节预制过程中裂缝控制的基本(2)目前公路隧洞因多车道的需要,要求大断前提。最后,建立实时控制高精度测量定位方法,确面,预计今后TBM将更趋大直径化,因此,大直径保管节拖运及水下对接的万无一失,是沉管隧道精TBM的设计制造和部件运输组装是其技术上的主细化施工的有力保障。复杂海洋环境下超大管节沉要趋势之一。管隧道地基处理与基槽开挖、管节制作、测量定位和(3)随着科技进步,机电液、计算机、变频技术等浮运沉放等多阶段的施工控制是目前的主要研究大量地应用到TBM上,给TBM的故障诊断等提供方向。了很好的基础,同时也逐步提高设备利用率和完好3.4.1地基处理率,以此不断提高掘进速度。沉管隧道基础处理方法较多,选择的基本依据(4)全自动化TBM、微型TBM研制和应用技主要有:①沉管段的工程地质条件、抗震设防要求术也是今后发展的方向。等;②沉管隧道设计资料(纵断面及管节底宽等);③(5)TBM导洞超前再扩挖方法,可进行超前地航道通航及封航要求;④隧道所在地充填料供应条质预报,同时超前导洞形成的掏槽孔可提高钻爆法件及施工机械的配备条件;⑤工期及经济性要求等。扩挖进度、光面爆破效果和减少爆破震动速度等。实际工程设计应根据上述要求按照经验、模型试验3.4沉管工法(同济大学丁文其老师提供初稿)以及现场试验综合确定适宜方案。[392]19世纪50年代以后,随着科学技术的进步及理论研究方面,朱令等认为基床系数是利施工经验的增长,沉管施工技术难题逐步被克服,沉用荷载-结构法求解工程问题的关键。为研究具有
32中国公路学报2015年[401]变异性成层土地基的等效基床系数的分布特征及统需要关注的一个问题。由广明等采用数值模拟计参数,基于最终沉降量一致原理推导出了以压缩方法研究了高速列车通过沉管隧道时对沉管地基的模量为参数的等效基床系数计算方法,利用Monte影响,分析了沉管地基在高速列车作用下的液化可[402]Carlo方法考虑地层的变异性。在此基础上,借助能性。冉申德等采用二维动力有限元模拟方MATLAB软件实现求解,并将计算结果应用于港法,分析了地震荷载作用下沉管隧道地基的动力响珠澳沉管隧道工程中,建立了基于荷载-结构法的二应,得到了地震荷载作用下地基土的动剪应力分布;维分析模型。通过对试验资料的分析,得到了沉管隧道地基砂垫[393]王吉云依托港珠澳大桥沉管隧道工程实层的抗液化剪应力,据此分析了沉管隧道地基土在例,详细讨论了粗挖、精挖及清淤的基槽开挖方法及地震荷载作用下的液化可能性,并提出了相应的抗设备,以及碎石刮铺处理基础的方法及设备。徐干液化措施。[394]成等详细讨论了压砂法和压浆法的机理、有关3.4.2管节制作参数的计算确定及设计和施工问题,并对沉管隧道管节预制是沉管隧道施工的主要环节,预制管基槽的淤泥沉积及基沉降问题也进行了分析。张志节的质量直接关系到浮运沉放及使用寿命。管节预[395][403]刚等在分析沉管隧道地基处理中两端陆域边界制的重点和难点主要包括以下几点:①预制管条件、纵横向荷载分布、地层受力特点、差异沉降控节的几何尺寸误差控制。几何尺寸误差不仅会引起制及施工偏差等主要影响因素的基础上,对散体材浮运时管节的干舷及重心变化,增加管节浮运沉放料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基在的施工风险,还会影响钢端壳的加工及安装精度,增沉管隧道地基处理中的适用性进行了多项目对比分加管节间的对接难度,甚至影响接头防水效果。②析,总结出了各种复合地基处理方法的适用条件,并混凝土配合比设计及生产。混凝土的容重变化会直提出了沉管隧道采用复合地基方案时设计计算中应接影响管节的干舷高度,而混凝土的质量是保证管[396]引起高度重视的几个关键问题。张庆贺等对目节预制综合质量的根本,也是提高管节结构的防水前国内外沉管隧道基础处理的主要方法进行了对比性能和防裂抗渗性能的关键环节。③混凝土的施工分析,给出不同方法在解决基槽稳定性、控制隧道沉工艺及裂缝控制。采用合理的施工工艺和技术措降中的效果。施,可减少或避免裂缝特别是贯穿性裂缝的出现。[404]除了探索改进实际施工技术外,部分学者也采袁勇对外环沉管隧道在预制过程中的温度取模型试验的手段,对具体地基处理方法的理论机场和应力场进行了数值仿真分析,得到了沉管隧道[397][405]理进行了研究。袁伟耀以变截面沉管隧道为依温度场和应力场的分布及发展规律。罗垚等针据,通过1∶1的物理模拟试验对压砂法的砂积盘形对工厂法沉管预制施工工艺进行了沉管结构温度场成机理、扩散规律、压力大小和砂积盘密实度进行了和应力场的仿真分析。采用室内力学和热工试验得[398]分析。Li等开展了砂流法用于沉管隧道地基处到混凝土材料力学参数和热学参数,考虑预制全过理的足尺试验,试验结果表明模型底部和砂垫层间程各阶段变化的力学边界条件和热学边界条件,应存在半闭合区域,该区域的存在可有效减小基础差用有限元方法建立仿真模型,得到了沉管结构温度[406]异沉降。以舟山沈家门港海底隧道工程为背景,宋场和应力场的发展规律。梅甫良等对沉节隧道[399]光猛等采用1∶10相似模型试验方法系统研究管段施工全过程进行了仿真计算,得出了管节施工了在设定注浆压力条件下浆液流动特性以及不同垫期的温度分布及变化规律,分析了有无保温层时管[407]层粒径、不同垫层坡度和不同淤泥厚度的影响;并在节温度场的变化规律。韩卫东等采用有限元方此基础上根据相似原理将模型试验结果合理拓展,法按照实际浇筑顺序对沉管管节制作的全过程作了建立了实际工程条件下基槽注浆扩散半径、注浆压数值仿真,分别分析了夏季和冬季施工条件下管体力与时间的相关关系,可为沉管隧道工程设计和施混凝土的温度场分布及其变化规律。[400][408]工提供依据。沈永芳采用等比例模型试验研究陆仁超等基于工厂化预制施工流程,模拟了沉管隧道基础注浆无损监测方法的适用性和可靠分析了沉管节段早龄期性能的发展过程;进而引入性,提出了快速、简便、准确和经济的注浆充填效果开裂风险系数,运用敏感性分析方法分析了沉管隧无损探测方法。道预制过程中带模养护、室内养护和室外养护3个另外,沉管隧道地基土的液化也是地基处理中不同阶段中入模温度、模板形式、室内外养护温度等
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201533因素对沉管节段早期裂缝控制的影响。在工厂化预海河隧道是中国北方首次采用沉管法工艺施工制过程中应在材料制备阶段对材料配比、带模养护的隧道工程,实现了沉管管节在水中的精确对接。[414]阶段对入模温度和室内养护温度进行科学控制。郭建文针对沉管的浮运、沉放、对接等关键问题[409]陈俊生等基于大型沉管隧道的节段式管节进行了重点分析与阐述。海河隧道沉管施工过程设计施工理念,以厄勒海峡沉管隧道管节的工厂化中,采用岸拖方式将沉管管节依次浮运至沉放区域;制作为工程背景,对工厂化预制技术的基本原理、场采用浮驳吊沉法工艺进行管节沉放;利用全站仪、地布置、工艺流程以及工厂化预制所涉及的模板工GPS、倾角仪实时监控并调整管节空间位置及姿态;艺、混凝土浇筑及管节顶推等关键技术点进行了介利用水力压接将GINA止水带压缩,完成沉管对绍。工程实践表明该方法具有占地少、经济环保、施接。施工结果表明采用岸拖法浮运,浮驳吊沉法、水工周期短、质量可靠性高、全天候施工等优点,能大力压接技术进行沉管对接是可行的,技术上是可大提高管节的制作速度与质量,降低工程成本。靠的。3.4.3管节沉放对接此外,以声纳法为代表的相对定位法,因其具有沉管法隧道施工中管节的沉放是整个施工过程测量时无需测量塔,测量精度不受隧道长度影响,且中非常重要的一步,由于是水下施工,难度较大,又能够快速高效地实现管节对接端的精确定位等优[415]要求作业时间短,所以其不仅受气候河流自然条件势,应用也日渐广泛。任朝军等从管节形态、仪的直接影响,还受到航道、设备条件的制约。为了使器位置标定和现场定位测量等几个方面对声纳法管得管节能够准确地沉放到设计位置,需要对管节沉节沉放实时定位测量技术进行了分析研究,并根据放过程中管节特征点(端面特征点等)的位置进行实超声波的传播原理和声纳法在国外沉管隧道工程中时监测。的应用实例,分析了各种因素对声纳法定位测量精[410]高卫平基于常洪隧道和上海外环线隧道水度的影响,给出了声纳法管节沉放实时定位测量的利模型试验结果,分析了浮运时管段所受水阻力的精度。规律,归纳总结了不同环境参数(流速、水深、波浪)3.5明挖法(北京工业大学张明聚、郭雪源老师提对管节阻力的影响程度,从而确定了拖运时所需的供初稿)拖运力及水流产生的横向力,为选用合适的拖轮提明挖法具有施工方法简单、技术成熟,施工作业供了依据;同时还分析了管段沉放过程中所受水阻面大、施工进度快、基坑支护结构受力明确和造价低力的规律以及波浪、水流及沉深等环境因素对管段等优点,是地下空间开发初期广泛采用的施工技术。纠偏缆绳张力的影响规律。明挖法的支护、支撑类型不断丰富,地下水控制等关[411]何青通过构造数学模型,结合施工测量,提键技术日趋完善;钻爆法、浅埋暗挖法、TBM工法、出了在沉管隧道施工中采用计算机控制全站仪的实盾构法等施工技术也开始广泛应用;隧道施工方法时测控方法,解决沉管沉放的问题。其利用全站仪的选择开始具有了系统性、多样性和互补性的特点。观测数据,通过不同坐标系之间的坐标转换,实时计在隧道及地下工程施工技术百家争鸣的今天,明挖算沉管管体特征点的坐标以实现对沉管沉放过程实法仍然在浅埋隧道施工领域占据重要地位。时监测。明挖法施工主要工序包括:基坑(边坡)支护、土[412]吴瑞大等以国内外已建沉管隧道相关施工方开挖、防水工程及主体结构施工等。其中,与其他技术为依托,对常用管节沉放方法进行了对比分析。地下工程施工方法相区别的关键和特色施工技术是阐述了常用管节沉放方法如浮吊法、浮箱沉吊法、升围护结构施工技术和支撑体系施工技术。降平台法和抬吊法的施工流程及技术措施,并对这因此,在简述明挖法施工原则基础上,重点对围4种管节沉放方法的优缺点进行了综合比较,给出护结构和支撑体系施工技术作详细介绍。了每种管节沉放方法的适用范围,为沉管隧道管节3.5.1施工原则沉放方法的选择、工艺优化及新技术研究提供了参明挖法施工时,应从技术、安全、经济、环境等方[413][5]考依据。潘永仁等以上海外环沉管隧道管段沉面进行综合对比分析,其施工原则如下:①做好地放对接为例,介绍了“双三角形”布置锚缆管段平面下水的处理;②合理选择围护结构形式;③合理选择定位和双浮箱四点竖向吊沉系统及设备,简述了管围护结构的入土深度;④合理选择支撑体系;⑤控制段沉放对接工艺流程及测量定位技术。开挖的时空效应;⑥严格控制基坑周围超载和动载
