3 隧道與洞室工程 盾勘察與規(guī)劃

1、n現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)種類繁多，特性各異，適用土質(zhì)條件、環(huán)境條件也各不相同。n如不對上述條件進(jìn)行勘察，或者勘察不細(xì)致，則可能造成設(shè)計不合理，施工中出現(xiàn)事故等等。1 勘察勘察 例如：n某存在一定坡度的盾構(gòu)隧道，事前粗略的土質(zhì)勘察和借鑒其它工程的土質(zhì)勘察結(jié)果，把盾構(gòu)穿越的地層定為粉砂層，但是遺漏了其中一小段地層為砂礫層（且地下水壓較大）的客觀事實，誤認(rèn)為整個路線上均為粉砂層，故選用了擠壓盾構(gòu)施工，當(dāng)穿越砂礫層部位時，出現(xiàn)大量噴水現(xiàn)象。又如，n盾構(gòu)穿越沼澤地帶時地層中可能會藏有甲烷氣體，如果事先不認(rèn)真勘察，施工中也不制定應(yīng)急防范措施和儲備應(yīng)急設(shè)備，則施工中出現(xiàn)事故造成損失也在所難免。再如：n施工前對盾構(gòu)路線近

2、旁的各種地下管道和設(shè)施勘察不充分，施工中也不跟蹤監(jiān)測，則施工中出現(xiàn)管道破裂（沉降引起）、基礎(chǔ)受損，致使噴水、漏氣、爆炸、地表建筑物傾斜或墻體開裂等事故也不少見。n總之，因勘察工作疏忽，致使施工時發(fā)生事故的事例數(shù)不勝數(shù)，留下了慘痛的教訓(xùn)。n總起來說，事先不做勘察或者勘察不徹底，則施工中發(fā)生事故的概率較大，致使工期賠誤、成本提高、有時還要大量賠款，嚴(yán)重時整個豎井或隧道報廢。n事先勘察是決定建造隧道成敗的關(guān)鍵因素，我們必須慎重對待。n制定總體規(guī)劃方案階段，以確定路線作為主要目的的勘察為預(yù)備勘察。n主要是收集整理有關(guān)資料，現(xiàn)場勘察。n設(shè)計階段勘察分為基本設(shè)計和正式設(shè)計兩步。 n基本設(shè)計階段的勘察為基本

3、勘察。n包括鉆孔、原位試 驗、土體取樣室內(nèi)土體試驗、繪制隧道沿線地質(zhì)剖面圖。n正式設(shè)計階段的勘察為詳細(xì)勘察，主要指依據(jù)土體試驗的結(jié)果，研究平面、縱剖面線形，確定盾構(gòu)機(jī)機(jī)型，提出在盾構(gòu)施工中可能出現(xiàn)的技術(shù)問題，進(jìn)而針對這些問題進(jìn)行再勘察。 n施工階段的勘察大致上也分為兩步，即輔助工法施工效果勘察和盾構(gòu)施工勘察。n前者的主要目的是確認(rèn)輔助工法的地層加固效果；后者的目的是為盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供施工管理的數(shù)據(jù)，確保掘進(jìn)施工正常。n隧道竣工后繼續(xù)對長期影響隧道性能的因素的連續(xù)勘察，稱為跟蹤勘察。n規(guī)劃勘察即制定總體規(guī)劃階段開展的預(yù)備勘察。n該項勘察的主要目的是確定隧道的線址、豎井的設(shè)備位置及判定盾構(gòu)工法的適

4、用性?？辈旖Y(jié)果還可用作后期設(shè)計階段和施工階段的參考資料。n規(guī)劃勘察的勘察項目大致包括：場地條件、障礙物的分布狀況和數(shù)量、地形、土質(zhì)、周圍環(huán)境及以往的施工實例。n這些勘察項目與規(guī)劃、設(shè)計及施工的關(guān)系示于下表n1、場地條件勘察n場地條件勘察包括：土地利用情況；將來的規(guī)劃；道路的類型和路面交通狀況；有無工程用地及用地 周圍的環(huán)境，包括河流、湖泊、海洋等自然環(huán)境；供電及給排水設(shè)施的需求及設(shè)備狀況。n隨后根據(jù)勘察結(jié)果，確定線址和基地位置、制定設(shè)備需求計劃，擬定環(huán)境保護(hù)措施。n 2、障礙物勘察n障礙物勘察系對原有的地上、地下構(gòu)造物、埋設(shè)物、水井和以往的工程施工記錄等進(jìn)行勘察。若發(fā)現(xiàn) 有埋入板樁、廢棄設(shè)施的

5、基礎(chǔ)樁等殘存物時，則事先應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)上設(shè)切割作業(yè)用的入孔和濾除這些障礙物的裝置。n下圖分別為安裝在盾構(gòu)機(jī)上的濾除刀具切削下來的木屑的裝置和某廢棄橋墩基礎(chǔ)松木樁的殘存位置斷面圖。n 3、地形和土質(zhì)勘察n在基本規(guī)劃階段的地形及土質(zhì)的勘察應(yīng)以現(xiàn)場踏勘和收集資料為主。n勘察項目有：地形，地層構(gòu)造，土質(zhì)，地下水，地層中的氣體是否缺氧、是否存在毒氣、是否會出現(xiàn)大范圍的地層沉降等等。n此外，掌握因抽取地下水導(dǎo)致的大范圍地層沉降、填土造地等填土荷載引起的沉降收斂程度和以后的沉降狀況的勘察也很必要n因為弄清這些沉降可將施工的沉降影響分離開來，方能更好地控制施工的影響。n 4、周圍環(huán)境勘察n通常盾構(gòu)施工時產(chǎn)生的噪聲

