隧道工程读书报告

1、隧道工程读书报告一、新奥法施工1、研究现状1.1国外研究现状(1)古典压力理论20世纪初发展起来的以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认 为：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量汨。其不同之处在于：海姆认为侧压系数为1,朗金根据松散理论认为是tan2(451中/2),而金尼克根据弹 性理论认为N/(1N),其中内中、分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质 量。(2)坍落拱理论随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都不符合实际之 处，于是，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基和普氏理论。坍落拱理论认为： 坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，

2、而普氏则认为坍落拱形状呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具 有自承能力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题， 其中最著名的是芬纳公式和卡斯特纳公式。(3)新奥法20 世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上， 提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法。 新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，米勒教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。1980年,奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：在岩体和土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中

3、空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组 成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。新奥法自奥地利起源之后，先后在欧洲诸国，特别是意大利、挪威、瑞典、德国、法国、英国、芬兰 等大量修建山地与城市隧道的国家得以应用于发展，然后，世界各国，特别是亚洲的日本、中国、印度；北美的美国、加拿大；南美的巴西、智利；非洲的南 非、莱索托以及大洋洲的澳大利亚、新西兰等国都成功地把它应用于一些不同地 质情况下的隧道施工之中，并且从最初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其它岩土工程领域。虽然新奥法的应用已如此广泛，但不同的应用

4、者对它的解 释还存在着许多矛盾。实际工程中存在着一种倾向，就是盲目地把新奥法应用于 不适宜的地质条件，从而使这些巷道工程出现这样或那样的问题。 这种情况在中 国也同样存在尤其是煤矿，人们对软岩的物理含义和力学性质理解不够、对利用仪器进行巷道变形及荷载测量的重要性认识不足，不仅时常出现不合理的套用新奥法理论来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机理，而且 也出现过因应用新奥法不当，而造成锚喷或锚喷网支护的巷道大面积跨落、坍塌等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。(4)应变控制理论日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为：隧道重庆大学土木工程学院围岩的应变随支护

5、结构的增加而减小，而允许应变则随支护结构的增加而增大。 因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后 确定的。(5)能量支护理论20世纪70年代，萨拉蒙等又提出了能量支护理论，该理论认为：支护结构 与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸 收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架 自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量， 支护结构具有自动释放多余能量 的功能。(6)数值计算法目前，数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法

6、 等，以此为理论基础的计算软件大量涌现，如 ADINA NOLM FINAL、UDEC SAR FLAC等程序都为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工 程支护中得到了广泛的应用。1.2 国内研究现状中国软岩巷道支护系统工作开始于 1958年春，北京市西部九龙山向斜北翼 安家滩井田西部近向斜长轴处，木支架大巷遇到灰黑色泥岩，发生强烈底膨，后 改用五节棚支护，再加底梁，均无效，巷道失稳而报废。自此上报，提出软岩支 护难题。后开发辽宁的沈北矿区，在前屯矿建设时出现井口大变形，支护挤裂， 无法继续掘进，停工维修，前掘后塌，停掘返修，工程难前进而报废，以致停工 数年。此后，该矿区的蒲河

7、矿、大桥矿、平庄矿区红庙矿也出现重大软岩技术事 故。为此，煤炭部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量，在前屯矿二、 三井和红庙进行了多种巷道支护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了初步经验。20世纪80年代以来，与软岩工程相关的 全国性会议召开了 20余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶 段。中国煤矿矿压专业委员会软岩分会召集全国的软岩科研、施工、生产各方面的专业人员进行交流，起到了很好的组织、交流、提高作用。特别是 20世纪90 年代初，中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技 术研究推广中心成立，更为软岩工程理论与技术

8、的交流与推广，创造了良好的条 件。(1)岩性转化理论中国著名岩土工程专家陈宗基院士在 20世纪60年代从大量工程实践中总结 出岩性转化理论。该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境 工程条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。坚硬的花岗岩，在 高温高压的工程条件下，产生了流变、扩容，并指出，岩块的各种测试结果与掩 体的工程设计应有明显的区别。强调岩体是非均质、非连续的介质，岩体在工程 条件形成的本构关系绝非简单的弹塑、弹黏塑变形理论特征。(2)轴变论理论于学馥教授等提出轴变论理论，认为：巷道坍落可以自行稳定，可以用弹塑 性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限

9、引起的，坍落是改变巷 道轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向 无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的 轴比，其形状为椭圆形。近年来，于学馥教授等运用系统论、热力学等理论提出重庆大学土木工程学院开挖系统控制理论。该理论认为：开挖扰动怕破坏了岩体的平衡， 这个不平衡系 统具有组织功能。(3)联合支护理论冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基 础上发展起来的，具观点可以慨括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行 的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式锚 喷网技术、锚喷网架技术、

