岩石力学岩石地下工程.pptx
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1、第第8章章 岩石地下工程岩石地下工程 地地下下工工程程:为为各各种种目目的的修修建建在在地地层层之之内内的的中中空空巷巷道道或或中中空空洞洞室室,其其共共同同特特点点是是在在岩岩体体内内开开挖挖出出具具有有一定横断面积和尺寸的洞室。一定横断面积和尺寸的洞室。8.1 概 述 不同的分类方式有不同的分类不同的分类方式有不同的分类 方法方法按所处的地质条件按所处的地质条件按所处的地理位置按所处的地理位置土质隧道土质隧道岩质隧道岩质隧道山岭隧道山岭隧道水底隧道水底隧道城市隧道城市隧道地地下下工工程程类类型型 交通类隧道交通类隧道水工隧道水工隧道市政隧道市政隧道矿山隧道矿山隧道人防隧道人防隧道铁路隧道铁
2、路隧道公路隧道公路隧道地下铁道地下铁道人行通道人行通道引水隧道引水隧道尾水隧道尾水隧道导流隧道导流隧道泄洪隧道泄洪隧道给水隧道给水隧道排水隧道排水隧道管路隧道管路隧道(煤气、暖气、电力等)(煤气、暖气、电力等)采矿巷道采矿巷道运输巷道运输巷道按隧道的用途深埋地下工深埋地下工程(程(50m)的特点的特点:可视为可视为无限体中的孔洞无限体中的孔洞问题,孔洞各方向无穷远处,仍为原岩应力;问题,孔洞各方向无穷远处,仍为原岩应力;当埋深等于或大于巷道半径当埋深等于或大于巷道半径R R0 0或其宽、高之半的或其宽、高之半的2020倍以上时,巷道影响倍以上时,巷道影响范围(范围(35 R R0 0 )以内的
3、)以内的岩体自重可以忽略不计岩体自重可以忽略不计;原岩水平应力可以简化;原岩水平应力可以简化为均匀分布,通常误差不大(为均匀分布,通常误差不大(10以下);以下);深埋的水平巷道长度较大时,可作为深埋的水平巷道长度较大时,可作为平面应变平面应变问题处理。其它类型巷道,问题处理。其它类型巷道,或作为空间问题,或作为全平面应变问题处理。或作为空间问题,或作为全平面应变问题处理。深埋隧道深埋隧道(地下工程自身影响达不到地表)(地下工程自身影响达不到地表)浅埋隧道浅埋隧道按隧道的埋置深度南水北调东线穿黄探洞工程,开创南水北调东线穿黄探洞工程,开创70米深处穿越黄河先例米深处穿越黄河先例断面为断面为16
4、20米的瀑布沟水电站泄洪洞米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工水工隧道采矿巷道采矿巷道地下水电站地下水电站二滩水电站发电厂房海底储气工程海底储气工程汕头汕头LPG工程,工程,1997年年10月开工,月开工,1999年年12月建成月建成地下物流系统地下原子能发电站地下停车场人防隧道人防隧道地下商场北京国贸地下滑冰馆城市隧道南京玄武湖地下快速路宁波甬江水底隧道广州地铁二号线广州地铁二号线【赤鹭区间隧道赤鹭区间隧道】盾构工程盾构工程地下铁道北京地铁王府井车
5、站隧道内路面施工隧道内路面施工隧道出口施工 重庆轻轨二号线(较场口重庆轻轨二号线(较场口-新山村)新山村)18公里,投资公里,投资43亿(亿(2000-2005年)年)临江门车站临江门车站较场口车站较场口车站大坪车站大坪车站轻轨地下车站:公路隧道公路隧道重庆华蓥山隧道北碚隧道2005年年2月月15日歌乐山打通,工程分左右两条隧洞,共要挖出日歌乐山打通,工程分左右两条隧洞,共要挖出100万万方土石。其中,每条隧洞长方土石。其中,每条隧洞长3900米,单向双车道。米,单向双车道。重庆大学城梨树湾隧道珠海板樟山公路隧道全长全长18.02公里,总投资公里,总投资31.93亿元亿元断层、涌水、岩爆断层、
6、涌水、岩爆照明、通风、消防、通信、救援、照明、通风、消防、通信、救援、交通安全控制、供配电、监控交通安全控制、供配电、监控湖南邵怀高速湖南邵怀高速隧道内的隧道内的“人造天空人造天空”陕西秦岭终南山公路隧道铁路隧道铁路隧道襄渝铁路松树车站三线隧道中国自行设计和施工的第一座中国自行设计和施工的第一座越岭隧道,位于(北)京包越岭隧道,位于(北)京包(头)铁路青龙桥车站附近。(头)铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长这座单线隧道全长1091米,由米,由我国杰出的工程师詹天佑亲自我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造,规划督造,1907年开工,在中年开工,在中国技术人员和工人的努力下,国技术人员和工人的努力
7、下,仅用仅用18个月,于个月,于1908年竣工。年竣工。八达岭隧道在四川省境内的大渡河畔,在四川省境内的大渡河畔,有一条古老凉山分裂成的有一条古老凉山分裂成的长达几里的大裂缝,名叫长达几里的大裂缝,名叫老昌沟。老昌沟。1964年修建年修建成昆成昆铁路铁路时,桥梁建设者们在时,桥梁建设者们在这里修建了一座中国跨度这里修建了一座中国跨度最大的铁路石拱桥。最大的铁路石拱桥。跨度最大的铁路石拱桥“一线天”桥中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道:中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道:关角隧道位于青藏铁路西(宁)关角隧道位于青藏铁路西(宁)格(尔木)段的青海省天峻县格(尔木)段的青海省天峻县内,全长内
