公路隧道新奥法设计方法与施工范例

公路隧道新奥奥法设计方法法与施工范例例目录隧道工程常用用术语新奥法的基本本原理新奥法设计与与施工新奥法施工监监控量测公路隧道景观观设计公路隧道技术术的发展施工范例当地下结构为为空间封闭结结构形式，宽度在10m内时，通常称称为“洞室”；当地下结构垂垂直地层表面面时（α=90°），称为“竖井”；当倾斜角角α>45°时称之为“斜井“；当人工建筑处处于地表下，，结构沿长度度方向的尺寸寸大于宽度和和高度并具有有联通A、B两点的功能时时，可称“地道”；当地道的横截截面积较小时时，通常认为为截面积在30m2以内时，称为为“坑道“(导坑、导洞)；当截面积较大大时，称之为为“隧道”。隧道工程术语语隧道纵断面的的构造形式隧道的进口外外称为洞门洞门上被挖掉掉的原覆盖物物体的部分称称为“仰坡”隧道顶部至表表面的距离称称为“覆盖层厚”已建承重结构构的部分，称称为“安全部分”；兴建临时支撑撑结构的部分分，称为“临时安全”部分；未建支撑结构构的开挖工作作面，称为““不安全”部分；从未支撑处正正向前开挖的的部分，称为为“开挖工作面“(掌子面)隧道的横截面面的构成开挖孔洞上约约1/3部分，称为““拱部”；约中部1/3的部分，称为为“洞身”；约下1/3的部分，称为为“洞底“；洞身及洞底的的对称中心部部分，称为““核心土”。开挖后对应于于拱部的上边边缘人工结构构的弧线部分分，称为“拱圈”；孔身对应的下下边缘人工结结构的弧线部部分，称为““侧墙”；孔底边对对应的下边缘缘人工结构的的弧线部分，，称为“仰拱”。隧道工程术语语(道路)隧道tunnel——为使道路从地地层内部或水水底通过而修修建的建筑物物。由洞身、、洞门等组成成。洞门tunnelportal———为保持洞口上上方及两侧路路堑边坡的稳稳定，在隧道道洞口修建的的墙式构造物物。衬砌tunnellining———为防止围岩变变形或坍塌，，沿隧道洞身身周边用水泥泥混凝土等材材料修建的永永久性支护结结构。明洞opencuttunnel———用明挖法修建建的隧道。常常用于地质不不良路段或埋埋深较浅的隧隧道。隧道工程术语语围岩surroundingrock——隧道周围一定定范围内，对对洞身的稳定定有影响的岩岩(土)体。隧道建筑限界界structuralapproachlimitoftunnel———在隧道洞身内内应保持的道道路建筑限界界及设置其它它设施的空间间范围。隧道工程术语语明挖法opencutmethod———先将隧道部位位的岩(土)体全部挖除，，然后修建洞洞身、洞门、、再进行回填填的施工方法法。矿山法minetunnelingmethod——主要用个钻眼眼爆破、构件件支撑作业方方式开挖坑道道而修建隧道道的施工方法法。因借鉴矿矿山开拓巷道道的方法而得得名。新奥法NewAustrianTunnellingMethod———在软弱岩层中中修建隧道时时，开挖后立立即喷射水泥泥混凝土作为为临时支撑(必要时加锚杆杆)以稳定围岩，，然后再进行行衬砌的施工工方法。隧道工程术语语喷锚支护lockboltsupportwithshotcrete——借高压喷射水水泥混凝土和和打入岩层中中的金属锚杆杆的联合作用用(根据地质情况况也可分别单单独采用)加固岩层，分分为临时性支支护结构和永永久性支护结结构。围岩偏压non-uniformrockpressure———由于地质构造造作用或局部部突变的地形形以及施工的的影响，在洞洞室衬砌上产产生的不对称称的岩石法向向应力。岩爆rockburst———在地应力高度度集中的岩层层中开挖时，，围岩应力因因突然释放而而引起的岩块块爆裂向外抛抛射的现象。隧道工程术语语导洞(导坑)pilottunnel——在开挖隧洞过过程中为探明明地质情况或或进行原位测测试或导向作作用，沿预定定洞轴线某一一高程平行开开挖的小断面面坑道。