地下工程概論-設(shè)計與施工

地下工程的基礎(chǔ)技術(shù)

地下工程的基礎(chǔ)技術(shù)，包括；規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計、施工以及運營等方面技術(shù)的現(xiàn)狀和展望。

5/11/20251第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)二、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計流程與解析技術(shù)5/11/20252第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)三、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1、圍巖分級（P127）（1）基本概念①巖石：均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。②巖體：是在地質(zhì)歷史中，經(jīng)過巖石建造、構(gòu)造形變、和次生蛻變而形成的地質(zhì)體，它被許多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割為大小不等，形狀各異的各種塊體。5/11/20253第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)③圍巖：地層中受坑道開挖影響的那部分巖體。④圍巖分級：根據(jù)一個或幾個主要指標(biāo)將無限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個類別，并依照每一類圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5/11/20254第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（2）我國鐵路隧道圍巖分級的指標(biāo)①由巖石強度的堅硬程度、圍巖的完整程度確定圍巖的基本分級②地下水及初始應(yīng)力場修正圍巖基本分級（3）分級方法（P128表4-7）將圍巖分為Ⅵ級，從Ⅰ~Ⅵ圍巖力學(xué)性質(zhì)由強到弱

5/11/20255第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/20256第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/20257第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)2、地下結(jié)構(gòu)體系的計算模型（1）地下結(jié)構(gòu)體系：由地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成，其中以地層為主，支護(hù)僅用來約束地層，不使它產(chǎn)生過大的變形而破壞坍塌，地層既是承載結(jié)構(gòu)的基本組成部分，又是造成荷載的根本來源。5/11/20258第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（2）地下結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計模型①經(jīng)驗設(shè)計法參照過去隧道工程實踐經(jīng)驗進(jìn)行工程類比的；②實用設(shè)計方法（情報設(shè)計法）以現(xiàn)場量測和實驗室試驗為主的，例如以洞周位量測值為基礎(chǔ)的收斂一約束法；③作用一反作用模型，即荷載一結(jié)構(gòu)模型，例如彈性地基圓環(huán)計算和彈性地基框架計算等計算法；④連續(xù)介質(zhì)模型包括解析法和數(shù)值法。數(shù)值計算法目前主要是有限單元法。5/11/20259第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（3）結(jié)構(gòu)力學(xué)方法——荷載結(jié)構(gòu)模型計算方法

①基本原理是將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，②隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的模擬通過彈性支承對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮。圍巖的承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力越小，彈性支承約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抗力越大，相對來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)所起的作用就變小了。

5/11/202510第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202511第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)③適用條件只要在施工過程中不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖保持緊密接觸，有效地制止周圍巖體變形和松弛而產(chǎn)生松動壓力。④評價一般說來，按此模型設(shè)計的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。5/11/202512第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（4）巖石力學(xué)的計算方法①基本原理巖石力學(xué)方法是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖一結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型，②隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的模擬在這個模型中圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形，5/11/202513第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)③評價它符合當(dāng)前的施工技術(shù)水平，在圍巖一結(jié)構(gòu)模型中可以考慮各種幾何形狀，圍巖和支護(hù)材料的非線性特性，開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)，以及地質(zhì)中不連續(xù)面。施工過程等。在這種模型中有些問題是可以用解析法求解或用收斂一約束法圖解的，但絕大部分問題，因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法，主要是有限單元法。5/11/202514第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202515第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（5）以圍巖分級為基礎(chǔ)的經(jīng)驗設(shè)計方法在大多數(shù)情況下，隧道支護(hù)體系還是依賴“經(jīng)驗設(shè)計”的，在實施過程中，依據(jù)量測信息加以修改和驗證。經(jīng)驗設(shè)計的前提要正確地對坑道圍巖進(jìn)行分類，然后在分類的基礎(chǔ)上編制支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本圖示。在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗設(shè)計時，需要注意的幾點的原則是：①首先要對坑道圍巖進(jìn)行分類，這些分類大都是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為各種地下工程單獨編制的

5/11/202516第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)②在各類巖體中，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體是按下述原則選用：a完整、穩(wěn)定的巖體：錨桿長度<1.5ｍ，n=４～４.２根/m左右，噴混凝土用于填平補齊二次襯砌用最小混凝土厚度，約３０ｃｍ左右。B易破碎、剝離的塊狀巖體:錨桿長度1.5~3.5ｍ，n=10根/m左右，噴混凝土0~10cm，二次襯砌30~40cm5/11/202517第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)C、有地壓作用的破碎巖體錨桿長３.０～４.0ｍ，ｎ＝１０根／ｍ噴層：拱部和側(cè)壁噴層厚約１５～２０cm。二次襯砌厚度為４０～５０ｃｍd、強烈擠壓性巖體或有強大地壓的巖體。錨桿長４.０～６.0，n＝１５根／ｍ左右噴層厚20～２５ｃｍ，二次襯砌厚度，５０ｃｍ左右。5/11/202518第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)③在施工中應(yīng)盡量少擾動圍巖，使其盡量保持原有巖體的強度，應(yīng)采用控制爆破技術(shù)。④預(yù)計有大變形和松弛的情況下，開挖面要全面防護(hù)（包括正面），使之有充分的約束效應(yīng)，在分臺階開挖時，上半斷面進(jìn)深不宜過長，以免影響整個斷面的閉合時間。⑤在修二次襯砌之前要修防水層，形成具有防水性能的組合襯砌。⑥允許甚至希望巖石出現(xiàn)一定的變形，以減少支護(hù)所需的防護(hù)措施。

