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世界隧道及地下工程发展概论.ppt

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    • 第五讲 隧道及地下工程、道路与 铁道工程 隧道及地下工程 • 最古老的隧道是古代巴比伦城连接皇宫与 神庙间的人行隧道,建在公元前2160-2180 年间古代使用原始工具挖掘,速度最慢 者是驱使3万奴隶挖掘,每周进尺仅75mm • 目前世界最长的汽车专用隧道是瑞士中部 的圣哥达 (St.Gotthard)隧道,全长 16.3km,隧道开凿时,第一次使用了硝化 甘油炸药 • 我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县 的“石门”隧道,建于公元66年 古希腊萨摩斯隧道 定陵地下宫殿 • 当今人类正在向地下、海洋和宇宙开发 向地下开发可归结为:地下资源开发、地 下能源开发和地下空间开发三个方面地 下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、 大距离的“空间”利用进展 • 20世纪80年代国际隧道协会(ITA)提出“ 大力开发地下空间,开始人类新的穴居时 代”的口号顺应于时代的潮流,许多国家 将地下开发作为一种国策,如日本提出了 向地下发展,将国土扩大十倍的设想从 某种意义上来讲,地下空间的利用历史是 与人类文明史相呼应的,它可以分为四个 时代: • 第一时代 从出现人类至公元前3,000年的远古时 期。

      人类原始穴居,天然洞窟成为人类防寒暑、 避风雨、躲野兽的处所 • 第二时代 从公元前3,000年至5世纪的古代时期 埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道,均为此时代 的建筑典范我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓, 已具有相当技术水准和规模 • 第三时代 从5世纪至14世纪的中世纪时代世界 范围矿石开采技术出现,推进了地下工程的发展 • 第四时代 从15世纪开始的近代与现代欧美产业 革命,诺贝尔发明黄色炸药,成为开发地下空间 的有力武器日本明治时代,隧道及铁路技术开 始引进并得到发展 • 我国地下空间的开发和利用始于60年代 1965年北京建设地下铁道 • 70年代,我国修建了大量地下人防工程, 其中相当一部分目前已得到开发利用,改 建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏 库 • 80年代上海建成延安东路水底公路隧道 • 1985年至1987年,上海建成黄浦江上游引 水隧道一期工程 • 90年代以来,上海地铁1号线,地铁2号线 已相继开通 • 90年代后期至今,广州、深圳、南京等地 相继地铁开通 • 南京、杭州、福州琅岐等正计划修建过江 隧道 • 现代地下工程发展迅速,各种典型工程著 名浩瀚。

      世界已有数百个城市修建了地下 铁路 ;英法海峡隧道,长50km,海底长度 37km,历时7年建成;著名的公路隧道, 如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的 勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的 关越隧道,它们的长度均超过10km • 各类地下电站迅速增长,其中地下水力发 电的数目,全世界已超过400座,其发电量 达45亿瓦以上 • 修筑隧道和利用地下空间从原始时代起就 已成为人类营生的一种方式 • 随着近代文明的发展,才使它成为土木工 程学的一个学科,并应用近代工程技术修 筑了很多隧道 • 隧道是修筑在地面下的通路或空间,但孔 径太小,属于所谓管道范畴的除外1970 年经合组织(OECD)的隧道会议对隧道所 下的定义为:以某种用途,在地面下用任 何方法按规定形状和尺寸,修筑的断面积 大于2 的洞室 • 当前隧道除仍用于铁路、公路交通和水力 发电、灌溉等水工隧洞外,也用于上下水 道、输电线路等大型管路的通道,另外还 将过去理解为地下通路的隧道概念,扩大 到地下空间的利用方面,包括诸如地下发 电变电所、地下汽车停车场、大型地下车 站、地下街道等适用隧道工程技术的建筑 物 优点: √ 恒温,能较好地绝 热和蓄热; √ 抗震性能强; √ 隐蔽性好,能经受和 抗御武器的破坏; √ 气密性、遮蔽性、隔 音性均良 好; √ 具有良好的地下水保 持性; √ 节约用地; √ 空间开挖有很大的灵 活性; √ 可综合利用。

