隧道设计与施工技术图文全解，掌握好了，做的都是永恒的隧道

隧道施工全过程

Part1 山岭隧道

不同的隧道用不同的方法，比如山岭隧道、地铁隧道、海底隧道施工方法差异巨大。为了便于大众理解，分别以山岭隧道、海底隧道、地铁隧道施工中几种典型的施工方法为例说明。

1做洞口

像上图所示，先根据设计好的位置，立好洞门拱架，然后浇筑混凝土。然后打入大管棚，就是上面那一排钢管，打入之后再高压往里面注入水泥浆，它的好处就是土跟钢管水泥浆粘结在一起，形成一个拱圈状的加固土体。这样挖的时候就不会容易垮了。

2挖洞身，做第一层支护

隧道挖的时候了根据岩石的好坏选取不同的方法，具体来说，如果是坚硬完整的岩石，那隧道多大就可以挖多大。

一般而言，岩石隧道挖了之后不会马上垮，而土质隧道由于预先注浆或者打了锚杆（也就是粗点的钢筋）也不会马上垮，这个时候，工人就会按照测量的指示，把一些预先做成隧道轮廓样子的钢拱架安放到指定位置，如下图：

钢拱架放好之后，那些两根拱架之间的空隙要放钢筋网片，焊接好，侧向也要打入锚杆。之后，就要喷射混凝土了。如下图：

混凝土喷射出来之后，就会粘在钢架上，这样钢架和隧道的岩石以及混凝就组成了一个整体，共同受力。这个时候，整个隧道如下图所示：

隧道一般是分两层支护，第一层就像上图这样的，喷射混凝土上去之后它就具有了一定的稳定能力。

3做第二层支护

用钢筋混凝土，首先需要绑扎钢筋，并且在里面铺好防水板，山里面的隧道防水工作十分重要。

钢筋做好之后，就是浇筑混凝土了。必须使用专门的工具才能将混凝土打到墙上去。

混凝土浇筑完成后，过了规定的养护时间就可以拆模了，最后就会形成一个封闭的稳定结构，基本已经很稳固了。

隧道的主体结构就完成后，其余就是隧道的路面、防排水、通风、照明、供配电、安全等设施的施工。

Part2 海底隧道

1预制沉管

隧道很长，当然不能做一个整的出来，我们一般都是一节一节预制好，然后再对接，先在靠近海边的陆地上挖个大坑，在里面把节段预制好。如下图：

预制好之后，由于它太重了，没有机械可以运，那就先把沉管两端堵住，把水放进来。如下图：

2基槽开挖

由于海底表层都是淤泥，沉管沉之前必须先把基础做好，用专用设备把表层的淤泥清干净：

实际操作的时候有专用的视频监控设备，清除淤泥之后，根据海底的基础情况可能要用打入挤密砂桩，抛石等等手段，使基础密实。如下图：

3沉管运放、水下对接

把沉管拖至指定地点，在往下沉，在下沉过程中根据各种高精度的监测设备实时监测，确保两节沉管精准对接。这是沉管隧道施工中难度非常大的一环，也是考验各种技术水平的关键步骤。对接好之后，接头处要做好防水措施，浇筑混凝土，之后再覆土回填，这就是沉管隧道的主要施工过程了。

Part3 城市地铁隧道

盾构法其实是TBM掘进机法的一种，只不过软岩地区习惯称之为盾构。盾构法在城市地铁隧道，跨江、跨河、跨海隧道都有广泛的应用。盾构机是一种非常昂贵的设备。

1始发井施工、盾构下井

因为地铁隧道是埋在地下的，用盾构施工的时候，先需要从地面上挖个坑下去，把盾构机安装好，然后再掘进。由于坑挖的比较深，容易坍塌，所以周围需要采取很多措施进行加固支撑，如下图：

坑挖到指定位置，盾构机就可以下去安装调试了。如下图：

2盾构掘进，管片安装

盾构施工跟钻爆法不一样，它的衬砌是分成一块一块的，工厂化预制，预制好之后，运输去现场拼接即可。所以掘进之前，先得把管片做好：

这些就是盾构管片，整个地铁隧道就靠他们组装在一起撑着了，盾构机掘进的时候，前面是刀盘切削土体，后面是千斤顶加压使它前进。切削出来的土通过机械运出洞外。

3接收井洞周加固，盾构进井

把接收井洞周加固好，等待盾构机进来，如下图：

以上就是各种隧道建成的主要过程，需要指出的是，钻爆法不仅用于山岭隧道，在地铁隧道，海底隧道方面也有广泛的应用，盾构法也经常用于各种过江河海的隧道，这三种方法基本囊括了各种隧道的施工方法。

