地下空間大洞室和隧道工程建設課件

地下空間大洞室和隧道工程建設周豐峻院士二○一○年十一月五日十四屆土木工程學會暨地下工程第十六屆隧道年會1可編輯課件PPT發(fā)展深地下大跨度地下空間已經(jīng)成為當前的緊迫任務，需要借鑒國外。法國著名大跨度地下空間與隧道建設學者Dufaut進行了很多重大地下空間洞室的設計和發(fā)展規(guī)劃，對法國的地下工程發(fā)展和隧道建設有很多重大貢獻。巴黎至里昂的地下鐵路隧道，就是在他規(guī)劃設計指導下完成的。一、國外大跨度地下空間利用2可編輯課件PPT1986年，Duffaut給出了大洞室研究的一個小結。地下采礦開挖的空間，很多洞室會長期保持穩(wěn)定和安全。這是因為任何地下洞室的設計都要廣泛的了解地質(zhì)學和巖石力學建造的。為了實現(xiàn)安全和經(jīng)濟，巖石洞室必須和巖石大容積結構以及原位應力場相協(xié)調(diào)。地質(zhì)條件選得好可以提供礦產(chǎn)和石油資源存儲，同時也能提供有價值的大洞室的場所。

１、法國地下空間利用3可編輯課件PPT

很多采礦洞室，都要求做一定的支護，因為所有的深地下洞室都面對高地應力問題。很早以前，采礦工程師在比較差的地層和處理高地應力的實踐過程中發(fā)展了支護技術。城市規(guī)劃中大洞室在歐洲的發(fā)展比淺埋結構發(fā)展更快。如果在山體中開挖，城市的洞室將更有現(xiàn)實意義。山地城市和平原城市相比較更容易實現(xiàn)大洞室的計劃。

4可編輯課件PPT2、中微子方法研究用于深地下大洞室中微子是很輕很小的粒子，以光速進行運動?？梢赃\用中微子閃光法進行檢測，中微子閃光是和透明液體原子相撞擊時發(fā)射出來的。為了減小宇宙射線產(chǎn)生的干擾，洞室必須盡可能合理開挖的深一些。最近幾十年，各國建立了地下實驗室，利用深部采礦施工設施，或者是通過現(xiàn)有的高山交通隧道進行中微子檢測的科學研究。5可編輯課件PPT3、大空間自然洞室大空間自然洞室是在喀斯特溶巖里產(chǎn)生的，最大的是在馬來西亞Sarawak邦，洞室寬400m、長600m、高150m，沒有任何柱子支撐。所有的自然洞室都相對比較淺。在層狀巖體中，很多洞室頂部是平坦的，跨度小于100m。自然洞室提供了超大型人工洞室設計的依據(jù)，有些洞室偶爾表現(xiàn)出坍塌的跡象，但絕大多數(shù)洞室表現(xiàn)出了長期的穩(wěn)定性。

6可編輯課件PPT4、歐洲人工大洞室芬蘭的Tytyri礦山的花崗巖層里包含有石灰?guī)r，達到100m的跨度，大型的四面體空間仍然保持穩(wěn)定。巖鹽的案例中其形狀受溶解過程的控制，在一個開采井產(chǎn)生的洞室，用于油氣存儲可以達到人工大洞室的體積，高達200萬立方米（35米直徑，800米高）。

（1）地下采礦洞室7可編輯課件PPT工業(yè)洞室按照用途劃分為：地下火車站、地下電站、地下倉儲。在20世紀，全世界已經(jīng)開挖了數(shù)百個地下水電站廠房，很多水電廠房具有曲墻的形狀，因為設計者擔心跨度問題而不采用高直墻結構，他們設想建造一個大空間時要抵抗重力的影響。（2）工業(yè)洞室8可編輯課件PPT1993年為了迎接冬季奧林匹克運動會在挪威建成Gjovik滑冰場，這項設計是為了會后進行標準核電廠的可行性論證（61米跨度，25米高，91米長，16.5萬立方米）。冰場可以提供5800個座位，挪威是把小型核電廠放到在Halden洞室的第一家。

