地下空间大洞室和隧道工程建设

1、2021/8/61地下空间大洞室和隧道工程建设周丰峻 院士二一年十一月五日十四届土木工程学会暨地下工程第十六届隧道年会十四届土木工程学会暨地下工程第十六届隧道年会2021/8/62 发展深地下大跨度地下空间已经成为当前的发展深地下大跨度地下空间已经成为当前的紧迫任务，需要借鉴国外。紧迫任务，需要借鉴国外。 法国著名大跨度地下空间与隧道建设学者法国著名大跨度地下空间与隧道建设学者Dufaut进行了很多重大地下空间洞室的设计和发进行了很多重大地下空间洞室的设计和发展规划，对法国的地下工程发展和隧道建设有很展规划，对法国的地下工程发展和隧道建设有很多重大贡献。巴黎至里昂的地下铁路隧道，就是多重大贡献

2、。巴黎至里昂的地下铁路隧道，就是在他规划设计指导下完成的。在他规划设计指导下完成的。2021/8/63 1986年，年，Duffaut给出了大洞室研究的一个给出了大洞室研究的一个小结。地下采矿开挖的空间，很多洞室会长期保小结。地下采矿开挖的空间，很多洞室会长期保持稳定和安全。这是因为任何地下洞室的设计都持稳定和安全。这是因为任何地下洞室的设计都要广泛的了解地质学和岩石力学建造的。为了实要广泛的了解地质学和岩石力学建造的。为了实现安全和经济，岩石洞室必须和岩石大容积结构现安全和经济，岩石洞室必须和岩石大容积结构以及原位应力场相协调。地质条件选得好可以提以及原位应力场相协调。地质条件选得好可以提供

3、矿产和石油资源存储，同时也能提供有价值的供矿产和石油资源存储，同时也能提供有价值的大洞室的场所。大洞室的场所。 2021/8/64 很多采矿洞室，都要求做一定的支护，因为很多采矿洞室，都要求做一定的支护，因为所有的深地下洞室都面对高地应力问题。很早以所有的深地下洞室都面对高地应力问题。很早以前，采矿工程师在比较差的地层和处理高地应力前，采矿工程师在比较差的地层和处理高地应力的实践过程中发展了支护技术。的实践过程中发展了支护技术。 城市规划中大洞室在欧洲的发展比浅埋结构城市规划中大洞室在欧洲的发展比浅埋结构发展更快。如果在山体中开挖，城市的洞室将更发展更快。如果在山体中开挖，城市的洞室将更有现实

4、意义。山地城市和平原城市相比较更容易有现实意义。山地城市和平原城市相比较更容易实现大洞室的计划。实现大洞室的计划。 2021/8/65 中微子是很轻很小的粒子，以光速进行运动。中微子是很轻很小的粒子，以光速进行运动。可以运用中微子闪光法进行检测，中微子闪光是可以运用中微子闪光法进行检测，中微子闪光是和透明液体原子相撞击时发射出来的。为了减小和透明液体原子相撞击时发射出来的。为了减小宇宙射线产生的干扰，洞室必须尽可能合理开挖宇宙射线产生的干扰，洞室必须尽可能合理开挖的深一些。最近几十年，各国建立了地下实验室，的深一些。最近几十年，各国建立了地下实验室，利用深部采矿施工设施，或者是通过现有的高山利

5、用深部采矿施工设施，或者是通过现有的高山交通隧道进行中微子检测的科学研究。交通隧道进行中微子检测的科学研究。2021/8/66 大空间自然洞室是在喀斯特溶岩里产生的，大空间自然洞室是在喀斯特溶岩里产生的，最大的是在马来西亚最大的是在马来西亚Sarawak邦，洞室宽邦，洞室宽400m、长长600m、高、高150m，没有任何柱子支撑。所有的，没有任何柱子支撑。所有的自然洞室都相对比较浅。在层状岩体中，很多洞自然洞室都相对比较浅。在层状岩体中，很多洞室顶部是平坦的，跨度小于室顶部是平坦的，跨度小于100m。 自然洞室提供了超大型人工洞室设计的依据，自然洞室提供了超大型人工洞室设计的依据，有些洞室偶尔

