隧道的基本概念及發(fā)展簡況課件PPT

1、4. 隧道工程4.1 隧道的基本概念及發(fā)展簡況4.2 隧道工程特點(diǎn)4.3 隧道結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造4.4 隧道施工方法4.5 隧道類型簡介4.1 隧道工程的基本概念及其發(fā)展簡況 隧道是建筑在巖體、水底或土體的，兩端有出口的，供車輛、行人、水流及管線等通過的通道，包括交通運(yùn)輸方面的鐵道、道路、水（海）底隧道和各種水工隧洞等。 世上第一條交通隧道是公元前21802160年在巴比倫城中幼發(fā)拉底河下修建的人行通道。我國在公元前8世紀(jì)前3世紀(jì)就有深達(dá)40m以上的銅礦礦井（豎井和斜井）。春秋時(shí)代（公元前770前476）就有“隧而相見”的史實(shí)。今陜西大荔縣鐵鐮山還發(fā)現(xiàn)古代修筑的水底隧道。19世紀(jì)20年代蒸氣機(jī)的出現(xiàn)

2、，以及鐵路和煉鋼工業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了隧道工程的發(fā)展，18261830年英國在利物浦硬巖中修建了兩座最早的鐵路隧道。1843年在英國泰晤士河修建了第一條水底道路隧道。直到20世紀(jì)50年代，人們才總結(jié)出各種類型隧道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基本原理，在土木工程中逐漸形成一個(gè)獨(dú)立的工程領(lǐng)域。4.2 隧道工程特點(diǎn) （1）它是交通運(yùn)輸路線穿越天然障礙，包括山嶺、丘陵、土層、水（海）域等的有效方法； （2）穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，遇到意外情況較多，工程定位、設(shè)計(jì)、施工方法都必須隨時(shí)做相應(yīng)的調(diào)整； （3）施工作業(yè)面窄，可能容納的勞動(dòng)力和機(jī)械設(shè)備都受到限制，對(duì)工業(yè)化、機(jī)械化施工要求高； （4）造價(jià)昂貴。4.3 隧

3、道結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造 隧道結(jié)構(gòu)的基本組成，如圖4.1所示。圖4.1 隧道結(jié)構(gòu)示意圖 圖中表示出了隧道結(jié)構(gòu)的三大基本組成部分： （1） 洞門結(jié)構(gòu)：端墻、翼墻 （2） 洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)：襯砌 （3） 排水系統(tǒng)：各種排水溝及排水設(shè)施 隧道的主體支護(hù)結(jié)構(gòu)是洞身襯砌和洞門，附屬建筑物有排水溝、通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施、電力設(shè)施等等。本節(jié)簡要介紹土體或巖體中隧道的襯砌和洞門。 4.3.1 洞門 洞門的作用是減少洞口土石方開挖量、降低仰坡開挖高度，承受山體推力并支撐邊仰坡的穩(wěn)定，確保洞口行車安全。常見洞口類型有以下幾種，如圖4.2所示。 a. 端墻式洞口 適用于地質(zhì)條件較好的洞口地段。 b. 翼墻式洞口 適用于地質(zhì)條件較差

4、的洞口地段。 c. 柱式洞口 適用于地質(zhì)條件較差，且不便于設(shè)置翼墻的洞口地段。 d. 臺(tái)階式洞口 適用于地形等高線與線路中線斜交的洞口地段。 e. 明洞口 適用于明挖隧道的洞口地段。圖4.2 洞門基本類型 4.3.2 洞身襯砌 隧道開挖后為了保持圍巖的穩(wěn)定性，一般需進(jìn)行支護(hù)，也就是進(jìn)行襯砌。襯砌的基本類型如圖4.3所示。圖4.3 襯砌結(jié)構(gòu)類型 （1）整體式模筑砼襯砌 即就地灌注模筑砼襯砌，其工藝流程為立模灌注養(yǎng)生拆模。一般情況下襯砌材料為素混凝土，當(dāng)圍巖條件很差時(shí)，可考慮用鋼筋混凝土襯砌。其特點(diǎn)是襯砌整體性好，抗?jié)B性強(qiáng)，易于按需要成型。 （2）拼裝式襯砌 將襯砌分成若干個(gè)環(huán)塊，在預(yù)制廠或工地生