34中国公路学报2015年的影响;⑦基坑底部软弱地层的加固;⑧底板快速封20m左右。干法钻孔灌注桩适用于地下水位以上闭;⑨监测量测和信息化施工;⑩控制基坑整体失稳的粘性土、砂土、人工填土等软土地层。泥浆护壁钻和破坏的风险。孔灌注桩适用于地下水位较高的土层、砂砾石地层3.5.2围护结构施工技术及软岩。钻孔咬合桩一般适用于地下水位较高的粘[5]3.5.2.1土钉支护施工技术土、粉质粘土、砂粘土、砂砾石地层。土钉支护技术是通过钻孔、插筋(管)、注浆、喷随着灌注桩施工技术不断发展成熟,出现了多射混凝土面板等一系列工序,形成土钉与混凝土面种新的结构形式和施工方法,在基坑工程中的应用板的复合挡土结构,实现土体加固的技术。一般适逐渐增多。如沈阳地铁过新开河段区间隧道明挖基用于地下水以上或经降水处理后的杂填土、普通粘坑采用钻孔灌注桩围护结构,兰州地铁1号线世纪[5]土或非松散性的砂土。大道车站深基坑工程采用旋挖咬合灌注桩工法。[416-418]20世纪90年代,陈肇元等编写了中国土诸多学者及工程技术人员对灌注桩的应用十分钉支护的设计和施工方法的相关规程。随着对土钉重视,通过结构形式和施工方法的一系列创新对该支护机理认识的加深,土钉形式不断创新,并开始与技术进行完善,做了大量的监测和研究工作,钻孔灌多种支护结构组成复合土钉支护技术,土钉支护应注桩的作用机理上和施工工艺方面取得了许多研究用范围不断拓展,如南京玄武湖隧道工程垂直支护成果,得出了一些可用于工程设计与施工的结论。段采用自钻式土钉与SMW机械施工止水帷幕相结3.5.2.4水泥搅拌桩施工技术合的复合土钉支护技术,梅西湖隧道基坑采用上部水泥搅拌桩是利用水泥干粉或水泥浆作为固化桩锚加下部土钉墙的支护型式,昆明南站地铁基坑剂的主剂,并加入一定量的外加剂,通过深层搅拌机支护采用了玻璃纤维土钉。械上带有叶片的搅拌头在地基深部就地将软土和固目前对于土钉支护技术的研究已取得丰硕的研化剂强制拌和,对土体进行改良形成土壤水泥墙。究成果,但土钉支护结构的内力、变形与混凝土支护水泥搅拌桩适用于软弱地基处理,对于淤泥、淤泥质面层所受到的土压力、土钉长度、最优土钉间距的关土、粉质粘土、粉土及饱和素填土等地基承载力标准系等问题仍然没有得到很好的解决,有待进一步深值低于140kPa的地层,搅拌桩的强度也较低,适合入研究。地层加固和止水,不适合作为挡土结构,一般需和其[5]3.5.2.2锚索支护施工技术他挡土结构配合使用。锚索支护结构是围护结构与外拉系统相结合的上海和天津地区的大量工程实例说明超深三轴一种深基坑组合式支护结构。锚索由承载体、钢绞水泥土搅拌桩技术具有可行性和可靠性。但中国水线、灌浆体、外锚头等组成,其锚固在稳定土层中的泥搅拌桩施工工艺仍存在一些问题,于是研发了五钢绞线提高的抗拔力平衡维护结构将受到土压力及轴水泥搅拌桩新技术。其他荷载的作用。一般适用于较密实的砂土、粉土、诸多学者采用理论分析、室内试验等研究方法硬塑到坚硬的粘性土或岩层中的深、大基坑。对形对搅拌桩的工作性状开展了大量研究,多轴搅拌桩状复杂、开挖面积较大而设置内支撑比较困难的基等新工艺的提出更好地发挥了该围护形式的技术优坑应考虑采用;对存在地下埋设物而不允许损坏的势,但其设计计算理论还不成熟,复杂地层条件下施[5]场地不宜采用。工方法和质量检测等方面有待深入研究。3.5.2.3灌注桩施工技术3.5.2.5钢板桩施工技术灌注桩是指在地面以下竖直开挖出一定直径的钢板桩施工技术是指将预制的钢板桩通过捶打桩孔,向桩孔内吊装钢筋笼并灌注混凝土形成钢筋法、振动打入法、静力压入法或振动锤击法打入土混凝土桩体。多个桩体依次排列构成抵抗土压力的层,锚索或支撑承担土压力的基坑围护技术。钢板抗弯承载结构。根据成孔方法的不同,灌注桩分为桩是由U形、Z形或直腹板式条形钢板经由边缘锁人工挖孔桩和机械钻孔桩,机械钻孔桩有干法钻孔口或钳口咬合而成的连续钢板墙结构。一般适用于[5]灌注桩、泥浆护壁钻孔灌注桩和钻孔咬合桩。人工含水量较大的填土层、粉土、粘土、砂土等软地层。挖孔桩适用于无地下水或地下水较少的粘土、粉质钢板桩形式的基坑围护结构,由于质量轻、施工粘土,含少量的砂、砂卵石、砾石的粘土层和全、强风速度快和可回收利用等优点,围堰和非水下基坑支化地层,特别适合于黄土层使用,深度一般控制在护中均有较多应用,在工法的改进和围护结构变形
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201535[422]分析方面取得了成果。比如厦门海底隧道右线通风支护和基坑加固处理工程中。曹建等采用了超竖井工程采用环形钢板桩施工技术,南京宁南地区前微型钢管桩加土钉喷锚支护的施工方法,成功地地下隧道工程采用拉森钢板桩支护。解决了紧邻基坑的围墙的垂直、水平位移控制等问[423]3.5.2.6地下连续墙施工技术题。朱守祥对太中银铁路地震液化带桥梁深基地下连续墙是利用挖槽机械沿着基坑的周边,坑开挖的施工技术进行了研究,提出了真空轻型井在泥浆护壁的条件下开挖一条狭长的深槽,在槽内点降水、钢管桩围堰和两者相结合的方案,解决了太放置钢筋笼,然后用导管法在泥浆中浇注混凝土,如中银铁路地震液化带桥梁深基坑开挖施工过程中可[424]此逐段进行施工,在地下构成一道连续的钢筋混凝能出现的喷砂冒水和滑坡等灾害。刘红军等在土墙壁。通常条件下,基坑工程中地下连续墙适用青岛岩石地区土岩组合的一个超深基坑工程中,采[5]条件归纳起来有以下几点:①基坑开挖深度大于用局部放坡,结合钢管桩预支护的吊脚桩加锚索支10m;②软土地基或砂土地基;③基坑周围有重要护体系,有效地控制了基坑及周围土体变形,减少了[425]的建筑物、地下构筑物;④围护结构与主体结构相结工程造价。王海平等以青岛地铁车站设计为合共同承受上部荷载,且对抗渗有严格要求;⑤采用例,探讨岩石地区明暗结合的车站设计特点,结合周盖挖逆作法施工,围护结构和内衬形成复合结构的围环境保护要求确定了明挖基坑的钢管桩加锚杆和[426]工程。喷锚不对称的支护形式。朱丹晖等将软件计算在地下连续墙应用过程中,开发了许多新设备、结果与现场施工的反馈进行对比分析,认为吊脚桩新技术和新材料,并广泛地用作深基坑工程的围护加超前微型钢管桩支护体系是适用于青岛上软下硬[419]结构。徐杨青等结合对武汉地铁2号线循礼门地层的基坑支护形式。地铁车站嵌岩地下连续墙的实际隔渗效果分析,提3.5.2.9SMW施工技术出了“纵向平移集中法”处置防渗墙渗漏点的方法。SMW(SoilMixingWall)法也称为柱列式土壤地下连续墙结构在基坑工程中应用实例已有很水泥墙工法,即利用多轴长螺旋钻机在土壤中钻孔,多,但是其计算理论及方法的发展还不能满足工程达到预定深度后,边提钻边从钻头端部注入水泥浆,实践的要求,还需在应用中不断总结工程经验,探索将其与地基土反复混合搅拌,在原位置上建成一段地下连续墙内力及变形的变化规律。水泥墙,然后再进行第2段墙施工,使相邻的土壤水3.5.2.7双排桩施工技术泥墙彼此连续重叠搭接即可做成连续的桩墙。一般双排桩是由2排平行的钢筋混凝土桩、前后桩可在含水量不大的粘性土、粉土、砂土、砂砾土等软连系梁以及压顶梁组成的空间组合围护桩体系。可土地层中应用。通过改变前、后排桩间距和排列形式调整整体刚度,该技术在中国经不断完善和发展,在上海地铁适用于常规围护结构形式刚度过小不能满足基坑变2号线等基坑工程中实现了H形钢的回收,确保了形控制要求,支护结构不能架设支撑体系等情况,还基坑稳定及周围建筑物和管线的安全。李冰河[427]能起到挡水的作用。等针对杭州天际大厦基坑工程SMW围护结构双排桩施工技术随着中国地下工程建设的发进行了监测,分析得出了软土地区采用SMW围护展,出现了应用于更多复杂地质和特殊施工环境基结构加内支撑方式施工深、大基坑的工程经验。鲍[420][428]坑工程的需求。吴刚等提出了一种新的双排桩立楠等对天津站交通枢纽工程五经路隧道[421]支护结构设计计算模型,白冰等建立了考虑空SMW工法支护的基坑进行了系统的观测,分析了间效应的深基坑双排桩支护结构计算模型,编制了开挖与支撑安装的空间效应对围护结构内力与变形设计计算软件。的影响。杭州庆春路过江隧道北岸基坑主要采用[429]学者们针对实践中产生的问题总结施工经验,SMW工法加钢支撑的围护结构体系,张忠苗等不断更新施工技术,对桩身受力和桩身侧移等关键通过在基坑开挖过程中的监测发现,围护桩的最大问题进行分析,取得了丰硕的理论成果。水平位移与开挖深度及时间密切相关,地下水位的3.5.2.8微型钢管桩施工技术变化能很好反映围护桩的止水效果,可作为判断基[430]微型钢管桩是在微型桩和钢管桩的基础上发展坑是否出现漏水的指标。楼春晖等通过对采用而来的一种施工技术。近年来,微型钢管桩作为基SMW工法围护体系支护下的超长基坑实测分析,坑超前支护技术应用于特殊地形、地质条件下基坑认为SMW围护基坑中围护桩最大侧向变形与开挖
36中国公路学报2015年深度的比值在0.005左右;SMW围护刚度在不及成,外支撑体系包括锚索、锚杆等形式,内支撑体系地下连续墙的条件下可达到1.4~2.0的基坑抗隆由围檩(冠、腰梁)、内支撑和立柱等构成。起安全系数;双排SMW围护桩比单排围护能减小3.5.3.1内支撑施工技术侧向变形,但幅度仅在10%~20%。当基坑开挖深度比较大,基坑所处地域的地质SMW施工技术开始在基坑工程中大范围应条件和周边环境较为复杂,或对基坑及周边变形要用,也取得了丰硕的经验性成果,但在设计理论和求比较严格时,需要在基坑内部设置内支撑体系与施工实践等方面仍有许多需要改进和深入研究的围护结构配合使用。工作要做。内支撑体系有全部采用钢支撑或全部采用混凝3.5.2.10旋喷桩施工技术土支撑的,也有部分采用钢支撑、部分采用混凝土支旋喷桩施工技术首先利用钻机钻孔,然后将旋撑的。从支撑构造及施工工艺来看,钢支撑多采用喷喷头钻置孔底高速喷射水泥浆液破坏土体,边提大直径圆形薄壁钢管。钢重量轻,易吊装,简便易升边搅拌使浆液与土体充分搅拌混合,在土中形成行,但钢支撑与钢围檩组成的内支撑体系整体性较水泥浆和土的复合固结柱状体,从而对土体进行改弱,刚度较小,需预加轴力来控制基坑变形,跨度较良,一般分为单管旋喷、双管旋喷和三管旋喷。旋喷大时易失稳脱落。钢筋混凝土支撑采用现场浇注方桩适用于淤泥、砂性土、粘性土、粉质粘土、粉土等软法成型,具有刚度大,变形小的显著优点,但该种支弱地层,土层的标贯值N在0~30的淤泥、砂性土、撑需要现场浇筑,浪费工期;待基坑回填时,混凝土粘性土等含水层中,效果尤其明显。支撑被废弃在地层中永久占用地下空间并造成材料20世纪70年代中国从日本引入高压全喷技浪费;如需拆除,也费工费力,不能重复利用,而且拆术,后经推广应用于基坑工程支护体系中。朱爱国除作业还会产生震动、噪声和粉尘,污染环境。[431]等结合深基坑工程支护设计,提出了对旋喷桩针对内支撑的结构形式很多学者作了一系列创的工艺进行改进后可以有效地提高止水帷幕可靠性新性研究。在进行主体结构施工时,换撑、拆撑是施[432]的结论。汪小超等结合深圳地铁竖井的施工,[436]工中的技术难点。李守彪等结合软土地区某地发现在降水条件下,水泥旋喷桩既有效阻滞了地铁铁半逆作法基坑工程,在施工中进行动态监测,发现竖井外地下水,又充分利用了水泥旋喷桩改良的基[433]该地区钢支撑轴力的变化规律为支撑轴力与支撑间坑边坡土体,保证了竖井施工的安全。刘全林距、施工步骤、支撑形式、开挖深度和开挖速度等因通过工程实践,研究介绍了旋喷搅拌加劲桩这种新素有关;第1道钢筋混凝土支撑刚度较大;第2道支型的基坑主动支护技术,提出了加劲桩在淤泥质软撑施作较早可减小最大支撑轴力值。近年来基坑事土基坑中成功应用的关键,建立了加劲桩的加固和支护刚度计算方法。胡海英等[434]以深圳平安国际故频发,影响恶劣,关于基坑事故的研究较多,薛丽[437]金融中心大厦为例,介绍了在含有透水层地质时,所影等分析了深基坑工程的主要破坏形式和诱发采用的高压旋(摆)喷桩加袖阀管注浆加挂网喷射混因素,并提出北京地区基坑工程中存在的主要问题,凝土的止水方案效果良好。刘凤洲等[435]研究了天即钢腰梁与支护桩之间未设抗剪蹬,斜撑与牛腿间津地铁车站深基坑三轴高压旋喷桩施工对邻近历史未焊接。钢支撑活络头是设置在支撑端部的连接构保护建筑影响,利用各阶段沉降监测数据重点分析件,是钢支撑的薄弱部位,传力不可靠,易造成偏心[438]三轴高压旋喷桩围护结构不同施工工序对建筑物沉受力,导致脱落事故,张明聚等设计研发了新型[439]降的影响。基坑工程内支撑抱箍式活络头。北京工业大学旋喷桩施工技术具有施工简便、施工占地及净提出了一种盾构竖井装配式钢管混凝土内支撑体空面积小等特点,在施工场地受限情况下广泛采用。系,矩形截面钢管内灌注轻质微膨胀混凝土并以法但是旋喷桩承载能力低,主要起到防渗止水的作用,兰将两端密封形成封闭构件,以螺栓连接相邻构件提高旋喷桩在基坑工程中的适用性,对旋喷桩的作形成钢管混凝土框架结构,提高了支撑承载能力,可用机理进行研究,改善桩体的支护能力具有重要的实现内支撑的装配化施工。工程意义。对钢管混凝土内支撑结构的研究多处在一种新3.5.3支撑体系施工技术型结构形式的提出,还没有系统性研究成果的发表,基坑的支撑体系由内支撑体系和外支撑体系组有待深入。