5/11/202519第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)⑦應(yīng)有一個詳細(xì)周密的量測計劃。它系統(tǒng)地控制施工中的變形與應(yīng)力情況，確定所建立的支護(hù)阻力是否和圍巖類型相適應(yīng)以及是否還需要加強措施。。⑧要嚴(yán)格按照預(yù)定的施工程序施工。5/11/202520第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)（6）情報化設(shè)計方法①情報化設(shè)計，實質(zhì)上是通過施工前和施工過程中的大量信息（情報）來指導(dǎo)設(shè)計和施工，以期獲得最佳地下結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計方法，也有稱之為信息反饋設(shè)計方法或現(xiàn)場預(yù)測設(shè)計方法的。

5/11/202521第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)②地下工程的情報化設(shè)計方法：預(yù)測施工前的信息（主要是地質(zhì)信息）——施工——進(jìn)行施工監(jiān)測——依其信息（主要是位移、應(yīng)變、壓力等）修改預(yù)設(shè)計——再施工、再量測——直到形成一個長期穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。它不僅包括施工前的預(yù)設(shè)計，也包括施工過程中的修正設(shè)計，把過去截然分開的施工和設(shè)計兩個階段，融化為一體，構(gòu)成了一個完整的設(shè)計過程。5/11/202522第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)四、鐵路隧道的設(shè)計方法我國鐵路隧道的設(shè)計方法，基本上是采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，即按結(jié)構(gòu)——荷載模式進(jìn)行設(shè)計和計算的。鐵路隧道尺寸、形狀比較單一。因此，鐵路隧道襯砌的設(shè)計已經(jīng)定型化、標(biāo)準(zhǔn)化。目前鐵路隧道的標(biāo)準(zhǔn)圖，包括單線、雙線隧道的襯砌、洞門、明洞等。根據(jù)牽引類型的不同，又分為電力牽引、內(nèi)燃牽引及蒸汽牽引等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。5/11/202523第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)1、設(shè)計步驟：（1） 斷面形式和結(jié)構(gòu)尺寸的擬定——工程類比法；（2） 計算作用在結(jié)構(gòu)上的荷載——主動和被動荷載；（3）計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力；（4）檢算：安全系數(shù)，偏心距，基底承載力；5/11/202524第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)地下工程施工施工工藝過程工法的關(guān)鍵技術(shù)要點5/11/202525第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)第一節(jié)施工方法分類

明挖法暗挖法蓋挖法礦山法斜邊坡垂直邊坡+支擋結(jié)構(gòu)盾構(gòu)法泥水盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機法沉埋管段法新奧法5/11/202526第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)第二節(jié)明挖法施工為什么采用明挖法施工5/11/202527第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202528第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式鉆孔灌注樁人工挖孔樁地下連續(xù)墻SMW樁墻鋼板樁土釘墻5/11/202529第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202530第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202531第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202532第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202533第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202534第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202535第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202536第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)第三節(jié)

蓋挖法施工為什么采用蓋挖法施工？分：蓋挖順作法、蓋挖逆作法工程實例：上海地鐵車站—常熟路站、陜西南路站、黃陂路站，北京地鐵車站—永安里站、大北窯站、天安門站蓋挖逆作法工藝過程5/11/202537第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202538第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)第四節(jié)山嶺隧道新奧法施工傳統(tǒng)礦山法采用鋼、木支撐作臨時支護(hù)，單層鋼筋混凝土襯砌，不進(jìn)行施工量測。新奧法（NATM）NewAustriaTunnelingMethod以控制爆破或機械開挖為主要掘進(jìn)手段，以錨桿、噴射混凝土為主要支護(hù)方法，理論、量測和經(jīng)驗相結(jié)合的一種施工方法。是指導(dǎo)隧道設(shè)計和施工的原則和理論體系。5/11/202539第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)圣哥達(dá)隧道的木支撐5/11/202540第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)新奧法的原理1、保護(hù)圍巖光面爆破、預(yù)裂爆破或機械掘進(jìn)2、充分發(fā)揮圍巖的承載能力錨桿噴射混凝土作初期支護(hù)—柔性支護(hù)3、施工過程的現(xiàn)場監(jiān)控量測—信息反饋4、一般采用復(fù)合式襯砌新奧法的基本原理可扼要地概括為：“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”。新奧法施工，按其開挖斷面的大小及位置，可分為：全斷面法、臺階法、分部開挖法三大類及若干變化方案。5/11/202541第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202542第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202543第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202544第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202545第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202546第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202547第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202548第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)具體工法全斷面法臺階法分部開挖法5/11/202549第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)施工過程的監(jiān)控量測為什么要監(jiān)控量測？一、量測項目