5、產(chǎn)，然后運(yùn)到洞內(nèi)拼裝而成。環(huán)塊一般為鋼筋混凝土。其特點(diǎn)是襯砌承載塊、便于機(jī)械化施工。 （3）錨噴襯砌 模筑混凝土襯砌和拼裝式襯砌均為被動(dòng)地承受圍巖壓力的支護(hù)結(jié)構(gòu)，而錨噴襯砌則是一種主動(dòng)地加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的支護(hù)結(jié)構(gòu)，它采用的支護(hù)材料是噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)，其特點(diǎn)是可以提供圍巖的自承能力。 （4）復(fù)合式襯砌 采用兩層襯砌組合而成，其靠近巖壁一側(cè)的是錨噴襯砌，洞內(nèi)一側(cè)的是模筑襯砌，在地下水發(fā)育的底層中，可以在兩層襯砌之間夾一層防水層用于放水。其特點(diǎn)是既有模筑襯砌表面光滑、美觀、抗?jié)B性強(qiáng)的特點(diǎn)，又有錨噴襯砌能提高圍巖自承能力的特點(diǎn)，而且有防水效果好的優(yōu)點(diǎn)。 （5）明洞襯砌 不同類型的隧道，其結(jié)構(gòu)是不

6、同的，如鐵路隧道和公路隧道斷面多為馬蹄形，水工隧道多為圓形。4.4 隧道施工方法 在確定施工方法時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)安全第一，同時(shí)要考慮其它有關(guān)因素，正確選擇施工方法的前提是： （1）要盡量做到在開挖過程中不發(fā)生塌方以確保施工安全； （2）必須滿足施工期限的要求； （3）要盡量減少施工投資。 現(xiàn)有的施工方法有： 明挖法或圍堤明挖法（敞口開挖基坑，修建隧道后覆填）； 鉆眼爆破法（適用于硬巖中開挖隧道）； 盾構(gòu)法（采用一個(gè)與隧道環(huán)同樣形狀的鋼制圓筒即盾殼，以周邊設(shè)置的千斤頂推向前方，工人在盾殼前工作室里挖土，形成可將隧道環(huán)推進(jìn)的方向）； 頂管法（將預(yù)制隧道環(huán)用頂進(jìn)設(shè)備頂入已挖去土層的空間，構(gòu)成隧道的一節(jié)）；

7、 沉管法（制作隧道管段，拖運(yùn)至設(shè)計(jì)位置，在管內(nèi)加載使之下沉在預(yù)先挖就的水底溝槽內(nèi)，多用于水底隧道）等。 下面簡要介紹常用的施工方法。 4.4.1 鉆眼爆破法，又稱“鉆爆法” 根據(jù)圍巖的好壞和施工機(jī)具的配備情況可以采用不同的開挖方式，具體的有如下幾種： （1）全斷面法 開挖斷面大，洞室輪廓一次成形，掘進(jìn)速度快。要求地質(zhì)條件好并配備有大型施工機(jī)具，見圖4.4。- 開挖 - 襯砌邊墻 - 襯砌拱圈圖4.4 全斷面開挖法 （2）臺(tái)階法 將斷面分成上下兩層，留下一個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階段長度根據(jù)地質(zhì)條件而定，地質(zhì)條件好，則臺(tái)階長。留下的臺(tái)階效果是可以盡快對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，提高了圍巖的穩(wěn)定性。該法對(duì)地質(zhì)條件的適用性很

8、廣，見圖4.5。 1、2- 開挖 - 襯砌邊墻 - 襯砌拱圈圖4.5 臺(tái)階法 （3）分步開挖法 將斷面分成上下左右若干個(gè)斷面，逐步開挖，更進(jìn)一步增加了洞室的穩(wěn)定性，適用于軟弱地層施工。如圖4.6所示。1、2、3、5、6- 開挖 - 襯砌拱圈 - 襯砌邊墻圖4.6 分步開挖法 4.4.2 盾構(gòu)法 盾構(gòu)是一種鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)，也有半圓形、矩形、馬蹄形等非圓形盾構(gòu)。盾構(gòu)利用鋼殼體支撐圍巖，掘進(jìn)和襯砌均在殼體保護(hù)下進(jìn)行。適用于軟弱、含水層，如上海黃浦江隧道、英、法海底隧道都是采用盾構(gòu)施工的。根據(jù)盾構(gòu)本身是否配備掘進(jìn)機(jī)械，可分為： （1）人工開挖式盾構(gòu) 在盾構(gòu)的保護(hù)下，用人工進(jìn)行掘進(jìn)。 （2）機(jī)械式盾構(gòu) 在盾

