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1 公路隧道在中国的研究进展及发展趋势_百度文
发布时间:2017-05-23 11:37

1 公路隧道在中国的研究进展及发展趋势_工学_高等教育_教育专区

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公路隧道在中国的研究进展及发展趋势传他?博望 收稿日期:2013 年 10 月 28 日修订:2013 年 11 月 13 日接受:在线发布时间:2013 年 12 月 20 日;2013 年这篇文章发表在具有开放获取作者信息的(S)Springerlink.com 网站上。摘要 高速公路隧道系统近年来在中国已超越欧洲,美国和其他发达国家,表 现在城市规模,复杂性和技术成就方面。很多科学研究已经表明,其结果极大地 促进了中国的公路隧道能力建设的快速发展。 本文介绍了高速公路隧道在中国的 发展历史, 根据基于建设和运营的具体特点。它提供的主要成就和挑战相对于施 工工艺,操作,监控,维修和维护一个系统的分析。加上公路隧道在中国的未来 发展趋势, 建议已经作出了进一步的研究,发展前景已经确定与铺设了一个中国 式的公路隧道施工方法和技术架构的基础的目的。 关键词 : 1 引言 中国三分之二的境内多山,公路的比例是隧道正稳步上升。而且 公路隧道年增长率为 350 公里,与目前的相加总共超过 5100 公里。 长隧道的数量已经超过了 1200,和超长隧道的数量已经达到 260。元江到磨 黑的高速公路在云南的隧道长度占总里程行约 20%,崇州,贵州遵义高速公路, 隧道所占比例大约为 18%。广柑高速公路在四川广元,四川和甘肃交界的隧道 长度的比例为 60%。这些统计数据表明隧道大大增加了需求,尤其是在本世纪 的第一个十年,和隧道公路建设的许多技术领域的地位共同提升。隧道的规划, 现在普遍采用的高速公路建设,因为设计师和建造者越来越认识到它的重要性。 在建设高等级公路的山区,隧道规划特别重要,可以避免自然灾害,保护环境, 提高公路线形,减少出行里程,提高运营效率。目前已投入大量的长期和大直径 的山岭隧道,有价值的研究成果已获得,并开启了在地下工程建设的新篇章。此 外,在前 10 年的二十一世纪的中国看到了公路运输网络逐步扩展到离岸深水地 区和城市。大量公路隧道穿越河流,湖泊和海洋,如武汉,南京长江隧道,厦门 翔安海底隧道,已建成通车。这些项目大大提高了隧道施工的专业知识,包括盾 构隧道和沉管的方法。 大量的长期和复杂的公路隧道工程已经扩大中国的地下工 程知识和先进的经营,通风和监控技术。建筑理论,技术,和中国的公路隧道运 营管理能力已经成熟, 研究成果已达到全球前列。 作为公路隧道继续延伸到山区, 水下,和城市区域,障碍物将更加复杂。其中包括地震,火灾,暴雨灾害,地质 条件复杂,如高地应力和活断层,寒冷和高海拔和水资源丰富的地区,以及生态 保护和节能减排问题的影响。所有这些因素都将展示中国的新技术和战略挑战。 2 采矿方法 公路隧道 采矿方法 盾构 沉管隧道 运行 监视 维护 进度 2.I 基本理论 在采矿方法的基础上, 开发出的钻爆 e x c a- VATION 方法, 是中国公路调谐 n e l I n g 的主要施工方法。随着施工工艺和岩石力学发展,提出了新奥法(NATM) 和隧道工程。新奥法的出台开始推广“积极”的支持技术,如锚杆,喷混凝土。基 于新奥法(p r I n – c I p l e s),中国已经在软岩和其他困难的条件下成功地建 成各类高路隧道。 应用程序扩展到浅的地质条件复杂的市政道路工程,与传统的 明挖法不同,取而代之的是中国式的低覆盖的地下开挖的方法。 