隧道及地下工程

第五讲隧道及地下工程、道路与铁道工程隧道及地下工程•最古老的隧道是古代巴比伦城连接皇宫与神庙间的人行隧道，建在公元前2160-2180年间。古代使用原始工具挖掘，速度最慢者是驱使3万奴隶挖掘，每周进尺仅75mm。•目前世界最长的汽车专用隧道是瑞士中部的圣哥达(St.Gotthard）隧道，全长16.3km，隧道开凿时，第一次使用了硝化甘油炸药。•我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年。古希腊萨摩斯隧道定陵地下宫殿•当今人类正在向地下、海洋和宇宙开发。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、大距离的“空间”利用进展。•20世纪80年代国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：•第一时代从出现人类至公元前3,000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。•第二时代从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。•第三时代从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。•第四时代从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。•我国地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。•70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。•80年代上海建成延安东路水底公路隧道•1985年至1987年，上海建成黄浦江上游引水隧道一期工程•90年代以来，上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通•90年代后期至今，广州、深圳、南京等地相继地铁开通•南京、杭州、福州琅岐等正计划修建过江隧道•现代地下工程发展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市修建了地下铁路；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；著名的公路隧道，如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超过10km•各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电的数目，全世界已超过400座，其发电量达45亿瓦以上。•修筑隧道和利用地下空间从原始时代起就已成为人类营生的一种方式。•随着近代文明的发展，才使它成为土木工程学的一个学科，并应用近代工程技术修筑了很多隧道。•隧道是修筑在地面下的通路或空间，但孔径太小，属于所谓管道范畴的除外。1970年经合组织（OECD）的隧道会议对隧道所下的定义为：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸，修筑的断面积大于2的洞室。•当前隧道除仍用于铁路、公路交通和水力发电、灌溉等水工隧洞外，也用于上下水道、输电线路等大型管路的通道，另外还将过去理解为地下通路的隧道概念，扩大到地下空间的利用方面，包括诸如地下发电变电所、地下汽车停车场、大型地下车站、地下街道等适用隧道工程技术的建筑物。优点：√恒温，能较好地绝热和蓄热；√抗震性能强；√隐蔽性好，能经受和抗御武器的破坏；√气密性、遮蔽性、隔音性均良好；√具有良好的地下水保持性；√节约用地；√空间开挖有很大的灵活性；√可综合利用。缺点：√见不到阳光、温差小、湿度大；√空气封闭压抑，不易流通；√人员活动不自在；√环境噪音级增强；√微生物繁殖快。