《隧道工程》教案

1教案2011～2012学年第二学期分院(系、部)：教研室：课程名称：授课班级：主讲教师：职称：使用教材：《隧道工程》2第一章绪论授课内容绪论授课学时教学目的1、了解隧道的概念，分类2、了解隧道工程的历史，现状，前景以及目前存在的问题教学重点1、隧道的概念，分类2、隧道工程的现状及目前存在的问题教学难点1、支护设计计算理论的发展教具和媒体使用多媒体课件教学后记教学内容与过程教学提纲：一、隧道的概念及分类（25分）二、隧道工程的历史及发展现状简况（65分）三、我国隧道建设中应注意的问题（10分）第一章绪论第一节隧道的概念及种类一、隧道的概念定义：以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室二、隧道的分类地质条件：土质隧道、石质隧道埋置深度：浅埋隧道、深埋隧道隧道位置：山岭隧道、水底隧道、城市隧道隧道用途：(一)交通隧道铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行地道(二)水工隧道(隧洞)引水隧洞、尾水隧洞、导流隧洞或泄洪隧洞、排沙隧道(三)市政隧道给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道将前四种隧道合建称为“共同沟”(四)矿山隧道运输巷道、给水巷道、通风巷道3第二节隧道工程的历史及发展现状简况一、隧道工程的历史1、我国最早用于交通的隧道为“石门”隧道，建于东汉明帝永平九年(公元66年)。2、迄今已知的最早用于交通的隧道为古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道3、法国的马尔派司(Malpas)运河隧道，是最早用火药开凿的航运隧道4、我国第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道。5、第一座用于现代交通的水底隧道是1807年开工的伦敦泰晤士河下公路隧道。6、我国第一条水底公路隧道是1970年建成的上海黄浦江水底隧道7、19世纪初欧洲法、意、瑞士等国就已在山区修建公路隧道。8、2001年投入运营的挪威西部的拉达尔隧道是目前世界上最长的公路隧道（24、5km）。9、古代一直使用“火焚法”和铁锤钢钎等原始工具进行开挖10、19世纪才开始采用钻爆作业，至今大约有一百多年的历史，钻眼工具和爆破技术也不断发展。11、机械开挖法：软土地层的盾构机，中等坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。二、隧道设计与计算理论的发展1、隧道设计：包括隧道位置设计，隧道支护结构和附属设施设计两大部分。2、隧道位置设计：包括选定隧道的穿山高程和洞口位置，确定隧道的平、纵剖面及横断面形状等。3、支护结构设计特点1)支护系统的组成和类型不断扩大和完善临时支护：木支撑、钢支撑、喷锚支护；超前预支护和地层加固技术永久衬砌：砖石砌体、模筑混凝土（素砼钢筋砼）复合衬砌隧道断面：直墙、曲墙、仰拱；小断面、大断面、双连拱大断面、超大断面2)支护系统的设计计算理论不断发展经验设计和工程类比法支护结构受力分析：刚性结构阶段、弹性结构阶段、连续介质阶段坑道稳定性的位移判别：允许相对位移、极限相对位移3)支护系统承载能力及安全度评定不断完善允许应力法：截面上的最大应力不超过材料的允许应力破损阶段法：考虑材料的塑性性质计算承载能力概率极限状态法：将可靠度方法引入隧道设计4)支护系统设计周期大大缩短，计算精度大大提高5)支护系统的设计计算模型还处于经验类比为主，其他模型共存的状况经验法、荷载-结构模型、连续介质模型、收敛约束法(以测试为依据的实用法)三、我国隧道工程的发展现状1、交通隧道1)铁路隧道(截止2002年)运营隧道6876座，总长度约3670km，总数已列世界第一。隧道集中的线路：襄渝线：隧道长度占线路长度的30%成昆线：隧道长度占线路长度的31、6%西康线：隧道长度占线路长度的50、42%10km以上的长大隧道：秦岭隧道18、4km大瑶山隧道14、295km4东秦岭隧道12、668km乌鞘岭隧道20、05km2)公路隧道截至2002年，我国公路隧道总数已达1782座，总长度704km。运营隧道1684座以上，总长628km以上。