搜索
第8章隧道与地下工程8.1隧道与地下工程的特点从人类的出现到公元前3000年新石器时代的漫长历史进程中，人类利用隧道来防御自然威胁，故历史学家称这一时期为人类的穴居时代。人们利从利用天然洞穴作栖身之所，逐步学会自己挖掘类似天然洞穴的窑洞来居住，这大概可以看作是隧道与地下工程的原始雏形。当然，那时的隧道与地下工程是用兽骨、石器等工具开挖的，并且是修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中的。从公元前3000年到公元5世纪，世界各国为生活和军事目的修筑了许多地下洞穴，为隧道与地下工程科学的发展作了奠基。公元5世纪到公元14世纪的，各国为了各种各样的需求，开展了大量的地下采矿活动，逐步积累与丰富了隧道与地下工程科学的经验。公元16世纪产业革命以后，炸药的发明和应用加速了隧道与地下工程技术的发展，物理学（主要是力学）、岩土工程科学的发展奠定了隧道与地下工程科学的理论基础，隧道与地下工程技术出现了长足的进步并越来越枝繁叶茂，地下采矿越来越深、各种隧道争奇斗艳，隧道与地下工程也就成为了工程科学百花园中的一员，不断为人类的福祉作出贡献。据资料记载，世界最早的隧道是公元前2200年，巴比伦国王为连结宫殿和神殿而修建的隧道。我国最早的交通隧道是位于陕西汉中的、供马车和行人通行的“石门”隧道（建于公元66年）。我国第一座铁路隧道修建在台湾（基隆到台南铁路线上一座长仅261m的窄轨净空隧道）。1907年我国著名的铁路专家詹天佑在京包线上主持修建了八达岭隧道。目前，世界各国建成了许多深埋长大地下工程，典型的有2010年10月15日14点17分55秒贯通的目前世界最长的铁路隧道---长57km的瑞士圣哥达基础隧道、长53.85km的日本青函海底隧道（Sei-kan隧道）、长50.5km的英~法海底隧道、我国铁路系统的衡广复线大瑶山特长隧道（14.3km）和西康线秦岭特长隧道（18.4km）、我国公路系统的西安安康高速公路秦岭终南山公路特长隧道（18.0km）、我国水利系统的山西万家寨引黄工程南干线7#隧洞（道）（42.926km、直径4.2m）、我国城市交通系统的上海长江隧道（即崇明岛隧道工程，隧道工程全长8955m、是目前世界上最大直径的长距离盾构法隧道，盾构法外径15.0m）、我国的溪洛渡电站枢纽（地下主厂房为2个尺寸为384m×28.4m×77.1m的地下空间，左右岸相同，是世界最大的地下引水发电厂房）。随着隧道与地下工程的发展，各种先进的隧道理论也像雨后春笋般地发展起来，新奥法、盾构法、钻爆法、有限元、……、都在为隧道与地下工程建设提供着有力的技术与理论支撑，隧道与地下工程已成为人们司空见惯的工程建设工作，城市地铁、铁路隧道、公路隧道、……、不断以自己婀娜的身姿向人们展示着自己的魅力。8.1.1隧道与地下工程的基本术语地下工程是指在山体内或地面下修建的建、构筑物，包括地下人防工程、地下商店、地下飞机库、地下舰艇库、地下仓库、地下核电站、地下水电站、地下藏兵洞、地下实验室（比如欧洲核子中心）、各种隧道、等。隧道则是以保持地下空间作为运输孔道的地下工程。由于隧道与其他地下工程在设计、计算方法、施工方法上大同小异，因此，本书只介绍隧道工程。隧道与地下工程中的导坑是指在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道，衬砌则是指在坑道的周围修建的支护结构。衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求、同时也无需无谓的放大，衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，满足既不浪费又能稳固的要求。衬砌通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。衬砌的用料应适合施工和养护的要求，通常采用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、防火、价廉、便于就地取材的材料。洞门是指在隧道与地下工程端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。明洞是指在洞门与洞身间用明挖法修筑的隧道。洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构，作用是保持岩体的稳定和行车安全。另外，为保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物。