地下空间工程施工技术及风险管理PPT课件

我国地下空间开发利用现状与思考主要内容 地下空间概念 我国地下空间开发利用现状 地下工程特征 地下工程设计方法 我国地下工程施工技术现状 地下工程风险管理（以地铁隧道为例） 思考地下空间概念n 地下空间相对于地上空间而言，系指地球表面以下天然或构筑形成的地下空间。n 地下空间建筑系指在自然形成的溶洞或人工开掘建造的建筑，泛指各种生活、生产、防护的地下建筑物与构筑物，亦可特指某类地下建筑，诸如交通隧道、国防工程等。构筑物构筑物常指那些仅满足使用功能要求而对室内外艺术要求不高的建筑，如各种管沟、矿井、库房、隧道及野战工事等。n地下工程按用途不同的分类工程类型举 例交通运输隧道铁路隧道、公路隧道、地铁与水底隧道、隧道运营配套洞室等水工隧道 电站引水隧洞、农用输水隧洞与给排水隧洞矿山巷道 矿山井下开拓巷道与回采井巷等基坑工程 高耸建筑物的深基坑开挖地下仓库 粮油、水果、蔬菜储藏库；鱼肉冷藏库、车库与核废料封存库地下工厂 水利或火力发电站以及各类轻、重工业地下厂房等地下民用建筑 地下街道、停车场、商店、图书馆 、体育馆、影剧院等地下市政工程 给排水工程、污水、管路、线路、废物处理中心等人防工程 防空洞、指挥所、人员疏散干道与连接通道、医院、救护站等国防地下工程 机库、船坞、军火库、作战指挥所、通讯枢纽、野战工事等过街地道内部过街地道入口地下水电站瑞典斯德哥尔摩民防指挥所瑞典斯德哥尔摩地铁（岩石中）大连胜利广场“不夜城”地下商场大连胜利广场下沉广场法国巴黎列阿莱下沉广场泉城广场地下停车场（岩石中）地下停车场通道地下停车场隧道过街地道雨水管道口地铁入口开发利用地下空间的意义人类的生态空间和生活空间都是以土地为依托；人类生存所需的生活品（生态空间）；人类活动所需的场所（生活空间）；人口增长，土地减少导致生存危机；人口增加，城市不能扩容开发生存空间；开发空间：海洋正在开发，难度较大；宇宙正在研究，较为遥远；地下能直接受益，必然趋势。地下空间开发的四个阶段第一阶段：人类发展初期特点：利用洞穴居住、防风、防雨、防野兽的有袭击。人类出现到公元前3000年的新石器时代。利用地下洞穴防遮风避雨、防寒防暑、防御自然灾害等；如北京周口店天然栖生溶洞、陕西蓝田猿人的黄土窑洞等；用途: 居住、避难、储藏特点: 朝阳、靠近水源第二阶段：地下空间初步利用阶段特点：铜、铁器时代，生产力发展很快，以陵墓、墓穴为主要代表。古代时期：公元前3000年到14世纪，进入铜器和铁器时代，生产力初步发展，地下空间初步利用阶段。如：秦始皇陵、长沙马王堆汉墓、徐州中山靖王墓、湖北大冶铜禄山古采矿遗址、洛阳地下粮仓、云冈石窟、龙门石窟、敦煌莫高窟等；国外：埃及金字塔、采矿穴、罗马下水道、巴比伦城幼发拉底河下的人行隧道、引水隧道等。龙门石窟明陵（帝王墓陵）云岗石窟第三阶段：19世纪工业革命开始特点：以欧美为主的矿山工程、城市市政和地铁、军事和水电工程发展迅速矿山工程 第四阶段：20世纪初中开始（1930年）特点：以地下空间利用为特征，人类活动移居地下如：商业街、停车场、商业街、文化娱乐活动场所、体育艺术场馆、地下交通工程等。某地下粮仓地下煤矿人防隧道国际高放废物地质处置地下实验室瑞典日本瑞士地下空间利用现状 1613年英国建成伦敦地下道； 1681年170m长地中海比斯开湾连接隧道； 1863年英国在伦敦建成世界上第一条地铁到20世纪90年代初有100多个城市有地铁，总长约5000km； 20世纪世界大城市出现地下空间开发与综合利用热：主要有：地下存储库、停车场、商业街、娱乐建筑群、交通网、地下水库、废物处理等。美国 纽约地铁运营线路443km，车站504个，每天510万人次，每年接近20亿人次。 地下步行街系统。洛克菲勒中心地下步行街系统将10个街区范围内的大型建筑连通。 达拉斯建成29条地下步行街系统；休斯敦地下步行街4.5km，连接350座大型建筑； 美国地下图书馆、办公楼、实验中心。哈佛大学、加洲大学、密执安大学等半地下图书馆、莫斯康尼地下会议展览中心、纽约的地下大型供水系统等。 