隧道施工新技术

隧道施工新技术目录第一节概述 (2)一、地下空间的利用与发展 (2)二、隧道工程概述 (5)第二节开挖及支护技术 (7)一、开挖技术 (7)二、支护技术 (27)三、辅助施工措施 (41)第三节监控量测技术 (50)一、量测的地位及其发展 (50)二、现场监控量测设计 (50)三、现场监控量测 (53)四、监测数据的分析、反馈 (57)第四节隧道施工通风降尘技术 (60)一、山岭隧道施工通风技术 (60)二、山岭隧道施工集尘技术 (69)三、山岭隧道的冬季施工 (70)第五节盾构法概述 (71)一、基本概念 (71)二、盾构的基本类型 (72)三、盾构法施工 (72)四、地表下沉和建筑物防护 (74)第六节沉管隧道概述 (77)一、沉管法的特征 (77)二、沉管法的施工方式 (77)三、沉管隧道施工 (79)第一节概述一、地下空间的利用与发展人类在地球上出现以来，已有300万年以上的历史，在这段漫长的时期内，地下空间作为人类防御自然和外敌侵袭的防御设施，而被利用。

随着科学技术的发展和人类文明的进步，这种利用，也从自然洞穴的利用向着人工洞室方向发展。

到现在，地下空间利用的形态，已千姿百态，远远超出为个人生活服务的利用领域，而扩大到作为集团的生活需要空间。

尤其是现代，人口向城市集中，使城市人口密集，城市功能恶化。

为了保持城市功能及交通所需的空间，也开始求助于地下空间。

预计地下空间，作为人类在地球上安全而舒适生活的补充空间，在经济可持续发展的战略中，将占据重要地位，其利用和规模将会日益扩展。

科学预测指出，21世纪将是大力开发地下空间的世纪。

（一）地下空间利用发展的时代划分地下空间利用的发展过程与人类的文明历史是相呼应的，大致可以分为4个时代：第一个时代是原始时代。

从人类出现开始到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用地下空间防御自然灾害威胁的穴居时代。

这个时代主要用兽骨等工具开挖出洞穴而加以利用。

第二个时代是古代时期。

从纪元前3000年到5世纪，是为城市生活而利用的时代，也就是所说的文明黎明时代。

例如，在修建埃及金字塔时就开始了地下空间的建设。

纪元前2200年间的古代，巴比伦王朝为了连接宫殿和寺院修建了长达1km的、横断幼发拉底河的水底隧道。

在罗马时代也修筑了许多隧道工程，其中有的至今还在利用。

第三个时代是中世纪时代。

约从5世纪到14世纪的1000年左右的时期，这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，但由于对铜、铁等金属的需求，开始进行矿石的开采和利用。

第四个时代是近代和现代，也就是从16世纪以后的产业革命开始的时代。

这个时期由于炸药的发明和应用，加速了地下工程技术的发展。

例如，有益矿物等地下资源的开采和应用，运河隧道的修建以及随着城市的发展开始修建地下铁道，上下水道等，使地下空间利用的范围迅速扩大。

80年代后期，国际隧协提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡仪，得到了广泛的响应。

日本也提出了利用地下空间，把国土扩大10倍的设想。

各国政府都把地下空间的利用，作为一项国策，来推进其发展，使地下空间利用获得了迅速的发展。

地下空间的利用，已扩展到各个领域，发挥着重要的社会、经济的效益，成为国家重要的社会资源。

（二）地下空间的利用形态地下空间的利用形态是多种多样的，归纳起来，大致有以下几种：1、为人类生存，确保安全的：如粮食的地下仓库，地下式住宅等；2、伴随城市的现代化发展，而利用地下空间，如城市有轨交通系统，上下水道，电力、瓦斯管道，地下商业街，地下停车场等；3、伴随科学技术的发展，而利用地下空间的：如地下水力发电站，地下能源发电站以及地下工厂，地下核能发电设施等；4、大规模国土的有效利用：如城市间、国家间的交通设施等；5、防御和减少灾害的地下设施：如人防工程、各种储备设施、防御洪水灾害的地下坝、地下河、防灾型城市的构思等。

