6隧道与地下工程

6.1隧道与地下工程概述隧道与地下工程是指从事各种隧道与地下工程的规划、设计、施工和运营养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程专业的一个分支；也可以指岩体或土层中修筑的各类通道和地下构筑物，包括地铁、地下商场等。6.1.1隧道与地下工程简介修建地下工程时，通常在地层内挖出具有一定几何形状的“坑道”，如矩形、圆形等，由于土层开挖后，应力释放，容易变形、坍塌，所以除了在极为稳定的岩层中以外，大多情况下都要在坑道周围进行支护。地下结构工程中的支护结构通常采用衬砌，衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。衬砌的形状和尺寸，应能使结构的受力状态最为合理，既不浪费又能满足要求。衬砌结构。材料为钢筋混凝土或砖、石。分类方式工程类型按使用功能交通工程、市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程等按四周围介质软土地下工程、硬土(岩石)地下工程、海(河、湖)底或悬浮工程等；深埋、中埋、浅埋工程按施工方法浅埋明挖法、盖挖逆作法、矿山法、盾构法、沉管法等按结构形式附建式、单建式、廊道式、棋盘式、单层或多层框架结构按衬砌材料和构造砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、铸铁、钢纤维混凝土、聚合物钢纤维混凝土等。隧道与地下工程有许多分类方法，可以按其使用功能、周围介质、设计施工方法、建筑材料和断面构造形式分类，也有按其重要程度、防护等级、抗震等级分，其具体分类见表6.1。表6.1隧道与地下工程分类由于受力特点、结构形式、使用功能的不同，隧道与地下工程的设计和施工不同于地上的建筑结构，其主要工程特点表现在：(1)工程涉及的领域众多，包括建筑工程、市政工程、交通工程、水电工程、国防工程、能源工程等。水电站地下厂房地下人防工程示意(2)建设环境复杂，考虑因素众多。地下建筑由于特殊的建筑方式，往往需经通风、采光、防潮、排水等处理。(3)不可预见因素多，风险高，地质条件、地下水状态等对隧道与地下工程的设计和施工影响较大，事故发生率高。地下工程施工时经常导致地表沉降或者隆起引起地面开裂，引起附近建筑开裂或者倾斜，严重时可导致建筑倒塌。南京地铁二号线地表开裂上海轨道交通4号线地铁事故造成房屋倾斜(4)投资大，建设周期长，工程规模大、造价高。如英吉利海峡隧道(又称英法海底隧道或欧洲隧道)，是一条连接英国英伦三岛与欧洲法国的铁路隧道，于1994年5月6日开通。它由三条长51km的平行隧洞组成，总长度153km，其中海底段的隧洞长度为3×38km。从1986年2月12日法、英两国签订关于隧道连接的坎特布利条约，到1994年5月7日正式通车，历时8年多，耗资约150亿美元。英吉利海峡隧道隧道与地下工程的发展历史与人类的文明史相呼应，大概可以分为古代、近代、现代三个时期。古代时期主要是从人类出现到公元17世纪。这一时期的主要特点是利用天然材料，如岩石、土体、木材等，辅以较原始的手工或简单机械来完成，在技术上多依赖于经验。这一时期的主要工程实例有：中国窑洞、隋朝地下粮仓等。6.1.2隧道与地下工程的发展简史陕西窑洞古代地下建筑：人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居、活动场所和墓室。这个历史时期所谓地下建筑工程多局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。我国的地下储粮已有5000多年历史敦煌、云岗、龙门三大石窟群也是我国古代杰出的地下建筑工程。近代时期是指从17世纪到第二次世界大战前后。在这一时期土、木、石、砖等建筑材料特别是现代建筑材料混凝土、钢材、钢筋混凝土的广泛使用，现代数学、力学的发展和应用，火药的发明和广泛应用以及工业革命的发展促使大量机械的使用，使隧道与地下结构进入大量发展时期。