建议收藏！隧道及地下工程施工技术

1隧道

1970年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2平方米以上者均为隧道。

1.1隧道工程特点

（1）围岩存在未知性，工程隐含风险高隧道需要在围岩中先开挖出空间再 施工结构，围岩大多是固体、液体、气体的混合体，围岩往往因勘探盲点存在未知性（岩性、初始应力等）。导致设计不符合实际是大概率事件，而应对不当往往会给结构安全、施工安全、工程质量、工程进度、工程成本造成隐患。也是塌方、突泥涌水、瓦斯燃烧爆炸、岩爆发生的客观原因。

（2）工程狭长隐蔽作业环境条件差作业面劳动卫生环境标准不易保证， 职业健康威胁大，通风、照明、除尘、空调是必须的辅助施工措施；

（3）断面形式多、围岩性质各异导致施工设备配套通用性差，机械化推进 缓慢。

（4）工程位于地下地下水影响大施工安全与工程质量与水息息相关。

1.2隧道工程分类

（1）按用途分交通、水利、水电等隧（洞）道或其他功能洞室

（2）按纵断面形式分平洞、横洞、斜井和竖井

（3）按断面大小分小、中、大、特。单线双线三线双车道三车 道四车道

（4）按施工方法分传统矿山法隧道和TBM或盾构隧道

1.3隧道断面划分

按照国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的 大小划分标准分类：分为极小断面隧道（2～3㎡）、小断面隧道（3～10㎡）、中等断面隧道（10～50㎡）、大断面隧道（50～100㎡）和特大断面隧道（大于100㎡）。

1.4隧道工程历史

英国人1826年在蒸汽机车牵引的铁路上开始修建长770米的泰勒山单线隧道和长2474米的维多利亚双线隧道

随后美、法等国相继修建了大量铁路隧道。

在19世纪60年代以前，修建的隧道都用人工凿孔和黑火药爆破方法施工。

1861年修建穿越阿尔卑斯山脉的仙尼斯峰铁路隧道时，首次应用风动凿岩机代替人工凿孔。

1867年修建美国胡萨克铁路隧道时，开始采用硝化甘油炸药代替黑火药，使隧道施工技术及速度得到进一步发展 中国于1887-1889年在台湾省台北至基隆窄轨铁路上修建的狮球岭隧道，是中国的第一座铁路隧道，长261米。此后，又在京汉、中东、正太等铁路修建了一些隧道。

京张铁路关沟段最早修建的4座隧道(五桂头，石佛寺,居庸关，八达 岭)，是用中国自己技术力量修建的第一批铁路隧道，这其中最长的八达岭铁路隧道长为1091米，于1908年建成。

中国在1950年以前，仅建成标准轨距铁路隧道238座，总延长89公里

1.5隧道工法的进步

竖井反井法：

Boomer三臂凿岩台车广泛应用于隧道掘进、地下厂房 开挖等各项地下工程施工，可进行爆破钻孔、锚杆钻孔、超前钻探、管棚等作业。

科技发展带来的技术日新月异，地下工程的设备为人类改造地底带来效率与安全。

1.6隧道及地下工程面临的问题

?勘察设计水平有待突破设计理论、勘察手段

?整体施工机械化水平与发达国家有差距

钻爆法关键工序—开挖工序还以人工风钻为主，特长隧 道TBM使用率很低

?软岩大变形、富水砂层、高压富水断层等复杂地质应对能 力不强

?高风险隧道施工安全生产事故频率较高

?质量通病有待克服

?作业环境差，职业健康状况堪忧

2围岩

2.1三大类岩石典型

沉积 岩

沉积岩 的体积只占岩石圈的5%，但其分布面积却占陆地的75%， 大洋底部几乎全部为沉积岩或沉积物所覆盖。

①层理构造显著； ②沉积岩中常含古代生物遗迹，经石化作用即成 化石；③有的具 有干裂、孔隙、结核等

岩浆岩

是指岩浆冷却后（地壳里喷出的岩浆，或者被融化的现存岩石），成形的一种岩石。现在已经发现700多种岩浆岩，大部分是在地壳里面的岩石。常见的岩浆岩有花岗岩、安山岩及玄武岩等。一般来说，岩浆岩易出现于板块交界地带的火山区。

变质岩

变质岩是在高温、高压和矿物质的混合作用下由一种岩石自然变质成的另一种岩石。质变可能是重结晶、纹理改变或颜色改变。变质岩，原有岩石经变质作用而形成的岩石。根据变质作用类型的不同，可将变质岩分为5类：动力变质岩、接触变质岩、区域变质岩、混合岩和交代变质岩。常见的变质岩有：糜棱岩、碎裂岩、角岩、板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、大理岩、石英岩、角闪岩、片粒岩、榴辉岩、混合岩等。变质岩占地壳体积的27.4％。