又称称地坑。全断面法fullfacemethod——每一掘进循环环将整个断面面向前推进的的开挖洞室的的方法。隧道工程术语语上导坑法topheadingmethod——用导坑先开挖挖洞室上部并并将其扩大砌砌拱，再开挖挖下部，衬砌砌边墙的洞室室开挖方法。。侧导坑法sidedriftmethod——沿洞室两侧周周边自下而上上小断面分块块开挖，并衬衬砌边墙，然然后进行拱部部开挖和砌拱拱，最后清除除核心部分岩岩土，砌筑仰仰拱的一种开开挖洞室的方方法。隧道工程术语语台阶法(分层开挖法)benchingtunnelingmethod——将整个隧道断断面分为几层层，由上向下下或由下向上上分部进行开开挖的施工方方法。前者称称正台阶法，，后者称反台台阶法。多导坑法mulit-driftmethod——联合运用上导导坑法和侧导导坑法开挖洞洞室的方法。。隧道工程术语语超挖overbreak———洞室掘进中起起出设计断面面的部分。欠挖underbreak———隧道实际开挖挖断面小于设设计开挖断面面的部分。仰拱invert,invertedarch——地下洞室凹面面向上的拱形形底板。边墙sidewall———带有拱顶的地地下洞室拱脚脚以下的墙体体。隧道工程术语语衬砌lining——防止洞室围岩岩松动、坍塌塌的永久性支支护层。喷锚联合支护护combinedboltingandshotcreting——在洞室岩壁配配置锚杆系统统和钢筋网，，并在其上喷喷射一定厚度度的混凝土层层，以加固围围岩的技术。。开挖面excavatedsurface——隧道掘进方向向最前端的开开挖作业面。。隧道工程术语语整体式衬砌integrallining———用模筑混凝土土或砌体施作作的衬砌。初期支护primarysupport———隧道开挖后即即行施作的支支护结构。二次衬砌secondarylining——初期支护完成成后施作的衬衬砌。复合衬砌compoundlining———由初期支护和和二次衬砌组组合而成的一一种衬砌。喷锚衬砌shotcreteandboltlining———用喷射混凝土土、锚杆喷射射混凝土或锚锚杆钢筋网喷喷射混凝土施施作的衬砌。。隧道工程术语语管棚pipe-shedsupport——沿隧道开挖轮轮廓，按一定定间距及外倾倾角打入钢管管、压注浆液液，形成的棚棚式支护结构构。预留变形量reserveddeformation———为充分发挥围围岩自承作用用，容许初期期支护和围岩岩有一定量的的变形，而将将设计开挖断断面作适当扩扩大的预留量量。新奥法(NATM)——NewAustrianTunnellingMethod应用岩体力学学的理论，通通过对隧道围围岩变形的量量测、监控，，采用新型的的支护结构，，尽量利用围围岩自承能力力指导隧道设设计和施工的的方法。其特特点是在开挖挖面附近及时时施作密贴于于围岩的薄层层柔性喷射混混凝土和锚杆杆支护，以便便控制围岩的的变形和应力力释放，从而而在支护和围围岩的共同变变形过程中，，调整围岩应应力重分布而而达到新的平平衡，以求最最大限度地保保持围岩的固固有强度和利利用其自承能能力。新奥法的三大大要素新奥法的原理理虽然可用于于各种类型的的支护,但是,最为适用的是是喷锚支护。。因此喷混凝土、锚锚杆、量测被认为是新奥奥法的三大要要素。它产生生和发展的历历史与这三者者密切相关，，不能把喷锚锚支护误解为为新奥法的同同义语。新奥法的基本本要点①洞室开挖后，，应使围岩自自身承担主要要的支护作用用，而衬砌只只是对围岩进进行加固，使使成为一个整整体而共同发发生作用。因此，须最最大限度地保保持围岩的固固有强度，以以发挥围岩的的自承能力。。如及时喷混混凝土封闭岩岩壁，就能有有效地防止围围岩松弛，而而不使其强度度大幅度降低低，同时也不不存在因顶替替支撑而使围围岩变形松弛弛。