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1940年，建立了第一個供存儲用的軍事燃料的洞室。起初，標準的鋼制箱體密封在洞室里，在夏威夷檀香山用，隨后在阿爾及利亞，法國設計了預應力混凝土圓筒形體結構。在同一時間，瑞典采用臨近港口的礦坑來儲藏天然石油，它的不透油性是由四周的海水所提供的。從那時起，已經(jīng)建造了數(shù)百個洞室。當石油儲量超出4萬立方米時，地下洞室比地上便宜。10可編輯課件PPT5、深地下空間開挖的應力控制應變控制是釋放超高應力的通用方法。巖柱和頂部之間常有超應力問題出現(xiàn)，他們采用密排鉆孔的方法避免巖石剝離，減小局部的超應力。這種方法也可以通過可壓縮的軟被覆層來獲得，或在巖體和被覆之間形成一個可閉合的初始空間。11可編輯課件PPT在公路隧道里，奧地利的Muller教授采用了噴射混凝土支護拱頂?shù)姆椒?；在瑞士深地下隧道建設過程中，Kalman教授在被覆中采用可壓縮的泡沫混凝土的辦法，達到了釋放高應力的目的。挪威的工程人員在直徑50米以上的大洞室上方設置小廊道消除水平應力。同樣的在大洞室的四周采用小的隧道進行徑向截斷，取決于巖體的特性，這些小的隧道群可能有閉合作用，如果進入完全塑性區(qū)，這種應力控制方法更有效。12可編輯課件PPT6、地下城市規(guī)劃1993年5月落成的挪威Gjovik滑冰場，是在城市背面花崗巖山體中挖掘的。場地還伴隨有很多小型的洞室，電話接轉站和安全服務站以及游泳池。洞室拱頂61米寬，巖石覆蓋層厚度小于跨度，大約為25到50米。在工程施工中發(fā)現(xiàn)巖石的質(zhì)量很好，僅有的支護是纖維混凝土噴射層，15cm厚加上6m的鋼錨桿，間距2.5m。

13可編輯課件PPT摩納哥是個很小的獨立的公國，介于法國和地中海之間，距離意大利很近。它的面積大約3平方公里，這個城市充分利用地下空間，很多摩納哥地下工廠是建在山坡下的。具有山地城市由于其山體內(nèi)部的空間容量大而具有許多優(yōu)勢：排水可以靠重力驅動，通風也是如此。汽車也可以不必發(fā)動而走出洞外。14可編輯課件PPT摩納哥大洞室15可編輯課件PPT

日本的設計方案是兩個平行隧洞，卵形斷面長度250m，是采用斷面分區(qū)鑿巖爆破方法施工的，為了避免出現(xiàn)超高地應力破壞作用做了雙層被覆結構；日本和瑞典設計的用混凝土澆筑小廊道作圍巖支護。16可編輯課件PPT日本提出的兩條平行隧洞施工方案17可編輯課件PPT洞室開挖前支護方案（瑞典）洞室開挖前支護方案（日本）18可編輯課件PPT通過洞室上方的小廊道控制高水平應力（瑞典專利Selmer）19可編輯課件PPT

挪威大跨度隧洞的高水應力問題采用洞室上部錨桿支護和廊道卸壓的方法得以解決。綜上所述，借鑒國外大洞室開挖的方法，實現(xiàn)我國關于地下大洞室的創(chuàng)新結構形式是完全可行的。20可編輯課件PPT二、我國大跨度洞室建設和治理1、云南大跨度地下洞室建設

（1）漫灣水電站邊坡加固

1988年初出現(xiàn)嚴重邊坡塌方，施工中斷，山坡上的纜式起重機無法運行。山體邊坡坡高150m，坡度50～70°。采用100～300噸大噸位預應力長錨索支護，三個月后纜式起重機恢復運行。

21可編輯課件PPTTheManWanhydroelectricstationislocatedonthemiddlereachesoftheLanCangRiverinYunNanprovince.22可編輯課件PPTCollapseofslopehappenedseriously.Wehadreinforcedtheslopeofmountainandhadcompleteditwithin3months.

