地下空間大洞室和隧道工程建設(shè)課件

地下空間大洞室和隧道工程建設(shè)周豐峻院士二○一○年十一月五日十四屆土木工程學(xué)會暨地下工程第十六屆隧道年會1可編輯課件PPT發(fā)展深地下大跨度地下空間已經(jīng)成為當(dāng)前的緊迫任務(wù)，需要借鑒國外。法國著名大跨度地下空間與隧道建設(shè)學(xué)者Dufaut進(jìn)行了很多重大地下空間洞室的設(shè)計(jì)和發(fā)展規(guī)劃，對法國的地下工程發(fā)展和隧道建設(shè)有很多重大貢獻(xiàn)。巴黎至里昂的地下鐵路隧道，就是在他規(guī)劃設(shè)計(jì)指導(dǎo)下完成的。一、國外大跨度地下空間利用2可編輯課件PPT1986年，Duffaut給出了大洞室研究的一個小結(jié)。地下采礦開挖的空間，很多洞室會長期保持穩(wěn)定和安全。這是因?yàn)槿魏蔚叵露词业脑O(shè)計(jì)都要廣泛的了解地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)建造的。為了實(shí)現(xiàn)安全和經(jīng)濟(jì)，巖石洞室必須和巖石大容積結(jié)構(gòu)以及原位應(yīng)力場相協(xié)調(diào)。地質(zhì)條件選得好可以提供礦產(chǎn)和石油資源存儲，同時也能提供有價(jià)值的大洞室的場所。

１、法國地下空間利用3可編輯課件PPT

很多采礦洞室，都要求做一定的支護(hù)，因?yàn)樗械纳畹叵露词叶济鎸Ω叩貞?yīng)力問題。很早以前，采礦工程師在比較差的地層和處理高地應(yīng)力的實(shí)踐過程中發(fā)展了支護(hù)技術(shù)。城市規(guī)劃中大洞室在歐洲的發(fā)展比淺埋結(jié)構(gòu)發(fā)展更快。如果在山體中開挖，城市的洞室將更有現(xiàn)實(shí)意義。山地城市和平原城市相比較更容易實(shí)現(xiàn)大洞室的計(jì)劃。

4可編輯課件PPT2、中微子方法研究用于深地下大洞室中微子是很輕很小的粒子，以光速進(jìn)行運(yùn)動?？梢赃\(yùn)用中微子閃光法進(jìn)行檢測，中微子閃光是和透明液體原子相撞擊時發(fā)射出來的。為了減小宇宙射線產(chǎn)生的干擾，洞室必須盡可能合理開挖的深一些。最近幾十年，各國建立了地下實(shí)驗(yàn)室，利用深部采礦施工設(shè)施，或者是通過現(xiàn)有的高山交通隧道進(jìn)行中微子檢測的科學(xué)研究。5可編輯課件PPT3、大空間自然洞室大空間自然洞室是在喀斯特溶巖里產(chǎn)生的，最大的是在馬來西亞Sarawak邦，洞室寬400m、長600m、高150m，沒有任何柱子支撐。所有的自然洞室都相對比較淺。在層狀巖體中，很多洞室頂部是平坦的，跨度小于100m。自然洞室提供了超大型人工洞室設(shè)計(jì)的依據(jù)，有些洞室偶爾表現(xiàn)出坍塌的跡象，但絕大多數(shù)洞室表現(xiàn)出了長期的穩(wěn)定性。

6可編輯課件PPT4、歐洲人工大洞室芬蘭的Tytyri礦山的花崗巖層里包含有石灰?guī)r，達(dá)到100m的跨度，大型的四面體空間仍然保持穩(wěn)定。巖鹽的案例中其形狀受溶解過程的控制，在一個開采井產(chǎn)生的洞室，用于油氣存儲可以達(dá)到人工大洞室的體積，高達(dá)200萬立方米（35米直徑，800米高）。

（1）地下采礦洞室7可編輯課件PPT工業(yè)洞室按照用途劃分為：地下火車站、地下電站、地下倉儲。在20世紀(jì)，全世界已經(jīng)開挖了數(shù)百個地下水電站廠房，很多水電廠房具有曲墻的形狀，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者擔(dān)心跨度問題而不采用高直墻結(jié)構(gòu)，他們設(shè)想建造一個大空間時要抵抗重力的影響。（2）工業(yè)洞室8可編輯課件PPT1993年為了迎接冬季奧林匹克運(yùn)動會在挪威建成Gjovik滑冰場，這項(xiàng)設(shè)計(jì)是為了會后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)核電廠的可行性論證（61米跨度，25米高，91米長，16.5萬立方米）。冰場可以提供5800個座位，挪威是把小型核電廠放到在Halden洞室的第一家。

