土木工程概论5-隧道工程与地下工程

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1、土木工程概论-隧道工程及地下工 程 石建光 厦门大学土木工程系 隧道工程 1970年经合组织（OECD）的隧道会议对隧道所下的定义为： 以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸，修筑的断面积 大于2m2的硐室。 隧道技术，对应于修筑隧道过程的各个阶段，可以大致分为： 调查计划技术（有关地质、水文等的调查和预测、测量等）； 设计技术（指岩石力学、土力学和结构力学、材料等）； 施工技术（指开挖、运输、支撑衬砌的施工、地基改良、为改善施工条 件而采用的特殊施工方法、安全卫生等）； 运用技术（指照明、通风、维修管理、防灾等）。 隧道工程-公路隧道 公路隧道线路：公路隧道的平面线形和普通道路一样，

2、根据公路规范 要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线，如必须设 置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。 隧道净空断面的形状，即是衬砌的内轮廓形状。 隧道工程-公路隧道通风 隧道通风方式的种类很多，按送风形态、空气流 动状态、送风原理等划分如下： 一.自然通风 二.机械通风 1.纵向式 1)射流式 2)风道式和喷嘴式 3)竖井式 2.半横向式 3.横向式 4.混合式 隧道工程-公路隧道照明 隧道照明主要由入口部照明、基本部 照明和出口部照明与接续道路照明构 成。 入口照明是指司机从适应野外的高照 度到适应隧道内明亮度，所必须保证 视觉的照明。它由临界部、变动部和 缓和部的三个部

3、分的照明组成。 出口照明是指汽车从较暗的隧道驶出 至明亮的隧道外时，为防止视觉降低 而设的照明。应消除“白洞效应”，即 防止汽车在白天穿过较长隧道后，由 于外部亮度极高、引起司机因眩光作 用而感不适。 隧道工程-地铁隧道结构 地下铁道是地下工程的一种综合体。其组成包 括区间隧道、地铁车站和区间设备段等设施。 地下铁道所用设备涉及到各种不同的技术领域 。 地铁的区间隧道是连接相邻车站之间的建筑物 。 它在地铁线路的长度与工程量方面均占有较大 比重。区间隧道衬砌结构内应具有足够空间， 以供车辆通行和铺设轨道、供电线路、通讯和 信号、电缆和消防、排水与照明装置。 铁路隧道施工 地下铁道的修建方法很多

4、，概括起来有 两大施工方式，即明挖法和暗挖法。 常用的明挖法有三种： （1）敞口放坡明挖 （2）板桩法 （3）地下连续墙施工法 暗 挖 法 （1）盾构法 （2）注浆法 （3）沉管法 （4）顶管法 水底隧道 水底隧道的埋置深度是指隧道在河床下的岩土的覆盖厚度 埋深的大小，关系到隧道长短、工程造价和工期的确定。 尤其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的安全问题。设 计水底隧道的埋置深度需考虑以下几个主要因素： 1、地质及水文地质条件 2、施工方法要求 3、抗浮稳定的需要 4、防护要求 水底隧道的断面形式：圆形断面、拱形断面、矩形断面 隧道防水 1、采用防水混凝土， 2、壁后回填， 3、围岩注浆， 4

5、、双层衬砌 地球上由于海洋的存在，陆地被分割，形成不同 条件下的若干区域，并造成交通障碍及文化差异。 工程界认为：十九世纪和二十世纪是长大桥梁、高 层建筑发展的时代，而二十一世纪将是长大隧道工 程发展的时代。 u 海底隧道的历史可以说是从1802年提出英法海底 隧道设想开始的 u 1944年建成日本关门铁路隧道，是世界上第一条 海底隧道； u 日本青函隧道及英法海峡隧道是20世纪最宏伟的 隧道建设壮举。 海底隧道 1936年动工，1944年建成，是世界上第一条海底隧道 。 总长3.6km ，最深点 -40m，最小埋深9.5m，断面积 76.9 m2 日本关门（铁路）隧道 世界上第一条海底隧道