9、構(gòu)前方裝有開挖和裝碴機(jī)械，掘進(jìn)由機(jī)械進(jìn)行，效率高、大大節(jié)省了人力。如廣州地鐵一號(hào)線從公園前至黃沙區(qū)間就是采用兩臺(tái)機(jī)械盾構(gòu)施工的，見圖4.7、4.8。 盾構(gòu)施工的隧道一般采用拼裝式襯砌。圖4.7 盾構(gòu)示意圖圖中，A- 前檐；B- 盾構(gòu)上部長度；C- 切口環(huán)長；D- 支承環(huán)長；E- 盾尾長；F- 開挖面千斤頂；K- 盾構(gòu)千斤頂；L- 平臺(tái)千斤頂；R- 盾尾千斤頂；S- 盾構(gòu)外徑；G- 盾構(gòu)垂直隔板；H- 盾構(gòu)水平隔板；O- 盾構(gòu)下部長。圖4.8 盾構(gòu)施工示意圖4.5 隧道類型簡介 隧道按功能分類，有： （1）交通隧道：山嶺隧道、水底隧道與地鐵隧道。 （2）水工隧道：與水底隧道概念不同，不用于交通，

10、而是用來發(fā)電、供水或農(nóng)田灌溉的隧道，像黃河小浪底的導(dǎo)流隧道等。按功能分類有：引水隧道、尾水隧道、泄洪隧道和排沙隧道等。 （3）礦山巷道：礦山的各種平巷、豎井、斜井。 （4）市政隧道：給排水管道、電力管線、煤氣管道等。 下面展開介紹交通隧道。 4.5.1 山嶺隧道 （1）鐵路隧道 我國現(xiàn)在(2003年)有鐵路隧道座，總長度為公里，為世界第一。 2002年10月建成的青藏鐵路風(fēng)火山隧道位于青藏高原可可西里“無人區(qū)”邊緣，全長米，軌面標(biāo)高米，是目前世界上海拔最高的高原凍土隧道。該隧道地質(zhì)構(gòu)造特殊，集含土冰層、飽冰凍土、富冰凍土、薄冰凍土、砂巖、泥巖及互層于一體，其中含土冰層帶的土質(zhì)含量僅為 至，這樣

11、的構(gòu)造極易因?yàn)閮鐾猎陂_挖時(shí)融化成泥漿水而導(dǎo)致隧道坍塌。風(fēng)火山因此被世界隧道專家稱為“隧道禁區(qū)”。隧道分類特長隧道長隧道中隧道短隧道隧道長度L (km)L1010L33L0.5L0.5 鐵路隧道按長度分為四類，一般規(guī)定如表4.1。表4.1鐵路隧道按長度分類注：隧道長度系指進(jìn)出口洞門端墻墻面之間的距離，即兩端墻墻面與路面的交線同 路線中線交點(diǎn)間的距離。15km以上的鐵路隧道 表4.2 （2）公路隧道 我國公路隧道總數(shù)(2003年)已達(dá)座，總長度 公里，分別是改革開放之初的倍和倍，是世界上公路隧道最多的國家。 年內(nèi)，我國將再建設(shè)總長公里以上的公路隧道。正建設(shè)的終南山隧道全長.公里，長度居亞洲第一，世

12、界第二；湖南雪峰山隧道長公里多；西安漢中高速公路上穿越秦嶺的三座特長隧道群總長公里，全線隧道總長公里。 近年來，我國已修建了不少長隧道、特長隧道以及隧道群。其中，主要有：年建成的成渝高速公路上的中梁山隧道，長公里多，解決了我國長大公路隧道的通風(fēng)問題；年通車的四川省川藏公路上二郎山隧道，長公里多，是連接西藏與內(nèi)地的重點(diǎn)工程 等。 公路隧道按長度分為四類，一般規(guī)定如表4.2。表4.2公路隧道按長度分類隧道分類特長隧道長隧道中隧道短隧道隧道長度L(m)L30003000L10001000L250L250注：隧道長度系指進(jìn)出口洞門端墻墻面之間的距離，即兩端墻墻面與路面的交線同路線 中線交點(diǎn)間的距離。

13、下面有一些公路隧道的圖片，見圖4.9、4.10、4.11、4.12等以及附圖中的隧道，采用了不同的洞口形式。圖4.9 岵岫嶺隧道工程（雙連拱整體式隧道 ） 圖4.10 湖南雪峰山隧道（隧道長度7公里，為我國最長的公路隧道） 圖4.11 竹子寮隧道圖4.12 蓮花山隧道附圖1 南京中山門隧道(歷史文物保護(hù)與現(xiàn)代工程建設(shè)相結(jié)合的典范) 附圖2 虎背山隧道 (廣深高速公路虎背山隧道洞內(nèi)照明與洞外遮光設(shè)計(jì)) 附圖3 柚樹下隧道 4.5.2 水底隧道 至今（2003年），全球的水底隧道有百余座，包括我國已經(jīng)建成的廣東珠江、寧波甬江、上海黃埔江等8座水底隧道。計(jì)劃中的京滬高速鐵路將考慮修建南京越江隧道，長