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1940年，建立了第一個供存儲用的軍事燃料的洞室。起初，標(biāo)準(zhǔn)的鋼制箱體密封在洞室里，在夏威夷檀香山用，隨后在阿爾及利亞，法國設(shè)計(jì)了預(yù)應(yīng)力混凝土圓筒形體結(jié)構(gòu)。在同一時間，瑞典采用臨近港口的礦坑來儲藏天然石油，它的不透油性是由四周的海水所提供的。從那時起，已經(jīng)建造了數(shù)百個洞室。當(dāng)石油儲量超出4萬立方米時，地下洞室比地上便宜。10可編輯課件PPT5、深地下空間開挖的應(yīng)力控制應(yīng)變控制是釋放超高應(yīng)力的通用方法。巖柱和頂部之間常有超應(yīng)力問題出現(xiàn)，他們采用密排鉆孔的方法避免巖石剝離，減小局部的超應(yīng)力。這種方法也可以通過可壓縮的軟被覆層來獲得，或在巖體和被覆之間形成一個可閉合的初始空間。11可編輯課件PPT在公路隧道里，奧地利的Muller教授采用了噴射混凝土支護(hù)拱頂?shù)姆椒?；在瑞士深地下隧道建設(shè)過程中，Kalman教授在被覆中采用可壓縮的泡沫混凝土的辦法，達(dá)到了釋放高應(yīng)力的目的。挪威的工程人員在直徑50米以上的大洞室上方設(shè)置小廊道消除水平應(yīng)力。同樣的在大洞室的四周采用小的隧道進(jìn)行徑向截?cái)?，取決于巖體的特性，這些小的隧道群可能有閉合作用，如果進(jìn)入完全塑性區(qū)，這種應(yīng)力控制方法更有效。12可編輯課件PPT6、地下城市規(guī)劃1993年5月落成的挪威Gjovik滑冰場，是在城市背面花崗巖山體中挖掘的。場地還伴隨有很多小型的洞室，電話接轉(zhuǎn)站和安全服務(wù)站以及游泳池。洞室拱頂61米寬，巖石覆蓋層厚度小于跨度，大約為25到50米。在工程施工中發(fā)現(xiàn)巖石的質(zhì)量很好，僅有的支護(hù)是纖維混凝土噴射層，15cm厚加上6m的鋼錨桿，間距2.5m。

13可編輯課件PPT摩納哥是個很小的獨(dú)立的公國，介于法國和地中海之間，距離意大利很近。它的面積大約3平方公里，這個城市充分利用地下空間，很多摩納哥地下工廠是建在山坡下的。具有山地城市由于其山體內(nèi)部的空間容量大而具有許多優(yōu)勢：排水可以靠重力驅(qū)動，通風(fēng)也是如此。汽車也可以不必發(fā)動而走出洞外。14可編輯課件PPT摩納哥大洞室15可編輯課件PPT

日本的設(shè)計(jì)方案是兩個平行隧洞，卵形斷面長度250m，是采用斷面分區(qū)鑿巖爆破方法施工的，為了避免出現(xiàn)超高地應(yīng)力破壞作用做了雙層被覆結(jié)構(gòu)；日本和瑞典設(shè)計(jì)的用混凝土澆筑小廊道作圍巖支護(hù)。16可編輯課件PPT日本提出的兩條平行隧洞施工方案17可編輯課件PPT洞室開挖前支護(hù)方案（瑞典）洞室開挖前支護(hù)方案（日本）18可編輯課件PPT通過洞室上方的小廊道控制高水平應(yīng)力（瑞典專利Selmer）19可編輯課件PPT

挪威大跨度隧洞的高水應(yīng)力問題采用洞室上部錨桿支護(hù)和廊道卸壓的方法得以解決。綜上所述，借鑒國外大洞室開挖的方法，實(shí)現(xiàn)我國關(guān)于地下大洞室的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式是完全可行的。20可編輯課件PPT二、我國大跨度洞室建設(shè)和治理1、云南大跨度地下洞室建設(shè)

（1）漫灣水電站邊坡加固

1988年初出現(xiàn)嚴(yán)重邊坡塌方，施工中斷，山坡上的纜式起重機(jī)無法運(yùn)行。山體邊坡坡高150m，坡度50～70°。采用100～300噸大噸位預(yù)應(yīng)力長錨索支護(hù)，三個月后纜式起重機(jī)恢復(fù)運(yùn)行。

21可編輯課件PPTTheManWanhydroelectricstationislocatedonthemiddlereachesoftheLanCangRiverinYunNanprovince.22可編輯課件PPTCollapseofslopehappenedseriously.Wehadreinforcedtheslopeofmountainandhadcompleteditwithin3months.