6、海底隧道的特点 （1） 通过深水进行地质勘测比在地面的地质勘 测更困难，造价更高，而且准确性较低 ； （2）沿海底隧道线路布置施工竖井困难很大 ； （3）很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效 应力，造成较低的成拱作用和地层稳定性较低； （4）很高的渗水压力，灾难性的涌水与塌方 ； （5）高水头造成衬砌承受较大的荷载 ； （6）海水对钢筋及混凝土的腐蚀作用； （7）纵剖面呈V形或W形，不能自然排水。 海底隧道施工方法 （1）钻爆法； （2）沉管法； （3）掘进机法（TBM） （4）盾构法 （4）悬浮隧道（SFT，研究中） 钻爆法（Drilling and Blasting ） u是指采用传统爆破

7、技术进行隧道开挖的施工方法，其程序 包括：钻孔、爆破、通风及岩石装运等； u钻爆法通常可适用于各类岩石地层的隧道施工； u采用钻爆法进行洞室开挖通常可分为全断面开挖法、台阶 开挖法、导洞开挖法和分部开挖法四类。通常根据具体地 质条件、洞室断面大小、支护形式、装运条件以及施工队 伍与设备条件等因素综合选择合理经济的开挖方法 。 钻爆法关键技术： u 必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地 质灾害 ；海底隧道都是处于水系之下，随时都 有可能给工程带来淹没、塌通、涌水，或形成 泥石流的危险。 u 关键是断层破碎带的支撑和加固堵水。目前国 内外通常采用的方法是强行穿越法、注浆法、 冷冻法和其他辅助方

8、法 。 采用钻爆法施工的海底隧道主要有： u日本的关门铁路隧道、关门公路隧道、新关门 隧道 u青函隧道（53.85Km） u英国的墨尔西隧道 u冰岛的毕尔海峡隧道 u挪威的各海底隧道 日本关门公路隧道（钻爆法） 陆地段断面 海底段断面 1958年，3.4km，最深点-50.1m；最小埋深：20.7m ，断面：95m2 日本新关门铁路隧道（钻爆法） 1974年，18.71km，最深点-50m；最小埋深：68.5m ，断面：74m2 标准断面 海底松软地段特殊断面 掘进机法（Tunnel Boring Mechine 简称TBM） uTBM是一种将机械破岩和出渣各工序联合作业，并连续掘进的大型工程

9、 机械 u TBM通常由电动机驱动主轴旋转，对刀盘施加一定压力，使其贴近岩 壁，通过刀盘上装设的盘形滚刀破碎岩石，使隧道断面一次成型； u 隧道掘进机有两种基本类型：部分断面掘进机和全断面掘进机； u 美国罗宾斯公司1952年生产 第一台TBM； u 目前最大直径11.2m的TBM 是美国Robbins公司制造 的，机体重约300t，功率 880kW。TBM已成为掘进岩 石隧道最有发展潜力的机械 之一 。 TBM 掘进机法（TBM） uTBM法适用范围： 通常可适用于中硬以下岩石的隧道掘进施工。北欧几国在硬岩中也 采用全断面掘进机，但需采用优质切刀； uTBM法的优点： l 具有掘进快速、经济

10、、安全、岩层适应性好等技术特点； l 可精确地切割地层，超挖量一般不超过5%； l 不扰动地层，可提高作业面的稳定性。 u采用TBM法施工的海底隧道： l 英法海峡隧道（49Km） l 香港地铁中环线海底隧道，地铁将军澳线海底隧道 掘进机法（TBM）关键技术： （1）掘进机的定制 ；应根据海底的地质条件，主要是掘进工 作面前方的不良地质情况以及涌水、岩石稳定性等，断面形式 、TBM的配套设备等因素来定制掘进机。 （2）超前地质钻探； （3）局部降水； （4）测量定向的准确性； （5）隧道衬砌：必须能抵抗地层和水的荷载以及隧道掘进机 推力，便于机械手装配衬砌 ，抗海水侵蚀 耐久性； 英法海峡隧道

11、的建成向人们展示了TBM技术发展所取得的 显著成就。 盾构法(Shield Mechine） u 盾构机是在软土、软岩和破碎含水地层中修建隧道时，进行开挖和衬砌 的一种专用机械设备； u 盾构机主体部分是 一可移动的高强度 钢套壳。在隧道掘 进时，钢套壳插入 土内，在永久衬砌 施作之前用以支撑 隧道四周的地层， 以保证永久衬砌的 施工而免去临时支 撑。 u 盾构外壳断面一般 为圆筒形，也有按 隧道实际需要作成 异形断面的； 盾构法 u盾构法适用范围： 盾构法一般限制在港湾下的浅水区和沿海地带的软土地层施工，在 深堆积层等软弱的不透水粘土中最为适用； u盾构法的优点： l在盾构机械内进行开挖和衬

