隧道(地下结构)总结

隧道(地下结构)总结（精选8篇）

篇1：隧道(地下结构)总结

围岩初次应力场 围岩二次应力场 围岩三次应力场 2 围岩分类怎么分的 3管片防水 围岩形变压力和松动压力 5 什么叫岩体 结构体 结构面 6地下工程检测的项目 7为什么隧道要进行曲线段加宽 8 被动围岩应力的处理 9顺作法和逆作法区别 10 土压平衡盾构的原理 11 全包式防水 半包式防水 12 围岩弹性抗力 13 围岩分类指标的选择 14 新奥法和浅埋暗挖法的区别 15 浅埋暗挖法控制沉降的方法 16 什么叫锚喷 17 干喷湿喷

18地下结构和地上结构区别 19围岩初始应力场的组成隧道限界 20支护有哪些 21什么叫复合衬砌 22地下结构受力特点 23 地下结构受力模型 24天然拱 25温克尔定理 怎么处理围岩被动反力 27水土分算 水土合算

28地层结构模型的原理 荷载结构模型的原理 29对支护结构的基本要求 30复合式衬砌

篇2：隧道(地下结构)总结

大箐隧道位于滇西红层区域,隧道的最大埋深为687m,在施工中克服了滇西红层区域地形、地质、水文特点复杂多变,多涌水(实测最大涌水量高达1 800m3/h)、多塌方(大小塌方共计十余次),并针对原结构设计中未考虑外水压力的`实际情况,经过结构计算、工程类比,先后提出多种处理方案,最终成功地解决了滇西红层区域隧道施工地形、地质、水文特点复杂多变,多涌水、多塌方等不良地质情况.本文主要介绍了在该隧道施工中处理地下涌水和塌方的施工技术.

作 者：陈漫天 吴体刚 刘晓鹏 CHEN Man-tian WU Ti-gang LIU Xiao-peng 作者单位：陈漫天,吴体刚,CHEN Man-tian,WU Ti-gang(四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川,成都,610072)

刘晓鹏,LIU Xiao-peng(中国人民武装警察部队水电第十支队,四川,成都,610072)

篇3：隧道(地下结构)总结

在地铁的修建和运营过程中, 地下地质环境对其影响重大, 其中地下水水位变化便是造成地铁修建运营过程中可能出现的工程问题的主要因素之一。依据有效应力原理可知, 土体的孔隙水压力会随着地下水水位变化而变化, 使得土骨架受力也随之变化, 造成隧道结构的变形或产生位移。一般而言, 地下水水位的变化会造成隧道局部的隆起或下沉, 引发隧道结构应力集中现象, 加速隧道结构产生破坏。另外, 隧道结构在施工过程中由于施工技术、作业环境等影响, 使混凝土材料产生细微缺陷, 投入使用后受到外荷载的作用, 细微缺陷会成为隧道结构破坏的入口, 迅速产生进一步的破坏, 从而发生渗漏水现象。隧道结构内外受力不平衡产生渗透力, 渗透力的作用下隧道结构原有的应力场发生改变, 加速隧道结构的破坏。研究分析地下水水位变化对隧道结构的不利影响, 对预防和减少地下水水位变化对隧道结构的破坏具有重大意义。

2 工程概述

某地铁线路全长23.67 km, 全部为地下线。地铁区间隧道外部半径为3.0 m, 采用0.3 m厚、抗渗等级为P10的C50平板式预制钢筋混凝土管片衬砌。

隧道穿越的土层地质主要是油杂填土、粉细砂、粉质粘土、圆砾组成的人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层以及第四纪晚更新世冲洪积层。主要是处于地下水水位为10~20 m之间的粉质粘土层, 相当于整个隧道结构处于水环境中。其中长为1.59 km的01标段, 处于含水量大且稳定性差的卵石层。隧道区间穿越土层的物理力学参数见表1。

3 有限差分软件建模分析

3.1 地下水水位不同情况的模拟分析

利用有限差分软件Flac3D中的渗流模块功能, 结合实际情况将模型材料参数进行合理的简化, 然后建立相关模型模拟分析地下水水位在-6.0 m、-4.0 m、-1.0 m、0.0 m、1.0 m、3.0 m、4.0 m、6.0m、8.0 m以及10.0 m事地下水对地铁隧道结构的影响。为确保监测数据的完整, 便于分析不同水位下隧道结构的受力变形规律, 在隧道的不同位置布置了监测点, 具体检测点示意图如图1所示。

3.2 Flac3D模型的建立

有限差分软件Flac3D中的壳单元便于计算弯矩和轴力, 实体单元便于观察应力应变的变化。在建模过程中先采用壳单元模拟地铁隧道衬砌结构得到弯矩和轴力, 在改用实体单元观察隧道衬砌的应力应变变化情况。

由于隧道开挖的影响范围是3~5倍的隧道洞径, 所以建立模型尺寸为:X方向54 m, Y方向20m, Z方向41 m, 隧道埋深14 m, X方向距隧道外侧间距为24 m。本模型共计单元22 620个, 节点26 191个, 边界条件设为约束X和Y方向以及Z方向的底部边界, Z方向上部为自由边界。计算模型如图4所示。

3.3 静水压力计算和无渗流模拟结果比较分析

假设隧道结构处于无渗流情况下, 布置监测点, 记录隧道衬砌拱顶、拱腰以及拱底处的受力情况与惯用法计算的受力情况进行比较分析。不同地下水水位下无渗流模拟计算弯矩值和惯用法计算弯矩值结果如表2所示。

据图5可以看出, 在地铁隧道衬砌不同部位的弯矩值绝大多数都是计算值大于模拟值 (-3.0 m和0.0 m处的拱底弯矩值除外) , 整体来说相差比率不大, -3.0 m的拱底处相差比率最大为71%。不难看出, 弯矩最大值皆发生在拱顶处, 各部位的弯矩值都随着地下水水位的上升而增大。

3.4 无渗流模拟和渗流模拟结果比较分析

地铁隧道衬砌拱顶、拱腰以及拱底处无渗流模拟计算弯矩值和渗流模拟计算弯矩值结果如表3所示。

根据图6以及表格的数据可以看出, 不管是渗流模拟还是无渗流模拟, 地铁隧道结构的各个部位弯矩值都与与地下水水位成正比例关系。通过比较渗流模拟弯矩值和无渗流模拟弯矩值得知, 隧道结构的各个部位弯矩值在渗流模拟时都大于无渗流模拟的弯矩值, 两者相差比率最大值为30%。因此, 地下水的渗流作用对地铁隧道的影响不容忽视。

3.5 地下水水位变化的渗流模拟分析

(1) 应力分析

分析图7可以看出, 当地下水水位从-6.0 m上升到0.0 m时, 即隧道从无水状态过度到地下水蔓延至隧道中线, 此时竖向应力变化较小, 表明地下水的渗流作用对隧道结构的影响不大;当地下水水位从0.0 m上升到3.0 m后持续上升时, 拱顶和拱底的竖向应力与水位上升成正比例关系, 拱腰处竖向应力先减小后增大, 表明地下水水位在隧道中心往上升时, 地下水的渗流作用对隧道结构的影响明显, 此时为预防和控制地下水水位上升对隧道结构造成破坏的主要阶段。

(2) 体积应力应变分析

分析表4以及从图8中可以看出, 隧道从无水状态过度到地下水蔓延至隧道中线时, 隧道各处的体积应力变化很小;当地下水从隧道中心不断往上升直到隧道顶部时, 隧道各处的体积应力随着水位上升而上升, 即隧道各处所受到的水压力不断增大。

(3) 切应力分析

由图9可以看出, 隧道各处的切应力随着地下水水位的上升皆有明显的变化, 当地下水从隧道中心不断往上升直到隧道顶部时, 拱腰的应变变化不大, 拱顶的应变与水位成正比, 拱底应变与水位成反比。

(4) 位移分析

隧道结构在修建或者运营过程中都有密切留意是否产生沉降, 过大的、不均匀的沉降会使隧道应力集中, 从而导致隧道结构产生破坏, 影响隧道的使用寿命, 危及行车安全。

从图10中可以看出, 隧道从无水状态过度到地下水蔓延至隧道中线时, 隧道位移先减小后增大, 可见由于地下水产生孔隙水压力使得隧道下部土体中的有效应力减小, 加上上覆图层的荷载作用, 使隧道结构发生较大的竖向位移。当地下水从隧道中心不断往上升直到隧道顶部时, 由于地下水会对隧道结构产生向上的浮力, 从而减少隧道结构的沉降量, 此时隧道各处的位移变化相差不大。当地下水水位上升至隧道结构顶部以上时, 拱底沉降最大, 注意预防由于不均匀沉降导致隧道局部应力集中而发生破坏。

4 结语

通常来说, 地下水水位上升导致隧道结构整体上浮、结构整体收到破坏是不太可能的, 但由于地下水的渗流作用而引起隧道结构产生不均匀沉降的问题是不可忽略的。

本文通过有限差分软件建模分析了地下水水位上升对隧道结构的产生的影响, 包括结构的弯矩、轴力变化、以及变形等问题。简要阐述了预防地下水水位上升对隧道结构造成破坏的主要阶段, 希望能给地铁隧道保护提供参考意见。

参考文献

[1]罗富荣, 刘赪炜, 韩煊.地下水水位上升对地铁隧道结构的影响分析[J].中国铁道科学, 2011, (01) :81-85.

