隧道地铁.ppt
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1、力学在地铁隧道工程中的应用力学在地铁隧道工程中的应用专业:工程力学姓名:顾龙威2024/5/22 周三1伴随着世界经济的快速发展,作为发展中国家,我国的经济建设更是取得了令人 瞩目的成绩。自进入 21 世纪以来,城市化建设的步伐不断加快,人口不断向大城市聚集,为应对人口急剧增加,城市的规模也在逐步扩大。城市密集度提高的同时,交 通问题也日渐突出,传统的地面交通道路已无法满足人们的出行需求。发展历程Part 1Part 2Part 32024/5/22 周三2交通作为一个 城市功能实现的大动脉,必须得到妥善解决,放眼世界,纽约、伦敦、东京等各大城 市地铁纵横交错、四通八达,几乎从根本上解决了城市
2、交通拥堵问题。地铁建设为一 个城市的发展注入了新的活力,不仅促进周边区域经济的发展,实现城市资源的优化 配置,甚至可以改变一个城市的发展布局。开发利用地下空间已经成为各大城市的发 展新趋势,而地铁建设程度更成为衡量一个城市现代化建设的重要标志。2024/5/22 周三3自 1863 年英国的伦敦建成开通了世界第一条地铁以来,至今已有 43 个国家约 120 座城市陆续建成地铁。虽然我国地铁建设起步较晚,但城市轨道交通建设亦得到了长足发展,1969 年 10 月北京建成我国第一条地铁线,1995 年上海已建地铁里程达 420 公里,至今已经开通 14 条线,地铁总长为世界第一。此后天津、深圳、南
3、京等各大城市均建成地铁,2005 年起各地城市地铁建设开始加速,至 2016 年年底我国已有二十余座城市开通地铁,苏州也成为第一个开通地铁的地级市,目前郑州、大连、昆明、无锡等多个城市正在建设之中。2009 年在北京举行的国际轨道交通展览会上,我国各城市轨道交通规划图显示,至2016 年我国新建 90 余条总里程约 2500 公里 的轨道交通线路,投资规模达到近一万亿元,中国成为世界城市轨道交通建设最多的国家。2024/5/22 周三41863年伦敦地铁图2024/5/22 周三5经过近 40 年的发展,我国地铁隧道修建方法已由最初单一的明挖法发展到现在的明挖、浅埋暗挖、盾构法等多种方法并存,
4、施工技术不断发展,初步形成了专门的学科体系。施工方法综述Part 1Part 2Part 32024/5/22 周三67暗 挖 法明 挖 法盾 构 法顶 管 法管幕箱函浅埋暗挖矿山法大 开 挖明挖半逆作盖挖顺作盖挖逆作城市地下工程主要施工方法2024/5/22 周三2024/5/22 周三89 明挖法优点:因便于设计、快速施工,便于控制施工安全、质量和进度,拆迁量小时,较为经济。缺点:破坏地表、中断交通、拆迁工作量大,易发生基坑失稳破坏。n1 1 明挖明挖法法2024/5/22 周三2024/5/22 周三10 青岛地铁太平角公园站明挖基坑施工第第1 1步:场地平整,步:场地平整,施作钻孔桩和
5、冠梁施作钻孔桩和冠梁第第2 2步步:基基坑坑开开挖挖,随随开开挖挖架设第一道支撑和锚索架设第一道支撑和锚索第第3 3步:施作垫层和步:施作垫层和防水层防水层第第4 4步:施工底板步:施工底板第第5 5步:底板达到强度,拆步:底板达到强度,拆除第除第3 3道锚索,施工侧墙防道锚索,施工侧墙防水层及侧墙和地下水层及侧墙和地下2 2层楼板层楼板第第6 6步步:地地下下2 2层层达达到到强强度度,拆拆除除第第2 2道道锚锚索索,施施工工侧侧墙墙防防水层及侧墙和地下水层及侧墙和地下1 1层楼板层楼板第第7 7步步:地地下下1 1层层达达到到强强度度,拆拆除除第第1 1道道钢钢支支撑撑,回回填填基基坑坑和
6、和场场地地n 1 1 明挖明挖法法11 明挖法现场施工图1 13 32 24 4n 1 1 明挖明挖法法2024/5/22 周三12 浅埋暗挖法优势:不影响城市交通,无污染、无噪声,无需专用设备,适用于不同跨度、多种断面等。特点:埋深浅,施工过程中由于地层损失而引起地面移动明显;地质条件差;开挖方法多,辅助工法多;风险管理难度大。适用范围:适用于不宜明挖施工的土质或软弱无胶结的砂、卵石等地层,修建覆跨比大于0.2的浅埋地下洞室。对于高水位的类似地层,采取堵水、降水或排水措施后也可以采取此工法。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法矿山法矿山法矿山法矿山法新奥法新奥法新奥法新奥法浅埋暗挖法浅埋暗挖法浅
