1、地下工程的基础技术 地下工程的基础技术，包括；规划、调查、设计、施工以及运营等方面技术的现状和展望。2/3/20231第四章 第二节 设计技术二、地下结构设计流程与解析技术2/3/20232第四章 第二节 设计技术三、地下结构设计方法1、围岩分级（P127）（1）基本概念岩石：均质、连续和各向同性的介质。岩体：是在地质历史中，经过岩石建造、构造形变、和次生蜕变而形成的地质体，它被许多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。2/3/20233第四章 第二节 设计技术围岩：地层中受坑道开挖影响的那部分岩体。围岩分级：根据一个或几个主要指标
2、将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，并依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。2/3/20234第四章 第二节 设计技术（2）我国铁路隧道围岩分级的指标由岩石强度的坚硬程度、围岩的完整程度 确定围岩的基本分级地下水及初始应力场修正围岩基本分级（3）分级方法（P128 表4-7）将围岩分为级，从围岩力学性质由强到弱 2/3/20235第四章 第二节 设计技术2/3/20236第四章 第二节 设计技术2/3/20237第四章 第二节 设计技术2、地下结构体系的计算模型（1）地下结构体系：由地层和支护结构共同组成，其中以地层为主，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的
3、变形而破坏坍塌，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的根本来源。2/3/20238第四章 第二节 设计技术（2）地下结构体系的设计模型经验设计法参照过去隧道工程实践经验进行工程类比的；实用设计方法（情报设计法）以现场量测和实验室试验为主的，例如以洞周位量测值为基础的收敛一约束法；作用一反作用模型，即荷载一结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；连续介质模型包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。2/3/20239第四章 第二节 设计技术（3）结构力学方法荷载结构模型计算方法 基本原理是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护
4、结构的弹性支承，隧道支护结构与围岩的模拟通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。2/3/202310第四章 第二节 设计技术2/3/202311第四章 第二节 设计技术适用条件只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地制止周围岩体变形和松弛而产生松动压力。评价一般说来，按此模型设计的隧道支护结构偏于保守。2/3/202312第四章 第二节 设计技术（4）岩石力学的计算方法基本原理岩石力学方法是将支
5、护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩一结构模型或复合整体模型，隧道支护结构与围岩的模拟在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，2/3/202313第四章 第二节 设计技术评价它符合当前的施工技术水平，在围岩一结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面。施工过程等。在这种模型中有些问题是可以用解析法求解或用收敛一约束法图解的，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，主要是有限单元法。2/3/202314第四章 第二节 设计技术2/3/202315第四章 第二节 设
6、计技术（5）以围岩分级为基础的经验设计方法 在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计的前提要正确地对坑道围岩进行分类，然后在分类的基础上编制支护结构系统的基本图示。在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：首先要对坑道围岩进行分类，这些分类大都是根据地质调查结果，为各种地下工程单独编制的 2/3/202316第四章 第二节 设计技术在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用：a 完整、稳定的岩体：锚杆长度1.5，n=.根/m左右，喷混凝土用于填平补齐二次衬砌用最小混凝土厚度，约 左右。B 易破碎、剥离的块状岩体:锚杆长度
7、1.53.5，n=10根/m左右，喷混凝土010cm，二次衬砌3040cm2/3/202317第四章 第二节 设计技术C、有地压作用的破碎岩体锚杆长.0，根喷层：拱部和侧壁喷层厚约cm。二次衬砌厚度为 d、强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体。锚杆长.0，n根左右喷层厚20 ，二次衬砌厚度，左右。2/3/202318第四章 第二节 设计技术在施工中应尽量少扰动围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，应采用控制爆破技术。预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护（包括正面），使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性
8、能的组合衬砌。允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少支护所需的防护措施。2/3/202319第四章 第二节 设计技术应有一个详细周密的量测计划。它系统地控制施工中的变形与应力情况，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及是否还需要加强措施。要严格按照预定的施工程序施工。2/3/202320第四章 第二节 设计技术（6）情报化设计方法情报化设计，实质上是通过施工前和施工过程中的大量信息（情报）来指导设计和施工，以期获得最佳地下结构的一种设计方法，也有称之为信息反馈设计方法或现场预测设计方法的。2/3/202321第四章 第二节 设计技术地下工程的情报化设计方法：预测施工前的信息（主要是地质信
