地下工程的基礎(chǔ)技術(shù)

地下工程的基礎(chǔ)技術(shù)，包括；規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)等方面技術(shù)的現(xiàn)狀和展望。

5/11/20251第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)二、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程與解析技術(shù)5/11/20252第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)三、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1、圍巖分級(jí)（P127）（1）基本概念①巖石：均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。②巖體：是在地質(zhì)歷史中，經(jīng)過(guò)巖石建造、構(gòu)造形變、和次生蛻變而形成的地質(zhì)體，它被許多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割為大小不等，形狀各異的各種塊體。5/11/20253第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)③圍巖：地層中受坑道開(kāi)挖影響的那部分巖體。④?chē)鷰r分級(jí)：根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)主要指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)類(lèi)別，并依照每一類(lèi)圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5/11/20254第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（2）我國(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)的指標(biāo)①由巖石強(qiáng)度的堅(jiān)硬程度、圍巖的完整程度確定圍巖的基本分級(jí)②地下水及初始應(yīng)力場(chǎng)修正圍巖基本分級(jí)（3）分級(jí)方法（P128表4-7）將圍巖分為Ⅵ級(jí)，從Ⅰ~Ⅵ圍巖力學(xué)性質(zhì)由強(qiáng)到弱

5/11/20255第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/20256第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/20257第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)2、地下結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型（1）地下結(jié)構(gòu)體系：由地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成，其中以地層為主，支護(hù)僅用來(lái)約束地層，不使它產(chǎn)生過(guò)大的變形而破壞坍塌，地層既是承載結(jié)構(gòu)的基本組成部分，又是造成荷載的根本來(lái)源。5/11/20258第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（2）地下結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)模型①經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法參照過(guò)去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類(lèi)比的；②實(shí)用設(shè)計(jì)方法（情報(bào)設(shè)計(jì)法）以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的，例如以洞周位量測(cè)值為基礎(chǔ)的收斂一約束法；③作用一反作用模型，即荷載一結(jié)構(gòu)模型，例如彈性地基圓環(huán)計(jì)算和彈性地基框架計(jì)算等計(jì)算法；④連續(xù)介質(zhì)模型包括解析法和數(shù)值法。數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。5/11/20259第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（3）結(jié)構(gòu)力學(xué)方法——荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算方法

①基本原理是將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開(kāi)來(lái)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，②隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的模擬通過(guò)彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來(lái)體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時(shí)間接地考慮。圍巖的承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力越小，彈性支承約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抗力越大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，支護(hù)結(jié)構(gòu)所起的作用就變小了。

5/11/202510第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202511第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)③適用條件只要在施工過(guò)程中不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖保持緊密接觸，有效地制止周?chē)鷰r體變形和松弛而產(chǎn)生松動(dòng)壓力。④評(píng)價(jià)一般說(shuō)來(lái)，按此模型設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。5/11/202512第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（4）巖石力學(xué)的計(jì)算方法①基本原理巖石力學(xué)方法是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱(chēng)為圍巖一結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型，②隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的模擬在這個(gè)模型中圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來(lái)約束和限制圍巖的變形，5/11/202513第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)③評(píng)價(jià)它符合當(dāng)前的施工技術(shù)水平，在圍巖一結(jié)構(gòu)模型中可以考慮各種幾何形狀，圍巖和支護(hù)材料的非線(xiàn)性特性，開(kāi)挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)，以及地質(zhì)中不連續(xù)面。施工過(guò)程等。在這種模型中有些問(wèn)題是可以用解析法求解或用收斂一約束法圖解的，但絕大部分問(wèn)題，因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴(lài)數(shù)值方法，主要是有限單元法。5/11/202514第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202515第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（5）以圍巖分級(jí)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在大多數(shù)情況下，隧道支護(hù)體系還是依賴(lài)“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的，在實(shí)施過(guò)程中，依據(jù)量測(cè)信息加以修改和驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提要正確地對(duì)坑道圍巖進(jìn)行分類(lèi)，然后在分類(lèi)的基礎(chǔ)上編制支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本圖示。在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的幾點(diǎn)的原則是：①首先要對(duì)坑道圍巖進(jìn)行分類(lèi)，這些分類(lèi)大都是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為各種地下工程單獨(dú)編制的