7、埋暗挖法浅埋暗挖法复兴门车站复兴门车站折返线工程折返线工程19871987年年喷锚支护喷锚支护技术发展技术发展2024/5/22 周三2024/5/22 周三 浅埋暗挖法“十八字方针”管超前:采用超前预加固支护的各种手段,提高工作面的稳定性,缓解开挖引起的工作面前方和正上方土柱的压力,缓解围岩松弛和预防坍塌;严注浆:在超前预支护后,立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液,填充围岩空隙,使隧道周围形成一个具有一定强度的结构体,以增强围岩的自稳能力;短开挖:即限制1次进尺的长度,减少对围岩的松弛强支护:在浅埋的松软地层中施工,初期支护必须十分牢固,具有较大的刚度,以控制开挖初期的变形;快封闭:为及时控
8、制围岩松弛,必须采用临时仰拱封闭,开挖1环,封闭1环,提高初期支护的承载能力;勤量测:进行经常性的量测,掌握施工动态,及时反馈,是浅埋暗挖法施工成败的关键。勤量测勤量测勤量测勤量测快封闭快封闭快封闭快封闭强支护强支护强支护强支护短开挖短开挖短开挖短开挖严注浆严注浆严注浆严注浆管超前管超前管超前管超前浅埋浅埋浅埋浅埋暗挖法暗挖法暗挖法暗挖法n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法1314浅埋暗挖法施工方法全断面法全断面法正台阶法正台阶法正台阶环正台阶环形开挖法形开挖法单侧壁导坑单侧壁导坑正台阶法正台阶法中隔墙法中隔墙法(CDCD法)法)交叉中隔墙交叉中隔墙法(法(CRDCRD法)法)双侧壁双侧壁导坑法导
9、坑法n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三15 全断面法适用范围:主要适用于III级围岩。当断面在50m2以下,隧道处于IV级围岩地层时,在采取局部注浆等辅助措施加固地层后,也可采用全断面法施工,但在第四纪地层中采用此方法时,断面一般均在20m2以下。优缺点:有较大的作业空间,有利于采用大型配套机械化作业,提高施工速度,且工序少,便于施工组织和管理。但由于开挖面较大,围岩稳定性降低,且每个循环工作量较大,每次深孔爆破引起的震动较大,应进行精心的钻爆设计。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三16 正台阶法正台阶法开挖优点很多,能较早地使支护闭合,有利于控制其
10、结构变形及由此引起的地表沉降。上台阶长度(L)一般控制在11.5倍洞径(D)以内,但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶,支护形成封闭结构;若地层较差,为了稳定工作面,也可以辅以小导管超前支护等措施。L=11.5DL=11.5Dn 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三17u长度上限,1.5D。我们经常注意到隧道的横向承载拱,实际上,隧道开挖支护后,沿隧道的纵向客观上存在一个承载拱。实测结果统计显示,正常情况下纵向沉降曲线在11.5D位置沉降达到最大,并逐步变缓。上台阶长度过长,导致塑性区范围增大。u最小长度,1D。这个主要基于下台阶的假想破裂面考虑的,这个比较好理解。上台阶
11、的土体作为荷载要置于下台阶假想破裂面以外。软弱地层中隧道台阶法施工时上台阶合理长度问题n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三18 正台阶环形开挖法上台阶取一倍洞径左右环形开挖,留核心土,用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面,用网构钢拱架做初期支护;拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三19 单侧壁导坑正台阶法单侧壁导坑正台阶法适用于地层较差、断面较大、采用台阶法开挖有困难的地层。采用该法可变大跨断面为小跨断面,将10m左右的大跨度变为34m和610m的跨度。采用该法开挖时,单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上,为了稳定工作面,经常
12、和超前小导管注浆等辅助施工措施配合使用,一般采用人工开挖,人工和机械混合出碴。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三20中隔墙法适用于级围岩的浅埋双线隧道。中隔墙开挖时,应沿一侧自上而下分为二或三部进行,每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁,中隔壁墙依次分步联结而成,之后再开挖中隔墙的另一侧,其分步次数及支护形式与先开挖的一侧相同;n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三21交叉中隔墙法可适用于级围岩浅埋的双线或多线隧道。采用自上而下分二至三步开挖中隔墙的一侧,并及时支护,待完成了12部后,即可开始另一侧12部开挖及支护,形成左、右两侧开挖及支
