土木工程基礎(chǔ)探究地下工程與隧道工程

土木工程概論第十章隧道工程及地下工程20世紀(jì)80年代國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)提出“大力開(kāi)發(fā)地下空間，開(kāi)始人類(lèi)新的穴居時(shí)代”的口號(hào)。順應(yīng)于第一時(shí)代從出現(xiàn)人類(lèi)至公元前3,023年的遠(yuǎn)古時(shí)期。人類(lèi)原始穴居，天然洞窟成為人類(lèi)防寒暑、避風(fēng)雨、第二時(shí)代從公元前3,023年至5世紀(jì)的古代時(shí)期。埃及金字塔、古代巴比倫引水隧道，均為此時(shí)代的建筑第三時(shí)代從5世紀(jì)至14世紀(jì)的中世紀(jì)時(shí)代。世界范圍礦石開(kāi)采技術(shù)出現(xiàn)，推進(jìn)了地下工程的發(fā)展。第四時(shí)代從15世紀(jì)開(kāi)始的近代與現(xiàn)代。歐美產(chǎn)業(yè)革命，諾貝爾發(fā)明黃色炸藥，成為開(kāi)發(fā)地下空間的有力武筑物與地下管線(xiàn)密集的街區(qū)，采用了淺埋明挖法施工。60年代上海修建打浦路水底公路隧道。70年代，我國(guó)修80年代上海建成延安東路水底公路隧道，全長(zhǎng)2,261m,采用直徑11.3m的超大型網(wǎng)格水力機(jī)械盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工。自1984年動(dòng)工，1989年5月竣工通車(chē)，建成了當(dāng)時(shí)世界第三條盾構(gòu)法施工的長(zhǎng)大隧道。同一時(shí)期，上海還建成電纜隧道及其他市政公用隧道等20余條，總長(zhǎng)達(dá)30余km。1985年至1987年，上海建成黃浦江上游引水隧道一期工程，日引用量達(dá)230萬(wàn)t,社會(huì)效益十分明顯。人民廣場(chǎng)地下車(chē)庫(kù)的建成，其平面尺寸達(dá)176×146m,深11m。廣州地鐵、南京地鐵等在此一時(shí)期進(jìn)入設(shè)計(jì)與施工準(zhǔn)備階段，寧波開(kāi)始了水底公路隧道的修建工作。90年代以來(lái)，我國(guó)都市地下的交通與市政設(shè)施加緊了修建速度。上海地鐵1號(hào)線(xiàn)，地鐵2號(hào)線(xiàn)已相繼開(kāi)通。我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)體系已開(kāi)始建設(shè)，多在地表至-30m以?xún)?nèi)的淺層修筑地下工程。可以預(yù)見(jiàn)伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)路隧道，長(zhǎng)14,295m,歷時(shí)6年建成；日本青函隧道，長(zhǎng)53,850m,從規(guī)劃到建成，歷時(shí)半個(gè)世紀(jì)；英法海峽隧道，長(zhǎng)50km,海底長(zhǎng)度37km,歷時(shí)7年建成；日韓隧道，長(zhǎng)250km,采用分段施工方案，其調(diào)查斜井已于1986關(guān)越隧道，它們的長(zhǎng)度均超過(guò)10km。各類(lèi)地下電站迅速增長(zhǎng)，其中地下水力發(fā)電的數(shù)目，全世界已超過(guò)400座，其發(fā)電量達(dá)45億瓦以上。地下電站的建設(shè)是個(gè)十分龐大的地下工程。原蘇聯(lián)的羅戈水電站，土石方量510萬(wàn)立方米，混凝土用量160萬(wàn)立方米，開(kāi)鑿的隧道、硐室294個(gè)，總長(zhǎng)度達(dá)62km。