8、,全长4000米。洞内轨面最米。洞内轨面最高处海拔高处海拔3692米。由于地处高米。由于地处高海拔地区,气候寒冷,空气稀海拔地区,气候寒冷,空气稀薄,年平均气温薄,年平均气温0,最低温,最低温度为零下度为零下37.5。关角隧道的关角隧道的施工前后历时施工前后历时30多年,除停工多年,除停工的的13年外,正式开挖建设年外,正式开挖建设5年年半,而整治病害耗时半,而整治病害耗时9年多,年多,可见隧道地质构造之复杂、气可见隧道地质构造之复杂、气候条件的恶劣和病害的严重。候条件的恶劣和病害的严重。关角隧道 中国已通车的最长双线电气化铁路隧道中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:位于京广铁路广东省粤北瑶山
9、山区的坪石至乐昌间,位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间,全长全长1429514295米。隧道埋深米。隧道埋深7070至至910910米,推行了国外最米,推行了国外最先进的设计和施工的方法先进的设计和施工的方法“新奥法新奥法”。采用八十。采用八十年代国内外最先进的大型机械,实现了主要工序年代国内外最先进的大型机械,实现了主要工序钻爆、支护、装运三条机械化作业线。钻爆、支护、装运三条机械化作业线。大瑶山隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道:分水关隧道中国最长的铁路隧道:中国最长的铁路隧道:位于西(安)(安)康铁路青岔车站和营盘车站之间,由两座基本平行的单线隧位于西(安
10、)(安)康铁路青岔车站和营盘车站之间,由两座基本平行的单线隧道组成,两线间距为道组成,两线间距为3030米,其中米,其中线隧道全长线隧道全长1846018460米;米;线隧道全长线隧道全长1845618456米。米。秦岭隧道中国最长的铁路隧道:中国最长的铁路隧道:秦岭隧道秦岭隧道隧道最大埋深约隧道最大埋深约16001600米,埋深超过米,埋深超过10001000米地段长约米地段长约3.83.8公里。公里。线线(左线左线)隧道使用隧道使用2 2台台8.88.8米敞开式掘进机(米敞开式掘进机(TBMTBM)由隧道两端相向施工。)由隧道两端相向施工。线隧道线隧道(右线右线),采用新奥法施工,采用新奥
11、法施工,初期支护为锚喷,二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。初期支护为锚喷,二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。中国最长的铁路隧道:中国最长的铁路隧道:秦岭隧道秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关,且技术难关,且线隧道采用掘进机施工,在我国铁路隧道施工尚属首次,为此有线隧道采用掘进机施工,在我国铁路隧道施工尚属首次,为此有六类六类2424项部重点科研项目立项研究,均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建,项部重点科研项目立项研究,均取得了不俗的成果。秦岭特长隧
12、道的修建,使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道19951995年年1 1月月1818日正式日正式开工,开工,19991999年年9 9月月6 6日全部贯通,日全部贯通,20002000年年8 8月月1818日西康铁路开通运营。日西康铁路开通运营。世界高原多年冻土区第一长大隧道:世界高原多年冻土区第一长大隧道:昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内,全长昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内,全长1686米米,于于2001年年9月开工,月开工,2002年年9月月26日日胜利贯通。胜利贯通。昆仑山隧道世界海拔第一高的铁路隧道:世界海拔第一高的
13、铁路隧道:位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人区无人区”边缘,全长边缘,全长13381338米,轨面海拔米,轨面海拔49054905米,是世界上米,是世界上海拔最高的隧道,年均气温零下海拔最高的隧道,年均气温零下77,寒季最低气,寒季最低气温达零下温达零下4141,空气中氧气含量只有内地的,空气中氧气含量只有内地的5050左左右。隧道冻土层最厚达右。隧道冻土层最厚达150150米、覆盖层最薄处仅有米、覆盖层最薄处仅有米,施工稍有不慎,就会导致大塌方,工程难度米,施工稍有不慎,就会导致大塌方,工程难度之大前所未遇。之大前所未遇。20012001年年101
14、0月月1818日开工建设,日开工建设,20022002年年1010月月1919日胜利贯通。日胜利贯通。风火山隧道 课后自己上网看看课后自己上网看看CCTV10CCTV10的纪录片的纪录片穿越梦想穿越梦想宜万铁路宜万铁路(沪蓉西高速铁路沪蓉西高速铁路)城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段,正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要手段,正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要手段,正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要