[2]刘德华.不同地下水位环境下地铁隧道结构的劣化机制研究[D].北京建筑大学, 2015.

[3]李钊.上砂下岩地层地铁盾构隧道侧方基坑安全水平净距研究[D].华南理工大学, 2014.

[4]宋文杰.地下水位变化与列车动载共同作用对地铁车站结构力学性能影响研究[D].北京建筑大学, 2014.

[5]苑艺.地面沉降对地铁隧道影响机制的模型试验研究[D].长安大学, 2014.

[6]朱礼廷.海水入侵对大连地铁一号线隧道结构的侵蚀及综合防治措施研究[D].北京交通大学, 2012.

篇4：隧道(地下结构)总结

关键词:人防地下室;结构设计;等效静荷载

1人防地下室结构设计特点

(1)人防地下室结构可靠度比一般建筑结构要低。《建筑结构可靠度设计统一标准(GB 50068-2001)》规定一般混凝土结构构件延性破坏时可靠指标β=3. 2,失效概率为pf=0. 069%,脆性破坏可靠指标β=3. 7,失效概率为pf=0. 011%;《人民防空地下室设计规范(GB 50038-2005)》(以下简称《规范》)规定人防地下室结构构件延性破坏时可靠指标β=1. 55,失效概率为pf=6. 1%,脆性破坏可靠指标β=2. 4,失效概率为pf=0. 8%。

(2)常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载作用下,人防地下室结构动力分析可采用等效静荷载法,在等效静荷载和静荷载确定后按静力计算方法进行结构内力分析。

(3)由于核爆炸荷载和常规武器爆炸荷载均只按一次作用考虑,因此结构构件可考虑进入塑性工作状态,按弹塑性工作阶段计算结构内力,以便节约建筑材料,充分发挥结构的潜力。

(4)人防地下室结构设计时材料设计强度可以提高。材料设计强度的提高在设计中是通过考虑材料强度综合调整系数γd来完成的,如钢材γd=1. 15~1. 5,混凝土γd=1. 5。

(5)一般钢筋混凝土结构,依其性能和使用要求,要进行两种极限状态的验算,即:承载能力极限状态(包括强度、稳定和疲劳验算)和正常使用极限状态(包括变形、裂缝出现和裂缝宽度等的验算)。而人防工程结构一般只验算结构强度(包括稳定),可不进行结构变形和结构裂缝宽度的验算,同时地基承载力与地基变形也可不进行验算。

(6)人防结构的许多构造要求,如保护层厚度、最大(小)配筋率、钢筋锚固长度等与一般的结构不同,要求更为严格,设计中仅仅考虑受力计算,不考虑构造措施是不行的。

2人防地下室结构设计的一般原则

(1)多层或高层建筑的防空地下室结构,是整个建筑结构体系的一部分,其结构设计既要满足平时使用的要求,又要满足战时作为规定设防类别和级别的防護要求,即防空地下室结构设计应同时满足平时和战时两种不同荷载效应组合的要求。因此,在设计中应取其控制条件作为防空地下室结构设计的依据。

(2)人防地下室结构只进行强度验算。由于在核爆动荷载作用下,结构构件变形极限已用允许延性比来控制,且在确定各种构件允许延性比时,已考虑了对变形的限制和防护密闭要求,因而在结构计算中不必再单独进行结构变形和裂缝开展的验算。为保证结构构件满足一定的延性,截面设计时应满足《规范》第4节的有关规定。

(3)无论是常规武器,还是核武器,设计时均只考虑一次作用,常规武器袭击不考虑直接命中。对于甲类防空地下室结构,取其中最不利情况进行设计计算,不需迭加。

(4)防空地下室的结构设计,应根据防护要求和受力情况做到结构各个部位抗力相协调,以免因设计控制标准不一致而导致结构的局部先行破坏,从而失去整个防护结构的作用。(5)地上与地下承重结构体系要协调,不能出现两者强弱相差较大的情况。

3人防地下室类型

(1)按受空袭威胁程度分。由于我国地域辽阔,城市(地区)间战略地位差异较大,威胁环境也不相同,《人民防空工程战术技术要求》按可能受到的空袭威胁程度将人民防空工程划分为甲、乙两类。甲类防空地下室设计必须满足其预定的战时对核武器、常规武器和生物武器的各项防护要求,防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用;乙类防空地下室设计必须满足其预定的战时对常规武器和生物武器的各项防护要求,防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。

(2)按战时用途分。人防地下室根据战时用途可分为战时指挥所、专业队员掩蔽部、医疗救护站、二等人员掩蔽所、战时柴油电站、人防物资库、人防汽车库等。其中前三种类型的人防地下室需由专门的设计单位设计。

(3)按抗力级别分。防核武器抗力级别包括核4、核4B、核5、核6、核6B级;防常规武器抗力级别包括常5、常6级。人防地下室类型及抗力级别由当地的人防主管部门根据国家的有关规定,结合该地区的具体情况在方案评审时提出。

4人防地下室结构设计

4. 1人防地下室结构设计内容

人防地下室结构设计包括围护结构设计、人防口部设计、平战转换设计。人防地下室围护结构包括人防地下室顶板、底板、外墙、临空墙、人防隔墙(包括不同防护分区间隔墙、人防地下室与普通地下室隔墙)等。人防口部包括主要出入口(空袭前、后均使用)、次要出入口(空袭前使用)、备用出入口(战时一般情况下不使用,应急时使用)及其它战时需要的各种竖井。

4.1. 1人防口部设计人防口部设计包含三部分内容:一是出入口通道内临空墙、门框墙的设计,二是防护密闭门与消波系统的设计,三是孔口其它构件,如风井、防倒塌棚架、开敞式通道、相邻单元之间的隔墙等的设计。临空墙、相邻单元之间的隔墙可按一般墙体的计算模型(如:一端固支一端简支、三边固支一边简支、四边固支等),考虑人防设计的特点计算出内力和钢筋;而门框墙的设计一般是按悬臂梁计算,但需注意的是因平时使用时需要的出入口通道均较宽,而战时又相应较窄,这样有可能会使门框墙的悬臂长度过长,而使水平筋过大。这种情况下,可考虑在不影响使用功能的前提下,加设柱、梁改变门框墙的受力型式,得到较为经济的设计效果。风井设计时只计算土中压缩波的压力,对空气冲击波则不予考虑,因两者不会同时作用。开敞式通道(室外通道无顶盖段)不考虑核爆动荷载,只考虑静土侧压力。防倒塌棚架的设计分竖向和横向两项,竖向力即为倒塌荷载50 kN/m2,属静载;横向力即动压设计值qe,由《规范》第4. 8. 10条确定,这两项受力作用时间存在间隔,故不考虑同时作用。防护密闭门设计。为方便工程设计人员,国家已将防密门进行系列化处理,设计人员可根据设计压力和门洞尺寸选择定型的防密门。消波系统设计。消波系统一般由防爆波活门及扩散室组成,防爆波活门的选用和扩散室各部分的尺寸均可在《规范》中找到相应的表格和公式来确定。扩散室一般由建筑专业依据防空地下室的抗力等级、通风量、设备容许压力以及扩散室所处位置的建筑条件等因素确定(规范第3. 4. 7条)。具有特殊要求的扩散室,其内部空间尺寸由结构专业按规范的相关规定计算确定。扩散室前墙即安装悬板活门的墙面为临空墙,墙面本身受的荷载及活门传来的荷载均按临空墙等效静荷载标准取值,扩散室与土直接接触的顶板、底板及外墙可按土中压缩波压力确定荷载。