总之应使使围岩经常处处于三轴应力力约束状态，，最为理想。。新奥法的基基本要点②预计围岩有有较大变形形和松弛时时，应对开开挖面施作作保护层，，而且应在在恰当的时时候敷设，，过早或过过迟均不利利。其刚度度不能太大大或太小，，又必须是是能与围岩岩密贴，而而要做成薄薄层柔性，，允许有一一定变形，，以使围岩岩释放应力力时起卸载载作用，尽尽量不使其其有弯矩破破坏的可能能。新奥法的基基本要点③衬砌需要加加强的区段段,不是增大混混凝土的厚厚度,而是加钢筋筋网、钢支支撑和锚杆杆，使隧道道全长范围围采用大致致相同的开开挖断面。此外，因因为新奥法法不在坑道道内架设杆杆件支撑，，空间宽敞敞，从而提提高了安全全性和作业业效率。新奥法的基基本要点④为正确掌握握和评价围围岩与支护护的时间特特性，可在在进行室内内试验的同同时，在现现场进行量量测。量测内容容为衬砌内内的应力、、围岩与衬衬砌间的接接触应力以以及围岩的的变位，据据以确定围围岩的稳定定时间、变变形速度和和围岩分类类等最重要要的参数，，以便适应应地质情况况的变化，，及时变更更设计和施施工。新奥法的基基本要点⑤隧道支护在在力学上可可看作厚壁壁圆筒。它它是由围岩岩支承环和和衬砌环组组成的结构构，且两者者存在共同同作用。圆圆筒只有在在闭合后才才能在力学学上起圆筒筒作用，所所以除在坚坚硬岩层之之外，设置仰拱使使衬砌闭合合是特别重重要的。新奥法的基基本要点⑥围岩的时间间因素还受受开挖和衬衬砌等施工工方法的影影响，它对对结构的安安全性起着着决定的作作用。考虑虑掘进循环环周期、衬衬砌中仰拱拱的闭合时时间、拱部部导坑的长长度以及衬衬砌强度等等变化因素素，把围岩岩和支护作作为一个整整体来谋求求稳定。从从应力重分分布角度去去考虑，全断面一次次开挖是最最有利的；；分部开挖挖会使应力力反复分布布而造成围围岩受损。⑦岩层内的渗渗透水压力力，必须采采取排水措措施来降低低。新奥法的现现状新奥法的支支护结构至至今仍处于于经验设计计的阶段，，它的前提提是要科学地进进行围岩分分类，并根据已已经修建的的类似工程的的经验，提出支护设设计参数或或标准设计计模式。这种工程程类比法目目前还只考考虑了岩体体结构、岩岩块单轴抗抗压强度、、弱面特性性等工程地地质性质、、坑道的跨跨度以及围围岩自稳时时间等主要要因素，需需在各种设设计与施工工规程的实实施过程中中，依据量测数数据加以修修正。现场监控控设计，一一般分成预先设计阶阶段和最后设计阶阶段，后者是根根据现场监监控量测数数据，经分分析比较或或计算后，，最后提出出设计。理论解析和和有限元数数值计算，，至今还不不能得出充充分可靠和和满意的结结果，必须由上上述两种方方法即经验验和量测加加以验证。。新奥法施工工监控量测测新奥法的施施工作业必必须根据事事前的调查查决定下列列4个问题：①①开挖方法；②支护布置及及进行支护护的最适宜宜时机；③是否设置仰仰拱及设置置的时间和和方法；④是否采用辅辅助施工方方法及其种种类等。用新奥奥法施工的的绝大多数数工程均采采用各种台台阶法进行行开挖，其其次是采用用全断面法法。新奥法法要求保证证光面爆破破的质量，，避免凹凸凸不平而引引起应力集集中和减少少超挖，从从而节约为为填平表面面所需的大大量混凝土土。新奥法监控控量测新奥法的量量测十分重重要。在应应力应变、、接触应力力、位移等等三大类量量测项目中中，新奥法法应以位移移的量测为为主。通常常是用收敛敛计量测收收敛变形，，用多点杆杆式位移计计量测围岩岩在不同半半径处的变变形和获得得围岩动态态的范围，，用高精度度水准仪量量测围岩表表面垂直位位移和地表表沉降。此此外，还可可用量测锚锚杆测得锚锚杆的轴向向应力，用用压力盒测测定接触应应力，用应应变计测定定支撑和衬衬砌应力等等。新奥法的实实际应用情情况经40多年的实践践和推广，，新奥法已已在奥地利、德德国、瑞典典、瑞士、、法国等的山岭隧隧道中普遍遍使用(占70～80％)，并已用于于地下铁道道，且取得得沉降量特特别小的显显著成果。。