各类地下空间的利用设施参见图1-1。

图1-1 地下空间利用及其设施(三)地下空间利用和发展的重点目前各国都把地下空间利用的重点，放在城市建设上。

地下空间作为城市重要资源，得到了多方面的应用。

大致有：办公楼、地下街、地下停车场、交通设施、通讯设施、上下水道、废弃物处理设施、文化设施等。

这些设施与地面设施一并构成了城市的主体空间网络。

1、从城市地下空间利用的现状看，主要重点在发展联络城市各种设施的地下通道，如地下商业街、地下联络通道和城市有轨交通系统（地下铁道和轻轨）。

例如，日本在全国20多个城市，共拥有150条地下街，总面积约为120万m2；加拿大的蒙特利尔已提出以地下铁道车站为中心，建设联络城市2/3设施的地下街网的宏伟规划。

2、城市有轨交通系统（包括地铁、轻轨、单轨等运送系统），作为城市的基础设施和灾害防御设施，得到了巨大的发展。

有轨交通系统是城市国际化、现代化的一个重要标志。

一些国家也正在研究城市道路地下化的交通系统，如日本首都东京的地下环形道路的构思，可极大地减轻地面交通的压力。

我国近几年掀起的“地铁和轻轨热”正方兴未艾。

继北京地铁之后，上海、广州地铁已经投入运营。

深圳、南京、天津、武汉、重庆、青岛地铁及轻轨已开始建设。

还有成都、大连、长春、哈尔滨等城市的地铁和轻轨，都在规划、设计之中。

总之，利用地下空间，开辟交通通道，增加交通面积，是解决城市“交通难”的根本性措施之一。

3、跨海、江、河高速交通通道的基础设施建设，已引起各国政府的关注。

以日本青函隧道的建成为契机，世界各国横断海峡的热情迅速高涨。

穿越津轻海峡的青函隧道，于1988年3月13日正式运营。

被称为“2000年梦幻”的英法海峡隧道，已经投入运营。

许多被称为“梦想”的横断海峡的宏伟规划，都呈现出一片“现实”的曙光。

横断直布罗陀的海峡隧道工程，联络意大利本土和西西里岛的墨西拿海峡隧道工程以及博斯普鲁斯海峡隧道工程等，都在规划和调查之中。

印尼的联络爪哇和苏门答腊的规划，已开始研究。

作为国际高速公路计划的一部分，从日本福岗通过对马海峡到达韩国釜山的日韩隧道（全长约250km），也正在进行地区调查的前期作业。

这是进入中国大陆的重要通道。

在横断海峡的规划中，许多国家的工程师和专家提出了一些可供选择的方案。

其中有：固定桥、浮桥、海中隧道（桥），沉管隧道、海底隧道等。

从已建成的海峡隧道看，都属于海底方案。

用于公路或铁路或两者混合运输。

这主要是因为：它不干扰外界环境；不影响航运和潜艇航行；也不改变生态的和水理的环境；不受季节、恶劣气候的影响等，应该指出，这些通道方案绝大多数都是国际性的研究，其经济的、社会的、技术的意义十分重大。

而且，都要有较长时期的基础研究，给予支持。

最近几年我国曾先后对琼州海峡、台湾海峡、渤海湾、甬江、珠江、胶州湾、福建地坛海峡、南通和京沪高速铁路越江隧道等有关跨海、江、河通道工程进行过论证，越来越重视隧道跨海、江、河方案的选择，其中一些跨海的隧道工程方案已开始研究。

