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公路隧道新奥法设计与施工综述 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目录隧道工程常用术语新奥法的基本原理新奥法设计与施工新奥法施工监控量测公路隧道景观设计公路隧道技术的发展施工范例当地下结构为空间封闭结构形式，宽度在10m内时，通常称为“洞室”；当地下结构垂直地层表面时（=90），称为“竖井”；当倾斜角45时称之为“斜井“；当人工建筑处于地表下，结构沿长度方向的尺寸大于宽度和高度并具有联通A、B两点的功能时，可称“地道”；当地道的横截面积较小时，通常认为截面积在30m2以内时，称为“坑道“(导坑、导洞)；当截面积较大时，称之为“隧道”。隧道工程术语隧道纵断面的构造形式隧道的进口外称为洞门洞门上被挖掉的原覆盖物体的部分称为“仰坡”隧道顶部至表面的距离称为“覆盖层厚”已建承重结构的部分，称为“安全部分”；兴建临时支撑结构的部分，称为“临时安全”部分；未建支撑结构的开挖工作面，称为“不安全”部分；从未支撑处正向前开挖的部分，称为“开挖工作面“(掌子面)隧道的横截面的构成 开挖孔洞上约1/3部分，称为“拱部”；约中部1/3的部分，称为“洞身”；约下1/3的部分，称为“洞底“；洞身及洞底的对称中心部分，称为“核心土”。开挖后对应于拱部的上边缘人工结构的弧线部分，称为“拱圈”；孔身对应的下边缘人工结构的弧线部分，称为“侧墙”；孔底边对应的下边缘人工结构的弧线部分，称为“仰拱”。隧道工程术语(道路)隧道 tunnel 为使道路从地层内部或水底通过而修建的建筑物。由洞身、洞门等组成。洞门tunnel portal 为保持洞口上方及两侧路堑边坡的稳定，在隧道洞口修建的墙式构造物。衬砌 tunnel lining 为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用水泥混凝土等材料修建的永久性支护结构。明洞open cut tunnel用明挖法修建的隧道。常用于地质不良路段或埋深较浅的隧道。隧道工程术语围岩surrounding rock隧道周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩(土)体。隧道建筑限界structural approach limit of tunnel 在隧道洞身内应保持的道路建筑限界及设置其它设施的空间范围。隧道工程术语 明挖法open cut method先将隧道部位的岩(土)体全部挖除，然后修建洞身、洞门、再进行回填的施工方法。矿山法mine tunneling method主要用个钻眼爆破、构件支撑作业方式开挖坑道而修建隧道的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法而得名。新奥法New Austrian Tunnelling Method在软弱岩层中修建隧道时，开挖后立即喷射水泥混凝土作为临时支撑(必要时加锚杆)以稳定围岩，然后再进行衬砌的施工方法。隧道工程术语喷锚支护lock bolt support with shotcrete借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。围岩偏压non-uniform rock pressure由于地质构造作用或局部突变的地形以及施工的影响，在洞室衬砌上产生的不对称的岩石法向应力。岩爆rockburst在地应力高度集中的岩层中开挖时，围岩应力因突然释放而引起的岩块爆裂向外抛射的现象。隧道工程术语导洞(导坑)pilot tunnel在开挖隧洞过程中为探明地质情况或进行原位测试或导向作用，沿预定洞轴线某一高程平行开挖的小断面坑道。又称地坑。全断面法full face method每一掘进循环将整个断面向前推进的开挖洞室的方法。隧道工程术语上导坑法top heading method用导坑先开挖洞室上部并将其扩大砌拱，再开挖下部，衬砌边墙的洞室开挖方法。侧导坑法side drift method沿洞室两侧周边自下而上小断面分块开挖，并衬砌边墙，然后进行拱部开挖和砌拱，最后清除核心部分岩土，砌筑仰拱的一种开挖洞室的方法。隧道工程术语台阶法(分层开挖法)benching tunneling method将整个隧道断面分为几层，由上向下或由下向上分部进行开挖的施工方法。前者称正台阶法，后者称反台阶法。多导坑法mulit-drift method联合运用上导坑法和侧导坑法开挖洞室的方法。隧道工程术语超挖overbreak洞室掘进中起出设计断面的部分。欠挖underbreak隧道实际开挖断面小于设计开挖断面的部分。仰拱 invert,inverted arch地下洞室凹面向上的拱形底板。边墙 side wall带有拱顶的地下洞室拱脚以下的墙体。隧道工程术语衬砌 lining防止洞室围岩松动、坍塌的永久性支护层。喷锚联合支护 combined bolting and shotcreting在洞室岩壁配置锚杆系统和钢筋网，并在其上喷射一定厚度的混凝土层，以加固围岩的技术。开挖面excavated surface隧道掘进方向最前端的开挖作业面。