美国进行地下与地面建筑对比试验，地下建筑节能率：明尼苏达、波士顿为48%；盐湖城、罗克斯分别为58%和51%。加拿大 加拿大的多伦多、蒙特利尔20世纪70年代建成4个街区宽、9个街区长的地下步行街，连接20多个地下停车库、1000多个商店、很多旅馆、电影院、购物中心、市政厅、火车站、证券交易所、5个地铁站、30座高层建筑的地下室。共100多个地面出入口。地下系统布置多处花园和喷泉；保证漫长寒冬下各种活动的正常进行。 加拿大丘吉尔瀑布电站地下厂房长296m、宽25m、高47m；北欧和西欧 瑞典南部大型地下供水系统，埋深3090米，隧道长80km；大型储水库、斯德哥尔摩排水系统隧道200km，地下管道垃圾清运系统、地下供热系统、地下共同沟30km； 芬兰地下供水系统隧道120km，地下游泳馆、运动中心、艺术中心、 巴黎83座地下车库（43000多辆车）、卢浮宫地下扩建工程等。日本国土面积小、城市用地紧张。现发展城市综合功能、交通、商业及其他设施的地下综合体；地下街快速发展，26个城市中建有146出地下街，日进出1200万人；兴建大量的地下共同沟。81年达到156.6km，按规划，21世纪达526km，名古屋、札幌等旧城改造中大规模利用地下空间；地下高速路、停车场、排洪蓄水、地下河川、地下热电站、防灾设施等。我国城市地下空间利用现状 20世纪6070年代，城市地下空间的开发利用重要是以战备为目的人防工程，其功能单一，质量较差，布局与城市规划脱节，其利用率极低； 80年代，随着我国城市建设的发展，在一些大城市对地下空间进行了综合开发和改造。例如上海人民广场地下商城的再开发，兰州中心广场的再开发规划，沈阳、鞍山、西安、石家庄、郑州等城市站前广场的地下空间开发利用，吉林、长春、哈尔滨等城市地下街的建设，使城市地下空间的开发利用得到了很大的发展。 近10年来，我国城市地下空间的开发和利用有了长足进步。已把地下空间纳入城市整体规划，兴建了许多大型地下商场、地下仓库、地下车场、地下交通、地下娱乐场所和地下排水工程。北京西单商业区的再开发，将建设成大型市级商业、服务业和文化娱乐中心，它结合地铁充分考虑地下空间的开发利用，其地下商场、饮食的开发面积占1.9万m2，为规划总面积的25%。上海人民广场、沈阳新车站的地下街，大连体育场前、哈尔滨红博广场地下商城和停车场的地下空间规划，都是较大规模的地下空间开发和利用。 长江三峡水利工程，其地下电站部分主厂房长311.3m，高87.24m，跨度为32.6m。三峡库区水下博物馆已经建成。 浅层：人类活动：交通、娱乐、商业车库等。 中层：污水、垃圾处理、市政管线 次深和深层：地下水、输送、处理、回收、能源贮存、储存的循环系统 更深层：能源（地热）和核废料处理地下空间分层化和深层化地下工程特征 地下工程以支护为主体，围岩稳定是关键； 围岩的物理力学特性离散型； 围岩所处的地质环境复杂性； 工程因素的不确定性。地下工程设计计算方法 岩石力学试验 物理模型试验 工程类比法 数值仿真模拟方法 现场测试和监测地下工程建设的特点 地质条件和地质构造复杂。 具有初始应力结构特征。 岩体的强度和变形未知。 流体和固体的耦合效应使岩体工程更为复杂。 岩体具有可变性和不确定性。地下建筑常见的施工方法一、新奥法 设计依据：岩承理论(1950s) 稳定的围岩自身具有承载自稳能力；不稳定的围岩丧失稳定是一个时间过程； 若在期间提供必要的支承与限制，则围岩仍可以重新回到稳定状态。 注重过程与控制，强调充分利用岩体的自承载能力。 技术要素：喷锚(网)支护【柔性支护与永久衬砌构成复合式衬砌】与监控量测设计理论施工方法支承结构状态更符合实际情况。 二、钻爆法n设计依据：松弛荷载理论 (1920s)稳定的围岩具有自稳能力；不稳定的围岩则会坍塌，需支护结构来支承；支承荷载一定范围内因松弛且可能塌落的岩体重量n注重结果与处理方法n技术要素：刚性支护(钢木构件支撑)，一般需撤换为整体式厚衬砌(永久支护)。n按最不利围岩组合荷载设计临时支护与永久衬砌不太符合实际工作状态。 