城市地下隧道范文

城市地下隧道范文（精选9篇）

城市地下隧道 第1篇

北京地铁7号线广渠门外站至双井站区间位于交通较为繁忙的广渠门外大街,道路两侧多为商业区和住宅小区等。广渠门外站后有设置单线停车线,线间距15～17m,沿线下穿双井立交桥、富力城人行天桥和地铁10号线双井站等。其中,下穿既有地铁10号线,新建隧道和既有隧道之间的覆土厚度只有1m,属特级风险工程,该区间段7号线为洞径6.2m的双线双洞隧道。

10号线双井车站为全长181.0m的岛式站台车站,地下三层两跨(局部三跨)。地下一层为车站设备层,站厅层为地下二层,站台层为地下三层。设计车站南、北两段为地下三层明挖结构,中间段为地下一层暗挖结构。根据地铁10号线双井站的地质资料,土体的分层及物理力学参数见表1。

2 施工环境风险监测

2.1 地表监测方法

采用几何水准测量方法进行地表沉降观测,使用观测仪器为Trimble DINI12电子水准仪,测点埋设方法为钻具成孔。图1为地表标准监测点及简易测点埋设示意。其中,地表沉降监测测点应埋设平整,以避免影响人员及车辆通过,同时,要在埋点处做好标记,并做好保护措施,以方便测量。

(a)地表沉降标准观测点埋设;(b)地表沉降简易观测点埋设

2.2 现场地表监测布设原则

依据DB 11/490—2007《地铁工程监控量测技术规程》,地表沉降测点埋设应沿线路方向进行,通常在左右线区间隧道的中线和沿车站中线都布设一行监测点;如果车站采取多导洞施工,要在整体结构中线的正上方地表和每一导洞中线都布设一行监测点,选择监测点纵向间距时,可在5～30m之间选择,但要根据地表和地中的实际状况。

横向监测断面选择时,一般取车站2～3个断面、区间3～5断面,但要按地表和地中的实际状况确定。每个横向监测断面布置7～11个测点(图2),但其最外侧测点和结构外边缘要不能小于1倍埋深;在周围存在重要建(构)筑物和特殊地质地段时,要加密监测断面间距。横断面上各测点布设原则为近密远疏。

(a)现场地表沉降标准观测点;(b)现场地表沉降简易观测点

3 施工监测模拟

3.1 模型监测点的布设

地铁7号线广渠门—双井区间垂直下穿10号线暗挖段,数值几何计算模型尺寸选61.3m×59.24 m×41.55 m,模型中位于上方的隧道为10号线暗挖段隧道。

设计模型有两个监测断面,其中,监测断面1垂直10号线隧道方向,距模型南侧边界30m,监测断面2平行10号线隧道方向,位于10号线隧道纵向中线正上方地表,测点间距3m。计算模型及监测断面位置见图3。

3.2 监测模拟

采用有线差分软件FLAC3D建模进行计算分析模拟监测,按DB 11/490—2007《地铁工程监控量测技术规程》中关于地表监测点布置原则的条款记录模型中相应位置的竖向位移,并绘制沉降曲线。

3.2.1 开挖后监测断面沉降趋势

软件模拟施工过程采用交错施工,首先开挖7号线隧道左线隧道,然后开挖7号线右线隧道,始终使两条隧道的掌子面保持一定的距离至开挖结束。开挖结束后,记录前述监测断面上的测点沉降位移,得沉降位移曲线(图4,5)。

图4中实线所示为模拟的监测断面1地表沉降曲线,待7号线隧道开挖后,在原地层中,土体产生了应力释放,造成地表沉降,趋势符合正态分布。最大沉降位于10号线隧道纵向中线地表,约为0.417mm,最大沉降差为0.058mm。图5中实线所示为监测断面2模拟的该断面地表沉降曲线,总体趋势亦为高斯曲线,符合正态分布。最大沉降约为0.416mm,最大沉降差为0.094 mm。

由于两个监测断面分别垂直10号线隧道与7号线隧道,因此,在所绘制的地表沉降曲线中曲线趋势基本相同,出现两个沉陷槽。若仅开挖一条隧道,在垂直隧道方向的地表会出现沉陷槽,如图6所示,沿隧道纵向则是如图7所示的趋势。垂直下穿出现两个沉陷槽是地铁隧道下穿、地表沉降规律的一个重要特征。

车站与管线相对位置布置如图8所示,图9为选取图8中管线即横通道开挖完后垂直于其开挖方向的测点。由图9可看出,沉降值最大的测点位于横通道正上方,随着测点远离横通道,其沉降也逐渐降低,总体趋势与图6相同,亦为高斯曲线,符合正态分布,但其真实沉降值远比数值模拟沉降值大,这说明数值模拟中未考虑施工动态影响,如施工复杂工序转换及地下水的抽排等因素。

3.2.2 开挖面影响范围

以模型中位于7号线两隧道中线的地表测点为例,记录7号线隧道左线与右线开挖各个阶段,随着掌子面与测点间距离变化,该点对应沉降数据,绘制测点沉降趋势,如图10,11所示,其中图10为左线开挖该点沉降趋势图,图11为右线开挖该点沉降趋势。图中横坐标正值表示掌子面未通过监测点,负值表示掌子面已通过该监测点,数值表示掌子面与监测点水平间距。

图10,1 1所示为掌子面与监测点间距离与地表监测点竖向位移的关系。如图中规律可以看出,隧道开挖引起的地面沉降大致可分为以下4个阶段:

(1)当掌子面与测点间距离小于1倍洞径时,地表会产生微小变形,其原因在于,掌子面开挖引起地层内应力场变化和土体中地下水流失;

(2)当掌子面与测点间距离超过1倍洞径,开挖面越过测点,到和测点间距离等于3倍洞径,地表将会产生很大变形,这主要是因为隧道开挖造成边界条件改变,致土体产生扰动进而引起的应力重分布;

(3)当开挖面越过测点并与测点间距离约为4倍洞径范围时,地表变形将会非常缓慢,其原因是隧道支护封闭成环,覆土的进一步压实紧密;

(4)当开挖面超过测点并距测点大于5倍洞径范围时,此时,地表沉降已趋于平缓,变化量不大,说明地层已重新固结并趋于稳定。

4 地表沉降控制措施

依据DB11/490—2007《地铁工程监控量测技术规程》规定,地铁区间因开挖引起的地表位移不能超过为30mm,位移最大日速率为5 mm,平均日速率为2mm。比较日变形率和控制标准,如阶段日速率和累积变形值小于控制标准的70%,则为正常状态;日变形速率和累积变形值均在控制标准的70%～85%之间,或两指标之一大于控制标准的85%,则为黄色预警状态;日变形速率和累积变形值均在控制标准的85%～100%之间,或两指标之一大于控制标准,则为橙色预警状态;日变形速率和累积变形值均大于控制标准,或实测日变形速率出现急剧增长时,则为红色预警状态。当安全性为黄色预警时,应加密监测频率,当安全性为橙色预警时,应加强施工措施及监测的频率,并召集建设、设计、施工及监测单位进行会诊,对可能出现的情况作出判断和决策。当安全性为红色时,应立即停工,并启动应急预案。然而在实际地铁浅埋暗挖施工过程中,以橙色预警状态出现居多,为抑制橙色区域地表沉降进一步发展,笔者总结出了如下控制措施。

(1)注浆管长度适当加大,注浆材料宜采用凝固时间短、收缩率低的水泥砂浆(可适量渗入粉煤灰、速凝剂等)。

(2)加强超强支护避免带水作业,必要时采取注浆堵水和洞内引排的措施有效处理好地层界面残留水,避免残留水浸泡拱脚。

(3)加强各导洞开挖施工工序衔接及过程控制,实现初支的及早封闭成环,并及时进行背后多次回填注浆。

(4)加强拱脚锁脚锚管打设质量,并做好拱脚垫板,避免拱脚悬空。

(5)加强现场规范施工,严格遵守隧道开挖工序,规范留设核心土,做好格栅节点的连接等。

5 结论

施工监测是地铁施工及周边地表、建筑物安全的重要保证。本文结合施工现场监测资料,利用有限差分软件FLAC 3D对地铁7号线下穿既有地铁10号线双井站进行施工监测模拟,验证沉陷槽曲线、沿隧道方向的沉降规律以及开挖面的影响范围,所得结论归纳如下。

(1)隧道横向及纵向的地表沉降规律近似为两边小,中间大的趋势,即近似呈正态分布曲线。地铁隧道下穿既有线表现出的地表横断面沉降规律为出现2个沉降槽,呈W形。

(2)测点与开挖面间距大于5倍洞径范围时,其所受影响极小,而测点与开挖面间距在5倍范围之内时地表沉降一般经历三个阶段,即微小变形阶段、变形剧增阶段和变形缓慢阶段。

(3)由于未考虑施工动态影响、施工复杂工序转换及地下水的抽排等因素,数值模拟沉降值曲线和实测沉降值曲线规律相似,但其数值相差较大。

(4)对实际工程采用浅埋暗挖工法引起的表面沉降提出有效的控制措施,对实际施工过程有现实的指导意义。

参考文献

[1]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC 3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2]刘波,韩彦辉(美).FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]彭文斌.FLAC 3D使实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]李围,冼进.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[5]何培玲,张婷,等.工程地质[M].北京:北京大学出版社,2006.

城市地下隧道 第2篇

论文关键字： 隧道施工地下管线环境影响

1.前言

城市隧道（主要是地铁工程及各类市政地下工程）施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致城市隧道建设中各种工程环境公害问题日益突出。因而在城市隧道施工中，必须保证施工对于已有的设施所造成的影响危害在允许的范围内。特别是各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接头类型及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准有差异，更加大了隧道施工中管线保护的难度。

作为城市环境保护的一个新兴课题，许多国内外学者都对城市地下施工对邻近管线的影响研究作了很多工作，得出许多有意义的结论，为科学评价城市隧道施工对邻近管线的影响提供了一定的理论基础。本文综述了城市隧道施工对邻近管线影响的研究现状及进展并对进一步研究重点提出看法。2.国内外研究现状 2.1 地下管线初始应力

城市隧道开挖之前地下管线就承受的应力称为管线的初始应力[1]，它是由管道内部工作压力、上覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素共同作用的结果。一般说来，管线安装垫层没有充分压实或由于其他原因导致不均匀沉降，管线就会出现管段应力增加或接头转角增大现象；管道内外压力不同会导致管段产生环向应力；上覆土压力与动静荷载的作用会使管段横断面趋于椭圆，同时伴随管段应力的改变；同样，管线埋置土层的不同也会导致管身不同的应力状态：比如，管线埋置于温差较大的土层就会使管身产生应变，而管线周围土体湿度的变化也会引起管身的腐蚀从而降低管线的强度。

Taki与O’Rourke分析了作用在铸铁管上的内部压力、温度应力、重复荷载及安装应力，计算了低压管在综合作用下拉应力与弯曲应变的典型值，认为作用在管线上的初始应力大致为管线纵向弯曲应变0.02％～0.04％时对应的应力值[2]。美国犹他

