1.隧道的基本概念和作用
⑴隧道
隧道是一种地下工程结构物，通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的地下通道。
隧道工程是指从事研究和建造各种隧道的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，它是土木工程的一个分支。 ⑵隧道的分类
①按围岩性质分：山岭隧道（岩石隧道），软土隧道。 ②按用途分：
交通隧道：铁路隧道，公路隧道，地铁隧道，航运隧道，人行隧道等。 矿山隧道：运输巷道，通风巷道，水仓，各类硐室等。 水工隧道：引水隧道，尾水隧道等。 市政隧道：污水隧道，管线隧道等。 ⑶隧道的构成
①主体建筑物：洞身衬砌、洞门。
②附属建筑物：通风、照明、防排水、安全设施等。 ⑷本课程的主要教学内容
公路隧道、铁路隧道，包括隧道勘测设计，隧道施工技术和运营管理等基本知识。
2.隧道工程的发展
⑴最早的隧道
世界：古代文明时期（公元前2180～2160年前后） 古巴比伦城 幼发拉底河下修筑的人行隧道； 公元前36年，意大利婆西里勃隧道。 中国：东汉明帝永平九年（公元66年） 陕西省汉中县褒谷口内，“石门”隧道； 宋末元初，安徽亳州古地下道。 ⑵最长的隧道
世界：戈特哈尔德隧道全长57.600km，超过日本青函海底铁路隧道53.850 km纪录）；
挪威洛达尔公路隧道：24.500 km.
中国：西康铁路秦岭铁路隧道：18.400+19.500 km； 太行山隧道：27.839km；
渝长公路铁山坪公路隧道：5.424 km； 正在建设的辽宁引水隧道长度85.300km。
⑶最高的隧道
中国青藏铁路风火山隧道：1.333 km，海拔4905m。 该隧道创多项世界之最： ①海拔最高：+4905m；
②覆盖层最薄：局部仅 3m , 最大100m； ③地质条件最差.
④冰冻区最长、冻土层最厚：150m；
集含土冰层、饱冰冻土和千年冰川于一体的永冻土隧道。 ⑷隧道的展望
世界：日韩隧道正在筹划：
日本下关—韩国釜山，长度约100公里； 中国：渤海湾隧道：
烟台—大连，长度约80公里； 台湾海峡隧道：
北线、中线和南线三个方案，长度120～150公里。
3.隧道工程施工技术
⑴古代隧道施工技术 人工开凿，劳动强度大。 ⑵近代隧道施工技术
火药的发明使隧道施工技术得到了一定的发展。 炸药的发明和应用使隧道施工技术得到了迅速发展。 ⑶现代隧道施工技术
钻眼机械和爆破技术的应用使隧道施工机械化得到了普遍的应用。 隧道施工机械化掘进是目前隧道施工的主要发展方向。 ⑷隧道施工技术展望
钻爆技术将不断得到改进和完善。
TBM法将是隧道施工技术的未来发展方向。
4.《隧道工程》课程学习和考核方法
⑴《隧道工程》课程学习方法
注意理论和实践相结合，在课堂听课的基础上，通过阅读大量参考文献来充实学习内容。 通过作业或思考题等进行练习和复习所学内容。
教师通过质疑等方式了解学生学习情况，及时帮助学生掌握所学内容。 ⑵《隧道工程》课程考核方法
本课程平时采用作业、考勤、质疑等方式对平时学习进行考核。 本课程采用课程报告进行考核。
本课程成绩＝平时考勤×30％＋课程研讨×20％＋课程报告×50％。
5.《隧道工程》参考文献
a) 王毅才．隧道工程．北京：人民交通出版社 b) 陈秋南．隧道工程．北京：机械工业出版社 c) 冯卫星．铁路隧道设计．成都：西南交通大学出版社 d) 翁家杰．地下工程．北京：煤炭工业出版社 e) 公路隧道设计规范．北京：人民交通出版社 f) 公路隧道施工技术规范．北京：人民交通出版社 g) 铁路隧道技术规范．北京：中国铁道出版社
h) 铁路工程设计技术手册《隧道》．北京：中国铁道出版社 i) 现代隧道技术，期刊
1 隧道结构与设计
1.1 隧道勘测设计
1.1.1 隧道勘测设计程序
1.三阶段勘测设计工作程序 2.二阶段勘测设计工作程序 3.一阶段勘测设计工作程序 4.勘测设计程序选择
※ 对地形地质情况复杂，工程规模宏大，技术要求高、施工困难的工程项目，采用三阶段勘测设计程序。 ※ 对于工程规模一般、地形地质比较简单、施工技术不复杂，采用两阶段勘测设计程序。 ※ 对于工程简单、施工容易、原则明确，地形地质明了，采用一阶段勘测设计程序。
1.1.2 隧道勘测设计内容
1.隧道的工程调查 ⑴文献资料收集
地形资料，地质资料，工程资料，气象资料，其他资料。 ⑵地形地质的调查 初步调查，地质详查。 ⑶气象调查
包括降雨、降雪、气温、风向、风速、雾、雪崩、洪水等。 ⑷环境调查
自然环境、地物、生活环境等。 ⑸施工条件调查
施工设备、施工条件、工程条件、国家及地方各种法令法规、有关手续等。 2.隧道定位及洞口位置选择 ⑴隧道定位
在多个方案中，通过技术、经济比较而最终确定。 确定步骤：首先在1:50000～1:25000地形图上比较确定；
然后在1:5000地形图上比选确定。
规模较小时，可直接在1:5000地形图上比选。 比选考虑的因素：经济合理，技术可行，符合实际。
方案比较要点：线形适当(平面顺适、纵坡均衡、横面合理)，顺应地形，施工容易，协调环境。 ①设置越岭隧道
理想的越岭线路位置是：偏离主线路方向较小、距离短、线路顺直、选用垭口标高与主线路高差小、两侧展线少、主要技术指标和地质条件都较好的位置。
垭口选择：隧道位置通常是选在接近线路控制点间航空距离最短、高差最小和两端引线的地形、地质条件等都较好的垭口处。
标高选定：全面衡量，从技术和经济两方面，尤其是在今后长远运营条件上，做出综合的比较，以作出合理的决定。 ②设置傍山隧道
傍山隧道又称河谷隧道，理想的傍山线路位置是：确保傍山隧道外山体边坡的稳定，最大限度地缩短隧道长度。
平面定位：根据山体岩石稳定性确定隧道位置，基本原则是“宁里勿外”，并注意控制隧道长度。 标高确定：满足桥隧的合理连接和泄洪等要求。 ③城市水底隧道
考虑城市港湾和河流有航运要求，需要设置城市水底隧道。一般根据城市道路发展的规划、旅游等要求。线路设计应保证线形、坡度、视距等相关要求。 ⑵隧道线形
①隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好； ②隧道纵坡通常不应小于0.3%，并不大于3%； 考虑通风时，最大纵坡应在2%以下。 根据施工方向，纵坡可设为一面坡或人字坡。 ③隧道引线应采用通视好的线形，纵坡与隧道一致。 ⑶洞口位置
①洞口部分通常岩石条件不稳定，因此洞口位置应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质段； ②洞口位置不应设在沟谷低洼处和汇水处； ③在隧道穿过悬崖陡壁时，应注意岩壁的稳定性； ④洞口地形平缓时，一般也应早进洞、晚出洞。
3.公路隧道几何设计 ⑴平面线形
根据《公路工程技术标准》规定进行设计，同时应照顾隧道的特点。
平面线形原则上采用直线，避免曲线，必须设置曲线时，其半径不宜小于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。 ⑵纵断线形
隧道纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。
公路隧道控制坡度的主要因素是通风问题，一般在2％以下，大于3％是不可取的。 不存在通风问题的隧道，可以按普通道路设置纵坡。 为考虑排水，隧道不应采用平坡，一般用0.3～0.5％的坡度。 ⑶净空断面
隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。它包括公路建筑限界、通风及其他所需要的断面积。
隧道公路建筑限界和横断面
各级公路隧道建筑限界基本宽度 (单位: m)
公 路 分 类 公 行车道宽度 路 地 形 等 W 级 平原微丘 高 汽 车 速 专 用 公 路 一 级 二 级 一 般 公 二 级 三 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山 岭 7.00 7.50 7.00 8.00 7.50 9.00 7.00 7.00 0.50 0.50 0.50 / 0.25 0.50 0.25 0.25 0.25 0.25 0.75 0.25 0.25 0.75 7.50 7.50 8.50 8.50 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 9.25 10.25 9.25 9.25 8.75 9.50 10.50 7.50 0.50 0.25 0.75 9.75 重 丘 7.50 0.50 0.50 0.75 10.25 7.50 0.75 0.50 R 0.75 10.75 (单洞) 路缘带S 余 宽C 道 J 不设人行道 行道 行 (一侧) 设检修道或设人 侧向宽度 人 检修道隧道建筑限界净宽 路 级 四 级 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 7.00 7.00 7.00/4.50 0.25 0.25 0.25 7.50 7.50 7.50/5.00 8.50
①隧道数目与车道数目
一般为对向两车道；交通量大时可采用两条隧道，每个隧道内为单向一车道； 不宜设置对向交通的三车道；
大于四车道时，应修建多个隧道，每个隧道内各为单向两车道。 ②隧道内错车场
单车道隧道，距离较长时，应在洞口两端设置错车场。短隧道在进口能看到出口时，在洞口两端设置错车场。
③隧道内加宽带
长隧道（超过2km），一般在150～170m的间隔上设置加宽带，其宽度为2.5m，长度为25m。 ④隧道内自行车道和人行道
一般隧道，尤其是1.0km以下的隧道，考虑行人和自行车，人行道宽度0.75或1.0m，自行车宽度1.0m。有迂回路时，自行车和人不应通过隧道。 ⑤隧道联合布置
特殊条件下，隧道内可考虑行车道、人行道、自行车道、通风管道、电缆管线等联合布置，以充分利用隧道断面。 ⑷断面设计 衬砌内轮廓线
根据隧道净空断面要求确定。 衬砌外轮廓线
根据内轮廓线和衬砌厚度确定。 实际开挖线
根据外轮廓线和开挖误差要求确定。 ⑸平行隧道或其他结构物间距 平行隧道的中心距
若将地层作为完全弹性体时，其距离为最大开挖宽度的两倍。 在粘土等软土地层中，其距离一般为开挖宽度的五倍。
实际设计时还要考虑施工方法的影响。钻爆法大一些，机械掘进法小一些。 ⑹隧道引线
隧道洞口以外的引线部分，设计应保证有足够的视距，另外应考虑接近洞口的桥梁、路堤等的要求。 4.公路隧道勘测设计文件内容 1)沿线隧道概况 2)工程地质
3)气象、环境和有关法令政策 4)施工条件
5)隧道方案（2个以上） 6)通风、照明、排水方案建议 7)存在问题及解决方法
8)隧道线路方案平面图，方案比较说明
9)隧道线路地质平面图、地质构造、水文、地物、地貌 10)隧道纵断面图 11)洞口地形平面图 12)洞口纵、横断面图 13)辅助坑道等地形 14)明洞纵、横断面图 15)长大隧道分工点施工说明
1.2 隧道结构构造
公路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物组成。
主体构造物是为了保持岩体稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，一般指洞身和洞门构造物。 附属构造物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。
1.2.1 隧道衬砌结构
1.现浇混凝土整体式衬砌
目前应用最广泛的隧道衬砌结构，对地质条件适应性强，易于成形，适合多种施工方法，承载能力大，必要时还可以加入钢筋。具体有两种形式：直墙式和曲墙式。
直墙式：R1>R2: 坦三心拱； R1 锚喷衬砌结构，主要用于山岭隧道施工第一次支护，一般都必须结合二次衬砌（支架、混凝土）等。 锚喷衬砌类型有：喷混凝土、喷混凝土加锚杆、喷混凝土加锚杆加金属网。 4.砌块衬砌 砌块衬砌结构，主要是料石和混凝土块，用于山岭隧道衬砌，一般其围岩条件较好，或隧道规模较小的情况。 5.矩形衬砌 矩形衬砌结构，主要采用钢筋混凝土结构，目前主要用于明挖隧道衬砌，沉管隧道管段预制等。 6.衬砌材料 混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、锚杆、料石等。 1.2.2 隧道洞门结构 1.端墙式洞门 用于岩石稳定的IV类以上围岩和地形开阔地区。 2.翼墙式洞门 用于地质条件较差的III类以下围岩。 3.环框式洞门 用于洞口岩石坚硬、整体性好、路堑稳定，无较大排水要求的情况。 4.遮光棚式洞门 隧道洞口需要设置遮光棚时，结合遮光棚修建洞门。 一般有开放式和封闭式两种。 5.建筑物洞门 隧道洞口与建筑物相结合，可以结合建筑物修建洞门，其形式多样。 1.2.3 隧道明洞结构 1.拱式明洞 路堑式拱形明洞 半路堑式拱形明洞 2.棚洞 1.2.4 隧道内装、顶棚及路面 1.内装 要求：保持墙面亮度，提高能见度，吸收噪声。 内装材料： 应当光洁、颜色明亮、减少眩光； 不易污染、容易清洗； 美观、便于更换和修复； 吸收噪声。 常见内装材料： 块状混凝土材料，（用于一般情况、且要求不高） 饰面板、镶板等质地致密材料，（无污染、易清洗、吸噪声） 瓷砖镶面材料，（效果较好） 油漆材料，（对衬砌表面要求高，且不能吸收噪声） 2.顶棚 是背景的一部分，设置好可增加路面亮度。 自然通风，可采用拱顶：半横向或全横向通风，可采用平顶。 3.路面 基本要求： 应具有抵御水的冲刷和含有化学物质的侵蚀能力； 路面坡度应利于迅速排除清洗用水； 要保持横向抗弯，确保车体稳定； 容易修补； 路面反射率高，颜色明亮，以获得良好的照明效果。 路面材料： 混凝土和沥青 4.噪声的消减 影响噪声的因素有： 车速、车流组成、交通量、坡度、车辆技术状态等。 噪声的消除方法： 设置吸声材料。 1.2.5 隧道附属设施 主要内容： 通风设施、照明设施、安全设施、防排水设施等。 1. 紧急停车带的设置 隧道内一般500～800m设置一处。汽车专用隧道取500m。混合交通隧道可取800m。 紧急停车带的有效长度，一般考虑全挂车可以进入需20m，最低值为15m。宽度一般为2.5~3.0m。隧道内的缓和路段施工复杂，所以通常是将停车带两端各延长5m左右即可。 常见尺寸为2.5×25m。 2.防排水设施设置 设置原因：隧道漏水，路面积水。 设置方法： 隧道防水采用：“截、堵、排”综合治理的办法。 避： 从地质调查开始，避开富含水层地区。 截： 切断涌向隧道的水流，如设置截水沟，截水导坑等。 堵： 隧道内设置防水层，包括外敷防水层，内敷防水层，衬砌内表面喷射混凝土，在衬砌背后注浆等。 新奥法施工进行复合衬砌时，可采用夹层防水等。 排： 利用盲沟、泄水管、渡槽、中心排水沟或排水侧沟等排水。 1.3 公路隧道辅助设计 1.3.1 公路隧道通风设计 公路隧道通风设计所考虑的主要问题有： 气中有害物质的容许浓度； 新风量的确定方法； 判断自然通风的能力； 通风方式及通风设备选择。 1.空气中有害物质的容许浓度 有害物质主要是CO和烟雾。 ⑴CO的容许浓度 ①有人员的工作室或休息室为 24 ppm； 正常营运时为 150 ppm； 发生事故时，短时间(15分钟以内)为 250 ppm ⑵烟雾的容许浓度 概念：烟雾浓度用光的透过率表示。透过率是光线在污染空气中的透过量与在洁净空气中的透过量之比。 烟雾浓度 (k) 与透过率 (τ) 的关系为： klg 隧道通风中，把 l =100m，τ取容许透过率，通过计算得出的 k 值称为烟雾容许浓度。 1l [k]1lg[] 100 我国公路隧道设计规范规定隧道内烟雾浓度容许值为： ①高速公路，一、二级公路隧道为：7.5×10－3(m－1)， ②三、四级公路隧道为：9.0×10－3(m－1)。 2.新风量计算 隧道内所需通风量，是根据稀释隧道内空气中的有害物浓度达到允许浓度时所需的新鲜空气量确定的。 ⑴隧道内稀释CO所需的新鲜空气量 QCOKfvf1fhqCONGL106CO (m3/h) 式中 N—通过隧道的车辆高峰小时交通量，(辆/h)； L—隧道长度，km； δ CO—允许浓度，ppm； fv—速度修正系数：40-60km/h取1； 20km/h取1.15； 30km/h取1.05； 70km/h卡车取1.3，小车取1.15； 大于80km/h小车取1.25； f1—坡度修正系数：坡度为0取1， 从0~3‰，每减少或增加1‰，f1减少或增加0.05； fh—海拔高度修正系数，按表2－6采用； G—车重，t； K—风量附加系数，K=1.1～1.2； qCO—汽车每吨公里一氧化碳产生量，m3/(t·km)。 汽车平均CO产生量，与汽车行驶的燃烧消耗率呈线性关系，其平均值为： mi0.315f0.019 式中 mi—汽油车的CO排放量，m3/km； f—燃料消耗率，l/km。 汽车每吨公里一氧化碳产生量： qCOmi⑵隧道内稀释烟尘所需的新鲜空气量 QFKf1fhG qrGDL (m3/h) k式中 D—柴油车密度，辆/km；D=M/V M—柴油车所占百分比折算出的柴油车交通量，辆/h； V—隧道设计车速，km/h。 G—柴油车车重，t； qr—柴油车产烟量，m3/h·t； k—烟尘允许浓度，m1； － K、f1、fh、L意义同前。 比较QCO和QF，以其大者为隧道所需通风量。 3.通风风压计算 通风压力是克服隧道通风阻力，使空气在隧道中流动的动力。