6、、振動、地層變位、注漿造成的地下水污染、排放的廢棄物（ 泥）等問題會對環(huán)境構(gòu)成污染，為此需勘察其影響程度，并制定抑制措施。n特別是隧址周圍和作業(yè)基地周圍存在古建筑或重要設(shè)施的情況下，更應(yīng)詳細(xì)勘察。n此外，還應(yīng)注意上述污染對周圍動植物的影響。n5、以往施工實例的勘察n在盾構(gòu)機(jī)選型、制定盾構(gòu)施工計劃時，對同一地區(qū)的以往的施工實例的調(diào)查也非常重要。n特別是出過事故的施工實例，在盾構(gòu)選型、輔助工法設(shè)計、制定環(huán)保措施等方面更具參考價值。n如果該工程是該地區(qū)的第一項盾構(gòu)施工工程，則可借鑒對象地層土質(zhì)條件類似、接近的同類盾構(gòu)機(jī)種的其它區(qū)域的施工實例的經(jīng)驗。n設(shè)計勘察系設(shè)計階段的勘察，以地質(zhì)、土質(zhì)勘察為重點。

7、n設(shè)計討論事項及其必要的土質(zhì)條件、原位試驗、室內(nèi)試驗的匯總?cè)缦卤硭尽1) 基本勘察n基本勘察即按規(guī)劃勘察階段確定的線址進(jìn)行鉆孔勘察。鉆孔勘察的孔距因地形、地層構(gòu)造的不同而不同，一般部位的孔距為200300m，但豎井部位必須要鉆孔。n作為原位試驗多選用標(biāo)準(zhǔn)貫入，試驗頻率多定為1次/m。每層均應(yīng)進(jìn)行土體取樣，并做室內(nèi)試驗。n此外，還應(yīng)利用鉆孔法測定地下水位，最后根據(jù)上述現(xiàn)場勘察結(jié)果繪出縱斷土質(zhì)柱狀圖。n必要的室內(nèi)試驗項目包括：密度，含水率，重度，粒度，液限、塑限試驗，單軸、三軸壓縮試驗，壓密試驗等。n2) 詳細(xì)勘察n在基本設(shè)計勘察確定的平面、縱斷面線形和盾構(gòu)機(jī)型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行明確盾構(gòu)機(jī)、襯砌、

8、豎井設(shè)計條件的詳細(xì)勘察。詳細(xì)勘察的重點是盾構(gòu)施工線址上的特殊地層的各種特性的勘察。n下列一些地層值得特別注意：a)崩塌性砂層；b)高水壓的混有巨石的礫層； c)缺氧地層，含有毒氣體的地層。n（1）崩塌性砂層n崩塌性砂層的特點是不均勻系數(shù)小、密實性差、滲水系數(shù)大、穩(wěn)定性差，土壓稍有失衡就會發(fā)生崩塌。對這種地層來說，當(dāng)盾尾離開背后注入漿液尚未填充到位之前的短暫時間間隔內(nèi)，地層中出現(xiàn)空洞，此時砂層中出現(xiàn)崩塌直至地表出現(xiàn)凹陷(示意圖如圖2.3.1所示）。n盾構(gòu)在這種地層中推進(jìn)時，為確保掘削面的穩(wěn)定，必須設(shè)計出與地層條件相匹配的泥水(泥土)參數(shù)。n泥水盾構(gòu)的情形下，應(yīng)恰當(dāng)?shù)倪x擇泥水的密度、粒度級配、泥水

9、的粘度等參數(shù)，詳見泥水盾構(gòu)一章的敘述；同時，應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇泥土的配比、添加材的注入量等參數(shù)，詳見土壓盾構(gòu)一章的敘述。n為此，準(zhǔn)確的掌握掘削土層的粒徑級配構(gòu)成、滲水性和地下水位等參數(shù)顯得極為重要。這些參數(shù)是防止擋土墻接頭部位涌水和保障管片密封材料止水性的設(shè)計依據(jù)，故這些勘察勢在必行。n（2）高水壓礫層n這種地層多為江河下部含大卵石的高水壓的礫層，掘削這種地層之前，必須弄清大小卵石的形狀、尺寸、數(shù)量硬度、地下水的流速、流量等參數(shù)，因為這些參數(shù)是設(shè)計盾構(gòu)詳細(xì)掘削構(gòu)造(刀具材質(zhì)、形狀、切口形狀等）的依據(jù)，必須詳細(xì)勘察。n當(dāng)采用常規(guī)鉆孔法難以獲得上述參數(shù)時，可采用大口徑鉆孔和試掘深基礎(chǔ)的方法來取得上述參數(shù)