总体来说，我国的研究是极不充分的，特别是通道工程的基础性研究，尚未开始，基本上是处于空白阶段。

由于解决跨江、河、海的工程投资很大，从目前的财力、物力看，很难进行大规模的开发，但积极进行前期的基础性研究和规划，还是很必要的。

二、隧道工程概述（一）山岭隧道 1、隧道的分类（1）隧道按长度分类，见表1-1。

（2）隧道按埋置深度的分类深、浅埋隧道的分界深度，目前多以隧道开挖对地表不产生影响为度进行区分。

一般可根据压力拱高度h1和宽度影响系数w 参照表1-2确定。

2、影响坑道围岩稳定性的因素影响坑道围岩稳定性的因素大体上分为2大类：1 类是客观存在的地质因素或称为内在的因素；1类是设计、施工因素或称为人为的外部的因素。

前者是基本的，后者是通过前者而起作用的。

前者包括：围岩的结构状态、岩石的基本性质、地下水状态和初始应力场的状态等，后者则有施工方法和支护措施、坑道的形状、尺寸、坑道的埋深等（图1-2）。

影响坑道围岩稳定性的因素图1-2影响坑道稳定性的因素3、隧道常见地质灾害隧道常见的地质灾害有围岩失稳，突然涌水、涌泥、岩爆、热害、地下有害气体等。

围岩失稳又可分为岩体破裂、岩块的滑移和坠落、破碎性散岩（土）体的坍塌、松软岩体的塑性变形等。

（二）地铁区间隧道1、区间隧道内设施区间隧道内要设置列车运行及安全检查用的各种设施。

其中主要有：轨道、电车线路、线路标志、通信及信号用电缆、安全及列车诱导的通信线、待避洞及待避空间、灭火栓、防止浸水装置、排水沟、照明、通风设施等。

这些设施的配置对隧道断面的形式和大小有很大的影响，故事先应对其相应关系加以充分研究。

2、区间隧道的横断面地下铁道区间隧道的断面，一般分为箱形和圆形两种，明挖法多采用箱形断面（图1-3），盾构法则多采用圆形断面（图1-4）。

近几年，由于新奥法的应用，马蹄形断面已开始使用。

图1-4 圆形断面示意图区间隧道的净空尺寸依建筑规模、曲线半径、轨道及道床、信号机类型、电缆线路等决定。

当隧道位于曲线地段时，因线路外轨超高、列车偏斜等，其建筑限界应加宽并确保外侧有200mm～300mm的设施空间。

在圆形断面中，其限界要加上150mm～200mm的施工富余量，并要设置维修人员的待避空间。

第二节开挖及支护技术山岭隧道和城市隧道（包括地下铁道）的施工过程可简单概括为两个过程：一是开挖；二是支护。

隧道施工就是根据其实际情况采用合理的开挖方式和开挖方法、可靠的支护措施来完成结构。

施工前选择完成开挖和支护工程而需要采用的技术措施及配备的机械设备、劳动力、材料等；特别要重视一些辅助施工方法和措施的应用，做到因地制宜，岩变我变。

一、开挖技术隧道施工开挖技术包括开挖方式（含开挖方法）、运输方式和风水电保障三部分。

㈠开挖方式及方法隧道施工开挖方式共分三类：人力开挖、机械开挖和钻爆法开挖。

人力开挖是指在围岩不稳定的土质短隧道中，人工或人工手持风镐作业来完成开挖；机械开挖是指利用一种能自行掘进的机械装置进行隧道施工作业；钻爆法开挖是指通过钻眼、装药、爆破作业来完成隧道开挖。

机械开挖又分为全断面掘进机法、悬臂式掘进机法和盾构法。

下面重点介绍掘进机法和钻爆法。

1、掘进机法隧道掘进机是一种利用回转刀具开挖（同时破碎和掘进）隧道的机械装置。

因此机械修筑隧道的方法，称为掘进机法。

其又分为全断面掘进机法（TBM法）和悬臂式掘进机法。

（1）.全断面掘进机法（TBM法）①TBM法的优缺点（表2-1）表2-1②采用TBM法的基本条件（表2-2）表2-2①开挖②撑靴缩合图2-1 敞开式TBM的工作示意图③TBM的种类、性能和特征（表2-3）④支护技术山岭隧道TBM施工法中，支护形式多以喷混凝土、锚杆、金属网、钢支撑为支护的主体，根据地质条件及隧道用途，也采用管片和二次混凝土衬砌作为永久衬砌。