桥梁与隧道工程

土木工程概论第6章桥梁与隧道工程6.1桥梁工程概述6.2桥跨结构6.3桥梁工程展望6.4隧道工程概述6.5公路隧道6.6铁路隧道6.7水底隧道土木工程概论•6.1.1桥梁在交通运输事业中的作用–经济发展、文化交流和国际建设–交通的发展与桥梁工程的发展相互促进•6.1.2我国桥梁建造的成就–历史久远–数量惊人–类型丰富6.1桥梁工程概述土木工程概论1969年我国建成了举世瞩目的南京长江大桥这是我国自行设计、制造、施工，并使用国产高强钢材的现代化大型桥梁。正桥除北岸第一孔为128m简支钢桁梁外，其余为9孔3联，每联为3×160m的连续钢桁梁。上层为公路桥面，下层为双线铁路。包括引桥在内，铁路桥部分全长6772m公路桥部分为4589m。南京长江大桥的建成，显示出我国建桥事业已达到了世界先进水平，也是我国桥梁史上又一个重要标志土木工程概论广东虎门大桥—是我国第一座大型悬索桥，被誉为“世界第一跨”。虎门大桥由东引桥、主航道桥、中引桥、辅航道桥及西引桥五部分组成（图6.10、图6.11）。大桥全长4588m，桥宽32m。辅航道桥为主跨270m的连续刚构桥，是目前世界上跨度最大的连续刚构桥；主航道为单跨简支钢加劲梁悬索桥，跨径888m。主缆跨径为302m+888m+348.5m，其主跨居我国前列土木工程概论•6.1.3国外桥梁建设简述法国米月高架桥法国诺曼底大桥土木工程概论•6.2.1桥梁的基本组成–桥跨结构（上部结构）–桥墩、桥台（下部结构）–墩台基础•6.2.2桥梁的分类–安桥梁的基本体系分类•梁式桥、拱式桥、钢架桥、悬索桥、组合式桥–桥梁的其他分类简述•根据桥梁所用的材料：木桥、圬工桥、钢筋混凝土桥，预应力混凝土桥和钢桥•桥梁所跨越的障碍物：跨河桥、跨海峡桥、立交桥、高架桥•桥梁的用途：公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、运水桥、农桥以及管道桥等•桥梁的全长和跨径：特大桥、大桥、中桥、小桥•桥面在桥跨中的位置：上承式、中承式、下承式6.2桥跨结构土木工程概论深圳市彩虹大桥是一座城市跨线桥（图6.35）。该桥跨越深圳火车北站29条股道，是目前世界上跨越铁路股道最多的桥梁之一。这座桥梁的设计采用了全组合结构，实现了全桥无模板施工，满足了现代桥梁建设“轻型大跨”、“预制拼装”、“快速施工”的要求特色桥梁工程简介土木工程概论•跨径不断增大•桥型不断丰富•结构不断轻型化桥梁发展的趋势有以下几个特点：6.3桥梁工程展望土木工程概论•6.4.1国内外隧道发展概况隧道——一种修建在地层中的地下工程建筑物。被广泛地应用于公路、铁路、矿山、水力、市政和国防等方面隧道的产生和发展是与人类的文明史发展相呼应的，大致分为四个时代：1）原始时代：用兽骨、石器等工具开挖，修建在自身稳定无需支撑的地层中2）远古时代：这个时期的隧道开发技术形成了现代隧道开发技术的基础3）中世纪时代：隧道技术没有显著进步4）近代和现代：使用炸药进行隧道开发6.4隧道工程概述土木工程概论隧道开发技术概况：14世纪火药的发明用于隧道开挖1818年布鲁塞尔发明盾构1896年英国人Greothead第一次应用压缩空气和盾构修建水底隧道1906年建成通车的贯穿阿尔卑斯山的新普伦隧道最先开始应用凿岩机和硝化甘油炸药土木工程概论•6.4.2隧道的分类及其作用–按地层分：岩石隧道、土质隧道–按所处的位置：山岭隧道、城市隧道、水底隧道–按施工方法：矿山法、明挖法、盾构法、深埋法、掘进机法–按埋置深度：浅埋隧道、深埋隧道–按断面形式：圆形、马蹄形、矩形–按国际隧道协会定义的断面数值：特大断面、大断面、中等断面、小断面、极小断面隧道–按车道数：单车道、双车道、多车道隧道–按用途：•交通隧道：公路、铁路、水底、地下、航运、人行•水工隧道：引水、尾水、导流或泄洪、排沙•市政隧道：给水、污水、管路、线路、人防•矿山隧道：运输巷道、给水隧道、通风隧道土木工程概论•6.5.1道路隧道的勘测设计1、道路隧道的工程调查道路隧道调查包括：地形、地质、气象、环境、施工条件以及与工程有关的法令调查调查时应首先明确：调查的目的、各阶段的任务和调查顺序6.5公路隧道土木工程概论2、路线和隧道位置的选择确定路线时通常遵照：线性适当顺应地形、路线延长、对附近地区的影响、安全性、用地、建设投资、养护费、行驶性能、施工难易、与当地环境和景观相协调按隧道所处的空间位置可以将公路隧道分为：1）越岭隧道：山岭地区公路从一个水系进入另一个水系要翻越其间的分水岭，为缩短里程，克服高度或地形障碍，往往要设置越岭隧道。