•从地质上还可按开挖对象划分为岩石隧道和土砂隧道，并可根据施工场所的不同区分为公路隧道、城市隧道和水下隧道等•按施工方式、方法进行详细的分类有盾构法、沉管法、明挖法等等•隧道技术，对应于修筑隧道过程的各个阶段，可以大致分为：调查计划技术（有关地质、水文等的调查和预测、测量等）；设计技术（指岩石力学、土力学和结构力学、材料等）；施工技术（指开挖、运输、支撑衬砌的施工、地基改良、为改善施工条件而采用的特殊施工方法、安全卫生等）；运用技术（指照明、通风、维修管理、防灾等）。公路隧道•公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线，如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。公路隧道的纵断面坡度，由隧道通风、排水和施工等因素确定，采用缓坡为宜。隧道的纵坡通常应不小于0.3％，并不大于3％。隧道如从两个洞口对头掘进，为便于施工排水，可采用人字坡。单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。•隧道净空断面的形状，即是衬砌的内轮廓形状。确定的形状应使衬砌受力合理、围岩稳定。衬砌的形状可采用圆拱直墙。圆形断面利于承压和盾构施工。在浅埋、深埋公路隧道采用矩形或近椭圆形断面。公路隧道的各种主要断面形状如下图所示。北京八达岭公路隧道•隧道通风方式的种类很多，按送风形态、空气流动状态、送风原理等划分如下：1）自然通风2）机械通风纵向式：射流式、风道式和喷嘴式、竖井式3）半横向式4）横向式5）混合式•自然通风这种通风方式不设置专门的通风设备，是利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，达到通风目的。但在双向交通的隧道，交通风力有相互抵消的情形，适用的隧道长度受到限制。由于交通风的作用较自然风大，因此单向交通隧道，即使隧道相当长，也有足够的通风能力。射流式纵向通风竖井纵向通风横向式通风半横向式通风混合式通风根据隧道的具体条件和特殊需要，由竖井与上述各种通风方式组合成为最合理的通风系统。例如，有纵向式和半横向式的组合，以及横向式与半横向式的组合等各种方式。•隧道照明与一般部位的道路照明不同，其显著特点是昼间需要照明。防止司机视觉信息不足引发交通事故。应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能认清行车方向，正常驾驶。隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。•入口照明是指司机从适应野外的高照度到适应隧道内明亮度，所必须保证视觉的照明。它由临界部、变动部和缓和部的三个部分的照明组成。铁路隧道•地铁的区间隧道是连接相邻车站之间的建筑物。它在地铁线路的长度与工程量方面均占有较大比重。区间隧道衬砌结构内应具有足够空间，以供车辆通行和铺设轨道、供电线路、通讯和信号、电缆和消防、排水与照明装置。地铁隧道结构浅埋区间隧道多采用明挖施工，常用钢筋混凝土矩形框架结构。下图显示的是浅埋明挖施工的区间隧道结构型式。a单跨矩形b双跨矩形c单层双跨d单拱形•深埋区间隧道深埋隧道多采取暗挖施工，用圆形盾构开挖和钢筋混凝土管片支护。结构上覆土的深度要求应不小于盾构直径。从技术和经济观点分析，暗挖施工时，建造两个单线隧道比建造将双线放在一个大断面的隧道里的作法合理，因为单线隧道断面利用率高，且便于施工。莫斯科早期地下铁道适应备战要求采用深埋形式，有的路段深达40～50m。伦敦地铁有的建在30m深左右的粘土层中，利用其不渗水的特点方便施工。•站台是地铁车站的最主要部分，是分散上下车人流、供乘客乘降的场地。铁路隧道施工•地下铁道沿城市主要街道布置，在市区或市郊修建。因此，施工方案的选取应充分考虑地铁对城市交通、建筑物拆迁以及对地面上下管线的影响，从技术、经济等方面加以权衡比较。地下铁道的修建方法很多，概括起来有两大施工方式，即明挖法和暗挖法。明挖法•明挖法也称作基坑法,是一种用垂直开挖方式修建隧道的方法（对应于水平方向掘进隧道而言）,指从地面向下开挖，并在欲建地下铁道结构的位置进行结构的修建，然后在结构上部回填土及恢复路面的施工方法。或者从地面向下开挖，用大号型钢架于两侧钢桩或连续墙上，以维持原来路面的交通运行。