在隧道通风中通过计算通风阻力来确定通风压力，并作为选择通风方式及风机的依据。 通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力。 ⑴摩擦阻力 摩擦阻力是风道周壁与风流互相摩擦以及风流中空气分子间的扰动和摩擦而产生的阻力。 LV2 Hm (Pa) d2g式中 L—管道长度，m； V—流体在管道中的平均流速，m/s； g—重力加速度，m/s2； γ—流体重率，N/m3； λ—达西系数，决定于管道粗糙度，无因次(≈0.24)； d—管道水力直径，m；d=S/U， S为风道断面积，m2；U为风道周长，cm。 摩擦阻力也叫沿程阻力。通常摩擦阻力要占总阻力的80～90%。 ⑵局部阻力 风流经隧道的某些局部地点——突然扩大缩小、转弯、交岔以及障碍物等，由于速度或方向发生突然的变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成紊乱的涡流，造成这种冲击涡流的阻力即称为局部阻力。 V2 Hii (Pa) 2g式中 ξi—局部阻力系数，隧道入口ξ入=0.5；出口ξ出=1；断面由S1(m)扩大到S2(m)，ξ大=(12 2 S12)；S2断面由S1(m2)缩小到S2(m2)，ξ风设计参考书给出。 小 =0.5(1S13/4)；隧道转弯ξ转，分岔ξ汇、ξ分等局部阻力系数由有关通S2 局部阻力在总阻力中所占的比重与通风方式有关，纵向通风所占比重很小，一般在10～20%之间，因此不需单独计算，而是计算出摩擦阻力后，按经验考虑一个系数(增大10～20%)；在横向通风中，局部阻力就需要单独计算。 ⑶总阻力 总阻力=摩擦阻力＋局部阻力 4.通风方式选择 公路隧道通风方式主要有： 自然通风 机械通风 ⑴自然通风 长度在200m以下，甚至200～500m的对向交通隧道，在一定的交通量以下可以考虑用自然通风。大体上可以用下列经验公式作为区分自然通风与机械通风的限界。 L·N≥600 采用机械通风 L·N＜600 采用自然通风 ⑵纵向式通风 纵向式机械通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，由另一洞口把污染空气排出的方式。此时，隧道内沿纵向流动的空气速度，可以认为从入口至出口都是匀速的。这种方式，空气污染浓度，由入口向出口方向成直线增加。 全横向式 混合式 半横向式 排风式 送风式 纵向式 射流式 风道式和喷咀式 竖井排风式 纵向通风有多种型式，如射流式通风、风道式通风和集中排气式通风。纵向通风主要用于山岭隧道通风。 ①射流式通风 射流式通风是在车道空间上方直接吊设射流式通风机，进行通风的方式。射流式通风，对向交通时一般适用于1000m以下的隧道，单向交通时，可达2000m左右。如果交通量小，即使隧道很长仍可运用。 射流式通风设备费用低,但噪声较大。 ②有竖井的纵向式通风 隧道机械通风所需动力与隧道长度的立方成正比，所以隧道越长就越不经济。因此可以在隧道中间设置竖井进行分段纵向通风。 对向交通的隧道，竖井宜设置在中间；单向交通时，则应稍靠近出口侧。 对向交通时，适用于3000m以下的隧道，单向交通时，适用1500m以下的隧道。 ③半横向式通风 新鲜空气经送风管直接吹向汽车的排气孔高度附近，对排气直接稀释，污染空气是在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。 半横向通风时，送风式的中性点多半移至入口之外。排风式的中性点，则靠近出口，污染浓度和对向交通时一样，中性点附近污染浓度最高。 半横向通风适用于3000m以下的隧道。但不能有效利用活塞作用。 ④全横向式通风 在长大隧道、重要隧道、水底隧道、城市隧道为了使隧道内不产生过大的纵向风速，采用全横向式通风。这种通风方式同时设置送风管道和排风管道，隧道内基本上不产生沿纵向流动的风，只有横方向的风流动。 全横向式通风方式，隧道内空气的污染浓度的分布沿全隧道大体上是均匀的。 全横向式通风方式造价较高，目前主要用于长大隧道、越江隧道、城市隧道等。 5.通风设备选择 ⑴通风机的类型 通风机有两类，即离心式通风机和轴流式通风机。 轴流式：体积小、风量大、风压低、噪音大、造价高，可倒转。 离心式：升压容易、噪音小、不能倒转。 ⑵通风机的选择 通风机选择是根据风量和风压，对应风机特性曲线进行选择，确定合理的功率及转数。 例：通过计算 风压为：400Pa，风量为50m3/s。如何选择风机？ 可选择 风机口径:υ2500mm， 风机转数：400rpm，电机功率：40kW ⑶通风附属设备 主要内容是风道、风筒以及通风控制设施等。 6.中梁山隧道通风工程设计 成渝高速公路中梁山隧道由两条隧道组成，隧道海拔高度400m，隧道基本情况见下表： 隧道名称 中梁山隧道 右线 3103m 1.27％ 成都－重庆 根据隧道通风方式的适用条件：半横向式通风一般适用于长度为1000～3000m的隧道。 （一）技术标准 1.隧道内卫生标准 ⑴CO允许浓度 正常营运时，δCO＝150ppm； 交通阻塞时，短时间（15min）以内，δCO＝250ppm。 ⑵烟尘允许浓度 正常营运时，kCO＝0.0075m－1； 交通阻塞时，kCO＝0.0090m－1 。 2.隧道内纵向风速 Ve≤8m/s。 线别 左线 隧道长度 3160m 路线坡度 1.30％ 行车方向 重庆－成都 3.设计交通量 双洞昼夜交通量为20022辆/d，左右线单洞各为10011辆/d；设计小时交通量按日交通量的10％计， 即为1001辆/h。 4.设计行车速度 正常营运时， VT＝60 km/h； 交通阻塞时， VT＝10 km/h。 5.交通组成 小型车 18％， 大型车 82％； 汽油车 83％， 柴油车 17％； 满载车 75％， 空 车 25％。 （二）隧道内所需通风量（左线） 全隧道Q＝546m3/s 东西端区段风量Q’＝2×137m3/s ，风压1850Pa， 风机轴功率2×296kW。 （三）工程设计 中梁山隧道采用半横向式通风，在隧道拱部采用风渠送风，车道排风纵向流出洞外；在风渠中部设中隔板将全隧道拱部分成两个独立的通风区段，每个通风区段的吊顶板上每隔5m设一对送风口，并在每端设风机房一座，风机经外风道与风渠相连，布置如图。 （四）工程特点 1.隧道内一旦发生火灾时，送风机改为逆转而成为吸出式，同时火灾点附近的送风口闸门全部打开，其他的送风口闸门则关闭；这样，风流只能从火灾点附近的送风口进入风渠，从而防止了火灾蔓延。 2.由于只有一个专门的通风渠，其工程投资，设备费与营运管理费均较横向式低。 3.送风渠道和车道之间保持一定的压差，以抵销车辆活塞风和自然风的影响，从而保证了均匀送风，使得沿车道长度有害气体的浓度均匀分布。 4.存在问题是：不能有效运用活塞风；增设风渠使隧道断面增大而增加了工程量；出现火灾若风渠烧坏则通风系统被破坏，救援和恢复运营比较困难；通风工程土建施工复杂，工期较长。 1.3.2 公路隧道照明设计 公路隧道的照明，是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止因视觉信息不足而出现交通事故。 黑洞效应和黑框效应是隧道照明主要考虑的问题。 对于能通视、交通量较小，行人密度不大的短隧道，可不设白天照明设施；长度超过100m的高速公路，一、二级公路隧道，应设置白天的照明设施。 1.照明区段的划分 隧道照明基本上可分为引入段、适应段、过渡段、基本段、出口段五个区段。各段长度是以在特定车速下考虑有2s时间的适应过程中汽车行走的路程确定的。 避免车辆驶进隧道时产生“黑洞效应”和驶出隧道时产生“黑框效应”，在隧道洞外设置植被或建筑物以降低洞外亮度, 这一措施称为减光措施，所设置的建筑物称为减光建筑。 ⑴引入段 在隧道照明区段中，引入段为进入洞口(设置减关建筑物时，则为其入口)的第一段，即进入隧道后前2s行驶的区间。 ⑵适应段 在进入隧道后的第二个2s内，亮度下降应在1/2以内，这个照明区段称为适应段，该段是让司机对引入段最低亮度有一个进一步适应的过程，为下一段剧烈变化做准备。 ⑶过渡段 介于适应段与基本段之间的照明区段称为过渡段。其任务是解决从适应段高亮度到基本段低亮度的剧烈变化给司机构成的不适应现象，使之能有充分的适应时间。 ⑷基本段 基本段照明的基本任务是满足司机在行车视距以远处能识别20×20×20cm2的试验物体的轮廓。 基本照明及夜间照明亮度 设计车速 / km/h 80 60 40 20及以下 路面平均亮度 / cd/m2 4.5 2.3 1.5 1.0 换算平均照度 / lx 混凝土路面 60 30 20 15 沥青路面 100 50 35 20 亮度曲线 基本段 出 口 段 引入段 适应段 过渡段 白天照明渐变梯度图（双向交通） 区段照明长度及路面最低亮度 设计车速 / km/h 80 60 40 20及以下 引入段 适应段 过渡段 亮度/ cd/m2 40~4.5 30~2.3 20~1.5 1.0 入口照明 区段总长度/ m 120 85 55 距离/ m 亮度/ cd/m2 距离/ m 亮度/ cd/m2 距离/ m 40 25 15 80 50 30 1.5 40 30 20 80~46 50~30 30~20 1.0 40 30 20 注：本表以洞外亮度4000cd/m2为基准。 2.照明设计 ⑴光源 第一代光源：白炽灯－－发光效率低，隧道中一般不采用。 第二代光源：荧光灯－－显色好，表面亮度低，有利于减少眩光，光线均匀，隧道中常用。 高压水银灯－－强点光源，在需要高亮度的 入口照明区可考虑常用。 第三代光源：金属卤化物灯 高压钠灯－－适合洞外广场使用。 低压钠灯－－高光效、强点光源，不能连续设置。 隧道中使用应选用功率小，布置小间距的办法。 ⑵灯具 包括光源与照明附件（灯罩）的总称。 灯具使用应能限制眩光； 灯具应有一定的保护角，以避免直接眩光。 灯具布置 可采用对称排列、交错排列和中间排列等。 灯具间隔S和悬挂高度H之间的关系为： 对称排列：S≤2.5H 交错排列和中间排列: S≤1.5H ⑶照明计算 ①逐点计算照度 Epsh2ep 式中 Σep—各灯对P点产生的相对照度之和； α—所用灯具特定的系数，在等照度图上给出； s—每盏路灯光源的光通量，l m； h—路灯的安装高度，m。 ②平均照度计算 EavEp n式中 Ep—路面上有规律分布的每个点的照度， n—计算点的总数。 思考题 1.隧道勘测设计的主要内容是哪些？ 2.隧道洞口位置选择主要注意哪些问题？ 3.常用隧道的衬砌类型及适用条件如何？ 4.如何选择隧道通风设备？ 5.我国道路隧道照明区段是如何划分的？ 2 山岭隧道工程 2.1 隧道围岩分类与围岩压力计算 2.1.1 隧道围岩分类 岩石是经过地质作用形成的由一种或多种矿物组成的天然集合体。岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 岩石中，由结构面切割出的完整块体称为岩块。 由岩块和结构面组成的复杂地质体称为岩体。 围岩是隧道周围的岩体或土体。未经人为扰动(如挖掘、开采等)的岩体称为原岩。开挖后隧道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。 1.影响隧道围岩稳定性的因素 ① 围岩的完整状态，或围岩的破碎程度； ② 结构面的性质； ③ 结构面的组合状态； ④ 原始应力状态（自重应力，构造应力或地应力）； ⑤ 岩石本身的强度； ⑥ 地下水的影响； ⑦ 施工因素。 对围岩的理论研究表明，围岩本身具有一定的自承载能力，充分发挥围岩的自承载能力，会大大降低隧道支护成本。 隧道开挖后，适当控制围岩的变形，对隧道的维护具有重要的意义。 2.常用围岩分类方法 ①以岩石强度或岩芯质量等单一指标为基础的分类方法； 普氏系数分类法 岩石质量指标(RQD)分类法 ②以岩体结构或构造为主的分类方法； 中科院地质研究所岩体分类 煤炭系统围岩分类 铁路隧道围岩分类 水工隧道围岩分类 ③以结构面参数或声波参数为基础的分类方法； 节理岩体地质力学分类法， 日本新奥法设计阶段围岩分类 3.铁路隧道围岩分类 ⑴围岩分类 分类指标： ①围岩主要工程地质条件 包括岩石饱和抗压强度、层理、节理等结构面。结构特征和完整状态。 ②围岩开挖后的稳定状态 以单线铁路隧道(跨径5 m)开挖后的情况为标准。 ③围岩弹性纵波速度 岩体的整体性越好，其弹性纵波速度越快。 划分情况： Ⅰ类：主要为土层； Ⅱ类：主要为硬质土层及松散岩石； Ⅲ类：主要为软岩； Ⅳ类：主要为普通岩石； Ⅴ类：主要为稳定性较好的岩石； Ⅵ类：主要为稳定性好的硬质岩石。 铁路隧道围岩分类 围 岩 主 要 工 程 地 质 条 件 类别 主 要 工 程 地 质 特 征 完整状态 硬质岩石，饱和单轴抗压极限强度Rc>60MPa：受地质呈巨块状 Ⅵ 构造影响轻微，节理不发育，无软弱结构面(或夹层)；整体结构 层状岩层为厚层，层间结合良好 生岩爆 坍塌，可能产>4.5 (单线) 围岩稳定，无Vp/kms-1 结构特征和 围岩开挖后 的稳定状态 围岩弹性纵波速度硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响较重，节理发育，有少量软弱结构面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状呈大块状 及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层砌体结构 Ⅴ 间结合一般，很少有分离现象；或为硬质岩石偶夹软质岩石 软质岩石，Rc≈30MPa：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好 硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响严重，节理发育，呈巨块状 整体结构 暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易冒落 3.5～4.5 拱部无支护有层状软弱结构面(或夹层)，但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多Ⅳ 有分离现象；或为硬、软质岩石互层 本稳定，爆破软质岩石，Rc=5MPa～30MPa：受地质构造影响较重，呈大块状 节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合砌体结构 一般 硬质岩石，Rc>30MPa：受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)已基本破坏 软质岩石，Rc=5MPa～30MPa：受地质构造影响严重，节理发育 Ⅲ 1、2呈大块状土：1. 略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土 压密结构；3呈2. 黄土(Q1 ，Q2) 巨块状整体结3. 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土 构 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹Ⅱ 土或土夹石状 松散结构 处理不当会呈角砾碎石状 围岩易坍塌，1.0～2.0 稳定 壁有时失去呈碎石状 压碎结构 拱部无支护呈块石碎石状 时可产生较镶嵌结构 大的坍塌，侧1.5～3.0 坍塌 震动过大易呈块石碎石状 时可产生小镶嵌结构 坍塌，侧壁基2.5～4 出现大坍塌，非粘性土呈松一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3 ，Q4) 散结构，粘性土及黄土呈松软结构 侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥呈松软结构 松软体 粘性土呈易蠕Ⅰ 动的松软结构；水一齐涌出，软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 砂性土呈潮湿松散结构 浅埋时易坍塌至地表 的土<1.5) 塌变形，有水时土砂常与<1.0 (饱和状态围岩极易坍 ⑵岩石等级划分 根据岩石饱和抗压极限强度和耐风化能力划分： 极硬岩、硬质岩、软质岩、极软岩。 ⑶围岩受地质构造影响程度划分 较轻级、较重级、严重级、很严重。 ⑷围岩节理（裂隙）发育程度划分 节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育。 ⑸层状岩层的层厚划分 厚层：＞0.5m 中层：0.1～0.5m 薄层：＜0.1m 铁路隧道围岩分类不适用于特殊围岩，如膨胀性岩层、冻土等。 2.1.2 隧道围岩压力 1.隧道围岩压力 围岩压力概念： 围岩对支护结构施加的荷载称为围岩压力。 岩体力学中，把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。 工程实践中，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。 围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。 隧道开挖过程中，围岩压力的变化形式与岩体的特征有十分密切的关系。