2.2围岩初始应力场

地下工程的一个重要力学特征：地下工程是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。初始应力场是客观存在的，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史有关。初始应力状态，受两类因素影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造，地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类活动等暂时性和局部性的因素。

初始应力=自重应力分量+构造应力分量

竖向自重应力=深度*岩体比重水平应力侧压力系数折减，由于岩石强度有限，随着深度加大，侧压系数将趋于1

构造应力在埋深500米普遍存在，一般近似水平方向，很不均匀。其值可以达到垂直应力的0.8~2.0倍，极端可达30倍。

初始应力场评价：围压比，最大应力值与围岩极限抗压强度的比值，极高应力<4，4-7高地应力

2.3围岩的自然特性与工程特性

自然特性:

围岩是具有一定应力历史和积储有应变能的天然材料

围岩的构造---力学特性是其最基本的特性

围岩性质的各项指标数据的离散性和不确定性是其性质的基本特征

岩石的物性指标：强度（抗压、抗拉、抗剪等）、变形（弹性、塑性、粘滞性、流变特性）以及透水性、空隙率、单位容重等。

岩体：是地质母体地一部分，岩体内部有许多结构面，有构造作用形成的，有风化、变质原因形成的。岩体是各种类型和尺寸的岩块的集合体。由岩块、结构面、充填物构成。

工程特性：岩石和岩体在爆破、开挖、注浆等外力作用下，自然特性的变化

2.4节理

节理

岩石受力作用形成的破裂面或裂纹，称为节理，它是破裂面两侧的岩石没有发生明显位移的一种构造。节理的产状也可用走向、倾向和倾角进行描述。

节理组和节理系：在同一时期，同一成因条件下形成的，彼此相互平行或近于平行的一群 节理叫节理组；在同一构造应力作用下，形成有规律组合的节理组，叫节理系。

节理分类

按节理的成因分类，节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理。

原生节理：指岩石形成过程形成的节理，如玄武岩的柱状节理

构造节理：是岩石受地壳构造应力作用产生的，这类节理具有明显的方向性和规律性，发育深度较大，对地下水的活动和工程建设的影响也较大。构造节理与褶皱、断层及区域性地质构造有着非常密切的联系，它们常常相互伴生，是工程地质调查工作中的重点对象(相对于节理、表生节理)。

表生节理：又称风化节理、非构造节理，是岩石受外动力地质作用(风、水、生物等)产 生的，如由风化作用产生的风化裂隙等，这类节理限在空间分布上常局限于地表浅部岩石中，对地下水的活动及工程建设有较大的影响。

2.5断层

断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造， 断层在地壳中广泛发育，是地壳的最重要构造之一。在地貌上，大的断层常常形成裂谷和陡崖，如著名的东非大裂谷、中国华山北坡大断崖。

2.6 隧道围岩分级

隧道和围岩是密不可分的，而围岩又是千差 万别的，要解决设计施工问题，人们在工程实际中总结经验，把围岩按照岩石坚硬程度 和岩体完整程度进行基本分级，再结合地下 水影响、初始地应力影响以及隧道埋深进行修正，最后确定隧道围岩等级。

3工程地质与辅助设备

3.1地下水

上层滞水：是由于局部的隔水作用，使下渗的大气降水停 留在浅层的岩石裂缝或沉积层中所形成的蓄水体。

潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下水，通 常所见到的地下水多半是潜水。当地下水流出地面时就形成泉。潜水存在于地表以下第一个稳定隔水层上面、具有自由水面的重力。它主要由降水和地表水入渗补给。

承压水（自流水）是埋藏较深的、赋存于两个隔水层之间 的地下水。承压水充满于上下两个隔水层之间的含水层中的水。它承受压力，当上覆的隔水层被凿穿时，水能从钻孔上升或喷出。按含水空隙的类型，地下水又被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。这种地下水往往具有较大的水压力，特别是当上下两个隔水层呈倾斜状时，隔层中的水体要承受更大的水压力。当井或钻孔穿过上层顶板时，强大的压力就会使水体喷涌而出，形成自流水。

3.2地质预报

地质预报是一道施工工序，目的是为了进一步探明未开挖段落 地质水文情况，以便有针对性制定施工方案。当存在断层、溶洞、暗河、瓦斯等不良地质时，应当制定地质预报专项方案。铁路隧道及高风险隧道地质预报由设计单位负责。

《铁路隧道超前地质预报技术指南》

手段主要有： 地质雷达、TSP、红外探水、超前水平钻、加深炮孔、地质素描。