日本从1976年以来，已已有近100座隧道采用用了新奥法法。中国从60年代初开始始推广喷锚锚支护新技技术，在普普济、下坑坑、大瑶山山等铁路隧隧道采用新新奥法进行行施工，取取得了成功功。在公路路隧道建设设中，已大大量采用了了新奥法。。新奥法的实实际应用情情况1997年正在修建建的秦岭隧隧道(长19.45km),引进德国WIRTH公司TB880E型隧道掘进进机，预计计2000年贯通新奥法的局局限在下列情况况下，一般般都应采取取适当的辅辅助措施才才能施工：①涌水量大大的地层；；②因涌水产产生流沙现现象的地层层；③围岩破碎碎使锚杆钻钻孔和插入入都极为困困难场合；；④开挖面不不能自稳的的围岩。①矿山法——钻眼爆破法法位于各类岩岩石地层内内的隧道，，均可采用用钻眼、装装药、爆破破的方法开开挖。在硬硬岩中开挖挖隧道可采采用凿岩台台车钻眼，，进行全断断面开挖。。钻眼爆破法法优缺点比比较优点：适用范围围广，不受受隧道断面面尺寸和形形状限制；；对各类围围岩均适用用；施工工工艺可随地地质条件变变化；施工工设备组装装和工地之之间的转移移简单方便便，重复利利用率高；；施工单位位已积累了了丰富经验验钻眼爆破法法优缺点比比较缺点：施工工序序多，各工工序干扰大大，开挖速速度低，超超(欠)挖严重，爆爆破时对地地层扰动大大，施工安安全性较差差，作业场场所环境差差隧道凿岩台台车掘进机开挖挖法利用安装在在机轴转盘盘上的刀具具直接切削削岩层。隧道出渣施施工机械梭式矿车槽式矿车隧道掘进机机的优缺点点比较优点：施工快速速、连续作作业、机械械化程度高高，安全、、劳动强度度小、对地地层扰动小小、衬砌支支护质量好好、减少了了辅助作业业缺点：对地质条条件的依赖赖性大，设设备型号一一旦确定，，开挖断面面尺寸不可可改变；一一次性投资资大新奥法的展展望要进一步研研制初期和长期期强度都高高、回弹少少、粉尘低低、生产率率高的喷射射混凝土系系统，并和和高效能的的集尘器、、自动喷射射装置、周周期短的材材料供应系系统配套。。研究能缩短喷敷敷时间，又又无公害的的新喷射方方法。研究不需用临时时堆放场地地、易于运运输的喷射射材料和新新的施工工工艺,如钢纤维加加强喷射混混凝土、光光面爆破和和深孔爆破破技术、液液压凿岩台台车（兼作作安装锚杆杆用）、喷喷射车组（（包括机械械手）、各各种混凝土土喷射机、、液体速凝凝剂、粉尘尘防止剂、、树脂锚杆杆等。隧道施工新新技术隧道施工机机械化(开挖、出渣渣作业线；；喷混凝土土作业线；；模筑混凝凝土衬砌作作业线)；在长大隧隧道中采用用全断面TBM；开发更有效效的爆破器器材；优化化爆破设计计，经计算算机编程控控制钻孔；；应用GPS、激光测距距等测设技技术；加强公路隧隧道预制拼拼装式衬砌砌的研究和和应用；进一步完善善注浆技术术(设备、材料料、工艺、、检验)辅助工法的的研究加强非接触触监控量测测手段的开开发和研究究。公路隧道技技术的发展展开展隧道和和地下结构构的理论研研究，包括有限限元法在地地下结构设设计计算中中的应用；；岩土材料料试验工作作；以及工工地现场量量测和信息息监控技术术等，使理理论能更好好地结合实实际。在长大隧道道和重点地地下工程中中，推行施施工综合机机械化。在软土地地层中，采采用适合地地层条件的的盾构、顶顶管、沉管管和连续墙墙施工方案案；在硬岩岩中采用新新型掘进机机或高效水水钻台车，，以及光面面爆破和预预裂爆破等等先进技术术。以喷锚锚支护为基基础的新奥奥法施工，，可大力推推广。隧道的信息息化施工信息反馈修修正设计的的内容：1.施工方法变变更的建议议；2.施工工序的的更改；3.预留变形量量的修正；；4.设计参数修修改或确认认；5.采用辅助施施工措施的的建议。隧道的信息息化施工增强初期支支护可用降降低围岩类类别的办法法，改用相相应的设计计参数，或或选用如下下加强措施施：1.