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·2015373.5.3.2锚索(杆)施工技术时,美国矿务局得到了大学和研究所的协助,对汽车锚索根据锚固形式的不同,可分为荷载集中型CO排放量和人体对CO浓度的容许值进行了研究,和荷载分散型锚索,荷载分散型锚索又分为拉力分并以此作为隧道通风计算的依据,这是历史上首次对公路隧道通风进行的研究,研究决定将400×10-6散型和压力分散型锚索。其中,荷载分散型锚索能承担更大的荷载,压力分散型锚索能满足较高的防作为CO的设计浓度,并以此算出所需要的通风量。腐等级的要求。锚索施工技术对较大或形状不规则1973年成立的空气动力学和隧道通风国际研讨会,基坑的适应性较内支撑更强,但需要较密实硬质土每3年召开1次,提供平台以便于各国隧道通风方层和很大地下空间作为锚固范围。面的专家、学者展示自己的研究成果,大大推进了隧目前,预应力锚索(杆)种类繁多,施工技术越来道通风技术的发展。1985年,日本关越隧道一线首次将纵向式通风应用于10km以上的公路隧道,并越先进,新工艺、新材料、新设备、新标准等也得到了通过编制的1套程序对关越隧道通风系统进行了模比较充分的发展与完善。但对锚索(杆)锚固性能的拟,验证了其通风系统的可靠性和实用性。此外,国研究还不完善,大多数只能凭实践经验和工程类比外一些学者如BringA,ChenTY,JangHM,GuianS法来确定锚固参数等,不能全面反映边坡岩体锚固K,SambolekM以及KatolickyJ等也在公路隧道通风性能的力学行为本质,难以为预应力锚索(杆)施工领域进行了大量的研究。技术提供坚实的理论支撑,在理论基础上定量研究中国公路隧道建设起步较晚,发展虽快,但公路岩体锚固的设计方法、力学效应和加固机理等方面隧道通风研究落后于日本和欧洲各国。20世纪90需要进一步深化。年代初,由西南交大、原兰州铁道学院等单位参与的[440]张明聚等以美兰机场隧道为工程背景,研“公路长大隧道纵向通风研究”课题基本解决了成渝究发现拉力分散型锚杆在高地下水位的土层中也能高速公路上中梁山隧道和缙云山隧道的通风问题。够正常工作;拉力分散型锚杆在粘土和粘质粘土中在此隧道的修建中,汇集了众多国内外隧道专家,对张拉预应力时,锚杆均产生较大的位移变形;在剧烈隧道通风等重大难题进行了研究,最终决定采用纵开挖时,若桩后土层不发生涌水涌沙,桩后土层主动向通风系统,为以后的隧道建设提供了成功经验。土压力对锚杆轴力影响甚微,但发生桩后涌水涌沙重庆交通科研设计院、长安大学在隧道通风方后,桩后土层发生应力重分布,对锚杆轴力影响很面做了大量的研究,分别建立了中国最大和最长的大。锚索作为岩土工程的主要技术手段,同时也是隧道通风实验室。重庆交通科研设计院于1999年[441]地下空间的污染物,赵启嘉等从作用机理、施工主持编写了现行的《公路隧道通风照明设计规范》,工艺成熟度、安全可靠性及经济效益等几个方面探2014年主持编写了《公路隧道通风设计细则》。该讨了JCE锚索和U形钢绞线锚索等可回收锚索的规范和细则对隧道通风设计具有很强的指导意义,工程意义,最后列举了可回收锚杆的工程应用实例。但鉴于1999年该规范编写时中国长大公路隧道建[442]锚杆是黄土隧道的主要支护形式,宿钟鸣从拉设刚刚起步,对于长大公路隧道的通风技术难点仍拔力作用下系统锚杆的受力特性和锚喷支护中系统有许多问题值得探讨;2014年编写的细则则在通风锚杆中性点的轴力出发,以理论解为依据,提出了黄技术难点、通风新技术、污染物控制浓度方面进行了土隧道锚杆长度参数优化的必要性。锚索式悬浮隧很大的调整和完善,使之更符合中国公路隧道通风道是水中悬浮隧道的主要支护形式,由于水流在锚的需求。索周围产生漩涡,使锚索涡激振动,发生疲劳破坏。隧道通风研究涵盖通风污染物浓度控制标准、[443]罗刚等指出锚索的长细比和密度是锚索涡激疲通风方式的选择、通风控制模式、通风数值模拟、通劳损伤的主要控制因素。风物理模型试验、现场通风测试分析、通风软件的开发与应用等,在许多方面均成果斐然。4隧道运营环境与安全管理4.1.1.1隧道通风污染物浓度标准研究4.1运营环境隧道通风标准主要指隧道内CO和烟雾(VI)的4.1.1运营通风(长安大学王亚琼、王永东老师,兰控制浓度,该浓度是保证司乘人员健康的基本要求。州交通大学孙三祥老师提供初稿)随着对隧道环境要求的提高以及汽车尾排质量的提1919~1920年,美国在修建纽约市荷兰隧道高,CO和VI对隧道需风量的控制作用逐步降低,
38中国公路学报2015年氮氧化物对隧道通风的影响日益凸显。在污染物浓的关系,得出了不同风孔大小对隧道及风道静压的[444]度标准研究方面,胡宇峰等研究了隧道内的空影响规律。气流动及污染物扩散问题,建立了隧道内空气流动4.1.1.3纵向通风研究及污染物分布的工程估算方法,研究表明使用不当中国特长隧道多采用纵向通风方式,这与欧美的通风竖井方案反而会抑制隧道内污染物的扩散。发达国家的主流设计理念相吻合。从第1座采用全[445-446]叶蔚等指出国内外标准对隧道内CO浓度限射流式纵向通风长度达3000m的中梁山隧道的成值的设定在计算方法和取值上都存在差异,并针对功运作,到以后相继修建的许多长大公路隧道都是射流风机式、竖井送排与射流风机组合式纵向通风采用纵向式通风或竖井分段纵向式通风。从2000隧道CO浓度分布特性,基于差分形式的CFK方年起长安大学先后主持了秦岭终南山公路隧道、雁程,拟合了2类典型的纵向通风隧道正常运营CO门关公路隧道、龙潭公路隧道、夹活岩公路隧道、包[447]浓度限值计算式。郭春等针对公路隧道通风中家山公路隧道等数十座特长、长大公路隧道的通风CO和VI基准排放量折减率取值对远期需风量影方案设计和防灾救灾研究,这些研究极大促进了分响较大的问题,分析了机动车排放污染物组成、欧盟段纵向通风理论的完善和通风方式的应用。在纵向[452]汽车排放标准限制值以及对机动车的排放规定,指通风研究方面,高孟理等根据隧道射流通风原出《公路隧道通风照明设计规范》所规定的CO,VI理和模拟试验结果,建立了通风系统的基本流动模取值为1%~2%的年折减率偏于保守。王亚琼式,对射流风机性能、射流特性、通风气流组织和通[448]等研究了隧道环境中氮氧化物对隧道通风的影风效率等方面进行了阐述和分析,提出了射流通风[453]响,根据不同国家隧道通风环境标准,综合考虑了车系统优化设计的原则和方法。方磊等对公路隧型、汽车质量、海拔、车龄等影响因素,结合PIARC道竖井底部中隔板高度进行了物理模型试验研究,的相关标准和计算模型,分析认为氮氧化物转化为分析了不同风量和不同中隔板高度时能量损失的变二氧化氮的比值对隧道需风量影响较大,与稀释化规律;同时对公路隧道竖井送排式纵向通风中排CO及VI的需风量相比,稀释氮氧化物的需风量为风孔与隧道轴向夹角进行了试验研究,分析了不同[454]控制值。排风孔角度下的风速变化规律。蒋鹏飞等通过4.1.1.2横向通风研究模型试验对竖井送排式通风运营工况和通风风井部[455]国外通风研究历史较长,经历了较为完整的全位的关键参数进行了研究。杨秀军等通过对射横向通风研究、半横向通风研究。中国通风研究历流风机工作原理和隧道内流态进行分析,依据射流史较短,横向和半横向通风研究和应用历史很短。力学的有关原理研究了影响射流风机纵向最小间距20世纪80年代初期的梧桐山隧道在中国首次采用的因素和计算方法。目前中国隧道运营通风以全射横向式通风;20世纪80年代中期,中国尝试半横向流风机、竖(斜)井、轴流风机、双洞互补多种纵向通式通风,但采用该通风方式建成使用的山岭隧道不风方式及其各种组合为主。中国已建的长度大于多。2001年建成通车的二郎山隧道全长4178m,5000m的高速公路隧道普遍采用“通风井送排式+采用的是半横向通风,其通风由设置在运营隧道与射流风机”组合纵向通风方式,其中以秦岭终南山公通风辅助隧道间的18个横通道提供新鲜风,将运营路隧道为典型代表。隧道中的污染空气通过隧道两端排出洞外。张祉道4.1.1.4互补式纵向通风研究[449]等对等级公路隧道半横向通风应用进行了探双洞互补式通风是近几年研究较多并开始使用讨,推导了半横向通风方式的应用公式并提出了一的一种新型纵向通风方式,该方式改变了传统的纵[450]些改进意见。田沛哲等对二郎山半横向通风的向通风把隧道左右洞割裂开的理念,把隧道左右洞火灾控制模式进行了研究,隧道发生火灾时,通过控作为一个有机整体来考虑,是一种全新的通风设计制通风系统的风机、横通道与平行导洞内的阀门,使理念。着火点产生大于临界风速的强制气流,对隧道内烟文献[456]、[457]中针对相邻2条上、下行隧道气走向进行调节,从而达到控制火灾的效果。王亚内通风负荷相差较大的特点,根据隧道通风基本理[451]琼等研究了半横向通风送排风孔形状和大小对论,对这种新型的隧道通风换气方式———互补式通隧道通风的影响,建立了港珠澳大桥海底隧道半横风进行了研究,给出了该方式在公路隧道纵向通风向通风物理模型,分析了隧道内风量与风道内风量中的应用范围和具体的设计算法,并对互补式通风
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201539的工程应用测试结果进行了分析研究。然风大小及方向,选取不同保证率,节能控制模式可双洞互补式网络通风方式尚处研究应用的起步按时段控制或实时控制。分时段控制即根据计算得期,通风及控制问题复杂。目前的研究均结合了具到的自然风规律,将全年划分成不同的控制时段(例体工程的实际应用进行,主要针对适用条件及不同如月),每个控制时段按该时段内的最不利工况进行[458][459]运营阶段的运营模式展开研究。蒋学猛通控制。实时控制是根据隧道内实时自然风风速情过需风量计算分析,给出了互补式通风的适用条件。况,对通风设备实时控制。若将控制时段进一步细针对不同运营期互补式通风运营模式,夏丰勇分可得到更好的节能效果,但需加强隧道通风控制。[460]等在编制模型计算程序进行分析计算的基础鉴于西藏墨脱公路嘎隆拉特长隧道车型仅限于上,针对大别山特长公路隧道,提出了上坡隧道交通中小型客货车,总体交通量较小,计算出的CO,VI[464]量不同时可采用的通风模式。基于该方法,王梦恕需风量远小于换气需风量。乔春江等分析了海院士在2013年全国公路隧道学术会议上提出6km拔高度对CO浓度限值的影响,认为隧道两洞口形以内的隧道可不设通风竖井或斜井。上述双洞互补成2个不同的气候区,在气候条件最好的8~9月式通风相关问题的研究均基于单向双车道开展,未份,隧道洞口两端的温度、湿度、风向和大气压力等考虑单向三车道及以上的情况。由于车道增加引起气候差异足以满足隧道的通风需求。即使隧道洞口隧道断面面积增大,隧道内换气工况的需风量改变,温差、压差和风压等出现相互抵消的情况,导致洞内因此双洞互补式通风的适用条件及运营模式有待进空气无法流动,隧道仍可通过交通管制的手段,利用一步研究。隧道内行驶车辆的交通风达到隧道换气的目的,并4.1.1.5特殊隧道工程通风研究针对可能出现的不利工况组合和隧道消防安全要(1)高海拔公路隧道求,提出了相应的机械通风和交通管制通风补充鉴于高海拔地区环境特点,相关技术问题与现方案。行规范有所不同,针对具体工程,从理论及技术参数(2)沙漠隧道[461][465]等方面进行了综述。