州立大学研究人员对螺旋肋钢管、低劲性加肋钢管、聚氯乙稀（PVC）管进行了应力、应变及应力松弛等试验，得出相应的结论[3]。国内学者对各类压力管进行了支座荷载、轴向应力等方面的研究工作，提出了初始应力计算的理论方法及相应的计算公式[4]。

2.2 管线与周围土体的相互作用

隧道建设中，地下管线因周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水平位移而产生附加应力。同时，由于管线的刚度大约为土体的1000～3000倍，又必然会对周围土体的移动产生抵抗作用。Attewell认为隧道施工引起的土体移动对管线的影响可从隧道掘进方向与管线的相对空间位置来确定，当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现在管线周围土体的纵向位移引起管线弯曲应力的增加及接头转角的增大；当隧道掘进方向平行于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现为周围土体对管线的轴向拉压作用。而管线对土体移动的抵制作用主要与管线的管径、刚度、接头类型及所处位置有关[1]。

由于大部分地下管线埋置深度不大（通常均在1.5m以内），通常可以假设在管道直径不大时，地下管线对周围土体移动没有抵抗能力，它将沿土体的移动轨迹变形。一些研究成果也表明了这种假设的可行性[2]：Carder与Tayor采取足尺试验研究了埋置深度0.75m，直径100㎜的铸铁管置于不同土体中时在邻近开挖影响下的性状改变情况，试验成果表明管线的移动轨迹与所处地层土体移动轨迹相吻合；Nath应用三维有限元模拟分析了管径75㎜至450㎜的铸铁管在埋深1.0m条件下对邻近开挖的响应，分析结果显示，管径小于150㎜的铸铁管线对地层的移动几乎没有任何抵抗能力；Ahmed等用二维及三维有限元模拟了深沟渠的开挖对邻近铸铁管线的影响，计算得出在假定管线与周围土体不出现相对位移时，管线的附加应变小于铸铁管线的允许极限强度，他们认为，如果管线与周围土体在邻近施工影响下不产生相对位移时，可以不考虑施工对管线的影响；Molnar等对芝加哥Lurie医疗研究中心工程中深基坑开挖对邻近地下管线影响的研究中假设管线与周围土体一起移动的情况下，管径150㎜～500㎜的地下管线预测变形值与现场实测数据相符。

但是，当地下管线直径增大到一定程度后就会对周围土体移动产生抵制作用，这同时也增大了管线破坏的风险。国内学者蒋洪胜等曾对上海地铁二号线某段盾构法施工对上部管径3.6m的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究[5]。不过Attewell认为尽管大管径管线抵抗土体移动时会增加管身的应力，但由于管线自身强度较大（主要针对灰铁管线）而不会导致管段产生大的附加应力[1]。总的来说，对于管径较大的管线，在隧道施工中要引起重视，特别是对地层运动比较剧烈，管材、接头比较脆弱且运营年限久的大管径管线要进行专门的风险评估。2.3 地下管线的破坏模式及允许变形值

考察地下管线在地层移动及变形作用下的主要破坏模式，一般有两种情况：一是管段在附加拉应力作用下出现裂缝，甚至发生破裂而丧失工作能力；二是管段完好，但管段接头转角过大，接头不能保持封闭状态而发生渗漏。管线的破坏可能主要由其中一种模式控制也可能两种破坏同时发生：对于焊接的塑料管与钢管由于接头强度较大可能只需计算其最大弯曲应力就能预测管线是否安全；但对于铸铁管及球墨铸铁管，尤其是对运营年代长的铸铁管，由于其管段抗拉能力差且接头处柔性能力不足，两种破坏模式均有可能出现。

文献[1]定义了隧道施工引起的地下管线破坏模式：

一、柔性管（主要为钢管及塑料管）由于屈服或绕曲作用产生过度变形而使管段发生破裂；

二、刚性管（主要为脆性灰铁管线）破坏的主要模式有（1）由纵向弯曲引起的横断面破裂，（2）由管段环向变形引起的径向开裂，（3）管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏。高文华认为，对于焊接的大长度钢管的破坏主要由地层下降引起的管线弯曲应力控制；对于有接头的管线，破坏主要由管道允许张开值△和管线允许的纵向和横向抗弯强度所决定[6]。

为保证隧道掘进过程中邻近管线的安全，现行的一般作法是控制管线的沉降量，地表倾斜及管接缝张开值。这些控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验确定的，具有相当程度的可靠性。然而，在实际工程应用中存在地下管线的变形和应变不易量测以及对柔性接头管线的接头转角无法实测的尴尬。并且，由于没有统一的理论控制标准，使得这些控制值的确定带有一定的随意性，缺乏理论研究成果。Molnar综合前人研究成果，通过理论计算与实测资料相比较给出了各类管线的允许弯曲应力与允许接头转角值，可为进一步研究提供参考[2]。2.4地下管线隧道施工影响下的变形

隧道施工引起的地下管线影响因素较多，对于地下管线进行准确的受力变形分析理论分析是地下管线保护研究的基础，目前对地下管线的受力变形计算研究主要有解析法与数值模拟法两种。2.4.1解析法

Attewell基于Winker弹性地基模型提出隧道施工对结构与管线的影响评价方法。根据管线位置与地层运动方向的不同，分别计算了管线垂直与平行地层运动时管线的弯曲应力与接头转角，研究了大直径与小直径管线在地层运动下不同的反应性状，讨论了理论分析的实际应用可行性，给出了管线设计方法，是较早的比较系统的研究成果[1]。廖少明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种方法[7]，其计算模型如图1，建立地下管线的位移方程

如下：

图1 弹性地基梁计算模型

（1）

式中：，K为地基基床系数，;Ep－管道的弹性模量； Ip－管道的截面惯性矩； q－作用在管道上的压力。

对于柔性地下管线，他们认为此类管线在地层下沉时的受力变形研究可以从管节接缝张开值、管节纵向受弯及横向受力等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值，或沉降曲线的曲率。

高田至郎等根据弹性地基梁理论将受到地基沉降影响的四种情形下的地下管线进行模型化处理，提出了计算管线最大弯曲变形、接头转角、最大接头伸长量的设计公式[8]。段光杰根据Winker地基反作用模型，讨论了由隧道不同施工方法引起的地层损失对周围地下管线的影响，在管线处的地层径向变形和地层轴向变形两种影响下，分别归纳总结了管线垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线两种位置情况下，管线变形、应变和转角等参数与地表最大沉降值的关系[9]。高文华利用Winker弹性地基梁理论分析了基坑开挖导致的地下管线竖向位移和水平位移，推导了相应的计算公式；讨论了引起地下管线变形的因素：基床系数、沉陷区长度及地下管线对应的地表沉陷量。给出了不同管线变形控制标准及安全度评价准则[6]。

基于以下两种假设，一是假设管线是连续柔性的，当管线随土体移动时只在管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发生轴向应变，管线弯曲服从Bernoulli－Navier理论；二是假设管段是刚性的，管线移动所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零，Molnar推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲应力及接头转角计算公式，分别为[2]：

（1）弯曲应力的计算公式：图2 管线弯曲应力计算模型[2]

（2）

式中：σi－管线i点的弯曲应力； E－管线的弹性模量；

xi，zi－分别为管线外部纤维到中性轴的侧向及纵向距离。Z’’(Yi)，x’’(Yi)－分别为管线在i点的纵向及侧向曲率。

（2）接头转角计算公式：图3 管线接头转角计算模型[2]

（3）

式中：εji－管线上i与j点之间侧向位移差值； ρji－管线上i与j点之间沉降差值； Lji－管段长度；

对于同一条管线分别进行以上两种临界状态下的分析，将计算值与允许值进行比较，即可预测管线的安全状况。2.4.2 数值模拟法

采用数值模拟方法，能够较好地考虑隧道开挖引起的地层位移与管线的相互作用，得到较为满意的结果。

Ahmed利用有限元模型计算了地下管线在邻近深基坑开挖时的附加弯曲应力，建议对铸铁管线由周近地层移动引起的弯曲应变值最大可取为0.05％，对球墨铸铁管线弯曲应变最大可取为0.15％[2]。

李大勇、龚晓南、张土乔考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的耦合作用，建立了地下管线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型[10]。分析了地下管线的管材、埋深、距离基坑远近、下卧层土质、管道弹性模量与周围土体弹性模量比等因素对地下管线的影响规律；应用Singhal柔性接口中密封橡胶圈产生的拉拔力、弯矩及扭矩，研究了基坑工程中邻近柔性接口地下管线的受力与变形，得出了管道柔性接口的拉拔力P。并且总结、归纳了地下管线的安全性判别方法及地下管线的工程监测和保护措施[11][12]。吴波、高波[13]基于ANSYS软件平台，将地下管线模拟成三维弹性地基梁，建立了隧道支护结构－土体－地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，对施工过程进行了仿真分析，并对地下管线的安全性进行了预测，给出了管线安全性的评价标准。2.5 城市隧道施工引起的地层移动与变形

自从Peck系统提出预计隧道施工地表沉降槽经验公式以来，许多学者对于隧道施工引起的周近环境土工问题进行了比较深入系统的研究，Attewell等对此进行了总结[1]，Loganathan等、Wei-I.Chou和Antonio所提出的理论分析方法均在开挖引起的地表与地层内部位移预计中获得了较好效果[14][15]。国内学者刘建航、侯学渊研究了盾构法施工引起的地表沉降，提出相应的预测方法[16]。徐永福、孙钧等讨论了隧道盾构掘进施工对周围土体的影响，人工智能神经网络技术在对盾构施工扰动与地层移动的预测中获得应用[17][18]，阳军生、刘宝琛利用随机介质理论方法预测城市隧道施工引起的地层移动与变形，取得了较理想的预测效果。通过对隧道开挖引起的地层位移的准确预测，为进一步研究隧道施工对地下管线的影响提供了理论计算基础[19]。

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3.存在问题

城市隧道施工对邻近管线影响的研究是一个涉及到市政工程、隧道与地下工程、工程风险评估学等众多学科的综合性课题，目前研究的深度还远远不够，在地下管线初始应力、管－土相互作用、管线变形允许值、应力变形计算等方面均有待进一步深入。

（1）地下管线初始应力受管道内部工作压力、覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素共同控制。尽管目前对单一荷载的研究相对完善，但管线的初始应力是上述各力综合作用的结果，仅仅靠简单的叠加并不能准确反映初始应力的状态。目前对初始应力的估计还大部分靠经验确定，当条件改变时原来的经验就不能再简单照搬，因此有必要建立有效的管线初始应力计算理论，为管线变形允许值的确定提供理论基础。

（2）目前在管－土相互作用的研究上，大部分学者仍然假设管与土紧密接触，不发生相对位移。这种假设对小管径管线且埋置土层工程性质好的情况是适用的，但由于大管径管线会对周围土体的移动产生明显抵抗作用，这种假设就不再适用。同样，如果管线所处地层土体含水量较大，在土体产生移动时管－土间也存在相对位移。

