隧道工程期末考复习重点-第三版-朱永全 宋玉香-石家庄铁道大学.doc

第一章隧道的分类：按地质条件：土质隧道和石质的隧道。按埋置深度：浅埋和深埋 按位置：山岭隧道、水底隧道、城市隧道 按用途，分为交通隧道（1、铁路隧道2、公路隧道3、水底隧道4、地下铁道5、航运隧道6、人行地道）、水工隧道（1、引水隧道2、尾水隧道3、导流隧道或泄洪隧道4、排沙隧道）、市政隧道（1、给水隧道2、污水隧道3、管道隧道4、线路隧道5、人防隧道）、矿山隧道（1、运输巷道2、给水巷道3、通风巷道）第二章岩体的基本工程性质：1、岩体处于一定的天然应力作用之下（重力应力场和构造应力场）；2、岩体物理力学性质的不均匀性（相同的天然岩体其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而有差异，呈现出岩体的不均匀性）；3、岩体是由结构面分割的多裂隙体（结构面分为：原生结构面、构造结构面、次生结构面）；4、岩体具有各向异性；5、岩体具有可变性；6、单向应力状态下岩石的变形特征；7、三轴压缩下岩石的强度和变形特征；8、裂隙岩体的强度性质地应力：任何物体均受着地心引力的作用，因而处于受力状态之中。对于地壳岩体来说，他经历了长期的地壳运动，自然处于更为复杂的受力状态。这种应力状态是指岩体在天然状态下所具有的内在应力，可称之为岩体的初始应力，也叫地应力。围岩：是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体围岩分级目的：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；给出衬砌结构的类型及其尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础。围岩分级依据：1、准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；2、便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；3、最好在挖开地面前得到结论。围岩分级方法：1、以岩石强度或岩石的物理指标为代表的分级方法（以岩石强度为基础的分级方法、以岩石的物理指标为基础的分级方法）2、以岩体构造、岩体特征为代表的分级方法（泰沙基分级法、以岩体综合物性为指标的分级方法）3、余地质勘探手段相联系的分级方法（按弹性波（纵波）速度的分级方法、以岩石质量为指标的分级方法（RQD方法））所谓的岩石质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例。(RQD=10cm以上岩芯累计长度÷单位钻孔长度×100%)岩石质量-Q的分级方法：Q=RQD÷Jh×Jr÷Ja×Jw÷SRFJh——节理组数目，Jr——节理粗糙度，Ja——节理蚀变值，Jw——节理含水折减系数，SRF——应力折减系数围岩的分级方法的发展趋势：分级应主要以岩体为对象，分级宜于地质勘探手段有机联系起来，分级要有明确的工程对象和工程目的，分级应逐渐定量化。铁路隧道目前铁路隧道围岩分级采用以围岩稳定性为基础的分级方法，由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。看表格：围岩坚硬程度的划分P24 、围岩完整程度的划分P25、铁路隧道围岩分级P25 隧道级别的修正：围岩级别应在基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水、初始地应力状态和风化作用等必要因素进行修正。地下水的影响（软化围岩、软化结构面、承压水作用.第三章隧道位置的选择隧道的位置与线路是互为相关的。在一般情况下，当一段线路的方案比选一旦确定以后，区段上的隧道的位置就只能依从于线路的位置大体决定，最多是在上、下、左、右很小幅度内做些小的移动。但是，如果隧道很长、工程规模很大、技术上也有一定困难、属于本区段的重点控制工程，那么这一区段的线路就得依从于隧道所选定的最优位置，然后线路以相应的引线凑到隧道的位置上来。越岭线上的隧道位置的选择依据：主要以选择垭口和确定隧道高程两大因素河谷线上的隧道位置的选择，要考虑山体的偏侧压力。P33，两个都看看隧道洞口位置的选择“早出晚进”原则：即在决定隧道洞口位置时，为了确保施工、运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞，这样做，虽然隧道长度修长了一点，却较为安全可靠。选择隧道洞口位置注意的原则：1洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处。2洞口应避开不良地质地段。3当隧道线路通过岩壁陡立，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。4减少洞口路垫段长度，延长隧道，提前进洞。5洞口线路宜于等高线正交。6当线路位于有可能被水淹没的河滩或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应高出洪水位加波浪高度，以防洪水灌入隧道。7为了确保洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高。8当洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，以排泄水流。9当洞口地势开阔，有利于施工场地布置时，可利用弃渣有计划、有目的地改造洞口场地、以便布置运输便道、材料堆放场、生产设施用地及生产、生活用房等。另外，在桥隧相连时，应注意防止因弃渣造成桥孔堵塞或推坏桥梁墩台建筑物。 铁路隧道的坡道形式一般采用单面坡或人字坡单面坡：适用范围：多用于线路的紧坡地段或展线的地区，优点：因为单面坡可以争取高程，拔起或降低一定的高度，促进洞内的自然通风。