矿山法14.1概述14.1概述14.1概述14.1概述14.1概述14.1概述14.1概述三、全断面掘进机法 装备：全断面掘进机(TBM) 原理：电动机驱动主轴旋转对刀盘施压贴紧岩壁利用刀盘上的盘形滚刀破碎岩石巷道全断面一次成型 优点：月进尺为钻爆法的1.52.0倍，超挖量小于5，衬砌费用大幅节约，施工安全性与岩层适应性好 适用对象：硬岩长大隧道(尤其适用于岩石破碎、高山缺氧、严寒等恶劣气候条件地区的隧道开挖 ) 隧道掘进机械，一般分为两种： （1）臂式掘进机(Boom-type Roadheader)； （2）全断面隧道掘进机，简称TBM。隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式 掘进机的类型全断面掘进机适合于软岩隧道；顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。 适合于硬岩隧道； 顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面提供；(1) 开敞式掘进机(2) 护盾式掘进机开敞式隧道掘进机型号：TB880E开挖直径：8.8米掘进速度：3.5m/h西康铁路秦岭隧道西安-南京线磨沟岭隧道 最高月进度：574米（磨沟岭隧道） 最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）引洮供水一期工程总干渠7隧洞工程隧洞全长17286米，在国内首次采用单护盾TBM施工。该项目曾在2011年11月份创造了TBM月掘进1868米世界纪录。开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。臂式掘进机 可以适应任意形状的断面； 对地质条件的要求较低，适合软岩及中硬岩隧道的掘进； 连续掘进，支护可实现平行作业。 基本投资费用少，约为全断面掘进机的15%左右。 中短隧道施工更为适用。壁式掘进机的特点 臂式掘进机开挖与支护平行作业示意图 臂式掘进机开挖作业示意图 一般仍是由初期支护和二次衬砌组成。 初期支护：喷射混凝土 二次衬砌：喷射混凝土 模筑混凝土 管片衬砌 不管是哪种类型的衬砌，为了安放轨道运碴，都必须设置预制仰拱块，它也是最终衬砌的一部分。与掘进机施工配套的支护型式衬砌结构的组成 见图10-13，使用护盾掘进机时，一般采用圆形管片衬砌，分为57块，在洞内拼装而成。管片衬砌 使用开敞式掘进机，可以先施作初期支护，然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌，即复合式衬砌，见图10-14，其底部为预制仰拱块。如秦岭线铁路隧道。复合式衬砌u 秦岭铁路线隧道 全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台8.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。TB880E修建的秦岭18.456km铁路隧道TB880E掘进机u 磨沟岭隧道 西安南京铁路的磨沟岭铁路隧洞全长6114m，软岩占隧道总长的70.5%，由中铁隧道集团采用8.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭线隧道进口段），TBM掘进长度为4.653km，最高月进尺为573.9m。 采用TSP202 超前地质预报进行大范围预测，结合掌子面超前地质钻探，进行了准确的预测和预报，进而制定和实施了超前预注浆支护体系，确保了TBM 安全施工，于2002年11月完工。安康至南京磨沟岭铁路隧道(TBM)u桃花铺1号隧道 西安南京铁路桃花铺1号隧道全长约7.234km，围岩主要为石英片岩夹大理石，节理较发育，岩石抗压强度70130MPa。TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用8.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭线隧道出口段），最高月进尺为551.82m。四、盾构法 装备：盾构机 【主体为可移动的高强度钢套壳(盾壳