隧道工程技术.ppt

隧道工程 合肥工业大学道路与桥梁工程系2011年7月 第1章隧道工程绪论 1 1隧道的定义通常指用作地下通道的工程建筑物 1970年 OECD 世界经济合作与发展组织 隧道会议从技术方面给隧道定义 以任何方式修建 最终使用于地表以下的条形建筑物 其内部空洞净空断面在2m2以上者均为隧道 什么是隧道 1 2隧道工程的发展概况 原始时代即人类的出现到纪元前3000年的新石器时代 是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时代 隧道是用兽骨等工具开挖 修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中 远古时代从纪元前3000年到5世纪 是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代 这个时代隧道的开发技术形成了现代隧道开发技术的基础 例如 古埃及金字塔的建设就开始修建了地下建筑 纪元前2200年间的古代巴比伦王朝为连结宫殿和神殿而修建了约1km长的隧道 断面为3 6 4 5m 施工期间将幼发拉底河水流改道 采用明挖法建造 该隧道是一种砖砌建筑 中世纪时代约从5世纪到14世纪的1000年左右 这个时期正是欧洲文明的低潮期 建设技术发展缓慢 隧道技术没有值得一提的进步 但由于对地下矿产资源铜 铁等的需求 开始了矿石开采 近代和现代即从16世纪以后的产业革命开始 这个时期由于炸药的发明和应用 加速了隧道技术的发展 如有益矿物的开采 灌溉 运河 公路和铁路隧道的修建以及随着城市的发展修建地下铁道 上下水道等 使得隧道的技术得到极大的发展 其应用范围迅速扩大 1 3隧道技术的发展与成就 据现有资料记载 我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的 石门 隧道 建于公元66年 是供马车和行人通行的 世界上最早的隧道是公元前2200年 巴比伦国王为连结宫殿而修建的隧道 测量技术的出现 推动了隧道技术的进步 人们利用棚架支撑岩层和卷扬提升土石 从两端洞口开挖隧道 数量较多的各种用途的隧道和水工隧道开始增多 14世纪发明了火药 推动了隧道技术发展 1679年用于法国拉恩开得克运河隧道开挖 获得极大成功 隧道挖掘技术得到飞速的发展 19世纪的产业革命 隧道开挖出现了各种新方法 迎来了近代隧道开挖技术的新曙光 1818年布鲁内尔 Brune1 发明了盾构 意大利物理学家欧拉顿 Erardon 提出以压缩空气平衡软弱地层涌水压力 防止地层坍塌的方法后 英国的科克伦 Co Chrane 利用这个原理发明用压缩空气开挖水底隧道的方法 新中国成立以来 为改变国家的经济布局 发展内地和山区的经济 先后修建了数十条隧道比重较大的山区铁路 使得我国在铁路隧道的数量和施工技术上都有了较大发展 逐渐掌握了隧道建筑的近代技术 从人力为主体的施工转向以机械开挖为主体的施工 技术上有了质的飞跃 1979年开始正式推广新奥法 我国公路隧道的建设发展相对迟缓 近几年由于高速公路建设的加快 公路隧道的数量已开始成倍的增长 据不完全统计 到1999年底 我国已建成的公路隧道达1217座 单洞总延长超过406km 隧道名称隧道长度 m 营运条件大溪岭隧道4100双向 双车道二郎山隧道4160单向 双车道华莹山隧道4770单向 双车道鹧鸪山隧道4400单向 双车道木鱼槽隧道3600双向 双车道八达岭隧道3455双向 双车道真武山隧道 重庆 3100单向 双车道中梁山隧道 重庆 3165单向 双车道牛郎河隧道3920单向 双车道猫狸岭隧道3600单向 双车道秦岭终南山隧道18100双洞 单向 双车道 目前世界上已建成公路隧道 最长的瑞士16 918km的圣哥达隧道 而挪威正在修建的Aurland Laerdal公路隧道 长度达24 5km 世界上长大公路隧道的概况列于表1 2 其中通过阿尔卑斯山最高峰下连接法国和意大利的勃朗峰 Mt Blance 隧道 全长11 6km 道路宽7 0m 从顶板到路面高6m 断面呈马蹄形 衬砌厚80cm 法国侧入口标高为1274m 