隧道工程术语整体式衬砌integral lining用模筑混凝土或砌体施作的衬砌。初期支护primary support隧道开挖后即行施作的支护结构。二次衬砌secondary lining初期支护完成后施作的衬砌。复合衬砌compound lining由初期支护和二次衬砌组合而成的一种衬砌。喷锚衬砌shotcrete and bolt lining用喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土施作的衬砌。隧道工程术语管棚pipe-shed support沿隧道开挖轮廓，按一定间距及外倾角打入钢管、压注浆液，形成的棚式支护结构。预留变形量reserved deformation为充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定量的变形，而将设计开挖断面作适当扩大的预留量。新奥法(NATM)New Austrian Tunnelling Method 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。新奥法的三大要素 新奥法的原理虽然可用于各种类型的支护,但是,最为适用的是喷锚支护。因此喷混凝土、锚杆、量测被认为是新奥法的三大要素。它产生和发展的历史与这三者密切相关，不能把喷锚支护误解为新奥法的同义语。新奥法的基本要点洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态，最为理想。新奥法的基本要点预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。新奥法的基本要点衬砌需要加强的区段,不是增大混凝土的厚度,而是加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。新奥法的基本要点为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。新奥法的基本要点隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构，且两者存在共同作用。圆筒只有在闭合后才能在力学上起圆筒作用，所以除在坚硬岩层之外，设置仰拱使衬砌闭合是特别重要的。新奥法的基本要点围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。新奥法的现状新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的经验，提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法目前还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程地质性质、坑道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素，需在各种设计与施工规程的实施过程中，依据量测数据加以修正。现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。新奥法施工监控量测新奥法的施工作业必须根据事前的调查决定下列 4个问题：开挖方法；支护布置及进行支护的最适宜时机；是否设置仰拱及设置的时间和方法；是否采用辅助施工方法及其种类等。用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种台阶法进行开挖，其次是采用全断面法。新奥法要求保证光面爆破的质量，避免凹凸不平而引起应力集中和减少超挖，从而节约为填平表面所需的大量混凝土。新奥法监控量测新奥法的量测十分重要。在应力应变、接触应力、位移等三大类量测项目中，新奥法应以位移的量测为主。通常是用收敛计量测收敛变形，用多点杆式位移计量测围岩在不同半径处的变形和获得围岩动态的范围，用高精度水准仪量测围岩表面垂直位移和地表沉降。此外，还可用量测锚杆测得锚杆的轴向应力，用压力盒测定接触应力，用应变计测定支撑和衬砌应力等。新奥法的实际应用情况 经40多年的实践和推广，新奥法已在奥地利、德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用(占7080)，并已用于地下铁道，且取得沉降量特别小的显著成果。日本从1976年以来，已有近100座隧道采用了新奥法。中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工，取得了成功。在公路隧道建设中，已大量采用了新奥法。新奥法的实际应用情况 1997年正在修建的秦岭隧道(长19.45km),引进德国WIRTH公司TB880E型隧道掘进机，预计2000年贯通新奥法的局限 在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工：涌水量大的地层；因涌水产生流沙现象的地层；围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合；开挖面不能自稳的围岩。矿山法钻眼爆破法位于各类岩石地层内的隧道，均可采用钻眼、装药、爆破的方法开挖。在硬岩中开挖隧道可采用凿岩台车钻眼，进行全断面开挖。