23可編輯課件PPTPrestressedanchorsof600~1200KN,30-35mlengthwasusedbyuswith2timesgrouting.24可編輯課件PPTHole’s

diameterof250mmanddepthof70m.DrilledbyCM351drillingmachine.25可編輯課件PPTAnchorof600Tisinstallingintoholeonworksite.26可編輯課件PPTTensionofanchorof6000KN27可編輯課件PPT采用特制除渣工具配合CM351鉆機(jī)采用CM351鉆機(jī)可以鉆直徑250毫米深70米鉆孔28可編輯課件PPT（2）云南大朝山和柴石灘水電站

云南大朝山水電站的地下廠房建設(shè)跨度26m、高度52m，其建設(shè)空間斷面設(shè)計(jì)和小浪底基本一致。山巖地質(zhì)條件很差，大體上和小浪底的含泥夾層沙礫巖類似，整體穩(wěn)定性不足，極易產(chǎn)生崩落和坍塌。29可編輯課件PPT主廠房高62.3m，洞跨26m設(shè)計(jì)錨索496根,工作荷載2000KN30可編輯課件PPTThedesignedprestressofanchorsare1000KN,anchorof35~40mlongamountto426.Blocksofconcreteandreinforcedconcretebeamsenhancethecombinationbetweenanchors.

31可編輯課件PPT（4）全長防護(hù)錨索的結(jié)構(gòu)材料全長防護(hù)錨索是一種具有全長防護(hù)性能的雙層保護(hù)自由錨索，它比普通的自由錨索多一道全長設(shè)置的PVC波紋管防腐層。32可編輯課件PPT在目前國內(nèi)的實(shí)踐中，錨索結(jié)構(gòu)與材料包括鋼絞線、波紋管、內(nèi)隔離架、對中支架。33可編輯課件PPT（5）大朝山支護(hù)全長注漿錨索施工工藝全長注漿錨索屬于自由錨索。其主要特點(diǎn)是使用可傳力強(qiáng)化塑料波紋管，雖然仍屬拉力型錨索，但由于波紋管和錨索包裹體的雙層保護(hù)作用可以防銹50年。在施工工藝中解決了接頭剛性連接和鉆孔準(zhǔn)直度高要求問題。34可編輯課件PPTAfterinstallinginnovativecorrectJointadapter,thedrillingprecisionwasimprovedgreatlyanditsangledeviationwaslessthan2°.35可編輯課件PPT2、拉力分散和壓力分散型錨索（1）分散壓力型錨索，目前已在全國得到廣泛普及。錨索注漿凝結(jié)后的長期受力狀態(tài)是壓力，從而避免了混凝土砂漿受拉致裂滲入水的腐蝕作用。結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)是有端板承受拉力，并將力傳遞給四周圍巖。壓力型錨索經(jīng)過分散后，張拉傳力作用過程得到優(yōu)化，使孔洞圍巖受力趨向均勻。我國壓力分散型錨索是同日本韓國同步發(fā)展合作研究的結(jié)果，但是應(yīng)用范圍更廣。36可編輯課件PPT(2)Typicalrestressableanchorheaddetailfordoubleprotectionofstrandtendon37可編輯課件PPT（3）壓力分散型錨索（加擋板）

無粘結(jié)段與錨固段剝除1-3米套管，臺階狀布置，形成拉壓分散型錨索，可提供均勻錨固力。38可編輯課件PPT重力注漿雙層保護(hù)錨索結(jié)構(gòu)圖（4）小浪底德國雙層保護(hù)錨索

39可編輯課件PPT小浪底德國3000KN雙層保護(hù)錨索結(jié)構(gòu)圖40可編輯課件PPT3.1四川雅礱江二灘水電站拱壩高240m，泄壩洞進(jìn)口方形斷面13×13.5m。由于山體巖石地質(zhì)條件差，山勢陡峻，在進(jìn)水口和洞室開挖過程中，滑動位移發(fā)展過快，有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。采用全長注漿防銹錨索，施加張拉力后，整體作用很好，產(chǎn)生了反向位移。3、二灘八渡全長保護(hù)型錨索41可編輯課件PPTConstructionoflongcableanchorintheBADURailwayStation42可編輯課件PPT錨索設(shè)計(jì)噸位2000KN，鉆孔通過45～65m的塌積物地層，地層松軟、破碎，部分鉆孔通過10～15m的流塑狀泥層3.2廣西八渡火車站滑移加固43可編輯課件PPT

采用錨固樁—錨索復(fù)合加固方案，錨索長55～70m。44可編輯課件PPT45可編輯課件PPT4、雙液注漿和高聚物注漿4.1地下空間和隧道施工作業(yè)，當(dāng)隧洞貫穿裂縫發(fā)育同山體外連通時，必須采用雙液注漿方法控制注漿過程，在注漿流動過程中使之凝結(jié)下來，不斷增長強(qiáng)度，采用高聚物注漿效果更好。46可編輯課件PPTHighwaytunnelThemountainrockisseriouslybrokenandthestabilityofthetunnelisverypoor.Adoptingcementslurryandsodiumsilicatesolution-twoliquidstechnology,weresolvedtheseepageproblem.47可編輯課件PPT

近幾年國內(nèi)研制的高聚物產(chǎn)品及其配套的高壓注漿技術(shù)有