4.隧道工程

4.1隧道的基本概念及發(fā)展簡況

4.2隧道工程特點

4.3隧道結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造

4.4隧道施工方法

4.5隧道類型簡介4.1隧道工程的基本概念及其發(fā)展簡況

隧道是建筑在巖體、水底或土體的，兩端有出口的，供車輛、行人、水流及管線等通過的通道，包括交通運輸方面的鐵道、道路、水（海）底隧道和各種水工隧洞等。

世上第一條交通隧道是公元前2180～2160年在巴比倫城中幼發(fā)拉底河下修建的人行通道。我國在公元前8世紀～前3世紀就有深達40m以上的銅礦礦井（豎井和斜井）。春秋時代（公元前770～前476）就有“隧而相見”的史實。今陜西大荔縣鐵鐮山還發(fā)現(xiàn)古代修筑的水底隧道。19世紀20年代蒸氣機的出現(xiàn)，以及鐵路和煉鋼工業(yè)的發(fā)展，也促進了隧道工程的發(fā)展，1826～1830年英國在利物浦硬巖中修建了兩座最早的鐵路隧道。1843年在英國泰晤士河修建了第一條水底道路隧道。直到20世紀50年代，人們才總結(jié)出各種類型隧道工程規(guī)劃、設計和施工的基本原理，在土木工程中逐漸形成一個獨立的工程領(lǐng)域。4.2隧道工程特點

（1）它是交通運輸路線穿越天然障礙，包括山嶺、丘陵、土層、水（海）域等的有效方法；（2）穿越的地質(zhì)條件復雜多變，遇到意外情況較多，工程定位、設計、施工方法都必須隨時做相應的調(diào)整；（3）施工作業(yè)面窄，可能容納的勞動力和機械設備都受到限制，對工業(yè)化、機械化施工要求高；（4）造價昂貴。4.3隧道結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造

隧道結(jié)構(gòu)的基本組成，如圖4.1所示。圖4.1隧道結(jié)構(gòu)示意圖

圖中表示出了隧道結(jié)構(gòu)的三大基本組成部分：（1）洞門結(jié)構(gòu)：端墻、翼墻（2）洞身支護結(jié)構(gòu)：襯砌（3）排水系統(tǒng)：各種排水溝及排水設施隧道的主體支護結(jié)構(gòu)是洞身襯砌和洞門，附屬建筑物有排水溝、通風設施、照明設施、電力設施等等。本節(jié)簡要介紹土體或巖體中隧道的襯砌和洞門。

4.3.1洞門

洞門的作用是減少洞口土石方開挖量、降低仰坡開挖高度，承受山體推力并支撐邊仰坡的穩(wěn)定，確保洞口行車安全。常見洞口類型有以下幾種，如圖4.2所示。a.端墻式洞口適用于地質(zhì)條件較好的洞口地段。b.翼墻式洞口適用于地質(zhì)條件較差的洞口地段。c.柱式洞口適用于地質(zhì)條件較差，且不便于設置翼墻的洞口地段。d.臺階式洞口適用于地形等高線與線路中線斜交的洞口地段。e.明洞口適用于明挖隧道的洞口地段。圖4.2洞門基本類型4.3.2洞身襯砌

隧道開挖后為了保持圍巖的穩(wěn)定性，一般需進行支護，也就是進行襯砌。襯砌的基本類型如圖4.3所示。圖4.3襯砌結(jié)構(gòu)類型（1）整體式模筑砼襯砌即就地灌注模筑砼襯砌，其工藝流程為立模－灌注－養(yǎng)生－拆模。一般情況下襯砌材料為素混凝土，當圍巖條件很差時，可考慮用鋼筋混凝土襯砌。其特點是襯砌整體性好，抗?jié)B性強，易于按需要成型。

（2）拼裝式襯砌將襯砌分成若干個環(huán)塊，在預制廠或工地生產(chǎn)，然后運到洞內(nèi)拼裝而成。環(huán)塊一般為鋼筋混凝土。其特點是襯砌承載塊、便于機械化施工。（3）錨噴襯砌

模筑混凝土襯砌和拼裝式襯砌均為被動地承受圍巖壓力的支護結(jié)構(gòu)，而錨噴襯砌則是一種主動地加強圍巖穩(wěn)定性的支護結(jié)構(gòu)，它采用的支護材料是噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)，其特點是可以提供圍巖的自承能力。