6、表现出坍塌的迹象，但绝大多数洞有些洞室偶尔表现出坍塌的迹象，但绝大多数洞室表现出了长期的稳定性。室表现出了长期的稳定性。 2021/8/67 芬兰的芬兰的Tytyri矿山的花岗岩层里包含有石灰岩，矿山的花岗岩层里包含有石灰岩，达到达到100m的跨度，大型的四面体空间仍然保持稳的跨度，大型的四面体空间仍然保持稳定。岩盐的案例中其形状受溶解过程的控制，在定。岩盐的案例中其形状受溶解过程的控制，在一个开采井产生的洞室，用于油气存储可以达到一个开采井产生的洞室，用于油气存储可以达到人工大洞室的体积，高达人工大洞室的体积，高达200万立方米（万立方米（35米直径，米直径，800米高）。米高）。 （1）地

7、下采矿洞室）地下采矿洞室2021/8/68 工业洞室按照用途划分为：地下火车站、工业洞室按照用途划分为：地下火车站、地下电站、地下仓储。在地下电站、地下仓储。在20世纪，全世界已世纪，全世界已经开挖了数百个地下水电站厂房，很多水电经开挖了数百个地下水电站厂房，很多水电厂房具有曲墙的形状，因为设计者担心跨度厂房具有曲墙的形状，因为设计者担心跨度问题而不采用高直墙结构，他们设想建造一问题而不采用高直墙结构，他们设想建造一个大空间时要抵抗重力的影响。个大空间时要抵抗重力的影响。 （2）工业洞室）工业洞室2021/8/69 1993年为了迎接冬季奥林匹克运动会在挪年为了迎接冬季奥林匹克运动会在挪威建成

8、威建成Gjovik滑冰场，这项设计是为了会后进滑冰场，这项设计是为了会后进行标准核电厂的可行性论证（行标准核电厂的可行性论证（61米跨度，米跨度，25米米高，高，91米长，米长，16.5万立方米）。冰场可以提供万立方米）。冰场可以提供5800个座位，挪威是把小型核电厂放到在个座位，挪威是把小型核电厂放到在Halden洞室的第一家。洞室的第一家。 2021/8/610 1940年，建立了第一个供存储用的军事燃年，建立了第一个供存储用的军事燃料的洞室。起初，标准的钢制箱体密封在洞室料的洞室。起初，标准的钢制箱体密封在洞室里，在夏威夷檀香山用，随后在阿尔及利亚，里，在夏威夷檀香山用，随后在阿尔及利亚

9、，法国设计了预应力混凝土圆筒形体结构。在同法国设计了预应力混凝土圆筒形体结构。在同一时间，瑞典采用临近港口的矿坑来储藏天然一时间，瑞典采用临近港口的矿坑来储藏天然石油，它的不透油性是由四周的海水所提供的。石油，它的不透油性是由四周的海水所提供的。从那时起，已经建造了数百个洞室。从那时起，已经建造了数百个洞室。 当石油储量超出当石油储量超出4万立方米时，地下洞室万立方米时，地下洞室比地上便宜。比地上便宜。 2021/8/611 应变控制是释放超高应力的通用方法。岩应变控制是释放超高应力的通用方法。岩柱和顶部之间常有超应力问题出现，他们采用柱和顶部之间常有超应力问题出现，他们采用密排钻孔的方法避免

10、岩石剥离，减小局部的超密排钻孔的方法避免岩石剥离，减小局部的超应力。这种方法也可以通过可压缩的软被覆层应力。这种方法也可以通过可压缩的软被覆层来获得，或在岩体和被覆之间形成一个可闭合来获得，或在岩体和被覆之间形成一个可闭合的初始空间。的初始空间。2021/8/612 在公路隧道里，奥地利的在公路隧道里，奥地利的Muller教授采用教授采用了喷射混凝土支护拱顶的方法；在瑞士深地下了喷射混凝土支护拱顶的方法；在瑞士深地下隧道建设过程中，隧道建设过程中，Kalman教授在被覆中采用教授在被覆中采用可压缩的泡沫混凝土的办法，达到了释放高应可压缩的泡沫混凝土的办法，达到了释放高应力的目的。力的目的。 挪