意大利侧标高为1381m 最大埋深约2500m 双车道相向运行 最高限速为80公里 小时 1959年开工 1965年开始运营表1 2世界各国已建成和在建的长度大于10km的公路隧道 1 4隧道的分类及其作用1 按用途分 常用分类方法 1 交通隧道 提供运输的孔道和通道 主要有 铁路隧道 公路隧道 水底隧道 地下铁道 人行地道 什么是隧道 什么是隧道 2 水工隧道 是水利工程和水利发电枢纽的一个重要组成部分 主要包括 引水隧道 把水引入水电站发电机组产生动力资源 尾水隧道 把发电机组排出的废水送出去的隧道 导流隧道 泄洪隧道 疏导水流排沙隧道 用于冲刷水库中淤积的泥沙而修建的隧道 什么是隧道 水工隧道 什么是隧道 3 市政隧道 是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道 主要有 给水隧道 污水隧道 管路隧道 线路隧道 人防隧道 例如 综合管网 海底设施隧道等 4 矿山隧道 其作用主要是为采矿服务的 主要有 运输巷道 给水隧道 通风隧道 地下电缆隧洞 隧洞开挖图 什么是隧道 2 按隧道长度分 公路隧道规范 1 特长隧道 L 3000m 2 长隧道 3000m L 1000m 3 中长隧道 1000m L 500m 4 短隧道 L 500m 3 按断面面积分 1 特大断面隧道 断面积在100m2以上 2 大断面隧道 断面积在50 100m2之间 3 中等断面隧道 断面积在20 50m2之间 4 小断面隧道 断面积20m2以下 4 按隧道所处的地理位置划分 山岭隧道水底隧道城市隧道 隧道是交通线上的重要组成部分 是国家重要的基础设施 重要性 1 5隧道在交通建设中有哪些作用 快速畅通的交通网是经济发展的前提 低等级公路已不适应高速经济发展的需要 必要性 隧道使公路里程大大缩短 目前我国高速公路相对较少 与我国人口 经济发展相比 太少 社会经济发展 交通必先行 紧迫性 1 6隧道的力学特点 隧道工程的隐蔽性 隧道的特点 隧道工程的施工环境差 隧道的特点 隧道工程的大量涌水 隧道的特点 隧道结构构造 主体构造物 附属构造物 洞身衬砌 洞门构造物 洞身衬砌的平 纵 横断面的形状由道路隧道的几何设计确定 衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定 明洞 通风 照明 排水 消防 通讯等 1 7洞身衬砌 1 洞身衬砌的类型 2 支护结构 衬砌结构形式 主要根据地质地形条件 考虑结构受力的合理性 施工方法等因素来确定 1 7 1衬砌结构的类型 1 直墙衬砌 2 曲墙式衬砌 3 喷锚衬砌 4 复合衬砌 5 偏压衬砌 6 喇叭口衬砌 7 圆形断面衬砌 8 矩形断面衬砌 1 直墙式衬砌 适用条件 垂直围岩压力为大 水平围岩压力小的情况下 一般适用于 级围岩 有时也可用于 级围岩 割圆拱 r1 r2 坦三心圆拱 r1 r2 尖三心圆拱 r1 r2 2 曲墙式衬砌 适用条件 通常用在 级以下的围岩水平压力较大的情况下 3 喷混凝土衬砌 喷锚衬砌及复合式衬砌 4 偏压衬砌当山体地面坡陡于l 2 5 线路外侧山体覆盖较薄 或于地质构造造成的偏压 衬砌为承受这种不对称围岩压力而采用 5 喇叭口隧道衬砌 6 圆形断面隧道 为了抵御膨胀性围岩压力 山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面 盾构法沉管法施工的隧道 7 矩形断面衬砌沉管法 明挖法施工时 广泛采用矩形断面衬砌 初期支护 一次支护 木支撑 型钢支撑 格栅支撑 锚喷支护等 永久支护 二次支护 二次衬砌 整体衬砌 复合式衬砌 拼装衬砌及锚喷衬砌等4种 1 7 2支护结构 初期支护结构 永久支护结构 1 8 1洞门的概念及其作用 洞门的概念 洞门是隧道两端的外露部分 也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构 洞门的主要作用 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定 汇集在洞口附近的仰 边坡上的地表水 