（3）管线允许变形值的确定应该综合考虑管材、管径、接头类型、管线功能、运营时间、管线与隧道的相对位置、隧道施工方法等因素。而目前的地铁规范基本是给出一个地表最大允许沉降值（一般为3㎝以内），这样作尽管有一定的可靠性，但没有依据具体情况来确定允许值，不仅不能充分发挥管线的自承能力而且限制隧道施工进度，增加了工程投资。

（4）现阶段对管线的应力变形计算多是基于Attewell等1986年提出的根据Winker弹性地基梁理论分析的结果，而大部分数值模拟也是把地下管线简化成地基梁来计算。这样得到的结论趋于保守并且在有些情况下是不适宜的；对管线接头转角的计算大部分是根据弹性地基梁的计算结果反分析所得，由于是把管线变形强加到接头处使之“产生”转角，这种方法是否适当有待商榷。并且，现行的分析几乎都是把隧道施工引起的地层移动与变形当作输入条件来计算管线的反应，没把隧道掘进与管线响应当作一个整体考虑，缺少系统分析成果。4.展望

随着社会经济的不断发展, 人口的不断增长和空间的相对缩小,人们逐渐把发展的目光投向地下空间的利用，开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势，与之俱来的越来越多的工程环境问题有待加强研究[20]，城市隧道施工中邻近地下管线的保护问题可望以下几方面着手，以在将来获得系统的成果。（1）市区地下管线分布复杂、种类各异，因此在隧道施工前应做好普查工作（现在广州等大城市已经进行了地下管线的普查工作，并建立了地下管线信息系统[21]）。对于运营时间短、管材质地好、管径不大的管线可以放宽限制标准；对运营时间长的铸铁管线应加强保护措施，特别是早期刚性接头的铸铁管线，由于其只能承受很小的接头转角，并且管段抗拉能力很差，因此应从两方面验算其是否达到极限。对大管径管线要作针对性的专门的研究。

（2）随着计算机技术的发展，对隧道引起的管线位移应力应变分析可以考虑采取数值模拟，把隧道与管线当作一个系统考虑——将隧道施工与管线的变形作为一个整体计算。这样就可以通过采用不同的单元模拟不同土体、管－土接触关系、管线类型以及考虑不同的隧道施工方法等，从而实现对“隧道－管线”的整体分析。（3）有必要通过理论分析、试验、现场监测相结合，准确预测管线的初始应力、允许变形值以能够科学评估隧道施工给地下管线带来的危害。

（4）城市隧道建设中对地下管线的保护的研究是一项系统工程，涉及学科众多，影响因素复杂，忽略了某一方面都可能导致管线的破坏。而专家系统可以吸取各领域内相关专业各专家的智能知识，把专业模型转化为知识模型，从而能对地下管线保护问题进行更全面、客观、准确的分析研究。因此建立地下管线保护专家系统有助于管线保护研究集中研究成果，为进一步发展提供帮助。

（5）准确评价隧道施工对邻近管线的影响，必须紧密结合社会、经济情况，除了理论分析、试验、监测外还可引进工程风险评估系统，对隧道施工引起的环境问题进行风险评价，综合考虑管线破坏引起的环境保护、安全性、后期费用等众多因素。参考文献：

城市地下隧道 第3篇

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 是瑞士安伯格技术公司 (Amberg) 于20世纪90年代专为隧道开挖开发研制的一套超前地质预报系统。在隧道工程中, TSP系统已成为世界上主要的超前地质预报方法之一。自1996年引进中国, TSP超前地质预报系统由于预报距离远、预报结果相对准确等优点, 被大量应用于公路、铁路等交通隧道和水力、电力等输送隧道。

1 工作原理及仪器设备

1.1 工作原理

TSP采用地震反射波技术, 属于多波多分量高分辨率地震反射法。在设计的震源点 (根据地层或构造的走向, 通常在隧道的左或右边墙, 大约24个炮点) 用少量炸药激发产生地震波。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 (如断层、破碎带和岩性变化等) 时, 一部分地震信号反射回来 (如图1所示) , 一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏度的三分量加速度地震传感器接收并以数字形式记录下来。采集数据通过专用软件处理分析, 便可了解隧道工作面前方地质体的性质 (软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等) 和位置及规模。

1.2 仪器设备

TSP203+超前地质预报系统为TSP203的加强版, 主要由记录单元、接收器等组成, 其技术特性如下:

(1) 记录单元:12道, 24位A/D转换, 采样间隔62.5μs和125μs, 最大记录长度为1808.5ms, 记录带宽8000Hz, 动态范围120d B。

(2) 接收器:三分量加速度地震检波器, 灵敏度为1000m V/g±5%, 频率范围为0.5~5000Hz, 共振频率9000Hz, 横向灵敏度>1%。

(3) TSPwin2.1软件:数据采集、处理及评估一体化, 高度智能。

1.3 数据采集和分析处理

TSP203+超前地质预报系统数据采集时, 需先在隧道左或右边墙 (视地层或构造的走向而定) 钻24个炮孔, 孔径40mm, 深度和间距分别为1.5m, 孔口向上倾斜, 倾角10~20°, 最里面的炮孔尽可能的靠近掌子面。距最外侧炮孔18~20m处的左右边墙各钻一个接收器孔, 孔径50mm, 深度1.9m, 孔口向下倾斜, 倾角5~10°。接收器放于钢制套管内, 由环氧树脂锚固在接收器孔内, 采集完毕接收器可以从套管拔出重复使用。

激发地震波采用无爆炸延期的瞬发电雷管和防水乳化炸药, 激发药量根据围岩情况而定。装好炸药后, 向炮孔内灌水至满, 连接记录单元、接收器、起爆器和炸药后, 采用单炮引爆, 单道采集, 直至24个炮孔引爆完毕。

采集的数据采用TSPwin专用软件进行处理。先正确输入隧道及炮点和接收点的几何位置参数。剔除质量差的炮点数据, 将合格的炮点数据进行数据处理。基本处理流程包括11个主要步骤, 即:数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。处理的最终成果包括P波、SH波、SV波的时间剖面、岩石物理力学参数, 以及反射层二维分布等。

2 TSP203+在城市地下隧道中的应用

2.1 工程概况

广深港客运专线为一条设计时速350km/h的高速铁路, 其益田路隧道位于深圳市境内, 由北向南沿梅林~莲花山~益田路一线穿越深圳市中心区域, 为保证隧道安全开挖采用TSP203+对全隧钻爆开挖区段进行超前地质预报。

其中莲花山以南至福田车站段, 紧邻市民中心等重要建筑, 为该隧道的重点区段。该区段上覆松散人工填土, 软塑淤泥质粉质黏土, 软~硬塑粉质黏土层;下伏基岩为燕山期粗状斑状花岗岩全~弱风化。

2.2 工程实例

采用TSP203+对莲花山以南至福田车站段DK110+702~DK110+552段进行预报时, 发现接收器1、2的直达波速分别为3250m/s和3310m/s, 较正常波速明显偏低。数据处理后, 在速度分析图上也有明显的波速降低区域 (如图2所示) 。从反射层二维分布图 (图3) 可以看出, DK110+674~660和DK110+630~584段泊松比明显降低, 动态杨氏模量降低, 局部降低幅度较大。结合TSP数据结果和地质资料综合推断, 这两段围岩整体较破碎, 节理裂隙发育, 围岩稳定性差, 局部围岩较软弱。

2.3 预报结果应用

施工单位根据TSP预报结果, 在DK110+674~660和DK110+630~584段分别从地表钻至隧道开挖深度。钻孔资料 (如图4) 显示, 这两处区段粉质黏土层较厚, 局部夹杂软塑状淤泥质粉质黏土;下部围岩风化强烈, 岩芯无法完整取出, 芯样主要呈碎块状, 围岩非常破碎。

该区段原计划采用间隔注浆的方式进行加固, 这将大量的占用地面道路。而占道两旁坐落有深圳市儿童医院, 深圳音乐厅、深圳图书馆、深圳市民中心等一大批重点建筑, 这将对交通本已繁忙的该区域造成严重影响。而根据TSP预报结果并结合钻探验证的结果, 业主改变了原来的全区段钻孔注浆方案, 改为针对围岩较差区段重点注浆, 其余区段分散注浆, 大大减少了对地面道路的占用, 缓解了交通压力。把TSP预报结果与钻探相结合, 对注浆区段进行引导, 可以将有限的施工经费花在“刀刃”上, 避免了无谓的浪费, 极大提高了工作效率。

3 总结

TSP超前地质预报系统具有预报距离远 (视围岩情况预报距离一般为100~150m) , 不占用隧道掌子面, 现场工作时间短 (1~2h) , 不影响隧道正常施工等特点, 相比其它地质预报方法有较大优势。

目前城市地下隧道勘探受城市生活环境影响, 传统的地震、电法等物探手段难以发挥效用, 只能采用钻探的方法进行勘探。但是钻探费用较高, 施工时间较长, 常常需要封路占道, 严重影响城市正常生活, 而且对复杂地质情况, 难以避免“管中窥豹”的情况。

根据TSP超前地质预报系统在广深港客运专线益田路隧道的应用, 可以看出TS预报结果可以和其它探测结果形成互补;TSP预报结果可以对地面钻探进行有效的指导, 降低施工费用;TSP相比地面钻探成本低, 无需占用地面道路, 不影响对城市居民正常生活, TSP预报结果对城市地下隧道的开挖有重要的参考价值。

TSP系统在城市地下隧道中应用, 也有一些问题需要引起注意。TSP探测采用炸药激发地震波, 爆破对软弱围岩有一定影响, 应根据围岩的实际情况选取药量。当城市隧道地表周边建筑物比较重要时如涉及政府、军队等敏感单位, 对爆破时间有严格要求, 数据采集时间协调难度大, 而且雷管炸药管理异常严格, 手续繁琐, 需要提前做好工作安排。

另外, 受多种因素影响, 本次TSP超前预报未在隧道盾构开挖段开展, 今后有条件时应多做一些这方面的应用和研究。

摘要：介绍了TSP203超前地质预报系统的工作原理, 和在城市地下隧道中的应用, 指出了TSP预报结果对城市地下隧道的开挖有重要的参考价值, TSP预报结果还可以对地面钻探进行有效的指导, 降低施工费用, 而且不干扰地面交通, 对城市生活无影响。TSP系统对于城市地下隧道的超前地质预报是一种有效的方法。

关键词：TSP203,城市地下隧道,超前地质预报

参考文献

[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社, 2010:914~915.

[2]温树林, 吴世林.TSP203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用[J].地球物理学进展, 2003, 18 (3) :465~471.

[3]陈剑, 吴立, 徐昌茂, 袁青, 邓星.TSP在高速铁路隧道超前地质预报中的应用研究[J].铁道建筑, 2013, 3 (03) :59~61.

[4]刘志刚, 赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社, 2001.

