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隧道工程


土建学院隧道工程认知实习报告

目录

前言-----------------------------------------------2 专论-----------------------------------------------3 结束语--------------------------------------------10

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土建学院隧道工程认知实习报告

第一部分 前言
隧道工程是土木工程的一个主要的方向, 是我们土木建筑工程学院的一个非 常出色的专业。隧道是修建在地下或水下并铺设铁路供机车动车辆通行的建筑 物。隧道因其建造于地下,不同于地面结构,由支护结构以外的岩体或土体(称 作围岩) 、支护结构以及支护结构(衬砌)所围成的空间组成。由于地质条件以 及周围建筑环境的多样性和复杂性,需要采用的施工方法和建造工艺也有多种, 故隧道的结构形式和施工方法多样。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道 和城市隧道三大类。 为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的称为山岭 隧道; 为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的称为水下隧道;为适应铁路通过 大城市的需要而在城市地下穿越的称为城市隧道。 这三类隧道中修建最多的是山 岭隧道。 隧道工程包括隧道的勘测、设计、贯通控制测量和施工等工作。隧道勘测, 为确定隧道位置、施工方法和支护、衬砌类型等技术方案,对隧道地处范围内的 地形、 地质状况, 以及对地下水的分布和水量等水文情况要进行勘测。 隧道设计, 包括隧道选线、纵断面设计、横断面设计、辅助坑道设计等。此外,隧道设计还 包括洞门设计, 以及开挖方法和衬砌类型的选择等。隧道测量是为了保证测量的 中线和高程在隧道贯通面处的偏差不超出规定的限值。隧道开挖,开挖方法分为 明挖法和暗挖法。 明挖法多用于浅埋隧道或城市铁路隧道,而山岭铁路隧道多用 暗挖法。按开挖断面大小、位置分,有分部开挖法和全断面开挖法。在石质岩层 中采用钻爆法最为广泛, 采用掘进机直接开挖也逐渐推广。在松软地质中采用盾 构法开挖较多。 现代高度竞争的地下采矿与隧道工程要求成本集约, 安全开凿与岩石加固等 程序步骤。 采矿的机器设备必须安全可靠,并紧密跟随工业持续提高的生产力与 飞速发展的经济步伐。掘进机开挖法正在不断研究改进,并生产出各种新机械, 其应用有广阔前景。液压凿岩机不断更新完善,使隧道开挖进度大大提高。光电 测量仪器和激光导向设备的使用,使长隧道施工精确程度有所提高。目前,航空 勘测、遥感技术、物探技术、岩层中应力应变的量测技术、电子计算机技术等的 广泛应用,使隧道勘测设计技术水平也有很大提高。精确爆破技术,水平钻探技 术和预灌浆技术的不断提高, 有可能提高隧道开挖过程的安全性,并能保证隧道
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工程的质量。

第二部分 专论
实习目的:
1、通过参观各类隧道,加强对隧道的认识,了解隧道的总体设计、选线布置等 特点 。 2、通过实习,了解隧道施工技术,熟悉隧道构造,了解各类隧道支撑结构的特 性及应用。 3、 通过实习,将所学理论知识与实践知识相结合,同时为以后的专业知识的学习 打下基础。