缺点：在施工阶段，对于下坡开挖，洞内的水自然的流向开挖工作面，使开挖工作受到干扰，需要随时抽水外排。此外，运渣时，空车下坡重车上坡，运输效率低。人字坡：适用范围：多用于长隧道，尤其是越岭隧道。优点：施工时，水自然的流向洞外，排水措施相应的简化，而且重车下坡空车上坡运输效率高。缺点：列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净，长时间积累，浓度渐渐增大，使司机以及洞内维修人员的健康受到影响。了解坡道长度P44隧道净空：是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。铁路隧道净空是根据“基本建筑限界”确定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。限界：是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。建筑限界：是建筑物不得侵入的一种限界机车车辆限界：是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。基本建筑限界：是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。隧道建筑限界：是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线，即要比“基本建筑限界”大一些，留出少许空间，用于安装通信信号、照明、电力等设备。直线隧道净空：“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足限界要求外，考虑避难等安全空间、救援通道级技术作业空间，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状以及施工方便等因素。曲线隧道净空加宽加宽值的计算方法P51隧道衬砌断面的初步拟定，采取经验类比的方法，考虑三个因素1内轮廓，2结构轴线，3截面厚度。第四章隧道结构建筑可分为主体建筑物和附属建筑物，主体建筑物是为了保持隧道的稳定和正常使用而修建的，由洞门及洞身结构组成，附属建筑物指保证隧道正常使用所需的各种辅助设施。一、衬砌的主要方式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌。1、整体式混凝土衬砌多为临时支护，传统矿山法采用较多，不作为结构的组成部分，有直墙式和曲墙式两种，分别由顶部拱圈、边墙和下部铺底组成。直墙式适用于地质条件较好，以垂直围岩压力为主的地区。曲墙式适用于地质条件较差，有较大水平压力的情况，分为有仰拱和无仰拱两种。2、拼装式衬砌以盾构法施工采用较多，多用于城市地铁，是将构件事先预制，在隧道内部用机械进行拼装的衬砌方式，特点是成环后立即受力，便与机械施工节省劳力。3、锚喷式衬砌既作为隧道的临时支护，又作为永久结构存在，在围岩整体性较好、试用期较短、重要性较低的隧道中广泛使用。特点是开挖后衬砌及时、施工方便、经济。4、复合式衬砌目前大都采用内外两层衬砌，可以是一种形式、方法和材料施作的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施作的，是山岭隧道的主要施工方法。按组合情况可分为锚喷支护与混凝土衬砌。按围岩条件不同分别采用不同的断面形式和支护、衬砌参数。关于复合式衬砌内外层结构受力状态，有三种看法：A，围岩具有自承载力，它与初期支护组合在一起能起到永久建筑物的作用，故二次衬砌只是用来提高安全度的；B，二次衬砌是主要的，它不仅稳定围岩变形且在整个衬砌结构中起主导作用；C ，内外层衬砌共同承载受力。实验表明，复合式衬砌的极限承载力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌强度高15%—25%。若合理调整内衬的施作时间，其强度还可提高。一、1、洞门作用：①减少洞口土石方开挖量，②稳定边坡、仰坡，③引离地表水，④装饰洞口。2、洞门形式：环框式、端墙式、翼墙式、柱式、台阶式、斜交式、喇叭口式。端墙式最常见，适用于地形开阔、石质稳定的地区，由端墙和洞门顶排水沟组成。作用是抵抗山体纵向推力及维系洞口仰坡稳定。翼墙式适用于地质差山体纵向推力较大的情况，由翼墙和侧面边坡组成，翼墙抵抗山体纵向推力，增加洞门抗滑抗倾覆能力，侧面边坡保护路堑，类似挡土墙。柱式洞门可增加端墙稳定性，适用于地形较陡，仰坡下滑可能性大，又因地形限制不能设翼墙的情况，又因美观性，适用于城市、风景区或长大隧道洞口。3、明洞是采用明挖法修筑的隧道，主要有拱式和棚式两种。拱式明洞由拱圈、边墙和仰拱组成。可分为路堑式对称性、路堑式偏压型、半路堑式偏压型、半路堑式单压型。棚式可分为盖板式、刚架式、悬臂式。二、附属建筑物包括防排水设施、电力及通信设施、运营通风设施和避车洞。避车洞用以保证行人、维修人员安全，放置工具和材料。根据断面尺寸可分为大避车洞（隧道每隔300m一个）和小避车洞（隧道每隔30m一个）。第五章1.围岩压力：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。2.围岩压力分类：A.松动压力（由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力，松动压力分为竖向压力和侧向压力）形成取决因素：隧道的形状和尺寸；隧道的埋深；施工因素确定方法：现场实地量测，按理论公式计算确定，根据大量的实际资料，采用统计的方法分析确定。B.形变压力（形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构在共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力）C.