15、手段,正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。大型城市地下综合体:交通、市政、商业上上海海人人民民广广场场上上海海静静安安寺寺核心区地下城,以波浪文化城(100000 m2)和地铁1、2 号线换乘站为骨干,形成地下城,地下空间总量达到200万m2。杭杭州州钱钱江江新新城城 深圳罗湖口岸及火车站地区:该综合体地下地上各三层,该项目于2006年7月获城市土地学会亚太区卓越奖。深圳华强北地下商业街:以疏通人流为主,兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人
16、行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸,扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。南 京 结合地铁1、2号线新街口换乘站建设,形成地下空间网络,总建筑面积超过了40万m2,基本形成了地下城。深深 圳圳朝鲜平壤地铁 平壤地铁平壤地铁19681968年开建,年开建,19871987年开通,全长年开通,全长3535公里。最深处达公里。最深处达120120米,米,号称是世界上最深的地铁。号称是世界上最深的地铁。健身房地下污水处理厂玉米棒式地下停车库第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡,把津轻半岛和北海道的
17、铁路连当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡,把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆,为双线隧道,全长接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆,为双线隧道,全长为为53860米,其中海底部分为米,其中海底部分为23300米。青函隧道米。青函隧道1964年开挖斜坑道,经过年开挖斜坑道,经过24年年的施工,于的施工,于1988年年3月月13日正式投入运营。日正式投入运营。日本青函隧道从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来,同时修建两条直径从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来,同时修建两条直径7.3米、长米、长50000米的铁路隧道。其
18、中米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距米在海底。两条隧道之间相距30米,在其中间线再修米,在其中间线再修一条直径为一条直径为4.5米的辅助隧道,每隔米的辅助隧道,每隔375米与两侧主隧道连通,供通风、维修使用。当米与两侧主隧道连通,供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时,辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为主隧道因故列车不能通行时,辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿亿法朗(约合法朗(约合70亿美元)。隧道于亿美元)。隧道于1987年动工,年动工,1994年竣工并投入使用。坐时速年竣工并投入使用。坐时速260公公里的高速火车,穿越隧道只用里的高速火车
19、,穿越隧道只用26分钟分钟。英法海底隧道第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 计划中的这条隧道长计划中的这条隧道长103公里,是英法隧道水下部分的公里,是英法隧道水下部分的3倍长,贯穿白令海峡,将倍长,贯穿白令海峡,将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来,横跨欧亚北美大陆。按照计划,海底隧道俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来,横跨欧亚北美大陆。按照计划,海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆,建成后将为将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆,建成后将为北美和俄远东地区每年节省北美和俄远东地区每年节省200亿美