增设钢筋网网或改用钢钢纤维喷射射混凝土；；2.加密或加长长锚杆；3.增加喷射混混凝上厚度度；4.改用早强喷喷射混凝土土或早强砂砂浆锚杆；；5.采用或加密密钢架；6.增设临时仰仰供及时形形成支护封封闭环。公路隧道景景观设计景观设计美美学标准的的总原则：：均衡稳定、比例和谐、韵律生动、简洁明快、连续流畅及与周围环境境的协调。技术与隧道道美学的关关系限于经济发发展水平，，过去人们们只重视隧隧道的实用用、经济的的一面，而而对其美学学则很少关关心，特别是铁路路隧道，洞洞门造型平平庸呆板，，缺少风格格。高等级公路路的建设方方兴未艾，，加上经济济发展迅猛猛的时代，，急功近利而而忽视美学学要求，更更容易产生生“污染””环境、令人遗憾的的设计作品品。公路隧道景景观设计——洞门洞门型式应应适用、经经济、美观观。设在城镇、、旅游区附附近及高速速公路、一一级公路的的隧道，尤尤应注意与与环境相协协调，有条条件时，洞洞门周围应应植树绿化化。洞门也是是标志隧道道的建筑物物，要与隧隧道规模、、使用特性性以及周围围建筑物、、地形条件件等相协调调。洞门型式应应美观醒目目，这是因为为洞门的造造价只占隧隧道总造价价的较小部部分，隧道道的标志在在洞门，洞洞门美观合合理与否直直接影响对对隧道工程程的评价。。洞门的形式式1.端墙式洞门门或称为一字字式洞门。。2.翼墙式洞门门3.柱式洞门4.台阶式洞门门。5.环框式洞门门：隧道洞门端墙式洞门门北京八达岭岭公路隧道道九龙—香港海底隧隧道洞门设设计明洞的形式式洞门的色彩彩形、色、质质是视觉印象象的三大信信息，材质质与色感又又常常是一一体的。二衬由钢筋筋混凝土或或混凝土建建造，淡灰灰色基调显显得朴素端端庄与深沉沉稳重，但但大面积的的单一色彩彩又显得单单调而缺乏乏生气，致致使总体印印象不够清清晰。为使使隧道形象象更加优美美并强调其其存在，可可对洞门、、拱部、边边墙、路面面、防撞护护栏、设备备洞室、风风机、人行行横洞等构构造进行着着色处理，，特别是洞门门的着色处处理。洞门着色时时必须注意意1)与洞门形态态性格相协协调2)与周围环境境相协调3)各功能构件件或单元色色彩要统一一和谐4)考虑地域的的风土人情情以及季节节气候对色色彩的影响响照明的景观观设计1.进入隧道前的的视觉问题(白天)：黑洞(长隧道道)及黑框框(短隧道道)现象。2.进人隧隧道立立即出出现的的视觉觉问题题(白天):“适应的的滞后后现象象”3.隧道内内部的的视觉觉问题题(白天、、夜间间)4.隧道出出口处处的视视觉问问题夜间与与白天天正好好相反反照明的的景观观设计计洞口外外地段段应尽尽量保保持低低亮度度，可采采取在在路旁旁及洞洞口附附近铺铺草坪坪和植植树，，洞外外路面面采用用反射射系数数低的的的路路面材材料；；洞口口设遮遮阳棚棚或减减光格格棚等等措施施。洞洞门设设计应应有利利于隧隧道照照明。。灯光效效果一一是来来自隧隧道外外部的的照明明，二是平平自隧隧道本本身的的照明明设施施。前者者如对对洞门门、翼翼墙、、标志志物的的聚光光灯照照明，，使其其浮现现于周周围夜夜色之之中，，成为为景观观重点点，后后者如如沿洞洞门两两侧布布置的的装饰饰灯，，将大大大增增加人人们对对隧道道的亲亲近感感。景观设设计的的技术术措施施充分运运用视视觉辅辅助手手段进进行隧隧道景景观设设计。做成成各种种景观观效果果图，，并努努力使使其具具备良良好的的视觉觉性、、真实实性、、操作作性和和定量量性除了传传统的的绘画画方法法外，，使用计计算机机绘图图可以以使数数据资资料的的处理理、图图形的的变换换、绘绘图功功能更更加高高效和和直观观。