地下空間大洞室與隧道工程建設(shè)

1、地下空間大洞室和隧道工程建設(shè)周豐峻 院士二一年十一月五日十四屆土木工程學會暨地下工程第十六屆隧道年會十四屆土木工程學會暨地下工程第十六屆隧道年會 發(fā)展深地下大跨度地下空間已經(jīng)成為當前的發(fā)展深地下大跨度地下空間已經(jīng)成為當前的緊迫任務(wù)，需要借鑒國外。緊迫任務(wù)，需要借鑒國外。 法國著名大跨度地下空間與隧道建設(shè)學者法國著名大跨度地下空間與隧道建設(shè)學者Dufaut進行了很多重大地下空間洞室的設(shè)計和發(fā)進行了很多重大地下空間洞室的設(shè)計和發(fā)展規(guī)劃，對法國的地下工程發(fā)展和隧道建設(shè)有很展規(guī)劃，對法國的地下工程發(fā)展和隧道建設(shè)有很多重大貢獻。巴黎至里昂的地下鐵路隧道，就是多重大貢獻。巴黎至里昂的地下鐵路隧道，就是在他

2、規(guī)劃設(shè)計指導(dǎo)下完成的。在他規(guī)劃設(shè)計指導(dǎo)下完成的。 1986年，年，Duffaut給出了大洞室研究的一個給出了大洞室研究的一個小結(jié)。地下采礦開挖的空間，很多洞室會長期保小結(jié)。地下采礦開挖的空間，很多洞室會長期保持穩(wěn)定和安全。這是因為任何地下洞室的設(shè)計都持穩(wěn)定和安全。這是因為任何地下洞室的設(shè)計都要廣泛的了解地質(zhì)學和巖石力學建造的。為了實要廣泛的了解地質(zhì)學和巖石力學建造的。為了實現(xiàn)安全和經(jīng)濟，巖石洞室必須和巖石大容積結(jié)構(gòu)現(xiàn)安全和經(jīng)濟，巖石洞室必須和巖石大容積結(jié)構(gòu)以及原位應(yīng)力場相協(xié)調(diào)。地質(zhì)條件選得好可以提以及原位應(yīng)力場相協(xié)調(diào)。地質(zhì)條件選得好可以提供礦產(chǎn)和石油資源存儲，同時也能提供有價值的供礦產(chǎn)和石油資

3、源存儲，同時也能提供有價值的大洞室的場所。大洞室的場所。 很多采礦洞室，都要求做一定的支護，因為很多采礦洞室，都要求做一定的支護，因為所有的深地下洞室都面對高地應(yīng)力問題。很早以所有的深地下洞室都面對高地應(yīng)力問題。很早以前，采礦工程師在比較差的地層和處理高地應(yīng)力前，采礦工程師在比較差的地層和處理高地應(yīng)力的實踐過程中發(fā)展了支護技術(shù)。的實踐過程中發(fā)展了支護技術(shù)。 城市規(guī)劃中大洞室在歐洲的發(fā)展比淺埋結(jié)構(gòu)城市規(guī)劃中大洞室在歐洲的發(fā)展比淺埋結(jié)構(gòu)發(fā)展更快。如果在山體中開挖，城市的洞室將更發(fā)展更快。如果在山體中開挖，城市的洞室將更有現(xiàn)實意義。山地城市和平原城市相比較更容易有現(xiàn)實意義。山地城市和平原城市相比較更

4、容易實現(xiàn)大洞室的計劃。實現(xiàn)大洞室的計劃。 中微子是很輕很小的粒子，以光速進行運動。中微子是很輕很小的粒子，以光速進行運動?？梢赃\用中微子閃光法進行檢測，中微子閃光是可以運用中微子閃光法進行檢測，中微子閃光是和透明液體原子相撞擊時發(fā)射出來的。為了減小和透明液體原子相撞擊時發(fā)射出來的。為了減小宇宙射線產(chǎn)生的干擾，洞室必須盡可能合理開挖宇宙射線產(chǎn)生的干擾，洞室必須盡可能合理開挖的深一些。最近幾十年，各國建立了地下實驗室，的深一些。最近幾十年，各國建立了地下實驗室，利用深部采礦施工設(shè)施，或者是通過現(xiàn)有的高山利用深部采礦施工設(shè)施，或者是通過現(xiàn)有的高山交通隧道進行中微子檢測的科學研究。交通隧道進行中微子檢