10、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。(4)锚喷一弧板支护理论孙均、郑雨天和朱效嘉教授等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论 的发展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚 的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。(5)松动圈理论松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容：凡是坚硬围岩的裸体巷道，具围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存 在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支 护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。(6)主次承

11、接区支护理论主次承接区支护理论是由方祖烈教授提出的。 该理论认为：巷道开挖后，在 围岩中形成拉压域；压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳 定的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力， 但其与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作 用决定巷道的最终稳定。 支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、 次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到 位。(7)应力控制理论应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏联，其基 本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的

12、应力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力， 使支撑压力向围岩深部 转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。(8)软岩工程力学支护理论软岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学 相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制 为核心的一种新的软岩巷道支护理论。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、 软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非 线性大变形力学设计方法等内容。2、新奥法研究内容2.1施工特点(1)及时性新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施 工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以

13、限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和重庆大学土木工程学院全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。(2)封闭性由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止 因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有 岩体强度。巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝， 随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面， 很好 的充填围

14、岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。(提高围岩的粘聚力C和内摩擦角)。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层 的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。(3)粘结性喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发 生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的 冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可 以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。复和作用，即围岩与支护构成一个复合体(受力体系)共同

15、支护围岩。喷 锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力， 同时与围岩形成了一个共同工 作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支 架消极承担的弱点。增加作用，开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处 填平，消除因岩面不评引起的应力集中现象， 避免过大的应力集中所造成的围岩 破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力 C 和内摩擦角，就是提高了围岩的强度。(4)柔性喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支 护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变 形区，并能有效控制允许围岩

16、塑性区有适度的发展， 使围岩的自承能力得以充分 发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩， 对围岩产生越来越大 的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。2.2适用范围(1)具有较长自稳时间的中等岩体；(2)弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；(3)强风化的岩石；(4)刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；(5)坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；(6)微裂隙的，但很少粘土的岩体；(7)在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合(1)有强烈地压显现的岩体；(2)膨胀性岩体(要与仰拱与底部锚杆相配合)；(3)在一些松散岩体中，要

17、与钢背板与之配合；重庆大学土木工程学院(4)在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；在下列场合中应用应慎重(1)大量涌水的岩体；(2)由于涌水会产生流砂现象的围岩；(3)极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；(4)开挖面完全不能自稳的岩体等。新奥法理论要点及施工要点(1)新奥法与传统施工方法的区别：传统方法认为巷道围岩是一种荷载， 应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。 而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄 壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构(以喷射混凝土、锚杆为主要手段)并使围岩 与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致 松动破坏。新奥法将围岩视为巷道承载构件的

18、一部分， 因此，施工时应尽可能全断面掘 进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少 对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑， 避免局部应力 集中。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆 和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩 -支护系统，保 持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。(2)保护巷道围岩自身的承载能力新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施：构筑防水层、围岩巷道 排水；选择合理的断面形状尺寸；给支护留变形余量；开巷后及时做好支护、封 闭围岩等，都是为保护巷道围岩的自身承

19、载能力， 使围岩的扰动影响控制在最小 范围内，并加固围岩，提高围筵强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。(3)允许围岩由一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的 支护结构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。围岩的变形是控制在一定范围内的， 必须避免围岩变形过大，从而导致围岩 强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产 生一定的变形，以缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。(4)新奥法施工过程中量测工作的特殊性由于岩体生成条件与地质作用的复杂性， 施工条件的复杂性，以及对工程设 计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和

20、支护结 构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施 m o量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。由上所述，新奥法的支护原则是：围岩不仅是载物体，而且是承载结构；围 岩承载圈和支护体组成巷道的统一体， 是一个力学体系；巷道的开挖和支护都是 为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。主要支护手段与施工顺序新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护 能够形成柔性薄层，与围岩紧密粘结的可缩性支护结构， 允许围岩又一定的协调 变形，而不使支护结构承受过大的压力。施工顺序

21、可以概括为：开挖一一次支护一二次支护。重庆大学土木工程学院(1)开挖开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与 一次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽 快进行。为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破(控制爆破)或机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一 次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。 岩质条件好时，长度可大一些，岩 质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全 断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-2.5米，在膨胀性地层中 大约为0.8-1.0米。(2

22、)第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、 复喷混凝土在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土 (3-5mn),为争取时间在较松散 的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的， 待把未被渣堆覆盖的开 挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆 及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。复喷后 应达到设计厚度(一般为10-15mm,并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在 喷射混凝土内。完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分 之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在

