隧道结构构造围岩分类及施工要点.ppt
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1、隧道结构构造、围岩分类及施工要点v隧道发展史及国内外发展现状v隧道的分类及隧道的结构构造v隧道围岩分类及隧道工程地质v隧道施工方法与隧道施工要点一、隧道发展史及国内外发展现状1.1隧道的概念1.2隧道的起源1.3隧道的发展1.1 隧道的概念 隧道是一种修筑在地层中的地下工程建筑物,是路面交通线上的一种,广泛地应用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防等方面。1970年OECD(世界经济合作与发展组织)隧道会议从技术方面将隧道定义为:以任何方式修建,最终使用于地表以下的条形建筑物,其空洞内部净空断面在2m2以上者均为隧道。1.2隧道起源隧道的产生可追溯到原始时代,在原始新石器时代,人类利用兽骨、石
2、器开挖、修筑可自身稳定而无需任何支撑的山洞来防御自然的威胁。我国古代在地下工程发展具有悠久的历史,我国远在几千年就能开采矿石。古代为统治者修建的规模浩大墓穴显示了我国古代在建筑方面卓越的水平。我国最早的交通隧道是建于公元66年汉中县的“石门”隧道,是供马车和行人通行的。隧道技术的进步是在进入罗马时代后,测量技术的出现,人们利用棚架支撑岩层和利用卷扬提升土石;1818年布鲁内尔发明了盾构,意大利物理学家欧拉顿提出以压缩空气平衡软弱地层涌水压力防止地层坍塌方法。1.3隧道的发展目前世界上已建成的隧道首推长16.9km的圣哥达隧道,在建的AurlandLaerdal公路隧道,长度达24.5km。我国
3、在建的秦岭终南山隧道长18.1km。隧道技术的发展表明:今后隧道技术的研究方向为非爆破的机械化施工、合理规划与环境保护、设计可靠合理、使用安全等方面。我国是发展中国家,经济和技术力量还不强,需在引进的同时,立足国内技术力量,提高我国的隧道技术水平。二、隧道的分类及隧道的结构构造2.1 隧道的分类2.2 隧道的结构构造2.1 隧道的分类从不同的角度,可得出不同的隧道分类方法:1.按地层分:可分为岩石隧道(软岩、硬岩)、土质隧道。2.按所处位置分:可分为山岭隧道、城市隧道、水底隧道。3.按施工方法分:可矿山法、明挖法、盾构法、沉埋法、掘进机法等。4.按埋置深度分:可分为浅埋隧道和深埋隧道。5.按断
4、面形式分:可分为圆形、马蹄形、矩形隧道等。6.按国际隧道协会(ITA)定义的断面数值划分标准分,可分为特大断面(100平方)、大断面(50100平方)、中等断面(1050平方)、小断面(310平方)、极小断面(3平方以下)。7.按车道数分,可分为单车道、双车道、多车道。2.2 隧道的结构构造隧道的结构是由主体构筑物和附属构筑物两大类组成。主体构筑物是为了保持岩体的稳定和行车安全而修建的人工永久构筑物,通常指洞身衬砌和洞门构筑物。附属构筑物是除主体构筑物以外的其他构筑物。2.2.1 洞身衬砌洞身衬砌大致有以下几类:直墙式衬砌 曲墙式衬砌 喷混凝土衬砌 喷锚衬砌 复合式衬砌为了使喷混凝土结构受力状
5、态更趋合理化,要求用光面爆破开挖,使洞室周边平顺光滑,成型正确,减少超欠挖。然后在适当的时间喷射混凝土,即为喷射混凝土衬砌。根据实际情况,先装设锚杆,再喷混凝土即为喷锚衬砌。如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固,待初次支护的变形基本稳定后,进行浇筑混凝土二次衬砌,即为复合式衬砌。为使衬砌的防水性能可靠,保持无渗漏水,采用塑料板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的。2.2.2特殊断面形式的衬砌矩形断面衬砌:用沉管法可以施工矩形断面形式的隧道。用明挖法施工时,尤其修筑多车道隧道其断面广泛采用矩形,回填土厚度较小,加之在软土中修筑隧道软土不能抵御较大的水平推力,因而