隧道的附属建筑物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的建筑物，包括为工作人员在隧道进行维修或检查时能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞、为保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡、为引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟、为排除隧道内渗入的地下水并保证列车正常运行而设置的防水设备及排水设备、为净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统、电力及通讯设施、消防设施、等。隧道的主体支护结构和隧道的附属建筑物组成了隧道建筑物。隧道工程的修建过程是首先把施工地区的地质和水文情况勘察清楚。将勘察得到的资料结合工程使用要求，进行结构设计和施工方法的决择。通过施工组织设计的指导，有步骤地进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种量测，不断地、有针对性地修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。最终建成隧道、实现预想的目标。隧道建成交付使用后，还要定期检查，并按检查出的问题或病害，作出养护计划，分轻重缓急予以维修或大修，确保工程建筑物时刻处于良好状态、正常发挥他们的工作效能。8.1.2隧道的种类按隧道所处的地质条件可将隧道分为土质隧道和石质隧道。按隧道所在的位置可将隧道分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。按隧道埋藏的深度可将隧道分为浅埋隧道和深埋隧道。按隧道的用途可将隧道分为交通隧道、水工隧道、市政隧道和矿山隧道。按隧道的长度可将隧道分为短隧道（铁路、公路领域均指长度L不超过500m的隧道）、中长隧道（铁路规定为500m＜L≤3000m，公路规定为500m＜L＜1000m）、长隧道（铁路规定为3000m＜L≤10000m，公路规定为1000m≤L≤3000m）、和特长隧道（铁路规定为L＞10000m，公路规定为L＞3000m）。国际隧道协会（ITA）则以隧道横断面积的大小作为划分标准将隧道分为极小断面隧道（2～3m2）、小断面隧道（3～10m2）、中等断面隧道（10～50m2）、大断面隧道（50～100m2）和特大断面隧道（大于100m2）。8.1.2.1交通隧道交通隧道作用是为满足交通线路畅通要求，提供交通运输和人行的地下通道，一般包括铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行地道、等。8.1.2.2水工隧道（水工隧洞）水工隧道（也称隧洞）是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧洞分引水隧洞、排水隧洞、导流隧洞或泄洪隧洞、排沙隧洞、等。8.1.2.3市政隧道市政隧道是城市中安置市政设施的地下孔道，市政隧道中布置有给水管道、排水管道（或渠道）、各种管线（煤气、暖气、热水、电力电缆、通讯电缆、等）、人行廊道、等。8.1.2.4人防隧道人防隧道是为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。人防隧道内除应设有排水、通风、照明和通讯设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此外在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。同时，要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。8.1.2.5矿山隧道矿山开采中，常设一些为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。包括运输巷道、通风隧道、等。8.2隧道勘测与方案设计8.2.1隧道勘测隧道勘测的基本要求是勘测计划周详、勘测资料完备、勘测阶段划分合理（一般采用两阶段划分），通过勘测评估隧道工程对环境可能造成的影响。隧道工程调查的内容包括自然概况、工程地质特征、水文地质特征、不良地质地段、地震基本烈度等级、气象资料、施工条件、等。通过调查取得的资料，能准确判明隧道通过地段的地形、地质条件、自然条件和施工条件等。