5、測的科學研究。 大空間自然洞室是在喀斯特溶巖里產(chǎn)生的，大空間自然洞室是在喀斯特溶巖里產(chǎn)生的，最大的是在馬來西亞最大的是在馬來西亞Sarawak邦，洞室寬邦，洞室寬400m、長長600m、高、高150m，沒有任何柱子支撐。所有的，沒有任何柱子支撐。所有的自然洞室都相對比較淺。在層狀巖體中，很多洞自然洞室都相對比較淺。在層狀巖體中，很多洞室頂部是平坦的，跨度小于室頂部是平坦的，跨度小于100m。 自然洞室提供了超大型人工洞室設(shè)計的依據(jù)，自然洞室提供了超大型人工洞室設(shè)計的依據(jù)，有些洞室偶爾表現(xiàn)出坍塌的跡象，但絕大多數(shù)洞有些洞室偶爾表現(xiàn)出坍塌的跡象，但絕大多數(shù)洞室表現(xiàn)出了長期的穩(wěn)定性。室表現(xiàn)出了長期的

6、穩(wěn)定性。 芬蘭的芬蘭的Tytyri礦山的花崗巖層里包含有石灰?guī)r，礦山的花崗巖層里包含有石灰?guī)r，達到達到100m的跨度，大型的四面體空間仍然保持穩(wěn)的跨度，大型的四面體空間仍然保持穩(wěn)定。巖鹽的案例中其形狀受溶解過程的控制，在定。巖鹽的案例中其形狀受溶解過程的控制，在一個開采井產(chǎn)生的洞室，用于油氣存儲可以達到一個開采井產(chǎn)生的洞室，用于油氣存儲可以達到人工大洞室的體積，高達人工大洞室的體積，高達200萬立方米（萬立方米（35米直徑，米直徑，800米高）。米高）。 （1）地下采礦洞室）地下采礦洞室 工業(yè)洞室按照用途劃分為：地下火車站、工業(yè)洞室按照用途劃分為：地下火車站、地下電站、地下倉儲。在地下電站、地

7、下倉儲。在20世紀，全世界已世紀，全世界已經(jīng)開挖了數(shù)百個地下水電站廠房，很多水電經(jīng)開挖了數(shù)百個地下水電站廠房，很多水電廠房具有曲墻的形狀，因為設(shè)計者擔心跨度廠房具有曲墻的形狀，因為設(shè)計者擔心跨度問題而不采用高直墻結(jié)構(gòu)，他們設(shè)想建造一問題而不采用高直墻結(jié)構(gòu)，他們設(shè)想建造一個大空間時要抵抗重力的影響。個大空間時要抵抗重力的影響。 （2）工業(yè)洞室）工業(yè)洞室 1993年為了迎接冬季奧林匹克運動會在挪年為了迎接冬季奧林匹克運動會在挪威建成威建成Gjovik滑冰場，這項設(shè)計是為了會后進滑冰場，這項設(shè)計是為了會后進行標準核電廠的可行性論證（行標準核電廠的可行性論證（61米跨度，米跨度，25米米高，高，91米

8、長，米長，16.5萬立方米）。冰場可以提供萬立方米）。冰場可以提供5800個座位，挪威是把小型核電廠放到在個座位，挪威是把小型核電廠放到在Halden洞室的第一家。洞室的第一家。 1940年，建立了第一個供存儲用的軍事燃年，建立了第一個供存儲用的軍事燃料的洞室。起初，標準的鋼制箱體密封在洞室料的洞室。起初，標準的鋼制箱體密封在洞室里，在夏威夷檀香山用，隨后在阿爾及利亞，里，在夏威夷檀香山用，隨后在阿爾及利亞，法國設(shè)計了預(yù)應(yīng)力混凝土圓筒形體結(jié)構(gòu)。在同法國設(shè)計了預(yù)應(yīng)力混凝土圓筒形體結(jié)構(gòu)。在同一時間，瑞典采用臨近港口的礦坑來儲藏天然一時間，瑞典采用臨近港口的礦坑來儲藏天然石油，它的不透油性是由四周的