实习地点:
妙峰山隧道及市内

实习时间:
2011 年 10 月 30 日

实习内容
一. 隧道的发展 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。京张铁路关沟段修建的 4 座隧道,是用中国自己技术 力量修建的第一批铁路隧道。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。 20 世纪 50 年代以来, 自 隧道修建数量大幅度增加, 1950~1984 年期间共建成标准轨距铁路隧道 4247 座,总延长 2014.5 公里,成为世界 上铁路隧道最多的国家之一。 中国标准轨距铁路隧道修建数量如表 1[ 中国 标准轨距铁路隧道修建数量]。此外,中国还建有窄轨距铁路隧道 191 座, 总延长 23 公里。 截至 1984 年,中国共建成 5 公里以上长隧道 10 座 (表 2[中 国 5 公里以上的铁路隧道]) 最长者为京原铁路的驿马岭铁路隧道, 7032 , 长 米。现正在施工的京广铁路衡韶段大瑶山双线隧道,长 14.3 公里。中国最 高的铁路隧道是青藏铁路关角铁路隧道,长 4010 米,海拔 3690 米。
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中国铁路隧道约有半数以上分布在川、陕、云、贵 4 省。成昆、襄渝 两条铁路干线隧道总延长分别为 342 及 282 公里,占线路总长的比率分别 为 31.6%和 34.3%。 二.隧道的基本知识 1. 围岩:由开挖洞室引起的应力状态的重大拜年话仅局限在洞周一定范围之 内,通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的 3 到 5 倍,通常,将此范 围内的岩体称为围岩。 2. 围岩应力重分布的主要特征 是径向应力随着向自由表面 的接近逐渐减小,至洞壁处 变为零,而切向应力的变化 则有不同情况,在一些部位 愈靠近自 由表面 切应 力愈 大,并于洞壁达最高值,即 产生所谓的压应力集中,在 另一些部位,愈靠近自由表 面切向应力愈低,有时甚至 于洞壁附近出现拉压力,即 产生所谓的拉应力集中。这 样,地下洞室的开挖就将于 围岩内引起强烈的主应力分异现象, 使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增 大,至洞室周边达到最大。 3. 围岩岩体的变形和破坏的形式和特点, 除与岩体内的初始应力状态和洞形有 关外,主要取决于围岩的岩性和结构。 脆性围岩的变形破坏形式:1.弯折内鼓 滑移及碎裂松动 4.岩爆 2.膨胀内鼓 3.塑流涌出 4. 2.张裂塌落 3.劈裂剥落、剪切

脆性围岩的变形破坏形式:1.塑性挤出 重力坍塌

4. 围岩压力:设计隧道或其他地下洞室时,如果工程地质分析与岩体力学计算
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的结果表明,开挖后围岩是不稳定的,那么就必须设计相应的支衬结构以支 撑变形或塌落的围岩,保证洞体的稳定。为了达到这个目的,支衬结构就必 须能够适应于围岩之间的相互作用。这种相互作用力,对于支衬结构来说, 就是所谓的围岩压力,它是设计支衬结构的主要依据。 具体到地质环境问题上,主要应该注意以下几点: 1)隧道位置应尽可能选择在地质构造简单,节理裂隙不发育,岩性较好, 稳定的地层中通过。岩层软弱结构面、断裂、褶皱、扭曲带,往往由于 节理裂隙发育,破碎严重,地下水活动方便,岩层强度低,容易产生坍 方、岩块滑移和很大的不均匀围岩压力,对隧道施工运营均 不利,应注 意避免,必须通过时,应使隧道的通过长度减少到最小。 2)隧道穿越两种岩性迥然不同的岩层接触带时,应避免平行和接近平行, 应尽可能垂直或接近垂直方向穿越接触带。 3)当隧道通过单斜构造时,隧道中线以垂直岩层走向穿越最为有利。当隧 道中线与非水平岩层走向一致或斜交角很小时,应力求将隧道置于岩性 较好、强度较高的层内。如岩层倾角较大,又有粘着力较差的软弱夹层 时,应注意有产生顺层滑动的可能。 4)当隧道通过褶曲构造时,隧道位置选择在褶曲构造一翼或背斜褶皱中轴 处通过较为有利。不宜将隧道置于向斜轴部通过。 5)在岩溶地区,隧道应避免穿越大溶洞和暗河。如洞身周围有溶洞存在而 不能绕过时, 应根据岩性和构造特征, 要求隧道与溶洞之间(包括顶 板、底板和侧面)保持一定的安全岩壁厚度, 同时应尽量使隧道处于岩 溶管道的垂直循环带内,否则应查清情况,提出处理措施(如考虑斜井 排水预案等)。一般当灰岩稳定性好且强度较高时,岩壁厚度不应小于 一倍洞径。 6)隧道穿过含煤地层、页岩地层、石膏地层或穿过含盐地层时,应避开富 煤区、瓦斯或硫酸根含量较丰富的地段;当不能避开时,应使其通过的 长度最短。 7)隧道穿越地热区域时,应通过综合勘探方法找出相对低温带,并应尽量 提高线路设计高程以减小隧道埋深,避免热害。
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三.妙峰山隧道
这次实习,我们 到达的第一个地点是 妙峰山隧道,右图为 妙峰山隧道的远景。 妙峰山隧道是依 山伴水而建,它的边 上就是一个复合褶 皱,使得该处隧道的情况非常复杂,很具有代表性。 妙峰山隧道选在褶皱周围, 是比较不合理的,因为褶皱地形的岩体条件比较 差。所以,可以观察到隧道周围的撑基有部分开裂的情况出现。靠近山体表面的 岩石分化作用比较严重,所以此处岩体破碎,导致围岩不稳,衬砌开裂等现象的 出现。 在隧道工程之中,有一个很重要的选线原则就是“宁里勿外” 。这是沿河傍 山隧道特点:若稍向河流一侧偏移,线路位置会落在山体的风化表层内,易引起 塌方落石;稍偏向靠山一侧,形成浅埋,洞顶覆盖层太薄,容易受到山体的偏侧 压力,对施工和结构的受力十分不利。因此,隧道位置“宁里勿外”,即隧道位 置 向山体内靠为好,注意洞身覆盖的厚度 (最小覆盖层厚度) 。 在隧道工程之中,通常有两种选线依据一是按地质条件进行选择: 1.单斜构造地层尽可能避开软弱结构面,隧道不能与软弱结构面平行,应成一 定角度。 2.褶曲构造地层通常,若隧道必须通过褶曲时、置于翼部较为有利,但需考虑 偏侧压力;隧道不能置于向斜内,特别是向斜的轴部,同时尽量避免把隧道置于 背斜的轴部。 3.不良地质条件 滑坡地段: 山体在重力作用下,沿某一软弱面发生整体下滑,形成滑坡,隧道处于滑坡 地段易受到推力、挤压或剪切断开,造成破坏。隧道易置于滑床的以下一定厚度 的稳固地层中
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岩堆地区: 岩石经过分离剥解后冲刷堆积在山坡平缓处形成无粘结力的堆积体, 隧道通 过易形成塌方。隧道易置于稳固地层中。 泥石流: 山顶积聚的土壤或砾石、 岩块受洪水浸融成为流体, 顺山沟或峡谷急剧下滑, 摧毁铁路路基或隧道。隧道宜置于牢固稳定的地基之上(切割深度以下) ,洞口 置于冲击扇范围外。 概括地说, 选定隧道洞口位置时,首先按地质条件控制边坡和仰坡安全和稳 定,然后是尽量躲避不良地质区域,最后才考虑经济方面的问题。