篇5：隧道与地下工程灾害防护

第一章

隧道：隧道是地下工程的一个重要分支，它是铁路、道路、水渠、各类管道（给排水、供电、供热、供气、动力及通信电缆等）遇到岩土、水体等障碍物时开凿的穿过山体或水体的内部通道，是“生命线”工程。

灾害：所谓灾害，一般指那些可以造成人畜伤害和物质财富毁损的自然或社会事件，它们源于天体、地球、生物圈、等方面以及人类自身的失误，形成超越本地区防救力量的大量伤亡和物质的毁损。 自然灾害成因：(1)由大气圈变异活动引起的气象灾害和洪水；(2)由水圈变异活动引起的海洋灾害及海岸带灾害；(3)由岩石圈变异活动引起的地震及地质灾害；(4)由生物圈变异活动引起的农、林、病虫、草、鼠害；(5)由人类活动引起的自然灾害。 自然灾害的分类：（1）气象灾害；（2）海洋灾害；（3）洪水灾害；（4）地质灾害；（5）地震灾害；（6）农作物灾害；（7）森林灾害。

地下工程常遇灾害：（1）自然灾害（气象灾害、地震灾害、地质灾害）；（2）人为灾害（战争灾害、运营事故、工程事故）。

第二章

风险的属性：（1）自然属性；

（2）社会属性；（3）经济属性。

风险的特征：（1）客观性；（2）普遍性；（3）随机性；（4）规律性；（5）动态性。

工程的可靠性：工程结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。 地铁运营中引起事故的原因：（1）运营设备、线路老化短路引起的火灾；（2）年久失修，隧道地下工程渗漏、断裂、沉降、倒塌；（3）操作失误，引发列车追尾、出轨。

风险损失：风险损失是指风险事故发生后所产生的一系列问题，由于风险分析是事前进行，风险损失的分析就带有预测成分。

第三章

地下工程内部火灾特点：（1）第一文库网氧含量急剧下降 ；（2）温度急剧升高；（3）产生烟气量大，火灾的危害大；（4）散热条件差，浓烟难以排出 ；（5）人员疏散困难 ；（6）灭火救援难。

地下工程的火灾易发地点：（1）长隧道；（2）地形较复杂隧道；（3）容易形成低扩散区的隧道。

地下工程火灾的原因：（1）违反电气安装和使用的安全规定进行操作；（2）电气焊割 ；（3）吸烟及用火不慎；（4）线路过负荷；（5）爆炸所引起的火灾；（6）人为纵火或恐怖袭击；（7）列车故障或管理不善引发的铁路隧道火灾。 建筑消防系统作用：为建筑物的火灾预防和火灾扑救建立一套完整、有效的保障体系，以提高建筑物的安全水平。

第四章

地震：地震是一种由于地球内部物质快速运动或人为爆破造成地面震动的自然现象。

第五章

地下水对地下工程结构的危害：

1.地下水对围护结构的危害：（1）吸湿作用；（2）毛细作用；（3）侵蚀作用；（4）渗透作用；（5）冻融作用。

2.地下水位变化对结构的危害：（1）浮力作用影响；（2）潜蚀作用影响；（3）对地下结构耐久性和强度的影响；（4）对地基强度的影响。

地下水对基坑工程施工影响：（1）挡土结构上发生的事故；（2）基坑底面内发生的事故；（3）基坑周边发生的事故。 地下工程防水的内容：地下工程防水是一项综合性技术，它包括结构防水、注浆防水、排水以及渗漏水处理等。 地下工程防水的原则：

（1）地下工程防水应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原理。 “防”是工程结构自防水或采用附加防水层等防水设施，使工程具有一定的防水渗入的能力；

“排”是采用自流排水或机械排水的方法，将地下工程内外积水及时排走，降低水头压力，为防水创造有利条件； “截”是指在工程所在地的`周围，设置排水沟、截洪沟、导排水系统，将地表水、地下水流经通道截断，防止和减少雨水下渗，减少地下裂缝水进入工程；

“堵”是指在围岩有裂缝水存

在时，采用注浆和嵌填等方式堵住孔洞和裂隙。在工程建成后对渗漏水段，采用注浆、嵌填、防水抹面等方法将渗水通道堵塞；

（2）地下工程的防水，应积极推广和采用经实践检验行之有效的新材料、新结构、新技术。

（3）地下工程防水要体现综合设防原则，必须贯穿、设计、施工和维修及选材的每个环节，灵活对比各类防水方法，以达到不同等级地下工程的防水要求。

变形缝：变形缝是为了避免建筑物由于温度变化、各部分所受荷载不同、地基和结构不同出现变形、开裂和建筑结构破坏，而设置的将其各部分分开的裂缝。

变形缝的分类：（1）伸缩缝；（2）沉降缝；（3）防震缝；（4）引发缝（诱导缝）。 渗漏水的处理：（待定）p224

第六章

民防工程的作用：（1）有利于实施信息化作战；（2）对武器的袭击有较好的防御作用；

（3）与其他作战要素相结合，

提高作战及防御能力；（4）有利于作用作战战术，保证机动作战的胜利。

第七章

组织施工时引起重视的地下工程特点：（1）隐蔽性；（2）循环作业性强；（3）场地拥挤，作业空间狭小；（4）围岩与支护力学行为随工况动态变化；（5）作业环境差；（6）施工风险大。

基坑工程事故原因：1.设计因素（1）无证设计；（2）盲目设计；（3）越级设计；（4）虚假设计；（5）忽略对地下水的处理措施2.施工因素（1）无施工资质或越级承包；（2）施工质量差；（3）现场管理混乱，安全意识差，未严格按照施工规程和程序施工；（4）在没有征得设计单位同意的情况下，施工人员凭经验处理；（5）忽视施工监测和险情预报3.勘察因素4.项目管理因素5.施工监理因素。

篇6：(隧道与地下工程)认识实习报告

一、实习目的

1、通过对一些典型工地的参观与了解，增强我们对本专业——土木工程的好奇心与兴趣。在感性认识的基础上逐渐升华为理性认识。

2、通过参观，培养我们提出问题、分析问题、解决问题的能力。以便我们在以后的专业课的学习中更能够理论联系实际。

3、通过施工现场操作和参观，了解隧道和道路施工的基本工序和施工方法。了解隧道的勘测、设计、贯通控制测量和施工等工作。

4、通过实习，将所学理论知识与实践知识相结合，同时为以后的专业知识的学习打下基础。

二、实习时间

2013年6月8号

三、实习地点

重庆中环公司承建的渝中连接隧道

四、隧道与地下工程简介

地下工程是以深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程。它包括地下房屋和地下构筑物，地下铁道，公路隧道，水下隧道，地下共同沟和过街地下通道等。但狭义上是一般把矿井和矿山巷道等地下构筑物排除，单指建造在地下的工业、交通、民用和军事建筑物；隧道，广义定义：最终使用于地表面以下，不论以何种方式建造的所需形状和尺寸的空洞，内部净空面积在2平方米以上者。狭义定义：是一种修建在地下的工程建筑物，修建在地下、两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道。严格来说，它只是地下工程的一大类，但因其在地下工程中占有绝对多的数量和特殊的重要性，往往将其与地下工程并列而称为隧道与地下工程。隧道与地下工程因其建造于地下，不同于地面结构，由支护结构以外的岩体或土体（称作围岩）、支护结构以及支护结构（衬砌）所围成的空间组成。由于地质条件以及周围建筑环境的多样性和复杂性，需要采用的施工方法和建造工艺也有多种，故隧道与地下工程的结构形式和施工方法多样。

四、工程总体施工方案

渝中连接隧道一端连接千厮门大桥，位于洪崖洞附近，一端连接东水门大桥，位于东水门附近。隧道与两座大桥一样，设计为双向四车道，时速40公里，隧道单洞长约717米。将串起江北嘴、解放碑、弹子石三大中央商务区。项目负责人称，“渝中连接隧道工程难度之大，是过去从未遇到过的。”所以设计了安全两端两套施工方案：

一是两江大桥是公路和轻轨同桥分层通过的大桥，上层公路与下层轻轨隧道间的最小距离只有32厘米，作业时不能用炸药爆破。二是施工区内高楼林立，其基桩侵入隧道施工岩层，必须采取先托换基桩，再进行切除的技术处理。而且，隧道两端与两座大桥的桥梁路面不平行，只有挖断公路，延伸一百多米后才能凿洞施工，极有可能影响交通。加上施工区内地下管网纵横交错，不仅施工难度大，很可能影响水电气供应。