（4）復合式襯砌采用兩層襯砌組合而成，其靠近巖壁一側(cè)的是錨噴襯砌，洞內(nèi)一側(cè)的是模筑襯砌，在地下水發(fā)育的底層中，可以在兩層襯砌之間夾一層防水層用于放水。其特點是既有模筑襯砌表面光滑、美觀、抗?jié)B性強的特點，又有錨噴襯砌能提高圍巖自承能力的特點，而且有防水效果好的優(yōu)點。

（5）明洞襯砌不同類型的隧道，其結(jié)構(gòu)是不同的，如鐵路隧道和公路隧道斷面多為馬蹄形，水工隧道多為圓形。4.4隧道施工方法

在確定施工方法時，應強調(diào)安全第一，同時要考慮其它有關(guān)因素，正確選擇施工方法的前提是：

（1）要盡量做到在開挖過程中不發(fā)生塌方以確保施工安全；（2）必須滿足施工期限的要求；（3）要盡量減少施工投資。

現(xiàn)有的施工方法有：⑴明挖法或圍堤明挖法（敞口開挖基坑，修建隧道后覆填）；⑵鉆眼爆破法（適用于硬巖中開挖隧道）；⑶盾構(gòu)法（采用一個與隧道環(huán)同樣形狀的鋼制圓筒即盾殼，以周邊設置的千斤頂推向前方，工人在盾殼前工作室里挖土，形成可將隧道環(huán)推進的方向）；⑷頂管法（將預制隧道環(huán)用頂進設備頂入已挖去土層的空間，構(gòu)成隧道的一節(jié)）；⑸沉管法（制作隧道管段，拖運至設計位置，在管內(nèi)加載使之下沉在預先挖就的水底溝槽內(nèi)，多用于水底隧道）等。

下面簡要介紹常用的施工方法。

4.4.1鉆眼爆破法，又稱“鉆爆法”

根據(jù)圍巖的好壞和施工機具的配備情況可以采用不同的開挖方式，具體的有如下幾種：（1）全斷面法開挖斷面大，洞室輪廓一次成形，掘進速度快。要求地質(zhì)條件好并配備有大型施工機具，見圖4.4。Ⅰ-開挖Ⅱ-襯砌邊墻Ⅲ-襯砌拱圈圖4.4全斷面開挖法

（2）臺階法

將斷面分成上下兩層，留下一個臺階，臺階段長度根據(jù)地質(zhì)條件而定，地質(zhì)條件好，則臺階長。留下的臺階效果是可以盡快對圍巖進行支護，提高了圍巖的穩(wěn)定性。該法對地質(zhì)條件的適用性很廣，見圖4.5。

1、2-開挖Ⅲ-襯砌邊墻Ⅳ-襯砌拱圈圖4.5臺階法（3）分步開挖法

將斷面分成上下左右若干個斷面，逐步開挖，更進一步增加了洞室的穩(wěn)定性，適用于軟弱地層施工。如圖4.6所示。1、2、3、5、6-開挖Ⅳ-襯砌拱圈Ⅶ-襯砌邊墻圖4.6分步開挖法

4.4.2盾構(gòu)法

盾構(gòu)是一種鋼支護結(jié)構(gòu)，也有半圓形、矩形、馬蹄形等非圓形盾構(gòu)。盾構(gòu)利用鋼殼體支撐圍巖，掘進和襯砌均在殼體保護下進行。適用于軟弱、含水層，如上海黃浦江隧道、英、法海底隧道都是采用盾構(gòu)施工的。根據(jù)盾構(gòu)本身是否配備掘進機械，可分為：（1）人工開挖式盾構(gòu)在盾構(gòu)的保護下，用人工進行掘進。（2）機械式盾構(gòu)

在盾構(gòu)前方裝有開挖和裝碴機械，掘進由機械進行，效率高、大大節(jié)省了人力。如廣州地鐵一號線從公園前至黃沙區(qū)間就是采用兩臺機械盾構(gòu)施工的，見圖4.7、4.8。盾構(gòu)施工的隧道一般采用拼裝式襯砌。圖4.7盾構(gòu)示意圖圖中，A-前檐；B-盾構(gòu)上部長度；C-切口環(huán)長；D-支承環(huán)長；E-盾尾長；F-開挖面千斤頂；K-盾構(gòu)千斤頂；L-平臺千斤頂；R-盾尾千斤頂；S-盾構(gòu)外徑；G-盾構(gòu)垂直隔板；H-盾構(gòu)水平隔板；O-盾構(gòu)下部長。圖4.8盾構(gòu)施工示意圖4.5隧道類型簡介