13、护相互交叉的情形,一般设有临时仰拱有横撑。交叉中隔墙法适用于地质条件差、跨度大、沉降控制要求高的隧道.CRD工法施工工序复杂,隔墙拆除困难,成本较高,进度较慢,一般在第四纪地层中修建大段面地下结构物(如停车场),且地面沉降要求严格时才使用。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三22 双侧壁导坑法该法的实质是将大跨度(20m)分成3个小断面进行作业。主要适用于地层较差、断面很大、单侧壁导坑法无法满足要求的三线或多线大断面铁路隧道及地铁工程。该工法在控制地中和地表下沉方面,优于其他施工方法。且由于两侧导坑先行,能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水,为后续施工创造条件。n 2
14、 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三2024/5/22 周三23 施工工法及比选常见的几种主要工法 台阶法、台阶加临时仰拱闭合法、CD法、眼镜法、CRD法、等。实际施工中还有环形开挖、洞柱(梁)法、中洞法等。工法的简单比较从进度和经济角度考虑,很明显是上述顺序;从适应跨度大小、地层条件差、施工安全考虑基本上是上述的逆顺序。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法24u一般认为断面大于单线隧道的断面,如站台层隧道、站厅通道、渡线隧道等是大跨隧道,D10m,或10m左右的断面。u大连地区的地层一般表现为上软下硬地层,及个别地方也出现过上硬下软。u现在比较常用的是CRD工法,而现场很多做的不规
15、范或极不规范。u从工序转换考虑,建议大于12m跨度的断面采用眼镜工法。复合地层中大跨浅埋隧道开挖工法的选择n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三2024/5/22 周三25地面沉降、塌方及原因随着土石方的开挖移除、地下水的排出,地层中原有的应力平衡状态被打破,使之处于非平衡状态。这种非平衡状态需要一定时间进行调整,调整过程中造成的地层损失或支护变形(沉降或收敛),表现出地面或支护空间位置向下改变,称为沉降。坍方过程一般为:开挖围岩塑性变形支护过大变形支护局部破坏支护与围岩破坏失稳坍方。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法26 地面沉降、塌方原因自然因素自然因素自然因素自然因素工程
16、因素工程因素工程因素工程因素人为因素人为因素人为因素人为因素不利的地形、地貌因素如隧道穿过地面建筑物,而且埋深浅;不利的地形、地貌因素如隧道穿过地面建筑物,而且埋深浅;不良的地质条件如隧道穿过断层及其破碎带;不良的地质条件如隧道穿过断层及其破碎带;通过各种堆积体时,由于结构松散,颗粒间无胶结或胶结差。通过各种堆积体时,由于结构松散,颗粒间无胶结或胶结差。软弱围岩软弱围岩软弱围岩软弱围岩支护不当支护不当支护不当支护不当地下水作地下水作地下水作地下水作用用用用岩层软硬岩层软硬岩层软硬岩层软硬相间相间相间相间不适宜的不适宜的不适宜的不适宜的合同环境合同环境合同环境合同环境设计疏忽设计疏忽设计疏忽设计
17、疏忽施工管理施工管理施工管理施工管理不当不当不当不当n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三27 工程因素级围岩拱部无支护时,可产生小坍方,爆破振动过大易坍方;级围岩拱部无支护时,可产生较大的坍方,侧壁有时失稳;级围岩围岩易坍方,处理不当会出现大坍方,侧壁常小坍方;浅埋时易出现地表下沉和坍方至地表;级围岩极易坍方,极易变形,有水时会发生流泥流砂,浅埋时易坍方至地表。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩土体的失稳。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体,在地下水的作用下,软弱面的强度大为降低,因而发生滑坍。n 2 2 浅埋暗挖浅埋暗挖法法2024/5/22 周三28从该表中可以看出
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