10、。n此外，當(dāng)豎井井底粘土層下方存在礫石層的情況下，開挖井底時因承壓水的作 用可能會出現(xiàn)井底隆起。n對這種情形來說，必須事先通過測量孔隙水壓等方法，掌握承壓水的壓力，必要時應(yīng)采取地層加固等措施予以防止。n（3）軟淤泥粘土層n該地層的特點是自然含水率比液限還大，故稍受外力作用就會發(fā)生擾動，且強度顯著下降。n就這種土層而言，不僅盾構(gòu)掘進(jìn)中保持土壓平衡極為困難，而且往往會出現(xiàn)下圖所示出的引動前期沉降，及盾構(gòu)通過后沉降長期不收斂，即沉降持續(xù)時間特別長。n為了防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象必須對該地層進(jìn)行加固，所以事先掌握土體的靈敏度和變形特性的勘察特別重要，因為這是合理進(jìn)行加固設(shè)計的依據(jù)。n（4）缺氧、含有毒氣體的地

11、層n盾構(gòu)穿越地下水枯竭的砂礫層和過多含有未分解有機(jī)物的粘土層，及缺氧和有毒氣的土層之前，應(yīng)先分析水質(zhì)，測定氣體濃度，了解其含量。n為了防范未然，盾構(gòu)機(jī)上應(yīng)配備各種監(jiān)測裝置及報警裝置，以此確保作業(yè)安全。n1) 確認(rèn)勘察n為了保護(hù)豎井井底，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞、出洞洞口，曲線部位，近接構(gòu)造物，通常采用注漿工法、高壓噴射深層攪拌工法、凍結(jié)工法等輔助工法對地層進(jìn)行加固。n采用以上加固方法對上述部位實施加固后，效果究竟如何?n原則上可用表2.4.1給出的判定方法進(jìn)行確認(rèn)，即所謂的確認(rèn)勘察。加固效果確認(rèn)包括加固范圍確認(rèn)(平面形狀、深度分布確認(rèn)，即三維空間確認(rèn)）和強度確認(rèn)（土體強度參數(shù)的改進(jìn)狀況）。n表中給出的方法較

12、多，應(yīng)該說這些方法各有各的用途，不簡單地說哪種方法絕對好，哪種方法絕對差。n選用哪種方法應(yīng)根據(jù)加固目的、客觀條件因地制宜。n不過這里我們應(yīng)當(dāng)指出：因為井底地層加固、曲線部位加固、構(gòu)造物外圍加固，均屬提高地層抗剪強度的加固，故可用標(biāo)準(zhǔn)貫入、旋轉(zhuǎn)觸探等勘察方法勘察；而對盾構(gòu)進(jìn)、出洞口的保護(hù)加固而言，因防水效果是第一位的，屬范圍加固，故可用電氣探層、中子探層、彈性波法、地下雷達(dá)法等方法勘察。n2) 管理勘察n作為盾構(gòu)推進(jìn)時的管理勘察，內(nèi)容包括掘削面的穩(wěn)定勘察、一次襯砌的組裝狀況勘察、背后注漿狀況察、周圍地層變位勘察、近接構(gòu)造物的表象勘察等項目。n對背后注漿狀況的勘察而言，多采用輕攜式錐休靜力觸探儀，

13、通過管環(huán)上的預(yù)留注漿孔測定管片背面土層的擾動范圍，通過土體取樣器測定背后注漿的固結(jié)厚度，再由這些測定結(jié)果確定有效的背后注漿位置、注漿量等背后注漿的管理基準(zhǔn)。n下圖所示為是土壓盾構(gòu)機(jī)在粘土層中掘進(jìn)時的擾動范圍和背后注漿厚度的測定結(jié)果的實例。結(jié)果表明管片外側(cè)的擾動范圍為3090cm，相當(dāng)于盾構(gòu)外徑的5%13%。n背后注漿后漿液的固結(jié)厚度的勘察結(jié)果因位置的不同而變化，其值為015cm。n接近構(gòu)造物的監(jiān)測管理可按表2.4.1給出的監(jiān)測內(nèi)容，結(jié)合構(gòu)造物的工況勘察管理。其它勘察項目將在有關(guān)的章節(jié)中詳細(xì)敘述。 n盾構(gòu)掘進(jìn)過后長時間的沉降造成的影響及動植物造成的影響，均系無法早期確認(rèn)的影響，所以必須在施工后做

14、跟蹤勘察確認(rèn)。n勘察因場合、影響因素的不同而不同，勘察頻率應(yīng)緩慢減少，通常在施工后一段相當(dāng)長的時間內(nèi)均需堅持跟蹤勘察。n本節(jié)主要包括電錐靜觸試驗、靜觸試驗、切削聲音識別土質(zhì)及土中有害氣體的勘察評價等新的土質(zhì)勘察方法。此外，還有其他如：地中構(gòu)造物及各種埋設(shè)管道設(shè)施的定位勘察方法，即電磁感應(yīng)法、磁探法、地下雷達(dá)法等無損探測法等方法。n標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探、旋轉(zhuǎn)觸探、膨脹計法、鉆孔參數(shù)記錄法等有關(guān)勘察方法，可參看相關(guān)文獻(xiàn)。2 勘察方法勘察方法 n1、靜力觸探n靜觸試驗的種類較多，圖示為靜力觸探（cft）法的測量概況。n靜力觸探是將金屬制作的圓錐形的探頭以靜力方式按一定的速度均勻壓入土中，借以量測貫