曹正卯等基于实测气象数针对沙漠隧道通风,杨宇翔等设想通过结据,利用FLUENT软件对隧道内自然风进行三维构构造的改变,利用自然风解决隧道通风问题,在半数值模拟分析后认为,温度对隧道内自然风风速影固定、固定沙丘组成的沙漠区域中,采用外露型和半响不大,对于不考虑斜井、竖井和横通道情况下的隧掩型沙漠隧道,路线走向大致垂直风向时,结构可采道内自然风计算,建议采用相关规范建议的理论公用棚洞式,即在迎风面采用实体面,背风面采用柱结式计算,以提高计算效率。构,当路线走向大致平行风向时,采用隧顶开窗式构鹧鸪山隧址区实测的VI海拔高度系数与海拔造。全掩埋型沙漠隧道通风,可参照山区公路长隧高度呈线性关系(海拔400~4000m),且VI海拔道通风方案进行。该设想仍需要进行相应的实地试高度系数大于规范给出的取值;雀儿山隧址区实测验和观测予以验证。的CO海拔高度系数和VI海拔高度系数均与海拔(3)曲线隧道[466]高度呈线性关系(海拔400~5000m),CO海拔高Wang等使用动态网格模型分析了不同半度系数小于规范给出的取值,VI海拔高度系数也大径的弯曲通道内,汽车引起的交通风力对通道内通[452][467]于规范给出的取值。根据鹧鸪山隧道和雀儿山风的影响。王峰采用移动网格技术对直线和曲[462]#隧道的实测结果,李志厚等对白茫雪山1隧道线隧道内行驶汽车的动态过程进行模拟,发现不同(设计高程4113.15~4069.99m)进行了需风量计车道行车产生的交通风力的差别很小,在实际通风算,结果表明需风量在运营近期与规范计算相等,在系统设计中可以忽略其影响;汽车在小半径曲线隧运营远期较规范计算小12%。对于高海拔区CO道内行驶时产生的交通风力差别较大,交通风力随限值大于一般海拔的反常情况,其原因在于现行规着隧道半径的减小逐渐增加,对单向行车隧道通风范的CO浓度要求并非按CoHb饱和度10%取值。非常有利;曲线隧道半径大于2000m时交通风力高海拔公路隧道一般位于气象分隔带,根据已的大小与直线隧道的差别很小。汽车行驶时周围断运营隧道监测结果,洞内自然风比较明显,二郎山隧面压力明显低于直线隧道,行车间距的增加有利于道仅利用自然风即可满足通风要求。为此,周仁增大交通风,行车间距的增加和车速的降低将有利[463]强提出利用自然风节能通风。确定隧道洞内自于提高隧道内汽车有效空气阻力系数。
40中国公路学报2015年对两螺旋曲线隧道射流风机的优化布置三维数向分布进行数值模拟,得出隧道内污染物浓度纵向值模拟和现场实测结果表明:风机组向隧道内侧(左分布规律,并在此基础上提出了简化的通风计算模[471]侧)移动0.5m时,风机升压折减系数明显提高;风型,开发了相应的实用程序。冯威在分析了前机组向隧道外侧(右侧)移动时,风机升压折减系数馈预估控制对隧道通风控制必要性的同时,提出了明显降低;风机组间距为2.4m,并向隧道内侧移动运用自回归滑动(ARMA)时间序列模型对隧道交[472]0.5m时,风机升压折减系数最高。在满足隧道建通流进行预测的方法。马永杰提出的神经模糊筑限界的前提下应尽量将风机组安装于远离拱顶的控制系统实现了公路隧道纵向全射流通风模糊控制位置,以提高风机升压折减系数。射流风机组安装模型隶属函数和控制规则的自动生成,大大缩短了距离应大于100m。控制系统的设计时间,为通风控制系统的实时在线[473-474]距入口600m后断面风速分布基本稳定,曲线修改奠定了基础。何川等将模糊逻辑应用于隧道沿程阻力系数基本保持不变。长大公路隧道通风系统的前馈式控制中,解决了传曲线隧道有待进行更全面的现场实测及分析,统控制法中存在的时滞性和风机启动频繁等问题,包括不同半径曲线隧道内断面风速分布规律,隧道并对前馈式智能模糊控制系统进行了数值分析。任[475]沿程阻力变化规律和交通风力变化规律,污染物浓桂山引入了模糊控制技术,根据专家或者操作度分布规律等,以便于提出针对性的通风方式。者的经验来设计模糊规则库,建立了模糊控制的智(4)城市隧道能模型;对该模糊控制模型的规则库进行调整和优[468]杜峰等对南京市主要隧道中的废气成分化后,模糊控制器根据实时检测到的CO/VI浓度与CO分布进行了实地监测,结果表明隧道中最严重设定的标准CO/VI浓度差值,经过模糊推理,输出[476]的污染物成分是CO和PM10。采用CO和PM10所需要启动的风机台数。杨宵建立了隧道竖井作为隧道通风的衡量指标,符合目前隧道废气组分送排式纵向通风的神经网络在线控制器,分析了神[477-478]分布的实际情况。当交通流量较大时,采用合理通经网络在线控制器系统的适应性。李德英等风方式的同时,在隧道内部安装废气净化设备可有针对公路隧道通风模糊控制系统,提出并验证了最效解决隧道及其周围环境的污染问题。为了减少分优规则与排序无关,通过修改控制规则获得了较优[469]散污染物,Ciocanea等研究了通风口之间的距的规则库,与常规试凑法相比节省了调整时间;同时离、通风口和汽车之间的影响以及通风口的布置,分利用等价结构的模糊神经网络模型,对模糊变量各析了阻塞工况下风机工作和关闭情况下隧道内污染语言值隶属函数参数进行调整,使其与规则库更好物的分布情况。匹配,以获得更好的模糊组合,反复调整隶属函数和4.1.1.6通风控制模式研究修改控制规则,直至营运通风的电能消耗基本上随公路隧道纵向通风系统具有很强的时变性、非模糊组合的更新趋于稳定,可以获得任意给定交通线性和滞后性等特点,过去采用的是手动线性控制,流模型下的最佳模糊组合,从而实现了最优控制。但线性控制理论难以获得精确的数学模型,且传统4.1.1.7隧道通风数值模拟的控制方法效率低下。因此寻求高效的通风智能控1933年,英国人Thom首次采用数值方法求解制系统,降低隧道内通风系统高昂的运营费用一直了二维粘性流体偏微分方程,计算流体动力学是通风控制模式研究的热点,目标是使控制模式更(CFD)由此诞生。Shortley和Weller于1938年,节能、高效、自动化、智能化。隧道通风控制模式有Southwell于1946年分别利用松弛方法(Relaxa-前馈式、后馈式与即时反馈式,通风控制从最早的手tionMethod)求解了椭圆形微分方程,也即非粘性动直接控制、间接控制到目前的自动控制发展过程流体的偏微分方程组,使CFD逐渐成为一门学科,中,控制模式与不同理论相结合产生了许多有效的并且得到广大学者、科学家和工程师的关注。由于通风控制方法,具体有模糊控制、神经网络控制、专计算机技术和数值计算技术的高速发展,数值分析家系统、遗传算法等。成为隧道通风研究中最重要的手段。数值分析方面[470]在通风控制模式研究方面,何世龙在对各具有代表性的有瑞典的BringA等在IDA(输入数国公路长隧道通风控制现状及前馈式通风控制系统据汇编程序)环境下编制的一套模块化模拟程序,所原型分析的基础上,运用计算流体力学基本理论,采有数学模型都按中性格式MF表示,模拟结果包括用“一维非稳态对流扩散方程”对污染物沿隧道的纵空气压力、流速、污染物浓度沿隧道轴线的分布。英
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201541国著名学者Vardy编写了一套用于对纵向通风方地测量、数值模拟等方法获得隧道内速度场、压力式和半横向通风方式进行模拟计算的程序,可以模场、温度场的分布规律,相对于数值仿真,隧道通风拟稳态和非稳态气流状况,输出结果包括轴流风机物理模型试验研究较少。[482]和射流风机运作、车辆阻力、热力效应以及污染物的高孟理从理论上分析了应用流体运动的相浓度分布等,并对英国的太恩隧道进行了模拟计算。似理论,探讨了射流通风系统模型试验的相似规律,在中国,与隧道通风有关的课题也大量地采用通过模型试验,在动力射流的基本特性阻力射流的了三维CFD方法进行研究,其中比较常用的模拟软压降以及在分段吸出式通风系统中的射流调压等方[483-484]件有FLUENT,PHOENICS,CFX,STAR-CD等。面获得了一些基础数据。长安大学以流体力对于公路隧道通风的多维和动态模拟,西南交通大学相似理论与模型试验理论为基础,完成了公路隧学、长安大学等在数值模拟的不同领域做了很多研道通风物理模型试验系统的设计、制作与调试工作,究。他们利用空气动力学模型、交通模型、污染模型给出完整的隧道通风模型设计方法,并分别针对秦以及控制模型对纵向通风系统进行了动态数值模岭终南山特长公路隧道和港珠澳大桥海底隧道建立拟;对采用射流通风和具有射流调压的竖井送排式了隧道通风物理模型整体模型试验系统和局部模型通风系统的空气动力学特征进行了数值分析;在公试验系统,验证了不同通风方式的可行性,对通风局路隧道不同通风方式下的流场、流速、压力、浓度、局部构造进行了模型试验,为数值仿真提供了基本参[485]部效应以及火灾通风模拟等方面取得了一系列的重数。2004年,谢永利结合西部交通建设科技项要成果。1996年西南交通大学雷波在中梁山、缙云目《秦岭终南山特长公路隧道通风技术研究》,依托山隧道纵向通风课题研究中进行了探索性的研究,秦岭终南山特长公路隧道分别建立了1∶8的大比首次编制了在中国能够用于公路隧道纵向通风计算例公路隧道通风物理模型试验系统与1∶24的公路的软件,该软件可以用来对隧道通风系统进行动态隧道通风物理模型试验系统,对秦岭终南山特长公[479]数值模拟。长安大学仇玉良等在研究公路隧道路隧道通风系统工况进行了模拟,并对公路隧道竖通风技术特点的基础上,建立了包含自然风阻模型、(斜)井送排组合纵向通风方式进行了研究。研究成交通风压模型、轴流风机模型、公路隧道射流风机模果直接用于秦岭终南山特长公路隧道方案确定和通型、汽车交通风压模型、动态火风压模型等6个专用风系统设计中,有力地支持了秦岭终南山特长公路模型的公路隧道通风网络整体模型,并开发编制了隧道的建设,相关研究成果也对中国公路隧道建设[486]公路隧道复杂通风网络仿真分析应用程序。该程序起到了重要指导和示范作用。2005年,涂耘针采用VB语言编写,可实现运营通风网络分风计算对雪峰山隧道建立物理模型,通过模型试验对雪峰(正向解算)、运营通风网络风机配置计算(反向解山隧道通风系统进行了论证与优化,并进一步分析[480]算)及火灾工况模拟计算等。曾艳华等根据隧了竖(斜)井送排组合纵向通风方式的基本原理。根道通风网络的构成及网络中风流流动的基本规律,据流动相似性理论和隧道通风主要控制因素,确定运用通风网络解算的斯考德-恒斯雷法和风量调节隧道通风的边界条件并推导了隧道通风模型试验的[487]通路计算法,对分段纵向式通风系统进行了网络模相似准则。任锐等为了研究半横向通风方式隧拟和调节计算,通过网络的自然分风和按需分风解道内风速、风压的分布特点,针对某海底隧道半横向[481]算,模拟隧道内风流的分配、风机的设置。石平通风方案,建立了1∶9的缩尺物理模型与1:1的三对公路隧道通风中的沿程损失、弯曲风道损失、缩径维数值仿真模型,研究了排风孔开启数量与排风孔与扩径损失、三通损失、短道、连接风道、射流通风以开启位置对隧道内风速、风压分布的影响。李炎[488]及洞口和竖井交叉污染等进行了三维数值模拟分等利用活塞风改善单线特长铁路隧道空气质量析,对隧道局部和整体进行了数值模拟分析,得出了和降低通风能耗,采用全模型试验方法设计搭建了很多有益的结论。隧道活塞风模型试验台,用于活塞风风速的测试;将4.1.1.8隧道通风物理模型试验研究试验值与理论计算值、原型转换试验值与理论计算模型试验一直是研究和解决流体力学问题的有值进行比较,结果表明活塞风速度的符合度较好。[489]力手段,不仅可为理论分析提供重要依据,而且始终王亚琼等基于双洞互补式纵向通风的原理和设是探索自然现象、发展新科学概念的重要方法。隧计方法,研究了大纵坡双洞隧道风量不平衡时采用道通风研究方法主要是通过理论计算、模型试验、实互补式通风的可行性,建立了1∶10的互补式通风
