关于隧道及地下工程的若干问题

1关于隧道及地下工程的若干问题王梦恕孔恒北京交通大学北京市市政工程总公司主要内容第一部分：隧道及地下工程的发展概述第二部分：浅埋暗挖法隧道及地下工程第三部分：盾构法隧道第四部分：复杂山区长大隧道第五部分：隧道及地下工程的风险评估与控制第一部分：隧道及地下工程的发展概述19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪可以说是地下工程资源开发和大发展的世纪.目前我国面临着人口、环境、资源、土地、水资源及气候变暖等六大难题。地下工程是我国唾手可得的资源，并且是一项重要的绿色工程，如何优质、快速、经济的建成，是我们必须在科研、设计、施工及机械制造四位一体方面需要研究解决的问题。基于用途和特征来划分，隧道及地下工程的分类如下：（1）城市交通隧道：如地铁、轻轨、地下快速路等；（2）城市地下空间开发（城市地下工程）：如市政隧道、综合管廊（共同沟）、地下商场、地下仓库、地下过街通道等设施；（3）铁路隧道（4）公路隧道（5）水电隧道（6）管道输送以及输水隧道：如西气东输、南水北调隧道等；（7）江、海、湖等水底隧道（8）各类水封液体库（9）军工、人防隧道和硐室1城市轨道交通发展现状与规划概述中国地铁60年代开始于北京地铁1号线，目前建成运营的有地铁1号线、2线13号线、八通线，共计113.4公里；正在建设的有地铁5号线、10号线、4号线、机场线、奥运支线。2008年要实现8条市区线路、，建设里程169.7公里，3条通往郊区的市郊铁路线路，建设里程109.4公里，建设总里程为279.1公里。上海地铁建设发展迅猛，1990年上海开始建设地铁1号线，1996年上海开始建设地铁2号线，后开始建设3号线、4号线、M8线、6号线，就目前运营里程超过北京。紧随其后的是广州，1996年广州开始建设地铁1号线，后建设2号线、3号线、5号线。2001年深圳开始建设地铁1号线,目前已经运营，现正在建设其他线路；2001年南京建设地铁1号线，目前已经运营，现在建设其他线路；2002年天津地铁1号线开工建设；在开工和即将开工开始建设：杭州、沈阳、哈尔滨、成都等，苏州、武汉、西安等地铁进入设计阶段。21）中国地铁建设规划：（1）北京地铁2008规划以及2050规划（图）；（2）上海地铁规划（图）；（3）广州地铁规划（图）；（4）南京地铁规划（图）；（5）深圳地铁规划（图）；（6）天津地铁规划（图）；（7）沈阳地铁规划（图）；（8）哈尔滨地铁规划（图）。北苑清河回龙观五路站复兴门苹果园站颐和园清河站海淀西直门站北京西站建国门首都机场站望京通州通州西站垡头站永定门站北京站十里堡站陈各庄站东直门站香山北皋站十里河宋家庄定福庄小煤厂新规划车辆段原规划车辆段普通车站M两线交叉换乘站三线换乘站市域线市区线图例东坝定福庄垡头南苑石景山清河北苑西苑酒仙桥丰台北京市区轨道交通线网优化调整汇总方案一（2050年）S宋家庄五路定福庄鲁谷南垡头洼边村万源路世界公园亦庄火器营香山南磨房亦庄西北旺西直门永丰丰台火车站望京东直门空港区西三旗东坝南苑昆明湖南路北京西站马家堡垡头轻轨线L北京市城市规划设计研究院2002年5月M16M4M5M7M10M6M6M13M2M8M8M9M11M4M12M14至顺义至三河至固安至琉璃河M11M13M15M1M1苹果园土桥小煤厂回龙观黄村1000020003200M北京北站北京站北京南S4S3五路S1S2S2S4S5至延庆L3M5太平庄北M7L3L4L4L5L6M15M12M9M16L1L1L2L2L5L6M3S3后沙峪S1支S1M3M14平行换乘站34沈阳地铁规划52中国铁路建设规划（1）中长期铁路网规划（图）；（2）“五纵”和“七横”（表）。3公路隧道发展现状中国地域辽阔，南北长约4000km，东西长约4500km，海拔地势高差达5000m左右，地表起伏很大，峡谷、丘陵、高山遍布在2／3国土上，平面投影面积960万平方公里，立体面积超过2000万平方公里，居住着56个民族，近13亿人口，所以铁路、公路一直、今后永远是我国人民出行的主要交通方式。随着生活节奏的加快和科学技术的进步，要求安全、舒适、快速、方便经济的运输方式已提到日程上来。