6、不宜修筑拱形隧道,矩形断面的利用率较高。圆形断面衬砌:岩石隧道掘进机是开挖岩石隧道的一种机械化切削机械,其开挖断面通常为圆形,开挖后可以用喷混凝土衬砌、喷锚衬砌拼装预制构件衬砌等多种形式。2.2.3洞门洞门定义是隧道两端的外露部分,也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构,其作用是保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定,引离地表水,减少洞口土石方开挖量。2.2.3.1洞门(一)洞门形式主要有端墙式、翼墙式和环框式。端墙式洞门适用于岩质稳定的IV类以上围岩和地形开阔的地区,是最常用的洞门形式。翼墙式洞门适用于地质较差的III类以下围岩,以及需要开挖路堑的地方。由端墙和翼墙组成。翼墙增加端墙的稳定性,同时对
7、路堑边坡起支撑作用。洞门顶面一般设水沟汇集地表水并引入路堑侧沟内。环框式洞门用在洞口岩层坚硬整体性好,节理不发育且不易风化,路堑开挖后仰坡极为不稳定,并且没有较大的排水要求时采用。环框与洞口衬砌整体灌注。2.2.3.2洞门(二)洞门的作用附近的岩土体通常比较松软、失稳、易坍塌。洞门是隧道的咽喉,选择合理的洞门形式,在保障行车安全的同时还应当进行洞门的美化和环境的美化。洞门必须具备拦截、汇集、排除地表水的功能,使地表水沿排水渠道有序排离洞门,防止流入洞内,因此,洞门上方女儿墙应有一定高度,并有排水沟渠。当岩土体有滚落碎石的可能时一般应接长明洞,减少对边仰坡的扰动,使洞门墙离开仰坡底部一段距离,确
8、保落石不会落在车行道上。2.2.3.3洞门(三)洞口仰坡地脚至洞门墙背应有不小于1.5m的距离,以防仰坡土石掉落到路面上,威及安全。洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m,以免落石破坏拱圈。洞门墙顶应高出仰坡脚0.5m以上一方水流溢出墙顶,也可防止掉落土石弹出。水沟底下填土应夯实,否则会使水沟变形产生漏水影响衬砌强度。洞门墙应根据情况设置伸缩缝沉降缝和泄水孔以防止洞门变形。洞门墙的厚度可结合其它工程类比,但墙身厚度最小不得小于0.5m。洞门墙基础必须置于稳固地基上,基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m,嵌入岩石地基地深度不小于0.5m。松软地基上可根据情况采用扩大基础
9、、换土、桩基、压浆加固地基等措施。地基为冻涨土层时要求基底设置在冻结线以下不小于0.25m。2.2.4 明洞明洞当隧道埋深较浅,上覆岩土体较薄,难采用暗挖法时,则应采用明挖法来开挖隧道。用明挖法修筑的隧道结构通常称明洞。明洞具有地面地下建筑物的双重特点,即抵抗边仰坡坍方、落石、滑坡等,又用于深路堑、浅埋地段不宜暗挖隧道时,取代隧道的作用。明洞净空必须满足隧道建筑限界要求,洞门一般做成直立端墙式洞门,常采用拱拱形形明明洞洞和和棚式明洞棚式明洞。明洞(一)拱拱形形明明洞洞 整体性好能承受较大的垂直压力和侧压力其形式有:路堑对称型、路堑偏压型、半路堑偏压型、半路堑单压型。拱形明洞的边墙一般采用直墙,
10、采用偏压拱形明洞要特别注意处理好外墙基础,防止因外墙下沉而引起拱圈开裂。棚式明洞棚式明洞 当山坡坍方,落石数量较少,山体偏压不大,或因受地质地形条件限制难以修建拱形明洞时,可采用棚式明洞。棚式明洞顶板是梁式结构,内侧边墙一般采用重力式挡墙,外墙结构形式决定棚式明洞的类型,主要有:墙式棚洞、钢架式棚洞、柱式棚洞、悬臂式棚洞。明洞(二)明洞基础应置于稳固的地基上,当基岩埋深较浅时基础可设置于基岩上,当基础位于软弱地基上基础可采用仰拱、整体式钢筋混凝土底板等结构,外墙基础趾部应有一定的嵌入深度并应设在冻结线以下0.25m且保证一定的护基宽度。明洞填土明洞顶设计填土厚度新规范确定为1.5m,明洞顶设不
11、小于2的横坡排除坡面水,为防止落石滑坡应设安全储备,明洞顶设计坡度为1:51:3。明洞应重视拱背和墙背的回填,重视拱背回填是为了保护拱背及拱脚,增强拱脚的固结,增加其稳定性起加强作用,墙背回填的好坏直接关系到墙背岩土体稳定、侧压力的大小,也影响到墙背抗力的大小。实际采用的回填措施应根据明洞类型、山坡岩土类别、设计要求、施工方法确定。一般III、IV、V类围岩回填要求用片石混凝土或浆砌片石回填密实并与围岩面良好结合。对I、II类围岩墙背回填料的内摩擦角也应高于围岩的内摩擦角。三、隧道围岩分类与工程地质3.1 隧道围岩分类3.2 隧道工程地质3.1隧道围岩分类隧道围岩分级是正确进行隧道设计和施工的