23、爆破后三小时内完成，主要由施工条件决定。在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层 (如风华花岗岩)中开挖巷道，为 了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业，需要在开挖工 作面的前方围岩进行超前支护(预支护)，然后再开挖。在安装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力 的现场测量：依据测量得到的信息来了解围岩的动态， 以及支护抗力与围岩的相 适应程度。(3) 一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永 久性的支护(或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱)，起到提高安全度和整 个支护承载能力增强的作用，而此支护时机可以由监测结果得到。对于底板不稳，底

24、鼓变形严重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快 封底，形成封闭式的支护，以谋求围岩的稳定。3、存在的不足(1)实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员 都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；作业质量都与每一个人的仔细操作有(2)开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临 现场，以便发现问题；(3)用能控制的施工量测，往往给施工带来不便；(4)干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其 是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有 效的支护岩体。重庆大学土木工程学院、盾构法施工1、研究现状盾构的研究情况与发展盾

25、构法施工隧道是在地表以下土层中暗挖隧道的一种现代技术。用此法修建地下隧道已有170余年历史。1818年，英国人布鲁诺尔从一种食船虫在船身上 打洞一事受到启发，研究出了盾构施工技术，并获得专利。19世纪末到20世纪中叶，盾构机技术取得较快的发展，主要以气压式、手掘式、半机械式、机械式 盾构为主。20世纪60年代中期至80年代末，在软粘土中使用了挤压式盾构机， 开发了闭胸式盾构机并得到广泛应用，形成了现代盾构技术的主流。20世纪90年代以来，闭胸式的泥水式盾构机和土压平衡式盾构机成为世界范围内的主流产 品。20世纪初，盾构法施工已在美、法、英、俄等国开始推广，已用在水底公 路隧道、地下铁道、上下水

26、道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道的施工 中。1917年人日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到实施，日本研制成功第一台有切削刀 盘、水力出土的泥水加压式盾构。1974年日本独创性的研制成功土压平衡盾构， 同时德国Wayss&Freytag也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥 水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地 铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。几十年来，通过对土压平衡式、泥 水式盾构机中的关键技术，如盾构机

27、有效封闭、监测开挖面的稳定及控制盾构前 进的方向、地表塌陷在安全范围内、刀具的使用寿命以及在封闭条件下更换刀具 等方面的探索，通过对盾构施工新技术，如特殊断面盾构施工、复合盾构施工技 术、球形盾构施工技术等研究，地铁盾构法施工技术有了长足发展。我国从五十年代开始使用、研制盾构，1966年上海采用网格式挤压盾构修 建了直径达10m的打浦路过江隧道，至今，盾构法施工技术已广泛应用于我国城 市的地铁建设。21世纪是我国隧道及地下工程大发展的世纪，据有关专家预测， 到2020年，我国将要完成近6000km的地下隧道建设，平均每年约300kmi至U 2011 年，国内各种地下工程建设约需岩石掘进机、盾构

28、机约180台（不包括微型机），年均需求量约为30台。截至目前，使用的盾构总数约有200多台次。城市地铁快 速发展，对盾构需求最多。我国城市地铁正处在高速发展期，地铁和轨道交通规划 总长度已超过3000km目前已建成和在建的数量仅占规划数量的10流右，未来城市地铁建设仍将快速发展。越江隧道建设方兴未艾，对大直径和超大直径盾构的需求将有快速增长。至今有10个城市已建或在建20多座盾构法越江隧道。计 划中的越江盾构隧道更多。城市各种地下管线隧道有待发展，对盾构的潜在需求大。有关专家预测，我国城市的给水、排水、电缆、电讯、热力、输气等隧道工 程的长度将超过1000km，其对小型盾构、微型盾构或掘进机的

29、需求量也相当大。盾构衬砌土压力的研究现状作用于陈其上的士压力实际上是周围土层与衬砌共同作用面上的接触应力， 其大小与分布形式不仅与地层的物理力学性质、衬砌的刚度有关，而且与施工方 法、隧道的埋深、直径、形状等几何参数有关。目前隧道衬砌管片有钢制管片、 混凝土管片、球墨铸铁管片和合成管片，其中以混凝土管片使用较多，管片之间重庆大学土木工程学院可采用柔性连接或刚性连接，一般采用钢螺栓进行连接，对于特殊地质条件(液 化地层和软硬地层的分界面等)和衬砌结构刚度突变位置，可采用特殊的柔性接 头以适应变形需要。由于作用于衬砌上的土压力受诸多因素的影响， 对其进行研究非常困难，迄 今为止，有关这方面的论文及