5/11/202516第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)②在各類(lèi)巖體中，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體是按下述原則選用：a完整、穩(wěn)定的巖體：錨桿長(zhǎng)度<1.5ｍ，n=４～４.２根/m左右，噴混凝土用于填平補(bǔ)齊二次襯砌用最小混凝土厚度，約３０ｃｍ左右。B易破碎、剝離的塊狀巖體:錨桿長(zhǎng)度1.5~3.5ｍ，n=10根/m左右，噴混凝土0~10cm，二次襯砌30~40cm5/11/202517第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)C、有地壓作用的破碎巖體錨桿長(zhǎng)３.０～４.0ｍ，ｎ＝１０根／ｍ噴層：拱部和側(cè)壁噴層厚約１５～２０cm。二次襯砌厚度為４０～５０ｃｍd、強(qiáng)烈擠壓性巖體或有強(qiáng)大地壓的巖體。錨桿長(zhǎng)４.０～６.0，n＝１５根／ｍ左右噴層厚20～２５ｃｍ，二次襯砌厚度，５０ｃｍ左右。5/11/202518第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)③在施工中應(yīng)盡量少擾動(dòng)圍巖，使其盡量保持原有巖體的強(qiáng)度，應(yīng)采用控制爆破技術(shù)。④預(yù)計(jì)有大變形和松弛的情況下，開(kāi)挖面要全面防護(hù)（包括正面），使之有充分的約束效應(yīng)，在分臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，上半斷面進(jìn)深不宜過(guò)長(zhǎng)，以免影響整個(gè)斷面的閉合時(shí)間。⑤在修二次襯砌之前要修防水層，形成具有防水性能的組合襯砌。⑥允許甚至希望巖石出現(xiàn)一定的變形，以減少支護(hù)所需的防護(hù)措施。

5/11/202519第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)⑦應(yīng)有一個(gè)詳細(xì)周密的量測(cè)計(jì)劃。它系統(tǒng)地控制施工中的變形與應(yīng)力情況，確定所建立的支護(hù)阻力是否和圍巖類(lèi)型相適應(yīng)以及是否還需要加強(qiáng)措施。。⑧要嚴(yán)格按照預(yù)定的施工程序施工。5/11/202520第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)（6）情報(bào)化設(shè)計(jì)方法①情報(bào)化設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)施工前和施工過(guò)程中的大量信息（情報(bào)）來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，以期獲得最佳地下結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法，也有稱(chēng)之為信息反饋設(shè)計(jì)方法或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法的。

5/11/202521第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)②地下工程的情報(bào)化設(shè)計(jì)方法：預(yù)測(cè)施工前的信息（主要是地質(zhì)信息）——施工——進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)——依其信息（主要是位移、應(yīng)變、壓力等）修改預(yù)設(shè)計(jì)——再施工、再量測(cè)——直到形成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。它不僅包括施工前的預(yù)設(shè)計(jì)，也包括施工過(guò)程中的修正設(shè)計(jì)，把過(guò)去截然分開(kāi)的施工和設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，融化為一體，構(gòu)成了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程。5/11/202522第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)四、鐵路隧道的設(shè)計(jì)方法我國(guó)鐵路隧道的設(shè)計(jì)方法，基本上是采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，即按結(jié)構(gòu)——荷載模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的。鐵路隧道尺寸、形狀比較單一。因此，鐵路隧道襯砌的設(shè)計(jì)已經(jīng)定型化、標(biāo)準(zhǔn)化。目前鐵路隧道的標(biāo)準(zhǔn)圖，包括單線(xiàn)、雙線(xiàn)隧道的襯砌、洞門(mén)、明洞等。根據(jù)牽引類(lèi)型的不同，又分為電力牽引、內(nèi)燃牽引及蒸汽牽引等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。5/11/202523第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)1、設(shè)計(jì)步驟：（1） 斷面形式和結(jié)構(gòu)尺寸的擬定——工程類(lèi)比法；（2） 計(jì)算作用在結(jié)構(gòu)上的荷載——主動(dòng)和被動(dòng)荷載；（3）計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力；（4）檢算：安全系數(shù)，偏心距，基底承載力；5/11/202524第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)地下工程施工施工工藝過(guò)程工法的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)5/11/202525第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)第一節(jié)施工方法分類(lèi)

