地下工程施工技术课件.ppt

1、主要内容 地下工程发展概况地下工程发展概况 地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状 地下工程施工的主要特点地下工程施工的主要特点 地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术 四川大学开发地下洞室群施工仿真系统四川大学开发地下洞室群施工仿真系统（UCCSSUCCSS）的主要特点）的主要特点地下工程施工技术地下工程施工技术1 地下工程发展概况 不同的“建筑世纪”代表了不同的社会发展水平，19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是地下空间的世纪。时至今日，人口爆炸、土地退化、资源短缺、环境脆弱等诸多问题，使人类赖以生存和发展的地球表面不堪重负。这种日趋严峻的态势，已

2、引起广泛重视，世界各国除采取政治、经济措施以保护现有的生存空间外，日益重视地下空间的开发利用，并把地下空间当成一种新型国土资源，称之为地下产业。例：庞大的城市排水地下工程、海底隧道工程。在地下空间的开发利用中，我国走在前列的当属铁道和水电两大行业。地下工程发展概况地下工程发展概况1.1 交通隧道与城市地下工程发展概况 我国是拥有地下工程数量最多的国家，具有悠久的历史。在古代，人们挖掘窑洞来居住，这是最早的地下工程。根据考古研究发现，具有一定工程规模的地下工程，应是长沙的楚墓、洛阳的汉墓、北京昌坪的定陵等；第一座用于交通的铁路隧道是18871889年修建在我国台湾，从基隆到台南的窄轨（1067m

3、m）铁路线上，长261m的师球岭隧道。1907年我国杰出的工程师詹天佑先生，主持修建了第一座由中国人自己设计和施工的现代隧道八达岭铁路隧道，长1091m。地下工程发展概况地下工程发展概况1.1 交通隧道与城市地下工程发展概况 改革开放以来，伴随我国经济的腾飞，地下工程施工技术有了飞跃，地下工程的建设得到大规模的发展。据有关统计数据，至2002年底，我国共修建铁路隧道5711座，总长达2833km，公路隧道2700余座，总长达704km；北京、上海、天津、广州、南京、深圳相继建成了超过100km的地下铁道，目前还有超过25个城市拟建设地下铁道；近年来采用沉管法修建的穿越珠江、甬江、长江的隧道。极

4、大地提高了我国修建水下隧道的技术水平。目前我国已具有修建各种地质条件下的地下工程的能力，在许多方面已达到世界先进水平。地下工程发展概况地下工程发展概况1.2 水利水电地下工程发展概况 水电站地下厂房是结构最复杂、规模最庞大的洞挖工程。我国水能资源分布集中的西南地区，地形地质条件比较复杂，不少电源开发点多具有山高谷深的地形特点。受地形以及枢纽布置约束，不少发电厂房采用地下式。我国部分采用地下厂房的已建装机容量大于100MW的水电站见下表。地下工程发展概况地下工程发展概况我国部分采用地下厂房的已建装我国部分采用地下厂房的已建装机容量大于机容量大于100MW100MW的水电站的水电站水利水电地下工程

5、发展概况水利水电地下工程发展概况 据统计，目前我国水电开发的主要河流大渡河、雅砻江、金沙江中上游在建及待建的水电站厂房80%以上为地下式布置。大渡河龚嘴以上目前规划梯级电站中仅深溪沟水电站厂房为地面式，雅砻江卡拉至官地河段的梯级电站全部为地下厂房，金沙江向家坝至乌东德4个梯级电站全部为地下厂房。我国部分采用地下厂房的在建及待建水电站见下表。水利水电地下工程发展概况水利水电地下工程发展概况表表2 2 我国部分采用地下我国部分采用地下厂房的在建及待建水电厂房的在建及待建水电站站水利水电地下工程发展概况水利水电地下工程发展概况水电站厂房地下式布置的主要优点是：1.为枢纽其他建筑物布置留出空间。2.充

6、分利用围岩的承载能力。3.施工基本不受气候的影响。4.运行期不受滑坡、泥石流等山地灾害的影响。5.明挖工程量相对较少，有利于水土和环境保护。6.可为工程提供质量较优的石料。7.运营期免受雾化等影响。8.与挡水、泄水等其他工程施工干扰较小。9.运营环境温差变幅较小。10.具有较好的抗震与隐蔽性。水利水电地下工程发展概况水利水电地下工程发展概况水电站厂房地下式布置值得关注的问题1.渗流控制措施引起投资的增加。2.通风与照明增加运营成本。3.施工安全及支护加固需要增加投资。4.施工交通运输布置与施工顺序直接影响施工工期。5.高地应力、大流量渗（涌或突）水、岩体结构软弱破碎、地层含（如瓦斯、H2S等）