30、研究报道均不多见。 从已有的文献来看，按其所采 用的原理不同，可将衬砌上土压力的计算方法分为三种， 即简化计算法、考虑衬 砌与地层相互作用的分析方法、现场量测及模型试验方法等。管片接头刚度的研究由于盾构隧道一般是在盾构拼装由预制管片而成的，必然存在管片接头。这 样使得管片环的整体弯曲刚度相对于现浇的混凝土管片环而言，有所降低。由于管片环整体弯曲刚度的降低，其变形必然有所增加，从而可导致被动地基抗力的 增加，有利于减少管片截面的偏心应力， 即弯矩。如何评价接头刚度对管片和变 形的影响，是管片设计中的一个重要内容。接头刚度的确定一般分为两种，一是经验参考或模型研究，另一种为接头刚 度数值模型。目前

31、大多数重大地下工程都采用第一种方法确定，但是由于我国地铁工程起步较晚，隧道设计经验缺乏，同时由于足尺寸的管片接头或整体试验成 本较高，目前这方面的成果很少见诸报道。为此很多学者非常重视接头刚度的整 体研究，从而可以得到考虑主要影响因素的接头刚度计算理论，而且可以考虑接头刚度随外荷载的非线性关系，从而使得管片设计精度得以提高。国内管片的发展趋势国内的管片有以下几个趋势(1)通用管片：目前，国内通用管片的使用量不大，但国外已大量采用通 用管片射中管片给设计，生产，施工都能带来方便较好的经济效益。 通用管片不 但能满足平面曲线的要求而且可以通过调整封顶块的位置，满足竖曲线的要求， 不需采用以前使用的

32、楔形片，大大提高防水效果。(2)管片宽度增大，接头减小：盾构隧道衬砌管片的宽度有增加的趋势。通过增加衬砌管片的宽度在隧道方向上管片的接头数目减少，管片的生产费用降低，隧道防水情况得到改善，施工速度提高，工程造价也得以降低。需注意的是 管片宽度的增加是有前提的，在采用高强度连接接头，管片边缘部位钢筋加密等 相关措施，而且要经过试验验证后才可进行。2、盾构法施工要点及施工过程盾构法的基本原理盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体 向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要其防护开挖出的土提、保证作业人员和机械设备安全的作用。 盾构的另一个作用是能够承受来自地

33、层的压力，防止地下水或流沙的入侵。盾构是与隧道形状一致的盾构外壳内， 装备着推进机构、挡土机构、出土运 输机构、安装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。 城市市区建筑、公用设施密 集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别是在市中心，若隧道埋 深较大，地质又复杂时，用明挖法建造隧道则很难实现。 而盾构法施工城市地下 铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道具有明显优点。盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑， 以供盾构安装重庆大学土木工程学院就位盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔出发， 在地层中沿着设计轴线，向另一竖井 或基坑的设计预留洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，

34、同构盾构千斤顶传至 尾部一品装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个技能支撑地 层压力，又能在地层中推进圆形、矩形、马蹄形级其他特殊形状的钢筒结构，具 直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各类的支撑和开挖土体的装置， 在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶， 钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在 盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。 盾构每推进一环距离就在吨位支护下拼 装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具它还需要其 他施工技术密切配合才能顺

35、利施工。主要有：地下水的降低，稳定低层，防止隧 道及地面沉陷的土壤加固措施，隧道衬砌结构的制造，地层开挖，隧道内的运输， 衬砌与底层间的充填，衬砌的防水与堵漏，开挖土方的运输及处理方法，配合施 工的测量，检测技术，合理的施工布置等。止匕外，采用气压法施工时，还涉及到 医学上的一些问题和防护措施等。盾构施工技术的特点区别于明挖法等隧道施工技术，盾构施工技术有如下的特点：(1)对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除在盾构竖井处需要一定 的施工场地外，隧道沿线不需要施工场地；施工中没有噪声和振动，对周围环境没 有干扰。(2)盾构机是适合于某一特定区间的专用设备。盾构机必须根据施工隧道 的断面大小、

36、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造。(3)施工精度要求高。管片的制作精度几乎相当于机械制造的程度，目前每 片的误差要求在0.5mm以内；在盾构施工过程中对隧道轴线的偏离、管片拼装精 度也有很高的要求。(4)盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退，因此, 盾构施工的前期工作非常重要，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施 辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。施工筹划准备盾构法施工的前期准备(1)完成始发井土建结构盾构的始发井土建结构完成后方可进行盾构施工，始发井内须预留盾构出洞的洞门，洞圈一般为钢结构，以便安装盾构出洞的止水装置。(2)盾

37、构选型根据隧道所经过的地层地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进 行盾构选型，确定所用的盾构类型。(3)管片的生产根据管片设计图纸及技术要求，设计出制造钢模的图纸，加工钢模，然后进 行管片生产，由于管片钢模加工工艺复杂，故加工周期较长。技术准备(1)熟悉施工图纸和有关的设计资料学习工程建设单位提供的工程设计图纸和有关的地质资料。 施工验收规范及 有关的技术规定，通过学习充分了结合掌握设计人员的设计意图、结构特点和技 术要求，在开工前或分项工程实施前，应有设计单位进行设计交底。重庆大学土木工程学院(2) 了解隧道沿线的地下管线、构筑物及地质情况对地下管线及地下构筑物，需要了解管线的种类、