[5]许振浩, 李术才, 张庆松, 刘斌, 张霄, 葛颜慧.TSP超前地质预报地震波反射特性研究[J].地下空间与工程学报, 2008, 4 (04) :640.

[6]Amber Measuring Technique Ltd.Operation Manual 19.61[M].June2001.

(隧道与地下工程)认识实习报告 第4篇

一、实习目的

1、通过对一些典型工地的参观与了解，增强我们对本专业——土木工程的好奇心与兴趣。在感性认识的基础上逐渐升华为理性认识。

2、通过参观，培养我们提出问题、分析问题、解决问题的能力。以便我们在以后的专业课的学习中更能够理论联系实际。

3、通过施工现场操作和参观，了解隧道和道路施工的基本工序和施工方法。了解隧道的勘测、设计、贯通控制测量和施工等工作。

4、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。

二、实习时间

2013年6月8号

三、实习地点

重庆中环公司承建的渝中连接隧道

四、隧道与地下工程简介

地下工程是以深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程。它包括地下房屋和地下构筑物，地下铁道，公路隧道，水下隧道，地下共同沟和过街地下通道等。但狭义上是一般把矿井和矿山巷道等地下构筑物排除，单指建造在地下的工业、交通、民用和军事建筑物；隧道，广义定义：最终使用于地表面以下，不论以何种方式建造的所需形状和尺寸的空洞，内部净空面积在2平方米以上者。狭义定义：是一种修建在地下的工程建筑物，修建在地下、两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道。严格来说，它只是地下工程的一大类，但因其在地下工程中占有绝对多的数量和特殊的重要性，往往将其与地下工程并列而称为隧道与地下工程。隧道与地下工程因其建造于地下，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，故隧道与地下工程的结构形式和施工方法多样。

四、工程总体施工方案

渝中连接隧道一端连接千厮门大桥，位于洪崖洞附近，一端连接东水门大桥，位于东水门附近。隧道与两座大桥一样，设计为双向四车道，时速40公里，隧道单洞长约717米。将串起江北嘴、解放碑、弹子石三大中央商务区。项目负责人称，“渝中连接隧道工程难度之大，是过去从未遇到过的。”所以设计了安全两端两套施工方案：

一是两江大桥是公路和轻轨同桥分层通过的大桥，上层公路与下层轻轨隧道间的最小距离只有32厘米，作业时不能用炸药爆破。二是施工区内高楼林立，其基桩侵入隧道施工岩层，必须采取先托换基桩，再进行切除的技术处理。而且，隧道两端与两座大桥的桥梁路面不平行，只有挖断公路，延伸一百多米后才能凿洞施工，极有可能影响交通。加上施工区内地下管网纵横交错，不仅施工难度大，很可能影响水电气供应。

项目部最后确定隧道东水门一端，采用另开施工便道以避开障碍的施工方案，千厮门一端则采用长距离明挖公路进洞的施工方案。“两个方案，既保证了安全，又最大限度地方便市民。

五、实习内容

今天我们来到的是重庆中环公司承建的渝中连接隧道施工现场，从老师口中我们知道地下工程的施工方法较多，一般隧道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。从现场我们可以看出，在渝中连接隧道的修建中采用的是明挖法和暗挖法相结合的办法，由于岩层较硬，故其主要采用钻爆法。先是挖一深坑做好防护后再在要挖的位置在隧道洞门在施工过程中首先是套拱，这不仅起挡土支架的作用，还为开挖提供了工作面，拱养护好回填表层土。而拱身则是采用新奥法循环施工，一个循环为爆破，除渣，初次衬砌，二次衬砌。洞身施工则采用典型新奥法工序，首先是爆破，然后除碴，接着是用工字钢弧线形支柱和喷射混凝土进行初期支护。在进行初期支护养护好后，开挖下部基础，浇注两拱混凝土以支撑侧向压力，达到结构整体性效果。下部结构中部留有排水沟，在两侧拱脚加设钢板防止拱产生水平推力产生侧向位移。最后进行二次支护，在初期支护和二次支护层间加有防水布，将山体可能产生的土下水隔在外层。二次支护在打好二衬钢拱后采用二衬台车进行浇注混凝土，自动化控制，大大减小施工工序。

六、内容拓展：隧道设计、施工及维护

一、隧道设计

1、选线：根据线路标准、地形、地质等条件选定隧道位置和长度。选线应作多种方案的比较。长隧道要考虑辅助坑道和运营通风的设置。洞口位置的选择要依据地质情况。考虑边坡和仰坡的稳定，避免塌方。

2、纵断面设计：沿隧道中线的纵向坡度要服从线路设计的限制坡度。因隧道内湿度大，轮轨间粘着系数减小，列车空气阻力增大，因此在较长隧道内纵向坡度应加以折减。纵坡形状以单坡和人字坡居多，单坡有利于争取高程，人字坡便于施工排水和出碴。为利于排水，最小纵坡一般为2‰～3‰。

3、横断面设计：隧道横断面即衬砌内轮廓，是根据不侵入隧道建筑限界而制定的。中国隧道建筑限界分为蒸汽及内燃机车牵引区段、电力机车牵引区段两种，这两种又各分为单线断面和双线断面。衬砌内轮廓一般由单心圆或三心圆形成的拱部和直边墙或曲边墙所组成。在地质松软地带另加仰拱。单线隧道轨面以上内轮廓面积约为27～32平方米，双线约为58～67平方米。在曲线地段由于外轨超高车辆倾斜等因素，断面须适当加大。电气化铁路隧道因悬挂接触网等应提高内轮廓高度。中、美、苏三国所用轮廓尺寸为：单线隧道高度约为 6.6～7.0米、宽度约为4.9～5.6米；双线隧道高度约为7.2～8.0米，宽度约为8.8～10.6米。在双线铁路修建两座单线隧道时,其中线间距离须考虑地层压力分布的影响,石质隧道约为20～25米，土质隧道应适当加宽。

4、辅助坑道设计：辅助坑道有斜井、竖井、平行导坑及横洞四种。斜井是在中线附近的山上有利地点开凿的斜向正洞的坑道。斜井倾角一般在18°～27°之间，采用卷扬机提升。斜井断面一般为长方形,面积约为8～14平方米。竖井是由山顶中线附近垂直开挖的坑道，通向正洞。其平面位置可在铁路中线上或在中线的一侧（距中线约20米）。竖井断面多为圆形，内径约为4.5～6.0米。平行导坑是距隧道中线17～25米开挖的平行小坑道，以斜向通道与隧道连接，亦可作将来扩建为第二线的导洞。横洞是在傍山隧道靠河谷一侧地形有利之处开辟的小断面坑道。

二、隧道施工

隧道施工法分为明挖法和暗挖法。明挖法分为基坑开挖法、盖挖法、沉管法，其中盖挖法又分为逆筑法和顺筑法。暗挖法分为钻爆法（矿山法）和非钻爆法。其中钻爆法分为传统的矿山法和新奥法，非钻爆法分为盾构法、掘进机法和顶进法。

1、钻爆法：在隧道岩面上钻眼，并装填炸药爆破，用全断面开挖或分部开挖等将隧道开挖成型的施工方法。钻爆法开挖作业程序包括测量、钻孔、装药、爆破、通风、出碴、锚杆、立架、挂网、喷锚等工序。

①钻孔：要先设计炮孔方案，然后按设计的炮孔位置、方向和深度严格钻孔。单线隧道全断面开挖，采用钻孔台车配备中型凿岩机。双线隧道全断面开挖采用大型凿岩台车配备重型凿岩机。炮孔分为掏槽孔（开辟临空面）、掘进孔（保证进度）和周边孔（控制轮廓）。②装药：在掘进孔、掏槽孔和周边孔内装填炸药。一般装填硝胺炸药，有时也用胶质炸药。③爆破：在全断面掘进中，为了减低爆破对围岩的震动和破坏，并保证爆破的效果，多采用分时间阶段爆破的电雷管或毫秒雷管起爆。④施工通风：排出或稀释爆破后产生的有害气体和由内燃机产生的氮氧化物及一氧化碳,同时排除烟尘,供给新鲜空气，借以保证隧道施工人员的安全和改善工作环境。⑤施工支护：隧道开挖必须及时支护，以减少围岩松动，防止塌方。施工支护分为构件支撑和喷锚支护。喷锚支护特点是支护及时、稳固可靠，具有一定柔性，与围岩密贴，能给施工场地提供较大活动空间。⑥装碴与运输：在开挖作业中，装碴机可采用多种类型，如后翻式、装载式、扒斗式、蟹爪式和大铲斗内燃装载机等。运输车辆有大斗车、槽式列车、梭式矿车及大型自卸汽车等。

钻爆法开挖采用的方法有全断面开挖法和分部开挖法：①全断面开挖法：一次开挖成型的方法。一般采用带有凿岩机的台车钻孔，用毫秒爆破，喷锚支护。还要有大型装碴运输机械和通风设备。全断面开挖法又演变为半断面法。半断面法是弧形上半部领先，下半部隔一段距离施工。②分部开挖法：先用小断面超前开挖导坑,然后,将导坑扩大到半断面或全断面的开挖方法。这种方法主要优点是可采用轻型机械施工，多开工作面，各工序间拉开一定的安全距离。缺点是工序多,有干扰,用人多。

2、上导坑法、中央导坑法、下导坑法、台阶法

根据导坑在隧道断面的位置分为：上导坑法、中央导坑法、下导坑法以及由上下导坑互相配合的各种方法，另有把全断面纵向分为台阶进行开挖，而各层台阶距离较短的台阶法。

1）、上导坑法适用于软弱岩层、衬砌顺序是先拱后墙，中国短隧道一般用这种方法。2）、中央导坑法是导坑开挖后向四周打辐射炮眼爆破出全断面或先扩大上半部。3）、下导坑法即下导坑领先的方法。其中包括：a.上下导坑法，利用领先的下导坑向上预打漏斗孔，便于开展上导坑等多工序平行作业。衬砌顺序多用先拱后墙，遇围岩较好时亦可改为先墙后拱。b.漏斗棚架法，适用于坚硬地层，以下导坑掘进领先，由下而上分层开挖，设棚架，先衬砌边墙后砌拱。c.蘑菇形法，同漏斗棚架法类似，也设棚架，但先衬砌拱部后砌边墙。d.侧壁导坑法。4）、台阶法。在稳定性较差的岩层中施工时，将整个隧道断面分为几层，由上向下分部进行开挖，每层开挖面的前后距离较小而形成几个台阶。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，其划分是根据台阶长度来决定的。长台阶法可以上下同时作业，而超短台阶法只能采取交替作业。最后是分部开挖法，分部开挖法是把设计的隧道断面划分成若干部分，进行二次及其以上开挖，最后达到隧道设计开挖断面的一种施工方法。

3、盾构法

采用盾构作为施工机具的隧道施工方法。松软地质多采用盾构法开挖。盾构是一种圆形钢结构开挖机械，其前端为切口环，中间为支撑环，后端为盾尾。开挖时，切口环首先切入地层并能掩护工人安全地工作;支撑环是承受荷载的主要部分,其中安设多台推进盾构的千斤顶及其他机械；盾尾随着上述两部分前进，保护工人安装铸铁管片或钢筋混凝土管片。盾构法适用于松软地层，施工安全，对地层扰动少，控制围岩周边准确，极少超挖。