42中国公路学报2015年物理模型试验,得出了换气横通道内换气风量变化提高数据的共享性和完整性。对隧道内各区段风速和风压的影响规律。曾艳华、何川等研究了公路隧道网络通风理论,4.1.1.9隧道通风现场测试分析并编制了稳态的隧道通风网络计算程序。王永东、现场测试数据对于验证及完善模型试验、数值赵峰等编制了LVSRT、VDSHT软件用来进行纵[457]模拟及理论分析有着重要的作用。王亚琼等以向、半横向和横向通风的通风计算和通风方案的比[496]大别山公路隧道为依托工程,现场检测及验证了大较。王磊等以流体力学为基础,借助图论理论纵坡隧道互补式网络通风中换气通道的作用及存在与方法将隧道通风系统转化为通风网络,利用节点的问题。互补式通风适用于具有一定坡度,上下行法将通风系统转化为“节点”、“支路”等网络元素,通隧道通风负荷不平衡的工程,能起到节约初期投资过“串联”、“并联”、“角联”等连接关系,自由组合通及运营费用的作用。大别山隧道作为首次采用互补风方式,采用VC++语言编写了隧道网络通风可[497]式通风的隧道,为今后类似隧道通风积累了运营测视化程序。葛磊在网络图论的理论基础上建立[490]试技术。孙继东等以高海拔特长公路隧道鹤鸽了单竖井、双竖井公路隧道通风网络图,依据斯考山隧道为依托,研究了VI海拔高度系数的合理取德-恒斯雷迭代法对通风网络图进行解算,编制了基[491]值。朱文等采用现场测试的方法研究了公路隧于VC++计算机语言的公路隧道网络通风软件道内全射流通风的压力分布情况,测试结果表明,隧VNHST;运用VNHST软件对自然风压的影响因道入口段气压高于当地大气压力,出口段气压低于素(竖井位置及高度、隧道纵向坡度及上坡长度等)[498]当地大气压力,在隧道中存在一个与大气压力相等可进行敏感性分析及节能效果分析。张彦晓基的点。近年来出现很多有关隧道自然通风的研究,于双洞互补式网络通风的具体求解方法,结合斯考其主要思路是利用隧道两洞口之间的气候条件、高德-恒斯雷迭代原理,利用MATLAB与VB混合编差的特殊性在有利条件下采用自然通风,如墨脱公程开发了界面良好的通风网络计算程序。赵红[499]路嘎隆拉特长隧道、圆梁山隧道对夏冬季温度差较莉建立了公路隧道火灾通风排烟网络解算模大自然风的利用。在基本通风模式已经确定的情况型,给出了不同隧道通风排烟模式下主要技术参数、下,今后隧道通风研究趋向于通风细节的优化,通风所需风机风量、风压的计算方法;并利用MATLAB研究会更加具体深入。开发平台,采用斯考德-恒斯雷迭代法编制了基于质4.1.1.10通风理论及软件设计研究量描述的隧道道网络通风模拟仿真计算程序,该程[492]王军等在通风系统理论模型基础上,借助序可完成分支风量、风压、风速、通风阻力、风机数量Lyapounov稳定性理论,建立了系统热力学和动力等参数的求解计算;可得到不同排烟阀设置方案下,学稳定性判据,指出宏观参数扰动与具体宏观过程行车道和排烟道内烟气温度分布、排烟道内和排烟的相互作用是决定公路隧道自然通风系统稳定性的阀处烟气流速分布。[493]根本原因。Colella等提出了一种新的隧道内通4.1.2隧道运营照明(西南交通大学郭春老师、长风流动模拟方法———多尺度方法,在一定的环境条安大学王亚琼老师提供初稿)件下,该方法能够提供局部流体的流动情况,可为隧国外对公路隧道照明技术的研究较早,20世纪道的通风设计提供一定的参考;通过多尺度建模方60年代意、法两国之间的勃朗峰隧道就已经按照交法,分析了在紧急通风和一些风机无法工作的情况通量的变化进行照明调光,隧道的照明随着车辆的[494]下隧道通风系统能够提供的通风流量。增加而日益受到重视。交通系统具有多信息来源、多传感器的分布式20世纪80年代后,世界各国相继出台了隧道系统的特点,传统的理论方法很难对其进行有效的照明规范,以规范隧道照明的设计和施工,减少交通研究控制,将信息处理技术、现代控制技术与交通工事故。很多国外公路隧道照明研究文献经翻译在中[495][500]程相结合,能取得良好的仿真效果。陈敏应用国公开发表,如陈田中等翻译了日本学者成定人工智能原理,根据隧道内的风速、风向、CO和VI康平和吉川孝次郎(日本公路隧道照明理论的2位[501]的数据信息以及风机转向给出相应的控制方案,对创始人)有关短隧道照明研究的文献;董国贤介隧道风机的开启、停止、正反转工作状态进行控制,绍了法、意合建的勃朗峰隧道照明系统设计方案;林[502]该软件具备正常情况下的通风控制功能和发生火灾贤光等翻译了荷兰学者范·波莫、德·波尔的情况下的通风控制功能,但还需要加入网络模块以著作《道路照明》,将公路隧道照明理论正式引入中
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201543国。当时被广泛接受的标准是1982年制定的CIE感应灯、无极荧光灯在隧道照明中的应用进行了研(国际照明委员会)标准,在随后几年中,此标准不断究,指出了不同光源的适用性、优缺点及应用前景。得到修订和完善。与此同时,各国也相继实施了各文献[513]~[515]中分析了LED灯作为白光光源自的标准,如EUROSTD(欧洲隧道照明标准,1997的特点,光源色温对照明效果的实际影响,在隧道入年版),日本《隧道照明指针》(1990)等。这些发达国口段、过渡段和中间段采用LED灯照明的优点,家和地区由于照明理论和技术相对完善,在早期就LED灯作为新型节能环保型光源具有广阔的应用形成了规范性的标准。前景;这几个文献还研究了LED灯和钠灯组合照明中国隧道照明技术研究起步较晚,经验和基础技术在隧道中的应用,分析了不同技术特点光源的[516]性研究工作不足,在2000年以前主要遵照《公路隧组合特性。王亚琼等提出釆用高压钠灯与LED道设计规范》(JTJ026—90)来设计隧道的照明系灯组合照明技术来尝试解决照明成本和能源短缺方统。20世纪90年代中期,照明研究工作相继开展,面的难题,即公路隧道加强段照明釆用高压钠灯与[503]郑汉璋分析了CIE《公路隧道和地道照明指南LED灯组合照明,以解决单一冷光源在公路隧道入[504]NO.26/2.1990》的贡献及不足;程昌华翻译了口段透过率低的难题,在中间段则采用LED灯照[517]日本对公路隧道光照度和VI浓度关系所进行研究明,以降低公路隧道运营成本。刘英婴等针对[505]的相关文献;齐向军编译了瑞士公路隧道照明LED光源色温对隧道照明入口段、过渡段和中间段[506][518]系统必须满足的要求;王华牢全文翻译了《公路的影响分别进行了研究。郭春等通过对LED照隧道和地道照明指南CIENO.26.1990》。1999年明以及人眼视觉特性的研究,建立起人眼中间视觉重庆交通科研设计院主持编写了现行的《公路隧道模式下的LED照明计算模型,得到基于人眼视觉效通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999);并于2014果下的LED及高压钠灯对应照明视通量,形成了基年主持编写了《隧道照明设计细则》。中国照明研究于中间视觉特性的公路隧道LED照明设计方法。[519]主要集中于隧道灯具、布灯方式、照明系统控制等方徐景峰等提出天然光光纤照明系统可以作为一面,以及长大隧道利用色彩变化洞内虚拟出口研究种新型的、无能耗的照明系统,探讨了天然光光纤照等。国外出现了利用色彩变化、光图案等景观照明明系统应用于隧道照明的可行性,提出了适宜在隧的隧道,尤其是挪威24000m的特长公路隧道利用道照明中应用的天然光光纤照明技术。另外广州珠蓝光制造假洞口(过渡区段)的景观照明更是引起了江黄浦大桥建设有限公司组织编制了中国首部《公专业人员的关注。秦岭终南山隧道设置有不同的灯路隧道LED照明企业标准》,国家半导体照明工程光和图案变化,将特长隧道演化成几个短隧道,从而研发及产业联盟提出的推荐性技术规范《LED隧道消除驾驶人的焦虑情绪和压抑心理。灯》(LB/T003—2009)也已发布实施。4.1.2.1隧道照明光源研究4.1.2.2隧道照明适用性研究隧道照明光源随着照明技术的发展而不断变隧道照明系统从洞外到洞内是一个完整系统,化,从最初的白炽灯、高压汞灯、低压钠灯、荧光灯、洞外亮度基准非常重要,从洞外到洞内有一个亮度金卤灯到后来的电磁感应灯、LED灯再到光纤照明变化曲线,照明系统的设计和研究都要适用这个曲等,照明技术取得了巨大的进步,不同光源在隧道内线的变化,否则容易出现视觉障碍,影响行车安全。的应用研究全方位展开。目前中国公路隧道照明大隧道照明适用性研究包括洞外基准亮度测算,洞(进多采用高压钠灯和荧光灯(主要用于洞内紧急停车出)口、洞内视觉适用,照明的空间效应分析等。带和横通道照明)。受国家“节能减排”战略导向,以在洞外亮度L20(S)研究方面,上海市照明灯具LED灯和电磁感应灯为代表的新型高效节能光源研究所采用黑度测试法对浙江甬台温高速公路、福得到关注。公路隧道LED灯照明在均匀性方面具建福厦高速公路和罗宁高速公路的山岭隧道进行了有高压钠灯不可比拟的优势,在采用显色指数较高一系列实测,分析了公路隧道洞外亮度变化规律及[520]的LED灯时,可适当降低公路隧道照明标代表性洞外景物亮度值。重庆交通科研设计院[507-508][509]准。王宝林等研究了自然光在隧道洞口曾在中国首次采用环境简图法,对京珠高速公路粤段的应用,设计优化了洞口适用曲线,取消了隧道入境北段和南段隧道群进行了大量的现场实测和数据口段的加强照明,基本消除了隧道洞口的黑洞效应。分析,为公路隧道照明工程建设提供了科学合理的[521][522]文献[510]~[512]中分别对高压钠灯、导光管、电磁指导意见。周烨等在中国首次提出了基于
44中国公路学报2015年数码技术的公路隧道洞外亮度L20(S)测试方法,使力消耗。得大规模、高效率地实测公路隧道洞外亮度成为可4.1.2.4隧道照明控制模式研究能,同时定量分析了洞外亮度取值对入口段加强照隧道照明受到洞外亮度、车速、车流量等因素的明灯具布置及能耗的影响,基于环境景观理论提出影响,用作照明的灯具在不同功率、不同使用年限下了符合“环境友好型”山区高速公路隧道设计理念的的光效也不同,因此隧道照明控制模式显得尤其重接近段减光措施。在隧道照明设计指标研究方面,要。文献[529]~[531]中分别采用ZigBee,WIFI,重庆交通科研设计院与福建高速公路建设指挥部对GPRS等无线技术对隧道照明无线控制系统进行了短隧道照明设计参数进行了初步研究。杜志刚研究与设计。照明控制研究内容较为分散,包括对[523]等利用照度仪、加速度采集仪、EMR-8B眼动仪公路隧道照明节能控制软件、车辆感应式隧道照明等设备,对隧道进出口驾驶人的瞳孔变化等进行大控制系统、自适应隧道节能照明控制系统、高速公路量行车试验,结果发现在隧道内距进出口50m范中短隧道照明节能控制系统进行开发等。黄艳国[532]围内,驾驶人瞳孔面积与隧道进出口照度成幂函数等提出基于模糊控制的隧道照明无级调光控制关系,驾驶人瞳孔面积变化速度可作为隧道进出口系统,阐述系统控制结构及模糊控制器的设计,以的行车安全评价指标;研究还得出了基于视觉适应洞外亮度和交通量作为系统的输入,采用白光[533]的隧道进出口照明公式。文献[524]、[525]中分析了LED作为光源,实现自适应控制。崔丰曦把模长隧道、中短隧道照明特点和适应性,对隧道对称布糊神经网络模型应用在隧道照明控制系统中,根灯、交错布灯以及中央侧偏布灯方式对照明的影响进据环境参数(洞外亮度、车速、车流量等)的改变自行了研究,分析了不同的灯具组合对隧道照明适用性动修改控制方案,经过模糊神经网络控制决策,输的作用,为隧道照明优化提供了基础数据和参数。出照明回路的控制命令,从而实现实时节能控制。