38、结构、类型、埋深等，与 隧道的相互关系等情况，对地面建筑物，需要了解建筑物的种类、结构、类型、 埋深与隧道的相互关系等情况，然后采取相应的保护措施。(3)熟悉施工用机械的特点熟悉盾构机的主要施工参数及享用的盾构施工工法，掌握施工要领。(4)编制施工组织设计编制施工组织设计是施工准备工作的重要组成部分，隧道施工的施祖编写要 求根据隧道施工的特点，确定各个关键工序的施工技术合理地布置施工现场，科学地制定施工方案。2.4盾构推进盾构正面开挖方法盾构在地层中推进，为了减少对地层的扰动，要求靠千斤顶顶力使盾构切入 地层，然后在切口内进行土体开挖和外运， 这是软土地地层盾构推进的最基本过 程。(1)敞开式

39、挖土手掘式及半机械式盾构都属于敞开式开挖形式。这类方法主要用于地质条件较好，开挖面在切口保护下能维持稳定的自立状 态。其开挖方式从上代下逐层掘进。若土层地质较差，还可借助支撑进行开挖， 每环要分数次开挖、推进。敞开掘进对正面障碍处理方便，并便于超挖配合盾构操作，提高盾构的纠偏 效果。(2)机械切削根据土质的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板的及有封板的两种， 前者适用 于土质条件好的地层中。用大刀盘切削正面土体再配备运土的机械设备，就是一 个完整的盾构掘进施工工艺。这种方法对正面的障碍排除及盾构超挖纠偏显得有些困难，但这种盾构实现 隧道施工机械化、减轻劳动强度的必然趋势。(3)网格式开挖这种开挖方

40、法是在软弱粘性土层的施工中不断总结经验而发展起来的。其开挖面有网格梁与隔板组成许多格子， 对开挖面土体其支撑作用。目前在 网格后面配上提土转盘，把土体升到盾构中心筒体端头的斗内， 然后由筒体内运 输机将士送到施工隧道的运输平板车土箱中， 一完成盾构掘进这一工序。实践证 明这一方法有很好的效果。(4)挤压式开挖挤压式开挖可分为全挤式和局部式。由于挤压推进不出土或出土少，对地层扰动大。故在隧道轴线设计时，必须 避开地面建筑物，这就限制了这种施工方法的使用范围， 一般用于旷野郊区，或 滩涂处的排水工程。施工管理和掘进管理土压平衡式盾构土压平衡式盾构的施工管理是通过排水机构的机械控制方式进行的。这种排

41、土机构可以调整排土量，使之与挖土量保持平衡，以避免地面沉降或对附近构筑 物造成影响。重庆大学土木工程学院随着盾构推进，对有螺旋刀盘切削下来进入密舱内的土体， 通过安装在密封 舱内的螺旋输送机以及出土口上的滑动闸门或螺旋式漏斗等排土机构进行排土， 一面维持开挖面稳定状态，一面将盾构向前推进。(2)加水式盾构加水式盾构施工法的开挖面稳定管理由两种方式： 一是不间断地掌握盾构掘 进中的掘土量和排土量之间的关系，从而将密封舱内的切削土的积存量保持在最 佳状态的排土率管理；二是同地下水压取得平衡的附加水压力管理。(3)泥水加压平衡式盾构泥水加压平衡式盾构一面要保持泥水压力来平衡作用于开挖面的外部压力，一

42、面又要向前推进，所以要对开挖面泥水压力、密封舱内的土压力，以及同掘土 量平衡的出土量等级进行必要的检测和管理。盾构的控制(1)盾构偏向的判定偏向是指平面、高程偏离设计轴线的数值超过允许范围。)盾构偏向的原因盾构脱离基座导轨，进入地层后，主要依靠千斤顶编组及借助措施来控制盾 构的运动轨迹。盾构在地层中推进时，导致偏向的因素很多，主要有地质条件因素、机械设 备因素、施工操作因素。)盾构偏向的反应与测定在盾构施工中的每一环推进前，先要充分了解盾构所处的位置和姿态， 否则 无法控制下一环推进轴线和制定纠偏措施。，目前施工技术手段是通过对盾构现 状位置的测量后报出的盾构现状报表来反应盾构真是状态。(2)