4、掘进机法

在整个隧道断面上，用连续掘进的联动机施工的方法。掘进机是一种用强力切割地层的圆形钢结构机械，有多种类型。普通型的掘进机的前端是一个金属圆盘，以强大的旋转和推进力驱动旋转，圆盘上装有数十把特制刀具，切割地层，圆盘周边装有若干铲斗将切割的碎石倾入皮带运输机，自后部运出。机身中部有数对可伸缩的支撑机构，当刀具切割地层时，它先外伸撑紧在周围岩壁上，以平衡强大的扭矩和推力。掘进机法的优点是对围岩扰动少,控制断面准确，无超挖,速度快，操作人员少。

掘进机是全断面开挖隧洞的专用设备。它利用大直径转动刀盘上的刀具对岩石的挤压、滚切作用来破碎岩石。隧洞掘进机开挖比钻爆法掘进速度快，用工少，施工安全，开挖面平整，造价低，但机体庞大，运输不便，只能适用于长洞的开挖，并且本机直径不能调整，对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性。

5、新奥法施工

新奥法是应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。

6、隧道衬砌

隧道开挖后，为使围岩稳定，确保运营安全，需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构，这种隧道支护结构称为隧道衬砌。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单喷混凝土、复合式衬砌。复合式衬砌是在喷锚或单喷支护之后，再就地灌注一层混凝土，形成喷锚支护同混凝土衬砌结合的复合式衬砌结构。如遇有水地段可在两层支护间加挂一层塑料板或做其他防水层。

七、实习感言

实践是大学生活的第二课堂，是知识常新和发展的源泉，是检验真理的试金石，也是大学生锻炼成长的有效途径。一个人的知识和能力只有在实践中才能发挥作用，才能得到丰富、完善和发展。

通过这次认识实习，我不仅学到一些新的知识，也巩固了在校期间所学到的理论知识，同时也增强了我对专业学习的热情。以前对一些工程地质问题及工程问题的处理，只是从理论上略知一二，在实习过程中我们却有了感性上的认识，这样不仅增强了自己的实际处理问题的能力，也丰富和提高了自己的理论水平。

城市地下隧道 第5篇

某下穿隧道工程全长880m, 其中隧道长286m, 净高4.6m, 断面形式为双孔箱涵, 单孔净跨径8m, 东西向引坡长分别为185m和205m, 隧道顶板、底板钢筋与两侧地连墙墙体采用接驳器连接。本工程箱涵及U形槽均采用地下连续墙施工工艺, 全长446m。为方便行人穿越路口, 还设置“环行”互通式钢结构天桥。该下穿式隧道工程为省内首例, 由于该工程专业性强, 工艺复杂, 项目部两次组织权威专家进行论证, 将工程原设计的钢板桩支护形式变更为地下连续墙支护形式, 该地下连续墙具有基坑支护作用, 而且还兼作隧道主体结构, 并可在基坑开挖时有效截断沟槽外部地下水渗透途径。地下连续墙是采用成槽机沿着隧道墙体采用泥浆护壁开挖出一条具有一定宽度与深度的沟槽, 成槽后, 在槽内放置钢筋笼, 采用导管法在泥浆中浇筑混凝土, 筑成一单元墙段 (每幅宽约6m) 。本工程采用工字钢刚性接头将每幅地连墙连接成一个整体。地下连续墙的施工主要分为以下几个部分:导墙施工、钢筋笼制作、泥浆制作、成槽放样、成槽、钢筋笼吊装和下钢筋笼、下砼导管浇筑砼。其施工工艺与钻孔灌注桩基本相同。

2 施工质量控制

该工程为河南省首例城市下穿式隧道工程, 由于地处全国第三大科技市场处, 人流、车流量大, 政府要求工期紧, 且为我公司首次采用地下连续墙施工工艺, 施工经验缺乏。此外集团公司指令性要求本工程质量目标为中国市政金杯奖, 确保地连墙施工质量, 创精品工程是项目主要目标之一。为此, 项目部组建攻关小组, 以确保目标创优质工程的实现。

2.1 现状调查

工程初期, 项目部分别组织工程技术人员对上海、天津两地的多项类似工程进行了参观、考察, 并同参与过类似工程的专家召开了专题会, 采用头脑风暴法总结出影响地下连续墙施工质量的因素, 按出现频次归纳后可以看出:预埋顶、底板接驳器标高超过规范要求;钢筋笼笼顶标高超高或入槽后倾斜是影响地连墙施工质量的主要原因。

2.2 质量控制的目标对象和可行性分析

(1) 目标对象:预埋顶、底板接驳器标高偏差控制在规范以内;钢筋笼顺利入槽, 垂直入槽。

(2) 目标可行性分析:质量攻关小组得到集团公司科技中心和分公司的大力支持, 为活动提供了强有力的资源保障;小组成员业务知识比较丰富, 具有很强的开拓精神和创新意识, 小组曾连续多年荣获国家级、省级优秀质量管理小组称号;集团公司对本工程的科技活动比较关注, 派集团公司首席专家指导小组活动, 为活动创造了良好的外部环境。

2.3 影响质量的原因分析

根据现状调查的结果, 小组成员结合现场实际情况, 分析可能影响预埋顶、底板接驳器标高偏差及钢筋笼笼顶标高不准确或入槽后倾斜的原因。

对影响预埋顶、底板接驳器标高偏差及钢筋笼笼顶标高不准确或入槽后倾斜的原因, 通过深入上海、天津等工地进行实地调研和向兄弟单位请教, 依据施工工序的必要条件查找原因, 并请相关专家参与讨论会, 对末端原因进行分析论证, 进而进行要因确认。

末端因素: (1) 工人加工吊环尺寸有误; (2) 工人培训不到位、经验少、责任心差; (3) 接驳器定位钢筋有误差, 导墙顶标高测量不准; (4) 方案交底不到位;工期较紧, 工人加工吊筋尺寸有误; (5) 管理人员把关不严; (6) 砼在工字钢中间焊缝处漏浆, 工字钢接口焊接不牢; (7) 成槽机成孔过程中, 垂直度控制不严, 偏差过大, 成槽机清孔不到位; (8) 吊筋位置安装误差过大, 钢筋笼起吊倾斜; (9) 重型机械频繁碾压, 导墙下沉, 导墙顶标高前后存在误差; (10) 工字钢顶端及两侧封闭不严, 砼浇筑时沿工字钢顶部溢入外壁; (11) 钢筋笼入槽过程中, 地连墙槽孔局部塌方; (12) 吊环下部钢扁担弯曲变形; (13) 钢筋笼入槽深度不够或倾斜。

对末端因素的分析论证: (1) 加强管理, 加强质检验收, 不合格的吊环严禁使用于工程中; (2) 加大对工人的培训力度, 增加培训课时, 建立鼓励机制, 重要岗位安排经验丰富的工人; (3) 在钢筋笼验收中严格控制吊筋长度及其标高以及接驳器位置和标高, 对有误差的接驳器进行调整再次定位, 严把测量工作, 对导墙顶标高不准处进行多次测量求最佳值; (4) 严格落实交底制度, 加强现场管理, 严把质量关; (5) 严格执行“自检”“互检”“交接检”三检制度, 层层把关; (6) 严把质量关, 对工字钢接口不牢处进行补焊; (7) 成孔过程中加强成孔垂直度的检测纠偏, 通过成槽机超声波探头对垂直度进行检测, 对有偏差的孔壁采用成槽机进行纠偏及二次清孔; (8) 对钢筋笼重量进行计算, 确定钢筋笼的重心, 进而确定吊筋位置; (9) 对导墙下沉处, 在钢筋笼入槽前进行再次测量, 重新计算定位; (10) 首先增加顶端工字钢的长度, 然后采用工字钢外侧回填袋装土封闭, 这样做的效果可使工字钢处漏浆量减少80%以上, 最后用冲击钻对工字钢外侧漏浆砼块冲击; (11) 严格控制护壁泥浆比重, 加强槽孔地质情况监测, 对局部孔壁坍塌处加大混凝土浇筑量; (12) 对钢筋笼重量进行验算, 选用符合要求的槽钢制作钢扁担, 确保能够承载钢筋笼的重量; (13) 采用成槽机进行二次清孔。

通过对上述末端因素的方向和论证得出结论为:末端因素3、7和10为“要因”。其他都是“非要因”。

2.4 制定对策

针对确认的3条要因, 我们制定了如下几点。

要因: (1) 接驳器定位有误差, 导墙顶标高测量不准; (2) 成槽机成孔过程中, 垂直度控制不严, 偏差过大, 成槽机清孔不到位。

对策: (1) 加强质检, 加强过程控制; (2) 采用成槽机自带超声波探头进行垂直度检测。

目标: (1) 确保接驳器位置、导墙标高准确无误; (2) 确保地连墙成孔垂直度、孔深达到设计要求。

措施: (1) 首先是确定导墙标高, 依据导墙标高确定吊筋高度及接驳器高度, 确保标高计算无误, 每幅笼均向工人下发技术交底, 并质检人员对接驳器及吊筋位置进行复核。其次是在钢筋笼入槽后对导墙标高进行二次复核, 发现有误及时纠正; (2) 项目部质检人员在地连墙成槽后, 通过成槽机抓斗的超声波探测仪对地连墙垂直度进行检查, 垂直度超标的进行二次纠偏, 并采用测绳对孔深进行验收。

2.5 对策的实施

首先, 确定导墙标高, 依据导墙标高确定吊筋高度及接驳器高度。吊筋高度及接驳器高度确定后, 每幅笼均向工人下发技术交底, 交底上详细标注或注明接驳器距笼顶高度及吊筋距笼顶高度。由项目部质检人员对接驳器、吊筋位置进行复核, 发现问题及时调整。在钢筋笼入槽前, 对导墙顶标高进行二次复核, 若出现沉降情况, 及时调整吊筋高度, 以确保接驳器标高。其次, 加强过程控制, 过程中加强成孔垂直度的检测纠偏, 加强管理人员对槽孔的垂直度及槽深检测频率, 通过成槽机超声波探头及时检测槽孔垂直度, 对垂直度超过规范偏差的孔壁进行二次清孔。项目部技术人员、质检人员在地连墙成槽后, 采用测绳对孔深进行验收, 对挖深达不到设计要求的进行二次清孔。另外, 增加工字钢顶端高度, 控制在钢筋笼顶标高以下2 0 c m (设计要求砼超灌高度为笼顶标高以下20cm) , 并严把砼超灌高度, 防止砼从工字钢顶端溢出。针对工字钢外侧在混凝土浇筑过程中漏浆现象, 采用工字钢外侧回填袋装土进行封闭, 这样做的效果是漏浆量减少了80%以上, 最后用冲击钻对工字钢外侧漏浆砼块冲击。