2）傍山隧道：山区道路通常傍山沿河而行，为改善线形，提高车速、缩短里程、节省时间，常需要修建傍山隧道，或称为河谷线隧道3）城市水底隧道：多为城市港湾和河川有航运要求时，为沟通水域两岸而修建的。土木工程概论3、道路隧道的几何设计基本要求：安全、经济、适用还应考虑：通风、照明、安全设施，易于养护管理隧道的平面线形设计按《公路工程技术标准》规定进行4、净空断面隧道净空：指隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，包括公路建筑界限、通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备等附属设备所需要的足够空间，以及富裕量和施工允许误差等。建筑界限：指建筑物不得侵入的一种界限，包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度以及车道、人行道的净高。土木工程概论•6.5.2道路隧道结构构造主体构造物：为了保持岩体的稳定性和行车安全而修建的人工永久构造物，通常是指洞身衬砌和洞门构造物。附属构造物：主体构造物以外的为了运营管理、维护养护、供蓄发电、通风、照明等修建的构造物。1、衬砌材料与构造要求衬砌材料应有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。另外还应从经济观点出发，使衬砌材料价格便宜，就地取材，便于施工。通常采用：混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、锚杆与喷锚支护、石料、装配式材料等2、洞身衬砌类型洞身衬砌分为：直墙式衬砌、曲墙式衬砌、喷射混凝土衬砌喷锚衬砌、复合式衬砌、圆形断面隧道、矩形断面隧道等。土木工程概论•6.5.3围岩分类与围岩压力1、围岩分类影响坑道围岩稳定的因素是多方面的，在分类中主要考虑以下三个分类指标：1）坑道围岩的结构特征和完整状态2）岩石的物理力学性质3）地下水的影响2、围岩压力隧道开挖时，被扰动的围岩要移动和变形，而支护结构要阻止围岩移动和变形，围岩压力就是对支护结构施加压力。围岩压力由两部分组成：岩体自重产生的压力、岩体在构造运动中残留的构造应力。土木工程概论3、隧道结构计算作用在衬砌结构上的荷载，按其性质可以区分为：–主动荷载：主动作用在结构并引起结构变形•长期作用的主要主动荷载：围岩压力、回填土荷载、衬砌自重、地下净水压力以及车辆载重等•非经常作用的附加荷载：灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温度应力以及地震力等–被动荷载：因为结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，及弹性抗力，限制结构变形•弹性抗力属被动荷载，其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通常可作简化。土木工程概论•6.5.4公路隧道的施工方法公路隧道施工方法是根据地质条件、水文地质、埋深、断面形状及尺寸、施工技术条件、工期等许多因素有各种不同的施工方法，在选择施工方法时，要根据各种因素综合确定，并要考虑地质条件的变化情况，变化施工方法。常用的施工方法有：漏斗棚架法、反台阶法、正台阶法、全断面法、上下导坑先拱后墙法、下导坑先拱后墙法、品字形导坑先拱后墙法、侧壁导坑法等土木工程概论•6.6.1隧道位置选择及构造设计1、隧道位置选择铁路隧道位置的选择与以下因素有关：当地的地质条件、水文、地质条件、地形地貌条件、工程难易程度、投资的数额、工期的要求以及现有施工技术的水平和今后运营条件。其中最重要的是：地质条件和地形条件。