项目部最后确定隧道东水门一端，采用另开施工便道以避开障碍的施工方案，千厮门一端则采用长距离明挖公路进洞的施工方案。“两个方案，既保证了安全，又最大限度地方便市民。

五、实习内容

今天我们来到的是重庆中环公司承建的渝中连接隧道施工现场，从老师口中我们知道地下工程的施工方法较多，一般隧道开挖方法分为明挖法和暗挖法。明挖法多用于浅埋隧道或城市铁路隧道，而山岭铁路隧道多用暗挖法。按开挖断面大小、位置分，有分部开挖法和全断面开挖法。在石质岩层中采用钻爆法最为广泛，采用掘进机直接开挖也逐渐推广。在松软地质中采用盾构法开挖较多。从现场我们可以看出，在渝中连接隧道的修建中采用的是明挖法和暗挖法相结合的办法，由于岩层较硬，故其主要采用钻爆法。先是挖一深坑做好防护后再在要挖的位置在隧道洞门在施工过程中首先是套拱，这不仅起挡土支架的作用，还为开挖提供了工作面，拱养护好回填表层土。而拱身则是采用新奥法循环施工，一个循环为爆破，除渣，初次衬砌，二次衬砌。洞身施工则采用典型新奥法工序，首先是爆破，然后除碴，接着是用工字钢弧线形支柱和喷射混凝土进行初期支护。在进行初期支护养护好后，开挖下部基础，浇注两拱混凝土以支撑侧向压力，达到结构整体性效果。下部结构中部留有排水沟，在两侧拱脚加设钢板防止拱产生水平推力产生侧向位移。最后进行二次支护，在初期支护和二次支护层间加有防水布，将山体可能产生的土下水隔在外层。二次支护在打好二衬钢拱后采用二衬台车进行浇注混凝土，自动化控制，大大减小施工工序。

六、内容拓展：隧道设计、施工及维护

一、隧道设计

1、选线：根据线路标准、地形、地质等条件选定隧道位置和长度。选线应作多种方案的比较。长隧道要考虑辅助坑道和运营通风的设置。洞口位置的选择要依据地质情况。考虑边坡和仰坡的稳定，避免塌方。

2、纵断面设计：沿隧道中线的纵向坡度要服从线路设计的限制坡度。因隧道内湿度大，轮轨间粘着系数减小，列车空气阻力增大，因此在较长隧道内纵向坡度应加以折减。纵坡形状以单坡和人字坡居多，单坡有利于争取高程，人字坡便于施工排水和出碴。为利于排水，最小纵坡一般为2‰～3‰。

3、横断面设计：隧道横断面即衬砌内轮廓，是根据不侵入隧道建筑限界而制定的。中国隧道建筑限界分为蒸汽及内燃机车牵引区段、电力机车牵引区段两种，这两种又各分为单线断面和双线断面。衬砌内轮廓一般由单心圆或三心圆形成的拱部和直边墙或曲边墙所组成。在地质松软地带另加仰拱。单线隧道轨面以上内轮廓面积约为27～32平方米，双线约为58～67平方米。在曲线地段由于外轨超高车辆倾斜等因素，断面须适当加大。电气化铁路隧道因悬挂接触网等应提高内轮廓高度。中、美、苏三国所用轮廓尺寸为：单线隧道高度约为 6.6～7.0米、宽度约为4.9～5.6米；双线隧道高度约为7.2～8.0米，宽度约为8.8～10.6米。在双线铁路修建两座单线隧道时,其中线间距离须考虑地层压力分布的影响,石质隧道约为20～25米，土质隧道应适当加宽。

4、辅助坑道设计：辅助坑道有斜井、竖井、平行导坑及横洞四种。斜井是在中线附近的山上有利地点开凿的斜向正洞的坑道。斜井倾角一般在18°～27°之间，采用卷扬机提升。斜井断面一般为长方形,面积约为8～14平方米。竖井是由山顶中线附近垂直开挖的坑道，通向正洞。其平面位置可在铁路中线上或在中线的一侧（距中线约20米）。竖井断面多为圆形，内径约为4.5～6.0米。平行导坑是距隧道中线17～25米开挖的平行小坑道，以斜向通道与隧道连接，亦可作将来扩建为第二线的导洞。横洞是在傍山隧道靠河谷一侧地形有利之处开辟的小断面坑道。

二、隧道施工

隧道施工法分为明挖法和暗挖法。明挖法分为基坑开挖法、盖挖法、沉管法，其中盖挖法又分为逆筑法和顺筑法。暗挖法分为钻爆法（矿山法）和非钻爆法。其中钻爆法分为传统的矿山法和新奥法，非钻爆法分为盾构法、掘进机法和顶进法。

1、钻爆法：在隧道岩面上钻眼，并装填炸药爆破，用全断面开挖或分部开挖等将隧道开挖成型的施工方法。钻爆法开挖作业程序包括测量、钻孔、装药、爆破、通风、出碴、锚杆、立架、挂网、喷锚等工序。

①钻孔：要先设计炮孔方案，然后按设计的炮孔位置、方向和深度严格钻孔。单线隧道全断面开挖，采用钻孔台车配备中型凿岩机。双线隧道全断面开挖采用大型凿岩台车配备重型凿岩机。炮孔分为掏槽孔（开辟临空面）、掘进孔（保证进度）和周边孔（控制轮廓）。②装药：在掘进孔、掏槽孔和周边孔内装填炸药。一般装填硝胺炸药，有时也用胶质炸药。③爆破：在全断面掘进中，为了减低爆破对围岩的震动和破坏，并保证爆破的效果，多采用分时间阶段爆破的电雷管或毫秒雷管起爆。④施工通风：排出或稀释爆破后产生的有害气体和由内燃机产生的氮氧化物及一氧化碳,同时排除烟尘,供给新鲜空气，借以保证隧道施工人员的安全和改善工作环境。⑤施工支护：隧道开挖必须及时支护，以减少围岩松动，防止塌方。施工支护分为构件支撑和喷锚支护。喷锚支护特点是支护及时、稳固可靠，具有一定柔性，与围岩密贴，能给施工场地提供较大活动空间。⑥装碴与运输：在开挖作业中，装碴机可采用多种类型，如后翻式、装载式、扒斗式、蟹爪式和大铲斗内燃装载机等。运输车辆有大斗车、槽式列车、梭式矿车及大型自卸汽车等。

钻爆法开挖采用的方法有全断面开挖法和分部开挖法：①全断面开挖法：一次开挖成型的方法。一般采用带有凿岩机的台车钻孔，用毫秒爆破，喷锚支护。还要有大型装碴运输机械和通风设备。全断面开挖法又演变为半断面法。半断面法是弧形上半部领先，下半部隔一段距离施工。②分部开挖法：先用小断面超前开挖导坑,然后,将导坑扩大到半断面或全断面的开挖方法。这种方法主要优点是可采用轻型机械施工，多开工作面，各工序间拉开一定的安全距离。缺点是工序多,有干扰,用人多。

2、上导坑法、中央导坑法、下导坑法、台阶法

根据导坑在隧道断面的位置分为：上导坑法、中央导坑法、下导坑法以及由上下导坑互相配合的各种方法，另有把全断面纵向分为台阶进行开挖，而各层台阶距离较短的台阶法。

1）、上导坑法适用于软弱岩层、衬砌顺序是先拱后墙，中国短隧道一般用这种方法。2）、中央导坑法是导坑开挖后向四周打辐射炮眼爆破出全断面或先扩大上半部。3）、下导坑法即下导坑领先的方法。其中包括：a.上下导坑法，利用领先的下导坑向上预打漏斗孔，便于开展上导坑等多工序平行作业。衬砌顺序多用先拱后墙，遇围岩较好时亦可改为先墙后拱。b.漏斗棚架法，适用于坚硬地层，以下导坑掘进领先，由下而上分层开挖，设棚架，先衬砌边墙后砌拱。c.蘑菇形法，同漏斗棚架法类似，也设棚架，但先衬砌拱部后砌边墙。d.侧壁导坑法。4）、台阶法。在稳定性较差的岩层中施工时，将整个隧道断面分为几层，由上向下分部进行开挖，每层开挖面的前后距离较小而形成几个台阶。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，其划分是根据台阶长度来决定的。长台阶法可以上下同时作业，而超短台阶法只能采取交替作业。最后是分部开挖法，分部开挖法是把设计的隧道断面划分成若干部分，进行二次及其以上开挖，最后达到隧道设计开挖断面的一种施工方法。