15、入阻力等參數(shù)值，間接評估土的物理力學(xué)性質(zhì)的試驗。n這種方法對那些不易鉆孔取樣的飽和砂土、高靈敏度的軟土以及土層豎向變化復(fù)雜、不易密集取樣查明土層變化狀況的情形而言，可在現(xiàn)場連續(xù)、快速地測得土層對觸探頭的貫入阻力。n近年推出的主要有電錐靜觸及ri靜觸試驗等。n電錐靜觸試驗？n地層的導(dǎo)電特性取決于地層的電阻率，電阻率取決于地層中間隙水的導(dǎo)電特性和土的構(gòu)造，地層不同，間隙水的導(dǎo)電特性和土的構(gòu)造不同，即電阻率不同。測定地層深度方向上的電阻率的變化狀況，就可知道地層的構(gòu)造狀況。 n電錐靜觸試驗就是在靜力觸探桿錐頭的上部設(shè)置電極，在靜觸桿貫入地層的的同時，測定該深度處的土體的電阻率，就可測得地層電阻率隨深

16、度的變化曲線，據(jù)此曲線可判定地層土質(zhì)隨深度的變化圖。n這種測定地層土質(zhì)電阻率的裝置稱為電阻率錐體靜觸裝置，簡稱為電錐靜觸裝置，對應(yīng)的測定地層土質(zhì)隨深度變化的試驗為電錐靜觸試驗。nri靜觸試驗？n正確地掌握砂地層的原位狀態(tài)非常重要，但是，取得不破壞原位構(gòu)造的砂試樣，進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)試驗求取土樣的物性值是件極其不容易的事。n對于細(xì)粒成分極少的砂層來說，使地層充分凍結(jié)隨后取樣的方法是獲得高質(zhì)量取試的最好途徑。但是這種方法的費用過大。n而近年開發(fā)成功的放射性同位素靜觸試驗（簡稱ri靜觸試驗），可以避免取樣，直接原位測定土層的各種特性參數(shù)。n這些特性參數(shù)除了包括一般靜力觸探試驗可以測定的參數(shù)出（地層側(cè)限壓縮

17、模量es、變形模量e0、間隙水壓力、地基土的承載力、判定土質(zhì)、砂地層液化及樁承載力等）之外，還新增了地層的含水率、濕密度及地層的相對密度。nri靜觸試驗適用于回填砂地層、河流性沖積砂地層、洪積砂地層等多種砂地層。 靜觸可對砂地層 缽行含水率和濕密度的探層。n其探層的結(jié)果，經(jīng)與在同一地點實施凍結(jié)取樣的室內(nèi)試驗求出的含水率、濕密度結(jié)果的對比，表明兩者的吻合程度較好，即精度較高。 n2、土中有害氣體的勘察評價方法n近年來地下工程（主要指盾構(gòu)隧道工程、沉井、沉箱工程等）根據(jù)多樣化的需求，目前正朝著大規(guī)模、大深度及多樣化的方向發(fā)展。n作為這些地下工程施工時的一個懸念問題，即存在可燃性氣體徑（主要是甲烷氣

18、體）、缺氧空氣、毒氣（硫化氫、二氧化碳）等土中有害氣體的威脅。n土中有害氣體造成的事故常有發(fā)生：可 燃性氣體造成的爆炸事故；缺氧氣體造成的缺氧事故；毒性氣體造成的中毒事故。這些事故一旦發(fā)生，對作業(yè)人員的生命直接構(gòu)成威脅。n為防范這些土中氣體造成的事故，除了施工中加強監(jiān)測防范之外，還應(yīng)在工程之前的土質(zhì)勘察階段實施“土中有害氣體的有無、種類，及施工中是否發(fā)生噴射（噴出位置、噴出量）等事項的勘察，以便制定必要的安全措施。n土中甲烷氣體的性質(zhì)、產(chǎn)生的主要原因土中甲烷氣體的性質(zhì)、產(chǎn)生的主要原因及地層內(nèi)的存在狀態(tài)及地層內(nèi)的存在狀態(tài)n前面已指出在多種有害氣體中，通常人們對其中的硫化氫、二氧化碳、缺氧空氣等氣

19、體有所了解，這里重點介紹甲烷氣體。n 1）.甲烷氣體的一般性質(zhì)n甲烷氣體（mathane）的分子式為ch4 ，別名沼氣、坑氣，其一般性質(zhì)如表3.3.1所示。n 2）.土中甲烷氣體的生成與存在環(huán)境n （1）產(chǎn)生源n由微生物學(xué)知道，有機(jī)物在無氧狀態(tài)下，由于細(xì)菌的作用被分解成甲烷和二氧化碳?xì)怏w。n甲烷的產(chǎn)生量與土中有機(jī)物的含量有關(guān)。n （2）甲烷生成后的擴(kuò)散n甲烷生成后，以溶存于地下水中的溶存氣體及存在于土顆粒空隙中的游離氣體兩種形式存在于土層中。其擴(kuò)散與地層的滲水特性有關(guān)。n （3）甲烷自身的物理化學(xué)性質(zhì)n從物理化學(xué)知道，甲烷氣體溶解于地下水的量，隨甲烷氣體所承受的壓力的增大而增大，隨溫度的下降而