必測項目：收斂量測、拱頂下沉量測、（地表沉降）。

選測項目：圍巖內(nèi)部變形量測、錨桿軸力量測、圍巖壓力量測、支護(hù)及襯砌應(yīng)力量測、鋼架內(nèi)力及所承受的荷載量測等。二、量測頻率三、監(jiān)控量測信息的整理與反饋：回歸分析5/11/202550第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202551第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)第五節(jié)城市地下工程新奧法施工

淺埋暗挖法:CD法、CRD法、中洞法等。施工技術(shù)要點：“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護(hù)、早封閉、勤量測”。5/11/202552第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202553第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202554第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202555第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202556第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)盾構(gòu)法概論5/11/202557第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202558第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202559第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)5/11/202560第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)地下連續(xù)墻的位置5/11/202561第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)盾構(gòu)法施工概貌盾構(gòu)盾構(gòu)千斤頂壓漿孔在盾尾空隙中的壓漿出土轉(zhuǎn)盤盾構(gòu)正面網(wǎng)格管片拼裝機管片壓漿泵出土機由管片組成的隧道襯砌結(jié)構(gòu)后盾管片豎井盾構(gòu)法施工概貌

盾構(gòu)法是使用所謂的“盾構(gòu)”機械，在圍巖中推進(jìn)，一邊防止土砂的崩坍，一邊在其內(nèi)部進(jìn)行開挖、襯砌作業(yè)修建隧道的方法。5/11/202562第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)發(fā)展史：

最早是在1818年由英國工程師布魯諾爾(M.I,Brunel)發(fā)明的，他是從船的木板中，有一種蛀蟲鉆出孔道，并用它分泌的粘液加固洞穴得到啟發(fā)而研制出的，并于1925年開始用一個寬11.58m、高6.7m的矩形盾構(gòu)，在英國倫教的泰晤出河下面修建世界第一條水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的極大困難，兩次被淹，直至1835年對后構(gòu)作了改良.用壓氣輔助施工，才于1843年完工。隧道全長458m。5/11/202563第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)1888~1890年間用盾構(gòu)法在美國和加拿大間的圣克萊(St,Clair)河下建成了一條直徑為6.40m，長為1870m的薩爾尼亞(Sarnia)水底隧道，為盾構(gòu)法修建隧道開拓了更為廣闊地發(fā)展前景。20世紀(jì)初，盾構(gòu)法施工已在美、英、法、俄等國開始推廣，已用在水底公路隧道、地下鐵道、上下水道、電力、通訊煤氣等市政公用地下設(shè)施管道。1932年原蘇聯(lián)開始用直徑為6.6~9.5m的盾構(gòu)先后在其斯科、列寧格勒、基輔等城市修建地下鐵道的區(qū)間隧道及車站。5/11/202564第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)1922年日本開始用盾構(gòu)法修筑國鐵奧羽線折渡隧道。1943年修建關(guān)門水底隧道直徑達(dá)6.0m，長1100多米。1956年在海州露天礦用直徑2.66m的盾構(gòu)在砂土層開鑿了疏水巷道；1957年起北京采用直徑2.0m、2.6m的盾構(gòu)施工下水道工程；5/11/202565第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)1972年在江蘇大屯礦用立井盾構(gòu)施工了井筒達(dá)150m。從1960年起上海在第四紀(jì)軟弱飽和水土層中用不同類型盾構(gòu)完成了一批地鐵區(qū)同隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、電纜隧道等工程。5/11/202566第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)一、盾構(gòu)法的主要優(yōu)點除豎井施工外，施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，噪音、振動引起的公害小，既不影響地面交通，又可減少對附近居民的噪音和振動影響。盾構(gòu)推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進(jìn)行，施工易于管理，施工人員也較少，勞動強度低，生產(chǎn)效率高。土方量外運較少。穿越河道時不影響航運。5/11/202567第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)一、盾構(gòu)法的主要優(yōu)點施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響。隧道的施工費用不受覆土量多少影響，適宜于建造覆土較深的隧道。在土質(zhì)差水位高的地方建設(shè)埋深較大的隧道，盾構(gòu)法有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。當(dāng)隧道穿過河底或其他建筑物時，不影響施工。只要設(shè)法使盾構(gòu)的開挖面穩(wěn)定，則隧道越深、地基越差、土中影響施工的埋設(shè)物等越多，與明挖法相比，經(jīng)濟(jì)上、施工進(jìn)度上越有利。5/11/202568第四章第二節(jié)設(shè)計技術(shù)二、盾構(gòu)法存在的不足當(dāng)隧道曲線半徑過小時，施工較為困難。

在陸地建造隧道時，如隧道覆土太淺，開挖面穩(wěn)定甚為困難，甚至不能施工，而在水下時，如覆土太淺則盾構(gòu)法