14、6.18km。武漢和上海崇明島將建設(shè)大型過江通道工程。 2010年以前，廈門將建成一個(gè)可以全天候進(jìn)出廈門島的海底隧道。這將是祖國大陸的第一條海底(暗挖)隧道，并將成為廈門島重要的第三條進(jìn)出島通道。該工程總長度約9公里，其中隧道全長5900米，是一座兼有公路和城市道路功能的隧道。兩岸引道將在今年（2003年）9月期間開工。 用盾構(gòu)法建造的水底隧道，自兩端至洞口，一般為槽形敞開式引道段。穿越水底的暗埋段，斷面大多為圓形。修建的隧道除個(gè)別為單車道外，均為雙車道見圖4.13(b)。在圓形隧道中，一般在路面以下是送風(fēng)道；在吊頂以上是排風(fēng)道。送排風(fēng)道與隧道兩岸的通風(fēng)機(jī)房連通，多采用橫向通風(fēng)。用沉管法建造的

15、水底隧道，除兩端引道段與前述相同外，穿越水底的沉管有時(shí)是由幾個(gè)通道組成的矩形管段，包括車行道、人行或巡邏通道及管線通道等。每個(gè)行車通道中有兩個(gè)以上同向行駛的車道。水底隧道較典型的矩形管段橫斷面示意如圖4.13(a)所示。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界采用沉管法修建的水下鐵路和道路隧道已有68座，其中道路隧道46座，鐵路隧道21座，道路、鐵路兩用的隧道l座。從沉管結(jié)構(gòu)來看，鋼結(jié)構(gòu)32座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)35座。鋼結(jié)構(gòu)以美國采用的最多，歐洲各國則以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，日本則以鋼為主，二者兼有。圖4.13 水底隧道橫斷面（a）鐵路隧道；（b）道路隧道 1993年建成的英法海峽隧道，見圖4.14，全長48.5km，海

16、底段37.5km，隧道最大埋深100m。海峽隧道由2條外徑8.6m的鐵路隧道和1條外徑5.6m的服務(wù)隧道組成。隧道掘進(jìn)施工共采用11臺(tái)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。英法海峽隧道的建成，亦是融英、美、法、日、德等先進(jìn)國家盾構(gòu)施工技術(shù)于一體的最高成就。 丹麥斯多貝爾特大海峽隧道是跨海工程的一部分，長7.9km，由2條外徑8.5m的鐵路隧道組成，隧道最大埋深75m，采用4臺(tái)直徑8.78m的混合型土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工。工程中曾發(fā)生涌水險(xiǎn)情，采用了海底井管降水、凍結(jié)、氣壓等輔助施工法解決了困難。隧道施工歷經(jīng)艱險(xiǎn)，為隧道建設(shè)史提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 日本東京灣橫斷公路隧道是目前世界上最長的海底公路隧道，長9.4km，由2條外

17、徑13.9m的單向公路隧道組成，最大埋深50m，采用8臺(tái)直徑14.14m的泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工。盾構(gòu)設(shè)計(jì)采用最先進(jìn)的自動(dòng)掘進(jìn)管理系統(tǒng)、自動(dòng)測量管理系統(tǒng)和管片自動(dòng)拼裝系統(tǒng)，8臺(tái)盾構(gòu)在海底實(shí)現(xiàn)了對(duì)接，體現(xiàn)了高新技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用。東京灣橫斷公路隧道已在1998年建成通車，標(biāo)志著盾構(gòu)隧道施工最先進(jìn)的技術(shù)水平。圖4.14 英吉利海峽隧道斷面示意（a）縱斷面；（b）橫斷面 中國與意大利專家目前正在論證建要一種截然不同的隧道，專家們稱它為阿基米德橋，即水下懸浮隧道。阿基米德橋是利用懸浮隧道技術(shù)，通過錨來固定的水下隧道，因此不需要大規(guī)模的挖掘或基礎(chǔ)建設(shè)工作。有關(guān)專家指出，阿基米德橋已成為穿越海峽和內(nèi)陸湖泊等永久性水道設(shè)施的一個(gè)極具前途的概念，其所采用的懸浮隧道技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因而為海峽及湖泊之間的交通設(shè)施建設(shè)，提供了一種富有吸引力與競爭力的選擇。據(jù)中意兩國有關(guān)專家介紹，阿基米德橋技術(shù)近年來在日本、意大利和挪威等國廣受關(guān)注。這種橋已在連接瑞士盧加諾湖和科莫湖的懸浮橋預(yù)期項(xiàng)目中作過技術(shù)演示。 表4.4列出了世界上幾個(gè)大海底隧道的有關(guān)數(shù)據(jù)。世界上幾個(gè)大海底隧道的有關(guān)數(shù)據(jù) 表4.4注 表中數(shù)據(jù)摘自隧道譯叢，1996(7)；