20、增大。n（4）地形n甲烷存在于砂、砂礫層上方的滲水、透氣性能差的粘性土層中。多數(shù)的游離甲烷被壓縮在這種粘性土帛的凹部。n 3）.甲烷氣體在地層內(nèi)的存在狀態(tài)n多數(shù)情況下像圖3.3.1示出的那樣，甲烷氣體在有機(jī)質(zhì)土層中產(chǎn)生，溶存于上面存在不透氣粘土層的砂層的地下水中（液相），這種液相甲烷稱為溶存甲烷；當(dāng)甲烷量超過溶于地下水的飽和濃度時，多出的甲烷存在于土顆粒的空隙中（氣相），這種氣相甲烷稱為土隙甲烷，也稱游離甲烷。n當(dāng)壓力降低（或溫度升高）時，甲烷的溶存飽和度下降，故會有部分溶存甲烷氣體從地下水中分離開來，存入土顆?？障吨?，這部分 分離開來的甲烷氣體稱為逸出甲烷氣體，成為游離甲烷的增加部分；n溶存

21、甲烷氣體與游離甲烷氣體的和為士中甲烷氣體；n當(dāng)壓力減小或溫度上升時，部分游離甲烷氣體進(jìn)入大氣中，這里把這部分甲烷氣體稱為釋時甲烷氣體。n3、環(huán)境勘察n如前所述，環(huán)境勘察即對井位占地狀況、施工占地狀況、地表交通狀況、鄰近建筑物分布狀況、地下管道及埋設(shè)物體分布狀況的勘察。n其中，地下管道的勘察尤為重要，如不認(rèn)真，施工中易出現(xiàn)重大事故。n近年來施工中破壞電信電纜，造成國內(nèi)外通信中斷；弄斷電力電纜，造成大面積供電中斷；施工中弄破供水管，致使馬路積水、商店鋪面和居民家中淹水，造成正常供水中斷；碰破煤氣管道，致煤氣泄漏，發(fā)生煤氣中毒或煤氣爆炸傷人等事故。n另外，地下埋設(shè)物體的勘察，也至關(guān)重要。特別是戰(zhàn)時遺

22、留下來的易爆物體（如炸彈），若不勘察清楚，施工時撞上后果不堪設(shè)想。n事故的發(fā)生不僅會給人民生活工作帶來諸多不便，同時也會造成大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時造成物毀人亡，嚴(yán)重影響國家聲譽。n綜上所述，施工前勘察是一項避免事故的根本措施，是一項必不可少的環(huán)節(jié)。該項勘察以往不被人們重視，多年實踐證明極為重要，應(yīng)予加倍重視。n 1)無損探測法n 這里就地下管道和埋設(shè)物體的無損探查方法及發(fā)展方向用一簡單介紹。n (1).探查對象與探測方法的關(guān)系n 地下管道和埋設(shè)物體的無損探查方法與探測對象的關(guān)系如表3.4.1所示。 n由表3.4.1可以看出以下幾點：（a）探測方法的選擇因探測對象的材質(zhì)、形狀和埋設(shè)深度的不同而異；

23、（b）表中所列出的方法是互相交叉的，目前尚無一種完善的方法能勝任不同深度、不同介質(zhì)、不同材質(zhì)和不同形狀的探測；（c）從精度上看有粗、細(xì)之分；（d）能區(qū)分材質(zhì)的方法、不能區(qū)分形狀，能區(qū)分形狀的方法不能區(qū)分材質(zhì)；（e）表中給出的各種方法各有所長，不可偏廢。n (2).電磁感應(yīng)法n 當(dāng)探測對象為金屬管線時，可以考慮使用電磁感應(yīng)探測法。該方法可分為兩種：n由于電磁感應(yīng)法的構(gòu)成設(shè)備簡單、價格便宜、攜帶方便，所以該方法的設(shè)備是目前所有探測設(shè)備中數(shù)量最多的一種。n其工作原理是在地表面設(shè)置一個交變電磁場輻射源，使埋在地下的金屬管道上流過感應(yīng)電流（間接法），或者把發(fā)射機(jī)的輸出端直接接到管線的地面露出端上，使管道

24、上流過傳導(dǎo)電流（直接法）。n (3).磁場探測法n當(dāng)陸地或水底埋有鐵磁性物體時，可用磁場探測法探測。n由于地球磁場的作用，使埋在地下的鐵磁性協(xié)體被磁化，故地表面的磁場強度增大，用磁強計找出磁場強度的異常點，即可確定該物體的埋設(shè)位置, 如圖3.4.6所示，也可用磁場梯度來確定埋設(shè)物體的位置。常用的磁強計見表3.4.4。n除上述方法外，表3.4.1中示出的地下雷達(dá)探測法、聲波探測法、電阻率探測法、彈性波法、電磁波法等方法均有使用，這里不再贅述。3 盾構(gòu)隧道斷面、線形規(guī)劃盾構(gòu)隧道斷面、線形規(guī)劃 n通常隧道可按其斷面形狀、用途進(jìn)行分類。n3.1 斷面形狀n斷面形狀：盾構(gòu)隧道的斷面形狀有圓形、半圓形、雙