3、盾构法

采用盾构作为施工机具的隧道施工方法。松软地质多采用盾构法开挖。盾构是一种圆形钢结构开挖机械，其前端为切口环，中间为支撑环，后端为盾尾。开挖时，切口环首先切入地层并能掩护工人安全地工作;支撑环是承受荷载的主要部分,其中安设多台推进盾构的千斤顶及其他机械；盾尾随着上述两部分前进，保护工人安装铸铁管片或钢筋混凝土管片。盾构法适用于松软地层，施工安全，对地层扰动少，控制围岩周边准确，极少超挖。

4、掘进机法

在整个隧道断面上，用连续掘进的联动机施工的方法。掘进机是一种用强力切割地层的圆形钢结构机械，有多种类型。普通型的掘进机的前端是一个金属圆盘，以强大的旋转和推进力驱动旋转，圆盘上装有数十把特制刀具，切割地层，圆盘周边装有若干铲斗将切割的碎石倾入皮带运输机，自后部运出。机身中部有数对可伸缩的支撑机构，当刀具切割地层时，它先外伸撑紧在周围岩壁上，以平衡强大的扭矩和推力。掘进机法的优点是对围岩扰动少,控制断面准确，无超挖,速度快，操作人员少。

掘进机是全断面开挖隧洞的专用设备。它利用大直径转动刀盘上的刀具对岩石的挤压、滚切作用来破碎岩石。隧洞掘进机开挖比钻爆法掘进速度快，用工少，施工安全，开挖面平整，造价低，但机体庞大，运输不便，只能适用于长洞的开挖，并且本机直径不能调整，对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性。

5、新奥法施工

新奥法是应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。

6、隧道衬砌

隧道开挖后，为使围岩稳定，确保运营安全，需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构，这种隧道支护结构称为隧道衬砌。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单喷混凝土、复合式衬砌。复合式衬砌是在喷锚或单喷支护之后，再就地灌注一层混凝土，形成喷锚支护同混凝土衬砌结合的复合式衬砌结构。如遇有水地段可在两层支护间加挂一层塑料板或做其他防水层。

七、实习感言

实践是大学生活的第二课堂，是知识常新和发展的源泉，是检验真理的试金石，也是大学生锻炼成长的有效途径。一个人的知识和能力只有在实践中才能发挥作用，才能得到丰富、完善和发展。

通过这次认识实习，我不仅学到一些新的知识，也巩固了在校期间所学到的理论知识，同时也增强了我对专业学习的热情。以前对一些工程地质问题及工程问题的处理，只是从理论上略知一二，在实习过程中我们却有了感性上的认识，这样不仅增强了自己的实际处理问题的能力，也丰富和提高了自己的理论水平。

篇7：隧道与地下工程施工技术与管理

——土木工程施工论文

姓名：学号：

摘要：简要介绍我国现行的隧道及地铁的施工工艺，并简介我国自行研究开发的地下结构工程的施工的新型工艺技术。展望我国未来的地下结构建筑发展方向并提出施工技术方面的需求和注意。

关键词：隧道；地下建筑；施工技术

一、简介

随着科学技术和经济的发展，在地上建筑高度比拼的同时，地下空间的开发也成了建筑师们钟爱的方向。近年来我国一批大型基础设施建设工程的落成为地下工程的设计施工提供了大量实验基础和施工经验，如青藏铁路的开工建设和顺利实施,为解决高原冻土区地下工程的施工提供了良好的试验基础；同时，城市地铁工程的建设也对解决复杂城市地质环境条件下地下工程施工提出了新的挑战；而大型桥梁、跨江隧道和海上设施的建设使水下的地下工程施工面临更高的技术要求。一系列大型基础设施的建设并完工极大地促进了地下工程施工技术水平，及时总结和完善这些地下工程施工新工艺和其他技术成果将为今后的地下工程施工提供良好的技术支持和保证，对推动我国地下工程的施工带来巨大的促进作用。

二、施工方法

我国现行的地下隧道的施工方法主要以下几种：

（1）、新奥法

新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称, 在我国常把新奥法称为“锚喷构筑法”。采用该方法修建地下隧道时，对地面干扰小，工程投资也相对 较小，已经积累了比较成熟的施工经验，工程质量也可以得到较好的保证。使用此方法进行施工时，对于岩石地层，可采用分步或全断面一次开挖，锚喷支护和锚喷支护复合衬砌，必要时可做二次衬砌；对于土质地层，一般需对地层进行加固后再开挖支护、衬砌，在有地下水的条件下必须降水后方可施工。新奥法广泛应用于山 岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程，是我国目前矿石隧道施工的主要施工方法。

当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站,车站位于城市道路下7～9m, 开挖面积230m2,相当于17m(宽)×14m(高)。针对我国城市地下工程的特点和地质条件, 新奥法经过多年的完善

与 发展,又开发了“浅埋暗挖法”这一新方法,与明挖法、盾构法相比较,由于它可以避免明挖法对地表的干扰性,而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道、车站、地下过街道、地下停车场等工程,如根据新奥法的基本原理,采用“群洞”方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站,断面复杂多变的折返线工程、联络线工程也多采用新奥法。

在我国利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法，尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要。

（2）、盾构法

我国应用盾构法修建隧道始于20世纪50～60年代的上海。最初是用于修建城市地下排水隧道，采用的是比较老式的盾构机（如网格式、压气式、插板式等），80年代末、90年代初开始采用土压式、泥水式等现代盾构修筑地铁区间隧道。盾构法具有安全、可靠、快速、环保等优点。目前，该方法已经在我国的地、铁建设中得到了迅速的发展，也是我国目前城市隧道施工的主要施工方法。

随着盾构法研究的深入、工程应用的增多，盾构法施工技术以及盾构机修造配套技术也得到了发展提高：上海地铁隧道基本全部采用盾构法修建，除区间单圆盾构外，还使用双圆盾构一次施工两条平行的区间隧道，此外还试验采用了方形断面盾构修建地下通道；采用直径 11.2m的泥水盾构建成了大连路越江道路隧道，这也是目前我国最大直径的盾构机。广州地铁采用具有土压平衡、气压平衡和半土压平衡模式的新型复合式盾构机成功应用于既有软土、又有坚硬岩石以及断裂破碎带的复杂地层的地铁区间隧道修筑，大大拓展了盾构法的应用范围。深圳、南京、北京、天津等城市虽然地质、水文条件各不相同，但采用盾构法修建区间隧道均取得了成功。

除了上述几点外，我国盾构技术的进步还表现在以下4个方面：①掌握了盾构机的选型和配套技术，与外国合作设计生产盾构机，配套施工设备包括管片模具完全能够自行设计制造；②掌握了盾构隧道的设计和结构计算技术以及防水技术；③掌握了盾构掘进控制技术，如盾构掘进参数选择控制、碴土和压力管理、地表沉降控制、盾构机姿态和隧道轴线控制、管片防裂、同步注浆等，实现了信息化施工，可以确保盾构施工的安全、优质、高效和环保；④掌握了不同地质条件和复杂环境条件下的施工及相关的施工技术。但同时我们也 应看到自己的不足。

（3）、浅埋暗挖法

经新奥法多年施工总结发展而成的浅埋暗挖法又称矿山法，起源于1986年北京地铁复兴门折返线工程，是国人自创的适合中国国情的一种隧道修建方法。该法是在借鉴新奥法的理论基础上，针对中国的具体工程条件开发出来的一整套完善的地铁隧道修建理论和操作方法。与新奥法的不同之处在于，它是适合于城市地区松散土介质围岩条件下，隧道埋深小于或等于隧道直径，以很小的地表沉降修筑隧道的技术方法。它的突出优势在于不影响城市交通，无污染、无噪声，而且适合于各种尺寸与断面形式的隧道洞室。它是一项边开挖边浇注的施工技术。其原理是：利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力，采取适当的支护措施，使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工方法，主要适用于粘性土层、砂层、砂卵层等地质。由于浅埋暗挖法省去了许多报批、拆迁、掘路等程序，现被施工单位普遍采纳。

浅埋暗挖法的核心技术被概括为 18字方针：管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。其主要的技术特点为：动态设计、动态施工的信息化施工方法，建立了一整套变位、应力监测系统；强调小导管超前支护在稳定工作面中的作用；研究、创新了劈裂注浆方法加固地层；发展了复合式衬砌技术，并开创性地设计应用了钢筋网构拱架支护。