隧道工程调查资料是隧道设计和施工必备的基础资料，其内容及其深细度可根据各阶段的勘测设计要求和隧道规模确定，使其能满足各阶段的设计和施工需要，最后应形成系统完整的资料。隧道工程测绘的内容包括按设计阶段要求搜集或测绘的地形图、纵断面图、横断面图；在隧道洞口和辅助坑道口的附近按规定设置的必要的平面控制点和水准点。测绘资料的图纸和内容需反映隧道所在地的工程地质及水文地质情况并应满足规定的精度要求。地质调查包括长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道的调查、设计阶段的地质调查、施工阶段的地质调查、等。8.2.2隧道位置的选择方法隧道的位置选择方法有很多种，主要有按地质条件选择和按地形条件选择2大类。8.2.2.1线路绕避障碍的方法当线路前进方向遇到地形障碍时，采用隧道来克服地形障碍是一种有利的手段。地形障碍有高程障碍和平面障碍两方面。8.2.2.2按地质条件选择隧道位置隧道是埋置在地层内的结构物，受地层岩体的包围。如何避开不良地质区域，或是如何拟定克服不良地质的措施，是选择隧道位置时必须审慎考虑的问题。8.2.3隧道方案与其它方案的比较8.2.3.1隧道方案与明堑的比较（1）、经济和技术上的比较一般说来，隧道造价比明堑要贵一些，施工技术也复杂一些，因此，除展线和抬坡以外，单纯从经济和技术上比较，明堑方案常常是比较省钱、省事、又快速的。（2）、安全条件比较经验表明“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。也就是说，山体本来是处于暂时平衡状态的，一旦开挖出暴露面，使平衡受到破坏，就要自行内力调整，产生位移，于是出现了坍方。开挖得越深，扰动越大，引起塌方的可能性也就越高。特别是沿河路线，地质条件复杂，开挖暴露面大了，这种情况就更为严重。因此，凡是大挖的地方，往往最容易发生坍方，造成各种后患，遗害无穷。8.2.3.2隧道方案与跨河建桥方案的比较跨河建桥方案的特点可概括为以下6个方面：（1）、一般情况是桥梁长度短而每延米的造价高；（2）、一般跨过河谷的桥梁，河心不宜设墩，所以中孔跨度较大，两端基础必须十分坚实；（3）、在洪水或严寒时期，施工就比较困难，因而施工有季节性；（4）、跨河桥的最大缺点是桥头两端必然是曲线，甚至曲线半径很小。这就使得线路的行车条件变坏；（5）、如果线路原本要抬坡争取高程的，转为桥梁后，桥身及两端引线都要放在平坡上，于是就达不到争取高程的目的；（6）、从国防意义上讲，跨河建桥往往是空袭的明显目标，一旦受到破坏，全线就要中断，而且不能做临时便线。隧道方案的特点可概括为以下7个方面：（1）、隧道相对较长而每延米的造价要低一些；（2）、隧道穿山而过，线路直、短、平；（3）、施工不受季节影响；（4）、隧道建成后维修养护的工作量较小；（5）、战时可作列车掩蔽所；（6）、线路前方遇到不良地质地段，修建隧道将增加困难；（7）、隧道太长，工程太大，出碴太多，将会堵塞河道，施工场地不如桥梁开阔，不能容纳更多的人同时施工，那就不如建桥了。8.2.3.3双线单隧道和单线两隧道的比较双线隧道的特点可概括为以下8个方面，即：1）一座双线隧道所需的地位宽度比两座单线隧道的地位宽度要小，选线时易于安排布置；2）一座双线隧道的开挖面面积比两座单线隧道的开挖总面积为小。也就是工程量要小，而施工的相互干扰也少些；3）双线隧道的净空较大，坑道宽敞，有条件使用大型机械施工；4）双线隧道的通风条件好，维修养护都较方便；5）双线隧道断面跨度大，所受围岩压力也就大。因此需要更为有力的支护结构；6）隧道施工时，因为压力大，临时支护困难，发生坍方事故的威胁较大；7）双线隧道的一次工程投资比两座单线隧道先后修建的初期投资大；8）双线隧道断面积大，不能充分利用列车活塞风。单线隧道的特点可概括为以下5个方面，即：1）断面小，压力小，坑道的稳定性好，施工容易，支护简单而且安全；2）对于近期尚不准备修第二线的新建隧道来说，可以先修第一线的单线隧道，预留第二线，待需要时才修。如此则初期一次投资较少；3）若第一线隧道施工时采用了平行导坑，则平导即可作为第二线隧道的前进导坑；4）两座单线隧道必须横向相隔一定的安全距离，才能保证两隧道间的围岩土柱有足够的支承能力，以避免在修筑第二线隧道的施工中，对第一线隧道有影响；5）两座单线隧道无论是同时施工还是先后施工，施工时总会有些相互干扰。尤其是在修第二线隧道时，多半是在已成第一线不间断行车的条件下进行的，这就增加了施工的困难。根据实践经验，在松软地层、不良地质或黄土地区修建隧道时，跨