9、海水所提供的。石油，它的不透油性是由四周的海水所提供的。從那時起，已經(jīng)建造了數(shù)百個洞室。從那時起，已經(jīng)建造了數(shù)百個洞室。 當石油儲量超出當石油儲量超出4萬立方米時，地下洞室萬立方米時，地下洞室比地上便宜。比地上便宜。 應(yīng)變控制是釋放超高應(yīng)力的通用方法。巖應(yīng)變控制是釋放超高應(yīng)力的通用方法。巖柱和頂部之間常有超應(yīng)力問題出現(xiàn)，他們采用柱和頂部之間常有超應(yīng)力問題出現(xiàn)，他們采用密排鉆孔的方法避免巖石剝離，減小局部的超密排鉆孔的方法避免巖石剝離，減小局部的超應(yīng)力。這種方法也可以通過可壓縮的軟被覆層應(yīng)力。這種方法也可以通過可壓縮的軟被覆層來獲得，或在巖體和被覆之間形成一個可閉合來獲得，或在巖體和被覆之間形成

10、一個可閉合的初始空間。的初始空間。 在公路隧道里，奧地利的在公路隧道里，奧地利的Muller教授采用教授采用了噴射混凝土支護拱頂?shù)姆椒ǎ辉谌鹗可畹叵铝藝娚浠炷林ёo拱頂?shù)姆椒?；在瑞士深地下隧道建設(shè)過程中，隧道建設(shè)過程中，Kalman教授在被覆中采用教授在被覆中采用可壓縮的泡沫混凝土的辦法，達到了釋放高應(yīng)可壓縮的泡沫混凝土的辦法，達到了釋放高應(yīng)力的目的。力的目的。 挪威的工程人員在直徑挪威的工程人員在直徑50米以上的大洞室米以上的大洞室上方設(shè)置小廊道消除水平應(yīng)力。同樣的在大洞上方設(shè)置小廊道消除水平應(yīng)力。同樣的在大洞室的四周采用小的隧道進行徑向截斷，取決于室的四周采用小的隧道進行徑向截斷，取決于巖

11、體的特性，這些小的隧道群可能有閉合作用，巖體的特性，這些小的隧道群可能有閉合作用，如果進入完全塑性區(qū)，這種應(yīng)力控制方法更有如果進入完全塑性區(qū)，這種應(yīng)力控制方法更有效。效。 1993年年5月落成的挪威月落成的挪威Gjovik滑冰場，是在滑冰場，是在城市背面花崗巖山體中挖掘的。場地還伴隨有城市背面花崗巖山體中挖掘的。場地還伴隨有很多小型的洞室，電話接轉(zhuǎn)站和安全服務(wù)站以很多小型的洞室，電話接轉(zhuǎn)站和安全服務(wù)站以及游泳池。洞室拱頂及游泳池。洞室拱頂61米寬，巖石覆蓋層厚度米寬，巖石覆蓋層厚度小于跨度，大約為小于跨度，大約為25到到50米。在工程施工中發(fā)米。在工程施工中發(fā)現(xiàn)巖石的質(zhì)量很好，僅有的支護是纖維