钻眼爆破法优缺点比较l优点：适用范围广，不受隧道断面尺寸和形状限制；对各类围岩均适用；施工工艺可随地质条件变化；施工设备组装和工地之间的转移简单方便，重复利用率高；施工单位已积累了丰富经验钻眼爆破法优缺点比较l缺点：施工工序多，各工序干扰大，开挖速度低，超(欠)挖严重，爆破时对地层扰动大，施工安全性较差，作业场所环境差隧道凿岩台车掘进机开挖法 利用安装在机轴转盘上的刀具直接切削岩层。隧道出渣施工机械梭式矿车槽式矿车隧道掘进机的优缺点比较l优点：施工快速、连续作业、机械化程度高，安全、劳动强度小、对地层扰动小、衬砌支护质量好、减少了辅助作业l缺点：对地质条件的依赖性大，设备型号一旦确定，开挖断面尺寸不可改变；一次性投资大新奥法的展望要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统，并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。研究能缩短喷敷时间，又无公害的新喷射方法。研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺,如钢纤维加强喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车（兼作安装锚杆用）、喷射车组（包括机械手）、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。隧道施工新技术l隧道施工机械化(开挖、出渣作业线；喷混凝土作业线；模筑混凝土衬砌作业线)；在长大隧道中采用全断面TBM；l开发更有效的爆破器材；优化爆破设计，经计算机编程控制钻孔；应用GPS、激光测距等测设技术；l加强公路隧道预制拼装式衬砌的研究和应用；l进一步完善注浆技术(设备、材料、工艺、检验)辅助工法的研究l加强非接触监控量测手段的开发和研究。公路隧道技术的发展 开展隧道和地下结构的理论研究，包括有限元法在地下结构设计计算中的应用；岩土材料试验工作；以及工地现场量测和信息监控技术等，使理论能更好地结合实际。在长大隧道和重点地下工程中，推行施工综合机械化。在软土地层中，采用适合地层条件的盾构、顶管、沉管和连续墙施工方案；在硬岩中采用新型掘进机或高效水钻台车，以及光面爆破和预裂爆破等先进技术。以喷锚支护为基础的新奥法施工，可大力推广。隧道的信息化施工 信息反馈修正设计的内容：1.施工方法变更的建议；2.施工工序的更改；3.预留变形量的修正；4.设计参数修改或确认；5.采用辅助施工措施的建议。隧道的信息化施工增强初期支护可用降低围岩类别的办法，改用相应的设计参数，或选用如下加强措施：1.增设钢筋网或改用钢纤维喷射混凝土；2.加密或加长锚杆；3.增加喷射混凝上厚度；4.改用早强喷射混凝土或早强砂浆锚杆；5.采用或加密钢架；6.增设临时仰供及时形成支护封闭环。公路隧道景观设计 景观设计美学标准的总原则：均衡稳定、比例和谐、韵律生动、简洁明快、连续流畅及与周围环境的协调。技术与隧道美学的关系 限于经济发展水平，过去人们只重视隧道的实用、经济的一面，而对其美学则很少关心，特别是铁路隧道，洞门造型平庸呆板，缺少风格。高等级公路的建设方兴未艾，加上经济发展迅猛的时代，急功近利而忽视美学要求，更容易产生“污染”环境、令人遗憾的设计作品。公路隧道景观设计洞门 洞门型式应适用、经济、美观。设在城镇、旅游区附近及高速公路、一级公路的隧道，尤应注意与环境相协调，有条件时，洞门周围应植树绿化。洞门也是标志隧道的建筑物，要与隧道规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等相协调。洞门型式应美观醒目，这是因为洞门的造价只占隧道总造价的较小部分，隧道的标志在洞门，洞门美观合理与否直接影响对隧道工程的评价。洞门的形式 1.端墙式洞门 或称为一字式洞门。2.翼墙式洞门 3.柱式洞门 4.台阶式洞门。5.环框式洞门：隧道洞门端墙式洞门北京八达岭公路隧道九龙香港海底隧道洞门设计明洞的形式洞门的色彩 形、色、质是视觉印象的三大信息，材质与色感又常常是一体的。二衬由钢筋混凝土或混凝土建造，淡灰色基调显得朴素端庄与深沉稳重，但大面积的单一色彩又显得单调而缺乏生气，致使总体印象不够清晰。为使隧道形象更加优美并强调其存在，可对洞门、拱部、边墙、路面、防撞护栏、设备洞室、风机、人行横洞等构造进行着色处理，特别是洞门的着色处理。洞门着色时必须注意1)与洞门形态性格相协调2)与周围环境相协调3)各功能构件或单元色彩要统一和谐4)考虑地域的风土人情以及季节气候对色彩的影响照明的景观设计 1.进入隧道前的视觉问题(白天)：黑洞(长隧道)及黑框(短隧道)现象。2.进人隧道立即出现的视觉问题(白天):“适应的滞后现象”3.隧道内部的视觉问题(白天、夜间)4.隧道出口处的视觉问题 夜间与白天正好相反照明的景观设计洞口外地段应尽量保持低亮度，可采取在路旁及洞口附近铺草坪和植树，洞外路面采用反射系数低的的路面材料；洞口设遮阳棚或减光格棚等措施。洞门设计应有利于隧道照明。灯光效果一是来自隧道外部的照明，二是平自隧道本身的照明设施。前者如对洞门、翼墙、标志物的聚光灯照明，使其浮现于周围夜色之中，成为景观重点，后者如沿洞门两侧布置的装饰灯，将大大增加人们对隧道的亲近感。