43、盾构的操作盾构的操作，主要是盾构运动轨迹始终在设计轴线容许偏差值范围内，达到隧道衬砌拼装在理想的位置上的目的。要控制好盾构掘进轴线，不但要能熟练地操作盾构，懂得纠偏原理、方法，还应对隧道埋置的地质情况、盾构施工时土质与盾构相互的影响有全面的了解。1)土质对盾构施工的影响盾构法适用于软土层的施工。软土主要有砂性土和粘性土两类。 砂性土的颗 粒粒径在20.005之间，其透水性较好，在地下水压力差作用下，砂粒易产生流 动，如不采取必须的防范措施是难以正常施工的。粘性土的透水性差，但具有较大的可塑性。虽是最适宜盾构施工的土质，但 施工时对土体有过大扰动，则带来的“后患”也大。在饱和的淤泥质粘土中施工，

44、 对盾构稳定控制有一定的难度，要求掌握进土量，才能使盾构稳定向前运动。2)盾构的操作方法(3)盾构自传的纠正盾构在推进施工中，除了偏离设计轴线外，还有本身自传的现象。纠偏方法有两 个，一是在盾构有少量自传时，可用盾构内的举重臂、转盘、大刀盘等大型旋转 设备的使用方法来纠正，另一个是当自传量较大时，采用压重的方法，使其形成 一个纠旋转力偶。2.5管片拼装技术隧道是由预制管片逐环连接形成的，管片是在盾壳保护下，并在其空间内进 行拼装。管片的类型主要有球墨铸铁管片、钢管片、复合管片和钢筋混凝土管片，10重庆大学土木工程学院每环由数块组合而成。管片拼装管片拼装是建造隧道重要的工序之一， 管片拼装后形成

45、隧道，所以拼装质量 直接影响工程的质量。(1)按其整体组合可分为通缝拼装和错缝拼装。1)通缝拼装各环管片的纵缝对齐的拼装方法，这种拼装方法在拼装时定位容易，纵向螺 栓容易穿，拼装施工应力小，但容易产生环面不平，并有较大累积误差，导致环 向螺栓难穿，环缝压密量不够。2 )错缝拼装错缝拼装即前后环管片的纵缝错开拼装， 一半错开1/21/3块管片弧长，用 此法建造隧道整体性较好，拼装施工应力大，纵向穿螺栓困难，纵缝压密性差。但环面较平整，环向螺栓比较容易穿。(2)针对盾构有无后退，可分为先环后纵和先纵后环拼装工艺。)先环后纵先将管片拼装成圆环，拧好所有环向螺栓，待穿进纵向螺栓后再用千斤顶使 整环纵向

46、靠拢，然后拧紧纵向螺栓，完成一环的拼装工序。2)先纵后环当采用挤压或网格盾构施工时，盾构后退量较大，为不使盾构后退，减少地 面的变形，则可用先纵后环的拼装工艺来实施。 即缩一块管片位置的千斤顶，是 管片就位，立即伸出缩回的千斤顶，这样逐块拼装，最后成环。(3)按管片的拼装顺序可分先下后上及先上后下拼装工艺)先下后上用举重臂拼装式从下部管片开始拼装， 逐块左右交叉向上拼，这样安全，工 艺也简单，拼装所用设备少。)先上后下小盾构施工中，可采用烘托拼装，即先拼上部，使管片支撑于烘托架上。此 法安全性差，工艺复杂，需有卷扬机等辅助设备。.盾构推进与管片拼装成环轴线的相互关系(1)成环轴线的形成整条隧道

47、的轴线是由各环管片中心实际位置连接而成，由管片成环测量报表反映，所以在施工中必须把管片拼装在允许偏离的范围内，确保隧道符合要求。(2)盾构推进对管片成环轴线的影响盾构推进的运动轨迹对隧道管片轴线起主导作用，只有控制好盾构轴线，特 别是举重臂中心轴线，才能确保总体轴线能符合工程的使用要求。(3)管片成环轴线对盾构轴线控制的影响已成环管片盾构推进的后座，其在盾构内有一定衔接长度，对盾构的推进起 到了导向作用。所以，成环管片轴线将直接影响盾构推进轴线的控制。2.6隧道压浆.概述随着盾构的推进，在管片和土体之间会出建筑空隙， 为了填充这些空隙，就 要进行衬砌壁后注浆。衬砌壁后注浆根据注入时间可分为一边