25、圓搭接形、三圓搭接形、矩形、馬蹄形、橢圓形等多種形狀。n 1）.圓形斷面n圓形斷面是使用得最多的斷面形狀，因此，人們通常把圓形斷面稱為標(biāo)準(zhǔn)斷面。n以下一般提到的盾構(gòu)均指圓形斷面盾構(gòu)隧道。圓形斷面隧道具有如下幾個優(yōu)點： na)由于圓形斷面的拱作用，故管環(huán)上作用的外壓力?。ㄏ鄬Ψ菆A斷面而言），管環(huán)的受損小，壽命長，即隧道的耐久性好、安全性好。n b)圓形斷面盾構(gòu)機(jī)掘削機(jī)理簡單，掘削系統(tǒng)（刀盤，力、扭矩的傳遞機(jī)構(gòu)）容易制作、造價低。n c)管片的制作簡單容易，拼裝方便。n d)圓形斷面隧道的內(nèi)空（直徑）可大可小，已有14.8m及1.5m的大、小圓形隧道問世。目前有人構(gòu)思192lm的隧道。n圓形斷面的

26、缺點是對某些用途而言，如地鐵隧道、公路隧道、城市共同溝隧道等利用矩形內(nèi)空的情形下，內(nèi)空利用率低，即存在浪費。n圓形盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑取決于兩個因素：即滿足使用目的所必須的內(nèi)空（包括維修管理上的裕度和施工誤差）及施工上的安全性。其外徑可由內(nèi)徑加襯砌厚度（一次襯砌+二次襯砌）決定。n 2）.矩形斷面n矩形斷面隧道的優(yōu)點是內(nèi)空利用率高，與圓斷面隧道相比構(gòu)筑時可以減少30%左右的土體掘削和排放，利于成本降低。n另外，矩形斷面地中占位小，地下空間利用率高。缺點是隧道管環(huán)上的作用外壓大，不適于大尺寸隧道構(gòu)筑；管片設(shè)計、施工復(fù)雜；盾構(gòu)機(jī)制作復(fù)雜，價格偏高。對城市地下鐵道、共同溝等隧道而言，是較為理想的斷面形狀。

27、n 3）.雙圓搭接斷面n這種斷面形式多用于鐵路、公路往返復(fù)線的情形。其占地面積小，空間利用率高。n盾構(gòu)機(jī)制作復(fù)雜、價格高，管片設(shè)計、組裝、施工復(fù)雜。n 4）.三圓搭接斷面n三圓搭接斷面可以說是為構(gòu)筑地鐵車站而設(shè)計的盾構(gòu)斷面形狀。優(yōu)點是空間利用率高，使地鐵車站的構(gòu)筑施工完全轉(zhuǎn)入地下，此工法的造價低。缺點是盾構(gòu)機(jī)、管片的設(shè)計、制作及施工均較復(fù)雜。n馬蹄形斷面、橢圓形斷面的優(yōu)點也是空間利用率高，缺點是盾構(gòu)機(jī)造價高。3.2 線形n1）.平面線形n從盾構(gòu)工法自身的施工性方面看，盾構(gòu)隧道的平面線形最好選用直線和大曲率半徑的平面線形。n但多數(shù)的施工對象是城市市區(qū)的地下工程，因都市市區(qū)地下構(gòu)造物較為密集，加上

28、地價昂貴，所以線形的確定受地層條件、地表條件、地下障礙物（構(gòu)造物）及用地條件的制約。n也就是說，線形為直線和大曲率半徑的條件通常不易得以滿足，而大多數(shù)情形會出現(xiàn)小曲率半徑的急彎段n所以小曲率半徑情形的設(shè)計、施工是平面線形討論的重點。n 影響曲線施工質(zhì)量的因素如下：n a)盾構(gòu)機(jī)通過地層的土質(zhì)軟硬程度及分布狀況n b)掘進(jìn)方法(敞開式、封閉式，掘進(jìn)速度和推進(jìn)控制）n c)盾構(gòu)機(jī)的形狀、構(gòu)造（直徑、機(jī)長、有無中折機(jī)構(gòu)及其它輔助設(shè)備）n d)管片的寬度、楔形量n e)坡度分布狀況n f)采用的輔助工法(隔離導(dǎo)墻等防護(hù)措施）n對一般的曲線施工而言，盾構(gòu)隧道的允許曲率半徑尺值，因盾構(gòu)直徑的不同而不同。對

29、大直徑盾構(gòu)機(jī)而言，對應(yīng)的隧道曲率半徑最小值可按下式考慮n對某些要求進(jìn)行更小的急彎施工而言，必須采用旋轉(zhuǎn)豎井或使用球體盾構(gòu)，實現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角的施工。n 2）.覆蓋土層厚度n從提高施工作業(yè)效率（出渣、材料的運入及作業(yè)人員的進(jìn)出），構(gòu)筑豎井的難易程度，防水處理的難易程度，使用的氣壓和泥水壓的降低和隧道建成后的維護(hù)管理及運營方便等方面看，隧道的埋深（即覆蓋土層的厚度）以淺為好。n但是，埋深太淺易發(fā)生地層沉陷和爆噴等事故。所以應(yīng)以對周圍環(huán)境不產(chǎn)生不良影響的條件選擇覆蓋土層的厚度h，通常選擇h=（11.5）d，其中d為盾構(gòu)機(jī)的外徑。n上述厚度范圍也不能一概而論。以往有過h1.5d而仍發(fā)生沉陷和爆噴的事例。nh