由于该工法在有水条件的地层中可广泛运用，加之国内丰富的劳动力资源，在北京、广州、深圳、南京等地的地铁区间隧道修建中得到推广，已成功建成许多各具特点的地铁区间隧道，而且在大跨度车站的修筑中有相当的应用。此外，该方法也广泛应用于地下车库、过街人行道和城市道路隧道等工程的修筑。

（4）、钻爆法

我国地域广大、地质类型多样，重庆、青岛等城市处于坚硬岩石地层中，广州地铁也有部分区段处于坚硬岩石地层中，这种地质条件下修建地铁通常采用钻爆法开挖、喷锚支护。钻爆法施工的全过程可以概括为：钻爆、装运出碴，喷锚支护，灌注衬砌，再辅以通风、排水、供电等措施。在通过不良地质地段时，常采用注浆、钢架、管棚等一系列初期支护手段。根据隧道工程地质水文条件和断面尺寸，钻爆法隧道开挖可采用各种不同的开挖方法，例如：上导坑先拱后墙法、下导坑先墙后拱法、正台阶法、反台阶法、全断面开挖法、半断面开挖法、侧壁导坑法、CD法、CRD法等。对于爆破，有光面爆破、预裂爆破等技术。对于隧道初期支护，有锚杆、喷混凝土、挂网、钢拱架、管棚等支护方法。及时的测量和信息反馈常用来监测施工安全并验证岩石支护措施是否合理。防水基本采用截、堵、排等几种方法，其中在喷射混凝土内表面张挂聚乙烯或聚氯乙烯板，然后再灌注二次混凝土衬砌被认为是一种效果良好的防渗漏措施。

同时，经多年的施工总结和发展，我国也研究开发出一批自己的地下施工新技术，包括在青藏铁路建设中大量运用的多年冻土区钻孔灌注桩施工工艺、地铁施工中的桩基托换技术、过江隧道施工中的水平冻结法、地铁车站三拱两柱结构暗挖中洞施工工艺、海上基础工程施工工艺等。

三、发展方向

我国已有近40年的地下空间开发修建史，尤其是今年来的各种地下空间的开发利用更加丰富了我国在包括地铁、隧道、地下商城等地下空间部分的规划、设计、施工管理与防灾救治设备维修等技术丰富和管理制度。由于我国地域广大、地质情况复杂多样，地下部分的开发利用也必然存在着极大的难度。就目前看来，我国已有的技术手段可以应付除西部和东北地区以外的大部分城市的地下建设需求。

为了使我国的地下建筑开发日趋完备，更快的完成经济、适用、安全等要求，我们仍需努力。

1、尽早统一地下建筑的设计、施工规范，以保证其有法可依。

2、组织力量对地下建筑施工技术及设备进行研究开发，寻找更为经济环保的施工工艺。

3、加大地下建筑防水材料、工艺及设备的研究力度。目前我国地下建筑的防水问题仍是一大空白，地下部分建筑的防水因其地理位置的特殊性，常用的工程防水技术难以满足防水要求或者后期维修复杂繁琐。故对地下防水新型防水材料和防水工艺的开发利用是刻不容缓的。

篇8：隧道与地下工程智能优化系统

迄今为止, 以工程类比法为主、量测为辅的现场监控设计仍然是隧道和地下洞室设计的主要方法。由于隧道工程环境条件数量化表达方面的困难, 常常会使得力学家们所提出的一些理论和计算方法, 难以对具体工程起到指导作用。隧道与地下工程设计与分析方法主要有地层结构法和荷载结构法两种。地层结构法是基于现代支护结构原理, 建立在围岩与支护共同作用的基础上的设计模型, 显然, 比支护单独承载是一种技术进步, 但由于理论缺陷, 其作用机理, 围岩与支护相互作用以及复合式衬砌设计施工等方面, 尚存在诸多问题。特别是大量原始参数准确测试问题没有解决, 目前只能达到定量计算而定性使用的水平。有的工程应变实测值为理论计算的5～10倍, 甚至有些规律还不同。特别是计算得到的收敛值与实测所得的规律不符。因此, 地层结构法一般作为定性参考或校核。

荷载结构法因具有明确的受力概念及清楚的安全系数评价方法, 而被许多国家普遍使用。但也存在若干问题, 一是荷载确定方法还不可靠, 至今处于经验统计分析阶段, 特别是侧压力系数与实测相差甚大。二是荷载结构模型虽然考虑了围岩的粘聚力、摩擦力、弹性抗力的承载作用, 但未考虑围岩承载拱的承载作用, 因此不能正确解释围岩自稳等问题。三是缺乏可行的优化设计方法。传统做法是由工程类比初步选定断面几何形状及尺寸, 用反复试算或大比例作图试凑的办法进行设计优化, 不仅费工费时, 难以最优, 影响安全或经济性。四是设计计算过程比较烦琐, 优化计算周期较长, 而且容易出错, 不能满足快速设计和动态设计的要求。

本系统在解决存在问题的基础上, 使隧道与地下工程衬砌设计分析, 向科学、可靠、安全、经济和方便实用的新境界前进了一大步。

2 系统编制依据和创新点

系统根据现行《公路隧道设计规范》、《铁路隧道设计规范》、《人民防空工程设计规范》荷载结构法计算规定和具有国际先进水平的科研成果《隧道及地下洞室设计施工新法》编制, 经与朱-布法、纳氏法、链杆法、矩阵力法、能量法等等计算范例对比验证无误后, 考虑了各种不利的极限情况, 在确保安全前提下, 完成了隧道及地下洞室优化的智能系统编制、测试以及著作权报批工作。其创新点如下。

2.1 立体极限地压理论使荷载计算走向实用阶段

《隧道工程设计要点集》指出:“隧道设计时, 掌握支护结构上的围岩压力是非常必要的。遗憾的是, 在这个问题上我们还存在许多不清楚的地方”。《公路隧道施工》写道:“在设计中由于荷载不明, 围岩参数不清楚及设计理论尚不完善;喷锚支护和二次衬砌设计参数只能参考经验或套用规范。这样做对每座隧道来讲具有较大的主观性, 往往与实际山体地质及围岩应力状态出入较大”立体极限地压理论在泰沙基理论的基础上有四项新突破:一用立体计算取代了传统的平面计算, 考虑了进深对荷载的影响;二是考虑了围岩的层理、裂隙、节理、水害、施工震动及暴露时间对c值的影响, c值折减系数在0.3～1之间变化;三是考虑了不同施工条件下, 垂直荷载传递引起的侧压力系数增加的变化;四是考虑了深埋隧道极限压力问题, 使深、浅埋隧道设计荷载都接近于实际。从而使计算围岩压力与实测围岩垂直压力基本符合。立体极限地压理论的计算值, 与我国的40项工程实测地压十分接近。误差在±20%占93.5%;误差在±20%至±34.5%占6.5%。误差最大的洛河东坡单线铁路隧道, 实测地压是20kPa, 计算地压是26.9kPa, 优化后衬砌厚度影响不超过2cm。鉴定委员会专家对深埋、浅埋、模筑支护、喷锚支护四座不同隧道的计算围岩压力测试结果, 其误差均小于10%, 见表1。

与357个铁路单线隧道实测平均坍塌荷载相一致, 也与铁路、公路隧道最新规范深埋隧道的计算经验公式计算结果相一致, 见表2, 而且, 立体极限地压理论计算荷载与铁路隧道实测平均坍塌荷载最为接近, 说明垂直压力计算值是符合实际的。

水平侧压力计算值虽然普遍比规范值高, 但与实测值比较接近, 有利于工程安全。这样, 把长期以来凭经验设计提高到理论分析走出了新的一步。使荷载计算走向了实用阶段。

2.2 用荷载结构法计算围岩承载, 促进了荷载结构法的发展

荷载-结构模型是地下工程结构设计使用得最多一种, 前苏联、美国、澳大利亚、英国、意大利、德国、日本等国家普遍使用这种设计方法, 我国现行的《地铁设计规范》和《铁路隧道设计规范》中也均推荐采用。采用这种设计模型, 具有明确的受力概念及清楚的安全系数评价方法。但是, 现代支护理论认为:传统的荷载结构法只考虑围岩产生荷载而不能承载, 是有悖于地下结构的本质特征的。实际上, 荷载-结构法也考虑了围岩的粘聚力、摩擦力的承载作用, 使实际设计荷载远比整个围岩自重低。唯一欠缺的是没有考虑围岩承载拱的承载作用。本系统考虑了围岩承载拱的作用, 不仅可以计算无衬砌自稳洞室的尺寸和形状;可以计算围岩承载;也可计算衬砌承载或共同承载。从而, 使荷载结构法得到了新发展。它不仅可以用于深埋、浅埋隧道整体式衬砌设计, 也可应用于复合式衬砌设计, 还可用于自稳洞室设计。而且, 其计算结果, 比地层结构法清晰、可靠和节约, 可以对具体隧道工程起到指导作用。