世界各國(guó)修建了大量的地下貯藏第一節(jié)隧道工程調(diào)查計(jì)劃技術(shù)(有關(guān)地質(zhì)、水文等的調(diào)查和預(yù)測(cè)、測(cè)量等);設(shè)計(jì)技術(shù)(指巖石力學(xué)、土力學(xué)和構(gòu)造力學(xué)、材料等);施工技術(shù)(指開(kāi)挖、運(yùn)送、支撐襯砌的施工、地基改良、為改善施工條件而采用的特生等);運(yùn)用技術(shù)(指照明、通風(fēng)、維修管理、防災(zāi)等)。最古老的隧道是古代巴比倫城連接皇宮與神廟間的人行隧道，建在公元前2160-2180年間。該斷面為3.6m×4.5m,施工期間將幼發(fā)拉底河水流改道，用明挖法建造。該隧道是一種磚砌建筑物。1895-1923年修建的穿越阿爾卑斯山鐵道隧道長(zhǎng)19.23km。目前世界最長(zhǎng)的汽車(chē)專(zhuān)用隧道是瑞士中部的圣哥達(dá)(St.Gotthard)隧道，全長(zhǎng)16.3km,隧道開(kāi)鑿時(shí)，第一次使用了硝化甘油我國(guó)最早的交通隧道是位于今陜西漢中縣的“石門(mén)”隧道，建于公元66年。是驅(qū)使3萬(wàn)奴隸挖掘，每周進(jìn)尺僅75mm。隧道施工直到19世紀(jì)才開(kāi)始采用鉆爆作業(yè)。通過(guò)一種世紀(jì)的革新，發(fā)原因確定，采用緩坡為宜。隧道的縱坡一般應(yīng)不不不小于0.3%,并不不小于3%。隧道如從兩個(gè)洞口對(duì)頭掘進(jìn)，汽車(chē)排出的廢氣具有多種有害物質(zhì)，如一氧化碳CO、氮氧化合物NOx、碳?xì)浠衔颒C,亞硫酸氣體SO?和煙二.機(jī)械通風(fēng)地鐵隧道構(gòu)造淺埋區(qū)間隧道多采用明挖施工，常用鋼筋混凝土矩形框架構(gòu)造。下圖顯示的是淺埋明挖施工的區(qū)間隧道構(gòu)造型式。(a)單跨矩形(b)雙跨矩形(c)單跨雙層(d)單拱形深埋區(qū)間隧道深埋隧道多采用暗挖施工，用圓形盾構(gòu)開(kāi)挖和鋼筋混凝土管片支護(hù)。構(gòu)造上覆土的深度規(guī)定應(yīng)不不不小于盾構(gòu)直徑。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)分析，暗挖施工時(shí)，建造兩個(gè)單線(xiàn)隧道比建造將雙線(xiàn)放在一種大斷面的隧道里的作法合理，由于單線(xiàn)隧道斷面運(yùn)用率高，且便于施工。莫斯科初期地下鐵道適應(yīng)備戰(zhàn)規(guī)定采用深埋形式，有的路段深達(dá)40～50m。倫敦地鐵有的建在30m深左右的粘土層中，運(yùn)用其不滲水的特點(diǎn)以便施工。站臺(tái)是地鐵車(chē)站的最重要部分，是分散上下車(chē)人流、供乘客乘降的場(chǎng)地。如下是三種車(chē)站斷面形式：鐵路隧道施工地下鐵道沿都市重要街道布置，在市區(qū)或市郊修建。因此，施工方案的選用應(yīng)充足考慮地鐵對(duì)都市交通、建明挖法是淺埋地下通道最常用的措施，也稱(chēng)作基坑法。它是一種用垂直開(kāi)挖方式修建隧道的措方向掘進(jìn)隧道而言)?；臃ㄊ┕な侵笍牡孛嫦蛳麻_(kāi)挖，并在欲建地下鐵道構(gòu)造的位置來(lái)路面的交通運(yùn)行。后一種基坑法也稱(chēng)為路面覆蓋式基坑法或稱(chēng)開(kāi)壕被覆法(Cutand(1)敞口放坡明挖(2)板樁法(3)地下持續(xù)墻施工法混凝土持續(xù)墻作為擋土墻起支護(hù)基坑作用，有的持續(xù)墻的頂上(或鋼板樁的頂上)加蓋鋼構(gòu)造或鋼筋混凝土(1)盾構(gòu)法(2)注漿法(3)沉管法(4)頂管法頂管法施工是在作好的工作坑內(nèi)預(yù)制鋼筋混凝土隧道構(gòu)造，待其到達(dá)強(qiáng)度后用千斤頂將構(gòu)造推頂至設(shè)計(jì)位17世紀(jì)起，歐洲修建了許多運(yùn)河隧道，其中法國(guó)魁達(dá)克運(yùn)河隧道長(zhǎng)157km。