土木工程概论 10 隧道工程及地下工程

土木工程概论第十章隧道工程及地下工程简述当今世界，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。

一期工程自北京站至苹果园，24.17km，明挖法施工。

二期工程为环线，于老城墙下修建，16.1km，浅埋明挖法施工。

复兴门地铁车站及折返线，位于建筑物与地下管线密集的街区，采用了浅埋明挖法施工。

60年代上海修建打浦路水底公路隧道。

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，全长2,261m，采用直径11.3m的超大型网格水力机械盾构掘进机施工。

自1984年开工，1989年5月竣工通车，建成了当时世界第三条盾构法施工的长大隧道。

同一时期，上海还建成电缆隧道及其它市政公用隧道等20余条，总长达30余km。

1985年至1987年，上海建成黄浦江上游引水隧道一期工程，日引用量达230万t，社会效益十分显著。

人民广场地下车库的建成，其平面尺寸达176×146m，深11m。

广州地铁、南京地铁等在此一时期进入设计与施工准备阶段，宁波开始了水底公路隧道的修建工作。

90年代以来，我国城市地下的交通与市政设施加快了修建速度。

上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通。

我国地下空间开发利用的网络体系已开始建设，多在地表至－30m以内的浅层修筑地下工程。

可以预见随着经济的发展，我国地下工程将进入蓬勃发展的时期。

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，我国大瑶山铁路隧道，长14,295m，历时6年建成；日本青函隧道，长53,850m，从规划到建成，历时半个世纪；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；日韩隧道，长250km，采用分段施工方案，其调查斜井已于1986年底动工。

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。

地下电站的建设是个十分庞大的地下工程。

原苏联的罗戈水电站，土石方量510万立方米，混凝土用量160万立方米，开凿的隧道、硐室294个，总长度达62km。

世界各国修建了大量的地下贮藏室，其建造技术得到不断革新。

目前城市地下空间的开发利用，已经成为城市建设的一项重要内容。

一些工业发达国家，逐渐将地下商业街、地下停车场、地下铁道及地下管线等结为一体，成为多功能的地下综合体。

第一节隧道工程公路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。

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。

近代隧道技术有了更大的发展，因此能更准确、更快、更经济地进行，不仅能像从前那样的穿凿岩石或坚硬地层，而且还普遍推广了在软弱地层及水下修筑隧道的方法。

这些技术都由于适应社会发展需要大量而多样化的隧道这一要求而得到发展的。

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。

隧道除按上述用途分类外，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。

此外，过去视为特殊施工方法的盾构法或沉管法，今天已经普及，因此也可以将这些方法包括在内，而按施工方式、方法进行详细的分类。

世界各国对隧道的需要是随着社会经济的发展而增长的。

对于铁路和公路来说，为了扩充更长距离的高速交通，需要修筑更多的山岭隧道。

另外，在近年来高度发展的高密度的大城市中，为了容纳地下高速铁路和公路、大容量的上下水道和多层利用地下空间的各项城市设施，也有必要兴建大量多种用途的隧道。

根据上述OECD隧道会议的调查，可预测出未来需要量将为过去同期的两倍，特别是运输设施和公共事业这两部门的需要更为多些，而且在城市中有关特殊用途的各种地下空间的利用方面，增加将更为显著。

隧道工程要在地下挖掘所需要的空间，并修建能长期经受外部压力的衬砌结构。

工程进行时由于承受周围岩土或土砂等重力而产生的压力，不但要防止可能发生的崩坍，有时还要避免由于地下水涌出等所产生的不良影响。

因此，为了适应多种多样的条件，隧道技术也是复杂而多方面的，并且随着技术的发展，范围正在日益扩大。

隧道技术与地质学和水文学、岩土学和土力学、应用力学和材料力学等有关理工科各部门有着密切的联系。

它同时应用测量、施工机械、炸药、照明、通风、通讯等各类工程学科，并由于对金属、水泥、混凝土、压注药剂之类化学制品等的有效利用，而使其与广泛的领域保持着关联。

因此，有关隧道技术的基础理论和实际应用，不但涉及到土木工程等有关学科，而且也联系到其他工科、理科的范围，由此可以预见成立隧道工程学的发展前途。

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）。

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。

该隧道长约1km，断面为 3.6m×4.5m，施工期间将幼发拉底河水流改道，用明挖法建造。

该隧道是一种砖砌建筑物。

1895-1906年修建的穿越阿尔卑斯山铁道隧道长19.23km。

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。

浅埋隧道一般用明挖法施工，而埋置较深的隧道则多采用暗挖法施工。

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。

隧道施工直到19世纪才开始采用钻爆作业。

经过一个世纪的革新，发展成今日的大型机械作业。

公路隧道线路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。

隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间称为隧道净空。

隧道净空包括公路的建筑限界，通风及其它需要的断面积。

建筑限界是指隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界。

公路隧道的建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度，以及车道、人行道的净高。

公路隧道的横断面净空，除了包括建筑限界之外，还包括通过管道、照明、防灾、监控、运行管理等附属设备所需要的空间，以及富裕量和施工允许误差等。

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。

通风汽车排出的废气含有多种有害物质，如一氧化碳CO、氮氧化合物NOx、碳氢化合物HC，亚硫酸气体S和烟雾粉尘，造成隧道内空气的污染。

一氧化碳浓度很大时，人体产生中毒症状，危及生命。

烟雾会恶化视野，降低了车辆安全行驶的视距。

公路隧道空气污染造成危害的主要原因是一氧化碳，用通风的方法从洞外引进新鲜空气冲淡一氧化碳的浓度至卫生标准，即可使其它因素处于安全浓度。

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：一. 自然通风二. 机械通风1.纵向式：1)射流式；2)风道式和喷嘴式；3)竖井式。

2.半横向式3.横向式4.混合式射流式纵向通风竖井纵向通风机械通风射流式纵向通风纵向式通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，由另一洞口排出污染空气的方式。

射流式纵向通风是将射流式风机设置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气，并以30m/s左右的速度喷射吹出，用以升压，使空气加速，达到通风的目的。

射流式通风经济，设备费少，但噪声较大。

机械通风所需动力与隧道长度的立方成正比，因此在长隧道中，常常设置竖井进行分段通风。

竖井用于排气，有烟囱作用，效果良好。

对向交通的隧道，因新风是从两侧洞口进入，竖井宜设于中间。

单向交通时，由于新风主要自入口一侧进入，竖井应靠近出口侧设置。

横向式通风横向式通风的特点是风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向的分布均匀。

该通风方式有利于防止火灾蔓延和处理烟雾。

但需设置送风道和排风道，增加建设费用和运营费用。

半横向式通风半横向式通风的特点是新鲜空气经送风道直接吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释排气，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。

半横向式通风，因仅设置排风道，所以较为经济。

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。