2.3 系统通过智能选择合理拱轴, 使受力优化, 显著提高了围岩自承能力和衬砌承载能力

“新奥法的理论基础是围岩具有自承能力, 经济合理的隧道工程建设的关键是充分发挥围岩的自承能力。围岩自承能力源于围岩强度, 因此基本维持围岩原始状态, 既是为了保持原有的围岩强度, 又是发挥围岩自承能力的充分必要条件”但是, 尽可能保持原有的围岩强度是必要的, 但不是充分的。围岩强度有抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度之分, 如何利用其抗压强度高的优势, 尽量避免受弯拉剪破坏, 仍是关键之举。这样, 可以不用额外投入, 就能获得显著提高围岩的自承能力的效果。

在同样围岩和洞室尺寸的情况下, 通过智能优化系统计算, 发挥抗压优势可衬砌厚度显著减薄, 已在不同的试验工程中得到验证。按照本方法设计施工的不同围岩、不同跨度、不同埋深的9个可比的优化工程对比证明, 所有优化工程, 经过13～29年的长时间考验, 不仅全部安全无事故, 解决了裂缝、净空不足、渗漏等影响使用问题, 工程质量至今完好。实际平均节约混凝土41.1%, 节约钢材50%, 节约木材90%, 节约建设资金28.6%, 见表3。部分优化工程见图1～3。

2.4 双曲优化整体组合衬砌, 为保障隧道全过程稳定平衡创造了有利条件

系统推荐的双曲优化组合衬砌, 是由6cm厚、30cm宽、100cm长的多功能预制拱片和泵送防水混凝土组成的立体受力结构, 由于已达设计强度的预制拱片与现浇混凝土的组合衬砌具有立即受力、合理受力、立体受力、共同受力、稳定受力的特性, 且其强度与围岩压力同步增长, 保证了施工全过程处于稳定平衡状态。加之, 双曲优化组合衬砌在绝大多数情况下, 无须喷射混凝土、锚杆加固和钢筋网加强, 也无须支撑和模板, 减少了工序、节约了施工时间、减轻了围岩扰动, 因此能有效保护围岩和减少围岩变形, 并使衬砌施工人员始终在承载拱保护下工作, 确保了施工安全。不仅具有简化工序;节约材料;成洞迅速等优势, 而且, 有利于施工环境改善, 便于发展工业化施工。同时, 还实现了临时支护和永久支护合一;柔性支护与刚性支护合一;自动应力调整或人工应力调整结合;合理受力与共同承载结合。是一条经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥新路子。

3 系统的基本功能

本系统采用了荷载—结构模型, 适用于铁路、公路、冶金、煤炭、水电、水利、人防、国防等隧道、巷道、坑道、地道以及城市地铁、窑洞民居等地下拱形工程。主要有以下五种用途。

3.1 用于围岩压力计算

系统除包括按公路隧道设计规范公式计算、按铁路工程技术规范直接荷载确定法计算、按普式压力拱理论计算外, 特别推荐按立体极限地压理论公式计算围岩压力。这种方法考虑了洞室埋深、毛洞跨度、与洞形有关的毛洞计算高度, 毛洞长度、地层内摩擦角、粘聚力、重度、侧压力系数、考虑地层两侧地层物理力学性质、洞宽、洞高、洞形及施工方法影响的侧荷载系数以及考虑岩体构造状况、施工方法、支护时间、施工爆破情况、地面地下水影响、毛洞风化程度、施工环境、风化程度等对c值影响的折减系数等影响因素, 计算结果与实测十分接近, 有利于隧道设计安全可靠, 防止因荷载偏离过大引起的设计失误和浪费。而且, 可以自动传输数据进行优化设计, 准确方便, 立等可取。

3.2 用于常规衬砌设计

在已知荷载和轴线尺寸条件下, 设定断面厚度, 进行内力计算, 绘制弯矩、轴力图, 进行强度校核、工程量计算, 净空校核、绘制施工图等。其荷载可以是垂直、水平荷载按均布、马鞍形、山形、梯形、三角形分布的25种不同组合。

拱形可包含直墙或曲墙, 单心圆、三心圆、五心圆、七心圆等各种不同形式的拱形。截面厚度可以是等截面、直线变截面、余弦变截面和任意变截面。同时, 还可以考虑弹性抗力或不考虑弹性抗力、考虑地层与衬砌间摩擦力或不考虑摩擦力等情况。计算要求灵活, 计算结果准确。与多种计算方法的典型范例比较, 计算结果都很接近。其计算精度比经典设计范例提高100倍。

3.3 用于优化衬砌设计

(1单优化设计:根据已定结构尺寸和拱形进行截面厚度优化设计。系统自动按规范要求, 选择既符合安全强度要求、又经济节约的混凝土衬砌截面厚度。不仅节约了反复试算的时间, 而且, 较常规设计明显节约。对经典算例, 一般已经单优化, 节约混凝土较少, 但对多数设计仍有潜力可挖。如同济曙光软件计算地处Ⅲ类围岩、净宽9.5m的二级公路隧道算例, 衬砌厚度为c25混凝土60cm, 经单优化其最小厚度为56cm, 说明该设计在该设定拱形不变情况下已经优化, 节约余地较小。而新庄岭黄土公路隧道, 原设计为11×8m的直墙单心圆双车道隧道, 采用80～100cm厚的c25混凝土衬砌, 最小安全系数是5.2, 偏于保守;在拱形不变情况下, 单优化衬砌厚度为65cm, 最小安全系数是3.22, 即可满足规范要求。这与实测结果"一次衬砌厚度45～65cm, 实际承载89.5%, 二次衬砌35cm, 实际承载10.5%"的结论十分接近。

(2) 双优化设计:根据荷载和洞室尺寸, 系统自动选择优化拱形和优化衬砌厚度。可在满足净空要求的条件下, 设计出更适用、经济的衬砌截面来。所有选择 (包括决定拱形的各半径大小、圆心位置、各段圆弧对应圆心角等和决定最佳衬砌厚度) 计算、校核, 全部智能自动确定, 无须人工干涉。使过去二十天的工作量在一分钟左右精确完成, 为又好又快地进行方案对比、动态设计创造了条件。上述两例如果采用拱形优化, 在满足净空、强度和偏心的要求下, 其衬砌厚度仅需36cm, 说明拱形优化能充分发挥混凝土抗压优势, 是大有潜力可挖的, 而且已经得到了实践证实。1986年建成的西关地下商场工程, 净跨10m, 荷载也基本相似, 其优化设计仅需21～35cm素混凝土衬砌, 在地面公交通道车附加荷载作用下, 至今已完好安全使用二十余年。由此可见, 拱形优化是提高衬砌承载力的主要因素。对比计算表明:双优化较权威著作典型设计范例平均节约混凝土30.53%。比现代支护理论推荐的复合式衬砌标准设计平均节约混凝土39.05%;比日本单双线隧道和新干线平均减少混凝土31.76%。

3.4 用于围岩稳定分析

如果将承载主体由衬砌材料变成围岩, 系统就能进行洞室自稳计算。黄土洞室的稳定计算与黄土地下建筑技术条例调查结果完全一致;各级围岩的自稳计算与公路隧道设计规范的各级围岩自稳能力判断表基本符合。判断表中的稳定跨度与围岩物理力学参数平均值计算结果相同, 一般偏于安全或保守。本系统能分析任何实际洞室的稳定性, 因此具有普遍意义。例如, 规范判断表中:Ⅰ级围岩跨度20m可长期稳定, 计算检验是正确的。但对于跨度115m稳定了150多年的中洞苗寨是否能够长期稳定呢?计算表明:当围岩物理力学指标达到Ⅰ级时, 该洞室可以长期稳定, 而且稳定的形状与实际洞形十分接近, 见图4。判断表认为Ⅵ级围岩无自稳能力, 这对于公路隧道来说是对的, 但是, 计算结果, Ⅵ级围岩1.5m跨度也能暂时自稳。所以, 任何围岩都有一定的自稳能力, 只不过是自稳洞室的尺寸不同而已。这样通过围岩自稳计算, 合理控制毛洞开挖尺寸和进尺, 以有利施工安全。