23可編輯課件PPTPrestressedanchorsof600~1200KN,30-35mlengthwasusedbyuswith2timesgrouting.24可編輯課件PPTHole’s

diameterof250mmanddepthof70m.DrilledbyCM351drillingmachine.25可編輯課件PPTAnchorof600Tisinstallingintoholeonworksite.26可編輯課件PPTTensionofanchorof6000KN27可編輯課件PPT采用特制除渣工具配合CM351鉆機采用CM351鉆機可以鉆直徑250毫米深70米鉆孔28可編輯課件PPT（2）云南大朝山和柴石灘水電站

云南大朝山水電站的地下廠房建設跨度26m、高度52m，其建設空間斷面設計和小浪底基本一致。山巖地質(zhì)條件很差，大體上和小浪底的含泥夾層沙礫巖類似，整體穩(wěn)定性不足，極易產(chǎn)生崩落和坍塌。29可編輯課件PPT主廠房高62.3m，洞跨26m設計錨索496根,工作荷載2000KN30可編輯課件PPTThedesignedprestressofanchorsare1000KN,anchorof35~40mlongamountto426.Blocksofconcreteandreinforcedconcretebeamsenhancethecombinationbetweenanchors.

31可編輯課件PPT（4）全長防護錨索的結構材料全長防護錨索是一種具有全長防護性能的雙層保護自由錨索，它比普通的自由錨索多一道全長設置的PVC波紋管防腐層。32可編輯課件PPT在目前國內(nèi)的實踐中，錨索結構與材料包括鋼絞線、波紋管、內(nèi)隔離架、對中支架。33可編輯課件PPT（5）大朝山支護全長注漿錨索施工工藝全長注漿錨索屬于自由錨索。其主要特點是使用可傳力強化塑料波紋管，雖然仍屬拉力型錨索，但由于波紋管和錨索包裹體的雙層保護作用可以防銹50年。在施工工藝中解決了接頭剛性連接和鉆孔準直度高要求問題。34可編輯課件PPTAfterinstallinginnovativecorrectJointadapter,thedrillingprecisionwasimprovedgreatlyanditsangledeviationwaslessthan2°.35可編輯課件PPT2、拉力分散和壓力分散型錨索（1）分散壓力型錨索，目前已在全國得到廣泛普及。錨索注漿凝結后的長期受力狀態(tài)是壓力，從而避免了混凝土砂漿受拉致裂滲入水的腐蝕作用。結構工作特點是有端板承受拉力，并將力傳遞給四周圍巖。壓力型錨索經(jīng)過分散后，張拉傳力作用過程得到優(yōu)化，使孔洞圍巖受力趨向均勻。我國壓力分散型錨索是同日本韓國同步發(fā)展合作研究的結果，但是應用范圍更廣。36可編輯課件PPT(2)Typicalrestressableanchorheaddetailfordoubleprotectionofstrandtendon37可編輯課件PPT（3）壓力分散型錨索（加擋板）

無粘結段與錨固段剝除1-3米套管，臺階狀布置，形成拉壓分散型錨索，可提供均勻錨固力。38可編輯課件PPT重力注漿雙層保護錨索結構圖（4）小浪底德國雙層保護錨索

39可編輯課件PPT小浪底德國3000KN雙層保護錨索結構圖40可編輯課件PPT3.1四川雅礱江二灘水電站拱壩高240m，泄壩洞進口方形斷面13×13.5m。由于山體巖石地質(zhì)條件差，山勢陡峻，在進水口和洞室開挖過程中，滑動位移發(fā)展過快，有失穩(wěn)的危險。采用全長注漿防銹錨索，施加張拉力后，整體作用很好，產(chǎn)生了反向位移。3、二灘八渡全長保護型錨索41可編輯課件PPTConstructionoflongcableanchorintheBADURailwayStation42可編輯課件PPT錨索設計噸位2000KN，鉆孔通過45～65m的塌積物地層，地層松軟、破碎，部分鉆孔通過10～15m的流塑狀泥層3.2廣西八渡火車站滑移加固43可編輯課件PPT

采用錨固樁—錨索復合加固方案，錨索長55～70m。44可編輯課件PPT45可編輯課件PPT4、雙液注漿和高聚物注漿4.1地下空間和隧道施工作業(yè)，當隧洞貫穿裂縫發(fā)育同山體外連通時，必須采用雙液注漿方法控制注漿過程，在注漿流動過程中使之凝結下來，不斷增長強度，采用高聚物注漿效果更好。46可編輯課件PPTHighwaytunnelThemountainrockisseriouslybrokenandthestabilityofthetunnelisverypoor.Adoptingcementslurryandsodiumsilicatesolution-twoliquidstechnology,weresolvedtheseepageproblem.47可編輯課件PPT

近幾年國內(nèi)研制的高聚物產(chǎn)品及其配套的高壓注漿技術有