隧道按功能分類，有：（1）交通隧道：山嶺隧道、水底隧道與地鐵隧道。（2）水工隧道：與水底隧道概念不同，不用于交通，而是用來發(fā)電、供水或農(nóng)田灌溉的隧道，像黃河小浪底的導流隧道等。按功能分類有：引水隧道、尾水隧道、泄洪隧道和排沙隧道等。（3）礦山巷道：礦山的各種平巷、豎井、斜井。（4）市政隧道：給排水管道、電力管線、煤氣管道等。

下面展開介紹交通隧道。

4.5.1山嶺隧道

（1）鐵路隧道

我國現(xiàn)在(2003年)有鐵路隧道６８７６座，總長度為３６７０公里，為世界第一。

2002年10月建成的青藏鐵路風火山隧道位于青藏高原可可西里“無人區(qū)”邊緣，全長１３３８米，軌面標高４９０５米，是目前世界上海拔最高的高原凍土隧道。該隧道地質(zhì)構(gòu)造特殊，集含土冰層、飽冰凍土、富冰凍土、薄冰凍土、砂巖、泥巖及互層于一體，其中含土冰層帶的土質(zhì)含量僅為１５％至２０％，這樣的構(gòu)造極易因為凍土在開挖時融化成泥漿水而導致隧道坍塌。風火山因此被世界隧道專家稱為“隧道禁區(qū)”。隧道分類特長隧道長隧道中隧道短隧道隧道長度L(km)L＞1010≥L＞33≥L＞0.5L≤0.5鐵路依隧道還按長古度分拌為四虎類，疏一般吳規(guī)定頁如表4.徹1。表4外.1友鐵摔路隧矛道按擇長度姨分類注：溪隧道境長度貫系指染進出偽口洞炕門端勇墻墻持面之非間的緞距離支，即惹兩端淚墻墻款面與沾路面探的交艙線同路線益中線粱交點筐間的冒距離需。15劣km臺以上起的鐵牢路隧進道反表4蒸.2（2白）公吳路隧煎道我國稈公路臺隧道柏總數(shù)松(20難03年)所已達旬１７貍８２何座，殼總長摸度７０福４公子里，雄分別勾是改將革開從放之澆初的返４．毀７倍業(yè)和１做３．末５倍帆，是聞世界戶上公叫路隧船道最尾多的陽國家。１０鳳年內(nèi)坦，我謠國將仰再建膝設總耕長１奏５５雅公里穗以上林的公但路隧洞道。正建崗設的紡終南躺山隧籠道全附長１燃８.供４公風里，送長度既居亞龜洲第堂一，俯世界渡第二潑；湖待南雪茄峰山遷隧道暈長７宜公里礦多；股西安賽漢中曉高速利公路悟上穿儲越秦雕嶺的錘三座領(lǐng)特長韻隧道產(chǎn)群總芳長３么４公鹿里，天全線補隧道筋總長誰１０度０公馳里。近１稀０年斯來，正我國虧已修碗建了港不少錯長隧初道、惱特長嗚隧道樣以及艱隧道救群。荷其中手，主雨要有史：１盤９９餅５年虹建成竟的成碼渝高清速公爭路上陵的中菊梁山長隧道少，長勞３公竟里多療，解份決了面我國象長大放公路徒隧道柏的通泛風問搜題；皮１９溝９９再年通狡車的多四川毛省川眉藏公聾路上搖二郎恒山隧剃道，載長４形公里割多，襖是連傾接西豎藏與止內(nèi)地腰的重擇點工壯程賞等。公路傲隧道罪按長艷度分主為四牢類，朽一般稍規(guī)定寄如表寶4.啄2。表4酷.2頭公澡路隧表道按步長度田分類隧道分類特長隧道長隧道中隧道短隧道隧道長度L(m)L＞30003000≥L≥10001000＞L＞250L≤250注：狐隧道四長度世系指斜進出柳口洞蔑門端差墻墻稻面之皺間的期距離友，即惡兩端只墻墻段面與唉路面穴的交舍線同渡路線中線蜘交點干間的指距離。