2.6 攻关小组的成效

(1) 施工效果:以上对策进行实施后, 我们攻关小组对所施工的地连墙施工质量进行了检查, 结果如下。

(1) 钢筋笼入槽后, 我们对吊环就位情况、钢筋笼倾斜情况进行了检查, 检查结果为钢筋笼能够按照设计要求入槽, 未出现倾斜现象。

(2) 地连墙接驳器表面砼剔除后, 我们对预埋的顶底板接驳器标高进行了检查、验收, 接驳器标高偏差均在规范允许范围内。

(2) 经济效果:通过本次攻关活动, 避免了预埋顶、底板接驳器标高偏差及钢筋笼笼顶标高不准确或入槽后倾斜的问题, 节省了因接驳器标高不准确而需植筋所产生的费用以及因工字钢端部处理所产生的费用, 确保了地连墙施工的顺利完成, 节约了工期。

节约植筋费用:38000个20% (经验) 报废率40元=304000元。

节约工字钢端部处理费用:约161幅 (43元/人工10人+200元/台班2) =133630元。

合计节约费用:437630元。

(3) 社会效果:通过我们的攻关活动, 城市下穿式隧道地下连墙施工工艺在河南省获得了首次成功, 施工质量获得了业主、监理一致好评。为省会郑州下一步的下穿式隧道工程施工积累了经验。本工程作为郑州市重点工程, 受到市领导的高度重视, 市相关领导多次到工地视察工作, 给予本工程施工质量极高的评价。

3 结语

通过攻关, 使我们熟练掌握了地下连续墙施工中接驳器标高控制以及预防钢筋笼入槽倾斜的施工要点, 我们将这些要点总结成作业指导书, 在集团公司内部推广使用。在攻关小组活动过程中, 小组成员根据施工经验总结形成了《城市下穿式隧道地下连续墙施工工法》, 被集团公司评定为企业级工法。通过本次攻关活动, 项目目标得以顺利实现, 同时提高了项目部全体人员的质量意识、个人能力、解决问题的信心、团队精神。我们将在以后的施工中, 通过开展攻关活动, 不断在工程方面开拓创新, 持续改进, 逐步提高工程管理水平。

摘要：本文针对下穿式隧道地下连续墙施工创优过程中的施工工艺及质量控制的现状调查、要因确认、制定对策、实施、总结等, 全过程介绍了城市下穿式隧道地下连续墙施工工艺及质量控制。

浅析隧道及地下工程发展现状 第6篇

一、隧道及地下工程的内涵

1、隧道及地下工程的概念

隧道及地下工程, 简单来说就是指在岩体或者土层中修建道路以及各种地下建筑物的工程, 它不仅包括交通运输方面的铁路、道路以及运河隧道等, 同时, 工业以及民用方面的具备市政、防空、储存以及生产等功能的建设项目也属于这一范畴, 此外, 它还包括军用的各种国防坑道以及地下发电厂房等。它不仅可以有效缓解人口快速增长带给城市的压力, 还与老百姓的日常生产生活息息相关, 因此, 一定要加大对隧道及地下工程的研究力度, 从而实现我国城市的可持续发展。

2、隧道及地下工程的特点

第一, 修建隧道及地下工程, 可以有效避免线路在穿越高程或者平面时遇到障碍;第二, 在城市用地日趋紧张的背景下, 修建隧道及地下工程可以在缓解交通压力以及人口压力的同时, 节约城市用地;第三, 在遇到地震灾害或者爆炸事故时, 隧道及地下工程的安全性以及抗震性较高;第四, 由于地下建筑物内部的温度以及湿度都相对稳定, 使得它经常被用作冷藏库以及各类贮库;第五, 这类工程的建设成本较高, 必须要在具备充分战术、技术以及经济效益的前提下才会建造;第六, 在工程的施工过程中, 遇到突发事件或者风险因素的几率较高, 比如地质条件等;第七, 隧道及地下工程的施工周期长, 且施工作业面也要小于其他建设项目, 因此对工业化施工以及机械性能也提出了更高的要求。

二、隧道及地下工程发展现状

在我国城市化进程不断迈进的今天, 对于基础设施的投入也逐年上升, 而隧道及地下工程作为城市基础设施中不可或缺的一员, 它的建设难度以及建设规模等也发生了翻天覆地的变化。不仅衍生出了多种隧道及地下工程的建设类型, 同时它的施工技术也在不断创新。

1、隧道及地下工程的种类

(1) 铁路隧道

早在新中国建设之前, 铁路隧道建设就已经在中国土地上生根发芽, 而由我们自主设计并施工的铁路隧道中, 最具里程碑意义的就是北京的八达岭隧道。在新中国成立之后, 我国的铁路隧道也被进一步运用在城市建设中, 也让隧道及地下工程建设焕发出了新的生机。其中, 从建设长度的角度来看, 解放前我国的单个铁路隧道最长才有三公里, 而现如今, 我国的铁路隧道总长已超过一万公里, 这不仅是对我国隧道施工技术的突破, 同时也充分说明了我国的铁路隧道建设水平已处于世界前列。

(2) 公路隧道

在共和国建设初期, 我国仅有的公路隧道总长仅为2500米, 然而在2008年, 这一数据就上升至373万公里, 其中仅高速公路隧道就长达6万米, 这一数据仅次于美国, 也代表着我国的公路隧道已经进入飞速发展阶段。其中, 最具代表性的就是秦岭终南山公路隧道, 它全长18.02公里, 行车穿越仅需一刻钟, 是世界上第一座最长的双洞高速公路隧道, 第一座完全由我国自主设计、施工、监理以及管理的综合技术水准最高的高速公路隧道, 与此同时, 秦岭终南山公路隧道还是当时所有公路隧道中拥有监控技术最完备的工程, 而它的建设通车, 也标志着我国已经从世界隧道大国转变为隧道强国。

(3) 地铁隧道

目前, 我国已有20多座大中城市实现了地铁隧道建设或正在筹建地铁, 经过数据统计, 我国城市已运营的地铁总里程在2014年底就已超过三千公里, 这一数据也在逐年上升。其中, 已建成地铁隧道的城市, 比如北京、广州以及上海等, 地铁线路的客流量从开始运营就始终保持在爆满状态, 特别是北京, 它的最大日客流量甚至会超过一千万人次。而这也是城市发展经济的必要举措。

(4) 市政地下工程

所谓的市政地下工程, 就是指与老百姓日常生活息息相关的给排水、供暖以及通信等地下管网, 而在城市发展过程中, 市政地下工程进一步衍生出了仓储、停车、商铺以及高压电力等需要充分应用地下空间的建设项目。

(5) 其他地下工程

除了以上工程之外, 有些军用的厂房以及防空工事等都会建设在地下, 而核电站有时也会全部建设到地下, 并配有专门掩埋核废料的地下深层洞库;等等。

2、隧道及地下工程的施工技术

现如今, 随着隧道及地下工程建设行业的不断发展, 老百姓对于隧道的施工也提出了新的要求, 这就促使相关企业必须要在充分考虑项目规划、勘测设计、工程施工以及运营管理等方面的前提下, 进一步加强隧道及地下工程建造技术。而目前应用较为广泛的施工技术主要包括以下几种, 即明挖法、暗挖法、盾构法以及钻爆法等。

三、结语

综上所述, 我国已全面进入建设隧道及地下工程的黄金阶段, 相关的地铁、公路、铁路以及地下能源洞库等, 都将进入快速发展时期。为了进一步推动我国隧道及地下工程建设行业的良性发展, 就必须对现有的技术进行改进以及优化, 从而为今后的城市发展奠定基础。

摘要：近年来, 随着我国城市化进程的不断推进以及交通运输业的快速发展, 隧道及地下工程建设行业也获得了广阔的发展空间, 相关的隧道及地下工程建设技术也在长期实践中, 不断的得到改进以及完善, 并逐渐处于世界领先水平。由此可见, 相关建设部门以及施工企业想要在这一背景下实现自身的快速发展, 就必须要对隧道及地下工程的发展现状有一个全面彻底的了解, 从而为今后的隧道及地下工程建设提供理论支撑。

关键词：隧道,地下工程,发展现状

参考文献

[1]王梦恕.水下交通隧道发展现状与技术难题——兼论"台湾海峡海底铁路隧道建设方案"[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27 (11) :2161-2172.

[2]孙鹏宇.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].商品与质量, 2015, (10) :201.

暗挖隧道施工对地下管线的影响 第7篇

一、地下管线介绍

地下管线是城市的“生命线”, 是城市经济、社会发展的重要支撑, 是城市赖以生存和发展的物质基础。我国城市地下管线包括供水、排水、热力、供电、通信、消防等30多种, 构成了城市经济社会发展的保障系统。城市地下管线肩负着城市给水、排水、供气、供电、通讯等重要工作。近年来, 随着我国经济社会快速发展, 城市化步伐加快和城市功能的拓展, 地下管线在城市建设和发展中发挥着越来越重要得作用。

二、隧道开挖引起的管线变形机理分析和管线控制标准

1隧道开挖引起的管线变形机理分析

隧道与地下管线的相互作用包括地下管线对土体的锚固作用和土体对地下管线的反作用两个方面。首先, 在隧道开挖完成后, 支护结构形成强度前的间隔时间段内, 隧道处于一种临空状态, 隧道开挖引起隧道周围一定范围内土体应力的变化, 在应力调整的过程中, 引起隧道周围土体的变形或破坏, 随着隧道开挖其影响逐渐扩大。同时, 地下管线对土体还有锚固作用, 限制土体变形。地下管线变形的大小主要取决于土体和管线的相对刚度以及隧道在管线处产生的土体变形。

2管线控制标准

目前, 我国还没有关于管线的控制标准。在工程中, 一般采取容许值来控制。采用容许值, 即定量表示这一不利影响的程度, 一般采用小于容许值的指标作为施工管理标准值。前提是避免临近施工对地下管线造成不利影响。目前, 国内在工程实践中采用的标准如下:

(1) 管线沉降控制标准:

1) 参考广州市区开挖工程的相关技术规定, 管线两接头之间的局部倾斜不得超过8/1000, 即通用的4m长的管道接头之间的沉降差不得超过32mm。

2) 参考北京地铁、重庆地铁施工总结的相关技术标准, 地表最大斜率为

2.55mm/m。

(2) 管节缝张开值控制标准:

当管线接头转动的角度或接缝张开值小于允许值时, 管道接头处于安全状态, 否则也将产生泄漏或者破坏, 影响使用。

三、暗挖隧道施工对地下管线的影响1管线深埋对横向管线的影响

(1) 在不同埋深的地下管线中, 隧道施工引起的地下管线水平位移比较小;隧道施工引起的地下管线最大水平位移随着埋深的增加逐渐增大, 但不会对地下管线使用造成危害。