12、混凝土現(xiàn)巖石的質(zhì)量很好，僅有的支護是纖維混凝土噴射層，噴射層，15cm厚加上厚加上6m的鋼錨桿，間距的鋼錨桿，間距2.5m。 摩納哥是個很小的獨立的公國，介于法國摩納哥是個很小的獨立的公國，介于法國和地中海之間，距離意大利很近。它的面積大和地中海之間，距離意大利很近。它的面積大約約3平方公里，這個城市充分利用地下空間，平方公里，這個城市充分利用地下空間，很多摩納哥地下工廠是建在山坡下的。具有山很多摩納哥地下工廠是建在山坡下的。具有山地城市由于其山體內(nèi)部的空間容量大而具有許地城市由于其山體內(nèi)部的空間容量大而具有許多優(yōu)勢：排水可以靠重力驅(qū)動，通風也是如此。多優(yōu)勢：排水可以靠重力驅(qū)動，通風也是如此。

13、汽車也可以不必發(fā)動而走出洞外。汽車也可以不必發(fā)動而走出洞外。摩摩納納哥哥大大洞洞室室 日本的設(shè)計方案是兩個平行隧洞，卵日本的設(shè)計方案是兩個平行隧洞，卵形斷面長度形斷面長度250m，是采用斷面分區(qū)鑿巖爆，是采用斷面分區(qū)鑿巖爆破方法施工的，為了避免出現(xiàn)超高地應(yīng)力破方法施工的，為了避免出現(xiàn)超高地應(yīng)力破壞作用做了雙層被覆結(jié)構(gòu)；日本和瑞典破壞作用做了雙層被覆結(jié)構(gòu)；日本和瑞典設(shè)計的用混凝土澆筑小廊道作圍巖支護。設(shè)計的用混凝土澆筑小廊道作圍巖支護。日本提出的兩條平行隧洞施工方案日本提出的兩條平行隧洞施工方案洞室開挖前支護方案（瑞典）洞室開挖前支護方案（瑞典）洞室開挖前支護方案（日本）洞室開挖前支護方案（日本

14、）通過洞室上方的小廊道控制高水平應(yīng)力（瑞典專利通過洞室上方的小廊道控制高水平應(yīng)力（瑞典專利Selmer） 挪威大跨度隧洞的高水應(yīng)力問題采用挪威大跨度隧洞的高水應(yīng)力問題采用洞室上部錨桿支護和廊道卸壓的方法得以洞室上部錨桿支護和廊道卸壓的方法得以解決。解決。 綜上所述，借鑒國外大洞室開挖的方綜上所述，借鑒國外大洞室開挖的方法，實現(xiàn)我國關(guān)于地下大洞室的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)法，實現(xiàn)我國關(guān)于地下大洞室的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式是完全可行的。形式是完全可行的。The Man Wan hydroelectric station is located on the middle reaches of the Lan Cang Riv

15、er in Yun Nan province.Collapse of slope happened seriously. We had reinforced the slope of mountain and had completed it within 3 months. Prestressed anchors of 6001200KN, 30-35m length was used by us with 2 times grouting.Holes diameter of 250mm and depth of 70m. Drilled by CM351 drilling machine.

16、Anchor of 600T is installing into hole on worksite. Tension of anchor of 6000KN采用特制除渣工具配合CM351鉆機采用CM351 鉆機可以鉆直徑250毫米深70米鉆孔（2）云南大朝山和柴石灘水電站）云南大朝山和柴石灘水電站 云南大朝山水電站的地下廠房建設(shè)跨度云南大朝山水電站的地下廠房建設(shè)跨度26m、高度高度52m，其建設(shè)空間斷面設(shè)計和小浪底基，其建設(shè)空間斷面設(shè)計和小浪底基本一致。山巖地質(zhì)條件很差，大體上和小浪本一致。山巖地質(zhì)條件很差，大體上和小浪底的含泥夾層沙礫巖類似，整體穩(wěn)定性不足，底的含泥夾層沙礫巖類似，整體穩(wěn)定

17、性不足，極易產(chǎn)生崩落和坍塌。極易產(chǎn)生崩落和坍塌。主廠房高62.3m，洞跨26m設(shè)計錨索496根,工作荷載2000KNThe designed prestress of anchors are 1000KN, anchor of 3540m long amount to 426. Blocks of concrete and reinforced concrete beams enhance the combination between anchors. （4）全長防護錨索的結(jié)構(gòu)材料l 全長防護錨索是一種具有全長防護性能的雙層保護自由錨索，它比普通的自由錨索多一道全長設(shè)置的PVC波紋管防腐層。