下面哥有一論些公硬路隧訂道的認圖片，見豈圖4但.9陽、4界.1族0、帳4.狐11蕩、4基.1慶2等壇以及份附圖俗中的司隧道遣，采陪用了賀不同逐的洞蝦口形羊式。圖4希.9棗岵岫作嶺隧升道工牙程（雙曠連拱闊整體蛾式隧朗道嗽）圖4受.1振0湖南核雪峰問山隧槳道（隧嬌道長申度7驗公里井，為疑我國委最長濃的公扭路隧登道）圖4辟.1澡1具竹孫子寮葉隧道圖4領(lǐng).1士2秩蓮花項山隧喊道附圖淘1梳南京博中山陸門隧乓道(歷架史文寶物保狐護與現(xiàn)現(xiàn)代呢工程淘建設威相結(jié)綢合的燥典范)附圖識2載虎背排山隧炒道(廣綁深高慌速公街路虎詳背山渡隧道馳洞內(nèi)衡照明息與洞澤外遮蟻光設減計)附圖黃3柿柚艘樹下夢隧道4.升5.電2憑水趙底隧呢道至今近（20慌03年）告，全左球的畏水底撐隧道貪有百仰余座卡，包府括我償國已配經(jīng)建戀成的吹廣東很珠江及、寧志波甬驕江、星上?？埸S埔律江等8座藏水底醫(yī)隧道悠。計疲劃中舟的京債滬高蠢速鐵許路將的考慮嗎修建宜南京咱越江擦隧道汪，長右6.病18荒km達。武燦漢和捉上海傷崇明插島將呆建設雀大型激過江薦通道上工程。20若10年以暮前，圍廈門痰將建伍成一凳個可閣以全核天候多進出逝廈門高島的吐海底耕隧道著。這姨將是天祖國芹大陸狼的第遺一條泡海底揮(暗誰挖)性隧道，并攪將成演為廈師門島面重要拿的第弱三條盾進出菜島通豪道。膽該工郊程總天長度約童9公漢里，其靜中隧可道全廟長59喚00米，煙是一準座兼雪有公且路和庸城市絞道路窄功能漢的隧炕道。搞兩岸隨引道掃將在僻今年（2域00母3年誦）9月期駛間開幣工。用盾焦構(gòu)法苦建造業(yè)的水口底隧房誠道，擱自兩油端至堅洞口燦，一破般為姓槽形竊敞開糞式引藝道段耗。穿迎越水床底的帽暗埋愁段，合斷面兄大多充為圓括形。修冠建的且隧道節(jié)除個專別為疾單車簽道外符，均霜為雙躬車道發(fā)[見信圖4老.1次3(罷b)綁]。在圓暫形隧將道中霉，一嘴般在猴路面右以下田是送襖風道猾；在些吊頂除以上演是排像風道板。送較排風術(shù)道與屠隧道筍兩岸喝的通連風機嫌房連百通，寇多采積用橫壺向通歉風。用沉雨管法郊建造像的水街底隧統(tǒng)道，悲除兩觀端引宋道段低與前衫述相臉同外捕，穿肉越水朵底的拐沉管礎有時脅是由出幾個傅通道亡組成逼的矩密形管棟段，跪包括執(zhí)車行料道、槽人行腰或巡辰邏通住道及寫管線航通道記等。描每個怠行車仇通道灰中有逐兩個班以上靈同向榨行駛娛的車慮道。常水底直隧道給較典售型的胸矩形怕管段極橫斷唐面示忍意如做圖4拳.1器3(根a)漏所示丸。據(jù)統(tǒng)茄計，濫全世韻界采書用沉鋼管法秒修建結(jié)的水呢下鐵規(guī)路和要道路娛隧道努已有碼68嚴座，期其中氣道路略隧道嘉46褲座，室鐵路摧隧道燙21敢座，悄道路熔、鐵揉路兩捎用的抗隧道嗓l座內(nèi)。從漢沉管鐘結(jié)構(gòu)偵來看蹤蝶，鋼指結(jié)構(gòu)翠32賴座，成鋼筋未混凝佳土結(jié)霧構(gòu)3裝5座則。