妙峰山隧道中,有偏压隧道,这是一种比较不好的工程状态,即内侧有侧 向压力作用,外侧的压力非常小。这样,就导致了压力不对称,使得岩体的稳定 性降低,也使得衬砌结构要不断加固。可以看到,二号隧道的进口处与出口处结 构并不相同,顺下游方向的隧道出口,完全没有衬砌,另一出口则有衬砌维护, 这与两侧出口的围岩性质有关。 由于一侧出口岩体较完整,抗风化能力较另一侧 强,没有任何工程支护,而另一侧出口岩体风化严重,植被覆盖较高,能够截流 较多的地表径流,进而促进水对可溶岩的溶蚀能力,可观察到小型的岩溶洞穴, 并填充了水流冲刷物质。这些特征使得该出口围岩相对破碎,完整性较差,岩体 强度减弱,所以进行了支护。

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妙峰山的 三号 隧道围 岩比较完整。上层为闭合结 构面,这是一种比较不利的 结构,但好在其中没有填充 物。密闭结构面的力学性质, 取决于岩石成分及结构面的 粗糙程度。总体是张开的结 构面,其两侧壁之间有时保 持点接触,其抗剪强度较完 全张开者要大。当结构面完 全张开时,其抗剪强度取决 于充填物情况及胶结情况。试验证明,结构面内夹有软弱物质时,其强度显著降 低。 据此可将结构面分为硬性结构面和软弱结构面两种。前者结构面两壁结合牢 固或无软弱物质充填, 后者又夹有软弱物质。结构面见常见的充填物质成分有粘 土质,砂质,角砾质,钙质及石膏质沉淀物和含水蚀变矿物等。其相对强度的次 序为:钙质>角砾质>砂质>石膏质>含水蚀变矿物>黏土。