30、的大小與土質(zhì)性能，地表建筑物、地中構(gòu)造物的分布狀況，地下水位，盾構(gòu)機(jī)型，輔助工法，施工管理措施等多種因素有關(guān)。n一般在h較小的淺層施工時，應(yīng)加強施工管理及輔以地層加固工法；在h較大的深層施工時，應(yīng)采取抑制高水壓、大土壓的措施，并作好施工管理。n3）.坡度n隧道的坡度不僅取決于使用目的，還取決于河流、地下構(gòu)造物及障礙物的分布狀況。n從隧道使用目的考慮，公路隧道、鐵路隧道、電力電纜隧道、通信電纜隧道，原則上設(shè)計成滲漏水可以自流排放的平緩坡度，以不低于0.2%為宜；n而下水道、供水隧道的坡度則必須根據(jù)下泄流量、流速等從施工方面考慮，為了使施工時的涌水能夠自流排放，使坡度提高到0.2%0.5%為宜。n

31、但坡度超過2%會影響出渣和運料等作業(yè)效率。再有當(dāng)由于條件限制的原因坡度必須大于5%時，不僅要選用特殊的井內(nèi)運輸方式，同時還必須采取各種安全防護(hù)措施。n3.3.1 鐵路隧道n1）內(nèi)空斷面形狀n前面指出，對鐵道隧道而言，選擇矩形斷面較為理想。n但是，由于矩形斷面設(shè)計施工中的一些隧道管環(huán)上不利因素的影響，矩形斷面鐵道隧道尚未形成推廣高潮。目前圓形、矩形斷面的鐵路隧道均有應(yīng)用。3.3 用途n就區(qū)間隧道（位于兩站間的隧道）而言，斷面形狀的示意圖如下圖所示。n選擇哪種斷面形狀必須在對平面線形、地面條件、土質(zhì)狀況、已建和擬建地下構(gòu)造物的分布狀況以及隧道的維護(hù)管理方法等進(jìn)行綜臺考慮后再行確定。n對盾構(gòu)法施工的

32、站斷面而言，其斷面示意圖如下圖所示。n2）單線盾構(gòu)隧道的內(nèi)空斷面n隧道內(nèi)空斷面的大小是在建筑限界的基礎(chǔ)上綜合考慮：擺動裕度，管片制作及拼裝誤差，維修通道空間，軌道、電氣、通信設(shè)施，曲線段隧道中心與軌道中心的偏離裕度等因素后確定。n隧道的建筑限界是縱向延續(xù)的，所以必須按在建筑限界（輪廓線）的上，下方留出所需裕度的方式?jīng)Q定內(nèi)空尺寸。n確定內(nèi)空尺寸的關(guān)鍵是確定控制點。n比如可以以安裝架線的金屬架的下端點為上部控制點；以排水溝底面中心為下部控制點。n在通過這些控制點的外接圓的基礎(chǔ)上，再扣除擺動和施工裕度，即得出必要的內(nèi)空尺寸（參考圖4.2.3）。n對于這種情形而言，因為排水溝的位置隨枕木形狀變化，因此

33、必然給內(nèi)空尺寸造成若干誤差（參考表4.2.1）。3）復(fù)線盾構(gòu)隧道的內(nèi)空斷面n復(fù)線隧道的建筑限界是橫向2列平行配置，所以內(nèi)空尺寸必須按確保斷面左右兩側(cè)留有所需裕量的原則來確定。n斷面兩側(cè)所需要的裕度包括：曲線段內(nèi)側(cè)建筑限界的裕度；維護(hù)用的待避寬度；維護(hù)用的通道寬度。n此外，就豎向（即上下）而言，必須確保待避空間的高度。n總之在決定隧道內(nèi)空尺寸時，應(yīng)把上述各種裕度統(tǒng)統(tǒng)考慮進(jìn)去，見圖4.2.5。n這種場合下，應(yīng)盡可能使隧道埋深淺一些（即豎井變淺），通常將軌道面高程（rl）與隧道中心的間距取得大些。n這樣一來，因曲率半徑變小，故很難確定曲線段外側(cè)維護(hù)通道的必要空間。n為此必須采取措施減小必需的尺寸，即

34、增大軌道面高程到維護(hù)通道路面的距離（臺階高度k）；減小h1的值。na).線形計劃n鐵路盾構(gòu)隧道的平面線形以軌道中心線為基準(zhǔn)，縱斷面線形以軌面高程為基準(zhǔn)。n從提高車速和乘坐舒適的角度出發(fā)軌道的平面線形應(yīng)盡可能取直線，即使必須出現(xiàn)曲線段，也應(yīng)以大曲率半徑為宜。從確保排水順暢的角度出發(fā)，縱斷線形的最小坡度應(yīng)為0.2%左右。按規(guī)定坡度大于1%，則縱斷線形中必須插入縱曲線。4）線形n但在實際的線形設(shè)計中由于種種條件的限制，常常不得不仍然采用急彎段和陡坡段。n隨著中折型盾構(gòu)機(jī)的問世及施工技術(shù)的進(jìn)步，就平面線形而言，已有復(fù)線隧道(直徑約10m）最小曲率半徑為160m的施工實例。n就外徑5.2m（內(nèi)徑4.3m