香港东东区海海底隧隧道施施工中中(1986-1989)试验室室中隧隧道衬衬砌试试验世界上上最长长的铁铁路与与公路路隧道道(截止1999年)隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Seikan日R198853.91ChannelTunnel英-法R199450.02Daishimizu日R198222.23SimplonII意-瑞士R192219.84SimplonI意-瑞士R190619.85世界上上最长长的铁铁路与与公路路隧道道世界上上最长长的铁铁路与与公路路隧道道Shin-Kanmon日R197518.76Apennine意R193418.57SaintGotthard瑞士H198016.38Rokko日R197116.39Henderson美R197515.810Haruna日R198215.411隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名世界上上最长长的铁铁路与与公路路隧道道Furka瑞士R198115.312SaintGotthard瑞士R188215.013Nakayama日R198214.914Lötschberg瑞士R191314.615MountMacDonald加R198814.616Ta-yaoShan(大瑶山)中R198814.317隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Arlberg澳H197814.018Hokuriku日R196213.919MontCenis法-意R187113.720Shin-Shimizu日R196713.521Aki日R197313.022Fréjus法-意H198012.923PinglinHighway台湾H1999*12.924世界上上最长长的铁铁路与与公路路隧道道隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名隧道工工程实实例瑞士圣圣哥达达公路路隧道道中国大大瑶山山铁路路隧道道日本青青函隧隧道圣哥达达公路路隧道道圣哥达达(Sankt-Gotthard)公路隧隧道隧道中中每隔隔800米加宽宽一段段断面面,为出故故障汽汽车提提供避避车道道。设设两个个竖井井和两两个斜斜井作作通风风井，，最深深的一一个有有893米。在在离隧隧道一一侧30米处,开挖平平行导导坑，，每隔隔250米设一一横向向联络络通道道,以加快快正洞洞施工工进度度并供供施工工中遇遇到特特殊困困难时时使用用，以以后还还可利利用它它修建建第二二线隧隧道。。圣哥达达(Sankt-Gotthard)公路隧隧道通过隧隧道的的车速速限制制在每每小时时80公里以以内。。隧道道两端端设有有电子子计算算机控控制站站，通通过电电视录录像机机和传传感器器提供供数据据，以以监视视和控控制流流量，，并对对空气气清洁洁度变变化、、失火火以及及照明明亮度度也能能及时时察觉觉、报报警。。大瑶山山铁路路隧道道洞门门大瑶山山铁路路隧道道中国修修建的的第一一座长长度超超过10公里的的双线线电气气化铁铁路隧隧道。。位于于广东东省坪坪石至至乐昌昌市之之间的的瑶山山山区区和武武水峡峡谷。。隧道道全长长14.295公里。。大瑶山山隧道道从1978年初开开始勘勘测设设计，，1981年开工工，1987年建成成，1993年获国国家科科技进进步特特等奖奖。该该工程程由铁铁道部部隧道道工程程局承承建。。大瑶山山铁路路隧道道瑶山海海拔高高度1000余米。。隧道道大致致与瑶瑶山垂垂直，，埋深深为100～900米。主主体部部分穿穿过的的地层层为震震旦、、寒武武系浅浅变质质碎屑屑岩。。由于于隧道道处于于多雨雨地区区，地地下水水丰富富。断层破破碎地地带，，地下下水较较集中中，施施工时时难度度较大大。隧隧道进进出口口两端端170米偏压压地段段采用用现浇浇整体体模筑筑混凝凝土衬衬砌，，其余余采用用复合合式衬衬砌结结构。。