9、息）施工进行施工监测依其信息（主要是位移、应变、压力等）修改预设计再施工、再量测直到形成一个长期稳定的结构体系。它不仅包括施工前的预设计，也包括施工过程中的修正设计，把过去截然分开的施工和设计两个阶段，融化为一体，构成了一个完整的设计过程。2/3/202322第四章 第二节 设计技术 四、铁路隧道的设计方法 我国铁路隧道的设计方法，基本上是采用结构力学的方法，即按结构荷载模式进行设计和计算的。铁路隧道尺寸、形状比较单一。因此，铁路隧道衬砌的设计已经定型化、标准化。目前铁路隧道的标准图，包括单线、双线隧道的衬砌、洞门、明洞等。根据牵引类型的不同，又分为电力牵引、内燃牵引及蒸汽牵引等标准设计。2/
10、3/202323第四章 第二节 设计技术1、设计步骤：（1）断面形式和结构尺寸的拟定工程类比法；（2）计算作用在结构上的荷载主动和被动荷载；（3）计算结构内力；（4）检算：安全系数，偏心距，基底承载力；2/3/202324第四章 第二节 设计技术地下工程施工施工工艺过程工法的关键技术要点2/3/202325第四章 第二节 设计技术第一节 施工方法分类 明挖法暗挖法盖挖法矿山法斜边坡垂直边坡+支挡结构盾构法泥水盾构土压平衡盾构掘进机法沉埋管段法新奥法2/3/202326第四章 第二节 设计技术第二节 明挖法施工为什么采用明挖法施工2/3/202327第四章 第二节 设计技术2/3/202328第
11、四章 第二节 设计技术围护结构形式钻孔灌注桩人工挖孔桩地下连续墙SMW桩墙钢板桩土钉墙2/3/202329第四章 第二节 设计技术2/3/202330第四章 第二节 设计技术2/3/202331第四章 第二节 设计技术2/3/202332第四章 第二节 设计技术2/3/202333第四章 第二节 设计技术2/3/202334第四章 第二节 设计技术2/3/202335第四章 第二节 设计技术2/3/202336第四章 第二节 设计技术第三节 盖挖法施工为什么采用盖挖法施工？分：盖挖顺作法、盖挖逆作法工程实例：上海地铁车站常熟路站、陕西南路站、黄陂路站，北京地铁车站永安里站、大北窑站、天安门站盖
12、挖逆作法工艺过程2/3/202337第四章 第二节 设计技术2/3/202338第四章 第二节 设计技术第四节 山岭隧道新奥法施工传统矿山法 采用钢、木支撑作临时支护，单层钢筋混凝土衬砌，不进行施工量测。新奥法（NATM）New Austria Tunneling Method 以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。是指导隧道设计和施工的原则和理论体系。2/3/202339第四章 第二节 设计技术圣哥达隧道的木支撑2/3/202340第四章 第二节 设计技术新奥法的原理1、保护围岩 光面爆破、预裂爆破或机械掘进2、充分发挥围
13、岩的承载能力 锚杆喷射混凝土作初期支护柔性支护3、施工过程的现场监控量测信息反馈4、一般采用复合式衬砌 新奥法的基本原理可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。2/3/202341第四章 第二节 设计技术2/3/202342第四章 第二节 设计技术2/3/202343第四章 第二节 设计技术2/3/202344第四章 第二节 设计技术2/3/202345第四章 第二节 设计技术2/3/202346第四章 第二节 设计技术2/3/202347第四章 第二节 设计技术2/3/202348第四
14、章 第二节 设计技术具体工法全断面法台阶法分部开挖法2/3/202349第四章 第二节 设计技术施工过程的监控量测为什么要监控量测？一、量测项目 必测项目：收敛量测、拱顶下沉量测、（地表沉降）。选测项目：围岩内部变形量测、锚杆轴力量测、围岩压力量测、支护及衬砌应力量测、钢架内力及所承受的荷载量测等。二、量测频率三、监控量测信息的整理与反馈：回归分析2/3/202350第四章 第二节 设计技术2/3/202351第四章 第二节 设计技术第五节 城市地下工程新奥法施工 浅埋暗挖法:CD法、CRD法、中洞法等。施工技术要点：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”。2/3/202352第四
15、章 第二节 设计技术2/3/202353第四章 第二节 设计技术2/3/202354第四章 第二节 设计技术2/3/202355第四章 第二节 设计技术2/3/202356第四章 第二节 设计技术盾构法概论盾构法概论2/3/202357第四章 第二节 设计技术2/3/202358第四章 第二节 设计技术2/3/202359第四章 第二节 设计技术2/3/202360第四章 第二节 设计技术地下连续墙的位置2/3/202361第四章 第二节 设计技术盾构法施工概貌盾构法施工概貌盾盾构构盾构千斤顶压浆孔在盾尾空隙中的压浆出土转盘盾构正面网格管片拼装机管片压浆泵 出土机由管片组成的隧道衬砌结构后盾管
16、片竖井盾构法施工概貌盾构法施工概貌 盾构法是使用所谓的盾构法是使用所谓的“盾构盾构”机械，在围岩中推进，机械，在围岩中推进，一边防止土砂的崩坍，一边在其内部进行开挖、衬砌一边防止土砂的崩坍，一边在其内部进行开挖、衬砌作业修建隧道的方法。作业修建隧道的方法。2/3/202362第四章 第二节 设计技术发展史：发展史：最早是在最早是在18181818年由年由英国英国工程师工程师布鲁诺尔布鲁诺尔(M.I,(M.I,Brunel)Brunel)发明的，他是从船的木板中，有一种发明的，他是从船的木板中，有一种蛀虫钻蛀虫钻出孔道出孔道，并用它，并用它分泌的粘液加固洞穴分泌的粘液加固洞穴得到启发而研制得到启
17、发而研制出的，并于出的，并于19251925年开始用一个年开始用一个宽宽11.58m11.58m、高、高6.7m6.7m的矩的矩形盾构形盾构，在，在英国伦教英国伦教的泰晤出河下面修建世界第一条的泰晤出河下面修建世界第一条水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的极大困难，两次被淹，直至次被淹，直至18351835年对后构作了改良年对后构作了改良.用用压气辅助施压气辅助施工工，才于，才于18431843年完工。隧道全长年完工。隧道全长458m458m。2/3/202363第四章 第二节 设计技术B18881890年间用盾构法在美国和加拿大间的圣年间用盾构法在