      缺点: √ 见不到阳光、温差小 、湿度大; √ 空气封闭压抑,不易 流通; √ 人员活动不自在; √ 环境噪音级增强; √ 微生物繁殖快 • 从地质上还可按开挖对象划分为岩石隧道和土砂 隧道,并可根据施工场所的不同区分为公路隧道 、城市隧道和水下隧道等 • 按施工方式、方法进行详细的分类有盾构法、沉 管法、明挖法等等 • 隧道技术,对应于修筑隧道过程的各个阶段,可 以大致分为: 调查计划技术(有关地质、水文等的调查和预 测、测量等); 设计技术(指岩石力学、土力学和结构力学、 材料等); 施工技术(指开挖、运输、支撑衬砌的施工、 地基改良、为改善施工条件而采用的特殊施工方 法、安全卫生等); 运用技术(指照明、通风、维修管理、防灾等 ) 公路隧道 • 公路隧道的平面线形和普通道路一样,根 据公路规范要求进行设计隧道平面线形 ,一般采用直线、避免曲线,如必须设置 曲线时,应尽量采用大半径曲线,并确保 视距公路隧道的纵断面坡度,由隧道通 风、排水和施工等因素确定,采用缓坡为 宜隧道的纵坡通常应不小于0.3%,并不 大于3%隧道如从两个洞口对头掘进,为 便于施工排水,可采用"人"字坡。

      单向通行 时,设置向下的单坡对通风有利 • 隧道净空断面的形状,即是衬砌的内轮廓形状 确定的形状应使衬砌受力合理、围岩稳定衬砌 的形状可采用圆拱直墙圆形断面利于承压和盾 构施工在浅埋、深埋公路隧道采用矩形或近椭 圆形断面公路隧道的各种主要断面形状如下图 所示 北京八达岭公路隧道 • 隧道通风方式的种类很多,按送风形态、 空气流动状态、送风原理等划分如下: 1)自然通风 2)机械通风 纵向式:射流式 、风道式和喷嘴式 、竖 井式 3)半横向式 4)横向式 5)混合式 • 自然通风 这种通风方式不设置专门的通风设备 ,是利用存在于洞口间的自然压力差或汽 车行驶时活塞作用产生的交通风力,达到 通风目的但在双向交通的隧道,交通风 力有相互抵消的情形,适用的隧道长度受 到限制由于交通风的作用较自然风大, 因此单向交通隧道,即使隧道相当长,也 有足够的通风能力 射流式纵向通风 竖井纵向通风 横向式通风 半横向式通风 混合式通风 根据隧道的具体条件和特殊需要,由 竖井与上述各种通风方式组合成为最合理 的通风系统例如,有纵向式和半横向式 的组合,以及横向式与半横向式的组合等 各种方式。

      • 隧道照明与一般部位的道路照明不同,其 显著特点是昼间需要照明防止司机视觉 信息不足引发交通事故应保证白天习惯 于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能认 清行车方向,正常驾驶隧道照明主要由 入口部照明、基本部照明和出口部照明与 接续道路照明构成 • 入口照明是指司机从适应野外的高照度到 适应隧道内明亮度,所必须保证视觉的照 明它由临界部、变动部和缓和部的三个 部分的照明组成 铁路隧道 • 地铁的区间隧道是连接相邻车站之间的建 筑物它在地铁线路的长度与工程量方面 均占有较大比重区间隧道衬砌结构内应 具有足够空间,以供车辆通行和铺设轨道 、供电线路、通讯和信号、电缆和消防、 排水与照明装置 地铁隧道结构 浅埋区间隧道 多采用明挖施工,常用钢筋混凝土矩形框架 结构下图显示的是浅埋明挖施工的区间隧道结 构型式 a单跨矩形 b双跨矩形 c单层双跨 d单拱形 • 深埋区间隧道 深埋隧道多采取暗挖施工,用圆形盾 构开挖和钢筋混凝土管片支护结构上覆 土的深度要求应不小于盾构直径从技术 和经济观点分析,暗挖施工时,建造两个 单线隧道比建造将双线放在一个大断面的 隧道里的作法合理,因为单线隧道断面利 用率高,且便于施工。