12、基础,提供选择施工方法的根据和开挖的难易程度,确定结构上的载荷或给出隧道临时支撑与衬砌结构的类型和参考尺寸等。我国铁路隧道围岩分级过去曾以岩我国铁路隧道围岩分级过去曾以岩石抗压强度与岩石天然容重为基础,石抗压强度与岩石天然容重为基础,运用土石方工程的土石的简单分级运用土石方工程的土石的简单分级方法,后来借用苏联的方法,后来借用苏联的“普氏系数普氏系数分级法分级法”,大量的工程实践证明:,大量的工程实践证明:这种单纯以岩石坚固性指标为基础这种单纯以岩石坚固性指标为基础的分类方法,不能全面反映隧道围的分类方法,不能全面反映隧道围岩的实际状态,并逐渐认识到:隧岩的实际状态,并逐渐认识到:隧道的破坏主
13、要取决于围岩的稳定性,道的破坏主要取决于围岩的稳定性,而影响围岩稳定性因素很多,其中而影响围岩稳定性因素很多,其中隧道围岩结构特征和完整状态,是隧道围岩结构特征和完整状态,是影响围岩稳定性的主要因素。影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩分类(续)围岩分级的指标大体有以下几种:单单一一的的岩岩性性指指标标:抗抗压压和和抗抗拉拉强强度度、弹弹性性模模量量、岩岩石石的的抗抗钻钻性性、抗爆性等工程指标。抗爆性等工程指标。单单一一的的综综合合岩岩性性指指标标:岩岩体体的的弹弹性性波波传传播播速速度度、岩岩石石的的指指标标指指标标(RQDRQD)(综综合合放放映映岩岩体体的的强强度度的的岩岩体体破破碎碎程程
14、度度的的指指标标,所所谓谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率或称岩性的采取率。)。岩石质量指标是指钻探时岩心复原率或称岩性的采取率。)。复复合合指指标标:是是一一种种利利用用两两个个或或两两个个以以上上的的岩岩性性指指标标或或综综合合指指标标所所表表示示的的复复合合性性指指标标,如如巴巴顿顿提提出出的的岩岩体体质质量量Q Q指指标标。我我国国国国防防工工程程围围岩岩分分级级方方法法,是是当当前前围围岩岩分分类类方方法法的的发发展展方方向向,优优点点很很多,只是部分定量指标仍需凭经验确定。多,只是部分定量指标仍需凭经验确定。隧道围岩分类方法很多,无统一格式,目前国内许多学者都认为,隧道围岩分级的详
15、细程度,在工程建设的不同阶段应有所不同。铁路隧道围岩分类表(一)类别围岩主要工程地质特征围岩开挖后的稳定状态原隧道围岩分类f值主要工程地质特征结构特征和完整状态VI硬质岩石Rb60Mpa,受地质构造影响轻微,节理不发育,无软弱面。呈大块状整体结构无坍塌可能产生岩爆围岩稳定6V硬质岩石Rb30Mpa,受地质构造影响较重,节理较发育,有少量软弱面和贯通微张节理,其产状和组合关系不致产生滑动。呈大块状整体结构可能出现局部小坍塌,侧壁稳定,层间结合差,顶板易塌落。5软质岩石Rb30Mpa,手地质构造影响轻微,节理不发育。呈巨块状整体结构34IV硬质岩石Rb30Mpa,受地质构造影响严重,节理发育,有层
16、状软弱面,其产状和组合关系不致产生滑动。呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护可能产生小坍塌,侧壁基本稳定。爆破震动过大易坍塌。1.52软质岩石Rb在530Mpa,受地质影响严重,节理较发育,层状岩层为薄层。呈大块状整体结构铁路隧道围岩分类表(二)类别围岩主要工程地质特征围岩开挖后的稳定状态原隧道围岩分类f值主要工程地质特征结构特征和完整状态III硬质岩石Rb30Mpa,受地质构造影响严重,节理很发育,层状软弱面已基本破坏。呈碎石状压碎结构拱部无支护可能产生较大坍塌,侧壁有时失去稳定。1.52软质岩石Rb在530Mpa,受地质影响严重,节理发育。呈块(石)碎(石)状镶嵌结构土:略具压密或成岩作