20、元运输费和电费。预计历时亿美元运输费和电费。预计历时10到到15年,耗资年,耗资100亿到亿到120亿美元。而一旦隧道完工,意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。亿美元。而一旦隧道完工,意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。横跨白令海峡的海底隧道将沟通欧亚和北美香港海底隧道九龙入口香港海底隧道九龙入口 香港第1条过海行车隧道,于1972年8月通车,耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里,跨越维多利亚港,将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道 第一条由内地专家自行设计的海底隧道,而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。全长9公里,海底隧道5.95公里
21、,总投资39.5亿。隧道采取三孔建设形式,共由三条线路组成,其中中间一孔为服务隧道,作为紧急避难通道和日常维护检修用。主洞隧道建筑限界净宽13.5米,净高5米,隧道最深在海平面下约70米。台海隧道即使以最短的北线计算也有台海隧道即使以最短的北线计算也有150公里,是英法之间的英吉利海峡隧公里,是英法之间的英吉利海峡隧道长度的道长度的3倍。台海隧道的造价排除物价因素将在倍。台海隧道的造价排除物价因素将在4000亿到亿到5000亿元人民币之间。亿元人民币之间。预计将来通过隧道列车,从台湾到大陆单程只需要预计将来通过隧道列车,从台湾到大陆单程只需要2小时。小时。台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台
22、湾海峡的地质条件。由于台湾海台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海峡地层处于较新的地质年代,构造复杂,为地震活动区域,还需要深入的地质勘峡地层处于较新的地质年代,构造复杂,为地震活动区域,还需要深入的地质勘探、科学的设计和完备的施工措施。探、科学的设计和完备的施工措施。台海隧道隧道施工及监测技术8.2 8.2 地下工程围岩应力地下工程围岩应力地下工程围岩应力地下工程围岩应力 (1 1)围岩应力重分布问题)围岩应力重分布问题计算重分布应力计算重分布应力 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态,洞室周边岩体将向开挖空间松胀变地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态,洞
23、室周边岩体将向开挖空间松胀变形,使围岩中的应力产生重分布作用,形成新的应力状态,称为重分布应力状态。形,使围岩中的应力产生重分布作用,形成新的应力状态,称为重分布应力状态。(2 2)围岩变形与破坏问题)围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下,洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩在重分布应力作用下,洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力,围岩将产生破坏。体的承受能力,围岩将产生破坏。(3 3)围岩压力问题)围岩压力问题计算围岩压力计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害,因而,需对围岩进行支护衬砌
24、,变围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害,因而,需对围岩进行支护衬砌,变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载,称为围岩压力形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载,称为围岩压力(或称山岩压力、地压等或称山岩压力、地压等)。(4 4)有压洞室围岩抗力问题)有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力计算围岩抗力 在有压洞室中,作用有很高的内水压力,并通过衬砌或洞壁传递给围岩,这时围岩在有压洞室中,作用有很高的内水压力,并通过衬砌或洞壁传递给围岩,这时围岩将产生一个反力,称为围岩抗力。将产生一个反力,称为围岩抗力。力学问题n围岩应力计算:围岩应力计算:开挖前岩体天然应力状态的确定开挖前岩体天然应力状态的确
25、定 开挖后开挖后围岩重分布应力围岩重分布应力的计算的计算 支护衬砌后围岩应力状态的改善支护衬砌后围岩应力状态的改善n重分布应力:重分布应力:地地下下开开挖挖扰扰动动后后在在围围岩岩中中形形成成的的新新的的应应力力。重重分分布布应应力力与与围围岩岩性性质质、洞洞形形、洞室受外力状态有关洞室受外力状态有关一、无压洞室围岩重分布应力计算一、无压洞室围岩重分布应力计算1 1、弹性围岩重分布应力、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体,围岩呈弹性变形。坚硬致密的块状岩体,围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体,其围岩重可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体,其围岩重分布应力可根据弹性力
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