隧道工程

4.隧道工程4.1隧道的基本概念及发展简况4.2隧道工程特点4.3隧道结构基本构造4.4隧道施工方法4.5隧道类型简介4.1隧道工程的基本概念及其发展简况隧道是建筑在岩体、水底或土体的，两端有出口的，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道，包括交通运输方面的铁道、道路、水（海）底隧道和各种水工隧洞等。世上第一条交通隧道是公元前2180～2160年在巴比伦城中幼发拉底河下修建的人行通道。我国在公元前8世纪～前3世纪就有深达40m以上的铜矿矿井（竖井和斜井）。春秋时代（公元前770～前476）就有“隧而相见”的史实。今陕西大荔县铁镰山还发现古代修筑的水底隧道。19世纪20年代蒸气机的出现，以及铁路和炼钢工业的发展，也促进了隧道工程的发展，1826～1830年英国在利物浦硬岩中修建了两座最早的铁路隧道。1843年在英国泰晤士河修建了第一条水底道路隧道。直到20世纪50年代，人们才总结出各种类型隧道工程规划、设计和施工的基本原理，在土木工程中逐渐形成一个独立的工程领域。4.2隧道工程特点（1）它是交通运输路线穿越天然障碍，包括山岭、丘陵、土层、水（海）域等的有效方法；（2）穿越的地质条件复杂多变，遇到意外情况较多，工程定位、设计、施工方法都必须随时做相应的调整；（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。4.3隧道结构基本构造隧道结构的基本组成，如图4.1所示。图4.1隧道结构示意图图中表示出了隧道结构的三大基本组成部分：（1）洞门结构：端墙、翼墙（2）洞身支护结构：衬砌（3）排水系统：各种排水沟及排水设施隧道的主体支护结构是洞身衬砌和洞门，附属建筑物有排水沟、通风设施、照明设施、电力设施等等。本节简要介绍土体或岩体中隧道的衬砌和洞门。4.3.1洞门洞门的作用是减少洞口土石方开挖量、降低仰坡开挖高度，承受山体推力并支撑边仰坡的稳定，确保洞口行车安全。常见洞口类型有以下几种，如图4.2所示。a.端墙式洞口适用于地质条件较好的洞口地段。b.翼墙式洞口适用于地质条件较差的洞口地段。c.柱式洞口适用于地质条件较差，且不便于设置翼墙的洞口地段。d.台阶式洞口适用于地形等高线与线路中线斜交的洞口地段。e.明洞口适用于明挖隧道的洞口地段。图4.2洞门基本类型4.3.2洞身衬砌隧道开挖后为了保持围岩的稳定性，一般需进行支护，也就是进行衬砌。衬砌的基本类型如图4.3所示。图4.3衬砌结构类型（1）整体式模筑砼衬砌即就地灌注模筑砼衬砌，其工艺流程为立模－灌注－养生－拆模。一般情况下衬砌材料为素混凝土，当围岩条件很差时，可考虑用钢筋混凝土衬砌。其特点是衬砌整体性好，抗渗性强，易于按需要成型。（2）拼装式衬砌将衬砌分成若干个环块，在预制厂或工地生产，然后运到洞内拼装而成。环块一般为钢筋混凝土。其特点是衬砌承载块、便于机械化施工。（3）锚喷衬砌模筑混凝土衬砌和拼装式衬砌均为被动地承受围岩压力的支护结构，而锚喷衬砌则是一种主动地加强围岩稳定性的支护结构，它采用的支护材料是喷射混凝土、锚杆、钢筋网，其特点是可以提供围岩的自承能力。（4）复合式衬砌采用两层衬砌组合而成，其靠近岩壁一侧的是锚喷衬砌，洞内一侧的是模筑衬砌，在地下水发育的底层中，可以在两层衬砌之间夹一层防水层用于放水。其特点是既有模筑衬砌表面光滑、美观、抗渗性强的特点，又有锚喷衬砌能提高围岩自承能力的特点，而且有防水效果好的优点。（5）明洞衬砌不同类型的隧道，其结构是不同的，如铁路隧道和公路隧道断面多为马蹄形，水工隧道多为圆形。4.4隧道施工方法在确定施工方法时，应强调安全第一，同时要考虑其它有关因素，正确选择施工方法的前提是：（1）要尽量做到在开挖过程中不发生塌方以确保施工安全；（2）必须满足施工期限的要求；（3）要尽量减少施工投资。现有的施工方法有：⑴明挖法或围堤明挖法（敞口开挖基坑，修建隧道后覆填）；⑵钻眼爆破法（适用于硬岩中开挖隧道）；⑶盾构法（采用一个与隧道环同样形状的钢制圆筒即盾壳，以周边设置的千斤顶推向前方，工人在盾壳前工作室里挖土，形成可将隧道环推进的方向）；⑷顶管法（将预制隧道环用顶进设备顶入已挖去土层的空间，构成隧道的一节）；⑸沉管法（制作隧道管段，拖运至设计位置，在管内加载使之下沉在预先挖就的水底沟槽内，多用于水底隧道）等。下面简要介绍常用的施工方法。4.4.1钻眼爆破法，又称“钻爆法”根据围岩的好坏和施工机具的配备情况可以采用不同的开挖方式，具体的有如下几种：（1）全断面法开挖断面大，洞室轮廓一次成形，掘进速度快。