隧 道 设 计

隧道结构构造

隧道衬砌--典型喷锚支护设计：

钢格栅支撑：

防水板铺设：

隧道建筑限界：

隧道洞身支护：

隧道结构设计基础

隧道结构体系：

隧道结构体系的受力特点：

（1）荷载的模糊性和不确定性

（2）围岩压力承载体系： 围岩不仅是荷载，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩的自承载力。

（3）设计参数受施工方法和施作时机的影响很大。

（4）隧道与地上结构的区别－围岩抗力的存在。

隧道开挖后的围岩变化：

、

收敛与约束－支护刚度与时机

需要认识的主要问题：

1.围岩的初始应力状态，或称一次应力状态

2.开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场

3.围岩稳定性准则:判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件

4.设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场，以及支护结构的内力和位移

5.判断支护结构安全度的准则。

隧道信息化施工：

浅埋暗挖法核心技术被概括为18字方针：

隧道结构设计原则

支护结构的作用：

与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系，能承受可能出现的各种荷载。

保持隧道断面的使用净空。

防止围岩质量进一步恶化。

提供空气流通的光滑表面。

支护结构的基本要求：

1.必须能与围岩大面积地牢固接触，即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作。

接触状态影响荷载分布图形，改变支护结构与围岩的相互作用的性质

接触状态影响围岩的应力重分布和支护结构的受力状态

喷射混凝土支护能较好改善接触状态！

2.重视早期支护的作用，并使早期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。

3.要允许隧道围岩能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少对支护结构的不利作用，使两者更加协调的工作。

4.必须保证支护结构及时施作。

5.作为支护结构要能根据隧道围岩的动态(位移、应力等)，及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。

喷锚支护是适合上述要求的有效支护方式！

支护结构类型的选择与设计：

隧道结构体系计算模型

1.经验设计法-以工程类比为主

2.实用设计方法(收敛－约束法)-以现场量测和试验为主

3.荷载－结构模型

作用与反作用模型-结构与力学模型

4.连续介质模型

共同作用模型-岩体力学模型

结构力学模型：将支护与围岩分开考虑：结构是承载主体，围岩是荷载来源。

围岩对支护结构的作用：

(1)围岩压力；(2)围岩弹性抗力；(3)提供弹性支承

围岩弹性抗力：衬砌挤压围岩而受到围岩的抵抗力。反映了支护与围岩的相互作用，是一种被动荷载。

适用：围岩松弛、坍塌，松动压力；模筑混凝土衬砌。

岩体力学模型－复合整体模型：

将支护与围岩视为一体，共同承载，以围岩为主

支护结构约束围岩的变形

采用岩体力学计算方法

围岩体现为形变压力

适用：锚喷支护

隧道结构计算方法

将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载—结构模型。

根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式：

荷载—结构模式

特点：

不考虑围岩抗力；

支护结构在主动荷载作用下可自由变形

适用于：软弱围岩、无能力约束衬砌变形

特点：考虑围岩抗力

适用于：各类围岩

特点：

实地量测围岩压力，是围岩与支护结构相互作用的综合反映；

无法预设计，只能作为类似工程的参考。

隧道衬砌受力变形的特点：

围岩对衬砌变形的双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形；产生被动抗力阻止衬砌变形。

隧道衬砌承受的荷载及分布：

(1) 主动荷载

◆ 永久荷载

◆ 可变荷载

◆ 偶然荷载

(2) 被动荷载～围岩抗力

◆ 共同变形理论

◆ 局部变形理论-温克尔假定

典型衬砌结构的计算方法 ：

（1）半衬砌－弹性固定的无铰拱－主动荷载模式

（2）软土地层中的圆形隧道－自由变形圆环－主动荷载模式

(3)曲墙拱与直墙拱－主动荷载加被动荷载模式

4.被动荷载的处理方法：

采用符合“局部变形原理”的弹簧模拟围岩。

将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散成有限个衬砌单元和弹簧单元的组合体。

采用结构力学方法求解,可得衬砌内力。

隧道衬砌结构的计算方法 ：

处理：

(1)隧道是纵向狭长结构物

(2)沿纵向取单位长度(1m)的一段进行计算，按平面结构

理由：隧道长度较横断面尺寸大得多，隧道衬砌不会产生纵向位移，属于平面应变问题。

沿纵向取单位长度(1m)