膨胀压力（当岩体具有吸水，应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力称为膨胀压力）D.冲击压力（冲击压力是围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力）3.影响围岩压力的因素，一类是地质因素，它包括初始应力状态，岩石力学性质，岩体结构面等，另一类是工程因素，它包括施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。4.结构力学方法：这种方法是将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，也称为荷载—结构法。5.结构力学方法基本原理：其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支撑来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。（围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支撑约束支护结构变形的弹性反力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。）6.作用在隧道支护结构上的荷载分为主动荷载和被动荷载。 6-1.主动荷载按作用情况分为主要荷载（指长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等）和附加荷载（指偶然的、非经常作用的荷载，如温差压力、施工荷载、灌浆压力、冻胀力及地震力等，主要是地震力）。6-2.被动荷载即围岩的弹性抗力，所谓弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。1.岩体力学方法：岩体力学方法主要是对锚喷支护进行预设计。这种方法的出发点是支护结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其中围岩为主要的承载结构，支护结构为镶嵌在围岩孔洞上的承载环，只是用来约束和限制围岩的变形，两者共同作用的结果是使支护结构体系达到平衡体系。2.结构力学方法与岩体力学方法的差别结构力学方法是我国目前广泛采用的一种主要的地下结构计算方法，也称“荷载—结构”模型。主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，以及支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。此类模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今很通用，尤其是对整体式混凝土衬砌。但它没有真实的反映出坑道开挖后围岩与支护结构的相互关系。岩体力学方法的计算模式为地层—结构模式，即处于无限或半无限介质中的结构和镶嵌在围岩孔洞上的支护结构（相当于加劲环）所组成的复合模式。它的特点是能反映出隧道开挖后的围岩应力状态。3.收敛—约束法原理：收敛—约束法又称特征法或变形法，它是一种以理论为基础，实测为依据，经验为参考的较为完善的隧道设计方法。收敛：洞室开挖以后，洞周地层将产生变形。洞周地层的变形与外荷载，地层的性质及衬砌结构对洞周地层的支撑作用力等因素有关。将地层在洞周的变形u表示为衬砌对洞周地层的作用力Pi的函数，即可在以u为横坐标，Pi为纵坐标的平面上绘出二者的关系曲线。因这类曲线表示洞室开挖后地层的受力变形特征，故可称为地层特征线或地层收敛线。约束：洞室地层对衬砌结构的作用力，即为衬砌结构受到的地层压力，其量值也为Pi，衬砌结构的变形u也可表示为Pi的函数，并在以u、Pi为坐标轴的平面绘出二者的关系曲线。这类曲线表示衬砌结构的受力变形特征，称为支护特征线。因衬砌结构发生变形的效果是对洞周地层的变形起限制作用，故支护特征线又可称为支护限制线。4.信息反馈法：由于围岩特征的复杂性，加上施工等人为因素的影响，在隧道工程中，无论事先的调查和试验做得多么细致，支护的实际受力及变形状态往往难与按力学模型所分析的结果相一致。为了确保隧道工程支护结构的安全可靠和经济合理，在施工阶段进行监控量测，及时收集由于隧道开挖而在围岩和支护结构中所产生的位移和应力变化等信息，并根据一定的标准来判断是否需要修改预先设计的支护结构和施工流程，这一方法称为信息反馈法，又称监控法。它的特点是能反映隧道开挖后围岩的实际应力及变形状态，使得设计和施工与围岩的实际动态相匹配。5.在隧道工程中所采用的反馈方法可归纳为两大类，即理论反馈法和经验反馈法。6.理论反馈法是基于初勘地质成果、初步设计及施工效果，对初步设计和施工效果进行理论分析，判别隧道稳定性，修正设计参数和施工方法。7.经验反馈法直接利用量测数据进行对比，判断隧道的稳定性。8.利用岩体力学方法分析围岩和支护的流程图： 第六章隧道施工的基本概念1、隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。2、隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并集合隧道断面尺寸、长度、衬怯类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。3、隧道施工方法：山岭隧道施工方法（矿山法、掘进机法）、浅埋及软土隧道施工方法（明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法、盾构法）、水底隧道施工方法（沉埋法、盾构法）。