6.6铁路隧道土木工程概论（1）按地形及地质条件进行选择–高程障碍：铁路线前进方向的高山，解决方案：•绕行方案：附近地形开阔，山坡地带宽敞可避开前方的山峰迂回绕行而过•深堑方案：地形比较开阔，有山谷台地可供展线，尽量把线路展长，坡度用足以争取把线路标高抬起到可能的高度，高程不足之处在山顶部位开凿深路堑通过–平面障碍：进入山区，线路无法环绕，解决方案：•沿河傍山绕行方案：沿着山体自然弯曲傍山绕行•隧道直穿方案：开凿隧道，穿山而过土木工程概论（2）按线路类别进行选择–越岭线上隧道位置的选择：主要以两大因素为依据•选择垭口：除了考虑平面位置外，还要考虑垭口两端河谷的分布情况和台地的开敞程度，主沟高程是否相差不大和河谷是否靠近等因素•确定隧道高程：要全面衡量，从技术和经济两个方面做出比较合理的决定–河谷线上隧道位置的选择：左右受山坡和河谷的制约，上下受标高和限制坡度的控制，比选方案时，尽管移动的幅度不大，但对工程的难易、大小都有关系土木工程概论2、隧道平纵断面设计–隧道平面设计：线路尽量为直线，若不可避免的出现曲线时，应尽可能采用较短的曲线或半径较大的曲线，在一座隧道内最好不设一个以上的曲线，尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线–隧道纵断面设计：•坡道形式•坡度大小•坡段长度•坡段连接土木工程概论3、隧道构造设计–隧道横断面设计•隧道净空界限•曲线隧道的净空加宽–隧道洞身支护结构的构造•就地模筑混凝土整体式衬砌是在坑道内树立模板、拱架，然后浇灌混凝土而成•装配式衬砌有若干在工厂或现场预先制备的构建，运入坑道内，用机械将它们拼装•喷锚支护是将掺有速凝剂的混凝土拌合料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝缩加设锚杆和金属网构成的一种支护形式土木工程概论•6.6.2支护体系设计围岩的初始应力场–根据地应力的成因分为：•自重应力场：地心引力和离心惯性力共同作用的结果•构造应力场：按其形成的时间可分为：–构造残余应力：过去地质构造和岩石形成过程中形成的残存在岩体中的应力–新构造应力：由现在正在活动和变化的构造运动所引起的应力–围岩初始应力场的确定方法•一般通过现场实地应力获得围岩初始应力，但受到很多因素的影响，实测的围岩初始应力不绝对正确•根据实践经验可采用实地量测和地质力学分析相结合的方法土木工程概论•6.6.3隧道施工方法1、新奥地利隧道施工法–全断面法：按照隧道设计轮廓线一次爆破成型–台阶法：包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法–分部开挖法：三种变化方案•台阶分部开挖法•单侧壁导坑法•双侧壁导坑法2、传统的矿山法有全断面法、台阶法、侧壁导坑法、漏斗棚架法、上下导坑先拱后墙法等土木工程概论•6.7.1水文调查与计算1、水文工作的特点1）水下隧道纵断面一般成V形坡或W形坡，洞口标高要定得安全合理2）为了使隧道洞口达到隐蔽的要求，水下隧道主洞口以及通风井口往往在支沟口内适当距离，避开山洪直接冲刷水下隧道水文工作的具体任务应根据主河道设计洪水频率提出提出水下隧道洞口及风井口的标高，以防洪水淹没6.7水底隧道土木工程概论2、水文计算水下隧道水文计算，首先应在隧道所在地区选择基准水文控制断面，进行水文测绘和计算。然后根据控制断面与隧道各洞口及河底段位置的关系，推算隧道各洞口要求百年一遇或三百年一遇洪水频率防洪标高及河底段的理论外水压力。土木工程概论水文计算主要工作如下：–测量河床断面及比降–洪峰流量的测定–绘制隧道轴线处江河水位-流量、水位-面积和水位-流速关系曲线图–设计水位的确定–流速的确定–河底段水头高度的计算–支沟水文计算–浪高的调查与计算土木工程概论•6.7.2隧道建筑设计–水下隧道组成：水下隧道各组成部分是有机整体，缺一不可，有防洪门、总控制室、值班室、警卫室、排水泵房、通风斜井、口部风机房、事故停车道等房间和设施–横断面设计：横断面形状一般有圆形、卵形、马蹄形、似马蹄形、直墙拱形和矩形等，应根据地质条件、水压大小、荷载条件、通风方式和施工方法等综合对比确定。土木工程概论•6.7.3隧道工程结构设计与计算隧道围岩分类和围岩压力的确定和公路隧道、铁路隧道部分相类似，不同之处是水下隧道还城后外水压力，在围岩分类和围岩压力以及外水压力确定之后，即可采用前述方法进行内力和位移计算土木工程概论•6.7.4隧道防水–概述：•防水的必要性：水下隧道衬砌70~80%地段终年在地下水位以下•防水