并引离隧道 减少洞口土石方开挖量 作为隧道的标志性建筑物 应与隧道的规模 使用特性以及周围建筑物 地形条件等要相协调 1 8洞门 1 8 2洞门的形式 1 端墙式洞门 2 翼墙式洞门 3 环框式洞门 4 台阶式洞门 5 遮光棚式洞门 1 端墙式洞门 2 翼墙式洞门 3 环框式洞门 削竹式洞门 4 台阶式洞门 5 遮光棚式洞门 端墙式洞门 柱式洞门 台阶洞门 翼墙式洞门 柱式路堑明洞隧道门 翼墙式路堑明洞隧道门 半路堑偏压明洞隧道门 半路堑单压式明洞隧道门 削竹式隧道门图2 高速公路削竹式隧道门 1 仰坡坡脚至洞门端墙顶帽背的水平距离 一般不小于1 5m 2 洞门端墙顶宜高出仰坡坡脚不小于0 5m 3 洞门端墙与仰坡之间水沟沟底至衬砌拱顶外缘的高度 一般不小于1m 4 一般隧道门端墙 翼墙 挡土墙设计为仰斜式墙身时 墙背坡度不宜缓于1 0 3 1 8 3洞门的构造要求 1 8 3洞门的构造要求 5 洞门端墙 翼墙和挡土墙截面厚度应满足规范要求 6 洞门端墙 翼墙和挡土墙应根据情况设置伸缩缓和沉降缝 7 洞门翼墙和挡土墙身应设置泄水孔 洞门的构造要求 1 8 4洞门的基础 1 洞门端墙 翼墙 挡土墙基础必须置于稳固地基上 基底松碴应清除干净 以防止滑动和不均匀沉陷 2 在松软地基上设置基础 当地基承载力不足时 可结合具体条件采取换填 扩大基础 桩基 地基加固等措施 3 基础埋置深度 1 洞门端墙 翼墙 挡土墙基础应埋入路基面以下一定深度 土质地基埋置深度不应小于1米 且应符合基底应力的要求 2 洞门端墙嵌入路堑边坡的深度根据坡度不同取值30 50厘米 3 在洞门端墙厚度范围内的洞口衬砌基础埋置深度 应与端墙基础相同 4 为保证洞门稳固和施工方便 衬砌边墙外侧的洞门端墙基础宽度一般不小于0 5m 5 当墙基础砌筑在稳定坚硬的基岩斜坡上时 基础可切割成台阶状 4 当洞门挡 翼 墙受滑动控制时 可采用倾斜基底或凸形基底等防滑措施 基底倾斜度 土质地基一般不大于0 2 1 稳定岩石地基不大于0 3 1 5 检算倾斜基底稳定时 除检算沿基底的滑动稳定外 尚应检算沿地基上层的水平剪切应力 1 8 5洞门施工要求1 洞门宜尽早修建 并尽可能避免在雨季施工 洞门修筑前应作好洞口及仰坡周围的排水 截水设施 以保护边 仰坡的稳定 2 当洞口边 仰坡土石有剥落可能时 坡面应清理并予以防护 3 洞门端墙厚度范围内的结构 应与洞口环节衬砌采用同一材料整体灌筑 4 翼墙和洞口挡土墙应与端墙同时砌筑 当翼墙需分段修建时 其墙身应留施工缝 并应检算施工状态稳定性 5 洞门端墙 翼墙 挡土墙墙身砌出地面后 基坑必须及时回填夯实 顶面作成不小于4 的排水坡 1 8 6洞门的结构计算隧道洞门计算原理及方法 洞门是支挡洞口正面仰坡和路堑边坡的结构物 洞门视为墙背承受土压力的挡土墙结构 根据挡土墙理论设计 端墙式洞门可按计算挡土墙的方法分别核算如图所示A B C D E F G各不同墙高截面的稳定性和强度 以此决定端墙的厚度和尺寸 翼墙式洞门与端墙式洞门一样 也可采用分条方法取条带计算 在计算端墙时 应考虑翼墙对端墙的支撑作用 洞门墙的主要检算规定 1 9明洞 1 9 1概述什么是明洞 采用明挖法修筑的隧道结构 明洞特点 地面建筑地下建筑 明洞要求 符合地形 地质 经济 安全 施工难易等条件 1 路堑对称型 适用于洞顶地势平缓 路堑两侧地质条件基本相同 2 路堑偏压型 适用于两侧山坡高差较大的路堑 高侧边坡有坍塌 落石或泥石流 3 半路堑偏压型适用于半路堑靠山侧边坡较高 有坍塌 落石或泥石流等不良地质现象 而外侧地面较宽敞和稳定 4 半路堑单压型适用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌 落石等情况 外侧地形陡峻无法填土地段 1 9 2棚式明洞 当山坡坍方 山体侧压力不大 或因受地质 地形条件的限制 难以修建拱形明洞时 可采用棚式明洞 棚式明洞顶板为梁式结构 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式 通常有墙式 刚架式 柱式和悬臂式等棚式明洞 1 墙式棚洞 2 刚架式栅洞外墙结构为连续框架 