1927年美國(guó)紐約于哈德遜河底建成霍蘭(Holland)隧道，我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究用盾構(gòu)法修建黃浦江水底隧道。上海第一條越江隧道——打浦路隧道于1965年開(kāi)始施工，并于1981年建成通車(chē)。第一座沉管隧道也于70年代初期在上海建成。1982年臺(tái)灣高雄建成一條沉管水底公路隧道。80年代后期，我國(guó)都市水底隧道的修建已進(jìn)入發(fā)展時(shí)期。礦山法施工，埋深的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)依圍巖的強(qiáng)弱程度取毛洞跨徑的1.5～3倍。沉管法施工，只要滿(mǎn)足船舶的拋錨規(guī)定即可，約1.5m左右。盾構(gòu)法施工，經(jīng)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家數(shù)年研究，認(rèn)為最小覆蓋層厚度應(yīng)為盾構(gòu)直徑的1倍。但衡。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，該平衡力應(yīng)是浮力的1.10～1.15倍。檢查抗浮穩(wěn)定期，為偏于安全不計(jì)摩擦力的作用。國(guó)內(nèi)外水底隧道，尤其是河底段，多采用沉管圣比得堡卡諾尼爾水下隧道，為雙車(chē)道公路隧道，具有旁側(cè)的人行道1和通風(fēng)道2,用沉管法施工。加拿青函海底隧道是一條鐵路隧道。它穿越津輕海峽，將日本的本州和北海道連接起來(lái)海底部分23.3km,其他為陸地部分。本州與北海道之間的運(yùn)送，過(guò)去是靠船舶和飛機(jī)進(jìn)行。由于海峽氣候條件1954年9月臺(tái)風(fēng)致使5艘鐵道聯(lián)船翻船沉沒(méi)，導(dǎo)致1,400人死亡。事故使人們深刻認(rèn)識(shí)到修建青函隧道以貫穿南北鐵路的緊迫性。1964年開(kāi)始施工，1972年進(jìn)入海底段施工，歷經(jīng)23年，于1983年1月完畢貫穿。1985年建成隧道，1988年3月正式通車(chē)運(yùn)行。英國(guó)英古海峽桑加特法國(guó)英國(guó)和法國(guó)于1986年11月簽訂協(xié)議建設(shè)英吉利海峽隧道。該隧道連接英國(guó)多維爾市與法國(guó)加來(lái)市。該鐵路隧道建成后可使倫敦到巴黎的時(shí)間縮短3小時(shí)，使鐵路可與航空競(jìng)爭(zhēng)。海峽在此的寬度為36.8km,隧道長(zhǎng)度約為第二節(jié)地下工程地下電站在地面如下土層或巖體中修建多種類(lèi)型的地下建筑物或構(gòu)造的工程，可稱(chēng)為地下工程。它包括交通運(yùn)送方面的地下鐵道、公路隧道、地下停車(chē)場(chǎng)、過(guò)街或穿越障礙的多種地下通道等；軍事方面和野戰(zhàn)工事、地下指揮所、通訊樞紐、掩蔽所、軍火庫(kù)等；工業(yè)與民用方面的多種地下車(chē)間、電站、多種儲(chǔ)存庫(kù)房、商店、人防與市政地下工程，地下水電站布置成效明顯。某些能源短缺國(guó)家的專(zhuān)家提出了建造地下燃料貯庫(kù)為主的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)