八达岭隧道是中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于京包铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长1091m，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，1907年开工，在中国技术人员和工人的努力下，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道1863年法国人Brunel用其发明并申请专利的最早实用手掘式盾构技术成功开挖了世界上第一条水底盾构隧道，如图所示是当时手掘式盾构法修建隧道的示意图。近代地下建筑从英国1860年修建、1863年运营的第一条地下铁道算起，至今也只有140多年的历史。由于战争频繁、城市人口增加、环境污染日益严重以及能源危机等因素的影响，地下建筑工程在一些国家得到迅速发展。——日本60年代地下工程总量近1亿立方米，70年代为3亿立方米。——法国巴黎地下交通规划为上下两层。——美国已建成4000多座人防指挥所。——瑞典建成埋在地下210m深的地下岩石中的热水库。现代时期主要指第二次世界大战之后到现在。主要特点是工程数量和规模迅速扩大，各种不同结构形式的地下建筑大量涌现，伴随的各种现代化的施工设备、手段、设计理念层出不穷。如图所示的上海长江隧道是连接浦东、长兴岛的交通枢纽工程和重要的地下生命线工程，其南起浦东五好沟，北至崇明长兴岛，共设东线和西线两条隧道，单线全长约8.9km。隧道采用两台直径为15.43的超大型泥水加压盾构施工，其建成后将是世界上直径最大的盾构隧道。地下建筑结构是隧道与地下工程的重要组成部分，其主要作用是承受地层和室内的各种荷载。其结构形式应当根据地层的类别、使用目的和施工技术水平来选择，可以分为拱形结构、梁板(墙)柱式结构、喷锚式支护结构、开敞式结构。6.1.3隧道与地下工程结构形式(1)拱形结构这类结构的截面形式基本为拱形。主要有以下几种形式：①半衬砌结构②厚拱薄墙衬砌③直墙拱顶衬砌④曲墙拱顶衬砌⑤装配式衬砌⑥复合式衬砌装配式衬砌结构复合式衬砌结构(2)梁板（墙）柱式结构在浅埋地下结构中，梁板（墙）柱式结构采用也很普遍，特别是城市地下建筑中。四周支护结构和顶板、底板做成现浇混凝土梁板（墙）式结构，中间结构做成钢筋混凝土框架结构，当空间结构较小时，也可以采用砖砌体隔墙。(3)喷锚式支护结构喷锚式支护是在洞室开挖后及时采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或者锚杆钢筋网喷射混凝土等方式对地层进行加固。由于喷锚支护是一种柔性结构，故能更有效地利用围岩的自承能力维护洞室稳定，其受力性能一般优于整体式衬砌。(4)开敞式结构用明挖法施工修建的地下结构物，需要有和地面连接的通道，它是由浅入深的过渡结构，称为引道。在无法修筑顶盖的情况下，一般都做成开敞式结构。6.2隧道工程隧道是修筑在岩体、土体或水底，两端有出入口，供车辆、行车、水流及管线等通过的通道，包括交通运输方面的铁路、道路、水(海)底隧道和各种水工隧洞等，具有以下特点：(1)是交通运输线路穿越天然障碍，包括山岭、丘陵、土层、水(海)域等的有效方法；(2)所处地质条件复杂多变，遇到意外情况比较多，工程定位、设计、施工方法都必须随时作相应调整；(3)施工作业面窄，可能容纳的劳动力和机械设备都受到限制，对工业化、机械化施工要求高；(4)造价昂贵。从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和岩石隧道；从埋置的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道；从隧道所处的位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。比较常用的还是按照它的用途来分，可以分为交通隧道、市政隧道、水工隧道及矿山隧道等几类。6.2.1交通隧道交通隧道是应用最为广泛的一种隧道，其作用是提供交通运输和人行的通道，以满足交通线路畅通的要求，包括公路隧道、铁路隧道、地下铁道、高速铁路隧道、航运隧道、人行隧道。