7、有害气体等不良地质条件下的安全施工问题比较突出。水利水电地下工程发展概况水利水电地下工程发展概况1.3 我国水电工程地下建筑物的 发展趋势p 工程规模巨大p 地质条件比较复杂p 施工进度快地下工程发展概况地下工程发展概况工程规模巨大 从工程规模上看，总的趋势是长、大、高、多,即洞身长、跨度大以及直径大或断面大、边墙高、洞室多。如:l 在建的金沙江向家坝水电站右岸地下厂房工程长宽高255.433.487.5m，引水隧洞开挖直径达16.3m，尾水隧洞开挖断面宽高=24.338.15m，开挖跨度、高度、引水洞直径、尾水洞断面均居世界第一位。l 在建的雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞隧道掘进机（TBM）掘

8、进段直径12.4m、洞身长约16.7km，4个上游调压井，开挖直径达28m，井深136.8m。我国水电工程地下建筑物的发展趋势我国水电工程地下建筑物的发展趋势地质条件比较复杂受印度板块与亚欧板块的反复撞击作用，我国水能资源分布集中的青藏高原及其次区域，大地构造环境比较复杂，不少电源点处于大断裂带附近甚至为断裂带所夹持的地块中。同时，受河流长期下切临空，岸坡卸荷等，两岸高陡山体的地质条件往往也比较复杂。锦屏一级水电站地下厂房围岩具有高地应力低强度的特点。锦屏二级水电站引水隧洞存在埋深大（最大埋深约2520m）、高压大流量涌突水，上游调压井群地层含H2S有害气体等复杂地质条件金沙江向家坝地下厂房处

9、于软硬相间的砂岩中，开挖成型控制难度比较大。随着开挖高度的增加，存在岩体蠕变的可能。大渡河瀑布沟水电站地下厂房围岩地应力高，开挖过程中已几次发生岩爆。我国水电工程地下建筑物的发展趋势我国水电工程地下建筑物的发展趋势施工进度快随着现代大型施工机械设备的问世，施工技术水平的提高，以及施工技术与组织管理科技成果的广泛应用，我国水利水电地下工程施工进度明显加快。如：长宽高294.130.770.175m的瀑布沟水电站地下厂房创造了开挖支护工期仅为24个月的国内施工记录。我国水电工程地下建筑物的发展趋势我国水电工程地下建筑物的发展趋势2 地下工程施工技术发展现状水电站地下工程方面，继加拿大邱吉尔瀑布水电

10、站地下厂房、巴西和委内瑞拉伊泰普水电站地下厂房之后，大型工程建设的报道较少。国外交通隧道施工水平一直处于领先地位。地下工程施工技术的发展是和国家经济发展相关的。随着我国经济的持续快速发展，地下工程施工技术也取得了长足的进步。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状1.1.先进的管理理念与组织模式先进的管理理念与组织模式2.2.在规模方面实现了一系列的新突破在规模方面实现了一系列的新突破 3.3.大型高效施工机械为地下工程施工提供了条件保障大型高效施工机械为地下工程施工提供了条件保障4.4.打破行业局限、优势互补的格局初步形成打破行业局限、优势互补的格局初步形成5

11、.5.计算机仿真等技术的应用计算机仿真等技术的应用,信息化施工水平不断提高信息化施工水平不断提高6.6.监控量测技术为施工安全和运营安全提供了重要的技术支持监控量测技术为施工安全和运营安全提供了重要的技术支持7.7.取得了较为丰富的不良地质条件下施工经验取得了较为丰富的不良地质条件下施工经验地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.1 先进的管理理念与组织模式80年代，我国水利水电行业第一个国际招标工程鲁布革水电站地下引水发电系统工程引进的日本大成公司在引水洞某标段的施工中所带来的先进管理理念与组织模式，给我们上了生动的一课。那时，我们以数倍于大成公司的人力资源配置，施工进度却不足其