17、用的粘性土及砂类土;黄土(Q1、Q2);一般钙质铁质胶结的碎卵石土、大块石土。呈大块状压密结构或巨块状整体结构。II石质围岩位于挤压强烈的断裂带内,裂隙杂乱,呈石加土或土加石状。呈角砾碎石状松散结构。围岩易坍塌,侧壁经常小坍塌,浅埋时易出现地表下沉。1.0一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,圆粒角粒土及黄土(Q3、Q4)非粘性土呈松散结构,粘性土及黄土呈松软结构。I石质围岩位于挤压极强烈的断带层内,呈角砾、砂、松软体。呈松软结构围岩极易坍塌变形有水时土砂经常与水一起涌出,浅埋时易坍塌到地表。0.6软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等。粘性土呈蠕动的松散结构,砂性土呈潮湿松散结构。
18、3.2隧道工程地质倾斜岩层对隧道施工影响岩层构造 无软弱结构面 有软弱结构面 缓倾的 一般层后大于1.0m的稳定性好,中厚层0.41.0m的次之,薄层最差节理密易顶部易坍塌掉块。软弱面位于隧道顶部易造成顶板坍塌,软弱面位于底部影响隧道支护及稳定。陡倾的 层面与节理结合不良时易发生滑动偏压现象。软弱面位于隧道顶部易出现坍塌,可能出现应力集中,软弱面位于中部易产生偏压滑动。陡立的一般情况围岩稳定较缓倾的和陡倾的好。软弱面位于隧道内可能出现局部塌顶,如位于两侧可能产生坍帮偏压。隧道工程地质(续)褶皱构造对隧道施工的影响是:隧道在向斜层开挖多出现掉块和坍塌;隧道在平行褶皱轴通过易产生较大的偏压;向斜构
19、造中一般轴部多储存大量地下水,且多有承压性质;在石灰岩中多出现岩溶,背斜中岩溶发育多为漏斗及井穴,而向斜中岩溶多为暗河;在柔性岩层中易产生小褶皱,使岩层更为破碎,强度极度降低。断层对隧道施工的影响主要决定于断裂破碎带的宽度及破碎带胶结情况:隧道通过断层带极易发生坍塌和涌水直接影响坑道稳定;断层带中由于填充物处于压缩状态,开挖后潜在应力释放发生较大的膨胀压力使坑道变形;断层面倾向隧道且倾角大于10度者对隧道禅师那个偏压;在软硬不同岩层中,断裂面的柔性岩石往往形成不透水层而在脆性岩地破碎角砾带极易储存大量地下水。节理对隧道的施工影响:节理愈密,张开愈大,队开挖影响愈大,围岩整体形愈差,拆换支护时常
20、发生坍塌;对软弱介质充填的节理或饱水节理围岩,稳定性差,顶部支护压力加大;受爆破震动易掉块坍塌。四、隧道施工方法与施工要点4.1 隧道施工方法的选取4.2 隧道开挖4.3 隧道支护4.3 隧道防排水4.5 不良地质段隧道施工4.1 隧道施工方法的选取隧道施工方法有矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。新新新新奥奥奥奥法法法法是1963年由奥地利学者L.腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法”简称新奥法(NATM)正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段,以锚杆喷射混凝土为主要支护方法,理论量测和经验相结合的一种施工方法,是矿山法的一种。也是一系列指导隧道设计和施工的原则,基本原
21、则可概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。新奥法施工按其开挖断面的大小及位置基本上又可分为:全断面法、台阶法、分部开挖法三大类。矿山法因最早用于矿山开采而得名,多数情况下都需采用钻眼爆破掘进又称钻爆法。掘进机法包括隧道掘进机法(Tunnel Boring Machine,简写TBM)和盾构掘进机法,前者适用于岩石地层后者用于土质地层,尤其适用于软土、流沙、淤泥地层。沉管法用来修建水底隧道、地铁、市政隧道等。新奥法施工几种方法一、全断面法按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法全断面法。它的施工顺序是:用钻孔台车凿眼装药联接导火线;退出钻孔台车引爆炸药开挖出整个隧道断面;排除危石安
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