18、美国和加拿大间的圣克莱克莱(St,Clair)(St,Clair)河下建成了一条直径为河下建成了一条直径为6.40 m6.40 m，长，长为为1870m1870m的萨尔尼亚的萨尔尼亚(Sarnia)(Sarnia)水底隧道，为盾构法水底隧道，为盾构法修建隧道开拓了更为广阔地发展前景。修建隧道开拓了更为广阔地发展前景。B2020世纪初世纪初，盾构法施工已在，盾构法施工已在美、英、法、俄美、英、法、俄等国等国开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下开始推广，已用在水底公路隧道、地下铁道、上下水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。水道、电力、通讯煤气等市政公用地下设施管道。B1932193
19、2年年原苏联原苏联开始用直径为开始用直径为6.69.5m6.69.5m的盾构先后的盾构先后在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的在其斯科、列宁格勒、基辅等城市修建地下铁道的区间隧道及车站。区间隧道及车站。2/3/202364第四章 第二节 设计技术B19221922年年日本日本开始用盾构法修筑开始用盾构法修筑国铁奥羽线折渡隧国铁奥羽线折渡隧道道。B19431943年修建年修建关门水底隧道关门水底隧道直径达直径达6.0m6.0m，长，长11001100多多米。米。B19561956年年在在海州露天矿海州露天矿用直径用直径2.66m2.66m的盾构在的盾构在砂土层砂土层开凿了疏水巷道；开凿了
20、疏水巷道；B19571957年年起起北京北京采用直径采用直径2.0m2.0m、2.6m2.6m的盾构施工的盾构施工下下水道工程水道工程；2/3/202365第四章 第二节 设计技术B19721972年年在在江苏大屯矿江苏大屯矿用用立井盾构立井盾构施工了井筒达施工了井筒达150m150m。B从从19601960年起年起上海上海在在第四纪软弱饱和水土层中第四纪软弱饱和水土层中用不用不同类型盾构完成了一批地铁区同隧道、水底公路隧同类型盾构完成了一批地铁区同隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道等工程。道等工程。2/3/202366第
21、四章 第二节 设计技术一、盾构法的主要优点除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。对附近居民的噪音和振动影响。盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。产效率高。土方量外运较少。土方量外运较少。穿越河道时不影响航运。穿越河道时不影响航运。2/3/202367第四章 第二节 设计技术一、盾构法的主
22、要优点 施工不受风雨等气候条件影响。施工不受风雨等气候条件影响。隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。性。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相比，经济上、施工进度
23、上越有利。法相比，经济上、施工进度上越有利。2/3/202368第四章 第二节 设计技术二、盾构法存在的不足 当隧道曲线当隧道曲线半径过小半径过小时，施工较为困难。时，施工较为困难。在陆地在陆地建造隧道时，如建造隧道时，如隧道覆土太浅隧道覆土太浅，开挖面，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时在水下时，如如覆土太浅覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。定厚度的覆土。竖井中长期有噪声和振动竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。，要有解决的措施。盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层盾构施工中采用全气压方法以疏干和
24、稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。时，对劳动保护要求较高，施工条件差。2/3/202369第四章 第二节 设计技术二、盾构法存在的不足 盾构法盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。心土层的地表沉降。在饱和含水地层中在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到砌，对达
25、到整体结构防水性的技术要求较高整体结构防水性的技术要求较高。2/3/202370第四章 第二节 设计技术三、盾构法施工步骤 在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；盾构在起始端工作井内安装就位；盾构在起始端工作井内安装就位；依靠盾构千斤顶推力（作用在新拼装好的衬砌依靠盾构千斤顶推力（作用在新拼装好的衬砌和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的壁墙开和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的壁墙开孔处推出；孔处推出；盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；时不断出土和安装衬砌管片；2/3/202371第四章 第二节 设计技术三、盾构法施工步骤 及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置；固定衬砌环的位置；盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。也可穿越工作井再向前推进。2/3/202372第四章 第二节 设计技术