12、一半；今天，即便使用自制简易的钻爆工架，在锦屏辅助洞施工中也创造了月进尺300m的施工新记录。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.2 在规模方面实现了一系列的新突破 长隧洞方面，长21km乌鞘岭铁路隧道和长18.1km秦岭终南山公路隧道已相继完建。目前，综合规模位居世界第一的雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞已开工建设。大断面隧洞方面，已相继完建二滩、三峡右岸、龙滩、小湾、拉西瓦、瀑布沟等开挖断面积大于500m2的水电站尾水洞工程。开挖断面积位居世界第一的宽高=24.338.15m的向家坝水电站尾水隧洞正在施工。大直径竖井方面，2003年12月四川福堂水电站调压井完工，实现开敞式竖井

13、开挖直径30.0m突破之后，开挖直径36.0m的四川吉渔水电站调压井已于2006年完工。埋藏式竖井继最大开挖直径37.0m的澜沧江糯扎渡水电站尾水调压井之后，开挖直径28.0m、深136.8m的锦屏二级水电站上游调压井群（4个）已开工建设。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.2 在规模方面实现了一系列的新突破 开挖跨度与高度方面，已完工的二滩、龙滩等跨度30m、高度65m以上的地下厂房工程主要参数见下表：目前，位居世界第一的开挖跨度33.4m、高87.5m的金沙江向家坝地下厂房已于2009年5月完成开挖与支护。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.3 大型高效施工

14、机械为地下工程 施工提供了条件保障多臂钻、潜孔钻、自动装药车、盾构机、TBM掘进机等大型高效施工机械，为地下工程安全、快速施工提供了条件保障。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状多臂钻钻孔CTQ160潜孔钻车460PC潜孔钻车施工现场TBM掘进机Tunnel Boring Machines 盾构机2.4 打破行业局限、优势互补的格局初步形成较早前，四川太平驿水电站长引水隧洞施工中铁道行业与水电行业就已联合。近期，在具有世界级规模和难度的雅砻江锦屏二水电站引水隧洞工程已由铁道行业与水电行业组建的联营体中标建设。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.5 计算机仿真等技术的

15、应用 信息化施工水平不断提高数值仿真技术（如三维有限元）为地下工程结构与施工安全以及运营安全评价提供了重要的技术支持；施工仿真系统为地下工程施工方案优化决策提供了技术支持；工程管理系统、财务结算系统、质量与安全监控系统等为地下工程高效、优质、经济地建设作出重要的贡献。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.6 监控量测技术为施工安全和运营 安全提供了重要的技术支持施工过程动态、静态监测系统，地质超前预报以及监测信息反馈分析技术等为施工安全和运营安全提供了重要的技术支持。遗憾的是采掘业透水、中毒等事件还比较频繁。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状2.7 取得了较为丰富的

16、 不良地质条件下施工经验在不良地质条件下修建隧道方面，已经积累丰富的工程经验在不良地质条件下修建隧道方面，已经积累丰富的工程经验和科技成果。和科技成果。如在青藏铁路的修建中，解决了在海拔4000m,-40的高寒地区修建隧道的问题；在渝怀铁路的修建中，克服了大涌水的困难，修建了圆梁山隧道；1996年建成的南昆铁路家竹箐隧道，解决了高瓦斯、高地应力、大涌水三位一体的难题，填补了我国在高瓦斯、高地应力隧道施工技术的空白。这些充分说明我国能够在各种不良地质条件下修建隧道。四川大学与中国水利水电第五工程局联合研究的不良地质条不良地质条件下大型调压井工程件下大型调压井工程关键施工技术在开挖直径达31.4m

17、、深117.7m、上部55m岩体98%为类或类围岩（水电行业分类标准）的四川福堂水电站调压井工程中应用，在保证了施工安全前提下，使开挖工期由原规划的18个月缩短到12个月。从某种意义上可以说，我国地下工程施工技术水平已步入世从某种意义上可以说，我国地下工程施工技术水平已步入世界先进行业。界先进行业。地下工程施工技术发展现状地下工程施工技术发展现状3 地下工程施工的主要特点地下建筑物由于布置在地下，无论在开挖、支护、衬砌和施工组织等方面，都与地面露天作业有很大的差别。随着我国地下工程的大规模建设发展，地下工程施工技术也呈现出新的特点，在总结前辈、同行研究成果基础上，结合近年的研究与实践，个人认为