10km以上的长大隧道：锦屏隧道14、7km陕西秦岭终南山隧道全长约18、04km3)地下铁道目前仅有北京、天津、上海、广州四城市约80km正在运营。而在建工程除上述四城市外，还有南京、重庆、青岛、深圳、杭州、武汉等。北京：规划了20条线路共700km上海：规划了17条线路共450km天津：规划了4条线路共248km广州：规划了7条线路共206、5km深圳：规划了9条线路共254km完成规划的城市：大连、长春、哈尔滨、鞍山、乌鲁木齐、合肥、成都、佛山、桂林、昆明、西安、济南、福州、宁波。2、水利水电国内外已建成的10km以上的水工隧洞达90座，中国占11座。国内已建成长度5km以上的引水发电隧道20座。小浪底水利枢纽三条导流隧洞；清江隔河岩水利枢纽导流隧洞；李家峡水电站导流隧洞；公伯峡水电站导流隧洞；水布垭水利枢纽导流隧洞。已建成的由青海大通河引水至甘肃的调水工程总干线全长168、9km，其中隧道33座，总长75、11km；万家寨水利枢纽引黄河水穿过海河流域至太原的引水工程，隧洞最长超过200km；近期将修建的辽宁省东水西调工程输水隧洞长86km。3、地下工程城市：地下商场，地下车库，地下仓库、各大中型平战结合工程(赣州)地下共同管沟：如石家庄同其他城市一样供电线路基本要穿行于地下隧道中。四、我国隧道工程的发展前景（一）交通隧道发展前景经济发展，交通先行，西部大开发战略和通海战略的迫切需要(穿山、跨海)、国力增强，技术进步(二)水电隧道发展前景设计与施工能力达到或接近世界先进水平。我国西部大开发战略的需要。(三)地下工程发展前景充分利用城市地下资源是城市经济高速发展的客观需要；设计施工技术提供充分保障；我国经济发展水平达到发达国家地下工程建设高潮时的标准。5第三节大力推进中国隧道建设技术创新发展1、推进城市隧道和水下隧道技术的发展2、提高隧道机械化施工水平，减轻劳动强度3、提高隧道防排水技术，减少隧道病害4、推进隧道信息化施工，发展地质超前预报技术，加强现场动态设计与科学的施工管理5、隧道防灾救援措施的系统化6、做好隧道洞口的景观设计第四节本课程的主要内容及学习方法（一）主要内容交通类隧道设计原则和构造围岩工程特性、围岩压力及围岩分级隧道支护、衬砌结构设计原理和设计方法隧道施工方法、工艺隧道施工风、水、电等辅助施工作业（二）学习方法复习工程地质、力学、材料等已学课程注重本课的基本理论和方法广泛阅读有关期刊、报告等文献思考题与作业1、隧道的定义，隧道的种类有哪些？2、我国隧道及地下工程设计与施工中应注意的问题有哪些？6第二章隧道工程地质环境及围岩分级授课内容隧道工程地质环境及围岩分级授课学时教学目的1、掌握隧道工程地质调查与勘测2、掌握施工地质超前预报3、掌握掩体的基本工程性质4、掌握围岩分级方法教学重点1、国外重要围岩分级方法2、我国铁路隧道围岩分级方法教学难点1、岩体的强度2、变形性质教具和媒体使用多媒体课件教学后记教学内容与过程提纲：一、复习旧课（5分）二、岩体基本工程性质（45分）三、围岩及围岩分级的概念（5分）四、围岩分级方法及发展趋势（20）五、我国铁路隧道围岩分级方法(25)第一节岩体的基本工程性质一、岩体的地质特性（一）、岩体处于一定的天然应力作用之下在工程施工前岩体中就处于天然应力环境中。岩体在天然状态下所具有的内在应力，称为岩体的初始应力，也叫作地应力。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质作用引起的。影响岩体初始应力状态的因素有两类：第一类是岩体本身因素。如岩性，岩体的物理力学性质，地质构造形态和地形位置等。第二类是外界因素。如地壳运动、地下水活动、地下温度而引起的地震力、水压力、热应力等。1重力应力场假定岩体是均一连续介质，采用连续介质的理论来分析。设岩体为半无限体，地面为水平。距离地表深度为y处取出一单元体，如图所示。按平面问题来考虑。这时，岩体的初始应力状态应满足平衡微分方程和相容方程70yxzyxyy式中，λ称为侧压力系数。由上式知，岩体的自重应力场是y的函数，随着深度y的增长而呈线性增长。2构造应力场由于地壳构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。构造应力的产生，可以用地壳运动处于相对静止状态所存储的能量来说明。设单位体积的应变能增量为dud则单位体积内的全部变形能为0ud在弹性极限内的变形能为2122eeeUE由此可见，岩体中储存的能量是通过弹性变形而获得的。