围岩压力可表现为四类形式： ⑴松动压力 由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。 ⑵变形压力 开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。 ⑶冲击压力 冲击压力是围岩中积累的大量弹性变形能，受开挖的扰动，这些能量突然释放所产生的巨大压力。 ⑷膨胀压力 某些岩体由于遇水后体积发生膨胀，从而产生膨胀压力。 膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是围岩吸水膨胀引起的。 一般情况下，隧道开挖后，围岩压力包括： ①垂直压力，作用在隧道顶部； ②侧压力，作用在隧道的两侧； ③底压力，作用在隧道的底板。 2.隧道围岩压力确定 一般情况下，隧道围岩压力确定有三种方法： ① 直接量测，是比较切合实际的方法； ② 根据实际资料统计和总结，提出经验公式； ③ 在实践基础上，从理论上研究围岩压力估算办法。 ⑴深、浅埋隧道分界深度的确定 深埋隧道就是指隧道开挖引起的应力重新分布不涉及到地表的隧道，深、浅埋隧道分界深度 HP 为： HP＝(2～2.5)hq 式中 hq－荷载等效高度，hq＝0.45×2(6 -S )ω； S－隧道围岩类别； ω－隧道宽度影响系数，ω＝1＋i (B-5)； B－隧道宽度； i －B增减 1 m时围岩压力增减率；B<5m时，i=0.2；B=5~15m时，i=0.1. ⑵深埋隧道围岩压力的确定 用矿山法施工的深埋隧道，围岩压力按松驰荷载考虑，其垂直均布压力 q 为： q＝0.45×2 (6-S ) γω 式中 γ－隧道围岩容重； 其他符号意义同前。 水平均布压力 e 见下表： 水平围岩压力计算表 围岩类别 水平均布压力 Ⅵ～Ⅴ 0 Ⅳ <0.15q Ⅲ (0.15～0.3)q Ⅱ (0.3～0.5)q Ⅰ (0.5～1.0)q 深埋隧道围岩压力计算方法适用条件： ①隧道高宽比小于1.7 ； ②不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道 ； ③采用钻眼爆破法施工的隧道。 ⑶浅埋隧道围岩压力的确定 浅埋隧道施工时，有时会扰动整个覆盖层，容易发生坍塌现象，产生较大的围岩压力。 浅埋隧道围岩压力一般根据两种情况分别计算： ①埋深小于或等于等效荷载高度时 这种情况，隧道上覆岩层或土体考虑全部作用在隧道上，略去上覆岩层或土体与周围岩层或土体之间的阻力，这时垂直压力 q 为： q＝γH 式中 H－隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。 侧向压力 e 按均布考虑时： e(H1Ht)tan2(45) 22式中 Ht－隧道高度； φ－围岩计算摩擦角。 围压类别 Ⅵ >78° Ⅴ 67~78° Ⅳ 55~66° Ⅲ 43~54° Ⅱ 31~42° Ⅰ ≤30° φ ②埋深大于等效荷载高度，小于深浅埋隧道分界深度时 这种情况，隧道上覆岩层或土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算压力过大。 基本假定： ①土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线。 ②EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱岩土体FDB、ECA下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。 ③AC、BD为假定破裂面，其内聚力为C，计算摩擦角为φ；另一滑面FH或EG则并非破裂面，该滑面的摩擦角为ζ，则ζ应小于φ。ζ取值为： Ⅳ～Ⅵ类围岩： ζ ＝0.9 φ Ⅲ 类围岩： ζ ＝(0.7～0.9) φ Ⅱ 类围岩： ζ ＝(0.5～0.7) φ I 类围岩： ζ ＝(0.3～0.5) φ 作用在支护结构上总的垂直压力 Q 为： Q＝W1－2Tsinζ 取三棱体BDF(或ACE)作为脱离体分析，按正弦定理有： Tsin()W2sin(90()) 121h2tan tantan1 得： T1h22tan(1tan(tantan)tantan)cos tantan 令： tan(1tan(tantan)tantan) 三棱体BDF重量：W2 从而得： T12h2cos 因而有： Q＝W1 －2Tsinθ＝ W1 －γh2λtanθ 因为： W1 ＝ BtHγ 忽略h与H之间的差异，可得： Q＝BtHγ －γH2λtanθ ＝γH ( Bt－Hλtanθ) 换算为均布荷载的形式为： Qh(1Htan)： Bt 水平侧压力仍由侧压力系数求得： e1h eH2 2.2 隧道衬砌结构计算 2.2.1 隧道衬砌结构受力特点与计算荷载 1.隧道衬砌受力特点 隧道埋设在地下围岩内，衬砌与围岩紧密接触，在外荷载作用下，衬砌会产生变形和约束，对围岩产生弹性抗力，由此改善衬砌结构的受力状况，因而衬砌与围岩之间互相制约，共同变形。 2.隧道衬砌结构计算理论 局部变形理论； 共同变形理论。 3.隧道衬砌结构上的荷载与分类 ⑴主动荷载 ①主要荷载 围岩压力、回填土荷载、衬砌自重、地下静水压力、车辆荷载等。 ②附加荷载 注浆压力、冻涨压力、混凝土收缩应力、温差应力、地震力等。 ⑵被动荷载 弹性抗力。 隧道衬砌结构计算主要考虑主动荷载中的主要荷载以及被动荷载，对于附加荷载一般作为特殊荷载考虑，往往是以一个附加系数形式进行简化处理。 2.2.2 隧道衬砌结构计算 1.曲墙式衬砌计算 曲墙式衬砌主要适用于I～III类围岩，在计算时，考虑到仰拱是最后修建，上部拱已受力，因而一般不考虑仰拱。 ⑴计算原理 基本假设条件及计算要点： ①墙基支承在弹性围岩上，底部摩擦力很大，墙脚无水平位移。 ②侧面弹性抗力分布假设为： 上零点b：上脱离边界b≈40～60° 下零点a：墙底，该处无水平位移； 最大抗力h：最大跨度处，近似取ah弧=(2/3)ab弧： 抗力值为： cos2bcos2i bh弧上：icos2cos2bhh yi2 ah弧上：i12hyh ③围岩与衬砌之间的摩擦力由侧面弹性抗力引起。 si＝μσi 曲墙式衬砌计算是拱脚为弹性固定而两侧受围岩约束的无铰拱结构。 计算思路： 结构、荷载对称，从拱顶处切开，切开处剪力为零。在主动荷载、被动荷载作用下，拱顶相对转角及相对水平位移为零。 σh的求解： 根据 h 点的变形协调条件进行。 首先求出在主动荷载作用下h点的位移hP，若h点的围岩弹性系数为K0。 则h点的最终位移为： 又 hhPhh hK0h hP1hK0 则 ⑵求主动荷载作用下的衬砌内力 基本结构如图，未知力为X1P，X2P。 根据拱顶截面相对变位为零可得到力法方程，从而求出X1P 和 X2P。 求出 X1P，X2P 后，则可得到主动荷载作用下的衬砌结构内力： MiP= X1P + X2P • yi + MiP0 NiP＝X2P cosφi + NiP0 ⑶求单位被动荷载作用下的衬砌内力 基本结构如图，未知力为X1σ，X2σ。求解方法同前。 由此可得到被动荷载作用下的衬砌结构内力： Miσ= X1σ + X2σ • yi + Miσ Niσ＝X2σ cosφi + Niσ⑷隧道衬砌结构总内力 0 0 Mi = MiP + σh• Miσ Ni ＝ NiP + σh• Niσ 2.直墙式衬砌计算 直墙式衬砌主要适用于IV类以上比较稳定和坚硬的围岩，是我国目前常用的山岭隧道衬砌形式。 ⑴计算原理 基本假设条件及计算要点： ①直墙衬砌可以看作是一个支承在两个竖直的弹性地基梁上的拱圈，拱圈和边墙可以分别计算。 ②拱圈视为拱脚弹性固定的无铰拱。拱脚以上一定范围要计入弹性抗力的作用。 弹性抗力上零b：b≈45～55°； 最大抗力点在拱脚d点，大小为： cos2bcos2iicos2cos2 bddhsind d点的位移dd dK0， 可取dh ③边墙受力与变形和弹性地基梁相似，一般作为弹性地基上直梁计算。 直墙式衬砌是一个支承在两个竖直的弹性地基梁上的拱圈，计算结构如图所示。 关于边墙作为弹性地基上直梁计算时，边墙底部地基视为刚性(EJ=∞)，侧面视为弹性地基，按其换算长度αl大小分别确定为长梁(αl≥2.75)，短梁(1＜αl＜2.75)或刚性梁(αl≤1)，然后按照初参数方程来计算墙顶截面的位移及边墙各截面的内力(M，N )值。 换算长度l中，l为梁的长度即边墙的高度；为弹性地基梁的特征值，4K0b，其中K0为侧向4EJ围岩弹性抗力系数，b为梁纵向计算宽度，一般情况取b=1，E为梁材料的弹性模量，J为梁截面惯性矩。 长梁(αl ≥2.75)：一端受力及变形对另一端影响较少； 短梁(1＜αl ＜2.75)：一端受力及变形要影响另一端； 刚性梁(αl ≤1)：不考虑梁本身的弹性变形。 ⑵拱圈计算 拱圈计算方法与曲墙式衬砌相同，计算简图如图所示。 计算时分别求出在主动荷载和单位被动荷载作用下的衬砌结构内力，最后用叠加原理求出拱圈的总内力。 Mi = MiP +σd • Miσ Ni ＝NiP +σd• Niσ ⑶边墙计算 边墙计算按弹性地基上的直梁计算, 边墙 d 端作用有拱脚传来的外力Md、Hd和Vd，墙身作用有水平侧应力e。计算简图如图。 则墙顶所产生的转角β ①边墙为短梁时 d 及水平位移μd 计算结果为： 墙顶在单位弯矩Md=1单独作用下 墙顶转角： β1＝4α3(υ 水平位移： μ1＝2α2(υ 11+υ12A)/C 13+υ11A)/C 墙顶在单位水平力Hd=1单独作用下 墙顶转角：β2＝ 2α2(υ 水平位移：μ2＝2α (υ 13+υ11A)/C 10+υ13A)/C 墙顶在主动侧压力e单独作用下 墙顶转角： e(43A)e/C(414)(310)Ae/C ll 水平位移： e(1415A)e/C(214A)e/C 2l2其中：A6KK0h33， CK(910A) 1~15是以x为变量的双曲三角函数。 这样，由基本结构传来的拱部荷载使墙顶产生的转角及水平位移为： 墙顶转角： βd＝Mdβ1+ Hdβ2+β 水平位移： μd＝Mdμ1+ Hdμ2+μ ②边墙为长梁时 边墙为长梁, 梁顶受力及变形对墙底无影响, 这种衬砌一般用于较好的围岩中。墙顶单位荷载作用下的转角及位移为： β1＝4α β2＝2α 3 /K 2 /K e e μ1＝2α 2 /K μ2＝2α /K 14+υ16A)/C βe＝-α(υ4+υ3A)/C μe＝-α (υ 总转角和位移计算方法同上。 ③边墙为刚性梁时 边墙为刚性梁，边墙本身不产生弹性变形，只有刚体位移，内力计算不考虑。 给定条件：无侧压(e = 0), d点作用力Md和Hd，位移βd和μ ①边墙为短梁时，距墙顶为x的任一截面内力为： d求出后，即可获得墙的内力和位移。 KK1MMH2d3d4d1d232224KKH3Md4Hd1d2d 24232M2H2d4d1d2d3KK21M2Hd1d2d3d42KK ②边墙为长梁时，距墙顶为x的任一截面内力为： 1MMH8d7dHMd28Hd5 4322MdK6HdK7222MH6d5dKK 2.2.3 隧道衬砌截面强度检算 隧道和明洞衬砌在算出内力后，根据设计规范规定，混凝土和砌石衬砌截面按破损阶段进行强度检算。即根据材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，然后与构件实际内力相比较，即可得出截面的抗压(或抗拉)强度安全系数K。最后检算所得的安全系数是否满足相应规范所要求的数值。即： KN极限N≥K规 式中 N极限—截面的极限承载力(轴力)； N—截面的实际轴力； 铁路《隧规》所规定的强度安全系数值 荷载 种类 混凝土 石 料 抗压 2.4 2.7 主要荷载 抗拉 3.6 / 主要荷载+附加荷载 抗压 2.0 2.3 抗拉 3.0 / 另外隧道衬砌还应考虑偏心和抗裂两个方面要求。 2.2.4 隧道衬砌计算存在问题 ①计算费工费时； ②计算没有考虑修筑方法； ③计算不可能考虑到地质条件的千变万化； ④计算中有一定的假设，造成结果具有一定的局限性。 2.3 山岭隧道施工 2.3.1 山岭隧道施工方法 山岭隧道施工方法选择依据： ◎地质与水文条件； ◎断面大小及形状； ◎隧道长度； ◎隧道衬砌或支护形式及其隧道埋深； ◎施工技术与装备； ◎工程工期。 一般宜优先选用全断面法和正台阶法，对地质条件变化较大的隧道，选择施工方法时要考虑有较大的适应性，以便在围岩变化时易于变换施工方法。 1.全断面一次开挖法 全断面一次开挖法是利用钻眼爆破法或全断面掘进机，在整个设计断面上一次向前挖掘推进的施工方法。从发展趋势看，全断面一次开挖法将是优先被考虑的施工方法。 全断面一次开挖法施工设备主要包括：凿岩台车、装载机、出渣机、活动模板、衬砌台车等。 全断面一次开挖法的优点： 可充分利隧道空间，使用大型高效设备，加快施工进度； 断面一次挖成，施工组织与管理比较简单； 能较好地发挥深孔爆破的优越性； 通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作较便利。 全断面一次开挖法的缺点： 需要使用笨重而昂贵的凿岩台车或钻架； 一次投资大； 由于使用了大型机具，需要有相应的施工便道、组装场地、检修设备以及能源等； 当隧道较长、地质情况多变而必须改换其它施工方法时需要较多时间； 多台钻机同时工作时的噪音极大。 全断面一次开挖法适用条件： 该法主要用于围岩稳定、坚硬、完整、开挖后不需临时支护的Ⅴ～Ⅵ类围岩的岩石隧道以及高度不 超过5m、断面不超过30m2的中小型断面隧道。 近几年来，随着施工技术的不断进步，大断面和全断面一次施工的隧道越来越多，施工断面已超过5 m2 隧道全断面施工机械化作业线配套 ⑴配套原则： 要注意各施工工序所采用的设备综合能力的配套。 各工序所采用的设备既要考虑到各工序的作业高度，又要考虑到各工序的协调。 施工机械应与施工方法相配套、与合理的进度相适应。设备数量要根据投资能力确定。 应充分考虑辅助坑道的设置、作用和功能。 ⑵配套实例： 有轨装运时： 门架式(轨行)凿岩台车；立爪式、蟹爪式或铲斗后卸式装渣机；矿用大斗车或10～30m3梭式矿车；12t蓄电池式电机车或25t以上内燃机车；喷射机、混凝土搅拌输送车、混凝土输送泵、机械手、钢模台车等。 无轨运输时： 3臂或4臂轮胎式液压凿岩台车；3～4m3轮胎式或履带式装渣机；20～25t矿用自卸卡车；锚杆钻机、喷射机、混凝土输送车、混凝土泵、钢模台车等。 混合装运时： 两臂、3或4臂轮胎式液压台车；2m3或3m3轮胎式或履带式装渣机；15～20m3梭式矿车或矿用大斗车；10t以上电机车；支护同无轨装运。 2.分断面两次开挖法 分断面两次开挖法是将断面分成两个分层(或部分)，从上向下(或从下向上)或利用导坑在全长范围内或一个区段内逐个分层(部分)施工。开挖好一个分层(部分)再开挖另一个分层(部分)。 ⑴上半断面先行施工法 隧道上部的开挖过程与全断面一次开挖相同。但应修建斜坡道。 隧道下部开挖可采取垂直、倾斜或者水平的炮眼进行爆破，钻孔和装渣可同时进行。 特点：开挖面高度不大；不需笨重的钻架；遇松软地层时可迅速地改变为其它开挖方法；下分层开挖时运渣和钻孔可平行作业，进度快；下分层爆破效率高。但上下分层施工循环各自独立，与全断面一次开挖相比，工期增长； ⑵下半断面先行施工法 下半断面先行施工法在断面开挖完成后即可进行衬砌。上部断面可以站在渣堆上钻孔(水平孔)或从隧道地板向上钻垂直孔。在不采用对头施工的隧道中，下部掘通后，上部可从两个洞口组织钻孔和装渣作业。 特点：和上半断面先行施工法类似，但对衬砌施工、排水、排渣都更方便些。一般只在一定地质条件下及没有钻架或使用钻架不经济时使用。 ⑶先导洞后全断面扩挖法 该法先沿隧道的中线、按全长开挖导洞，然后再扩挖至设计断面。导洞可用掘进机或钻爆法挖掘。 优点：可进行连续的地质调查；便于对支护系统作进一步设计和后续工程的进行；能正确评价扩大作业的时间和费用；有利于通风以及涌水和瓦斯的预防与排放等。 实例： ①秦岭Ⅱ线隧道施工中先用钻爆法施工，掘进断面为26m2导洞，为秦岭Ⅰ线隧道进行地质预报及其全断面掘进机提供通风、排水、运输等辅助条件。 ②米花岭隧道利用平导通过数个横通道与正洞相连后，不扩大工作面而进行下导洞快速开挖，然后进行全断面扩挖。 3.台阶法施工 台阶法是将隧道断面分成若干(一般为2～3)个分层，各分层呈台阶状同时推进施工。按台阶布置方式的不同，台阶法可分为正台阶和反台阶两种方法。 ⑴正台阶法 正台阶施工法是最上分层工作面超前施工，然后逐一挖掘下面各分层。 正台阶法特点及适用条件： 工序少，干扰小，上部钻孔可与装渣同时作业，必要时可以喷射混凝土或砂浆作为临时支护。采用锚喷作永久支护时更为适宜。 用于围岩稳定性较好(一般V、VI类围岩)、开挖后不需或仅需局部临时支护的隧道，并要求有较强能力的出渣设备。 ⑵反台阶法 反台阶法又叫上行分层施工法。该法施工能使工序减少，施工干扰小，下部断面可一次挖至设计宽度，空间大，便于出渣运输和布置管线，能节省大量材料。 适合于围岩稳定、不需临时支护的情况。 4.导坑法施工 导坑法以一个或多个小断面导坑超前一定距离开挖，随后逐步扩大开挖至设计断面，并相机进行砌筑的方法。 ⑴中央下导坑先墙后拱法 中央下导坑先墙后拱法的施工顺序是先挑顶后开帮，在开帮的同时完成砌墙工作。 适用于围岩较稳定的隧道施工，一般为IV～VI类围岩石质隧道。 