35、）的小型地鐵隧道而言，平面線形的最小曲率半徑為100m；最陡的坡度可為5.5%。n也就是說線形設(shè)計中的曲率半徑和坡度的選定范圍較大。nb).平面線形設(shè)計中的注意事項n隧道中心線與軌道中心線二者在直線隧道段是重合的。但在曲線段，由于建筑限界左右兩邊的裕量均勻分配，故隧道中心線與軌道中心線出現(xiàn)錯動。n在復(fù)線隧道中，當(dāng)曲線段的軌道中心線為同心圓時，緩變曲線區(qū)段的隧道中心線緩慢地偏離軌道中心線，當(dāng)過渡到圓曲線區(qū)段時偏離達(dá)到限界量（見圖4.2.7）。圖4.2.7 曲線段軌道中心為同心圓情形下的復(fù)線隧道中各中心線間的關(guān)系n在這種情形下，因通常盾構(gòu)掘進(jìn)管理中進(jìn)行隧道中心線的測定（即測心），所以必須事先知道軌

36、心和測心間的距離。n另外，當(dāng)曲線段的軌道中心線不為同心圓時，因軌心間距是不固定的，所以規(guī)定按5m的間距求取可以確保建筑限界裕度和待避空間（容積）的隧道中心的位置。nc).縱斷面線形設(shè)計中應(yīng)注意的事項n因縱斷面線形取決于軌面高程h，故這種場合下，軌面高程與隧道中心（上下向）距離的設(shè)定最為關(guān)鍵。n因此，在h隨軌道構(gòu)造和曲率半徑變化致使上述距離改變的地段，從利于盾構(gòu)掘進(jìn)管理的觀點出發(fā)，應(yīng)在變化點前后設(shè)置緩沖區(qū)段（約20m）。n公路盾構(gòu)隧道的內(nèi)空斷面、線形、坡度等技術(shù)設(shè)計考慮與鐵道盾構(gòu)隧道的情形大體相同。n圖4.2.8示出的是公路隧道內(nèi)空斷面的一個典型例子；圖4.2.9示出的是三圓搭接盾構(gòu)公路隧道的示

37、意圖；圖4.2.10示出的是雙圓并聯(lián)變位盾構(gòu)公路隧道的示意圖。n3.3.2 公路隧道n公路隧道的發(fā)展趨勢是大斷面（目前已有直徑14.8m的隧道問世）、變位、分岔、匯合、多圓斷面等多種發(fā)展勢頭。n1）斷面形狀n圓形斷面的另一個優(yōu)點是其水利特性也較好，所以下水道隧道一般情況下全部采用圓形斷面。n隧道可按設(shè)計的污水暢通下泄流量所必需的通水?dāng)嗝妫ㄋ淼纼?nèi)徑對應(yīng)的內(nèi)空）加上一、二次襯砌的厚度確定。n3.3.3 下水道及供水盾構(gòu)隧道n下水道隧道中的二次襯砌是確保設(shè)計污水下泄流量的一道重要的施工工序，應(yīng)予以特別重視。n圖4.3.1示出的是下水道盾構(gòu)隧道斷面的典型實例圖。圖4.3.2為同一盾構(gòu)隧道內(nèi)布設(shè)多種下水

38、道的情形。圖4.3.3為多條下水道管道集中布設(shè)于盾構(gòu)隧道內(nèi)的特殊例子。n2)內(nèi)徑及坡度n下水道隧道與地鐵隧道不同，隧道直徑從上游到下游逐漸增大，通常起始段的管徑多為250mm，到處理場和泵站就逐漸增大，到最下游內(nèi)徑可加大到78m。n就地下雨水貯水調(diào)節(jié)池隧道而言，日前已有外徑12.18m、內(nèi)徑10.8m的竣工實例。從目前的實例盾，盾構(gòu)下水道隧道的直徑分布范圍為1.3510.8m。n隧道內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)其管道可以容納的污水（或雨水）量決定。但因是自流方式，故應(yīng)與坡度同時考慮。n考慮到固體物質(zhì)的沉淀及管道的損耗，下水道管道內(nèi)的最低流速取0.60.8m/s，最大流速為3m/s；管道坡度越往下游越平緩，流速越往下游越快。n整個區(qū)域的管道系統(tǒng)應(yīng)按此原則確定。n隧道坡度和深度的確定與地表形狀、污水處理場及泵站的位置有關(guān)。此外，這些因素也是決定成本和維護(hù)管理費的關(guān)鍵，應(yīng)予以充分地重視。n通常，決定隧道內(nèi)徑和坡度的順序如下：n a)下游的通水?dāng)嗝妫ㄋ淼纼?nèi)斷面）=上流的通水?dāng)嗝妫ㄋ淼纼?nèi)斷面）。n b)按下流