岩石力学课件：岩石地下工程

第8章岩石地下工程地下工程：为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室，其共同特点是在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸的洞室。§8.1概述不同的分类方式有不同的分类方法按所处的地质条件按所处的地理位置土质隧道岩质隧道山岭隧道水底隧道城市隧道地下工程类型交通类隧道水工隧道市政隧道矿山隧道人防隧道铁路隧道公路隧道地下铁道人行通道引水隧道尾水隧道导流隧道泄洪隧道给水隧道排水隧道管路隧道（煤气、暖气、电力等）采矿巷道运输巷道按隧道的用途qphH)5.2~0.2(/qhq深埋地下工程（50m）的特点：可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（3~5R0）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10％以下）；深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。深埋隧道（地下工程自身影响达不到地表）浅埋隧道按隧道的埋置深度南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先例断面为16×20米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工水工隧道采矿巷道地下水电站二滩水电站发电厂房海底储气工程汕头LPG工程，1997年10月开工，1999年12月建成地下物流系统地下原子能发电站地下停车场人防隧道地下商场北京国贸地下滑冰馆城市隧道南京玄武湖地下快速路宁波甬江水底隧道广州地铁二号线【赤～鹭区间隧道】盾构工程地下铁道北京地铁王府井车站隧道内路面施工隧道出口施工重庆轻轨二号线（较场口-新山村）18公里，投资43亿（2000-2005年）临江门车站较场口车站大坪车站轻轨地下车站:公路隧道重庆华蓥山隧道北碚隧道2005年2月15日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出100万方土石。其中，每条隧洞长3900米，单向双车道。重庆大学城梨树湾隧道珠海板樟山公路隧道全长18.02公里，总投资31.93亿元断层、涌水、岩爆照明、通风、消防、通信、救援、交通安全控制、供配电、监控湖南邵怀高速隧道内的“人造天空”陕西秦岭终南山公路隧道铁路隧道襄渝铁路松树车站三线隧道中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于（北）京包（头）铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长1091米，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，1907年开工，在中国技术人员和工人的努力下，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道在四川省境内的大渡河畔，有一条古老凉山分裂成的长达几里的大裂缝，名叫老昌沟。1964年修建成昆铁路时，桥梁建设者们在这里修建了一座中国跨度最大的铁路石拱桥。跨度最大的铁路石拱桥——“一线天”桥中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：关角隧道位于青藏铁路西（宁）格（尔木）段的青海省天峻县内，全长4000米。洞内轨面最高处海拔3692米。由于地处高海拔地区，气候寒冷，空气稀薄，年平均气温0℃，最低温度为零下37.5℃。关角隧道的施工前后历时30多年，除停工的13年外，正式开挖建设5年半，而整治病害耗时9年多，可见隧道地质构造之复杂、气候条件的恶劣和病害的严重。关角隧道中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，全长14295米。隧道埋深70至910米，推行了国外最先进的设计和施工的方法——“新奥法”。采用八十年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序——钻爆、支护、装运三条机械化作业线。大瑶山隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道:分水关隧道中国最长的铁路隧道：位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ线隧道全长18456米。秦岭隧道中国最长的铁路隧道：秦岭隧道隧道最大埋深约1600米，埋深超过1000米地段长约3.8公里。Ⅰ线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关，且Ⅰ线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有六类24项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。世界高原多年冻土区第一长大隧道：昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长1686米，于2001年9月开工，2002年9月26日胜利贯通。昆仑山隧道世界海拔第一高的铁路隧道：位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人区”边缘，全长1338米，轨面海拔4905米，是世界上海拔最高的隧道，年均气温零下7℃，寒季最低气温达零下41℃，空气中氧气含量只有内地的50％左右。隧道冻土层最厚达150米、覆盖层最薄处仅有８米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难度之大前所未遇。2001年10月18日开工建设，2002年10月19日胜利贯通。风火山隧道课后自己上网看看CCTV10的纪录片穿越梦想—宜万铁路(沪蓉西高速铁路)城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。大型城市地下综合体：交通、市政、商业上海人民广场上海静安寺核心区地下城，以波浪文化城（100000m2）和地铁1、2号线换乘站为骨干，形成地下城，地下空间总量达到200万m2。杭州钱江新城深圳罗湖口岸及火车站地区：该综合体地下地上各三层，该项目于2006年7月获城市土地学会亚太区卓越奖。深圳华强北地下商业街：以疏通人流为主，兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸，扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。南京结合地铁1、2号线新街口换乘站建设，形成地下空间网络，总建筑面积超过了40万m2，基本形成了地下城。深圳朝鲜平壤地铁平壤地铁1968年开建，1987年开通，全长35公里。最深处达120米，号称是世界上最深的地铁。健身房地下污水处理厂玉米棒式地下停车库第5章岩石地下工程当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长为53860米，其中海底部分为23300米。青函隧道1964年开挖斜坑道，经过24年的施工，于1988年3月13日正式投入运营。日本青函隧道从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径7.3米、长50000米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距30米，在其中间线再修一条直径为4.5米的辅助隧道，每隔375米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿法朗（约合70亿美元）。隧道于1987年动工，1994年竣工并投入使用。坐时速260公里的高速火车，穿越隧道只用26分钟。英法海底隧道第5章岩石地下工程计划中的这条隧道长103公里，是英法隧道水下部分的3倍长，贯穿白令海峡，将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为北美和俄远东地区每年节省200亿美元运输费和电费。预计历时10到15年，耗资100亿到120亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。横跨白令海峡的海底隧道将沟通欧亚和北美香港海底隧道九龙入口香港第1条过海行车隧道，于1972年8月通车，耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里，跨越维多利亚港，将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。厦门翔安海底隧道第一条由内地专家自行设计的海底隧道，而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。全长9公里，海底隧道5.95公里，总投资39.5亿。隧道采取三孔建设形式，共由三条线路组成，其中中间一孔为服务隧道，作为紧急避难通道和日常维护检修用。主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米，隧道最深在海平面下约70米。台海隧道即使以最短的北线计算也有150公里，是英法之间的英吉利海峡隧道长度的3倍。台海隧道的造价排除物价因素将在4000亿到5000亿元人民币之间。预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要2小时。台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海峡地层处于较新的地质年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘探、科学的设计和完备的施工措施。台海隧道盾构法沉管法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法地下连续墙法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法新奥法传统矿山法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法)(隧道施工及监测技术§8.2地下工程围岩应力（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。力学问题围岩应力计算：①开挖前岩体天然应力状态的确定②开挖后围岩重分布应力的计算③支护衬砌后围岩应力状态的改善重分布应力：地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关一、无压洞室围岩重分布应力计算1、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。MxVHMxVMxH=+•假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，则问题可简化为右图所示的无重板岩体力学模型。σH=λσv（1）圆形洞室设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：rrrrrrrrr22222221111边界条件：)(sin2)()(0)()(cos22)(000RbpτRbσRbθppσbrbrrbrrrθ设应力函数φ2cos)(ln222FDrCrBrrA解微分方程，得各常数24442202020pRFpRDpCpBpRA2cos2212ln222020220220rRRrRrrpRrrrrrrrrr22222221111柯西课题M点的应力分量2sin23122cos31122cos43112220440440