随着隧道理论和公路隧道建设在中国的实践, 新奥法的内容逐渐从特殊施工方法 的理解或支持的技术演变成“概念”和“原则”的理念。这对中国的公路隧道及地下 工程的设计和施工具有重要的现实影响。应用范围大大扩展,而技术的发展涉及 到新奥法(I n t e n s I)的公路隧道开挖,多样性的方法为基础的全断面开挖和 替补婴儿床的方法成为了多挖掘模式。这改善了周围的岩石和沉降现象,类似于 中心隔膜(CD)的方法,该横隔膜(CRD)方法,验证了双侧漂移方法结果的 稳定性。 新奥法并不适用于所有的岩石环境,因为它是基于螺栓锚喷支护和岩石力学实 施的。挪威隧道法(NTM),是隧道建设理论的进一步发展,是一个有益的补 充,新奥法在 NTM 的核心思想是基于 Q 系统在岩石的分类。高性能材料作为永 久支持应用,只需要通过漏电,霜冻,以及其他危险情况设置二次衬砌。许多中 国工程师的隧道已申请 NTM 原则,即在建筑技术和研究支持材料必须具有高的 强度和韧性[,旨在解决在 NTM 的中国国情下的应用工程问题。在二十一世纪, 隧道建设的规模表明,基于新奥法和 NTM 的设计方法和施工理念已经不能满足 中国复杂的要求。 2000 年,意大利新暗挖法(NITM)是基于压力拱理论和新 奥法的出现, 并在意大利已广泛应用于高速公路和铁路的设计。它已晋升在欧洲 其他国家, 但在中国只有很短的时间。所以确定如何将其应用到拥有复杂条件的 中国公路隧道建设是当前的挑战。 2.2 设计理论与方法 基本理论的发展支持基于围岩的相互作用在公路隧道的设计理论与方法, 和最初 的经典设计方法不同,负载结构理论(粒状压力理论),以及连续体理论创新结 构的产品和以前的研究扩展。设计方法是从工程类比,收敛约束,负载结构和地 层结构的方法中的信息动态设计方法演变而来。数值方法的应用,如有限元和有 限差分的应用程序是一个有用的 suppl8ment 公路隧道工程,尤其是在必须考虑 围岩及其在整体模型的支持系统的设计的时候。然而,由于地下工程的复杂性, 各种设计理论和方法通常具有非常特定的应用和局限性, 并且很难将它们完全适 应独特而复杂的地下环境中。 因此,面对隧道工程师的主要问题之一是如何结合 现有的建筑和设计理论应用到公路隧道的具体特点, 并创造中国国情研究一组隧 道建设理论体系和设计方法。 2.3 长期,大口径,深埋,和高海拔隧道 基于发展的设计理论和施工技术,公路隧道长度,高度和埋深在最近几年已经达 到了新的水平。 秦岭终南山中,鹧鸪山和二郎山隧道的落成是中国的高速公路隧 道系统的里程碑,这需要面对很长大口径的深埋,和高海拔隧道的挑战。长,大 直径和深埋公路隧道的建设经常伴随着地质灾害,如岩爆,大变形等问题。研究 这些问题和相关问题提供了许多见解。例如,在岩爆形成机制,预测技术和防治 措施是在研究二郎山和瘦长超长高速公路项目进行的。 该研究分析了岩爆的条件 下的初始衬支撑时间, 并成功地进行了初始应力场的二次反分析,并根据在该领 域的岩石突发中断标志随后岩爆进行预测。这项研究提供了新的方法和思路。此 外, 西部经济在中国的发展提出了软岩大变形的一个日益严重的问题,如千枚岩 公路隧道,到现在为止的研究并没有提供有效的技术支持。在以前的研究中,强 有力的支持来控制变形,支护参数通常超过了推荐值“规范公路隧道的设计。”然 而,强有力的支持有时不足以控制高变形应力,锚弹响,钢拱架扭曲,并可能出 现初始衬里开裂。面对日益复杂的项目极限挑战,支持传统的方法和技术,并且 基于新的材料和技术支持它需要的系统。此外,隧道施工在高海拔地区需要考虑 的因素防冻液。 赫出厂教授在西南交通大学的团队采用热固液体耦合分析,在高 海拔地区修建公路隧道的抗防冻设计技术。他们研究了 Z h e g u s h an 隧道, 其中, 防霜材料被放置在次级衬里表面作为绝缘。