若岩体中的应力达到弹性极限，岩体开始破坏。这时岩体除仍保存一部分残余变形外，岩体中所储存的能量将部分地或全部地释放出来。或者是岩体中的应力虽然尚未达到弹性极限，但由于流变性质，在长时期中也会使岩体中的能量释放，甚至使岩体中的构造应力消失为零或仅剩下残余构造应力。某些现场实测指出，岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。（二）、岩体的物理力学性质的不均匀性由于生成岩体的物质来源、生成原因、周围的环境以及生成后的构造作用极其复杂，所形成岩体内部物质成分的分布和结构特征，都不可能是均匀一致的。（三）、岩体是由结构面分割的多裂隙体所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(或带)。原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。构造结构面：指岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。次生结构面：指在外应力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。（四）、岩体具有各向异性岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形、甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性。（五）、岩体具有可变性地壳总是处在不停的运动和变化之中，岩体必然也是在各种地质作用下不断变化的。主要研究工程使用年限内的风化作用和地下水作用。风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)：风化极严重、风化严重、风化颇重、风化轻微和未经风化五级。风化系统分为全风化带、强风化带、半风化带、弱风化带和微风化带(新鲜)五带。岩石在水的作用下强度会下降，一般岩石的强度随着含水量增大量的不同而降低的程度也不同。这主要取决于岩石中亲水矿物和易溶性矿物的含量以及裂隙发育情况。通常用软化系数来表示岩石的软化性，8即饱水岩石抗压强度软化系数＝干燥岩石抗压强度一般规定软化系数小于0.75的岩石，叫软化岩石。岩体中水对岩石的软化作用不仅表现在强度上，也表现在使岩石变形增大。此外，当岩体中存在着承压水时，由于孔隙水压力作用，抵消外界的正压力而使岩石抗剪强度降低。二、岩石的力学性质岩石的力学性质主要指强度和变形性质。强度性质包括抗压、抗拉、抗剪性能以及描述这些性质的指标；变形性质包括描述岩石变形特征的物理量和岩石在不同荷载作用下的应力—应变关系。(一)岩石的强度性质岩石强度通常有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度包括(内摩擦角和粘聚力)等。岩石的单轴抗压强度是以单轴试验得到的破坏前的最大应力定义的。抗拉强度是指试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，一般可用劈裂试验确定。抗压强度与抗拉强度之比谓之脆性度。抗剪强度(或称抗剪断强度)是指岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断时剪切面上的极限剪应力表示。岩石的抗剪强度用下式表示tanCφ和C是表征岩石抗剪性能的基本指标。(二)单向应力状态下岩石的变形特征1.单轴压缩时应力－应变曲线由单轴压缩试验测得的应力－应变曲线，一般可分成图所示的三种形态。A表示线性弹性的特征，B表示凸向应力轴的形状，C表示凸向应变轴的形状。2.弹性模量对于应力－应变曲线为非线性的岩石，由于它的弹性模量各点不同，一般取它的弹性模量为：初始切线模量，平均切线模量和割线模量，如图。3.横向变形和横向变形比岩石在轴向荷载作用下，不但要产生纵向变形，同时还要产生横向变形．泊松比即是横向应变与轴向应变的比值。yxzz在大多数情况，横向应变和轴向应力，以及轴向应变和轴向应力的关系是非线性的。一般泊松比是随着轴向应力的增加而增大。第二节围岩分级一、概述围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范