四.隧道失稳的防治措施
目前,常用的支衬结构有支撑,衬砌,锚杆支护以及“锚杆-喷射混凝土” 联合支护等类型。 1.支撑是临时性保护围岩的结构, 主要是用木结构的或钢结构的支架把围岩 支撑起来。 当开挖局部严重不稳定地段时, 常作为施工中的临时性保护措施采用。 支撑材质钢管规格不得小于 Ф 48×3~3.5m 的钢管,无严重锈蚀、裂纹、变形, 钢管、扣件应有材质质保书或进场检验合格证明。 2.衬砌是一种永久性加固围岩的结构,即在地下洞室内用条石,混凝土或钢 筋混凝土砌筑一定厚度的墙。衬砌包括砖石衬砌、片石混凝土衬砌、钢筋混凝土 和整体灌筑的混凝土衬砌。 砖石或混凝土预制块衬砌: 它与就地灌筑的整体混凝土衬砌比较,有在砌筑 后能立即承受围岩压力, 并易于就地取材; 但操作多半依靠手工, 进度难于提高, 且砌缝容易漏水,防水性能较差。各国早期及中国在 50 年代初期修筑的隧道,
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均曾大量采用石料衬砌,目前已很少采用。 片石混凝土衬砌:只有在地质条件较好、围岩压力较小、砂子采集困难、运 输不便、又无适当定型石料可用的条件下,才考虑采用;但其劳动生产率低,进 度较慢,一般不宜推荐。 钢筋混凝土衬砌:只在地质条件复杂、围岩压力很大,并出现不对称压力或 动荷载作用时应用;在八度及八度以上的地震区,隧道洞口也可采用。对有特殊 设计要求, 或跨度较大的地下建筑物, 宜采用钢筋混凝土衬砌。 在围岩压力较大、 地质条件较差时,将用作支撑的钢拱架作为骨架留存在混凝土衬砌中比较有利。 整体灌筑混凝土衬砌: 为目前模筑衬砌中的一种主要施工方式, 在铁路隧道、 道路隧道、 水工隧洞及其他各类地下建筑工程中均广泛应用。这种模筑衬砌便于 机械化施工,其整体性和抗渗性均较好;在全断面开挖时,有利于采用金属模板 台车灌筑混凝土。 缺点是工序多, 施工进度慢, 灌筑混凝土后不能立即承受荷载, 化学稳定性也较差。 3.锚杆支护是目前生产中开始大量采用的一种提高围岩稳定性的措施, 它就 是将钢筋锚杆通过风钻孔插入洞室围岩内,是锚杆里端固在完整新鲜母岩内,锚 杆的外端与可能发生松动的岩体结合在一起。 通过这种结构将可能坍塌的岩体锚 固在完整岩体上, 为了收到良好的永久性锚固效果,通常采用砂浆锲头预应力锚 杆。具体来说是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中 采用的一种加固支护方式。用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱,打 入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中,利用其头部、杆体的特殊构造和尾 部托板(亦可不用) ,或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬 吊效果、组合梁效果、补强效果,以达到支护的目的。具有成本低、支护效果好、 操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。 4.“喷-锚”联合支护近些年来来飞速发展的比较先进的支护结构,它是随 着喷射混凝土和锚杆支护的技术发展而完善起来的。 薄的喷层之所以能起到加固 作用,是因为围岩失稳也是一种累进性破坏,从某一块周边抗剪强度不足的“冠 石”坠落,旋转或错动开始,相继引起整个围岩逐渐丧失稳定。只要喷层能够提 供使这块“冠石”不至于发生坠落,旋转或错动的支撑能力,就可以保证围岩的 整体稳定性。
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第三部分

结束语

隧道工程的实习很快就结束,这次的实习使我受益匪浅。在实习过程中,老 师结合相关的工程地质知识为我们耐心讲解, 分析了隧道洞口的围岩稳定性并判 断其支护类型,学科之间相互渗透,进一步强化了我们对各种工程概念的理解。 这次的实习是我们第一次以一种专业的角度来看待隧道,而不是像过去一样,只 是一种外行人的眼光看待。在实习中,我了解到了隧道的分类,基本支护类型, 施工方法大类等有关隧道工程的知识。通过这次实习,也明白了隧道的选址,布 线都是有其科学的依据,而不只是为了节省路径而开挖的。隧道的位置的选择, 不仅与将来的运输路线有关, 更与当地岩体的岩性息息相关。我们要全面地看待 工程,不仅是要局部符合建筑的要求,而且要以一种整体的眼光对待一项工程, 要考虑到其与周边环境的相互影响及关系。更要顾及到今后的运营和维护。 这次实习让我深刻体会到读书固然是增长知识开阔眼界的途径, 但是多一些 实践,畅徉于实事当中,触摸一下社会的脉搏,给自己定个位,也是一种绝好的 提高自身综合素质的选择。相信在今后的学习中,我们能更好的学到相关知识, 用知识武装自己,用知识为祖国去建设一个强大的铁路网与隧道。 最后要感谢隧道方向的老师的耐心讲解, 是您的努力让我们的实习能够顺利 完成。

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