这项研究改变了公路隧道在寒 冷的高海拔地区的防霜设计,并成功的应用到后续的隧道建设。该 Q u e 'e r s h a n 隧道进一步提高公路隧道建设的高度限制,并提出了新的挑战抗冻性技术。 2.4 隧道结构和款型 在公路隧道技术的一个重要发展是支撑结构和隧道断面形式的范围内的突破。 在 复合衬里的基础上,新奥法进化到基于所述 NTM 单层衬里的结构,并装配有盾 构掘进衬现在主要的系统中公路隧道中。为了满足近年来的线形状修正,防腐的 要求,工程师已经开始专注于双层衬里。分离隧道多年来一直是主要的类型,但 如地形,道路线形,和其他特殊情况的条件作出拱隧道和小清,距离隧道是必要 的存在。金华 - 丽水 - 温州高速公路隧道施工是施工技术和设计理论发展的飞 跃,特别是针对防排水技术,以及中间壁挂式的设计。这条隧道基本上奠定了采 纳和应用连拱隧道的基础。随着兴建的京福高速公路,并与紫坪铺隧道,距离隧 道已经在条款中间岩壁加固, 施工方法取得了很大进展等等。公路建设和增加业 务量, 再加上结构类型的多样化的快速发展导致了大量预算外和大断面隧道的出 现, 其中有一个较低的扁平比和较差的机械性能的外观。 这些措施包括上海 - 宁 波高速公路(宽:13.86 米,身高 6.8 m)及沈大高速公路的隧道韩家岭(宽: 21.24 米,身高:15.52 米)。研究施工方法和配套的系统和围岩负荷已经进行。 同时, 新的结构类型, 如交分岔隧道和螺旋隧道已经出现, 呈现另一组技术问题。 2.5 地下水 在公路隧道施工中遇到一个棘手的问题是地下水。这是特别的问题,长而大直径 的公路隧道, 近年来对环境产生了重大的影响。许多中国工程师承认伤害了双方 的隧道工程,并造成地下水的排泄。这就造成了地下水处理的概念,从“重点排 放”更改了“重点遏制和限制排放”。隧道和地下水之间的相互作用链如图所示。并 包括水环境对隧道的影响, 以及对水在隧道的影响。隧道工程重点是遏制有限的 放电,所述衬里是受到高的水压,造成有限制的环境影响。这显然是一个复杂的 问题,如何实现隧道排放,保护环境和隧道施工安全之间的平衡。研究三者之间 的关系,将涉及多学科和多字段的相互作用。 最近完成的超长山公路隧道,比如秦岭终南山和尼巴山隧道。新隧道的结构类 型和部分的发展都强加给隧道工程师有很高的要求, 而且也显着提高了公路隧道 设计和施工的理论。 3 盾构法 随着现代盾构设备技术的进步, 盾构法逐渐成为主要建设方案,以应付复杂和困 难的条件, 如软弱地层和过境河流和大海。它已被广泛应用于高速公路隧道结构 在世界各地,如着名的东京湾隧道在日本和易北河隧道在德国的 4 管。近年来, 一系列大型水下公路盾构隧道已建成,如长江和长江三角洲地区的中,下游。这 些措施包括武汉长江,上海延安东路,上海崇明长江,南京长江,杭州钱江和杭 州庆春路隧道。这些隧道是典型的大部份(直径水 15 米),在浅埋藏深度,极 高的水压之下, 很难进行设计和建造。他们的规模和公路盾构隧道施工技术的水 平提升到一个新的水平。 早期的分析方法简化隧道结构到两个维度, 或呈现模拟三维问题在盾构掘进式隧 道结构的方面中。 由于隧道段和管片衬砌的规模增长,成品分析方法采用三维 壳和实体成为常见的方法。 这些方法逐步形成适用波束弹簧模型来计算段结构的 整体内力,和壳弹簧接触模型来精确分析集团的 C 结构的空间的应力分布的综 合分析方法。 同时, 现有的经典结构分析方法和模型已经根据公路盾构隧道结构 特性进行了改善。 组装内衬是主要的衬砌结构类型,是国内外盾构隧道的施工。驱动抗震,线轮 廓修改,和耐腐蚀性的要求,双层衬里已经通过。它是在高速铁路隧道,城市主 干道隧道,地铁隧道和输水隧道的存在。早期应用在日本。