18、在目前國內(nèi)的實踐中，錨索結(jié)構(gòu)與材料包括鋼絞線、波紋管、內(nèi)隔離架、對中支架。 全長注漿錨索屬于自由錨索。其主要特點是使全長注漿錨索屬于自由錨索。其主要特點是使用可傳力強化塑料波紋管，雖然仍屬拉力型錨索，用可傳力強化塑料波紋管，雖然仍屬拉力型錨索，但由于波紋管和錨索包裹體的雙層保護作用可以但由于波紋管和錨索包裹體的雙層保護作用可以防銹防銹50年。年。 在施工工藝中解決了接頭剛性連接和鉆孔準在施工工藝中解決了接頭剛性連接和鉆孔準直度高要求問題。直度高要求問題。After installinginnovative correctJoint adapter, thedrilling precisionw

19、as improvedgreatly and its angledeviation was less than 2. （1） 分散壓力型錨索，目前已在全國得到廣分散壓力型錨索，目前已在全國得到廣泛普及。錨索注漿凝結(jié)后的長期受力狀態(tài)是壓力，泛普及。錨索注漿凝結(jié)后的長期受力狀態(tài)是壓力，從而避免了混凝土砂漿受拉致裂滲入水的腐蝕作從而避免了混凝土砂漿受拉致裂滲入水的腐蝕作用。結(jié)構(gòu)工作特點是有端板承受拉力，并將力傳用。結(jié)構(gòu)工作特點是有端板承受拉力，并將力傳遞給四周圍巖。壓力型錨索經(jīng)過分散后，張拉傳遞給四周圍巖。壓力型錨索經(jīng)過分散后，張拉傳力作用過程得到優(yōu)化，使孔洞圍巖受力趨向均勻。力作用過程得到優(yōu)化，使

20、孔洞圍巖受力趨向均勻。我國壓力分散型錨索是同日本韓國同步發(fā)展合作我國壓力分散型錨索是同日本韓國同步發(fā)展合作研究的結(jié)果，但是應(yīng)用范圍更廣。研究的結(jié)果，但是應(yīng)用范圍更廣。(2) Typical restressable anchor head detail for double protection of strand tendonl 無粘結(jié)段與錨固段剝除1-3米套管，臺階狀布置，形成拉壓分散型錨索，可提供均勻錨固力。重力注漿雙層保護錨索結(jié)構(gòu)圖小浪底德國3000KN雙層保護錨索結(jié)構(gòu)圖3.1 四川雅礱江二灘水電站拱壩高四川雅礱江二灘水電站拱壩高240m，泄，泄壩洞進口方形斷面壩洞進口方形斷面1313

21、.5m。由于山體巖。由于山體巖石地質(zhì)條件差，山勢陡峻，在進水口和洞室石地質(zhì)條件差，山勢陡峻，在進水口和洞室開挖過程中，滑動位移發(fā)展過快，有失穩(wěn)的開挖過程中，滑動位移發(fā)展過快，有失穩(wěn)的危險。采用全長注漿防銹錨索，施加張拉力危險。采用全長注漿防銹錨索，施加張拉力后，整體作用很好，產(chǎn)生了反向位移。后，整體作用很好，產(chǎn)生了反向位移。 錨索設(shè)計噸位2000KN，鉆孔通過4565m的塌積物地層，地層松軟、破碎，部分鉆孔通過1015m的流塑狀泥層 3.2 廣西八渡火車站滑移加固廣西八渡火車站滑移加固 采用錨固樁錨索復(fù)合加固方案，錨索長 5570m。4.1 地下空間和隧道施工作業(yè)，當隧洞貫穿裂縫發(fā)地下空間和隧道施工作業(yè)，當隧洞貫穿裂縫發(fā)育同山體外連通時，必須采用雙液注漿