12、砌（安装预制管片），作业安全； l机械化程度高，施工人员少，进度快。 盾构法关键技术： (1)盾构机的选择； (2)掌子面的稳定； (3)防水技术：包括地层及衬砌壁后压浆防水，衬砌结构本身 及其接缝的防水，内衬防水； (4)隧道衬砌安装：初衬一般为装配式钢筋混凝土管片，二衬 一般是用于补强、加强防水或装饰等目的； (5)背衬注浆：目的是防止围岩松动并提高防水性；施工时应 控制好注浆压力、注浆量和注浆材料质量。 盾构法 u 国外盾构已有180余年的发展历史，19世纪初，世界上第一次 用盾构法修建了伦敦泰晤士河下的一条高6.8m、宽11.4m的 矩形隧道。 u采用盾构法施工的海底隧道： l 日本德

13、山港海底隧道 l 东京湾横断公路隧道 l 丹麦大海峡隧道 日本东京湾横断公路隧道（盾构法） u 9.1Km，1998年建成，是目前世界上最长的海底公路隧道； u 该隧道共设三孔，每孔外径13.9m、三车道，其中二孔于1996年修建完 成，第三孔留待将来施工 ； u 隧道由8台直径14.14m的超大型泥水式土压平衡盾构在海底地层中穿越 和对接。该盾构机长13.5m，重3200t； 地质：隧道区段主要是 软弱的冲积、洪积粘性 土层（N值仅在012） 丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 （盾构法） 海底铁路隧道 （7.9Km） 斯多贝 尔特桥 海底隧道 主航道 u丹麦斯多贝尔特大海峡 隧道是跨海工程的一部分

14、丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 （盾构法） u7.9Km，由两条外径8.5m的铁路隧道组成，采用4台直径8.78m的混合 型土压平衡盾构机施工； u隧道最大埋深75m，穿越的地层为冰碛和泥灰岩，均为含水层，渗透水 量大，工程中曾发生了涌水险情，采用了海底井管降水、冷冻、气压等 辅助施工方法加以处理； u1996年建成，积累了宝贵的海底隧道施工经验 。 冰碛和泥灰岩地层，均为含水层 丹麦斯多贝尔特大海峡隧道 盾构法施工 4台混合型土压平衡盾构机，直径 8.78 m，长10m 管片装配式衬砌 沉管法 p将若干个预制管段分别浮运到海面现场，并一节接一节地 沉放安装在已疏浚好的基槽内； p自1910年美国在

15、底特律河修建第一座沉管隧道，至今已建成 100多座，最长的5.8km； 预制单 元 开槽 沉放单元 沉管法 p 沉管隧道的结构形式有钢结构和钢筋混凝土结构两大类，钢 结构一般为圆形断面，钢筋混凝土一般为矩形断面； p 我国修建沉管隧道起步较晚，已建成有广州珠江隧道、宁波 甬江隧道、上海黄埔江隧道、香港维多利亚港2座海底沉管 隧道等 混凝土沉管欧洲 日本还修建了复合断面的沉管隧道 钢套沉管美国 沉管法修建工序 沉管拖运 开挖基槽预制管段 沉管沉放 沉管联结 沉管填埋 隧道内部工程 沉管法修建工序 1.1 开挖江底/海底沉槽 Dredging 挖槽 运输沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建

16、工序： 1.2 沉管单元预制 预制单元 Element Fabrication 预制场（干船坞） Casting Basin 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序： 2.沉管单元拖运至隧道现场 暂时密封单元两端 成可漂浮体 驳船浮运沉管单元 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序： 3. 沉管单元沉放 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉放单元 Immersion 人孔 沉管法修建工序： 4. 联结沉管单元 单元联结 Element connection GINA橡胶伸缩缝 抽干水 平衡水箱 拆除临时隔板 沉管法修建工序： 5. 填埋沉管单元 填埋沉管 Bedding and Backfilling 拖运沉放联结填埋内部工程 挖槽 预制 沉管法修建工序： 6. 隧道内部工程 q 路面铺装 q 机电附属设施。 沉管法的优点： p其对地质条件的适应性强； p隧道的覆盖层薄，从而使隧道总长度减小，隧