六部开挖法(漏斗棚架法)施工特点： 可容纳较多人员同时施工；以小型机械为主施工，利用棚架作脚手架；石渣可由漏斗口漏入车内，省力、速度快。衬砌是先墙后拱连续施工，整体性好。 但该法由于需要棚架，爆破也易损坏棚架和风水管路；围岩暴露时间较长，对施工安全不利。 ⑵中央下导坑先拱后墙法 中央下导坑先拱后墙法的施工顺序是先挑顶，在挑顶的同时完成砌拱工作，然后开帮，开帮后进行砌墙。 适用于V～VI类稳定围岩的隧道施工。 特点：施工效率高，速度快；具有漏斗架棚法开挖出渣的优缺点。地层变化时，改换其它方法比较容易。但衬砌整体性差。 ⑶中央上导坑施工法 中央上导坑施工法是首先开挖上导坑，进行拱的衬砌；然后进行两帮的开挖，两帮的开挖采用马口开挖，开挖后及时进行砌墙。 适用于III～IV类围岩的隧道施工。 特点： ◎拱圈衬砌及时，围岩暴露时间短。 ◎施工干扰大，进度慢。 ◎衬砌整体性差，适合于围岩稳定性差及长度较短的隧道。 ⑷上下导坑施工法 上下导坑施工法是首先开挖下导坑，再开挖上导坑，利用下导坑出渣，并进行拱的衬砌；然后开挖下半断面，最后进行两帮的开挖，开挖后及时进行砌墙。 适用于III～IV类围岩的隧道施工。 特点 ◎该方法的最大优点是下部各工序均在拱圈保护下进行,施工比较安全； ◎施工时有两个导坑，通风、排水、运输、管线布置等条件较好； ◎施工中能拉开工作面，便于使用小型工具。 ◎施工方法适用范围广，遇到地质情况变化，变换施工方法较易。 ◎隧道衬砌整体性差，马口开挖影响进度且有可能引起拱圈下沉。 ◎施工工序多，干扰大，施工管理不便，上导坑人工扒渣劳动强度大。 ⑸品字形导坑先拱后墙施工法 品字形导坑先拱后墙施工法首先开挖下部两侧导坑，再开挖上导坑，利用下导坑出渣，并进行拱的衬砌；然后开挖两帮，开挖后及时进行砌墙，最后开挖中心部分。 适用于Ⅲ～Ⅴ类围岩石质隧道施工。 ⑹侧壁导坑先墙后拱法 侧壁导坑先墙后拱法首先开挖下部两侧导坑，并砌墙，然后沿两帮向上扩展，直到拱部开挖结束，拱衬砌完成；最后从上向下开挖中间部分。 适用于Ⅰ、Ⅱ类围岩土质隧道施工。 5.新奥法施工 ⑴新奥法概念 新奥法(New Austrian Tunnelling Method—NATM)是60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz总结前人积累的经验后提出来的一套隧道设计、施工的新技术，即新奥地利隧道建造法，简称“新奥法”。 新奥法是隧道施工科学方法的总结，主要针对软岩隧道施工，重点在支护和衬砌方面。 新奥法不单纯是一种施工方法，也不是单一锚喷支护，它是隧道支护的指导原则和思路。主要包括内容为： ◆围岩与支护共同发挥“承载圈”的作用； ◆初始支护采用柔性支护（以允许围岩适当变形）； ◆建立两次支护的概念； ◆重视量测，合理确定二次支护时间； ◆重视涌水的处理。 ⑵新奥法中支护与围岩共同作用的原理 ⑶新奥法施工 施工开挖→初次衬砌→施工监测→防水层施工→二次衬砌 6.特殊条件下的隧道施工 ⑴洞口段施工 洞口段是隧道的咽喉，能否安全可靠地施工非常重要。洞口段包括进洞前的路堑施工、边仰坡处理、挡墙、洞口周围排水、洞口及进洞段的衬砌等工程。 洞口段施工的进洞方式有导坑式、拉槽式、辅助坑井式等多种，常用的为导坑式。 洞口施工临时支护方式: ①仰坡用木板加斜撑支挡或采用喷锚网加固。适合于仰坡不太稳定的情况。 ②在明箱上铺土石袋。适合于仰坡较稳定的情况。 ③导坑支撑式。该法适合于洞外山坡较缓、路堑较长且土石方较大、不能很快将路堑挖到洞口、采用拉槽进洞方式的情况。 ④长管棚或注浆管棚法。 ⑵遇流沙时的施工方法 流沙是某些围岩在饱和水条件下产生的一种现象。砂、粘土质砂、亚砂土都能形成流砂。此外，亚粘土和淤泥也能成流动状态。 首先制止水夹泥砂涌入坑道，施工需要先护后挖，密闭支撑、边挖边封的方法，必要时可采用双层插板支撑，两层板间滤水层（如塞麻袋），为避免流水流水过多带起泥砂而造成塌方。隧道结构应采用有仰拱的封闭式衬砌，不允许地下水流入隧道，以免流水带走泥砂导致坍塌。 施工中除用小断面开挖、工序不间歇、及时封闭支撑外，还应注意留出足够的沉降量。 ⑶瓦斯隧道施工方法 瓦斯是坑道有害气体的总称，其成分以CH4（甲烷，又称沼气）为主。施工前要根据《瓦斯隧道施工技术暂行规定》、《煤矿安全规程》的有关规定编制施工技术安全措施。 瓦斯隧道施工主要安全技术措施： ◆穿过瓦斯区时，要提前打钻探测，或进行预抽预排，防止突出。 ◆加强通风，降低瓦斯含量。 ◆加强瓦斯检测。加强个人防护，佩带自救器。 ◆加强电器设备的防护；严禁火种。 ◆使用瞬发电雷管、安全炸药、进行安全爆破。 ◆瓦斯突出有一定征兆，施工中应注意观察。 ◆为保证隧道建成的安全，衬砌宜采用防瓦斯层的封闭式衬砌；施工通风设计根据瓦斯隧道通风要求校核通风量。 ⑷大涌水量隧道施工方法 大涌水量隧道施工治水的措施主要有以下几个方面： ◆设计上尽量避开含水地带。 ◆要提前进行探水，为采取合理治水方案提供可靠的依据。 ◆隧道不论采用何种方式施工，对涌水的处理都要以堵为主，以排为辅。隧道有坡度时，尽量采用上坡开挖，以利排水。下坡开挖时，要配备一定量的排水泵，隧道较长时还要设置中间泵站，进行多段排水。 ◆对于溶洞水、大出水点的涌水可采用埋设导水管将其导出的办法引至隧道内排出。必要时还可开凿泄水洞泄水及采用井点降水、负压抽水等措施。 ◆对大涌水量的断层、富含水层地带，应进行注浆堵水。 ⑸断层与破碎带施工方法 断层及破碎带施工原则：预支护、短进尺、分层掘、弱爆破、早喷锚、强衬砌、紧封闭、勤测量。 防治断层及破碎带塌方的措施主要有以下几种： ①预注浆加固 ②超前管棚支护 ◆小管棚法 ◆大管棚法 ◆大小管棚配合法 ◆注浆管棚法 ③预衬砌(预切槽)支护法 ④合理开挖 管棚结构与施工 ①管棚的布置形式 管棚的布置形式主要根据地下工程结构形状进行确定，常用的形式有帽子形、正方形、一字形和半圆形。 管棚设计要点： 管棚的长度应根据地质条件进行确定，以保证开挖后管棚有足够的超前长度。钢管长度10～15m，也可采用4～6m用丝扣连接。 管棚钢管宜采用厚壁钢管，管径Φ80～180mm，间距100～550mm。 管棚宜采取沿峒室纵向近水平方向设置，为增加刚度，可在钢管内灌入水泥砂浆。 沿纵向两组管棚间应有不小于1.5m的水平搭接段，并在搭接处设置钢支架。 ②管棚施工 管棚施工工序包括： 开挖工作室 在采用管棚法施工的地下隧道或峒室的开端开挖工作室，以设立管棚推进基地和钻眼施工空间。工作室的开挖尺寸应根据钻机和钢管推进机的规格确定，一般要超出隧道或峒室轮廓线外0.5～1.0m。 钻孔 管棚钻孔基本为水平钻进，孔径根据棚管直径确定，一般比设计的棚管直径大20～30mm，以便于顶进。钻机选型由一次钻孔深度和孔径决定，国内目前多采用地质钻机。 安装管棚 根据钻孔深度大小可选用适宜的安装钢管技术。对于坍孔严重地段，可直接将管棚钢管钻入，使钻孔与安装一次完成。一般对于孔长小于15m的短孔，可用人工安装或用卷扬机顶进；深孔则用钻机顶进。接长管棚钢管时，接头要采用厚壁管箍，上满丝扣，确保连接可靠。 管棚钢管注浆 钢管就位后，可用水泥砂浆或水泥-水玻璃浆液进行管内注浆充填。当围岩或土层松软破碎时，可在管棚钢管上事先钻小孔，使浆液能扩散至钢管周围。为了增加管棚强度，可于钢管内加钢筋笼后再注浆。 掘砌施工 掘砌施工在管棚注浆结束4～8小时后方可进行。用管棚法施工的地下隧道或峒室断面都比较大，所处地段的岩土层软弱破碎，多选用单侧壁导硐或双侧壁导硐掘进技术；由机械开挖或人工与机械混合开挖，以尽量减小对围岩的扰动。 2.3.2 山岭隧道施工作业 山岭隧道施工作业主要包括开挖、(临时维护、) 装渣运输和衬砌三项内容。开挖是先行环节，装渣是最费工时的环节，衬砌是最关键的环节。 1. 隧道开挖 山岭隧道开挖目前主要采用钻眼爆破的方法，对钻爆法的基本要求是： ◆断面形状和尺寸符合设计要求； ◆石渣块度大小适中，便于装渣作业； ◆掘进速度快，钻眼工作量小，炸药消耗量最省； ◆有较好的爆破效果，表面平整，超欠挖符合要求， 对围岩的震动破坏小。 ⑴炮眼布置 工作面炮眼包括掏槽眼、辅助眼、周边眼。 掏槽眼布置 直眼掏槽：直线、角柱、五星、螺旋。 斜眼掏槽：单向、角锥、楔形。 混合掏槽：直眼加斜眼。 辅助眼布置 以崩落岩石为主，炮眼间距0.6～1.0m左右。 周边眼布置 以满足光面爆破为主，炮眼间距E与最小抵抗线W的比 值 K（炮眼密集系数）取0.8～1.0左右。 爆破参数 炮眼深度 取0.5~0.8的隧道宽度； 根据开挖方式及设备确定：人工：0.8~1.5m；轻钻：1.5~2.5m；重钻：2.5~5.0m 炮眼数目 依据炸药定额要求，通过实际布置，不断调整取得。 炮眼直径 依据炸药直径确定。 一般为炸药直径加6～8mm。 炸药用量 依据岩石性质、开挖断面大小，根据定额确定。 装药结构 正向装药、反向装药、分散装药，必须用炮泥堵塞。 起爆方法 电雷管起爆，火雷管起爆。有瓦斯时雷管延时不大于130ms ⑵钻眼工作 工作面炮眼可采用钻眼设备进行钻进。设备类型包括手持式、气腿式和台车式等。 钻机钻速 普通风钻：0.3~0.7 m/min 高频风钻：0.7~1.0 m/min 液压钻机： >0.8 m/min 压风和水的供应 洞外空压机和水塔或水泵，洞内敷设管路。 2.临时维护 工作面爆破后，根据岩石的稳定性，及时进行临时支护，以保证掘进工作的安全。 临时支护的形式 ①棚式支架（木棚子、金属棚子、钢筋混凝土棚子、钢筋笼框架） ②锚喷支护（锚杆支护、喷混凝土支护、锚喷支护、锚喷网支护） ③超前支护（木板支护、型钢支护、管棚支护、超前锚杆支护） 临时支护的方式 ①先挖后支，适用于IV类以上围岩； ②随挖随支，适用于II、III类围岩； ③先支后挖，适用于I、II类围岩。 3.装渣与运输 工作面爆破后，应及时清除石渣，该工序是最繁重的工序，工时约占整个循环时间的40～50％。其主要环节包括装车、调车、运输、卸渣。 ⑴装渣 常用装渣设备有： 翻斗式，间歇装载；（铲斗后卸式、铲斗侧卸式） 耙斗式，间歇装载； 蟹爪式，连续装载； 立爪式，连续装载。 目前主要采用的轮式或履带式装载机，斗容较大，装载能力大，效率高，但体积较大，只适用于大断面隧道开挖； 小型装载设备主要适用于断面较小，特别是导洞法开挖的隧道施工，其装载效率较低。 ⑵调车 常用调车方法主要有下面几种： ①固定调车场调车 采用固定调车场调车时，装载机的工时利用率很低，一般只有20～30％，因此适用于施工速度要求较低的隧道。 ②浮放道岔调车 采用浮放道岔调车时，装载机的工时利用率比固定调车场调车略有提高，一般有30～40％。 ③移车器式调车 ⑶运输 常用运输方式有有轨运输与无轨运输两种。 ①有轨运输 多用斗车及牵引机械运输。牵引机械主要有内燃式电机车、蓄电池式电机车以及架线式电机车等。 运输车辆有出渣车和进料车。出渣车分自卸式和固定车厢式两种；进料车分运料车、运混凝土斗车和运其他材料、设备的平板车。与大型装渣机械化配套，出渣还可使用梭式斗车或仓式列车。 隧道内运输轨道要根据所选用的设备选择，一般用轻型钢轨，轨距为600mm或762mm；大型设备则须用重轨900mm轨距。洞内外可根据需要铺设单轨或双轨。 ②无轨运输 无轨运输设备主要有自卸汽车、手推车等。无轨运输在近十几年内得到了较多应用。 无轨运输的最大优点是比有轨运输施工速度快，劳动强度低。另外，对洞口弃渣场地的坡度、距离等要求不高，适应性强。 无轨运输的最大缺点是由于运输车辆排放的废气多，洞内空气污染严重；其次，出渣车易与衬砌车发生干扰。 4.现浇混凝土衬砌 现浇混凝土衬砌是隧道工程的永久支护主要形式之一，是施工中的一项重要作业。 现浇混凝土衬砌施工主要工作内容包括： ①施工前的准备工作 ②混凝土的制备与供应 ③混凝土的浇注 ④混凝土养护与拆模 混凝土的浇注要点： 先墙后拱 先拱后墙 拱圈封顶 2.3.3 隧道锚喷支护的设计与施工 锚喷支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆与喷射混凝土支护、钢筋网喷射混凝土支护、锚杆与钢筋网喷射混凝土支护，以及锚杆、喷射混凝土、钢筋网和钢筋带联合支护等。 1.锚喷支护的结构及作用原理 ⑴锚喷支护作用原理 锚喷支护是以充分发挥和利用围岩的自承载能力为基点，锚杆的作用就是提高围岩的抗变形能力，并控制围岩的变形，使围岩成为支护体系的组成部分。 ①锚杆支护作用原理 悬吊作用原理 组合梁作用原理 挤压加固作用原理 锚杆的支护作用原理，往往是几种作用同时存在并综合作用，只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位而已。 ②喷射混凝土支护作用原理 充填粘结作用 封闭作用 结构作用 ③锚注支护机理 ⑵锚喷支护结构 ①锚杆支护 锚杆的结构与种类 锚杆支护参数的确定 锚杆支护参数的确定主要方法有： 根据悬吊理论设计； 根据组合拱理论设计； 根据围岩松动圈理论设计； 根据实际经验选择。 ②喷射混凝土支护 喷射混凝土的原材料 倒楔锚杆涨壳锚杆机械锚固型端头锚固类树脂锚杆粘结锚固型快硬水泥锚杆锚杆水力膨胀锚杆管缝锚杆机械锚固型全长锚固类全长树脂锚杆水泥砂浆锚杆粘结锚固型内注浆锚杆 水泥、砂子、石子、水、速凝剂。 喷射混凝土配合比 喷砂浆时，水泥:砂子为 1:(2～2.5)，水灰比为 0.4～0.55。 喷射混凝土时，水泥:砂:石子为 1:2:2 或1:2.5:2，水灰比为 0.4～0.5。 喷射混凝土支护结构 喷砂浆支护：一般用于Ⅰ、Ⅱ类围岩。厚度10～30mm。强度≥Ｃ7.5。 喷射混凝土支护：一般应用于Ⅱ、Ⅲ类围岩。厚度30~200mm。强度Ｃ15～20。 锚喷支护：适用于Ⅲ、Ⅳ类围岩和部分Ⅱ类围岩。厚度30~150mm。强度Ｃ15～20。 锚喷网支护：在Ⅳ、Ⅴ类围岩中得到广泛应用。 一般金属网的网格≥150×150mm，钢筋直径2.5～10mm，保护层厚度不应小于30mm。 锚注喷射混凝土支护：应用在破碎软岩中，即先在掘进后利用内注式注浆锚杆 及喷射混凝土进行锚喷初次支护， 滞后迎头一定距离再进行注浆二次支护。 2.锚喷支护的施工 ⑴锚杆支护的施工 锚杆施工要求 ①锚杆应均匀布置，在岩面上排成矩形或菱形，锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，以有利于相邻锚杆共同作用； ②锚杆的方向，原则上对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置，或使其与岩面形成较大的角度；对于倾斜的成层岩层，锚杆应与层面斜交布置，以便充分发挥锚杆的作用。锚杆的安设角度与岩面或隧道轮廓线不应小于75°； ③锚杆眼深必须与作业规程要求和所使用的锚杆相一致； ④锚杆眼必须用压气吹净扫干孔底的岩粉、碎渣和积水，保证锚杆的锚固质量； ⑤锚杆直径应与锚固力的要求相适应。不同类别的围岩要求不同的锚固力，设计锚固力时应与围岩类别相匹配； ⑥保证锚杆有足够的锚固力。 锚杆施工工艺 ①钢筋砂浆锚杆 钻孔注浆与安装锚杆 （可采用单体锚杆钻机或专用锚杆钻机进行施工） ②树脂锚杆 钻锚杆孔、装树脂锚固剂、插入锚杆、旋转搅拌树脂锚固剂、安设托板螺母完成安装。 ③内注浆锚杆 打锚杆孔、安装锚杆及注浆等。 ⑵喷射混凝土施工 ①喷射混凝土施工工艺 ②喷射混凝土施工设备 喷射混凝土施工设备主要包括喷射机、上料机、搅拌机、喷射机械手等。 ③喷射混凝土的主要工艺参数 工作压力 一般混合料水平输送距离30m～50m条件下，喷射机的供气压力保持在0.12MPa～0.18MPa为宜。输料管长度在200m以内，喷射机的压力为： 空载压力(MPa)= 0.001×输料管长度(m)； 工作压力(MPa)= 0.1+0.0013×输料管长度(m)。 向上垂直输料时，要求工作压力比水平输料时大，高度每增加10 m，工作气压增加0.02MPa～0.03MPa. 水压 为保证喷头处加水能使随气流迅速通过的砼混合料充分湿润，通常要求水压比气压高0.1MPa左右。 水灰比 水灰比对减少回弹、降低粉尘和保证喷射混凝土的质量有直接关系。混合料加水是在喷头处水环供水瞬间实现的，理论上最佳水灰比为0.4～0.5，但实际上全靠喷射手的经验加以控制、调整，主要靠目测。 喷头方向 喷头喷射方向与受喷面垂直，并略向刚喷过的部位倾斜时，回弹量最小。因此，除喷巷帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°～15°外，其它部位喷射时，均要求喷头的喷射方向基本上垂直于围岩受喷面。 喷头与受喷面的距离 喷头与受喷面的最佳距离是根据喷射混凝土强度最高、回弹最小来确定的，最大约为800mm～1000mm。一般在输料距离30m～50m，供气压力0.12MPa～0.18MPa时，最佳喷距为喷帮300mm～500mm，喷顶450mm～600mm。喷距过大、过小，均可引起回弹量的增大。 一次喷射厚度 喷射混凝土应有一定的厚度，当喷层较厚时，喷射作业需分层进行。一次喷射厚度应根据岩性、围岩应力、裂隙、隧道规格尺寸，以及与其他形式支护的配合情况等因素确定。 一般情况下，掺速凝剂时，边墙70～100mm，拱部50～70mm，不掺速凝剂时，边墙50～70mm，拱部30～50 mm。 ⑶锚喷支护工程质量检测 ①喷射混凝土质量检测 喷射混凝土质量检测包括强度和厚度检验两方面。 喷射混凝土强度 就地提取喷混凝土试件(块)，以作抗压强度试验。抗压强度不应低于标准值，最小值不低于标准值的85%。 强度检验可采用喷大板切割法、直接喷模法、取芯点荷载法及拉拔法等。 