双层衬里不久将在中 国使用,因为水下公路隧道的直径和埋藏深度继续增加:因此,确定何时选择双 层衬里和组装的衬和内衬之间的力必须进行仔细研究。 此时由一种新型的单衬里 和双层衬里之间的内衬结构的建议, 可以去处理跨河公路盾构隧道在长江中下游 地区造成河床冲刷问题, 具有高水压和渗透地层问题。如果这个新的衬砌结构可 以减少河床的冲刷,进而进行进一步的研究和绩效评估,需要验证其长期稳定性 和适用性。 许多跨河盾构隧道已经建成, 导致许多结构性防水措施的出现,包括多通道技术 (包括部分自动防水,涂层与外部防水段),联合防水,注浆孔及螺栓孔防水, 回填注浆和盾尾糊状的填充防水技术。公路盾构隧道施工技术有了很大提高,南 京长江与上海崇明长江隧道的建成是很好的例证。 各种复杂条件下的突破已经实 现,如软土地层,富水砂卵石地层,硬地层不均匀的情况。技术挑战包括在盾构 掘进过程中大直径泥水平衡盾构,H u I d 固耦合面不稳定,结构的浮力和控制 措施,长距离连续隧道,大直径泥水盾构机刀变技术,和盾起点和终点控制都是 需要注意的地方。 隧道掘进法(TBM),推出于 20 世纪 50 年代,现在已经是一个成熟的和重要 的隧道施工技术。基于其高施工速度快,出色的外形隧道,机械化程度高,与围 岩的扰动不大的优点, 它被用来对英法海峡隧道和瑞士的 B o z b e r g 公路隧道。 在中国,TBM 主要应用于调水和铁路隧道,如引水隧洞在锦屏水电站和大伙房 水库,秦岭铁路隧道 1 和 M o g o u l I n g 隧道。不过,也有一些全球性的先例 公路隧道,还需要进一步努力了解和改进公路隧道施工。 4 沉管法 一个沉管隧道是挖掘在海,河,湾,或通道的,其中隧道将建成水槽运输载体隧 道。部分是浮动到现场并安装,然后相关建筑的部分结合成一个整体,并为道路 交通。 查尔斯· 怀亚特 1810 年在伦敦进行浸泡隧道建设的第一次测试,但测试未能解 决防水问题。建于波士顿在 1894 年 w a s t e p I p e,虽然直径只有 2.70 米。 美国人后来建造了许多沉管隧道,但荷兰设计了基于美国技术的新方法。该方法 被引入到其他国家,今天,沉管隧道专业技术的不断发展。 在中国,对沉管隧道的研究起步较晚,但进展迅速。在上海研究沉管隧道是在 60 年代初进行的,水下污水隧道建于 1976 年。研究也是在广州市于 1974 年进 行的;行车隧道穿越维多利亚港, 始建于香港, 1972 年的高雄沉管隧道建于台湾, 广州珠江隧道,建于 1993 年,是最早的海底隧道,是使用了沉管方法的城市道 路和铁路,并设置一个先例大型沉管隧道。第二个沉管隧道于 1995 年建于宁波 永洋,克服了软土地基的缺点,使用预制的方法分段连接项目。宁波长虹隧道, 建于 2002 年,通过使用特殊的地质水文条件所需的桩基础,提供了对沉管隧道 施工的见解在软土。 在上海外环隧道的建设成功的将沉管隧道施工技术提高到一 个新的水平。在 H o n g k o n g 珠澳大桥工程的沉管隧道有 6.753 公里的长度, 并且是世界上最长的沉管隧道。 这条隧道采用的长距离截面管,水深且地基不均 匀。 设计和施工技术,在每一个国家都有自己的特点,想法是不同的。联合部分生 产,隧道关节,基本层配置,和地震的结构是沉管隧道设计与施工的关键技术问 题。 随着沉管隧道的设计和施工的大规模发展,浸入管的平均长度为 60 微米,在 20 世纪 40 年代发生变化,为 200 微米。每个管段的长度较长,且车道的每个 部分中的数目变高,从原来的两车道增加到六车道。今天甚至多达八个通道。作 为管段的要求增加,材料混凝土加固,必须用高强度混凝土 。在钢筋混凝土管 段的生产中已经采取措施来控制开裂。这些技术包括纵向预应力方法,或添加钢 或化学纤维。此外,该制造方法已经从传统的干船坞预制向工厂生产线转变。