开挖法：隧道开挖方法根据横断面分布情况分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法。⑴、全断面开挖法①使用条件：1、Ⅰ～Ⅳ级围岩，在用于四级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。2、有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。3、隧道长度或施工区段长度不宜太长，根据经验一般不应小于一公里，否则采用大型机械化施工时其经济性差。②作业线：开挖作业线、喷瞄作业线、模筑衬砌作业线③全断面开挖施工特点：1、开挖断面与作业空间大，干扰小;2、有条件充分使用机械，减少人力；3、工序少，便于施工组织与施工管理，改善劳动条件；4、开挖依次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。⑵、台阶法 根据台阶长度不同分为长台阶法、短台阶法、微台阶法三种。1、长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般用于Ⅰ至Ⅴ级围岩。在上下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线，因此台阶长度长，但台阶长度过长，如大于100m时，则增加了通风排烟、排水的难度，降低了施工的综合效率。因此长台阶一般在围岩条件相对较好、工期不受控制、无大型机械化作业时使用。2、短台阶法适用于Ⅲ至Ⅴ级围岩，台阶长度定位10～15m，即1～2倍开挖宽度，主要考虑，既要实现分台阶开挖，又要实现支护及早封闭。上台阶一般采用小药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶。因此台阶长度又不宜过长，如果超过15m，则出渣所需的时间显得过长。短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业3、微台阶法微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩，一般台阶长度为3～5m，台阶长度小于3m时，无法正常进行转眼和拱部的喷锚支护作业；台阶长度大于5m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大的难度，必须采用人工翻渣。微台阶法上下断面较近，机械设备集中，作业时互相干扰大，生产效率低，施工速度慢。⑶分部开挖法：分部开挖法包括环形预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法。新奥法概念：新奥法及奥地利隧道施工新方法，是以喷射混凝土锚杆为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。新奥法的基本原则：可以归纳为少扰动，早支护，勤量测，紧封闭。第七章一、隧道施工常用的附注为定措施有：稳定工作面预留核心土挡护开挖面喷射混凝土封闭开挖面超前锚杆管棚超前支护前方围岩小导管长管棚水平旋喷超前支护前方围岩预切槽超前于支护注浆加固围岩和堵水超前小导管注浆超前深孔帷幕注浆1、二、炸药爆破后可形成三个区域：压缩粉碎区（R1，粉末）、破裂区（R2-R1，碎块）、震动区（R3-R2，弹性未破坏）。爆破临界面是指暴漏在大气中的开挖面。再有临空面的情况下，爆炸能量会在靠近临空面一侧形成爆破投掷，形成一个圆锥形的爆破凹坑，这就是爆破漏斗，爆破抛起的岩块，一部分落在坑外形成爆破堆积体，一部分落到坑内掩盖了真正的爆破漏斗，形成看得见的爆破坑。三、 爆破的关键是掏槽眼和周边眼的爆破，掏槽效果的好坏，又直接影响整个隧道爆破的成败。掏槽眼为辅助眼和周边眼的爆破提供了有利条件，直接影响循环进尺和掘进效果，周边眼关系到隧道开挖边界的超欠挖和对周边围岩的影响。炮眼的种类：掏槽眼（主）、辅助眼（辅）、周边眼（帮）。掏槽方式可分为斜眼掏槽、直眼掏槽、混合掏槽。二、隧道施工的洞内运输分为有轨运输和无轨运输三、1、隧道支护是指开挖后的洞室周边，施以钢筋混凝土等支撑物，向洞室周边提供抗力，控制围岩变形的体系。为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久支护承载结构一部分的结构层，称作初期支护。一般由锚杆、喷射混凝土、钢架、钢筋网组合而成。2、锚喷支护特点：①灵活性，②及时性，③密贴性，④深入性，⑤柔性，⑥封闭性3、锚杆是金属或其他高抗拉性能材料制作的一种杆状构件。可用机械装置和黏结介质，通过一定的施工操作，安放于地下工程的围岩或其他工程结构中。它的支护效应一般有支撑围岩、加固围岩、悬吊作用、提高层间摩阻力，形成组合梁等四种。锚杆的布置分为局部布置和系统布置。六、喷射混凝土是使用混凝土喷射机按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到一定的保护作用。它的作用有：支撑围岩、抗弯卸载、填平补强围岩、覆盖围岩表面、阻止围岩松动、分配外力。特点是：①强度增长快、黏结力强、密度大、抗渗性好；②工序少，不需模板，施工快捷简便；③能及时发挥承载作用；④密实性和稳定性相对差一些。七、监测量控的目的：①掌握围岩力学形态的变化和规律；②掌握支护结构的工作状态；③为理论解析、数据分析提供数据与对比指标；④为隧道设计与施工积累资料。一般分为应测项目和选测项目，具体见表7-5-1，P216。八、二次衬砌是在围岩与支护基本稳定后进行的，此时隧道已成型，为保证质量，应按先仰拱后墙拱，由上到下的顺序连续灌注，纵向上则需分段进行，分段长度一般为9—12m。常用的模板类型有整体移动式模板台车、穿越式分体移动模板台车、拼装拱架模板。九、当隧道较长时，为增加工作面，加快施工进度，改善施工条件（通风、排水），可选择适当的辅助导坑，如横洞、斜井、竖井和平行导坑。