取芯点荷载法可采用ZQH6型混凝土取样钻机与HQC40混凝土强度检测仪； 拉拔法常用仪器有PL—1型喷射混凝土强度检测仪、HL138型混凝土拉拔仪等。 喷射混凝土厚度 喷层厚度在喷混凝土凝结前可采用针探法检测，凝结后用凿孔尺量法或取芯法检测。要求喷层厚度不小于设计值的90%。 ②锚杆质量检测 锚杆质量检查，包括长度、间排距、角度、方向、锚固力等项，其中有的在隐蔽工程检查中进行。 锚杆质量检测的仪表工具为锚杆拉力计和锚杆探测仪。 3.新奥法与锚喷支护 新奥法施工中，第一次衬砌必须能够与围岩密贴，使衬砌与围岩共同作用，同时应具有一定的让压性，释放一部分围岩压力。 目前锚喷支护是其主要的支护手段，通过锚喷支护保护和加固围岩，可提高围岩强度和稳定性，并给围岩以主动支护力，支护结构与围岩一起保持隧道的稳定和安全。 同时锚喷支护具有可缩性，符合新奥法施工中第一次衬砌的需要。第二次衬砌一般采用刚性衬砌，确保隧道的安全。 新奥法锚喷支护结构设计目前多数以工程类比结合现场量测进行，支护结构多采用喷射混凝土加锚杆加金属网联合支护结构，初次支护的稳定性判断一般是变形量小于4～10mm/月，二次模筑混凝土衬砌必须及时进行。 2.3.4 山岭隧道施工辅助作业 1.施工辅助作业 山岭隧道施工辅助作业包括通风与防尘、排水与供水、供电与照明和压气供应等内容。 ⑴施工通风与防尘 ①施工通风的目的 ★冲淡与排出有害气体 粉尘浓度 含10％以上游离SiO2的粉尘应在2mg/m3 有害气体 CO：30mg/m，SO2：15mg/m，NO2：5mg/m，NH4：30mg/m，CO2：<0.5% ★供给新鲜空气 新鲜空气 O2：≥20％ ★降低粉尘浓度 ★降低隧道内温度 隧道内温度：空气温度：≯26℃ ②施工通风的方式 风管压入式 适用范围： 单机可使用于100m～400m内的独头坑道；多机串联可使用于400m～800m的独头坑道。 风管抽出式 适用范围： 长度在400m以内的独头坑道。 风管混合式 适用范围：长度在800m～1500m左右的独头坑道。 适用于上下导坑或全断面分块开挖，用药量大，下导坑为双轨断面的隧道施工。 巷道式 适用范围： 适用于有平行导坑的长隧道施工。 风墙式 适用范围： 适用于隧道较长，一般风管式通风难以解决，又无平行导坑可利用的隧道施工。 ③施工通风的设计计算 风量计算 按洞内同时工作的最多人数计算 3 3 3 3 按冲淡因爆破产生的有害气体所需空气量计算 按最小风速验算风量 风机所需风量为：以上3项计算结果取最大值。 风压计算 风机的风压必须克服沿途所有的阻力。包括： 沿途摩擦阻力； 沿途局部阻力； 风流正面阻力。 风机选择 根据计算所需的风机风量Q及风压hj，可从风机技术性能表中选择合适型号的风机。 对于风管式通风，当管道较长、需风压较高时，可采用多台风机串联；对于巷道式通风，需风量较大时，可采取多台风机并联。多台风机串联或并联时，应尽量采用相同型号通风机。 ④施工综合防尘措施 隧道施工中，凿岩、爆破、装碴、喷射混凝土等作业都有粉尘产生，其中以凿岩和喷射混凝土产生的粉尘最多。粉尘对人体危害极大，故必须采取多种措施，把粉尘控制在国家规定的标准之内。 隧道施工综合防尘为：湿式凿岩标准化、潮式喷浆正规化、机械通风经常化、喷雾洒水制度化、人人防护普遍化。 ⑵施工供水与排水 ①施工供水 凡不含有害矿物质，无污染、无臭味的洁净天然水均可用作施工用水。生活用水则应是更新鲜清洁的天然水。 施工供水常选用的水源有山间溪流、泉水、河水、地下水、溶洞水等。由上述来源自流引导或用水泵压至蓄水池存储，并通过供水管路供到使用地点。 供水管路主管直径一般75～150mm，支管直径50mm。 ②施工排水 上坡进洞施工排水 可采用顺坡自然排水方式，排水沟坡度与线路坡度一致。有平行导坑时，因平行导坑标高低，可通过横通道引入平行导坑排出。 下坡进洞施工排水 下坡进洞施工，水向工作面汇集，需用机械排水。 分段开挖反坡水沟，分段处设集水坑，每个集水坑配备一台水泵，由水泵把水逐段排出洞外。 长距离开挖集水坑，工作面积水用辅助小水泵排到近处集水坑内，再用水泵将水排出洞外。 ⑶施工供电与照明 隧道供电一般采用400V/230V三相四线系统送电； 长隧道可采用6kV～10kV高压送电，在洞内适当地点设变电站，将高压电变为低压电后送至工作地段。 电力机械的电压标准为380V，成洞地段照明用220V，工作地段照明用24V～36V。 施工照明通常采用电灯照明，常用照明灯具有白炽灯、高压钠灯和低压卤钨灯等。 ⑷施工压缩空气供应 隧道施工中的凿岩机、装岩机、混凝土喷射机等，它们所需要的压缩空气由空气压缩机生产，并通过高压管路供应。供风管路直径一般为159～205mm。 空气压缩机分为电动和内燃两种。短隧道多采用移动式内燃空压机，长隧道多采用固定式大型电动空压机。 2.施工辅助坑道 施工辅助坑道，主要用以增加施工工作面，缩短进料、出碴路程，解决通风困难，加快施工速度，改善施工条件。 辅助坑道主要包括横洞、平行导坑、斜井和竖井等。 ①横洞 横洞是在隧道侧面修筑的与之相交的坑道。横洞一般与隧道以正交为好，斜交的夹角应大于40°，横洞是隧道施工优先考虑的辅助坑道。 ②平行导坑 平行导坑是与隧道平行修筑的坑道，并由另开横通道与正洞相接，与正洞最小净距15m～20m，底板标高应低于隧道底板标高0.2m～0.6m。设置平行导坑，可有利于隧道施工，但增加了工程造价，只有隧道长度大于3000m，工期较紧而又没有条件设置横洞、斜井或竖井条件下，才宜考虑采用。 ③斜井 斜井是在隧道侧面斜上方开挖与之相连的倾斜坑道。斜井长度不宜超过200m，倾角不宜大于25°。水平面上与隧道中线的夹角不宜小于40°。 斜井施工应做好防排水工作；为防止斜坡道上发生跑车事故，必须采取严密的安全措施；另外，在斜井全长范围内，每隔30m～50m宜设躲避洞，以保证施工人员的安全。 ④竖井 竖井是在隧道上方或一侧上方开挖的与隧道相连的竖向坑道。竖井多采用园形断面，其直径约在4m～6m之间。 竖井施工要特别注意安全，应设置完善而可靠的井上、井下信号联系，设置必要的安全防坠措施。同时要注意井口地面的防洪和井下的排水。 2.3.5 隧道掘进机施工 隧道掘进机是能够直接截割破碎工作面岩石，同时完成装载、转运岩石，并可调动行走和进行喷雾除尘的隧道掘进综合机械。隧道采用掘进机掘进是今后发展的主要方向。 1.掘进机的类型 ⑴全断面掘进机 全断面掘进机(Totall-face Boring Machine,简称TBM)主要由刀盘、工作机构、机头架、刀盘传动装置、支撑装置等部分构成，另有机载辅助设备，如：支护安装装置、皮带转载机构、锚杆钻机、探测(注浆)孔钻机等。根据结构不同，全断面掘进机有敞开式、护盾式和扩孔式三类。 ①敞开式全断面掘进机 敞开式全断面掘进机是一种用于中硬岩及硬岩隧道掘进的机械。它主要由刀盘、刀盘支撑与主梁、支撑与推进装置三个主要部分组成。 掘进时刀盘切削的岩渣，经机器上部的输送带运送到掘进机后部，卸入后配套运输设备中。掘进机上装备有锚杆钻机和超前 (注浆)孔的凿岩机，探测孔可探测25～40m。 ②护盾式全断面掘进机 护盾式全断面掘进机有单护盾、双护盾和三护盾之分，其中以双护盾式为多。双护盾为伸缩式，以适应不同的地层，尤其适用于软岩且破碎、自稳性差或地质条件复杂的隧道。 护盾式掘进机由带刀盘的前盾、装支撑装置的后盾、连接前后盾的伸缩部分以及为安装预制混凝土块的盾尾组成。 辅助设备有衬砌回填系统、探测(注浆)孔钻机、注浆设备、混凝土喷射机、粉尘控制与通风系统、数据记录系统、导向系统等。 ③隧道全断面扩孔机 隧道扩孔机是在隧道先用部分断面掘进机导洞后，再进行全断面扩孔的施工设备。 采用扩孔机掘进，导洞可探明地质情况和进行排水，并有利于通风；导洞施工速度快，扩孔工作容易，有利于衬砌施工；扩孔机还可以改装成适合不同孔径的隧道扩孔施工。 ⑵部分断面掘进机 部分断面掘进机是一种采用悬臂式切割刀具切割岩石，通过俯仰、回转从而形成设计断面形状的大型掘进机械。根据切割刀具的布置方式可分为横轴式和纵轴式两种。 ①横轴式部分断面掘进机 横轴式部分断面掘进机刀具轴线垂直于悬臂轴线。常用型号有AM系列，ATM系列等。 ②纵轴式部分断面掘进机 纵轴式部分断面掘进机刀具轴线与悬臂轴线一致。常用型号有EL系列、ELM系列、MRH-S系列等。 2.掘进机的应用 掘进机的选择与隧道的断面形状、大小、长度、地层类型、岩石硬度、地质构造、涌水量、设备供应、操作维修水平等有很大关系，选用时应因地制宜地、经过技术经济比较后合理选择。 隧道断面的形状； 隧道断面的大小； 岩石性质； 底板条件； 隧道的弯曲情况； 隧道的长度； 其它条件。 2.3.6 隧道施工监控 隧道监控项目 ⑴地质和支护状况观察 隧道开挖过程中必须及时进行地质和支护状况的观察，观察方法采用专业人员现场观察，观察在每个开挖面进行，特别是在软弱围岩条件下，开挖后应立即进行。观察内容包括岩性、结构面产状及支护裂缝并进行描述，绘出地质素描图。若遇到特殊不稳定情况时，派专人进行不间断的观察。 对开挖后没有支护的围岩观察内容包括： 1)节理裂隙发育程度及其方向； 2)开挖工作面的稳定状态，顶板有无坍塌现象； 3)涌水情况，包括涌水位置、涌水量、水压等； 4)是否有底板隆起现象。 对开挖后已支护地段围岩动态观察内容包括： 1)是否发生锚杆被拉断或垫板脱离围岩现象； 2)喷混凝土是否发生裂隙和剥离或剪切破坏； 3)钢拱架有无被压变形情况； 4)锚杆注浆和喷混凝土，施工质量是否符合规定的要求。 观察围岩破坏形态分析主要包括： 1)危险性不大，不会发生急剧破坏。如加临时支护之后即可稳定的情况； 2)应当引起注意的破坏。如拱顶混凝土喷层因受弯曲压缩的影响而出现的裂隙； 3)危险征兆的破坏。如拱顶混凝土喷层出现有对称性局部的崩落、侧墙内移等。 ⑵围岩周边位移量测 围岩周边位移量测是量测隧道周边的“收敛”情况，是隧道施工监控量测的重要项目。隧道周边位移量测，一般在洞口段5～10m布设一个断面，其余地段10～50m布设一个断面。 隧道围岩周边位移量测频率 位移速度 >10 mm/日 5～10 mm/日 1～5 mm/日 <1 mm/日 距工作面距离 (0～1) 隧道宽度 (1～2) 隧道宽度 (2～5) 隧道宽度 <5隧道宽度 频率 1～2次/日 1次/日 1次/2日 1次/周 当地质条件变差或量测值出现异常情况，量测频率应加大，必要是1小时或更短时间量测一次，反之频率可减少；后期量测时，间隔时间可加大到几个月或半年量测一次。 隧道围岩周边位移是判断隧道稳定性的一个关键因素，同时也是确保隧道有效限界的关键。 ⑶拱顶下沉 隧道拱顶下沉是拱顶内壁的绝对下沉量，单位时间内拱顶下沉值称为拱顶下沉速度。对于埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，拱顶下沉量测比较重要，它是判断支护效果，指导施工工序，保证施工质量和安全的最基本的资料。 ⑷锚杆或锚索内力及抗拔力 锚杆或锚索内力及抗拔力的监测是为了了解锚杆或锚索的实际工作状态，并结合位移量测，修正锚杆的设计参数。 ⑸地表下沉 隧道开挖时可能会引起地层沉陷，其目的在于了解地表的下沉范围、下沉大小；地表及地中下沉随工作面推进的规律；地表及地中下沉稳定的时间。 ⑹围岩体内位移（洞内设点） 在隧道洞内设点进行围岩体内位移监测是为了了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围，以优化锚杆参数，指导施工。 ⑺围岩体内位移（地表设点） 在地表设点进行围岩体内位移监测的目的是为了了解隧道上覆岩层或土层的位移分布，以明确隧道上覆岩土层的稳定情况。 ⑻围岩压力及两层支护间压力 围岩压力和两层支护间压力的监测目的是为了全面了解隧道围岩压力的大小，明确衬砌结构的安全性能。 围岩压力的监测方法采用在衬砌结构与围岩接触面之间安设压力盒进行监测；两层支护间压力监测方法采用在两层支护的接触面之间安设压力盒进行监测。一般每个代表性地段选择一个断面，每个断面沿隧道周边布设15～20个测点。量测频率在隧道开挖后1～15天内，每天1～2次；16天～1个月内，每2天1次；1～3个月内，每周1～2次；3个月以后，每月1次。 ⑼钢支撑内力及外力 隧道开挖后，若使用钢支撑进行维护，为及时了解围岩压力情况，进行钢支撑内力量测，对维护支架结构，检验隧道偏压、保证施工安全、优化支护参数等具有重要意义。 钢支撑内力监测选用支柱压力计或压力盒进行监测，一般每10榀钢支撑布设1对，或根据量测目的选择量测断面，在每个量测断面布设至少3个测点。量测频率与围岩压力量测相一致。 ⑽支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测 为全面了解复杂工程条件下隧道围岩压力情况，判别衬砌质量及其安全性能，进行衬砌内应力测试和衬砌表面应力及裂缝量测十分必要。 衬砌内应力测试采用在衬砌内埋设应变计，通过测试衬砌发生的应变大小换算其应力值。表面应力及裂缝量测采用测缝计进行量测。一般在每个代表性地段取一个断面，每个断面分别布设11个测点进行监测。支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝的量测频率与围岩应力量测相一致。 ⑾围岩弹性波测试 隧道围岩弹性波测试的目的是为了了解隧道围岩的完整性，以判别隧道围岩的稳定状态。 隧道围岩弹性波测试采用在隧道围岩中钻孔并布设换能器，使用声波仪进行测试。在每个代表性的地段进行测试。量测频率是在隧道开挖后和在衬砌结束变形稳定时。 ⑿山体边坡稳定监测 山体边坡稳定监测是确保隧道长期安全营运的前提，对于隧道所处山体有不稳定的可能、隧道洞口边坡等均应实施边坡的稳定监测。 隧道山体边坡稳定监测可通过在边坡上布设测点，通过隧道周围稳定的基点进行比较测试，了解边坡的变位情况，并及时地进行预测预报。测量频率在稳定时每周一次，发生异常时每天一次，长期稳定时可半年到一年监测一次。 ⒀深孔地应力测试 深孔地应力测试是为了了解隧道所处地区地应力的变化情况，为确保隧道的长期稳定性提供判别依据。 深孔地应力测试采用钻孔并布设地应力传感器进行测试，钻孔深度根据隧道所处地层情况合理确定，一般50～100m深度。测试频率每月一次，直至隧道投入运营3年内时间或地应力稳定后。 ⒁隧道中线控制 隧道中线是确保隧道开挖方向的关键，隧道施工中必须保证其具有足够的精度。 ⒂地质超前预报 为及时了解隧道的地质变化情况，为隧道衬砌支护提供可靠的依据，在施工中，根据隧道开挖面地质变化情况，必要时须实施地质超前预报工作。 2.3.7山岭隧道快速施工范例 随着科学技术的进步和生产管理水平的提高，我国修筑山岭隧道的能力也在不断地增长。它不但表现在所修建隧道的长度、跨度的规模上和克服各种复杂地质的技术手段上，而且还表现在施工成洞速率和工程质量上。近几年来，由铁道部隧道工程局用钻爆法修建的一批长大铁路山岭隧道。如云台山Ⅰ、Ⅱ线隧道，五指山隧道，米花岭隧道和水泉湾隧道等，都提前于合同工期建成，实际工期比国家定额工期有较大幅度的压缩。认真总结这些隧道的施工经验，从中找出一些带有规律性的东西，是很有意义的。这里仅就以上提到的几座典型的隧道施工实例进行分析。 1云台山Ⅰ、Ⅱ线隧道 1.1工程简况 云台山隧道位于侯月铁路线山西沁水县和翼城县相邻处，穿越中条山主峰。Ⅰ线隧道长8145m，Ⅱ线隧道长8178m，双线分修，电气化单线断面。隧道主要穿越石炭系和二迭系地层，Ⅰ线隧道进口通过192m古河槽地段，为土夹碎石层；洞身穿越煤系地层1740m，揭煤13次，有瓦斯；穿越较大的断裂带4条，全隧道通过Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩段各占隧道总长的4.3%、40%和55.7%，且膨胀性围岩地段占全隧总长的96%。全隧昼夜涌水量约9850t。云台山Ⅱ线隧道与Ⅰ线隧道中线间距仅30m，地质情况相当。 1.2施工方案和施工方法 云台山Ⅰ线隧道施工采用进、出口加平行导洞和中部斜井加平行导洞的方案。平导设计断面为10.5m2，斜井位于隧道中部，距进口3668m，井身长448m，17°倾角，与正洞正交，断面22.5m2。Ⅰ线隧道施工开挖方法主要是全断面、台阶法两种，根据地质情况交替变换。开挖工具除出口工区配有一台进口H169二臂台车外，其余均为手持风钻。一般地段采用非电系统爆破，煤层段采用电雷管系统爆破。初期支护为喷 锚结构，洞口和软岩地段按设计加钢筋网和钢格栅支撑，使用潮喷机。装碴用L120型立爪，进、出口工区运碴用8～12t电瓶车牵引8～14m3梭式矿车；斜井工区使用8t电瓶车牵引6m3矿车，至井底车场再用提升机将6m3矿车拉至地面倒运。进出口衬砌作业使用洞口自动计量混凝土拌合站，熟料入5m3混凝土轨行式运输车，由12t电瓶车牵引至混凝土泵，再注入钢模板衬砌台车。斜井段设133m深竖井垂直投料系统，井口搅料，垂直输送到井底隧道内。 云台山Ⅱ线隧道是将Ⅰ线平行导洞扩大为单线隧道断面，开挖方法主要是全断面和微台阶，开挖手段均采用自行研制的“多功能台架”，装碴、运输和混凝土衬砌作业与Ⅰ线时大致相同。由于Ⅱ线隧道施工没有了平行导洞的便利条件，隧道的仰拱、铺底作业与频繁的轨道运输之间便产生了互相干扰的问题。该工程处又研制出一套过轨铺底作业新工艺，并采用了浮放道岔技术，成功地克服了施工干扰难题，大幅度地提高了工效。 1.3施工绩效 云台山Ⅰ线隧道于1990年5月开工，1994年3月竣工，历时3年10个月，较定额工期缩短10个月。