景观设计的技术措施 充分运用视觉辅助手段进行隧道景观设计。做成各种景观效果图，并努力使其具备良好的视觉性、真实性、操作性和定量性 除了传统的绘画方法外，使用计算机绘图可以使数据资料的处理、图形的变换、绘图功能更加高效和直观。香港东区海底隧道施工中(1986-1989)试验室中隧道衬砌试验世界上最长的铁路与公路隧道(截止1999年)隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Seikan日R198853.91Channel Tunnel英-法R199450.02Daishimizu日R198222.23Simplon II意-瑞士R192219.84Simplon I意-瑞士R190619.85世界上最长的铁路与公路隧道世界上最长的铁路与公路隧道世界上最长的铁路与公路隧道世界上最长的铁路与公路隧道Shin-Kanmon日R197518.76Apennine意R193418.57Saint Gotthard瑞士H198016.38Rokko日R197116.39Henderson美R197515.810Haruna日R198215.411隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名世界上最长的铁路与公路隧道世界上最长的铁路与公路隧道Furka瑞士R198115.312Saint Gotthard瑞士R188215.013Nakayama日R198214.914Ltschberg瑞士R191314.615Mount MacDonald加R198814.616Ta-yao Shan(大瑶山)中R198814.317隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Arlberg澳H197814.018Hokuriku日R196213.919Mont Cenis法-意R187113.720Shin-Shimizu日R196713.521Aki日R197313.022Frjus法-意H198012.923Pinglin Highway台湾H1999*12.924世界上最长的铁路与公路隧道世界上最长的铁路与公路隧道隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名隧道工程实例瑞士圣哥达公路隧道中国大瑶山铁路隧道中国大瑶山铁路隧道日本青函隧道日本青函隧道圣哥达公路隧道圣哥达(Sankt-Gotthard)公路隧道 隧道中每隔800米加宽一段断面,为出故障汽车提供避车道。设两个竖井和两个斜井作通风井，最深的一个有893米。在离隧道一侧30米处,开挖平行导坑，每隔250米设一横向联络通道,以加快正洞施工进度并供施工中遇到特殊困难时使用，以后还可利用它修建第二线隧道。圣哥达(Sankt-Gotthard)公路隧道通过隧道的车速限制在每小时80公里以内。隧道两端设有电子计算机控制站，通过电视录像机和传感器提供数据，以监视和控制流量，并对空气清洁度变化、失火以及照明亮度也能及时察觉、报警。大瑶山铁路隧道洞门大瑶山铁路隧道 中国修建的第一座长度超过10公里的双线电气化铁路隧道。位于广东省坪石至乐昌市之间的瑶山山区和武水峡谷。隧道全长14.295公里。大瑶山隧道从1978年初开始勘测设计，1981年开工，1987年建成，1993年获国家科技进步特等奖。该工程由铁道部隧道工程局承建。大瑶山铁路隧道瑶山海拔高度1000余米。隧道大致与瑶山垂直，埋深为100900米。主体部分穿过的地层为震旦、寒武系浅变质碎屑岩。由于隧道处于多雨地区，地下水丰富。断层破碎地带，地下水较集中，施工时难度较大。隧道进出口两端 170米偏压地段采用现浇整体模筑混凝土衬砌，其余采用复合式衬砌结构。隧道按新奥法进行施工。大瑶山铁路隧道 正洞大部分地段用全断面或半断面法开挖，配备大型施工机械，使隧道的钻爆装运、喷锚支护和混凝土衬砌形成了三条施工机械化作业线。为了增加工作面以缩短工期，并解决施工中的通风、排水和弃碴等问题，大瑶山隧道设有三座斜井，一座竖井。进出口段及竖井底部各设置有一段平行导坑。施工中的大瑶山铁路隧道日本青函隧道剖面图日本青函隧道 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。该隧道的海底部分长23.30公里,本州端陆上部分长13.55公里,北海道端陆上部分长17.00公里。最小曲线半径为6500米,最大纵坡为12。海底段最大水深为140米。最小覆盖层厚度为100米。日本青函隧道 施工时,海底段采用超前导坑和平行导坑,以便超前探明地质情况并通风、排水、出碴。为了施工方便和通风的需要，在两端陆上各设三个斜井和一个竖井,由斜井底部向海底开挖超前导坑,后者位于正洞与平行导坑的下方居中的位置。平行导坑与正洞的中线间距为30米,两者之间每隔约600米用横向通道连接。日本青函隧道 青函隧道早在1946年开始进行海峡两侧的地质调查，1964年提出设计并在北海道一端着手开挖斜井，本州一端的斜井也于1966年动工。1979年和1981年北海道和本州两端陆上部分的隧道先后贯通。1983年1月超前导坑贯通，1985年3月10日正洞凿通。从着手开挖斜井算起，历时已近21年之久。1987年度内全部竣工。