鋼絹結(jié)構(gòu)規(guī)以美址國采看用的循最多蚊，歐映洲各骨國則另以鋼酸筋混蘭凝土徹結(jié)構(gòu)娛為主嚇，日否本則掃以鋼嶄為主磁，二臥者兼嘩有。圖4妄.1嶄3隙水寧底隧衰道橫葵斷面（a暢）鐵粘路隧刷道；完（b赴）道洗路隧驅(qū)道19裁93累年建猾成的英法布海峽扔隧道，見從圖4艱.1下4，全長踏4餐8.手5k洽m，海底棄段像37蜘.5劑km全，隧草道最奇大埋懸深1尤00澆m。海桑峽隧克道由慕2條奸外徑前8.壓6m位的鐵起路隧宇道和有1條棄外徑寇5.給6m鋤的服務扭隧道拜組成護。隧始道掘勝進施鬼工共券采用11臺盾條構(gòu)掘性進機絮。英耳法海騾峽隧殊道的餃建成膚，亦是融六英、瘋美、拳法、梨日、暖德等島先進鼓國家環(huán)盾構(gòu)參施工庭技術(shù)畢于一止體的察最高喬成就甩。丹麥呼斯多如貝爾特大響海峽驅(qū)隧道碑是跨丑海工西程的槽一部粒分，喇長7林.9悲km，由車2段條外探徑8海.5茄m的鬧鐵路遙隧道拾組成雖，隧租道最師大埋孫深伙75綿m，崗采用調(diào)4卵臺直霞徑礙8.較78帶m的垃混合竹型土雪壓平語衡盾陵構(gòu)掘磚進機倆施工炎。工程況中曾擔發(fā)生愚涌水賄險情，采用五了海君底井進管降陪水、令凍結(jié)乎、氣辟壓等緞輔助夜施工對法解去決了中困難礦。隧胡道施許工歷楊經(jīng)艱應險，圣為隧載道建舊設史溉提供摟了寶炕貴的真經(jīng)驗。日本棚東京橋灣橫宣斷公令路隧鄭道是能目前腰世界廈上最往長的窯海底逃公路船隧道，長9駁.4巴km，由駁2條渠外徑雜13夏.9蹄m的阻單向移公路爬隧道兔組成口，最哈大埋診深5擁0m微，采跟用8腰臺直尋徑1叔4.扁14鄭m的泥摧水平螺衡盾兆構(gòu)掘哨進機港施工肯。盾砌構(gòu)設朵計采侮用最種先進翼的自勻動掘腦進管款理系澡統(tǒng)、廚自動跡測量串管理陪系統(tǒng)稈和管米片自竹動拼佛裝系敘統(tǒng)，稻8臺幕盾構(gòu)熱在海嚼底實侵現(xiàn)了象對接猴，體刪現(xiàn)了像高新憤技術(shù)摧在隧與道工輪程中頓的應譯用。東京吵灣橫哲斷公穗路隧滔道已蕩在19煤98年建杏成通鼠車，幻玉標志助著盾磚構(gòu)隧串道施五工最眉先進退的技急術(shù)水公平。圖4饑.1惰4英吉襖利海雹峽隧毛道斷驗面示抗意（a華）縱悔斷面抽；（罷b）繁橫斷攝面中國側(cè)與意目大利憤專家科目前故正在警論證社建要比一種叉截然呆不同朱的隧花道，返專家欠們稱魯它為資阿基置米德儉橋，瘋即水食下懸私浮隧項道。阿基備米德拖橋是紙利用職懸浮站隧道股技術(shù)哈，通眨過錨址來固槍定的奸水下奏隧道勾，因濾此不底需要胡大規(guī)塑模的個挖掘粥或基游礎建爬設工椒作。有關(guān)掛專家陳指出境，阿貫基米處德橋士已成鉗為穿仔越海跡峽和醬內(nèi)陸考湖泊捷等永競久性破水道趴設施委的一治個極謀具前涌途的孩概念村，其所兵采用醒的懸連浮隧旋道技頂術(shù)具刷有經(jīng)鐘濟、可環(huán)保做等優(yōu)杰點，嬸因而缺為海金峽及盼湖泊猶之間眨的交暗通設壯施建理設，子提供它了一帆種富化有吸揀引力以與競負爭力役的選毯擇。難據(jù)中嘉意兩攻國有泳關(guān)專雨家介地紹，至阿基如米德纏