其中，1991年6月以前由于施工能力不足，仅完成138.71m；斜井井身施工工期12个月，于1991年6月进入正洞施工。全隧月均成洞200.13m。施工期间共出现单口月百米以上成洞40个。1993年度全隧成洞3524.65m，其中二、三季度均完成成洞1000m以上。云台山Ⅰ线隧道1997年被评为铁道部优质工程。云台山Ⅱ线隧道于1994年6月开工，1996年8月竣工，仅用2年零2个月的工期便完成了，较施组工期提前1年。从开工到完工，全隧平均月成洞327.12m，最高月成洞达到801.54m，斜井工区曾连续5个月突破200m成洞，最高达月成洞260.36m。并列入了申报部优工程项目。 2五指山隧道 2.1工程简况 五指山隧道是京九铁路线上最长的隧道，穿越九莲山东段主峰，全长4455m，电气化双线断面。隧道通过段地质为白垩系上统凝灰质和钙质砾岩及燕山期中粗粒黑云母花岗岩，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段各占隧道总长的10%、15%、54%和21%。在隧道中段线路两侧分别为108、109放射性矿段，辐射强度属正常场。此外尚有地热构造带，最高温度达40度左右。隧道穿过十数条断层，对施工影响较大的是F9、F10断层，断层及影响带宽110m。全隧昼夜涌水量约12000t。 2.2施工方案和施工方法 由于京九线南段工期的要求和隧道中部不良地质和放射性有害物质的因素，五指山隧道的施工采用进出口加平行导洞的方案。其中进口平行导洞长1860m，出口平行导洞长2010m。 正洞进口采用一台进口H178型三臂台车钻孔，出口采用一台进口H177二臂台车钻孔并辅以“多功能 台架”手持风钻，土洋结合“套打”办法，非电系统爆破，根据地质情况进行全断面或微台阶开挖。初期支护为喷锚结构，洞口和软岩地段按设计加钢筋网和钢格棚支撑，使用潮喷机。装碴用轮式ZL40B装载机，出碴用20t自卸式汽车无轨运输。后部隧道铺底、仰拱作业采用左右分边进行，以不间断洞内运输。隧道衬砌使用6m3混凝土运送汽车，将熟料运送入泵，再浇入钢模板衬砌台车。隧道进、出口平导采用人工手持风钻凿孔，非电系统爆破，喷锚支护，L120立爪装碴，8t电瓶车牵引8m3梭式矿车有轨运输。 2.3施工绩效 五指山隧道于1993年5月开工进洞，1995年7月建成，工期2年零2个月，比合同工期提前1个月，施工过程中共出现31个单口月百米以上成洞，特别是出口工区，采用“多功能台架”和进口凿岩台车联合作业的“套打”工艺，1994年7月～12月连续6个月实现双线成洞在150m以上。1998年，该隧道工程已获国家鲁班奖。 3米花岭隧道 3.1工程简况 米花岭隧道位于南昆铁路中段，穿越九巍峨山系主峰，全长9392m，是南昆铁路线上最长的单线隧道。洞身通过地质为三迭统板纳组和木兰组的泥岩、砂岩夹泥岩，断层16条。隧道通过段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩分别占隧道总长度的12%、40%和48%。全隧涌水量约每昼夜17000t。 3.2施工方案和施工方法 隧道施工采用进出口加平行导洞和两个中间斜井的方案。出口平行导洞3024m，斜井452m，20°倾角。 米花岭隧道出口工区和斜井工区的正洞开挖方法有三种：全断面法、下导洞先行全断面扩大法和上下台阶法。其最突出的特点是充分利用平导横通提前进入正洞进行下导坑开挖，然后进行全断面扩挖。斜井施工进入正洞后先是上、下台阶法开挖施工，仅掘进600m后便改为下导洞施工直止隧道贯通面分界点。有下导洞的全断面扩挖总计3615m，占全部施工区段5099m的71%，导洞开挖凿岩用手持风钻，全断面及扩大开挖凿岩用进口TH568门架式四臂台车，非电系统爆破。装碴用进口KL20ES挖装机和L120立爪，出碴用12～16t电瓶车牵引8～14m3梭式矿车运输、初期支护为喷锚结构，软岩和洞口段按设计加钢筋网和钢格栅支撑，使用进口阿立瓦湿式喷射机和机械手进行喷混凝土作业。隧道铺底、仰拱作业超前。隧道拱墙衬砌用进口混凝土搅拌站，自动计量，电瓶车牵行6m3轨行式混凝土运送车至混凝土泵，浇入钢模板衬砌台车。 3.3施工绩效 米花岭隧道于1993年8月开工，由于遭受洪水灾害，道路被中断，施工无法进场而误工。直到1994年5月施工才走入正常。1996年9月全隧竣工，较施组工期提前4个月完成。施工中曾出现25个月百米以上成洞，其中1994年9月～1995年9月连续13个月成洞在150m以上，尤其1994年9月～1995年元 月连续5个月成洞在200m以上。1994年12月份曾实现有下导洞的全断面扩挖429m。多次得到铁道部南昆指挥部的表彰并获得“优质样板工地”的称号，为中铁工程总公司优质工程，并列入了申报部优的工程项目。 4水泉湾隧道 4.1工程简况 水泉湾隧道位于朔黄铁路线上，为电气化双线断面，全长4925m。隧道通过地区为滹沱河右岸高纵阶地，出口段为第四系上更新统冲积层，主要是卵石土，长达200m。洞身穿越地层为奥陶系灰岩和泥质条带灰岩，寒武系泥质长带灰岩、页岩和粉砂岩，长城系白云岩。褶皱、节理十分发育。隧道围岩Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类分别占隧道总长的4%、45%和51%。洞身与白家庄向斜正向交会，为一主要储水构造，地下水丰富。隧道涌水量约每昼夜30000m3。 4.2施工方案和施工方法 水泉湾隧道采用进、出口和中部横洞的施工方案。由于地形条件限制，横洞位臵偏离隧道中部，距隧道进口3239m。横洞总长约160m，断面为高6m、宽6m。隧道进口至横洞3239m是整个隧道施工工期的控制部位。 隧道开挖在Ⅱ类围岩中采用上、下半断面分部进行；在Ⅲ类以上围岩段主要采取微台阶和全断面法。在初期的全断面开挖施工中，钻孔采用“多功能台架”与多臂台车联合作业、人机“套打”的方式，后来全部使用“多功能台架”手持风钻凿岩。爆破使用非电系统起爆。装碴用轮式ZL40B装载机，运碴用20t矿用自卸汽车。隧道初期支护为喷锚结构，洞口及软岩段按设计设臵钢格栅支撑和钢筋网，使用潮喷机进行喷射混凝土作业。隧道铺底、仰拱混凝土作业采用左右分边，交替进行隧道衬砌作业使用洞外自动计量拌合站，熟料入5m3运送汽车运输入泵，浇入钢模板衬砌台车。 4.3施工绩效 水泉湾隧道于1997年8月正式开工进洞，至1998年10月主体工程建成，共用了1年零3个月的时间，较合同工期提前半年以上。施工过程中共出现单口月百米双线成洞23个，其中1998年4月～1998年6月进口工区和横洞工区都出现了连续3个月单口成洞200双线m以上，全隧连续3个月成洞500m以上。1998年一、二季度分别完成成洞1027m和1638m。水泉湾隧道从开工到完工月均成洞328.3m。被建设和监理方评为“优质样板工地”。誉为“速度快捷，质量上乘”；被专家们称赞为“国内隧道建设史上的奇迹”。 5范例分析 以上隧道工程范例，从地理环境、地质条件、工程规模和施工组织等各方面来看，既有典型性，更具代表性。 (1)云台山Ⅰ、Ⅱ线隧道和米花岭隧道都是铁路单线隧道，施工中皆采用有轨运输方式，施工设备实现了单线有轨系统化配套。但米花岭与云台山又各有不同。米花岭单线隧道有轨系统是进口设备与国产设备的组合。关键设备是进口的，国产设备作补充。而云台山隧道有轨系统全是国产设备，其中还有一些非标产品是工程处修造厂自己研制的。实践证明，米花岭和云台山Ⅱ线两种单线隧道施工设备配套模式都很成功。比较而言，云台山Ⅱ线隧道施工配套模式更具有切合国情的现实意义。 (2)五指山隧道和水泉湾隧道都是铁路双线隧道，施工中皆使用无轨运输方式，施工设备实现了双线隧道无轨系统化配套。这种无轨系统虽然仍是80年代大瑶山隧道施工设备的配套模式，但内容已大不相同，除某些时候仍使用原有的进口多臂凿岩台车外，其它设备已经国产化。 (3)云台山Ⅰ线隧道、米花岭隧道和五指山隧道的施工方案中都有平行导洞，可以利用平行导洞超前探明地质、加固地层、绕道运输、改善通风、排水以及增加正洞施工工作面，等等。在这些工程上，对平行导洞的综合利用都是比较充分的。 (4)云台山Ⅱ线隧道和水泉湾隧道的施工方案没有平行导洞，隧道铺底、仰拱作业与运输干成问题显得比较突出，施工通风和排水难度较大，需要采取一些工程措施才能解决。云台山Ⅱ线隧道比较好地解决了运输与铺底、仰拱作业的互相干扰。水泉湾隧道很好地解决了通风、排水问题。 (5)云台山Ⅱ线隧道的斜井工区和水泉渗隧道的横洞工区在整个隧道的施工当中起到了较大的作用。由于计划周密，组织合理，使它们较好地发挥了“双工作面”的优势。其中云台山隧道斜井工区完成了全隧43.37%的工作量，水泉湾隧道横洞工区完成了全隧44.67%的工作量。以往类似的长大隧道施工中是很少有的。 6体会和认识 6.1注重调查研究，优化施工组织，是做好工程的前提。 认真审阅施工图纸，明了技术要点，领会设计意图；亲自勘察现场，掌握地形特征，熟悉周围环境；做到心中有数。编制实施性施工组织，着重要解好三方面的问题： (1)选择合理的施工方案和确定恰当的施工方法。 (2)精心做好施工场地平面布臵和充分开发利用有效资源。 (3)重视隧道施工通风和排水方案，营造文明施工的有利条件。 6.2坚持科学技术进步，增强施工综合实力，是做好工程的根本。 多年来隧道局坚持以科学技术进步为先导，促进我国隧道和地下工程事业的发展，以增强施工综合实力为基础，争建更多的全优工程。要求凡在建工程必须有创优规划。提出相应的创优目标。从工程范例中可以知道： (1)集中体现了隧道施工中各项先进技术和工艺。 (2)在生产实践中要善于集中群众的智慧，重视技术革新和推广运用。 (3)突出快的特点是形成了比较完整的生产作业线和具有较强的科技攻关能力。 6.3改革施工管理体制，建立新的生产秩序，是做好工程的关键。 6.4建设、设计、监理和施工各方的密切配合和协作，是做好工程的保证。 思考题 1.影响隧道围岩分类的主要因素有哪些？我国隧道围岩是如何进行分类的？ 2.何为围岩压力？隧道围岩压力如何确定？ 3.说明山岭隧道曲墙式衬砌和直墙式衬砌的计算原理，并绘出计算简图。 4.简述锚喷支护的种类、原理、结构。 5.简述新奥法的基本概念及新奥法中围岩与支护共同作用的原理。 6.矿山法修建隧道的基本方法主要有哪些？各有何特点？适用条件如何？ 7.矿山法修建隧道的工作内容主要包括哪些？ 8.山岭隧道施工辅助作业包括哪些内容？施工辅助坑道有哪些？ 3 软土隧道工程 软土道路隧道主要是城市主要道路干线需要克服江河、海峡等障碍而修建在土层中的隧道。 软土道路隧道的结构设计必须要与具体的工程条件、施工方法相适应，软土道路隧道的施工方法又要与具体施工条件、施工技术相匹配。 3.1 盾构隧道 盾构是一种钢制活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底以及城市中心地区修建隧道的一种机械。 盾构法施工隧道是在地表以下土层中暗挖隧道的一种现代技术。用此法修建地下隧道至今已有170余年历史。 1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法(借助罗德发明\"气压法\"辅助排水)修建了长458m的矩形隧道（38×22ft）。 我国于1956年在海州露天矿采用直径2.66m的盾构在砂土层中开凿了疏水巷道。1965年上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘进了长度1322m的打浦路水底公路隧道。目前盾构施工技术 已在我国得到普遍应用。 3.1.1 盾构构造与分类 1.盾构的基本构造 盾构的基本构造通常由盾构壳体、推进系统、出土系统、拼装系统等四大部分组成。 ⑴盾构壳体 盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板等组成，并由外壳钢板连成整体。 盾构盾尾是由盾构外壳钢板延长所构成，主要用于掩护隧道衬砌的拼装工作。在盾尾末端设有密封装 置，以防止地下水、外层土、衬砌背面压浆之浆液等流入隧道内。 ⑵推进系统 盾构的推进系统主要由盾构千斤顶和液压设备组成，并利用千斤顶上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的，盾构千斤顶沿支承环圆周均匀分布。 盾构的推进必须要求千斤顶具有足够的力量用以克服盾构推进过程中所遇到的各种阻力。 盾构推力的大小主要由如下因素决定： 盾构壳体与土之间的摩擦力； 工作面推进阻力； 推进中切口插入土中的阻力； 管片与盾尾的摩擦阻力等。 此外还有转向、纠偏、防偏转的稳定装置，挡板等的阻力和后车架的牵引阻力等。 一般来说，把考虑以上因素的计算数值再乘以2倍的安全系数所得的值作为盾构的推力。盾构千斤顶总推力FJ可根据经验公式求得： FJPJD24 式中 PJ—开挖面单位截面的推力，按经验可取 0.7~1.2kN； D —为盾构外径，m。 ⑶出土系统 ①土体的切削装置 盾构类型的不同，其土体切削装置也不一样。 ◆早期盾构主要以人工挖土为主； ◆目前盾构主要以刀具切削土体为主。 切削刀盘与切口环的位置有三种布置方式,切削刀盘的正面形状，较多地采用三种形状。 ②土体的运输装置 螺旋输送机是目前盾构内土体运输的主要装置。被切削下来的土体，通过搅拌，必要时加入作浆材料，利用螺旋输送机将土体运出。 螺旋输送机将土体运出后，在盾构外可使用多种形式的运输方式，一般有有轨运输、无轨运输和管道运输等。 ⑷拼装系统 盾构隧道在开挖后，使用拼装系统进行衬砌。管片拼装器是拼装系统的主要设备。 管片拼装器必须具有夹钳、使管片位置伸缩、前后滑动、旋转等4个功能。 常用的有杠杆式拼装机和环式拼装机两种。 2.盾构的分类 盾构的型式及适用条件 挖掘方式 构造类型 盾构名称 普通盾构 开挖面稳定措施 临时挡板、支撑千斤顶 将开挖面分成几层 附以压气、人工井点棚式盾构 敞 胸 的摩擦 人工开挖 利用土和钢制网状 （手掘式） 网格式盾构 格栅的摩擦 胸板局部开孔，依靠盾构千斤顶半挤压盾构 闭 胸 全挤压盾构 推力，土砂自然流入 胸板无孔、不进土 手掘式盾构装上 敞 胸 半机械式 手掘式盾构装上 闭 胸 旋转式盾构 软岩掘进机 旋转刀盘式盾敞 胸 构 多刀盘加面板 面板和隔板间 局部气压盾构 加气压 机 械 式 泥水加压盾构 闭 胸 加压力泥水 面板和隔板间充满土砂 土压平衡盾构 容积产生的压力与开挖 面处的地层保持平衡 淤泥、淤泥混砂 另设辅助措施 层、洪积层 面板和隔板间 含水地层、冲积 另设辅助措施 含水松软地层 不再另设辅助措施 单刀盘加面板 软岩 另设辅助措施 软岩 反铲式盾构 反铲挖土机 开挖面能自立 另设辅助措施 粘性土 淤泥 土质坚硬、稳定 软土、可塑的 粘土、淤泥 固措施 利用砂的安息角和棚 砂性土 降水及其它地层加适用地层 稳定及松软地层 备 注 ⑴人工开挖盾构 ①一般手掘式盾构 ②挤压式盾构 挤压式盾构分为全挤压式和局部挤压式两种。 ③网格式盾构 ⑵半机械式盾构 半机械化盾构是在手掘式盾构的正面装上挖土机械，以代替人工开挖。这种盾构造价比机械化盾构低廉的多，效率也较高，宜用于良好的地质条件。采用何种掘进机械根据地质条件确定。为使开挖工作面保持稳定，应考虑配合使用其它的地层加固措施。 ⑶机械式盾构 机械式盾构是在盾构切口环部分紧贴开挖工作面装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。 机械式盾构的型式较多，有单轴式、双轴式、多轴式等，一般多用单轴式，根据地质条件好坏，刀盘可分敞开形和封闭形。 目前，主要的机械式盾构有局部气压盾构，泥水加压盾构和土压平衡盾构。 ①局部气压盾构 在开胸机械式盾构的切口环和支承环之间装有密封隔板，使切口与此隔板之间形成一个密封舱。舱内通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，达到稳定开挖的作用。 ②泥水加压盾构 泥水加压盾构法施工，就是在盾构开挖面的密封隔舱内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。 泥水加压盾构的稳定作用 泥水加压盾构是利用了泥水的特性对开挖面起稳定作用的。当盾构密封舱内泥水压力大于水压力时，就能保持开挖面的基本稳定条件，另外泥水在开挖面表层形成一层不透水的泥膜，也能起保持开挖面稳定的作用。 泥水循环 泥水循环中的泥水的作用包括平衡压力、形成泥皮保护层和排渣。 ③土压平衡盾构 土压平衡盾构是在切口环与支承环间设有密封隔板形成密封舱。盾构推进刀盘入的土体进入密封舱内，同时在舱内注入“作浆材料”，经叶片强制搅拌，形成一种可流动而不透水的浆化泥土，充满密封舱及螺旋输送机，依据浆化泥土的压力与土体静压及水压平衡，由土腔内的螺旋输送机控制出土。 3.1.2 盾构隧道施工作业 1.施工准备 盾构施工准备工作主要有盾构拼装室和拆卸室的修建、盾构基座的安装、盾构进出洞的设施、后盾管片的拼装及拆除，以及其它配合盾构施工的一些附属设施等等。 ⑴盾构拼装室和拆卸室的修建 盾构拼装室和拆卸室的修建，在不稳定地层中通常采用沉井法施工，也可采用其他特殊方法施工。 ⑵盾构基座的安装 在井内底部需构筑盾构基座以便拼装及搁置盾构，同时通过基座上的导轨使盾构获得正确的导向。 盾构基座可采用钢筋混凝土或钢结构，其表面与盾构外壳相适应。 ⑶盾构进出洞设施 盾构在出发工作井内安装完毕，所有掘进准备工作就绪后即可出洞。