[534]4.1.2.3隧道照明节能与安全研究戚佳金等提出了一种基于动态调光的新型照对公路隧道照明节能与运营安全技术开展研明节能控制系统,该系统的核心组成部分是组群究,可以平衡“节能”与“安全”二者之间的关系,节能控制器的控制策略,给出了一种适合于单片机为不能以降低安全为代价。在公路隧道照明节能技术硬件平台的照度检测、计算、控制方法。徐曦[535]研究方面,重庆交通科研设计院先后主持了《特大断等建立了基于无线传感网络的隧道照明控制面隧道的节能能技术研究》、《山区高速公路隧道节系统的架构,并针对隧道复杂环境完成了车辆检能型照明系统研究与应用》、《高速公路隧道照明关查传感器、光照传感器、VI传感器的硬件设计和系键技术研究》、《高速公路隧道照明需求与节能技术统软件设计。研究》等课题,从系统工程角度提出了解决公路隧道4.1.2.5照明仿真计算及测试照明节能问题的一整套关键技术,基本涵盖了公路目前对隧道照明设计所进行的仿真模拟研究主[536]隧道照明技术性节能、结构性节能和管理性节能的要采用的是DIALux软件,如张善伟对公路隧各个方面。在公路隧道照明安全技术研究方面,同道照明设计中DIALux的适用性及建模方法进行了[537]济大学承担了《公路隧道进出口运行安全研究》的课分析;郭春等则利用DIALux软件对发光涂料[526]铺设范围对公路隧道照明影响进行了研究;屈永照题,提出“视觉震荡”的概念及基于视觉适应的[527]等[538]则采用OpenSceneGraph三维渲染引擎技术公路隧道进出口照明公式。刘洋对人长时间处于公路隧道光环境下的生理、心理变化情况进行了建立了隧道照明设计平台。[539]研究,并提出了长隧道照明设计优化思路。目前对黄珂等采用HED头戴式眼动仪系统进行于长隧道照明中耗能比例最大的中间段照明的研究隧道照明测试,对公路隧道照明察觉对比设计方法[528]中的大气透射比取值进行了研究;孟繁宇等[540]模还处于起步阶段,郭春等建立了特长公路隧道[541]中间段照明调压节能技术,并将调压节能新型设备拟试验了VI对隧道灯光透过性的影响;国威等应用于实际运营中,系统地建立了一套基于调压技对驾驶人隧道段夜间行车动视点特征进行了模糊聚[542]术的公路隧道中间段照明节能方法,给出了不同交类评价;杜志刚等通过测试瞳孔面积变化确定通量和计算行车速度条件下的公路隧道中间段照明了公路隧道明暗适应时间。亮度值,确定了电压调整影响亮度效率的计算方法,4.1.3隧道运营环境研究展望对于特长公路隧道,该方法可节约20%~30%的电展望未来隧道运营环境,安全、舒适、节能、环保
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201545是永恒的主题。未来隧道运营环境将更加人性化,果。为了反映隧道发生火灾时温度随时间的变化历将从安全性和舒适度来衡量运营环境的优劣。随着程,国外建立了一系列不同类型的火灾曲线,如汽车工业的发展,污染物排放的降低,甚至是电动汽RWS,RABT,Runehamar等。这些曲线均体现了车的大力推广,通风控制指标将永久地由换气来控隧道火灾升温速度快,达到的最高温度高、持续时间制,基本通风模式研究空间较小,今后隧道通风研究长的特点。趋向于通风细节的精细化,通风节能环保研究也会试验研究方面,主要有大尺寸试验和小尺寸试更加具体深入。隧道照明的研究不仅致力于满足安验。文献[555]~[558]中在Runehamar隧道中进全行车的舒适性,还会大力推广白光照明,把阳光行多次试验,在火灾热释放率、温度场、火势蔓延及“引入”到隧道中,这样既节能又环保。隧道内环境火焰长度等方面对以前的试验数据进行了完善,并[559]建立了新的预测参数理论模型。Wang等通过控制指标将发生较大改变,将来隧道噪声会作为隧某段顶部有开口的现有隧道,对烟雾从洞顶开口的道环境指标来要求,因此隧道噪声会大幅度下降,隧排出效率,以及烟雾对人员的伤害方面进行了全尺道的小气候要求(温度、湿度、风速、气压)也会日益[560]寸试验研究。彭伟等在3条公路隧道上进行了提高。随着隧道运营环境要求的提高,隧道技术界10次全尺寸试验,研究不同火灾条件和风速下烟气还有很长的路要走,这要求隧道研究人员做足多方[561]的运动情况。Oka等采用1∶10缩尺的模型,面的技术储备,迎接挑战。用丙烷燃烧器作为火源,研究了水平隧道里的烟气4.2防灾救灾(北京交通大学袁大军老师,长安大[562]运动状况。Yuan等采用原尺寸1∶15的缩尺学王永东老师,中南大学易亮老师提供初稿)模型模拟了在火源热释放率、风机尺寸、风机距火源经过近20年的快速发展,中国公路隧道总量和距离、障碍物、烟雾浓度等因素下对烟雾扩散模式的规模已处于世界领先地位,可以认为中国隧道已由影响。建设期转化为建设与管理并重期。在公路隧道运营数值模拟方面,隧道火灾常用到的数值模拟方管理中,影响隧道安全的问题相继出现,与之对应的法主要有网络模拟、区域模拟和场模拟。目前研究隧道运营防灾救灾研究逐步开展,成果显著。本节者都是在常用的CFAST区域模拟和CFD数值模主要介绍隧道火灾、防爆、防水、防冻方面的研究进拟中进行选择,两者各有特点且区别明显。展。隧道抗震也属于防灾减灾,具体见本文第2.5[563]Chow利用CFAST软件,将隧道假设为多个房节隧道抗减震设计。间,模拟了不同物体(火车、地铁列车、卡车、公共汽4.2.1隧道火灾[564]车等)引起的隧道火灾的特性。Jain等利用区域隧道火灾是公路隧道常见的、危害最大的灾害模拟软件CFAST和场模拟软件CFX对同一条件之一,长大公路隧道的火灾只能减少而无法完全避下火灾的发展和烟气的流动进行了对比。Cox免。近年来国内外发生了多起隧道火灾事故,如[565-566]等较早地采用CFD方法研究公路隧道的火灾[543]1999年3月的勃朗峰隧道火灾造成38人遇难,问题,建立了JASMINE数学模型,研究了通风、坡[544]2014年3月的晋济高速岩后隧道火灾造成了40度和不稳定火灾对隧道火灾的影响。舒宁等[567]采人遇难等。实例表明,火灾除了对隧道内的人员造用CFD的ANSYS软件对公路隧道的火灾通风进成巨大伤害外,还会对隧道衬砌结构以及隧道路面行了仿真,研究了火灾发生时烟气在隧道内的流动产生较大破坏,因此对隧道火灾的发展规律、救援与状况。人员逃生、衬砌结构高温力学性能及路面材料阻燃4.2.1.2隧道火灾救援与人员逃生等方面的研究至关重要。隧道发生火灾后,人员能否安全疏散主要取决4.2.1.1隧道火灾发展规律研究于2个时间,一是火灾发展到对人构成危险所需的火源热释放率、临界风速和火灾曲线等是研究时间,另一个是人员疏散到安全场所需要的时间。火灾发展规律的基本要素。在理论研究方面,文献如果前者大于后者便可认为该隧道对于火灾中人员[545]~[547]中提出,临界风速可以根据Froude数疏散是安全的。[568]和试验数据推导的半经验公式计算得出。文献近年来,邬剑明等从心理学的观点出发,根[548]~[554]中在对热释放速率的确定以及临界风据人的“心理-行为”模式,基于火灾事故中环境对人速与热释放速率关系式的拟和方面取得了显著的成的影响,对火灾中个体和群集的心理行为进行了交
46中国公路学报2015年互分析,总结了个体和群集在火灾中的异常心理行合出了破损规律曲线。[569]为特点。夏永旭等分析了克拉尼提出的高温条4.2.1.4隧道路面材料阻燃技术件下人员逃生公式,结合公路隧道火灾时的人员逃国内外对公路路面沥青材料的燃烧性能和阻燃生情况,对克拉尼公式进行了修正。以修正后的隧技术研究是随着沥青路面的广泛应用而开始的。近[581]道火灾人员逃生公式作为判别条件,给出隧道内人年来,邓宇强利用多因素模糊评定法得出了综[582]员可能逃生的位置和消防救援的安全位置。合性能最好的沥青混合料配方。陈辉配制了适隧道火灾逃生最主要还是依赖于疏散通道。合于隧道工程的环保型阻燃沥青,提出了低配筋率[570]Nilsson等利用疏散试验来研究当隧道发生火灾CRC层+AC复合式隧道路面设计的长寿命隧道路[583]时机动车驾驶人的反应及情绪,以及如何通过信息、面建设理念。李怀海通过研究提出将新型AP-寻路系统、交通指示灯等选择安全撤离路线。杨高FR阻燃剂添加于SBS改性沥青中(添加量为沥青[571]尚等以雪峰山隧道为工程实例,运用火灾模拟质量分数的5%),其在满足隧道路面力学性能要求软件FDS4.0计算了不同场景下的逃生时间。谢宝的同时,也能够满足隧道的阻燃、抑烟要求,确保隧[572][584]超等针对客运专线隧道进行了人员疏散了模道的使用安全性。范芳芳通过纳米材料和传统[573]拟。李削云等以苍岭隧道为背景,采用经验计阻燃材料的复合,组成纳米复合阻燃体系,得出阻燃算理论和软件BuildingEXODUS相结合的方法来效果最佳的最优配比(DBPE),减少了阻燃剂的用研究中小规模火灾情况下的安全疏散时间。目前中量,提高了沥青的阻燃性能。国对横向通道间距的大小仍然没有具体规定,仅依4.2.2隧道防爆赖软件模拟难以反映真实情况。隧道内的爆炸冲击会对隧道结构造成破坏,而在防灾救援管理指挥机制和政策建立方面,且相邻隧道的爆破也会对既有隧道产生不良影响。[574]Brian等在对隧道事故应急救援指挥权与转移隧道结构在强冲击力作用下的动力响应等问题得到分析的基础上,确立了隧道事故救援的指挥机制。了国内外研究人员的高度关注。[575]王永东等将公路隧道的防火救灾对策系统划分4.2.2.1隧道内爆炸为指导思想、安全等级、宣传教育、交通管理、通风控针对隧道在爆炸作用下的动力响应问题,国内[585]制、监控与消防、建筑材料和附属设施以及灭火救援外已开展了较多的研究工作。刘齐建等对径向体系8个子系统,对应于每个子系统提出了详细的谐和激励下圆形隧道的动力稳定性进行了研究,从防灾对策。动荷载作用下衬砌结构的振动方程出发,得到了隧4.2.1.3隧道衬砌结构高温下的力学性能道衬砌动力失稳临界频率的计算公式。杜修力[586]钢筋与混凝土是组成隧道衬砌结构的主要材等对部分埋置结构在爆炸荷载作用的动力响应[587]料。目前,国内外对火灾高温下混凝土与钢筋材料进行了研究。在动力反应计算方面,王德荣等的物理力学性能进行了显著的试验,并取得了显著在经典弹性理论的基础上,建立了圆柱壳在内部冲[576]的研究成果。Modic采用计算机模拟了火灾时击爆炸荷载作用下的动力平衡方程,通过数学变换[577]衬砌结构的温度分布。Majorana等在对隧道火和简化分析得到了内部冲击荷载作用下各向异性圆灾真实热输入评估的基础上,将混凝土看作多相孔柱壳体动力反应问题的简化计算方法。隙材料,对衬砌混凝土进行了热力耦合分析。对隧道衬砌结构损伤破坏方面的研究一般采用[578]近年来,闫治国等系统研究了盾构衬砌结数值模拟方法,国内外学者均对爆炸冲击波破坏、衬构管片、接头及衬砌环在火灾高温时(高温后)的力砌损伤机理和特性等方面进行了研究。田志敏[588]学行为,并提出了用于设计方法、衬砌结构火灾安全等采用三维有限元计算方法,给出了内爆炸产[579][589]性的模糊综合评估方法。徐志胜等对公路隧道生的隧道内冲击波流场。李忠献等将爆炸超压火灾排烟道顶隔板结构耐火性能进行了大量的全尺简化为双直线模型,分析了地下隧道内爆炸引起的寸试验和数值模拟研究,提出了火灾条件下排烟道隧道和地表各类结构的动力响应和滑移隔震效果。[590]顶隔板及其与衬砌连接构件的损伤评估方法。熊珍张小勇等采用AUTODYN软件建立了炸药-空[580]珍基于隧道衬砌结构在高温火灾作用下的一般气-衬砌结构-围岩与土体三维耦合体系模型,分析力学特性和受损规律,得出受火时间长短和受火范了隧道内爆炸荷载作用下衬砌结构的动力响应及损围大小直接影响衬砌结构温度场分布的结论,并拟伤机理。