明挖法暗挖法蓋挖法礦山法斜邊坡垂直邊坡+支擋結(jié)構(gòu)盾構(gòu)法泥水盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)法沉埋管段法新奧法5/11/202526第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)第二節(jié)明挖法施工為什么采用明挖法施工5/11/202527第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202528第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式鉆孔灌注樁人工挖孔樁地下連續(xù)墻SMW樁墻鋼板樁土釘墻5/11/202529第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202530第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202531第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202532第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202533第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202534第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202535第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202536第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)第三節(jié)

蓋挖法施工為什么采用蓋挖法施工？分：蓋挖順作法、蓋挖逆作法工程實(shí)例：上海地鐵車(chē)站—常熟路站、陜西南路站、黃陂路站，北京地鐵車(chē)站—永安里站、大北窯站、天安門(mén)站蓋挖逆作法工藝過(guò)程5/11/202537第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202538第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)第四節(jié)山嶺隧道新奧法施工傳統(tǒng)礦山法采用鋼、木支撐作臨時(shí)支護(hù)，單層鋼筋混凝土襯砌，不進(jìn)行施工量測(cè)。新奧法（NATM）NewAustriaTunnelingMethod以控制爆破或機(jī)械開(kāi)挖為主要掘進(jìn)手段，以錨桿、噴射混凝土為主要支護(hù)方法，理論、量測(cè)和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的一種施工方法。是指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工的原則和理論體系。5/11/202539第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)圣哥達(dá)隧道的木支撐5/11/202540第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)新奧法的原理1、保護(hù)圍巖光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)2、充分發(fā)揮圍巖的承載能力錨桿噴射混凝土作初期支護(hù)—柔性支護(hù)3、施工過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)—信息反饋4、一般采用復(fù)合式襯砌新奧法的基本原理可扼要地概括為：“少擾動(dòng)、早噴錨、勤量測(cè)、緊封閉”。新奧法施工，按其開(kāi)挖斷面的大小及位置，可分為：全斷面法、臺(tái)階法、分部開(kāi)挖法三大類(lèi)及若干變化方案。5/11/202541第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202542第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202543第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202544第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202545第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202546第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202547第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202548第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)具體工法全斷面法臺(tái)階法分部開(kāi)挖法5/11/202549第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)施工過(guò)程的監(jiān)控量測(cè)為什么要監(jiān)控量測(cè)？一、量測(cè)項(xiàng)目

必測(cè)項(xiàng)目：收斂量測(cè)、拱頂下沉量測(cè)、（地表沉降）。

選測(cè)項(xiàng)目：圍巖內(nèi)部變形量測(cè)、錨桿軸力量測(cè)、圍巖壓力量測(cè)、支護(hù)及襯砌應(yīng)力量測(cè)、鋼架內(nèi)力及所承受的荷載量測(cè)等。二、量測(cè)頻率三、監(jiān)控量測(cè)信息的整理與反饋：回歸分析5/11/202550第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202551第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)第五節(jié)城市地下工程新奧法施工

淺埋暗挖法:CD法、CRD法、中洞法等。施工技術(shù)要點(diǎn)：“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”。5/11/202552第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202553第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202554第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202555第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202556第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)盾構(gòu)法概論5/11/202557第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202558第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202559第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)5/11/202560第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)地下連續(xù)墻的位置5/11/202561第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)盾構(gòu)法施工概貌盾構(gòu)盾構(gòu)千斤頂壓漿孔在盾尾空隙中的壓漿出土轉(zhuǎn)盤(pán)盾構(gòu)正面網(wǎng)格管片拼裝機(jī)管片壓漿泵出土機(jī)由管片組成的隧道襯砌結(jié)構(gòu)后盾管片豎井盾構(gòu)法施工概貌