拆除井壁上预留的临时封门，逐步推进盾构，使盾构最终脱离工作井即算出洞完毕。 当盾构推进结束，进入接收井（即盾构进洞）时，接收井井壁也应修建供盾构进洞的临时设施，以确保盾构安全进洞。 盾构进出洞口周围土体的稳定性对保证盾构的进出洞的安全十分重要，一般都要对洞口周围土体进行加固，主要加固方法包括注浆法、旋喷桩法、冻结法、降水法、压气法、托换基础法、承压板(临时支承)法等。 ⑷盾构后座 盾构开始推进时，其推力靠工作井井壁来承担，这时在盾构与井壁之间通常采用废弃的隧道衬砌管片或以专用顶块与顶撑作为后座，以缓冲井壁受力。 ⑸盾构施工附属设施 盾构施工的附属设施主要有供电照明设备、通风及空压机房、排水泵房、涂料棚、充电间、出土运输系统及工作井垂直运输系统等。 2.盾构推进 ⑴盾构的技术性能参数 盾构外径 D 盾构外径应使盾构内径Dn稍大于隧道衬砌外径d，即盾尾处应留有建筑空隙，以满足曲线段推进或纠偏。 盾构长度 L 盾构长度等于前檐、切口环、支承环和盾尾长度的总和。 盾构灵敏度 L/D 小型盾构： D=2~3m， L/D=1.50 中型盾构： D=3~6m， L/D=1.00 大型盾构： D=6~9m， L/D=0.75 特大型盾构： D＞9~12m，L/D=0.45~0.75 盾构千斤顶推力 FJ 大小约为几千至几万吨左右。 ⑵盾构推进 ①手掘式敞胸盾构施工 手掘式敞胸盾构施工过程： 借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地层； 在切口环保护下从上而下分层开挖(也可分成几个工作室)和运输，根据衬砌管片宽度和盾构切口长度，每环管片分数次开挖和推进； 开挖尺寸够一个管片宽度时，停止开挖，收缩千斤顶，进行管片拼装工作； 继续继续推进和开挖。 开挖中盾构纠偏利用超挖解决，土质差时可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。 施工中，可配合人工井点降水或气压来排除地下水或稳定开挖面。若为网格式盾构，可借助地层正面主动土压力与土和网格周边的摩阻力相平衡的原理，维护开挖面稳定。 ②泥水加压盾构施工 泥水加压盾构推进时，依据千斤顶的推力将盾构推进，推进时刀盘切削泥土，切削下来的泥土进入密封舱，经刀盘本身及搅拌器与工作泥水混合，使泥水比重增加，变稠了的泥水再用泥浆泵排出，送至地面进行泥水处理。 泥水加压盾构开挖、出土机械化，并实现了开挖面的全封闭施工，确保了开挖面的稳定和施工人员的安全，盾构推进的全部过程实现了机械化，减轻了工人的劳动强度，改善了施工条件，加快了施工速度。 我国上海延安东路隧道复线工程以及日本东京湾隧道均采用该泥水加压盾构进行施工，取得了良好的效果。 泥水加压盾构施工的循环液泥浆污染较为严重，在城市隧道施工中影响城市环境。因此在城市隧道建设中，该施工方法受到一定的限制。 ③土压平衡盾构施工 土压平衡盾构推进时，依靠盾构前部刀盘进行旋转切削土体，土体进入密封舱，搅拌成浆化泥土。充 满在密封舱和螺旋输送机内的浆化泥土，随着盾构稳步推进和螺旋输送机的排土，实现出土与进土的平衡以及切削工作面的土体平衡。经螺旋输送机排出的土可以用矿车进行运输。盾尾部进行衬砌管片的拼装工作以及注浆工作。盾构内部设备布置简单，开挖面稳定机制可靠，施工安全可靠，速度较快。 土压平衡盾构，克服了局部气压盾构施工对人员的危害性，避免了泥水加压盾构施工中需要设置泥浆系统的缺陷和对环境的污染问题，盾构推进实现了全封闭机械化开挖，施工安全，减轻了工人劳动强度。因而，近年来国内外普遍采用该盾构进行城市地下工程的施工。我国上海、广州地铁区间隧道普遍采用土压平衡盾构施工，取得了良好的技术经济效益和社会效益。 3.盾构的操纵与纠偏 千斤顶编组的调整－－控制方向 隧道纵坡控制－－由千斤顶编组控制 调整开挖面的阻力－－可达到纠偏目的 盾构旋转的防止－－在盾构旋转方向的反侧加压重 4.盾构隧道衬砌施工 盾构隧道衬砌采用管片拼装机进行衬砌的拼装工作。 管片的拼装可采用通缝拼装和错缝拼装两种方法。 管片的拼装程序可采用“先纵后环”和“先环后纵”两种。 管片的拼装原则是自下而上，左右交叉，最后封顶。 5.衬砌背后注浆 注浆的目的： ◆充填盾尾和衬砌之间的建筑空隙； ◆提高隧道周围土层稳定性； ◆改善隧道衬砌的受力状态，避免隧道的不均匀变形； ◆在隧道周围形成一种水泥连结起来的地层壳体，增强衬砌的防水效能。 注浆的方法： 一次压注 当地层条件较差，盾尾空隙一出现就会发生坍塌时，随着盾尾的出现，立即压注水泥砂浆，并保持一定压力。 二次压注 盾构推进一环后，立即通过管片注浆孔向衬砌背后压注石英砂或卵石，防止地层坍塌。继续推进5～8环后，进行二次压注，注入以水泥为主要胶结材料的浆体，使之固结。 3.1.3 盾构隧道衬砌结构及设计计算 1.盾构隧道衬砌结构 ⑴盾构隧道衬砌的断面形式 矩形、圆形、椭圆形、拱形、 ⑵装配式衬砌管片 管片定义： 隧道衬砌中采用的装配式弧形预制构件。 管片形式： 带肋的箱形管片 不带肋的平板形管片 钢筋混凝土箱形管片，钢筋混凝土平板形管片，铸铁箱形管片。 管片构造： 环宽：750～1000mm 厚度：250～600mm 分块：大断面6～8块，最多10块， 小断面4～6块，采用 4 块， 封顶管片趋向于小尺寸。 尺寸：最大弧弦长度一般小于 4 m。 管片连接： 隧道衬砌管片之间的联结有纵向和环向两个方面的连接，其联结方式可分为螺栓联结和无螺栓连接。 螺栓联结：直螺栓连接，弯螺栓连接。 无螺栓连接：球铰型连接，榫槽型连接，暗销型连接 2.盾构隧道衬砌结构计算 盾构隧道衬砌结构我国一般采用整体式圆形衬砌计算法，即把衬砌环看作自由变形的均质刚度圆环来计算。 盾构隧道衬砌结构计算结果应保证： 满足结构的强度和刚度要求； 满足管片的强度、变形以及裂缝宽度要求。 ⑴荷载计算 盾构隧道结构为圆形，为无限长物体，力学上视为平面应变问题，作用在隧道上的荷载包括： 基本荷载－保证隧道正常使用应承受的荷载 临时荷载－隧道施工时产生的荷载 特殊荷载－瞬时冲击荷载 ①基本荷载计算 衬砌拱顶竖向地层压力为： 作用于隧道衬砌上的荷载有地层压力、水压力和自重等。 拱顶部 Pv1ihi i1n 拱背部 Pv2Q 2R 地面超载： 根据实际情况及埋深而定 垂直总荷载： PvPv1Pv2地面超载 侧向水平均匀土压力为： Ph1Pvtan2452Ctan45 22 侧向三角形水平土压力为： Ph22Rtan2452Ctan45 22 水压力 顶部水压力： qw' = γwH 底部水压力： qw\" = γw(H+2R) 侧向水压力： pw = γw [H + ( 1– cosθ )R] 衬砌自重 gFh1 b 衬砌拱底反力 qPv1Pv2g ②施工阶段临时荷载计算 2Rw 衬砌拼装完成，衬砌在自重作用下，按自由变形圆环进行验算。 当0时 gR2 Msinsin(1.5sincos)cos sin NgRsinsin(0.5sincos)cos sin 当时 gR2 M()sinsin()1.5sin()coscos sin NgR()sinsin0.5sin()coscos sin 盾构推进阶段，所有千斤顶产生的盾构总推力作用在衬砌环缝面积上，需要进行验算。 衬砌建筑间隙压注阶段，在向衬砌背后的建筑空隙内压注浆液时，注浆压力集中、过大均引起圆环变形和局部集中应力，甚至导致封顶楔形管片的滑移。因此必须对压力进行一定的控制和验算。 ②特殊荷载阶段 当隧道具有特殊用途，或者需按战备防护等级，或者考虑地震力的作用时，需要进行特殊荷载计算。特殊荷载的计算一般考虑一个安全系数。 ⑵结构计算 ①衬砌按自由变形圆环计算 当地层对衬砌结构的弹性抗力很小，衬砌圆环可按自由变形圆环计算。一般采用弹性中心法。 首先求出未知力x1与x2： x110Mpd， x21Mpcosd 0R 进而可得衬砌结构任一截面的弯矩和轴向力： MMpx1x2Rcos NNpx2cos 用上述计算方法可得出在各种荷载作用下所产生的任一截面的计算公式。 实际计算时，可将半个衬砌环分成九个截面，按计算式计算各截面的内力。 ②假定土体介质有侧向弹性抗力的圆环内力计算 一般可假定地层侧向抗力的分布区为三角形、或二次或三次抛物线等形式进行计算。 当各个工作阶段的内力计算完毕，并进行内力组合，得出圆环上各个截面的最大内力值后，即可根据钢筋混凝土基本构件的有关知识进行衬砌的截面设计。 3.1.4 盾构隧道辅助施工技术 1.盾构出洞、进洞的土体加固技术 ⑴盾构出洞的土体加固 当盾构机在工作井调试结束，转入正常施工推进时，需拆除临时封门支撑，这时必须保证洞口附近土体的稳定。 洞口附近土体加固方法主要有：气压法；注浆法；高压喷射法；冻结法；板桩法结合注浆法；降水法 土体加固实例1：宁波北仑电厂取水隧道盾构出洞冻结加固。 土体加固实例2：日本东京环7线调节水仓隧道盾构出洞土体加固。 ⑵盾构进洞的土体加固 盾构进洞土体加固基本与出洞洞口加固方法雷同。采用垂直冻结管的全断面冻结，并控制冻结范围到最小程度，是冻结法加固的主要方式和原则。采用水平圆筒型的冻结方式。会要求更高的施工精度和冻结工艺水平，但它却经济有效。 土体加固实例：上海延安东路隧道复线盾构进洞前冻结加固。 ⑶洞口土体加固设计 ①自由支撑厚板计算方法 当洞口以砂质土为主，采用注浆或冻结法加固的土体呈板块形式，此时加固土体可视为厚度为h的周边为自由支撑的厚板。采用以下步骤计算： 计算洞口水土压力P： PPsPw 计算加固土体厚度h： D2 h[P()/]k 212 计算剪切应力验算加固体厚度。 确定加固范围 盾构推进周围土体的加固范围是塑性松动圈。根据塑性松动圈的应力状况和破坏条件可以建立塑性松动圈半径和盾构半径及土体性质之间存在的关系： lnRRHclna 2C2C 由此可求得塑性松动圈半径R，如计入安全系数及土体破坏范围等因素。则在化学浆液加固条件下应加固的范围如下： 土体化学浆液加固的最小厚度 D B D＜1.0 1.0 1.0≤D＜3.0 1.0 3.0≤D＜5.0 1.5 5.0≤D＜8.0 2.0 H1 H2 1.0 1.0 1.5 1.0 2.0 1.0 2.5 1.5 在应用冻结加固的情况下，为了封堵流水，具备一定强度的冻土范围应满足图示的尺度。 一般应使f=h/2，另外冻结管的长度应达到足够的土层深度，即f '≥2.5m。 ②圆筒型加固体计算方法 如加固体呈水平圆筒型，盾构进出洞时在圆筒加固体的保护下穿行，这使冻结法加固的技术经济效果大为提高。 根据圆筒壁厚度与圆筒内半径的比值大小不同，圆筒型冻结加固体厚度的计算可以分为两种情形： 当圆筒型冻结加固体壁厚h与内半径r的比值h/r<1/10时，截面上的应力分布大体均匀，可按照薄壁筒理论计算； 当圆筒型冻结加固体壁厚h与内半径r的比值h/r>1/10时，截面上的应力分布不均匀。此时浅部的结构物一般按弹性厚壁筒计算壁厚，以其截面环内缘的最大切向应力控制。 ③防止整体滑移失稳的计算方法 隧道洞口处于含水的粘土层中，此时应保证在仅有土体的内聚力情况下，能防止土体的整体滑移失稳。其平衡条件为： k(MsMd)MrMr Ms为洞口每米宽度的上部覆土所产生的下滑力矩，Ms=γHD2/2 Md为洞口每米宽度土体滑移圆弧线土体下滑力矩，Md=γD3/3 Mr土体加固前的抵抗力矩，Mr= CπD2/2 ΔMr土体加固之后增加的抵抗力矩，ΔMr = ΔCθD2 其中 (kMsdMr)/CD2 得：hDsin 2.盾构隧道衬砌防水 隧道建造在含水地层中，必须解决好隧道衬砌的防水问题。除提高管片材料自身抗渗性和制作精度外，隧道防水抗渗主要从接头的密封来加强。 ⑴接头密封条 接头密封条用的是橡胶沥青密封条，厚3mm，压缩后到1.5mm，靠加热粘接在管片上，用在无螺栓的钢筋混凝土管片衬砌中。 ⑵弹性密封垫 弹性密封垫是预制的成品，嵌置在接头面上专设的密封垫沟槽内，其型式主要有： 硫化橡胶类弹性密封垫 复合型弹性密封垫 灌注密封剂 施工时通过灌注孔将合成树脂类密封剂，沿着管片的预留灌浆孔压注入环纵缝中。依靠它与孔壁的粘结力密封接缝，起到止水作用。 嵌缝填料 填料不受接头形状限制，要求具有良好的不透水性、粘结性、耐久性、延伸性、耐药性、抗老化性和适应一定变形的弹性，与潮湿的混凝土结合好，具有不流坠的抗下垂性等。 螺栓孔防水 一般采用合成树脂或天然橡胶、聚乙烯等作成环形密封圈垫，螺栓拧紧起密封作用。 其它防水措施 在管片背面涂刷防水层。 3.盾构隧道施工地表变形 采用盾构法建造隧道，地表变形与隧道所处地质特征、隧道埋深、隧道直径、盾构施工方法，压浆工艺、地面建筑物基础的形式等密切相关。 ⑴地表变形的原因 隧道开挖破坏了土层原来的平衡状态。另外，水位的变化导致土中原始应力状态的改变。造成土体变形和地表下沉。 施工中降低水位形成漏斗状曲面，产生固结沉降。 盾构施工开挖面土体受到扰动而使土体移动，导致盾构前方地表沉降或隆起，破坏土体结构。 盾构在曲线段施工，纠偏工作对土体产生扰动。 盾尾环形空隙中压浆会造成盾尾后隧道周边土体失去原始平衡状态，土体发生移动从而引起地表沉降。 构法施工时导致地表变形，是一个综合性的技术问题，目前尚需进一步地研究。 ⑵地表变形的规律 在饱和软土地层中采用盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形的一般规律如图。 根据理论分析(Peck法和有限元法)，当盾构施工时，其横断面方向变形范围基本上接近土的破坏棱体。当两个盾构施工时其破坏角约在45°～47°之间。 ⑶地表变形的控制 对地表的沉降的控制。其一般措施如下： 施工中采取合理的正面支撑以保证开挖面土体的稳定。 尽可能采用技术较先进的机械盾构。如泥水加压式盾构和土压平衡系盾构等，尽量不改变地下水位，减少对土体的干扰，另外还对开挖面附加一定压力，以防开挖面的坍塌。 盾构施工过程中，严格控制开挖面的挖土量，防止超挖。 隧道曲线段施工纠偏推进时，应限制每环的纠偏量，并尽量减少开挖面的局部超挖。以控制纠偏推进时的地表下沉量。 减少盾构在施工中的停搁时间，提高盾构的施工速度。 加强盾尾衬砌后面环形间隙的充填措施。 加强地层勘察，加强地面观测，敏感建筑加强措施预以保护。 4.盾构隧道沉降 盾构隧道沉降的主要原因： 盾构掘进时，正面土体失去平衡，向盾构内产生流动，盾构隧道正面土层的松懈及扰动； 盾构推进时，盾壳与地层摩擦剪切引起土体扰动，纠偏时扰动更大； 盾构外径与衬砌外径之间的环形空间充填不密实，特别是隧道底部充填不密实引起隧道的下沉； 盾构法隧道开挖过程, 地下水位发生变化, 加速隧道底部的固结沉降，随着时间推移而逐渐减小，进而趋于稳定。这一状况是隧道沉降的普遍规律； 隧道衬砌结构及接缝防水处理不当，或施工质量差而出现隧道的渗漏点，导致底部水土流失，而使 隧道出现严重不均匀沉降。 为了防止由于隧道下沉而使竣工后的隧道高程偏离设计轴线, 影响正常使用, 可根据具体情况按地层条件等估计一个可能的沉降值, 施工时适当提高隧道施工轴线，以使产生沉降后的轴线接近于设计轴线。 3.2 明挖隧道 在城市建造埋置深度较浅的隧道，尤其在水底隧道两端河岸段，常采用明挖法建造，故称明挖隧道。 明挖法又称为为基坑法。它是按照隧道的宽度和高度，包括必要的施工余量，从地面开挖出一个基坑， 并在其中修筑钢筋混凝土结构的方法。目前一般认为，明挖法开挖的合理经济深度为5～10m，有时根据地质条件和施工能力也可达十几米甚至二十几米。 明挖隧道结构型式很多，大体可归纳为直墙拱，单跨、双跨或多跨短形闭合框架等几种。明挖隧道断面型式多采用矩形，以提高断面的利用率。 目前在我国，明挖法隧道施工的一般程序是：测量定位→挖表层土→打桩(护坡桩)→打降水井点管→路面开挖→设置支撑防护与开挖→开挖至设计标高→基坑底部处理→隧道结构物施工→回填土→拔井点板桩→恢复路面。 3.2.1 基坑的支护设计与施工 1.基坑的形式 基坑通常有放坡开挖和直槽支护基坑之分，此外根据基坑边坡的支护形式又有板桩支护基坑、锚喷网支护基坑、冻结法维护基坑和利用混凝土连续墙起维护稳定作用的基坑。 2.基坑支护结构 ⑴桩板式支护结构 桩板式支护结构由工字钢桩、木挡板、腰梁(导梁)、顶撑或拉锚等组成。坑壁土侧压力由木挡板传至工字钢桩，再通过腰梁传至顶撑或拉锚。 ⑵锚喷网支护结构 锚喷网支护通常由三部分组成，即锚杆、混凝土喷层和排水设施。 对于锚杆，常用变形钢筋和砂浆组成的钻孔注浆锚杆。施工程序是先在土中成孔，置入钢筋，然后沿全长注浆填孔，砂浆凝固使锚杆体与土层凝固为一个整体。 在非饱和土中，锚杆长度L与支护高度H的比宜在0.6~1.0范围内，顶部锚杆比值不宜小于0.8；在饱和软土中，其比值宜取1.5~2.5。锚杆间排距在非饱和土中为1.2~1.5m左右；软土可小于1m。倾角在支护变形小时为0~5°，稳定性要求高时可取较大倾角，但不宜超过15°。 对于混凝土喷层，临时性支护厚度为50～80mm，加一层钢筋网，钢筋直径6～8mm，网格为200～300mm。 对于永久性锚喷网支护，喷层厚度需要加厚到150mm，且需要分层喷射施工。 3.基坑支护结构计算或稳定性验算 ⑴支护结构的荷载 作用在支护结构上的荷载主要是土的侧向压力，及其破坏土体上方的附加荷载所产生的侧压力。 土压力分布情况比较复杂，难以精确计算。一般以库伦公式或朗金公式求解。 ⑵放坡开挖边坡稳定性计算 ①无粘性土边坡稳定性计算 无粘性土边坡位于较坚硬的地基上，边坡滑动面常为平面形式，在无渗流情况下，边坡平面滑动安全系数为：Ktan tantan 2tan 当无粘性土边坡表面有地下水溢出，它的稳定性将下降，此时边坡稳定安全系数为：K ②粘性土边坡稳定性计算 粘性土的边坡稳定性计算，在工程设计中常假定滑动面为圆弧面，并且较多的采用瑞典条分法进行分析。