48、向前推进， 一边注 入形成的建筑空隙的同步注浆和推进后立即注入的即时注浆两种。在开放型盾构和泥水盾构施工中采用同步注浆法时，由于注浆材料可能想开11重庆大学土木工程学院挖面的渗透，流动的注浆材料的混入而造成正面泥水压力的变动和水泥质量的劣 化，所以必须采用特别的方法来处理。土压系列盾构由于在切削刀盘内滞留着切削土，所以不会造成因注浆材料箱 开挖面渗透引起的麻烦。因此，采用不停地向盾尾密封部位加压、充填注浆材料 的同步注浆施工法的实例也越来越多。. 压浆的作用及注浆工艺(1)压浆的作用压浆的作用有防止地表变形、减少隧道的沉降量、增加衬砌接缝的防水性能、 改善衬砌的受力状况和有利于盾构推进纠偏。(

49、2)注浆工艺注浆工艺主要取决于隧道所在地层的土质。 在土质好的条件下，则一般先压 骨料来支护土体及填充空隙，然后注水泥浆。但上海地层属于软土层，地下水位 高，土质的含水量基本饱和，所以应一次注浆体材料，以防止土体流失。压浆量的多少，将直接影响到地表变形量的大小。 根据以往的施工经验，一 般压浆量为理论建筑空隙的150%250脸围，而实际施工应通过监测地表变形情 况而定。采用的压浆压力应根据地面建筑的特点及隧道埋深而定。另外还可采取多次压浆或增补压浆，以有效地控制地表变形。3、盾构法优缺点.盾构法隧道优点：(1)在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、 潮汐、季节、气候等条件

50、影响，能经济合理地保证隧道安全施工。(2)盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控 制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低。(3)地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；在 松软地层中，开挖埋深较大的长距离、大直径的隧道，具有经济、技术、安全、 军事等方面的优越性。(4)除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小， 既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。(5)隧道施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在 土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。(6)只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧

51、道越深、地基越、土中影响施工 的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工进度上越有利。.盾构法隧道缺点：(1)盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较 复杂；在饱和含水的松砂地层中施工，地表沉陷风险较大。(2)需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及防堵、 施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调复杂。(3)建造短于750m的隧道经济性差；对隧道曲线半径过时，施工难度较大。(4)在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定比较困难，甚至不 能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全， 要确保一定厚度的覆(5)盾构法施工上方一定范围内

52、的地表沉降尚未完全防止，特别在饱和含12重庆大学土木工程学院水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的范围内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。（6）在饱和含水地层中，盾构法施工所采用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。4、发展趋势近年来，随着世界范围内隧道施工的增多，为了适应复杂多变的工程条件以 及降低施工费用，盾构施工技术得到了长足的发展，如异型断面盾构施工技术、长 距离盾构施工技术等，下面分别介绍近年来出现的盾构施工新技术。411特殊断 面盾构施工技术特殊断面盾构施工技术根据隧道直径，可以把盾构分为特大型盾构（隧道直径大于9m）、大型盾构 （

53、隧道直径69m）、中型盾构（隧道直径36mH口小型盾构（隧道直径23m）。 然而，盾构仅仅依靠改变直径，显然不能完全经济合理地解决日益复杂的工程问 题，例如复线铁路隧道或地下铁道，若按常规的设计方法，无论是采用两个圆形隧 道或一个大直径的隧道，其隧道断面面积显然要大于车辆的限界 ，相当一部分空 问是多余的，造成空间的浪费和投资的增加，如果用两个相连的圆形隧道代替两 个独立的圆形隧道，情况就要好得多。基于这一考虑，特殊断面盾构技术得到了快 速发展。特殊断面盾构可分为复圆形盾构和非圆形盾构两大类。其中复圆形盾构包括 双圆盾构和三圆盾构。双圆盾构可用于一次修建双线地铁隧道、 下水道、共同沟 等，三圆

54、形盾构则用于修建地铁车站。非圆形盾构包括椭圆形盾构、马蹄形盾构、 矩形盾构和半圆形盾构，根据隧道使用目的可分别加以采用。特殊断面盾构施工的实例有采用三圆盾构施工技术的东京地铁环线饭田桥 车站；采用双圆型盾构施工技术的东京地下铁路等工程。在进行特殊断面盾构施工时，除充分考虑断面形状特性采用特殊的盾构机械 以外,还需不断掌握工程的实际走势，在掘进时需一直注意盾构机的运行情况。 考 虑到断面形状，管片的组装应对其分割数、组装顺序、组装精度进行周密计划，即使管片可正确组装，也需严格管理和控制盾构姿势，特别当盾构机发生偏离时， 应及早使用超挖机构、修正千斤顶等进行修正。盾构的尾部和出发、到达部的洞 口封