后一种基坑法也称为路面覆盖式基坑法或称开壕被覆法（CutandCover），我国称为盖板法明挖法施工暗挖法•暗挖法有时也称为矿山法，尤其是指在坚硬的岩石层中采用的矿山巷道掘砌技术的开凿方式。但地铁施工多在浅部的松软土层中进行，此暗挖法主要指：（1）盾构法（2）注浆法（3）沉管法（4）顶管法隧道出口施工隧道内路面施工京广铁路大瑶山隧道施工青藏线锡铁山分水岭隧道秦岭隧道水底和海底隧道•水底隧道与桥梁工程相比，具有隐蔽性好，可保证平时与战时的畅通，抗自然灾害能力强，并对水面航行无任何妨碍的优点，但其造价较高。水底隧道可以作为铁路、公路、地下铁道、航运、行人隧道，也可作为管道输送给排水隧道。•17世纪起，欧洲修建了许多运河隧道，其中法国魁达克运河隧道长157km。1927年美国纽约于哈德逊河底建成霍兰（Holland）隧道，次年又建成世界上第一条沉管法水底隧道博赛（Bosey）隧道。•目前世界上最长的铁路隧道是在海底穿越津轻海峡的日本青函隧道，全长58.85km。•我国自20世纪60年代开始研究用盾构法修建黄浦江水底隧道。上海第一条越江隧道――打浦路隧道于1965年开始施工，并于1981年建成通车。第一座沉管隧道也于70年代初期在上海建成。1982年台湾高雄建成一条沉管水底公路隧道。•水底隧道的埋置深度水底隧道的埋置深度是指隧道在河床下的岩土的覆盖厚度。埋深的大小，关系到隧道长短、工程造价和工期的确定。尤其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的安全问题。设计水底隧道的埋置深度需考虑以下几个主要因素：1、地质及水文地质条件2、施工方法要求3、抗浮稳定的需要4、防护要求•水底隧道主要断面形式，圆形、方形、拱形。•隧道防水水底隧道的主要部分处于河、海床下的岩土层中。常年在地下水位以下，承受着自水面开始至隧道埋深的全水头压力。因此水底隧道自施工到运营均有一个防水问题。防水的主要措施有：防水混凝土、壁后回填、围浆注岩、双层衬体玄武湖隧道厦门跨海半桥半隧道方案海底观光隧道辛普朗隧道：世界最长的山岭铁路隧道。从瑞士通往意大利的铁路线穿越阿尔卑斯山底部的两座单线铁路隧道。其长度分别为19803米（一号）和19323米（二号）。辛普朗一号隧道建于1898－1906年，二号隧道建于1912－1922年。两条隧道的中线相距20米左右。青函海底隧道：日本穿越津轻海峡连接本州（青森）与北海道（函馆）的海底铁路隧道。全长53.85公里，是世界上最长的隧道。1964年5月动工，1985年3月正洞凿通。隧道的海底部分长23.3公里，本州端陆上部分13.55公里，北海道端陆上部分长17公里。宽度为36.8km，隧道长度约为51km罗沃运河隧道：当代世界上最大的运河隧道。位于法国马赛至罗讷水路干线上，1920年修建，长7公里多，水深4米，可供排水量达1000吨的内河航船双向通行。城市外围快速干道的建设(沉管式隧道)地下工程•在地面以下土层或岩体中修建各种类型的地下建筑物或结构的工程，可称为地下工程。它包括交通运输方面的地下铁道、公路隧道、地下停车场、过街或穿越障碍的各种地下通道等；军事方面和野战工事、地下指挥所、通讯枢纽、掩蔽所、军火库等；工业与民用方面的各种地下车间、电站、各种储存库房、商店、人防与市政地下工程，以及文化、体育、娱乐与生活等方面的联合建筑体等等。地下电站•地下水电站可以划分为两种主要类型，即利用江河水源的地下水力发电站和循环使用地下水的抽水蓄能水电站。地下水电站可以充分利用地形、地势、尤其在山谷狭窄地带，在地下建站、布置发电机组，十分经济有效。电站建于地下，可获得更大水力压头，并且在枯水季节，水位较低时也能发电。一般水电站的压力隧道，选建于坚硬、完整的岩石中，可简化衬砌结构。地下水电站，在我国的东北和西南地区建设较多。地下抽水蓄能站•有时也称地下扬水水电站。这种水电站通常设于千米左右的地下深处，具有地上、地下两个水库。供电时，水由地上水库、经水轮发电机发电后流入地下水库；供电低峰时，用多余的电力反过来将地下水库的水抽回原地面水库，以便循环使用。深部电站和地下蓄水水库的建设，施工比较困难，而且造价高。但是由于蓄能电站在电力负荷高峰时供电，低峰时抽水，对