3.5 用于复合式衬砌设计

如果将承载主体由衬砌材料变成围岩, 并选择设置注浆锚杆, 系统会自动考虑围岩的强度, 这样计算出的围岩厚度加锚杆锚固长度就是设计的锚杆长度。如承载主体选择某种标号的喷射混凝土或模筑混凝土, 计算出的厚度即为初期支护设计厚度或二次衬砌厚度。同样, 可以按照已定拱形不优化;衬砌厚度单优化;衬砌厚度及拱形双优化进行设计。

3.6 用于反推地压和动态设计

原铁道部黄土双线隧道设计研究组对陇海线13座黄土双线隧道裂缝问题调查研究发现:“黄土隧道开裂与结构形式有密切关系。尖拱型单线隧道, 则拱腰部分出现纵向裂缝;双线隧道均属尖拱型, 拱腰普遍出现裂缝。因此, 得出结论:裂缝的主要原因是尖拱型衬砌不适应实际土压力大小及分布”。为弄清土压力大小及分布, 原国家建委某工程黄土洞室科研组在山西进行了近二年的《黄土洞室稳定性的野外试验》 (表4) , 测得109洞垂直荷载为86kPa, 水平荷载按侧压力系数0.3计算是25.8kPa, 其按此分析结果得出计算变形与实际变形完全相反;原国家建委五局建筑科学研究所据此试验实测数据, 认为平均垂直荷载是86kPa, 推断其拱顶至拱脚的垂直荷载按2.7～172.1kPa直线变化, 呈马鞍形分布, 但这种荷载的计算结果与实际变形也不完全相符;本系统反推侧压力系数为0.6099, 完全符合拱顶向上位移, 两侧向内位移的实际情况, 得到了理论计算与实际破坏完全一致的结果。对保证动态设计的安全、经济性有重要作用。

3.7 用于隧道施工安全计算

静宁隧道是位于松软、潮湿、饱和新黄土地段的双车道隧道, 2007年发生的大塌方事故, 除遇连续降雨, 渗水使黄土强度急剧降低, 粘聚力显著折减等不利条件影响外, 其重要原因之一就是为抢工期, 一次衬砌太长、二次衬砌没有跟上, 造成冒顶坍塌事故。该隧道在松软黄土地层中构筑, 勘测确定为Ⅵ级围岩。系统计算:一次衬砌承载长度在3m以下, 安全系数>2, 可保安全;一次衬砌承载长度在3m～10m, 安全系数>1, 暂时安全;一次衬砌承载长度>10m, 安全系数<1, 不安全。实际一次衬砌承载长度控制30m, 安全系数在0.72以下, 事故难以避免。本系统可按照实际拱形, 计算最大掘进进尺长度、计算一次衬砌最大承载长度、校核二次衬砌允许拆模强度等, 对隧道安全施工具有一定指导意义。

3.8 用于围岩破坏机理研究

围岩自承载能力决定于围岩物理力学性质、隧道断面尺寸和形状以及掘进长度等。毛洞的破坏主要因素是荷载大小、分布与围岩强度、挖掘洞形不相适应、承载拱以内的地层失稳造成的。洞室破坏后形成新的优化拱形而暂时稳定, 但随着垂直和侧向水平荷载的相互变化, 又会形成新的失稳, 以新的优化拱形暂时稳定。每次暂时稳定的优化拱形和尺寸, 可以通过系统算出。其计算结果与陕西省建工局建筑科学研究所, 西安冶金建筑学院地下结构专业八孔土窑失稳破坏全过程调查结果相同, 见图5, 也与西安冶金建筑学院采矿系模拟试验研究小组黄土峒库模拟试验结论相似。不仅片帮、冒顶的形状、尺寸与实测接近, 而且片帮、冒顶的顺序也与实际相同。

4 结语

本系统针对当前隧道与地下工程衬砌设计存在的问题, 解决了地下工程荷载计算、用荷载结构法计算围岩承载、智能确定优化拱形和最佳衬砌厚度等问题, 并经过理论与实践的长期检验, 证明是可用于指导隧道具体工程的实用设计系统, 除了能精确、快速地进行衬砌优化设计外, 还能用于围岩稳定分析、复合式衬砌设计、反推围岩压力分布、动态设计、隧道施工安全计算和围岩破坏机理研究等工作。但其试验工程还局限于部分地区的少量工程, 缺乏普适性验证。隧道及地下工程量大面广, 地质条件工程情况千变万化, 还需要广大同行通力协作, 在不同条件下进行试验和检测, 以通过大量工程实践, 进一步发现问题, 完善补充, 扩大应用, 为我国乃至世界隧道及地下工程发展作出贡献。

5 后记与致谢

本系统在继承和发扬太沙基理论、荷载结构法、合理拱轴原理的基础上, 进行了创新、论证、检验、试验等工作, 于2007年通过省级鉴定, 与会专家一致认为:该研究成果在地下洞室优化设计方面达到国际先进水平;2008年获得甘肃省科技进步奖;2009年取得国家知识产权局批准公布的三项国家发明专利。这些工作, 单靠我们的力量是难以完成。其取得进展, 离不开广大隧道及地下工程工作者的辛勤劳动和无私奉献。因为, 从室内模拟试验、围岩压力的测试、优化工程的实践以及理论问题的探讨等, 广大隧道工作者都做了大量工作, 为成果完成起了很大作用。例如:清华大学、同济大学、哈尔滨建筑工程学院、重庆建筑工程学院、天津大学、淮南煤炭学院、山东矿业学院、西安冶金建筑学院、兰州铁道学院、铁道科学院、铁路专业设计院、北京市政设计院、中华人民共和国交通部、中国人民解放军工程兵司令部等编著的曲墙或直墙拱结构计算实例, 为理论上验证系统计算的精确性和优化效果提供了条件;长安大学公路学院、原国家建委某工程黄土洞室科研组、原铁道部黄土双线隧道设计研究组、广州铁路局科学技术研究所等众多单位的40项工程围岩压力测试和裂缝隧道调查统计以及357个铁路单线隧道塌方统计分析, 为对比计算与实测结果、检验系统的正确性和可行性提供了依据;国内外173项隧道与地下工程实践, 为检验设计的安全性、经济性对比提供了条件;甘肃省人防、兰州市人防、原甘肃省建委、兰州市建委提供的9项隧道与地下工程优化试验工程, 为进一步长期实践考验优化工程的安全、质量、速度、节约性能作出了最有力的证明。

摘要：为解决隧道与地下工程衬砌设计存在的问题, 根据国际先进水平的《隧道与地下工程设计施工新法》编制, 用立体极限地压理论、优化承载主体、自动确定合理拱轴线等方法, 解决了正确计算地下工程荷载、智能确定最佳拱形和最佳衬砌厚度等问题, 使隧道与地下工程设计进入了新高度。利用本系统不仅可以在几分钟时间内完成隧道衬砌设计分析工作, 计算精度较经典范例提高100倍, 工程经济技术指标显著提高。经过大量实测数据与多项工程试验证明, 是可靠、实用、经济的方法。比复合式衬砌总厚度平均减薄30%以上。按本系统设计和施工的不同试验工程, 经过长期考验, 全部获得成功。不仅实现了安全无事故、优质、快速, 而且节约水泥、钢材、木材40%以上。

关键词：地下工程,隧道,优化设计,智能分析

参考文献

[1]朱汉华, 王迎超, 祝江鸿.隧道预支护原理与施工技术[M].人民交通出版社, 2008:131.

[2]黄成光, 于敦荣.公路隧道施工[M].人民交通出版社, 2008:4.

[3]王胜利.隧道及地下洞室设计施工新法[J].中国科技成果, 2005 (19) :34-36.

[4]王梦恕.21世纪山岭隧道修建的趋势[J].铁路标准设计, 2004 (9) :38.

[5]喻渝, 陈中, 王明年.隧道设计计算模型对围岩适应性的探讨[J].现代隧道技术, 2004 (4) :6.

[6]关宝树.隧道工程设计要点集[M].人民交通出版社, 2003:42.

[7]赵占厂.黄土公路隧道围岩压力测试分析[J].现代隧道技术, 2003, 40 (4) :58-61.

[8]徐干成, 白洪才, 郑颍人.地下工程支护结构[M].中国水利电力出版社, 2003:240.

[9]王建宇.关于我国隧道工程的技术进步[J].中国铁道科学, 22 (1) :75.