55、闭与圆形断面相比，防水比较困难，需采取周密的措施以确保防水。微型盾构施工技术除了用于地铁、公路隧道等大中型盾构外，在市政供排水、电力、通讯管道 等的建设中，大量需要使用直径在23m的微型盾构。如北京、西安、天津和上 海等城市老城区的上下水管网、煤气动力电缆、通讯管道普遍老龄化，经常发生煤气漏气、自来水管爆裂、污水管腐蚀和渗漏等事故。而且老城区房屋密集，有许多风景名胜，不能随便开掘、降水、挖土、埋管，因此采用自动化程度高的微型 盾构施工方法在旧市政管道的改造方面有很大的生命力。微型盾构的种类和大中型盾构相似，但由于盾构尺寸较小，很多设备均需要 小型化，因此在驱动方式等方面与大中型盾构有所区别。目

56、前，国外在这方面的研究较多，如日本制管（NKK）在近20年来接受的盾构 机定货中，微型盾构就占到总数的46%在采用微型盾构施工方法与明挖法造价的比较方面，注意要考虑环境生态影 响，考虑道路开挖、维修方面的费用，否则易得出不恰当的结论。13重庆大学土木工程学院长距离盾构施工技术盾构施工方法一般适宜于长隧道施工，有资料显示：当隧道短于750m时采用 盾构法被认为是不经济的。另外，在人口特别稠密的城市中心处，工程用地不易确 保、地下结构物的存在也使得施工长度有增加趋势。 在过江隧道、跨海隧道工程 中也存在相似问题。长距离盾构施工时对盾构机中刀盘、刀头及轴承止水带、盾尾止水带的耐久 性均提出了较高的要

57、求，所以要准确预测它们的损耗量以便在预先计划好的地点 进行上述设备的检查、更换。在长距离施工中，出渣往往制约推进的速度，所以施 工时可采用连续出渣设备以提高工作效率，其他材料也应采用自动化运输以提高 施工效率。在有些长距离施工的隧道中也采用了对接盾构隧道的方式 ，如东京湾海底隧 道就采用了双向开挖技术，用两台盾构机双向开挖隧道，最后在地下连接成一条 隧道。双向开挖隧道的水下连接是施工中的关键技术。原来曾预料 ，即使采用最 先进的测量仪器，由两端向中心开挖的隧道的误差也可能达到 200mm为此采用 了钻孔探测法来纠正误差，在连接段采取土壤冻结技术来保证对接安全。复合盾构施工技术由于盾构是一种针对

58、性很强的专用施工机械，每台盾构机都是针对某一种具 体的地质水文条件而制定的。在地质条件复杂的情况下，采用常规盾构就无法完 成施工，因此复合盾构施工技术应运而生。典型的工程如广州地铁二号线工程。广州从地面往下1020m深的地层结构变化多端，局部地段是原先埋藏在地 下的山包，盾构通过的就是岩石；局部地段是山沟，盾构通过的又全是泥沙。而广 州地铁二号线恰恰要深入地下 20多mi为了适应广州复杂的地质条件，施工单位 的专家和技术人员大胆地改进了盾构机的工作部分一一刀盘，首创了巧妙的复合 式刀盘，使盾构机具有了能应付软硬交错的地质结构的新功能。这种复合式刀盘 装有齿刀和滚刀两种刀具，以滚刀对付硬岩层，齿

59、刀对付软岩层，两种刀具用背装 的方式进行互换。球体盾构施工技术该施工技术又称直角方向连续掘进施工法，根据变换方法可分为纵、横连续 掘进和横、横连续掘进两种（均只使用一台盾构机）。其中纵、横方向连续掘进施 工是从地面开始连续沿直角方向进行竖井开挖和隧道掘进的施工方法，横、横方向连续掘进则指不需旋转竖井，在地面下朝直角方向进行连续掘进的施工法。球体盾构在所使用的主盾构里设有内装次盾构的球体，在施工中必须慎重研究盾构自重、开挖反力、推进反力的平衡关系。尤其在采用纵、横掘进盾构进行 竖井施工时，在进行方向改变的过程中，次盾构的球体需要旋转 90 ,此时极易 发生涌水和涌砂现象，因此要充分考虑球体部的防

60、水结构，以防止砂土及地下水 流入隧道内。使用球体盾构，可以在狭窄的施工场地上直接进行地下隧道的掘进 ，省去了 构筑竖井所需要的场地、时间，因此采用球体盾构掘进可以缩短修筑工期，是一种 应用前景广阔的新型盾构施工技术。其它盾构施工技术除了上述盾构施工技术外，根据特定的工程条件，在一些工程中也采用了其 它形式的盾构施工技术，如东京都下水道局南台干线工程中采用了世界首台纵向 双圆断面分岔式泥水盾构一一把两圆形盾构机结合成切削刀并列的状态进行掘 进，在分岔位置进行地中分离，构筑两个单圆形断面隧道。14重庆大学土木工程学院三、沉管法施工1、研究现状采用沉管法修筑水底隧道最早于1810年在伦敦进行了施工试