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201547[597-598]值得注意的是,数值模拟在处理爆炸荷载时多出的方法有解析方法、定量定性法和数值方[599]将其简化为双直线的形式,与实际的爆炸荷载时程法等。曲线差异较大,并且直接施加到结构上,回避了气体4.2.3.2隧道水灾防治研究和结构间的流固耦合作用。(1)水灾害预报探测技术4.2.2.2隧道外爆炸目前国内外主要的突水灾害预报方法有物探化随着隧道工程的发展,如何解决近距离爆破对探法、地质法及钻探法等,如瑞士、美国等研发的已有隧道造成的不利影响,是亟待解决的工程实际TSP,澳大利亚研发的单孔多含水层综合水文地质问题。近年来国内外研究者对小间距隧道爆破振动参数预测技术。中国目前物探化探法主要有地质雷进行了深入研究,研究方法主要包括现场监测、数值达、同位素测试、槽波地震及连通试验等手段;针对模拟和模型试验,并取得了一些实用性结论。岩溶水的探测,中国主要采用综合物探、超前钻探,[591]刘国华等基于爆破动力分析和加权双剪强及瞬变电磁仪、三维高分辨地震勘探仪等进行探测度准则,提出了邻近爆破安全评估和爆破方案优选和预报。[592]方法。王明年等采用现场监测和数值分析2种(2)突水灾害的治理技术手段研究了不同间距情况下既有隧道衬砌迎爆侧的目前,隧道涌突水灾害治理以“以堵为主,堵排最大振速、最大主应力和衬砌安全性评价,并建议以结合,综合治理,保护环境”为原则。常见的具体治振速作为检测指标。为了减小爆破对既有隧道的影理措施为注浆法,即预注浆和后注浆。根据实际地响,除了爆破方案的优化和安全检测,采取有效措施质情况和突水的含水构造特征,一般主要通过超前[593]进行抗爆隔震也是重要手段。李利平等结合沪小导管、长管棚及帷幕的方法达到预注浆的目的,而蓉线庙垭分岔隧道工程实例,以小间距既有隧道中后注浆则是为了加固围岩并减少突水量而通过径向墙迎爆侧破坏为基准,从循环进尺、微振起爆、掏槽小导管及径向注浆锚杆实现的。结构等方面提出了相邻隧道爆破减振技术措施。4.2.4隧道防冻国内外对于隧道在爆炸荷载下的动力响应研究4.2.4.1冻胀机理分析和冻胀力研究等方面取得了不少成果,但对强冲击作用下的隧道变20世纪80年代,部分学者对日本北海道、中国形问题、不同隧道表面对冲击波传递的影响问题方面东北地区的大量冻害隧道进行调查分析,研究了隧的研究还较少;同时,为减少邻近隧道爆破的影响而道冻胀机理,形成了含水风化层冻胀说。关于冻胀[600]采用的隔震措施或隔震材料也有待进一步研究。力求解方面,中国吴文丁等都进行了相应的研[601]4.2.3隧道防水究。近年来,吕康成等对冻胀机理从不同角度隧道水灾害是指在隧道修建和运营过程中遇到做出了合理解释,丰富了冻胀理论的研究。耿[602]的水的干扰与危害,这也是隧道最常见的病害之一。珂以内蒙古寒区公路隧道为依托,采用弹性力4.2.3.1隧道水灾害机理研究学方法计算阿拉坦隧道承受的冻胀力,通过对隧道随着岩溶地区地下空间的开发利用,岩溶突水冻胀力的理论及数值模拟计算结果的比对,及时了灾害逐渐成为隧道工程中的主要灾害。在岩溶突水解隧道运营期间结构受力性状的变化情况,来判断[603]灾变机理的研究工作中,由Lomize的平行板模型隧道结构的安全性和可靠度。王洪存通过弹性到裂隙岩体渗流模型,学者们提出了岩体渗流系数力学和弹塑性有限元数值模拟的方法,研究了冻胀实测的方法,后期又出现了对应力-渗流-损失及温应力在隧道衬砌中的分布规律。[594]度等多场耦合机制的研究。4.2.4.2寒冷地区隧道温度场[595]李利平等对突水通道的渐进破坏进行了渗对于温度场的解析解研究方面,20世纪70年[604]流场、应力场及损伤场的多场耦合分析。王建秀代,Bonacina等提出了相变热传导温度场的数[596][605]等根据地下水在各种渗流介质中流态的不同,值求解方法;Harlan提出了著名的Harlan方程,建立了快速紊流系统及慢流渗流系统。在岩溶突水采用土体冻结过程中的热质迁移数学模型,首次将[606]机理的研究工作中,数值模拟的方法得到了广泛的渗流场和温度场耦合分析。随后Comini等对应用,采用MIDAS,ANSYS,FLAC,ADINA等方相变热传导温度场的非线性问题进行了有限元法能够很好地进行岩溶突水的多场耦合分析研究。分析。[607]在水灾害的机理与评价方面,学者们采用和提赖远明等根据传热学和渗流理论导出了带
48中国公路学报2015年相变的温度场和渗流场耦合问题的控制微分方程,水是影响隧道安全的主要因素。本节主要关注渗漏应用Galerkin法导出了这一问题的有限元计算公水和衬砌结构破损病害维护与加固方面的相关研式,并根据冻土地区的实际情况对圆形隧道正冻区究,实际上隧道各种病害经常同时存在且相互作用,和未冻区的热传导方程进行简化,运用量纲为1的整个隧道安全状态的评价不应建立在单一病害调研量和摄动技术求出了寒区圆形截面隧道温度场的解和检测的基础上,而应基于对隧道内的各种病害进[608]析解。张学富等运用Galerkin法推导出了三维行全面的调研和检测。计算公式,对隧道空气与围岩对流换热和围岩热传4.3.2隧道病害的分级导藕合问题进行了有限元分析。对于温度场的规律为了确保隧道的安全,需要对隧道病害进行定[626]趋势,文献[609]~[611]中都进行了研究。期检查。根据《公路隧道养护技术规范》的要4.2.4.3隧道冻害防治研究求,高速公路隧道结构的检查分为日常检查、定期检挪威根据自身的地质和气候特点提出了“低造查、特别检查和专项检查。根据检查所得隧道结构价公路隧道”理念,开创了抗防冻衬砌的设计理念和的破损程度,对隧道结构由好至坏分为B,1A,2A,支护衬砌结构型式。挪威主要采用铺喷支护的防冻3A四级。《铁路工务技术手册———隧道》等规[619-623]保护措施,开发了2种主要的抗防冻二衬系统。范均从某单一因素(如裂缝宽度、裂缝长度、在保温隔热材料及其他保温防寒措施的研究与渗漏水、衬砌剥落、衬砌材料劣化等)的角度出发进[612]应用方面,21世纪初,陈建勋提出了防冻隔温材行了隧道结构病害分级。[613]料的优化组合。马建新等论证了硬质聚氨酯泡目前,国内外对隧道衬砌病害的评估主要都是沫塑料和干法硅酸铝纤维板2种保温隔热层材料的基于先通过对病害进行检测,再利用数值计算、理论[614]设置厚度。赖远明等得出了保温门保温效果优模型等方法对其承载力、稳定性、裂损状况、耐久性[615][625]于防雪棚的研究结论。孙文昊通过对多种冻胀等进行模拟。但以上计算方法一般仅限于单一工况下数值模拟计算结果进行分析,指出在寒区隧病害的评估,为了全面分析不同病害作用下隧道的[624][625]道中增大衬砌厚度不能从根本上防止衬砌及其背后安全状态,可应用层次分析法、灰色理论、模[616][627]地下水的冻结。罗彦斌使用综合评判法对新建糊数学等理论对隧道病害数据进行深入的统[624]隧道抗冻设防等级进行了划分,引进T-S模糊故障计、分析,以建立定量化的隧道病害分级方法。树和事件树理论对既有隧道冻害程度等级进行5级需要强调的是,隧道作为一种典型的“隐蔽工程”,衬[617]划分。吉哲提出了“严密防水、妥善排水、酌情砌受自然环境、围岩和地下水等多种复杂因素的影保温、及时供热”的隧道冻害设防理念。响,无论采用传统还是交叉学科的理论以实现对隧4.3病害(重庆交通大学张学富、周杰老师提供道病害的合理分级,对隧道所处环境以及病害信息的初稿)精确测量都是最基本的要求。为了从本质上对隧道随着隧道运营时间的增加,隧道病害愈加显著,的病害进行分级,需要密切结合隧道的地质和施工情因而对隧道的维护与加固提出了更高的要求。要对况,进行“基于病因”的病害分级,以制定“标本兼治”隧道进行维护和加固,首先要对病害进行检查,然后的“治疗方案”。这也对隧道施工过程中围岩、施工质[618]判断病害程度,进而制定出合理的治理方案。量资料的完整、真实记录提出了要求,鼓励建立“隧道4.3.1隧道病害的种类档案”制度,以从本质上分析病因,制订治疗方案。由于隧道所处地质环境的复杂性,隧道的病害4.4维护与加固(重庆交通大学张学富、周杰老师也呈现出多样性的特点。《铁路工务技术手册:隧提供初稿)[619]道》中将隧道病害分为隧道漏水、衬砌腐蚀、衬目前国外在铁路隧道维修养护管理中,应用了砌裂损、隧道冻害、洞门损坏、整体道床裂损、附属结人工智能技术,开发了诊断隧道病害的专家系统软构物损坏等7种病害。中国《铁路桥隧建筑物劣化评件,使铁路维修养护管理工作达到了一个新的水[620][625]定标准》、《城市轨道交通设施养护维修技术规平。日本对其国内的铁路、公路、电力、地下铁[621][622]范》和日本《公路隧道维持管理便览》、美国《公路等隧道衬砌结构进行了大量调查,并根据变异、变[623][624-625]路及铁路隧道养护指南》以及诸多文献中均形速度、开裂、错动、掉块、材料劣化、腐蚀等影响因[625]对分离隧道病害进行了归纳总结。素建立模型,开发了有效的专家系统软件。美众多隧道病害经验表明,衬砌结构破损和渗漏国学者基于结构损伤度的概念对结构物损伤评估方
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201549[625]法进行了研究。日本、美国等推出的隧道健康国高铁时速的提升,需要注意喷混凝土边缘区域应[622-623]诊断与维修管理规范,为隧道的维护和加固与原衬砌顺接,以防止结构突变区在行车风动力下提供了指导。中国学者也对隧道病害的防治进行了的剥落。大量的研究,关宝树开发了铁路隧道病害(变异)诊当衬砌裂缝密集,裂缝的深度和宽度影响混凝[628]断的专家系统软件。中国的《公路隧道养护技土的整体性,且隧道内轮廓与建筑限界富余较小时,[626][631]术规范》(JTGH12—2003)中对隧道常见的病可采用嵌入钢拱架法进行加固,如仲澳隧道、台[633]害给出了推荐的维护和加固方法,最新的《公路隧道湾某单线铁路隧道和公路隧道等均采用了此治养护技术规范》(JTGH12—2015)于2015年3月1理方法。嵌入钢拱架加固分全断面嵌拱和拱部嵌拱日开始实施,新规范中明确提出了“预防为主、防治2种方式,要求加固拱架和既有衬砌成为一体,故要结合”的养护原则。此外,中国组织编写的《公路隧求新增混凝土的强度等级应比原衬砌混凝土提高一道加固技术规范》目前正处于征求意见阶段,其中对级,且应不低于C25。原衬砌的开槽施工若施工不隧道衬砌结构、裂缝和渗漏水等病害给出了相应的当则会对原衬砌造成应力集中,因此在隧道净空允维护与加固方法。中国对隧道维护与加固的研究,许的情况下,嵌钢拱架后再联合网喷混凝土进行补大都局限于某一类具体的病害或具体的工程条件,强则效果更佳。整治措施的可靠性和可操作性均不够理想,缺乏系当衬砌因材料劣化在较小范围内出现掉块可统性和完整性。能,但没有漏水,且净空富余较小时,可采用粘贴钢隧道所处地下环境的复杂性和致病原因的多样板或纤维复合材料的方法进行加固。针对粘贴钢性,决定了隧道维护与加固方案的灵活性和针对性。板、纤维补强等方法,学术界已提出了比较成熟的设[634-636]本节主要介绍隧道衬砌结构(衬砌加固、套拱加固、计理论。粘贴钢板加固是通过将钢板牢固粘注浆加固、换拱加固)的维护与加固方法以及裂缝、接在混凝土构件表面以提高其承载力的加固方法,[637]渗漏水等的治理方法。多用于盾构隧道结构的加固,遵义市牯牛坡公[638]4.4.1衬砌加固路隧道采用此法进行加固处理。对于新奥法建衬砌加固常采用喷射混凝土、嵌入钢拱架、粘贴设的公路隧道,粘贴钢板加固耐久性及美观性差,安[274,639]纤维复合材料和粘贴钢板(带)4种加固措施。