滑动圆弧稳定安全系数为： K(clWcostan) Wsiniiiiiii 该稳定性分析计算方法，应用时间较长，积累了丰富的工程经验，一般所得安全系数偏低，即偏于安全，目前是工程中常用的方法。 ⑶单层板桩墙式支护计算 单层板桩墙式支护破坏的几种情况： 当板桩入土深度不足或坑底过于软弱，很可能发生板桩绕锚拉点(或横撑支点)转动，桩底翘起。 当板桩断面尺寸不足，跨中弯距大于板桩抗弯能力，导致板桩变形，甚至丧失稳定，使边坡破坏。 当锚杆拉力不足或锚锭距离太短时，板桩向前倾倒，墙后地面开裂，边坡失去稳定。 根据板桩入土深度的大小，以及板桩在土层中承受土压力作用后产生的变形，一般分两种情况： 情况一：当入土深度较浅时，板桩入土部分看作自由支承，上端的顶撑或锚索可视为简支。这时墙后的土压力为主动土压力ea，墙前为被动土压力ep。 板桩稳定时，由ΣMA=0，可求得所需的最小埋入深度t。 由ΣH=0，可求得作用在A点的锚杆拉力Ra。 然后根据求得的t、Ra值，可求出其最大弯矩值Mmax，并以此来选择板桩截面。 情况二：当打入深度较深，认为板桩的入土部分能比较牢固地嵌固在土层中，则板桩下端起固定端支承作用。而上端有拉锚或顶撑时，则视为简支端，可采用相当梁法计算。 首先求出y的长度，确定C点的位置。从而可求出顶端A处的反力Ra及简化在C点的相当梁反力p0。并可以进一步根据p0求出板桩的入土深度t0。 取实际板桩的入土深度t=(1.1~1.2)t0。 由于相当梁法求得的跨中弯矩比实际大得多，因此取(0.6～0.8)Mmax来选择板桩断面。 ⑷桩扳式支护结构计算 桩板式支护结构土压力不能按延米计算,坑底以上以l范围计算每根桩的主动土压力，坑底以下则以桩的翼缘宽度b来计算主动土压力。 桩前被动土压力计算应考虑到被推挤的土体土粒之间有内聚力和摩擦力的作用。滑动破坏棱体呈楔形，所求得的被动土压力，应乘以土体抗力增加系数m。 桩板支护结构工字钢所承受的土压力分布如图。 由ΣMT=0，可求得t。 由ΣH=0，可求得R。 再以工字钢桩作为简支梁，求最大弯矩Mmax，可选择工字钢型号。 支护结构中的木挡板、腰梁、顶撑以及锚系结构，可以根据桩板计算结果，根据其受力特点进行设计计算和选型。 ⑸锚喷网支护的稳定性计算 锚喷网支护结构的稳定性主要包括两个方面，一是锚喷网支护的体外破坏，即外部稳定性；另一方面是锚喷网支护的体内破坏，亦即内部稳定性。 锚喷网支护的体外破坏是指整个支护作为一个刚体发生沿支护底面滑动，绕支护面层底端倾覆，连同周围基底深部土体滑动等现象。前两种破坏方式可按重力或挡土墙进行验算，第三种破坏方式可参照边坡稳定性的方法进行验算。 锚喷网支护结构的内部稳定性可采用极限平衡法进行分析，支护土体破坏面的形状可假定为圆弧线、抛物线、双折线或直线中的一种。工程设计时，常取为圆弧破坏面，用普通条分法进行稳定性计算。 取单位长支护作计算，并假定破坏面将破坏面上的作用剪力与抗剪力对圆心取矩，得稳定性安全系数K为： K MRM [(WQ)costan(T/S)sintanc(/cos)(T/S)cos]iiijRKhijjiiRKhi][(WQ)siniii当K>1时，支护处于稳定状态，一般设计取K＝1.2～1.3。 4.桩板结构的施工 ⑴钢板桩施工 ①钢板桩施工设备 深基坑采用钢板桩支护，结构的施工主要采用机械设备进行。钢板桩的施工设备较多，按照打入方式可分为冲击式打入机械、振动式打入机械、振动冲击打桩机械和静力压入机械。 施工机械的选择一般需要考虑工程规模、土质条件、作业能力和作业环境等因数，综合考虑使选定的机械既经济、安全又能确保施工效率。 板桩施工机械的适用情况 冲击式打桩机 机械类别 柴油锤 钢 形式 板 桩 地 层 条 件 长度 软弱粉土 粉土,粘土 砂层 硬土层 辅助设施 施 发音 工 振动 条 贯入能量 件 施工速度 费用 工程规模 快 高 大工程 快 高 大工程 慢 便宜 简易工程 一般 一般 大工程 一般 高 大工程 大 一般 小 一般 一般 大 大 少 大 无 高 较高 高 小 几乎没有 所有板桩 任意长度 不适 合适 合适 可以 规模大 所有板桩 任意长度 不适 合适 合适 可以 规模大 适宜短桩 合适 合适 不适 不可以 简单 很长桩不合适 合适 合适 可以 不可以 简单 除小型板桩外 蒸汽锤 除小型板桩外 所有形式板桩 所有形式板桩 所有板桩 任意长度 可以 合适 可以 不适 规模大 落锤 除小型板桩外 振动锤 油压式压桩机 ②钢板桩施工 施工准备。 钢板桩的打入。 施工常见故障及对策。 ⑵桩板式结构施工 桩板式结构用作基坑的支护也是常用的一种方法，其施工与板桩式支护结构并无大的差异，主要要点如下： 立柱桩施工前必须检查其腰梁的槽口是否平直完整，整体是否保持直线形；施工时必须确保垂直且不能扭转，立柱间的距离要严格按设计尺寸施工。 立柱桩间的挡板要作检查，不能有裂纹，也不能腐烂或扭曲，混凝土挡板要检查是否已经发生裂纹，钢木混合挡板要保持平直等。 该类结构可与锚杆支护联合使用，施工中要注意及时进行支撑或拉锚，并可适当调节，以确保紧贴立柱桩。 3.2.2 地下连续墙的设计与施工 地下连续墙是在深基础的施工中发展起来的一种施工方法。它是以专用的挖槽设备开挖沟槽，并采用触变泥浆护壁，在槽内设置钢筋笼，采用导管法浇筑混凝土，形成一个单元槽段的混凝土墙体。依此继续挖槽、浇筑施工，连接成一道连续的地下钢筋混凝土墙或帷幕，以作为防渗、挡土、承重的地下墙体结构。 1.地下连续墙的设计 地下连续墙的设计应使墙体具有足够的强度以保证在荷载作用下墙体的安全，并使墙体具有足够的刚度以保证对附近结构物及地基不产生有害影响，同时连续墙还应保证隧道的稳定性，防止坑底隆起、管涌流沙、承压水冲溃坑底等情况发生。 ⑴作用在地下连续墙上的荷载 地下连续墙所受到的荷载主要是地面超载，以及水土压力等。 关于水土压力的计算方法目前常用的仍是朗金公式或库伦公式，另外还有共同变形理论计算方法。 ⑵地下连续墙的静力计算 常见的计算方法 地下连续墙静力计算方法 分类 假设条件 土压力已知 1 古典理论 不考虑墙体变形 不考虑横撑变形 土压力已知 横撑轴向力和墙体 2 弯矩不变化的方法 不考虑横撑变形 考虑墙体变形 张有龄法、m法 山肩邦男弹塑性法 计算方法名称 自由端法、弹性线法 等值梁法、1/2分割法 矩形荷载经验法、太沙基法 土压力已知 横撑轴向力和墙体 3 弯矩可变化的方法 考虑横撑变形 土压力随墙体变位而变化 森重龙马法 4 共同变形理论 考虑墙体变形 有限单元法 考虑横撑变形 考虑墙体变形 的弹塑性法、有限单元法 日本《建筑基础结构设计法规》 ①山肩邦男法 山肩邦男法求解的基本假定是： 在粘土层中，墙体作为无限长的弹性体； 墙背土压力在开挖面以上取三角形分布，开挖面以下取为矩形(已抵消开挖面一侧的静止土压力)； 开挖面以下土的横向抵抗反力分为两个区域；高度为l的塑性区和以下的弹性区； 横撑设置后，即作为不动支点； 下道横撑设置后，上道支撑轴力不变，下道横撑支点以上的墙体仍然保持在原来位置。 山肩邦男近似解法： 山肩邦男近似解法的基本假定是： 在粘土地层，将墙体改作底端自由的有限长弹性体； 墙背土压力在开挖面以上取三角形分布，开挖面以下取为矩形； 开挖面以下土的横向抵抗反力取为被动土压力，其中(ξx+δ)为被动土压力减去静止土压力(εx)后的数值； 横撑设置后，即作为不动支点； 下道横撑设置后，上道支撑轴力不变，下道横撑支点以上的墙体仍然保持在原来位置。 把开挖面以下墙体弯矩M=0的点假想为一个铰，并忽略此铰以下墙体对上面墙体的剪力传递。 山肩邦男近似解法的求解： 由Y=0得： 2 (1) Nk1h02kh0kxmNixm1xmk1122 由MA=0得： k1k1121 1x31(hh)x2(h)hxNhh(2) h0kh0k0m0kkkm0kkkmiikkkNi322311 计算步骤： 在第1次开挖中，k=1，Ni取零。从公式(2)中求出xm，然后代入(1)式求出N1； 在第2次开挖中，k=2；Ni中N1已知，Nk即为N2。仍从公式(2)中求出xm，并代入(1)式求出N2， 依次类推，求出各横撑轴力，就可求出墙体内力。 中国张有龄法： 考虑到我国水土压力计算图与山肩邦男解法采用的不同，有的单位依照山肩邦男的基本假定，认为在开挖面以下的水压力衰减到零，认为被动侧土抗力达到被动土压力（不考虑减去静止土压力），并以(ωx+υ)代替(ξx+δ)。 求解计算步骤与山肩邦男近似解法相同。 ②弹性法 《日本建筑基础结构设计规范》推荐的弹性法是把墙体作为无限长的弹性体，用微分方程求解。主动侧的土压力为已知并假定为三角形分布，开挖面下的墙体被动土抗力假定与墙体变位成正比，其它假定均与山肩邦男法相同。 弹性法的求解是通过推导出墙体的变形和内力表达式，然后按开挖步骤进行求解。 通过推导可得到挡土结构弹性曲线的最终形式： 对hkkx0区间： yNkA1A2A3 Nk1(yA2A3) A1 Mx(h0kx)3Ni(hikx) 61k Qx 对x0区间： yex2(h0k3)Ni 31k(AcosxFsinx) 2x Mx2EIe Qx2EIe(FcosxAsinx) 3x[(AF)cosx(AF)sinx] 弹性法的计算步骤如下： 第一次开挖时，第一道横撑作为不动支点，即取1＝y=0，亦可用结构力学求出第一道横撑支点的变位，然后求出第一道横撑的轴向压力N1和第二道横撑预定位置的变位2； 第二次开挖时，把N1和2作为定值，用公式求解第二道横撑的轴力N2和第三道横撑预定位置的变位3； 第三次开挖时，把N1、N2和3作为定值，用公式求得N3和4； 由此类推，可计算开挖到基底时挡土结构的内力和支撑轴力。 ③弹塑性法 《日本建筑基础结构设计规范》介绍的弹塑性法，认为各道横撑及墙体弯矩均随开挖及支撑工程的进展而不断发生变化。 基本假定是： 考虑支撑的弹性变化，图中以弹簧表示； 主动侧压力假定按二次函数分布； 入土部分分塑性区(区间②)和弹性区(区间③)两部分； 墙体为有限长。 求解方法 建立弹性曲线方程： d4yi 第①区间： EI4aixi2bixici dxi 第②区间： EId4ypdE4tan2(45)z12ctan(45)pk1 22d4yc 第③区间： EIEsyc 4dE2 总未知量有(5k+13)个，一般使用电子计算机进行求解。 2.地下连续墙施工 ⑴施工准备 ①修筑导墙 导墙是在地下连续墙挖槽之前构筑的引导地下连续墙施工的临时结构物。 导墙的主要作用是：给挖槽、造孔起导向作用；储存触变泥浆；维护槽口稳定，避免塌方；支承造孔机械及其它设备的荷载。 导墙的基本型式： 预制型导墙；现浇倒L型导墙；现浇北字型导墙。 ②泥浆系统 泥浆的主要成分是膨润土、水、化学掺剂和一些惰性材料。要保证泥浆具有上述作用，要求泥浆具有抗重力作用的物理稳定性；化学稳定性；适当的比重和粘度等性能。 泥浆的主要作用是： 平衡地压、稳定槽壁作用； 进行循环排碴； 冷却钻头的温升和润滑钻头， ⑵槽孔施工 ①造孔机械 冲击式造孔直接出土式机械； 抓斗式成槽机械； 回转式造孔机械。 中心提拉索式导板抓斗、液压导板抓斗、刚性导板抓斗、多头钻成槽机 ②槽孔(段)的划分与施工 槽孔(段)的划分 槽孔(段)的分段数量和长度应综合考虑，一般划分段数少，其整体性及防渗性均较好。但由于土质和机械性能特点又要求控制槽段长度不能过大。通常长度为6.0~8.0m。 槽孔(段)的施工 冲击式钻机先钻出主孔，然后用十字形钻头冲打副孔。 斗式成槽机槽段开挖和冲击式有些类似，主要是出土方法不同，有“两钻一抓”式、分条(或块)抓和先抓单号条(或块)，再抓双号条(或块)等几种方式。 回转多头钻成槽机及泥浆反循环排碴施工法，钻进和排碴同时进行，效率较高。排碴利用压气排浆泵排碴。 ⑶钢筋笼制作与吊放 因槽段内充满泥浆，无法在槽内捆扎钢筋，因而要预先将钢筋焊接或其它特殊方式绑扎组合成为桁架式的钢筋笼，然后用起重机提吊放入槽内。因此，常常需在钢筋笼中布设纵横向桁架，以使它有足够刚度，经得起吊放而不致变形或杆件脱落。 ⑷混凝土浇灌 地下连续墙施工混凝土是通过导管灌注的，混凝土密实性依靠其自重压力和灌注时产生的局部振动来实现。 地下连续墙混凝土设计强度不应低于C25，塌落度18～22cm；采用普通硅酸盐水泥或矿碴水泥；水灰比不大于0.6；骨料不大于25mm；水泥用量不少于每400kg/m3。 混凝土浇筑导管为内径200～300mm的无缝钢管连接而成，导管没入混凝土的深度一般应大于1～1.5m，施工中一般根据具体情况控制在2～6m内。混凝土应连续浇注。 ⑸槽段的连接与接头施工 地下连续墙各槽段之间设有连接接头，常用连接种类有： ①圆形接头管连接 ②混凝土预制板或钢板接头 ③刚性接头 3.2.3 明挖隧道衬砌结构与设计计算 1.明挖隧道衬砌结构 明挖隧道的结构型式主要有直墙拱形结构和矩形框架结构两种。 2.明挖隧道衬砌结构计算 明挖隧道衬砌结构计算通常包括三个方面的内容，即荷载计算、内力计算、截面计算。 ⑴荷载计算 作用在明挖隧道结构上的荷载可分为三类，即静荷载、活荷载和特殊荷载。 ①顶板上的荷载 作用于结构顶板上的垂直荷载包括：地面附加超载；顶扳上面的覆土；水(包括路面)和顶板自重以及顶板所受的特载。 ②底板上的荷载 作用于结构顶板上的垂直荷载包括：顶板上的荷载；顶板以下，底板以上的两边侧墙及中间隔墙等的总重；和底板上所受到的特载。 ③侧墙上的荷载 侧墙上所受的荷载有土层的侧向压力、水压力及特载。 ⑵内力计算 ①计算简图 ②计算方法 闭合框架一般可用位移法计算。当不考虑线位移影响时，可用力矩分配法，有线位移时，则可按力法—力矩分配法结合的计算方法，也可使用计算机进行计算。 在结构设计时，要注意将计算内力转换成设计内力值。 ⑶截面计算 矩形闭合框架结构的截面计算，可按偏心受压构件进行。为简便起见，通常是找出几个对构件设计起控制作用的截面进行计算。控制截面一般情况下为支座及跨中处。 若结构考虑特载作用时，应遵守人防工程规范。若静、特载同时作用时，除取安全系数为1.0外，还要考虑材料在特载作用下的强度提高等。 ⑷抗浮验算 为了保证结构不致因地下水的浮力使结构浮起，在结构上方回填土之前，尚须进行抗浮安全系数的验算。 抗浮安全系数为结构自重结构所受到的浮力之比。另外还要考虑使用阶段的抗浮安全系数。 3.2.4 明挖隧道施工辅助工作 明挖隧道施工多在软土地区，其地下水位一般都比较高，明挖隧道施工辅助工主要是地下水的处理。 地下水的处理主要有两种方法，一采用集水井明排；二是采用人工降低地下水位，通常采用井点降水。 ⑴集水井明排 直坡边沟明排，斜坡边沟明排 ⑵井点降水 轻型井点、喷射井点、深井泵井点、电渗井点。 思考题 1.盾构的基本构成及工作原理如何？ 2.简述盾构隧道的施工工艺。 3.何为管片？管片的形式有哪些？ 4.作用在盾构隧道上的荷载主要是哪些？ 5.说明常见的基坑形式和支护方式。 6.地下连续墙的设计计算有哪些方法？ 7.说明地下连续墙的施工工艺。 8.泥浆的主要成分是什么？其作用是什么？ 9.作用在明挖隧道衬砌结构上的荷载有哪些？ 10.软土隧道各类施工方法各有何特点？ 4 隧道运营管理与维护 4.1 隧道运营管理 运营管理就是通过隧道安全设施及制定的法规和管理手段，减小在隧道内发生灾害的机会和程度，保证一旦发生灾害性事故时能够及时报警或自救，将灾害的损失减小到最低程度。 1.安全管理设施 ⑴通报装置 ①按钮式通报装置； ②应急电话； ③火灾探测器。 ⑵紧急警报装置。 ⑶交通电视监视系统。 2.隧道火灾及其预防 ⑴隧道火灾产生的原因 ①隧道火灾因素必须特别引起关注的方面： 电力机车或电动车组因接触网产生电弧或火花； 内燃机车排气系统过热或飞出火花； 制动闸瓦过热与摩擦产生火花； 采暖系统过热或形成异常燃烧； 列车脱轨与隧道撞击或摩擦； 尘土、雨雪的影响，导致机车车辆电器系统绝缘不良； 旅客在车上违章吸烟。 ②火灾高发的隧道结构 隧道较长； 隧道形状复杂； 隧道容易形成低扩散区。 ③隧道火灾事故原因分析 运输管理因素 制度不严，确认不及时，司机误操作。 设备环境因素 故障或破损，货物性质易燃，存在引燃源。 ⑵隧道火灾事故的预防措施 加强危险货物列车的防火运营管理和行车安全管理 建立完善的隧道防灭火系统 加强隧道消防科学研究 4.2 隧道维护 1.隧道检查 对运营隧道的检查工作有定期检查、不定期检查和经常性检查之分。 定期检查一般每年安排一次，内容是全面的，对洞口和洞内各种建筑物的状况、可能出现的问题及运营一年来隧道的各种大小事故进行登记和分析，确定来年需要维修的工作和工作量等。 不定期检查工作主要指暴雨、地震等自然灾害过后，或隧道发生事故以后的特殊情况下进行的检查，其目的是便于及时处理出现的问题。 2.隧道清洁 隧道清洁工作是一项常规作业，如果隧道杂乱无章，没有清洁的卫生环境，那么隧道内的各项技术指标就会下降，直至影响到交通安全和降低行车能力。 隧道清洁主要包括路面的清扫工作，隧道内壁的清洗工作，和照明设施和各种指示牌、标志牌、信号灯等的经常清洁或更换。 3.隧道衬砌维护 隧道衬砌维护是指隧道投入运营后，因施工质量、自然灾害或环境等因素的影响，使隧道衬砌发生开裂、局部坍落、衬砌混凝土侵蚀破坏及漏渗水，从而影响正常使用时所采取的补救措施。衬砌维护的主要内容是漏水整治和衬砌修理两大方面。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容