(2) 隧道施工引起的管线垂直位移对地下管线有一定的影响。离隧道越近, 隧道施工对地下管线的影响越大。

2管线材质对横向管线的影响

(1) 地下管线在土体中的变形大小和地下管线材质有关。随着管线模量 (刚度) 增大, 管线变形越小。

(2) 随着地下管线与土体弹性模量比的增大, 地下管线的最大位移逐渐减小。

3管线与隧道间距对纵向管线的影响

(1) 当地下管线与隧道之间的距离在10m以内时, 地下管线的竖向沉降非常不规则, 隧道施工对地下管线的影响较大;当地下管线与隧道之间的轴线距离大于20m时, 隧道施工引起的地下管线的变形可以忽略不计。

(2) 地下管线距离隧道轴线为5m时, 地下管线竖向沉降值在4.08mm-6.71mm之间变化;当隧道轴线与地下管线轴线距离为20m时, 地下管线竖向沉降值在0.5mm-3.45mm之间变化;当隧道轴线与管线轴线距离为40m时, 地下管线竖向沉降值在0.04mm-0.47mm之间变化, 基本成线性变化。可以看出:隧道施工引起的平行地下管线的水平位移比较小, 基本不会对地下管线造成影响。

(3) 当埋深比为5, 隧道施工引起的管线轴向应力值产生突变;当埋深比小于5时, 管线受到的拉应力及压应力值随着埋深比的减小急剧增大;当埋深比为2.5时, 拉应力及压应力分别为:21.05MPa和36.55MPa。随着埋深比降低, 地下管线受到的拉应力和压应力会急剧增加;当埋深比大于5时, 隧道施工引起的地下管线应力值比较小, 且变化比较平稳, 不会影响其使用。

摘要：城市隧道施工必然会对地下管线产生影响。为了确保地下管线的安全, 必须对近邻施工的地下管线受力产生的变形进行预测。本文是从地下管线的埋深、地下管线的材质和地下管线与隧道之间的距离方面, 对暗挖隧道施工对地下管线的影响进行分析。

关键词：地下管线,隧道施工

参考文献

[1]李大勇:《软土地基深基坑工程邻近地下管线的性状研究》, [博士学位论文][D]杭州:浙江大学, 2000[1]李大勇:《软土地基深基坑工程邻近地下管线的性状研究》, [博士学位论文][D]杭州:浙江大学, 2000

[2]《给排水管道工程施工及验收规范》[S].GB50268-97.中华人民共和国建设部, 1997.[2]《给排水管道工程施工及验收规范》[S].GB50268-97.中华人民共和国建设部, 1997.

城市地下隧道 第8篇

1模型材料研究现状

1.1 概述

根据相似理论, 在模型试验中应采用模型材料来制作模型[4]。模型材料的选择、配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响, 对模型试验的成功与否起着决定性作用。在模型试验研究中, 选择合理的模型材料及配比具有重要意义。模型材料的选择必须兼顾各个方面, 应考虑到所有可能影响试验结果的因素, 权衡轻重, 力求把因材料性质而导致的材料畸变减至最低。对于地下工程, 应对原型材料的物理力学性能进行全面了解, 尤其对工程地质条件以及室内和现场原位试验的结果都应了解清楚, 使相似材料的研究有针对性。

1.2 国内外研究现状

意大利等国家的科研单位采用的地质力学相似材料有两类:一类是采用铅氧化物和石膏的混合物为主料, 以砂子或小圆石作为辅助材料;另一类主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分, 其强度和弹性模量均高于第一类相似材料, 但是需要高温固化, 其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康[6]。

目前, 国内使用的模型材料主要有以下几种:1) 采用重晶石粉为主料, 以石膏、机油、石蜡或凡士林作为胶结剂, 其他材料如石英砂、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹模的辅助材料[7,8,9]。2) 采用砂、石膏作为主要材料, 其余材料为添加剂[10,11,12,13]。3) 以加膜铁粉和重晶石粉为骨料, 以松香为胶结剂[14]。4) 隧道衬砌的模拟主要采用石膏、滑石粉、铁丝等[15,16]。

2常见模型材料的特点

1) 纯石膏材料。

它属于气硬性矿物胶结料, 这种胶结料通过水化作用的化学反应实现硬化。它的主要特性与石膏粉的磨细度、掺水量、初凝时间和终凝时间等有关。所有这些都对相似材料的性质有着本质的影响。它的性质与混凝土比较接近, 均属于脆性材料, 抗压强度大于抗拉强度, 泊松比为0.2左右, 通过配比调节可以得到E=1×103 MPa～5×103 MPa的材料。该材料具有成型方便、加工容易、性能稳定等特点, 最适宜做线弹性应力模型。此外, 石膏材料还具有取材容易, 价格低的优点。但石膏材料有以下主要缺点:a.在天然环境中容易吸收空气中的水分, 一旦吸湿受损, 就会降低材料强度;b.相似材料对石膏用量敏感, 在小比例模型中模拟低强度材料时, 石膏用量不易控制。

2) 石膏混合材料。

应用较多的是砂—石膏材料。该材料的特点是强度比相当大, 其抗压强度与抗弯强度之比为3～4, 抗压强度与抗拉强度之比为5～8, 而强度本身的大小对这些比例关系的影响不大。湿度的增大会导致强度的显著下降。

3) 以石蜡为粘结剂的模型材料。

这类材料的外加料有重晶石粉、细石英砂、云母、黏土等。该材料有如下优点:各向同性;由于在受热状态下具有较大塑性, 制模时便于各层压实;模型在最后一层压实后2 h～3 h即可进行试验;材性不受湿度影响;模型加工制作方便;试验后材料可重复使用;材料力学性质稳定。该材料的缺点为:压、剪和压、拉强度之间的相关性不太好;有时与要求的相似指标相比弹性模量过低;塑性较大;液体石蜡价格较高。

4) 以机油为粘结剂的相似材料。

以机油为粘结剂的相似材料强度的时间效应比较明显。试件的成型初期, 材料一般表现出较低的强度, 由于机油有挥发性, 随着机油的挥发, 材料强度将有显著提高, 同时材料强度随时间的增长呈明显的非线性, 因此较难预期了解其强度的变化 (见表1) (吴梦军, 2007年) 。

5) 以松香为粘结剂的相似材料。

武汉大学以韩伯鲤等为首的团队研制出了MIB材料[4]。该相似材料有重矿石粉末和重金属粉末。在重矿石粉末中, 主要有石英砂和重晶石粉。在重金属粉末中, 以铁粉作为粗骨料使用较为理想。但须选用新近制作的铁粉, 且须进行防锈处理。胶粘剂宜采用弱胶结性的胶结剂, 从多种高分子胶粘剂中进行筛选, 认为松香较好, 松香属于树脂类胶结剂, 是一种脆性材料, 能溶于酒精, 对材料不起塑化作用, 且胶结强度可由松香酒精溶液的浓度来调整, 本身性能稳定, 又价廉易得, 是一种合适的胶结剂。

6) NIOS模型材料。

含有主料磁铁矿晶矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌合用水及添加剂。作为一种新型的地质力学相似材料, NIOS相似材料可以模拟较大的容重, 其弹性模量和抗压强度等主要力学指标可以在比较大的范围内进行调整, 配制也比较方便, 并且其物理化学性质比较稳定, 成本低廉, 没有毒性, 对操作人员的身体健康和环境没有危害, 是一种很有前途的相似材料。但干燥太慢是其最主要的缺点[18,19,20]。

3相似材料力学特性的测试

3.1 相似材料弹性常数的测定

对于均匀的、各向同性的材料而言, 弹性模量E和泊松比μ完全可以确定材料的弹性性质。对于这两个参数, 可以使用电测法和机械式量测两种方法。在实际科研中, 为了节省经费和节约时间, 在选择相似材料的初期阶段, 由于试件多, 试验量大, 可先用百 (千) 分表量测, 在基本确定相似材料后, 再用电测法较为精确的测定材料的E, μ值。每组试验的试件不得少于5个。

3.2 单轴抗压强度的测定

试验在压力机上进行。测试前预先估计一个破坏荷载, 然后控制加载速率, 使破坏发生在1 min左右。每组试验的试件不得少于5个。

3.3 单轴抗拉强度的测定

由于相似材料的抗拉强度一般较低, 难以用直接拉伸试验量测, 因此通常采用间接拉伸试验进行测试。目前使用较多的间接拉伸试验是劈裂试验, 又称为巴西试验。劈裂试验的试件为一圆盘, 它是将经加工的圆盘状 (或正方形板状) 试件横置于压力机的承压板间, 并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条, 然后加载使试件受压, 试件沿径向产生张拉破坏, 以求其抗拉强度。

3.4 抗剪强度指标的测定

相似材料的抗剪强度指标c, ϕ, 可用直剪试验或三轴压缩试验进行, 这里介绍直剪试验。

直剪试验在土力学直剪仪上进行, 计算公式为:

τ=σtanϕ+c。

具体作法是:对同一配比的试件, 施以不同的正压力σ, 得到相应的抗剪强度τ, 以σ为横坐标, τ为纵坐标, 标出σ和τ;过各点重心作直线, 该直线与σ轴的夹角即为材料内摩擦角ϕ, 在下轴上的截距为材料内聚力c。

也可根据上式用最小二乘法对所测数据进行拟合, 直接得到c, ϕ。每种配比的直剪试验试件为5个～8个。

4结语

城市地下隧道 第9篇

现阶段众多学者主要针对普通公路隧道、地铁等开展了大量研究,也取得了一定的成果,但这些研究成果应用于UTLT存在一定的局限性。针对UTLT这种新型交通形式的防排烟问题,目前国内外的研究并不多,尚处于起步阶段。华高英等利用Fluent对北京CBD UTLT几个典型火灾场景下的烟气运动规律进行了数值模拟,确定了烟气控制的有效方案,但是从模拟结果看,烟气蔓延范围过大,不利于下游人员疏散;李磊等对北京奥林匹克公园地下交通联系通道的纵向排烟设计进行了分析,提出了有效可行的烟气控制方案,且其通风条件较为有利,火源距竖井或出口较近,当火源位置较不利时,该方案具有一定的局限性;王伟等针对北京市两条地下交通隧道,通过实体测试与数值仿真相结合,给出了数值模拟时风机边界条件设置为压力边界条件的建议;董兴国等利用FDS进行模拟,优化了UTLT临界风速的确定,并指出排烟口在侧壁偏上方开启时,更有利于排烟。

在UTLT通风排烟设计时,存在的问题主要是最不利火灾场景的设定、环状结构带来的复杂计算及火灾情况下风机运行方案的确定。笔者以北京商务中心区地下交通联系隧道(简称“CBD UTLT”)为研究对象,采用计算流体力学软件Fluent 15.0对不同风机推力作用下烟气控制效果进行对比分析,指出存在一个合适的推力,可以使烟气逆流得到很好的限制,同时也可以保证火源下游烟气得到较好的控制,研究结果可为此类隧道的工程设计提供一定的参考。