国家隧道名称隧道长度/km开通年代挪威Laerdal24.512000中国秦岭终南山隧道18.42007瑞士Gotthard16.921980奥地利Arlberg13.971978法国-意大利Fréjus12.92003法国-意大利Mont-blanc11.661965挪威Gudvanga11.431991挪威Flogefonn11.132001日本Kan-etsuI11.011990日本Kan-etsuII10.921986意大利GranSasso(东向)10.171984意大利GranSasso(西向)10.121995法国LeTunnelEst102006世界上10km以上的公路隧道过去，在山区修建公路为节省工程造价，常常选择盘山绕行，宁愿延长距离而避开修建隧道昂贵的费用。随着社会经济和生产的发展，高速公路的大量出现，对道路的修建技术提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等，因此，在道路穿越山区时，出现了大量的隧道方案。隧道的修建在改善公路技术状态，缩短运行距离，提高运输能力，以及减少事故等方面起到重要的作用。我国修建的秦岭终南山隧道长18.02km，它将翻越秦岭的道路缩短约60km，时间减少2个多小时。秦岭终南山隧道我国最长的公路隧道为陕西秦岭终南山公路隧道，长18.4km，单孔双车道。设计工期为67个月，总投资约25亿元人民币秦岭终南山隧道洛达尔隧道位于挪威西部地区的洛达尔和艾于兰之间，全长24.51km。于1995年3月开始动工兴建，2000年11月27日正式通车，整个工程项目共耗资约1亿美元。洛达尔隧道通车后，奥斯陆与卑尔根之间的行车时间将从以往的14个小时缩短至7个小时，车辆在冬季照常通行无阻。洛达尔隧道——世界最长的公路隧道公路隧道需要有较完善的通风、照明、防灾等附属设施，以防止隧道内的事故，特别是汽车火灾事故，而且最好采用上下行分开的带有管理人员用通道的双孔断面。对于长大隧道，必要时应当考虑设置竖井式通风或者人工通风如射流式纵向通风。射流式通风是将射流式风机置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气，以30m/s左右的速度吹出，用以升压，使空气加速流通，达到通风的目的。公路隧道附属设施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。隧道内照明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，亚硫酸气体和烟雾粉尘。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。隧道内通风专供火车运输行驶的隧道。铁路隧道是修建在地下或水下并铺设铁轨供机车车辆通行的建筑物。铁路穿越山岭地区时，需要克服高程障碍，由于铁路限坡平缓，这些山岭地区限于地形而无法绕行，常常不能通过展线获得所需的高程。此时，开挖隧道穿越山岭是一种合理的选择，其作用可以使线路缩短，减小坡度，改善运营条件，提高牵引定数。如宝成线宝鸡至秦岭段线路密集地设的48座隧道，占线路总延长的37.75%。铁路隧道与公路隧道按照长度分类。铁路隧道表6.3铁路隧道与公路隧道按长度分类隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道铁路隧道长度100003000~10000500~3000≤500公路隧道长度30001000~3000250~1000≤250隧道名称所在线路隧道长度/km(预计)建成时间备注新乌鞘岭兰新20.052006双线秦岭西康18.462000复线黑山兰渝15.76在建(2011)木寨岭兰渝19.02在建(2011)西秦岭兰渝28.24在建(2011)哈达铺兰渝22.1在建(2011)石门兰渝23.0在建(2011)秦峪兰渝19.9在建(2011)新关角西格32.64在建(2012)复线高盖山向莆21.05在建(2010)雪峰山向莆17.92在建(2010)戴云山向莆27.79在建(2010)青云山向莆22.16在建(2010)太行山石太客专27.852009吕梁山太中20.752009象山龙厦15.90在建(2010)石羊山大瑞17.59在建(2010)高黎贡山大瑞18.73在建(2010)中国铁路已运营或在建15km以上隧道一览表铁路隧道我国最长铁路隧道—兰新铁路乌鞘岭隧道(全长20.05公里)最高的铁路隧道——青藏铁路风火山隧道，全长1338m，轨面海拔高度4905.4m。中国铁路隧道约有半数以上分布在川、陕、云、贵四省。大瑶山隧道是我国最长的铁路隧道之一,长14.295km.