18、地下洞室群施工特点主要表现在以下几个方面：地下工程施工的主要特点地下工程施工的主要特点3 地下工程施工的主要特点1.施工组织：系统多工作面、立体多层次、平面多工序。2.施工交通运输布置：立面多层次、平面多方向、立体交汇多环路。3.施工程序：化高为低、化大为小、化长为短。4.施工通风：减少排放、机械通风与自然通风相结合、实时监控。5.施工排水：采用隔、堵、排及其组合措施。6.施工机械设备：大型高效施工设备国产化水平不断提高，设备配置要配套，注重整体实效。7.施工方法：在实践中不断改进和创新。8.施工组织管理：程式化与信息化。地下工程施工的主要特点地下工程施工的主要特点4 地下洞室群施工的关键技术

19、 地下洞室群施工涉及地质条件、施工方法、施工组织与管理等众多方面，其关键技术主要包括：施工交通运输布置 施工方法选择 施工机械设备选型 施工通风方式与布置 地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术4.1 地下洞室群 施工交通运输布置地下建筑工程施工，作业空间有限，工序繁多,交叉作业，施工干扰大。地下建筑工程的施工通道布置是否合理将直接影响到施工方法和施工进度。地下洞室群施工交通运输布置的基本原则：地下洞室群施工交通运输布置的基本原则：1.最大限度地满足施工要求2.避免或减少施工干扰3.有利于土石方平衡4.有利于减少施工交通工程量5.有利于改善施工作业环境6.施工支洞出口位置选择地下洞室

20、群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术4.2 地下洞室群 施工方法选择 施工方法，主要根据地下空间结构的体型、尺寸与规模大小，围岩稳定与支护方式，施工交通运输布置，施工工期，主要施工机械设备配置等条件确定。1.保证施工安全充分考虑工程区的地质条件，有利于维护施工过程的围岩稳定，保证施工安全。2.加快施工进度结合施工设备采供条件，有利于施工机械设备，特别是主要施工机械设备的功能和效率的充分发挥，加快施工进度，缩短施工的总工期。3.结合工程施工实际，保证施工质量结合施工实践经验和施工技术水平，便于施工组织与管理，提高施工质量。4.高效低耗有利于减少施工干扰，降低施工成本。地下洞室群施工的关键技术

21、地下洞室群施工的关键技术4.3 地下洞室群 主要施工机械设备选择大型高效施工机械设备的问世，为地下工程施工提供了有力的条件保障。地下洞室群空间结构复杂，洞室型式多，需要的施工机械设备种类多、数量大，选择时应考虑多种因素。地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术主要施工机械设备选择考虑的因素：1.1.尽可能国产化尽可能国产化一是缩短到场时间，二是保修服务便捷，三是购置成本相对较低。2.2.满足工程施工任务和施工强度要求满足工程施工任务和施工强度要求对施工总工期起控制作用的工程应选用性能和效率高的机械设备，其他工程可选用小型机械设备。3.3.便于施工组织管理便于施工组织管理按空间层次结构分

22、别配置，减少机械设备转运和施工干扰，便于施工组织管理和调配。4.4.充分考虑施工条件充分考虑施工条件充分考虑地下空间的局限性和施工位置的约束性。5.5.尽可能减少主机配置尽可能减少主机配置型号尽可能统一，宜增加配件贮备以减少主机配置。地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术4.4 地下洞室群 施工通风方式与布置选择通风方式与布置时主要考虑施工方法、设备条件、掘进长度、工作面断面尺寸以及污染物的含量与种类等因素。选择通风方式的原则自然通风因其影响因素较多，不稳定且不易控制，应根据工程实际情况选择使用。采用有轨运输施工的洞室考虑采用吸出式或混合式通风。采用无轨运输施工的洞室考虑采用压入式或

23、变换式通风。有平行导坑施工的洞室可考虑巷道式通风。地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术4.4 地下洞室群 施工通风方式与布置1.通风方式应针对污染源的特性，尽量避免成洞段二次污染，且应有利于快速施工。2.单独的吸出式通风，易在工作面形成炮烟停滞区，不利快速施工，可在工作面处另设局扇构成混合式通风。3.利用平行导坑作通风巷道，是解决长隧洞施工通风的方案之一。根据设备状况，风机可设在平导口的风道内，也可设在横通道内。4.大断面施工时，若净空满足要求，可在成洞地段一侧隔出一条纵向风渠代替大直径风管。但纵向风渠的建筑费用高，维修困难，故在选择时应慎重考虑选择。通风方式选择中应注意的几个问题