11、威的工程人员在直径挪威的工程人员在直径50米以上的大洞室米以上的大洞室上方设置小廊道消除水平应力。同样的在大洞上方设置小廊道消除水平应力。同样的在大洞室的四周采用小的隧道进行径向截断，取决于室的四周采用小的隧道进行径向截断，取决于岩体的特性，这些小的隧道群可能有闭合作用，岩体的特性，这些小的隧道群可能有闭合作用，如果进入完全塑性区，这种应力控制方法更有如果进入完全塑性区，这种应力控制方法更有效。效。2021/8/613 1993年年5月落成的挪威月落成的挪威Gjovik滑冰场，是在滑冰场，是在城市背面花岗岩山体中挖掘的。场地还伴随有城市背面花岗岩山体中挖掘的。场地还伴随有很多小型的洞室，电话接

12、转站和安全服务站以很多小型的洞室，电话接转站和安全服务站以及游泳池。洞室拱顶及游泳池。洞室拱顶61米宽，岩石覆盖层厚度米宽，岩石覆盖层厚度小于跨度，大约为小于跨度，大约为25到到50米。在工程施工中发米。在工程施工中发现岩石的质量很好，仅有的支护是纤维混凝土现岩石的质量很好，仅有的支护是纤维混凝土喷射层，喷射层，15cm厚加上厚加上6m的钢锚杆，间距的钢锚杆，间距2.5m。 2021/8/614 摩纳哥是个很小的独立的公国，介于法国摩纳哥是个很小的独立的公国，介于法国和地中海之间，距离意大利很近。它的面积大和地中海之间，距离意大利很近。它的面积大约约3平方公里，这个城市充分利用地下空间，平方公

13、里，这个城市充分利用地下空间，很多摩纳哥地下工厂是建在山坡下的。具有山很多摩纳哥地下工厂是建在山坡下的。具有山地城市由于其山体内部的空间容量大而具有许地城市由于其山体内部的空间容量大而具有许多优势：排水可以靠重力驱动，通风也是如此。多优势：排水可以靠重力驱动，通风也是如此。汽车也可以不必发动而走出洞外。汽车也可以不必发动而走出洞外。2021/8/615摩摩纳纳哥哥大大洞洞室室2021/8/616 日本的设计方案是两个平行隧洞，卵日本的设计方案是两个平行隧洞，卵形断面长度形断面长度250m，是采用断面分区凿岩爆，是采用断面分区凿岩爆破方法施工的，为了避免出现超高地应力破方法施工的，为了避免出现超

14、高地应力破坏作用做了双层被覆结构；日本和瑞典破坏作用做了双层被覆结构；日本和瑞典设计的用混凝土浇筑小廊道作围岩支护。设计的用混凝土浇筑小廊道作围岩支护。2021/8/617日本提出的两条平行隧洞施工方案日本提出的两条平行隧洞施工方案2021/8/618洞室开挖前支护方案（瑞典）洞室开挖前支护方案（瑞典）洞室开挖前支护方案（日本）洞室开挖前支护方案（日本）2021/8/619通过洞室上方的小廊道控制高水平应力（瑞典专利通过洞室上方的小廊道控制高水平应力（瑞典专利Selmer）2021/8/620 挪威大跨度隧洞的高水应力问题采用挪威大跨度隧洞的高水应力问题采用洞室上部锚杆支护和廊道卸压的方法得以

15、洞室上部锚杆支护和廊道卸压的方法得以解决。解决。 综上所述，借鉴国外大洞室开挖的方综上所述，借鉴国外大洞室开挖的方法，实现我国关于地下大洞室的创新结构法，实现我国关于地下大洞室的创新结构形式是完全可行的。形式是完全可行的。2021/8/6212021/8/622The Man Wan hydroelectric station is located on the middle reaches of the Lan Cang River in Yun Nan province.2021/8/623Collapse of slope happened seriously. We had reinf

16、orced the slope of mountain and had completed it within 3 months. 2021/8/624Prestressed anchors of 6001200KN, 30-35m length was used by us with 2 times grouting.2021/8/625Holes diameter of 250mm and depth of 70m. Drilled by CM351 drilling machine.2021/8/626Anchor of 600T is installing into hole on w

17、orksite. 2021/8/627Tension of anchor of 6000KN2021/8/628采用特制除渣工具配合CM351钻机采用CM351 钻机可以钻直径250毫米深70米钻孔2021/8/629（2）云南大朝山和柴石滩水电站）云南大朝山和柴石滩水电站 云南大朝山水电站的地下厂房建设跨度云南大朝山水电站的地下厂房建设跨度26m、高度高度52m，其建设空间断面设计和小浪底基，其建设空间断面设计和小浪底基本一致。山岩地质条件很差，大体上和小浪本一致。山岩地质条件很差，大体上和小浪底的含泥夹层沙砾岩类似，整体稳定性不足，底的含泥夹层沙砾岩类似，整体稳定性不足，极易产生崩落和坍塌