其中全可靠度也一般,粘贴纤维复合材料法则在喷射混凝土法和嵌入钢拱架法的设计计算按照增大此种隧道加固工程中应用更广。纤维复合材料是柔截面加固法进行验算,粘贴纤维复合材料法和粘贴性的,即使加固结构的表面不平整,也可以达到钢板(带)法分别参考各自方法计算粘贴对强度的99%的有效粘贴率,而且在加固过程中能保证隧道影响。的正常使用。当要使构件承载力有较大提高时,可对于裂缝较多,但深度较浅,发展缓慢的局部破以在构件表面粘贴多层纤维布进行加固。但是当纤损,可以采用喷射混凝土法进行加固,当裂损严重时维布的使用量超过一定范围时,纤维的加固作用反[636]喷射混凝土可与钢筋网、锚杆(锚索)结合使用。喷而会降低,因此在使用此法时需要加以注意。射混凝土加固法早在20世纪80年代就有相关的报4.4.2套拱加固[629][274,640-642]道,在石匣隧道、重庆四角山隧道中均取得了良何川等众多国内外学者通过实验室模好的加固效果。采用素喷对轻微裂损衬砌加固后,型试验,研究了套拱加固隧道的衬砌受力和破坏模[643-644]拱的极限承载能力比原衬砌拱提高了将近1倍;采式。EKPel等对套拱补强隧道进行了有限元用网喷对临近失稳的衬砌加固后,拱的极限承载能模拟,对套拱加固法提出了一些指导意见。实验室[630]力可比原衬砌提高1.3倍左右。随着材料与工和数值研究成果可对套拱加固的应用设计起指导作艺的发展,喷射玻璃纤维混凝土(GFRC)或高分子用,但实验室试验很难精确模拟地层抗力,数值研究[631][632]材料、混钢纤维混凝土(SFRC)等的加固方中地层、接触等参数也难以真正模拟隧道与复杂围法不断推陈出新。其中纤维混凝土具有较高的力学岩的相互作用,故研究成果的适用性与正确性有待性能和良好的耐久性,可以在喷层-混凝土结合面上商榷,但可利用研究成果中的规律性对工程设计进传递拉应力和剪应力,对于断裂、错位后处于复杂应行指导。[644][645]力状态下的隧道结构,是一种理想的补强材料。喷“八一”、“向阳”隧道、翠竹岭公路隧道、[646]射混凝土的加固施工方法虽已较为成熟,但随着中赚宝隧道的二衬均采用了套拱加固的治理方
50中国公路学报2015年[629]法。为了保证套拱加固的效果,施工前应先对原衬工等因素有关,传统的裂缝观测方法有记录末砌进行局部补强和防渗漏处理,并尽量做到工程类端位置法、贴石膏条(饼)法、刻度显微镜观测法、专[644]比与有限元计算模拟相结合。此外,根据“治病用测缝计量测法等。近年来,一些新的监测方法也[649]不如防病”的理念,对运营隧道的中初期病害,也可逐渐兴起,如超声波检测法、光纤传感检测法、以采取套拱加固作为预防性处治措施。图像处理检测法等,其中图像处理检测法具有非接4.4.3注浆加固触、效率高、便捷直观等优点,逐渐成为研究的主流[649]注浆加固被大量应用于因衬砌背后空洞、围岩方向。松弛、偏压、滑坡等引起的衬砌开裂、变形、渗漏水等通过监测所得裂缝数量、方向、深度等参数,可隧道病害的治理或隧道病害的预防。如石匣隧分析裂缝对衬砌承载力的影响。对隧道承载力有影[629]道、上海轨交运营隧道等均采用此法进行加固。响的裂缝,应对隧道结构及围岩进行加固处理;对不[650]运营隧道注浆加固一般联合网喷、钢带和嵌钢影响结构受力的裂缝,直接对裂缝进行治理,可拱架等综合补强措施,且需要考虑注浆对已有结构采用锚杆加固、碳纤维加固、骑缝注浆、凿槽嵌补及[651]的影响,不能因注浆而导致已有结构变形甚至破坏。直接涂抹等裂缝整治措施。此外,在既有衬砌上开注浆孔的孔径不宜过大,开孔目前裂缝治理的通常做法是:对宽而深的裂缝不应损伤原有防水板,这都对施工技术提出了较高采用环氧树脂浆液灌注处理,对细而浅的裂纹采用[638,652]的要求。虽然注浆加固隧道能起到良好的治理效环氧树脂浆液进行表面封闭处理。但不同工果,但注浆加固的设计理论假设过多,目前仍处于半程对宽、细裂缝的划分标准有所不同,主要有0.5[647]经验设计阶段。也有很多学者采用数值分析法mm和0.2mm两种划分标准。对于裂缝治理,除研究注浆加固的模型试验,但注浆后围岩参数、围岩了采用压浆、环氧树脂粘结的方法,还可采用碳纤维[275]与结构接触参数选取方面的研究仍需进一步加强,布(CFRP)加固的方法。罗立娜根据荷载结构以对运营隧道的注浆加固设计提供理论基础。此法,以碳纤维补强钢筋混凝土偏压构件的理论为基外,在进行注浆加固设计时,必须考虑注浆土体力学础,提出了裂缝发展分析方法,初步形成了适用于碳性质随时间的劣化作用,以防止加固效果在数年后纤维补强公路隧道衬砌结构的设计计算方法。猫狸失效。岭隧道等隧道裂缝治理中均采用了粘贴碳纤维布的[275,653]4.4.4换拱加固加固方法。换拱是对公路隧道在施工中和营运后较为严重随着隧道裂缝治理经验的增多以及材料的进隧道病害的一种较为彻底的病害处治措施,一般需步,新材料也逐渐被应用于裂缝的维护和加固。基要先对围岩注浆加固,然后再进行原拱的拆除。运于全寿命的设计理论,在隧道二衬中加入适量的纤[631]营隧道换拱维护的报道日渐增多,如重庆渝北隧道、维材料也可以有效地预防混凝土的收缩裂缝。赚宝隧道等。隧道裂缝与结构强度是相互关联的,在完成对换拱技术在中国已相对成熟,但原拱的拆除依隧道裂缝的治理后,要对结构性裂缝进行长期监测,[648]旧存在诸多难点需要解决。首先是拆除方法有根据后续裂缝发展情况进一步采用粘贴钢板加固、[654]爆破、凿除、切割等方式,其中爆破法因周期短、效益粘贴纤维或开槽增设拱架等处治措施。[648]高而被优选采用,但爆破的扰动大,需采用静态4.4.6渗漏水治理爆破、预裂控制爆破、微震爆破法等,因此根据工程渗漏水是运营隧道的“顽疾”,与自然环境、设特点选择拆除方法并对爆破参数进行合理设计是难计、施工均有关,病害机理及理论研究较复杂。目前点之一。再次经过旧衬砌拆除处理后,围岩的压力已有关于运营隧道渗漏水病害机理的数值研究成[655-657][657]增长很快,临时支撑阶段围岩压力大且不均匀,每次果,如杨甲奇基于渗流理论采用流固耦合拆除衬砌的长度、拆后临时支护的设计是难点之二,数值计算法分析了隧道衬砌结构注浆前后受力(地赚宝隧道采取了每次换拱3m,间隔换拱的方应力和水压力)、涌水量的变化和注浆后围岩的稳定[646]法。此外,为了尽快封闭拆除的二衬,采用何种性,指出适当增大注浆圈的渗透系数,保证地下水有方法预制更换二衬也是需要探讨的问题。一定的渗流通道,可减小围岩压。但目前关于隧道4.4.5裂缝治理渗漏水的理论研究成果有的不全面,有的未经过试[657]隧道裂缝的产生与地质、设计、偏压荷载、施验验证,在指导实际工程方面仍有不足。中国
第5期《中国公路学报》编辑部:中国隧道工程学术研究综述·201551隧道渗漏水病害的治理多是在掌握工程原防排水的们携起手来,为把中国由隧道大国变成隧道强国而设计、施工、验收资料的基础上依赖工程经验进共同奋斗!行的。策划与实施从应用的角度,可将隧道中的渗漏水按照形式和面积简单分为点、线、面3种形式,并采取不同的总策划:马建治理方法。目前已有许多关于公路隧道、铁路隧道、总组稿:孙守增,赵文义电力隧道、寒区隧道、岩溶隧道渗漏水治理的相关报组稿:王磊,马勇,刘辉,张伟伟,陈红燕,[655-658]道,中国隧道衬砌渗漏水的整治,始终没有脱陈磊,魏雅雯离“一封补,二注浆,三充填,四引排”的综合治理统稿:长安大学叶飞老师[659]措施。较之普通的隧道,寒区隧道渗漏水的病害机理致谢和治理则更为复杂,寒区的低温虽然是导致隧道围本文在成稿过程中,还得到西南交通大学王明岩和衬砌冻融破坏而产生渗漏水的主要原因,但低年、于丽老师,天津大学张稳军老师的大力协助,特温冻土也可以作为防止隧道渗漏水的天然保护层。致谢忱!故在寒区隧道渗漏病害防治中可以采用在衬砌内表面铺设绝热层等保温措施来预防寒区隧道的渗漏,参考文献:也可以采取抬高隧道浅埋段冻土上限的方法,以使References:[660]冻土作为天然防水层。[1]何德.中国公路发展历程[J].中国公路,1999,99(7):19.隧道病害的“致病原因”是多因素综合作用的结[2]《铁道建筑》编辑部.我国铁路、公路和地铁隧道工程的显著成果,因此在进行隧道病害治理时,要结合隧道施工过就[J].铁道建筑,1990(11):11-42程中的地质素描和施工质量记录,找出病害的主要[3]蒋树屏.我国公路隧道建设技术的现状及展望[J].交通世界,“病因”,以做到“对症下药”的进行维护和加固。同2003,2:22-27[4]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设,时,在进行隧道设计时,要考虑复杂地质环境对隧道2015,35(2):95-107.结构的影响,对不良因素进行“疏堵结合”的处治,使[5]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通隧道做到“强身健体、预防生病”。出版社,2010.[6]李术才,薛翊国,张庆松,等.高风险岩溶地区隧道施工地质灾5结语害综合预报预警关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,王梦恕院士指出“21世纪是隧道及地下空间大2008,27(7):1297-1307.[7]李利平,李术才,张庆松.岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制发展的世纪”。随着技术水平的不断进步和运营发研究[J].岩土力学,2010,31(2):523-528.展的需要,隧道势必将越修越长,越修越宽,建设难[8]黄伦海,秦峰,龚世强.雅宝双洞八车道公路隧道设计[J].度越来越大,面临的各种问题也越来越复杂。隧道现代隧道技术,2005,42(4):5-8.工程作为一个复杂的系统工程,其建设涉及到结构、[9]刘庭金,莫海鸿,房营光.龙头山双洞8车道公路隧道施工防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学、消防、[J].铁道标准设计,2008(1):76-79.[10]逄铁铮.地下十字交叉隧道的设计与施工技术[J].公路,2013交通工程、自动控制、环境保护、工程结构等多个领(8):310-313.域、多种学科,是综合性很强的复杂技术,需要多学[11]谢卫东,后宝琴.钟鼓山隧道于今年“十一”前通车[N/OL].科、多领域联合研究、共同攻关。中国早已是隧道大福建之窗(2007-07-24)[2015-04-30].http://news.66163.国,隧道工程数量、长度等指标都早已跃居世界首com/2007-07-24/300943.shtml.位,但我们依然行进在隧道强国的路上。[12]刘福昌,王月.金鸡山隧道开工[N].中国铁道建筑报,可喜的是,中国隧道工程建设事业仍在持续、快2008-01-08.[13]杨飞.弄尾隧道爆破施工技术浅析[J].商品与质量:建筑与速、蓬勃发展,隧道建设基础理论日趋成熟,研究手发展,2011(10):39-40.段日益全面,勘测设计技术日益先进,建设规模日益[14]蒋树屏,文栋良,郑升宝.嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振宏大,结构形式日趋丰富,施工技术逐步迈向机械动台模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(4):化,材料日益先进,装备渐趋完备……21世纪中国649-656.隧道建设速度与规模必将迈上一个新的台阶,让我[15]王洋,刘贵有,琚远航,等.雅克夏雪山隧道涌水涌碴防治研
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