24、地下洞室群施工的关键技术地下洞室群施工的关键技术5 四川大学开发地下洞室群施工仿真系统（UCCSS）的主要特点1.基于生产线平衡，提出了地下洞室群程式化平衡施工的管理理念及其仿真模型。2.结合地下工程施工实践，提出了规则循环施工的组织理念，建立了相应的仿真模型，对增强仿真成果的工程实用性、提高管理效率、加快施工进度有一定的参考作用。3.在总结国内外地下工程施工方法基础上，构建了不同施工方法的仿真模型，并作了某些合理的简化，增强了仿真系统的实用性，有利于方法创新和系统拓展。UCCSS UCCSS 的主要特点的主要特点5 四川大学开发地下洞室群施工仿真系统（UCCSS）的主要特点4.根据地下洞室群

25、空间结构复杂、洞室纵横交错的特点，采用层次分析方法，建立了层次模型，实现了地下洞室群施工全过程系统仿真，更能适应实际施工组织模式，也便于加强过程管理。5.通过地下洞室群施工交通车流特点分析，提出了路段限速条件下持续高峰车流量的施工交通可行性评价标准，并建立了相应的仿真模型，为地下厂房洞室群施工交通运输优化布置提供了量化的技术支持。UCCSS UCCSS 的主要特点的主要特点5 四川大学开发地下洞室群施工仿真系统（UCCSS）的主要特点6.开发了实践性和拓展性较强、功能较全、操作简便的地下洞室群施工仿真系统（UCCSS）。该系统应用于云南澜沧江糯扎渡水电站地下厂房工程、四川岷江福堂水电站调压井工

26、程、四川瀑布沟地下厂房工程、向家坝地下厂房工程、四川雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程，主要成果已被工程设计、施工所采用，为其施工方案优化和管理决策提供了重要的技术支持。多项成果鉴定为国际先进水平。UCCSS UCCSS 的主要特点的主要特点应用工程1.云南澜沧江小湾水电站地下厂房洞室群工程2.云南澜沧江糯扎渡水电站地下厂房洞室群工程3.四川岷江福堂水电站调压井工程4.四川雅砻江锦屏二级水电站引水发电工程5.四川大渡河瀑布沟水电站地下厂房洞室群工程6.南水北调穿黄隧洞工程7.金沙江向家坝水电站引水发电工程UCCSS UCCSS 地下洞室群施工仿真系统的应用地下洞室群施工仿真系统的应用溪洛渡地下厂

27、房岩锚梁开挖效果溪洛渡水电站引水隧洞钻孔爆破施工某工程地下厂房系统施工分层示意图323432333232322163146313631263116112622.00连通上室587.00599.001212岩锚梁保护层岩锚梁保护层627.00主厂房主变开关室尾水闸门室2#调压井609.90610.50604.40598.90587.902#施工支洞母线洞598.90587.90592.90586.9028.250.527.0605.40602.207.512.520.04.0605.50595.50590.50640.004#施工支洞上导洞6111尾水闸门运输洞上层31.0629.00635.7

28、0636.00636.00D36656.09645.70648.30115#中施工支洞640.00628.90619.90627.00620.00615.90616.005.0主厂房运输洞611.00613.40615.50610.00623.40632.70上导洞2111211222112212231123122313231425111124644.70626.004112431143124313431444114412441344144415441641113111322232123224324132613241322432623223600.50635.00630.00625.00620

29、.003262上溜渣井下溜渣井8#施工支洞574.90571.65564.53尾水支洞尾水支洞11.018.055.75573.86564.5325.511372216.527112712522152225223522352225221568.8652435244图2-5 地下厂房施工分层示意图说明：（1）图中 的数字为施工层次编号。（2）调压井工程，3222均分为3层，每层高3米；3224均分为2层，每层高3.35；3241均分为5层，每层高3米；3261和3262均分为4层，每层高3.0米。（3）尾水洞分为3层，顶拱层高7米，中层和下层高均为6.5米。581.53579.90580.9025123251581.90581.53441752424211上中下7#施工支洞585.503263谢 谢