1 CBD UTLT设计概况

CBD UTLT为单向三车道,主隧道呈环形,净宽为11.25m,净高4.3m,采用单向逆时针的交通方案,隧道全长1 455m,主隧道长边长200m,短边长150m,直通地面的连接隧道共计4条,坡度为12°左右,长度在80~100m之间,CBD UTLT示意图见图1所示。该隧道采用轴流风机送、排风结合射流风机诱导的通风排烟方式,沿线设置4座面积为9m2的风井,每座风井内设置一台可逆轴流风机;另外,在环形隧道的主隧道及出入口连接隧道附近设有射流风机,以实现对烟气流动的控制。

2 烟气控制数值模拟研究

2.1 火灾场景

由于UTLT为环形结构,当火源位于出入口附近时,利用出入口进行排烟及疏散容易实现。但当火源位置处于隧道内部,距离出入口较远,此时若借助出入口进行排烟,容易造成烟气在隧道内部过度蔓延,烟气控制及疏散就变得较为复杂。笔者考虑火源位于隧道内部的不利情况作为典型火灾场景进行模拟分析,火源位置如图1所示。从图1可以看出,火源位于UTLT的主隧道上,按逆时针的交通方向,火源上游布置有射流风机组jf6,下游布置有射流风机组jf5,下游60 m处设置有排烟竖井F3。为防止扰动烟气层化,不应开启过于靠近火源的射流风机,故在本文所模拟各工况下,火源附近射流风机(jf5)均未开启,由于火源位置距离出入口较远,不宜利用其进行排烟,笔者采用火源两侧射流风机相向平衡压力,通过竖井排烟的排烟方式。具体的烟控方案:开启上游jf6和下游jf4射流风机组进行诱导通风,通过排烟竖井F3进行排烟。同时,考虑从火灾发生到系统确认火灾、风机开启需要一定的时间,各工况都是在180s时启动风机,整个模拟时间设为600s。

2.2 火源设置

UTLT禁止油罐车或载有大量危险品的车辆通行,只允许轿车或轿厢式货车通行,参考国际道路协会PI-ARC 1999年发布的《公路隧道火灾烟气控制》05.05.B中的规定(见表1),鉴于此UTLT最主要的车型为小型客车,考虑最易发生的火灾为两辆小型客车相撞起火,选取火灾功率为8 MW,增长方式为快速T2火,火灾增长系数为0.046 89,烟气主要成分为空气、CO2,分别占总质量的95%和5%,此外CO占CO2质量的5%,烟气的生成率与热释放速率的关系,如图2所示。

2.3 数学模型及边界条件

采用Fluent 15.0进行数值模拟,隧道模型按照CBD UTLT的实际图纸建模,火源模型简化为一个4.6m×1.7m×1.4m的立方体模型,采用0.2m的网格,射流风机附近采用0.3m的网格,网格共计694 183个。边界条件设置如下:

(1)流动采用带浮力修正的双方程湍流模型;

(2)火源采用VHS燃烧模型,大小为8 MW;

(3)环境温度300K,密度为1.225kg/m3,墙壁设为绝热壁面,表面粗糙度设为0.025m;

(4)辐射采用DO辐射模型;

(5)隧道进、出口设为压力进口;

(6)轴流风机采用速度边界条件;

(7)射流风机采用Fan模型;

(8)采用SIMPLE的压力修正方法求解离散方程。

2.4 工况设定

UTLT隧道呈环形,且隧道断面高度较低,烟气很容易到达隧道顶部进而沿水平方向蔓延。为说明此类结构的高火灾危险性以及采取合适的烟气控制方案的必要性,设置了一组对比模拟工况,即在整个模拟过程中不开启风机,火势自由发展,烟气可以自由蔓延。

在该隧道烟气控制设计时,火源下游的射流风机组jf4距排烟竖井96m,由4台射流风机组成,要比上游距竖井249m的风机组jf6(3台)多一台,且更加靠近排烟竖井。此外,该UTLT风机布置与常规的直线型隧道不同,风机分别布置于互相垂直的主隧道上,为保证排烟口附近的压力平衡,方便烟气正常排出,同时兼顾上下游烟气控制效果,需确定火灾情况下风机开启的最佳数量,为此分别改变火源下游风机的开启数量,设置如表2的模拟工况,进行对比分析。

北京CBD UTLT采用纵向通风方式排出隧道内的污染物及火灾时产生的烟气。作为此通风方式必不可少的一部分,射流风机通过自身推力喷射高速气流,将能量传递给沿隧道运动的气体,借此克服隧道的流动阻力。风机的气动性能常用推力表示,在进行隧道通风系统设计时,设计人员也常用风机推力进行风机选型。为研究不同风机推力作用下烟气的控制效果,共设置6组不同的风机推力工况来进行模拟研究,具体工况设置见表3所示。在模拟中,隧道中设置的射流风机主要采用Fluent中的Fan模型实现,其中风机的推力通过设置Fan模型的压力跳跃值来实现。华高英等通过实体通风测试及数值仿真模拟对比,给出了Fan模型压力跳跃值ΔP的设置计算公式如式(1)所示。

式中:ΔP为压力跳跃设定值;F为射流风机的推力;A为射流风机的出口面积;C为修正系数,取0.42。

结合表3且根据式(1),分别计算对应的ΔP,继而进行风机参数设定,研究其对烟气控制效果的影响。

3 模拟结果与分析

在模拟过程中,为了监测烟气的蔓延状态,确定是否会威胁到人员的安全,在火源上下游各100m的距离内,在4.2m高度的位置每隔2m设置监测点,实时监测隧道的环境参数。同时,为了分析各工况下的烟气控制效果,在距隧道地面4.2 m高度处截取水平截面作CO分布云图。

3.1 火源下游风机开启数量不同的烟气分布

图3分别为火源下游风机开启数量不同时600s各工况烟气分布图。从图3可以看出,工况一即下游只开启一台风机的情况下,下游的烟气并未得到很好的控制,烟气越过下游开启的风机流向下游出口处;工况三即下游开启三台风机的情况下,下游烟气得到了一定的控制,但是上游烟气越过风机蔓延到上游入口处,烟气逆流现象严重,对火源上游人员安全极为不利,相比较而言,工况二在火源上、下游烟气的控制效果要好一些,把烟气均控制在了开启的射流风机之间,故在后续模拟中,下游风机均采用工况二即开启两台风机的方案进行模拟。

3.3 风机推力对烟气控制效果的影响分析

图4为改变风机推力各工况600s时4.2 m处CO分布云图。对比图3可以看出,图4的烟气蔓延范围只有1/4隧道左右,烟气控制效果较为明显,说明火灾发生时,开启火源上下游的射流风机及轴流风机进行排烟是很有必要的。从图4还可以看出,600s时随着推力增大,火源上游烟气逆流距离越来越短,从工况1到工况4变化较为明显,但从工况4到工况6,上游烟气逆流现象的改善并不明显,这主要是由于采用此种烟气控制方案时,火灾产生的烟气会被限制在上下游射流风机之间,进而通过竖井中的轴流风机排出,在射流风机的推力达到一定值时,继续增大风机推力,会受到轴流风机功率的限制,对烟气控制效果的提升作用不大。在火源下游的水平主隧道有部分烟气流向连接隧道,且风机推力越大,蔓延现象越明显,由于UTLT与地下车库通风排烟适用的规范不同,且在隧道火灾发生时,地下车库出、入口处设置的防火卷帘会随之降落,将隧道与车库完全隔离开,故在进行通风排烟设计时,二者互不影响,各自独立设计,火灾时UTLT将被视为一个独立的构筑物。因此,下游开启的风机吹来的烟气不能及时排出,容易在此段隧道内长时间积蓄,对人员安全造成一定的威胁,所以风机的推力并非越大越好,应该限定在一定的范围内。

图5为4.2m高度处各监测点的温升值,取火源中心为原点,距离为负表示位于火源上游,距离为正表示位于火源下游。从图5可以看出,火源中心位置附近温升最高,达到350K左右,随着与火源距离的增大,温升沿着两侧下降,但从温度分布来看,上游温度比下游温度整体偏低,这主要是由于风机的开启,使得上游的高温烟气逆流得到了一定程度的限制,相比火源与排烟口之间的烟气要较少一些;随着风机推力的增大,火源两侧的温升越来越小,说明对烟气的控制效果更加明显。

隧道火灾发生后,烟气会在自身浮力的作用下上升至隧道顶部,之后沿着隧道向上下游水平蔓延。火灾发生时,火源下游的车辆可以快速驶离现场,但上游的人员只能弃车逃生,疏散较为困难且被弃留的车辆易被高温热烟气点燃,威胁来不及疏散的人员安全,故火灾情况下火源上游相对更为危险,烟气控制也应侧重考虑上游的人员安全。当采用纵向通风的排烟方式时,如果风机推力过小,不能克服烟气的流动速度,烟气就会向火源上游流动,即产生烟气逆流现象。模拟火源大小为8 MW,在模拟中观察分析隧道顶部即4.2m高度处的温度分布,当隧道顶部温升达到5K时,即认为烟气前锋蔓延到了此处,该位置与火源之间的距离即为逆流长度。

图6为风机推力与烟气逆流长度关系图。

从图6可以看出,风机推力越大,烟气逆流长度越短,从800N增大到900N时,烟气逆流长度减小最为明显,之后继续增大风机推力,对逆流长度的限制效果提升有限;当风机推力为900N时,烟气逆流长度为29m,一般认为消防员可以在30m近距离灭火扑救作业,同时考虑到对火源上下游烟气的控制效果,加之工程造价等因素,烟气逆流长度控制在30m左右即可,故在设定的火灾场景下风机推力选取900N左右即可满足要求。

4 结论与展望

在分析UTLT烟气控制难点的基础上,利用Fluent15.0对CBD UTLT中火源距离出入口较远的不利火灾场景进行数值模拟,设置3组不同的工况,研究火灾时风机的最佳开启数量;设置6组不同的工况,重点研究不同风机推力作用下烟气的控制效果,得到如下结论:

(1)UTLT为环状结构,当火源位置距离出入口较远时,采用常见的利用出入口排烟的烟控方案时,容易造成烟气过度蔓延,威胁滞留人员的安全;

(2)风机开启数量应根据实际情况确定,否则容易造成上游或者下游烟气蔓延距离过长;

(3)用于诱导通风的射流风机推力存在一个临界值,推力过小时,火源上游烟气逆流距离过长;推力选用过大时,在增加工程造价的同时对逆流长度的限制效果提升有限,且容易把烟气吹向无法及时进行排烟的连接隧道,造成蔓延范围过大;

(4)火灾规模为8 MW时,综合考虑多种因素,建议此UTLT射流风机的推力选取900N;

(5)如果条件允许,可以在UTLT内开展实体实验,验证并完善得到的一些结论。

摘要：在分析城市地下交通联系隧道(UTLT)烟气控制难点的基础上,以北京某UTLT为例,选取典型的火灾场景,利用Fluent 15.0进行模拟计算,对比分析了不同风机推力作用下烟气的控制效果。模拟结果表明,选取适当的风机开启数量和风机推力,可以把烟气逆流限制在可接受的长度,同时烟气的蔓延也控制在了一个较为理想的范围内。