对地基承载力要求较高 3 柱式棚洞外墙为独立柱和纵梁方式 结构简单 预制吊装方便 但整体性较差 4 悬臂式棚洞当山坡较陡 坡面有少量落石 且外侧地基不良或不宜设基础时 可采用悬臂式棚洞 1 9 3明洞基础 明洞边墙基础必须置于稳固的地基上 施工应符合下列要求 1 偏压和单压明洞外边墙的基底 在垂直路线方向宜向内挖成0 1 1的斜坡 提高边墙抗滑力 2 当地基松软时应采取增加承载力的措施 3 基础开挖应核对地质条件 当挖至设计高程仍不符合设计要求时应上报有关方面处理 4 基础混凝土灌注前必须排除坑内积水 并对基底进行固化处理 边墙基础应采用与边墙同级混凝土一次浇筑 1 9 4明洞填土 明洞回填施工应符合下列要求 1在拆除外模后应立即做好防水层及纵向盲沟 保证排水通畅 2墙背回填应两侧对称进行 石质地层中墙背与岩壁空隙不大时 用与墙身同级混凝土回填 3墙后排水设施应与回填同时施工 并保证能使渗水顺畅排出 4拱圈混凝土达到设计强度且由人工夯实回填至拱顶以上1m以前 不得采用机械回填 5拱背回填应对称分层夯实 每层厚度不得大于0 3m 两侧回填的土面高差不得大于0 5m 回填至拱顶齐平后应分层满铺填筑 抗滑明洞 支撑锚杆明洞 1 10竖井与斜井 为什么设置竖井或斜井 作用1 增加开挖工作面 作用2 通风需要 1 10 1竖井 1竖井位置的选择竖井与主坑道的衔接方式3竖井断面内部空间布置 竖井示意图 竖井的构成 竖井断面形式 矩形竖井 圆形竖井 斜井设置 1 10 2斜井 1 11隧道内装 噪声消减 路面及防排水 1 内装修 2 路面 3 噪声消减 4 防排水 1 11 1隧道内装修为确保行车安全 在隧道中必须采取措施 使墙面亮度在长期的运营中保持较好水平 墙面须用适当的材料加以内装处理 其作用如下 改善隧道内环境 起诱导作用 提高墙面的反射率 增强照明效果 吸收噪音 常用的隧道内装修材料 块状混凝土材料 饰面板 镶板等质地致密材料 瓷砖镶面材料 油漆材料 隧道内装材料应具有如下性质 耐火性 在高温条件下仍能维持原状 不燃烧 不分解有害成分等 耐蚀性 长期在油垢及有害气体下不变质 不怕水 大多数隧道都存在漏水问题 在水的浸泡下 在潮湿环境中不变质 不霉烂 材料来源广泛 价格相对便宜 能吸收噪音 颜色淡 易清洁 具有阻燃性 1 11 2隧道路面 路面材料主要有两种 砼和改性沥青 路面材料应具备如下性能 路面材料应具有抵御水冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力 应具有较高的抗侧滑的能力 抗裂性 耐久性 容易修补 路面与车道分隔线等交通标志之间应保证有明显的亮度对比和鲜明的颜色对比 路基应具有足够的承载力 尤其要求在有丰富地下水的条件下也能满足要求 要求有良好的排水设施 1 11 3噪声消减 隧道内噪声水平应保持在60分贝以下 隧道内采取的措施 内装材料的制作 墙面材料的制作 路面材料的制作 利用原理 声波的反射原理 洞外防排水措施 1 11 4隧道防排水 洞内防排水措施 隧道防排水应视水文地质条件因地制宜地采取 以排为主 防 排 截 堵相结合 的综合治理原则 达到排水通畅 防水可靠 经济合理 不留后患的目的 隧道防排水原则 对地表水 地下水应采取妥善的处理 使洞内外形成一个完整的畅通的防排水系统 隧道防排水要求 一般公路隧道应做到 1 拱部不摘水 边墙不滴水 2 路面不冒水 不积水 设备箱洞处不渗水 3 冻害地区隧道衬砌背后不积水 排水沟不冻结 汽车专用公路隧道则应达到 拱部 墙部及设备箱洞处均不渗水 1 洞外防排水措施 A 地表处理B 洞顶天沟截水C 明洞顶防排水D 洞门排水E 洞内外水沟衔接 2 洞内防排水措施 排水措施a 洞内排水沟b 衬砌背后盲沟c 泄水洞或洞外井点降水d 中心排水沟或路侧排水沟 2 洞内防排水措施 防水措施a 防水板b 喷膜防水层c 混凝土自防水 2 洞内防排水措施 堵水措施a 喷射混凝土堵水b 塑料板堵水c 注浆堵水d 模注混凝土衬砌堵水 无钉铺设塑料防水板 铺设防水板时锚杆头部的处理 隧道注浆 施工缝防水的构造形式见图4 1 21 高聚物改性沥青防水卷材的主要物理