铁路，尤其是公路更加满足不了乘客的需求，过去多用盘山绕行、挖深路堑修建公路，不仅增加了里程，降低了行车速度，增多耗油量、破坏了环境，而且行车很不安全，给汽车本身也带来了机械损耗，赶上冬季，线路多在冰冻线以上，山高、路滑、坡6陡而翻车、封路的事件屡屡发生。深挖路堑形成高边坡，不仅损失了许多土地，也破坏了自然景观，常常带来大的滑坡、坍方等病害。所以从实施可持续发展战略出发，长大公路隧道像雨后春笋一样迅猛发展起来，到2000年底我国公路隧道已有1684座，总长有628km。其中有首座半横向通风自动化最高的深圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市公路隧道；有广州白云山双向三车道大跨度扁平率为0.6左右的隧道；有福州多连体四连拱象山隧道（宽35.4m高8.9m）；有近距离四连拱宽45.6m的科苑立交隧道；有应用最多、大跨（32～35m）双连拱，具有代表性的京珠高速公路五龙岭隧道；有首次采用竖井和纵向射流运营通风技术的中梁山隧道；有逆光照明不在洞口设光过渡段的猫狸岭隧道；有处于3800m高海拔、高寒（平均―7℃最高达―35℃）地区施工的青海大板山隧道；有处于高地应力区的川藏公路二郎山隧道；有穿越高浓度、高压力煤层的华蓥山隧道（长4705m），以及目前正在施工的双向分离式四车道国内最长18.4km终南山隧道和长度大于6km以上即将开工的鹧鸪山隧道、泥巴山隧道、雪峰山隧道等，总之随着技术的不断发展和运营的需要，公路隧道趋势是隧道越修越长，隧道越修越宽、技术越来越难、越复杂。7894中国的江（海）底隧道南水北调工程中线建造了穿越黄河河底的引水隧道(TBM)重庆主城越江排水隧道（Φ6.7m泥水式硬岩盾构）城陵矶西气东输越江隧道(Φ3.185m泥水盾构)三江口西气东输越江隧道(Φ4.3m泥水盾构)上海上中路越江隧道(Φ14.87m泥水盾构)武汉长江公路隧道（长江第一隧道）(Φ11.4m泥水盾构)上海崇明越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)南京长江越江隧道(Φ15.1m泥水盾构)杭州钱塘江越江隧道(Φ11.4m泥水盾构)上海复兴东路双管双层越江隧道宁波甬江沉埋管水底隧道。10上中路公路隧道港珠澳海底隧道11第一部分：结束语基于上述，可以很明确的了解，在中国将有大量隧道及地下工程等待建设。21世纪是地下工程的世纪决不是夸口之词。但鉴于地下工程自身的复杂性，因此对我们隧道及地下工程的技术工作者来说既是机遇也是极大的挑战。第二部分浅埋暗挖法隧道及地下工程主要内容一、概述二、浅埋暗挖的设计与施工技术三、浅埋暗挖的监控量测技术四、浅埋暗挖工作面的稳定性分析五、浅埋暗挖隧道支护结构体系六、隧道及地下结构的防水体系七、几个问题的讨论一概述1隧道及地下工程（或地下空间）的几个概念1）隧道及地下工程（或地下空间）的定义*介质力学的角度——处于千变万化的地质体之中，其结构本身与地层（围岩）紧密接触和相互传递作用的工程建筑物。*典型实例——交通隧道、地下铁道、水电输水隧洞、城市共同沟、地下商场与车库、军用洞室、大型建筑物的地下室（深基坑）等等。2)隧道及地下工程施工的复杂力学过程*开挖*地质体原始地应力体系被打破*形成二次地应力发生变形*初期支护*抑制地层的变形*变形收敛*后期支护*形成三次地应力并达到力学平衡3)隧道及地下工程结构物的技术特性概括地说，有以下几点是需要特别关注的。*隐蔽性：地下结构与其他结构最大的不同就是它的隐蔽性；隐蔽性同时伴随巨大的风险性；*力学状态的不确定性：它的力学状态受到施工方法的极大影响，也是其他工程结构物所不可比拟的；*地下环境影响的严重性：其他结构物主要受自然条件的影响，而地下结构除自然条件外，还受到地下环境，主要指围岩和地下水条件的影响；*可维修性差，这是不言而喻的；*施工条件和环境条件的约束。4）与地面工程的基本区别12*作用体系——A地面工程：一般只与地基相互作用，是空间自由状态的作用体系。B地下工程：与周围地层密切相关，是二者共同作用体系。*外荷——A地面工程：已知的，明确的。B地下工程：由于地质体和围岩的千变万化性，迄今仍是有待解决的不确定性问题。