      莫斯科早期地下铁道适应备战要求采 用深埋形式,有的路段深达40~50m伦 敦地铁有的建在30m深左右的粘土层中,利 用其不渗水的特点方便施工 • 站台是地铁车站的最主要部分,是分散上 下车人流、供乘客乘降的场地 铁路隧道施工 • 地下铁道沿城市主要街道布置,在市区或 市郊修建因此,施工方案的选取应充分 考虑地铁对城市交通、建筑物拆迁以及对 地面上下管线的影响,从技术、经济等方 面加以权衡比较地下铁道的修建方法很 多,概括起来有两大施工方式,即明挖法 和暗挖法 明 挖 法 • 明挖法也称作基坑法,是一种用垂直开挖方 式修建隧道的方法(对应于水平方向掘进 隧道而言),指从地面向下开挖,并在欲建 地下铁道结构的位置进行结构的修建,然 后在结构上部回填土及恢复路面的施工方 法或者从地面向下开挖,用大号型钢架 于两侧钢桩或连续墙上,以维持原来路面 的交通运行后一种基坑法也称为路面覆 盖式基坑法或称开壕被覆法(Cut and Cover ),我国称为盖板法 明挖法施工 暗挖法 • 暗挖法有时也称为矿山法,尤其是指在坚 硬的岩石层中采用的矿山巷道掘砌技术的 开凿方式。

      但地铁施工多在浅部的松软土 层中进行,此暗挖法主要指: (1)盾构法 (2)注浆法 (3)沉管法 (4)顶管法 隧道出口施工 隧道内路面施工 京广铁路大瑶山 隧道施工 青藏线锡铁山分水岭隧道 秦岭隧道 水底和海底隧道 • 水底隧道与桥梁工程相比,具有隐蔽性好 ,可保证平时与战时的畅通,抗自然灾害 能力强,并对水面航行无任何妨碍的优点 ,但其造价较高水底隧道可以作为铁路 、公路、地下铁道、航运、行人隧道,也 可作为管道输送给排水隧道 • 17世纪起,欧洲修建了许多运河隧道,其 中法国魁达克运河隧道长157km1927年 美国纽约于哈德逊河底建成霍兰(Holland )隧道,次年又建成世界上第一条沉管法 水底隧道博赛(Bosey)隧道 • 目前世界上最长的铁路隧道是在海底穿越 津轻海峡的日本青函隧道,全长58.85km • 我国自20世纪60年代开始研究用盾构法修 建黄浦江水底隧道上海第一条越江隧道 ――打浦路隧道于1965年开始施工,并于 1981年建成通车第一座沉管隧道也于70 年代初期在上海建成1982年台湾高雄建 成一条沉管水底公路隧道。

      • 水底隧道的埋置深度 水底隧道的埋置深度是指隧道在河床 下的岩土的覆盖厚度埋深的大小,关系 到隧道长短、工程造价和工期的确定尤 其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的 安全问题设计水底隧道的埋置深度需考 虑以下几个主要因素: 1、地质及水文地质条件 2、施工方法要求 3、抗浮稳定的需要 4、防护要求 • 水底隧道主要断面形式,圆形、方形、拱 形 • 隧道防水 水底隧道的主要部分处于河、海床下 的岩土层中常年在地下水位以下,承受 着自水面开始至隧道埋深的全水头压力 因此水底隧道自施工到运营均有一个防水 问题防水的主要措施有: 防水混凝土、壁后回填、围浆注岩、双层 衬体 玄武湖隧道 厦门跨海 半桥半隧 道方案 海底观光隧道 辛普朗隧道: 世界最长的山岭 铁路隧道从瑞士通 往意大利的铁路线穿 越阿尔卑斯山底部的 两座单线铁路隧道 其长度分别为19803 米(一号)和19323 米(二号)辛普朗 一号隧道建于1898- 1906年,二号隧道建 于1912-1922年两 条隧道的中线相距20 米左右 青函海底隧道: 日本穿越津轻海峡连接本州(青 森)与北海道(函馆)的海底铁路 隧道。

      全长53.85公里,是世界上最 长的隧道1964年5月动工,1985年 3月正洞凿通隧道的海底部分长 23.3公里,本州端陆上部分13.55公 里,北海道端陆上部分长17公里 宽度为36.8km,隧道 长度约为51km 罗沃运河隧道: 当代世界上最大的运。

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