盾構(gòu)法是使用所謂的“盾構(gòu)”機(jī)械，在圍巖中推進(jìn)，一邊防止土砂的崩坍，一邊在其內(nèi)部進(jìn)行開(kāi)挖、襯砌作業(yè)修建隧道的方法。5/11/202562第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展史：

最早是在1818年由英國(guó)工程師布魯諾爾(M.I,Brunel)發(fā)明的，他是從船的木板中，有一種蛀蟲(chóng)鉆出孔道，并用它分泌的粘液加固洞穴得到啟發(fā)而研制出的，并于1925年開(kāi)始用一個(gè)寬11.58m、高6.7m的矩形盾構(gòu)，在英國(guó)倫教的泰晤出河下面修建世界第一條水底隧道。施工中遇到泥水涌入隧道的極大困難，兩次被淹，直至1835年對(duì)后構(gòu)作了改良.用壓氣輔助施工，才于1843年完工。隧道全長(zhǎng)458m。5/11/202563第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)1888~1890年間用盾構(gòu)法在美國(guó)和加拿大間的圣克萊(St,Clair)河下建成了一條直徑為6.40m，長(zhǎng)為1870m的薩爾尼亞(Sarnia)水底隧道，為盾構(gòu)法修建隧道開(kāi)拓了更為廣闊地發(fā)展前景。20世紀(jì)初，盾構(gòu)法施工已在美、英、法、俄等國(guó)開(kāi)始推廣，已用在水底公路隧道、地下鐵道、上下水道、電力、通訊煤氣等市政公用地下設(shè)施管道。1932年原蘇聯(lián)開(kāi)始用直徑為6.6~9.5m的盾構(gòu)先后在其斯科、列寧格勒、基輔等城市修建地下鐵道的區(qū)間隧道及車(chē)站。5/11/202564第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)1922年日本開(kāi)始用盾構(gòu)法修筑國(guó)鐵奧羽線(xiàn)折渡隧道。1943年修建關(guān)門(mén)水底隧道直徑達(dá)6.0m，長(zhǎng)1100多米。1956年在海州露天礦用直徑2.66m的盾構(gòu)在砂土層開(kāi)鑿了疏水巷道；1957年起北京采用直徑2.0m、2.6m的盾構(gòu)施工下水道工程；5/11/202565第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)1972年在江蘇大屯礦用立井盾構(gòu)施工了井筒達(dá)150m。從1960年起上海在第四紀(jì)軟弱飽和水土層中用不同類(lèi)型盾構(gòu)完成了一批地鐵區(qū)同隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、電纜隧道等工程。5/11/202566第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)一、盾構(gòu)法的主要優(yōu)點(diǎn)除豎井施工外，施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，噪音、振動(dòng)引起的公害小，既不影響地面交通，又可減少對(duì)附近居民的噪音和振動(dòng)影響。盾構(gòu)推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進(jìn)行，施工易于管理，施工人員也較少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高。土方量外運(yùn)較少。穿越河道時(shí)不影響航運(yùn)。5/11/202567第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)一、盾構(gòu)法的主要優(yōu)點(diǎn)施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響。隧道的施工費(fèi)用不受覆土量多少影響，適宜于建造覆土較深的隧道。在土質(zhì)差水位高的地方建設(shè)埋深較大的隧道，盾構(gòu)法有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。當(dāng)隧道穿過(guò)河底或其他建筑物時(shí)，不影響施工。只要設(shè)法使盾構(gòu)的開(kāi)挖面穩(wěn)定，則隧道越深、地基越差、土中影響施工的埋設(shè)物等越多，與明挖法相比，經(jīng)濟(jì)上、施工進(jìn)度上越有利。5/11/202568第四章第二節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)二、盾構(gòu)法存在的不足當(dāng)隧道曲線(xiàn)半徑過(guò)小時(shí)，施工較為困難。

在陸地建造隧道時(shí)，如隧道覆土太淺，開(kāi)挖面穩(wěn)定甚為困難，甚至不能施工，而在水下時(shí)，如覆土太淺則盾構(gòu)法