18、。极易产生崩落和坍塌。2021/8/630主厂房高62.3m，洞跨26m设计锚索496根,工作荷载2000KN2021/8/631The designed prestress of anchors are 1000KN, anchor of 3540m long amount to 426. Blocks of concrete and reinforced concrete beams enhance the combination between anchors. 2021/8/632 （4）全长防护锚索的结构材料l 全长防护锚索是一种具有全长防护性能的双层保护自由锚索，它比普通的自由锚索

19、多一道全长设置的PVC波纹管防腐层。2021/8/633在目前国内的实践中，锚索结构与材料包括钢绞线、波纹管、内隔离架、对中支架。2021/8/634 全长注浆锚索属于自由锚索。其主要特点是使全长注浆锚索属于自由锚索。其主要特点是使用可传力强化塑料波纹管，虽然仍属拉力型锚索，用可传力强化塑料波纹管，虽然仍属拉力型锚索，但由于波纹管和锚索包裹体的双层保护作用可以但由于波纹管和锚索包裹体的双层保护作用可以防锈防锈50年。年。 在施工工艺中解决了接头刚性连接和钻孔准在施工工艺中解决了接头刚性连接和钻孔准直度高要求问题。直度高要求问题。2021/8/635After installinginnovat

20、ive correctJoint adapter, thedrilling precisionwas improvedgreatly and its angledeviation was less than 2. 2021/8/636 （1） 分散压力型锚索，目前已在全国得到广分散压力型锚索，目前已在全国得到广泛普及。锚索注浆凝结后的长期受力状态是压力，泛普及。锚索注浆凝结后的长期受力状态是压力，从而避免了混凝土砂浆受拉致裂渗入水的腐蚀作从而避免了混凝土砂浆受拉致裂渗入水的腐蚀作用。结构工作特点是有端板承受拉力，并将力传用。结构工作特点是有端板承受拉力，并将力传递给四周围岩。压力型锚索经过分散

21、后，张拉传递给四周围岩。压力型锚索经过分散后，张拉传力作用过程得到优化，使孔洞围岩受力趋向均匀。力作用过程得到优化，使孔洞围岩受力趋向均匀。我国压力分散型锚索是同日本韩国同步发展合作我国压力分散型锚索是同日本韩国同步发展合作研究的结果，但是应用范围更广。研究的结果，但是应用范围更广。2021/8/637(2) Typical restressable anchor head detail for double protection of strand tendon2021/8/638l 无粘结段与锚固段剥除1-3米套管，台阶状布置，形成拉压分散型锚索，可提供均匀锚固力。2021/8/639重力

22、注浆双层保护锚索结构图2021/8/640小浪底德国3000KN双层保护锚索结构图2021/8/6413.1 四川雅砻江二滩水电站拱坝高四川雅砻江二滩水电站拱坝高240m，泄，泄坝洞进口方形断面坝洞进口方形断面1313.5m。由于山体岩。由于山体岩石地质条件差，山势陡峻，在进水口和洞室石地质条件差，山势陡峻，在进水口和洞室开挖过程中，滑动位移发展过快，有失稳的开挖过程中，滑动位移发展过快，有失稳的危险。采用全长注浆防锈锚索，施加张拉力危险。采用全长注浆防锈锚索，施加张拉力后，整体作用很好，产生了反向位移。后，整体作用很好，产生了反向位移。2021/8/6422021/8/643 锚索设计吨位2000KN，钻孔通过4565m的塌积物地层，地层松软、破碎，部分钻孔通过1015m的流塑状泥层 3.2 广西八渡火车站滑移加固广西八渡火车站滑移加固2021/8/644NoImage 采用锚固桩锚索复合加固方案，锚索长 5570m。2021/8/645NoImage2021/8/6464.1 地下空间和隧道施工作业，当隧洞贯穿裂缝发地下空间和隧道施工作业，当隧洞贯穿裂缝发育同山体外连通时，必须采用双液注浆方法控制育同山体外连通时，必须采用双液注浆方法控制注