2浅埋暗挖法（STCM）的概念与特点1）浅埋暗挖法的基本概念浅埋暗挖法（国外多称软土隧道新奥法或浅埋隧道新奥法）是基于岩石隧道新奥法（NATM）的基本原理，针对城市地下工程的特点，于80年代在北京地铁第四纪软土中开创出的新方法。(1)浅埋暗挖法名称的确定在小导管超前支护技术、格栅拱架制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技术等基础上，在软弱地层必须快速施工的理念，突出时空效应对防塌的重要作用。并在军都山黄土隧道、北京地铁复兴门折返线、复—八线、西单车站采用浅埋暗挖技术取得了巨大的成功。1987年8月，北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会，对浅埋暗挖技术进行评价，会上确定取名为：浅埋暗挖法，适用范围：各种软弱地层的地下工程设计与施工。浅埋暗挖法又经过十几年的广泛应用，形成了一套完整的配套技术，被评为国家级工法，并正式提出“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段第一次用浅埋暗挖法建成北京地铁车站试验段第一次用浅埋暗挖法建成京珠高速乌龙岭双连拱隧道第一次用浅埋暗挖法建成京珠高速乌龙岭双连拱隧道军都山隧道（1988）（第一次用小导管、网构钢架）北京地铁复兴门折返线（1987（国家科技进步二等奖）13(2)浅埋暗挖法施工原理浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理：采用复合衬砌，初期支护承担全部基本荷载，二衬作为安全储备，初支、二衬共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩自承能力；采用不同开挖方法及时支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；采用信息化设计与施工。浅埋暗挖法大多用于第四纪软弱地层的地下工程，围岩自承能力很差，为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时。特征曲线中C点尽量靠近A点，即尽量增大支护的承载，减少围岩的自承载。要做到这点，必须遵守十八字方针，初支必须从上向下施工，初支基本稳定后才能做二衬，且必须从下到上施工。2）浅埋暗挖法的量值概念（深埋、浅埋、超浅埋）（1）按荷载等效高度值＃先计算深、浅埋隧道分界深度HP（按TBJ108－92和TBJ1003－2001），然后与隧道埋深H比较，HHP浅埋；＃应用实测应力p和垂直土柱重量rH之比判别P/(rH)0.4～0.6为浅埋；P/(rH)0.6～1.0为超浅埋；＃当围岩变形和地表下沉值相等时，即覆盖层整体下沉时为超浅埋；＃覆土厚度H与隧道跨度D之比判别建议设计阶段：H/D小于等于0.4时为超浅埋。3）浅埋暗挖法的特点与明挖法、盾构法相比较，浅埋暗挖法的特点如下：（1）适用于各种地质条件和地下水条件；（2）具有适合各种断面形式（单线、双线、多线、车站等）和变化断面（过渡段、多层断面等）的高度灵活性；（3）通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效控制地表下沉和坍塌；（4）与盾构法比较，在较短的开挖地段使用，也很经济；（5）与明挖法比较，可以极大地减轻对地面交通和商业活动的影响，避免大量的拆迁；（6）从综合效益观点出发，是比较经济的一种方法。143几种工法的比较方法明（盖）挖法盾构法暗挖法地质各种地层均可各种地层均可有水地层需特殊处理占用场地占用街道路面较大占用街道路面较小不占用街道路面断面变化适用于不同断面不适用于不同断面适用于不同断面深度浅需要一定深度需要深度比盾构小防水较易较难有一定难度地面下沉小较小较小交通影响影响很大竖井影响大不影响大地下管线需拆迁和防护不需拆迁和防护不需拆迁和防护震动噪音大小小地面拆迁大较大小水处理降水、疏干堵、降水结合堵、降或堵排结合进度拆迁干扰大，总工期较短前期工程复杂，总工期正常开工快，总工期正常造价大中小总之，囿于经济性、地层的复杂多变以及特殊的环境条件，在未来一个相当长时期内，对地层有较强适应