要求地质条件好并配备有大型施工机具，见图4.4。Ⅰ-开挖Ⅱ-衬砌边墙Ⅲ-衬砌拱圈图4.4全断面开挖法（2）台阶法将断面分成上下两层，留下一个台阶，台阶段长度根据地质条件而定，地质条件好，则台阶长。留下的台阶效果是可以尽快对围岩进行支护，提高了围岩的稳定性。该法对地质条件的适用性很广，见图4.5。1、2-开挖Ⅲ-衬砌边墙Ⅳ-衬砌拱圈图4.5台阶法（3）分步开挖法将断面分成上下左右若干个断面，逐步开挖，更进一步增加了洞室的稳定性，适用于软弱地层施工。如图4.6所示。1、2、3、5、6-开挖Ⅳ-衬砌拱圈Ⅶ-衬砌边墙图4.6分步开挖法4.4.2盾构法盾构是一种钢支护结构，也有半圆形、矩形、马蹄形等非圆形盾构。盾构利用钢壳体支撑围岩，掘进和衬砌均在壳体保护下进行。适用于软弱、含水层，如上海黄浦江隧道、英、法海底隧道都是采用盾构施工的。根据盾构本身是否配备掘进机械，可分为：（1）人工开挖式盾构在盾构的保护下，用人工进行掘进。（2）机械式盾构在盾构前方装有开挖和装碴机械，掘进由机械进行，效率高、大大节省了人力。如广州地铁一号线从公园前至黄沙区间就是采用两台机械盾构施工的，见图4.7、4.8。盾构施工的隧道一般采用拼装式衬砌。图4.7盾构示意图图中，A-前檐；B-盾构上部长度；C-切口环长；D-支承环长；E-盾尾长；F-开挖面千斤顶；K-盾构千斤顶；L-平台千斤顶；R-盾尾千斤顶；S-盾构外径；G-盾构垂直隔板；H-盾构水平隔板；O-盾构下部长。图4.8盾构施工示意图4.5隧道类型简介隧道按功能分类，有：（1）交通隧道：山岭隧道、水底隧道与地铁隧道。（2）水工隧道：与水底隧道概念不同，不用于交通，而是用来发电、供水或农田灌溉的隧道，像黄河小浪底的导流隧道等。按功能分类有：引水隧道、尾水隧道、泄洪隧道和排沙隧道等。（3）矿山巷道：矿山的各种平巷、竖井、斜井。（4）市政隧道：给排水管道、电力管线、煤气管道等。下面展开介绍交通隧道。4.5.1山岭隧道（1）铁路隧道我国现在(2003年)有铁路隧道６８７６座，总长度为３６７０公里，为世界第一。2002年10月建成的青藏铁路风火山隧道位于青藏高原可可西里“无人区”边缘，全长１３３８米，轨面标高４９０５米，是目前世界上海拔最高的高原冻土隧道。该隧道地质构造特殊，集含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土、薄冰冻土、砂岩、泥岩及互层于一体，其中含土冰层带的土质含量仅为１５％至２０％，这样的构造极易因为冻土在开挖时融化成泥浆水而导致隧道坍塌。风火山因此被世界隧道专家称为“隧道禁区”。隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道隧道长度L(km)L＞1010≥L＞33≥L＞0.5L≤0.5铁路隧道按长度分为四类，一般规定如表4.1。表4.1铁路隧道按长度分类注：隧道长度系指进出口洞门端墙墙面之间的距离，即两端墙墙面与路面的交线同路线中线交点间的距离。15km以上的铁路隧道表4.2（2）公路隧道我国公路隧道总数(2003年)已达１７８２座，总长度７０４公里，分别是改革开放之初的４．７倍和１３．５倍，是世界上公路隧道最多的国家。１０年内，我国将再建设总长１５５公里以上的公路隧道。正建设的终南山隧道全长１８.４公里，长度居亚洲第一，世界第二；湖南雪峰山隧道长７公里多；西安汉中高速公路上穿越秦岭的三座特长隧道群总长３４公里，全线隧道总长１００公里。近１０年来，我国已修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群。其中，主要有：１９９５年建成的成渝高速公路上的中梁山隧道，长３公里多，解决了我国长大公路隧道的通风问题；１９９９年通车的四川省川藏公路上二郎山隧道，长４公里多，是连接西藏与内地的重点工程等。公路隧道按长度分为四类，一般规定如表4.2。表4.2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隧道长度L(m)L＞30003000≥L≥10001000＞L＞250L≤250注：隧道长度系指进出口洞门端墙墙面之间的距离，即两端墙墙面与路面的交线同路线中线交点间的距离。下面有一些公路隧道的图片，见图4.9、4.10、4.11、4.12等以及附图中的隧道，采用了不同的洞口形式。图4.9岵岫岭隧道工程（双连拱整体式隧道）图4.10湖南雪峰山隧道（隧道长度7公里，为我国最长的公路隧道）图4.11竹子寮隧道图4.12莲花山隧道附图1南京中山门隧道(历史文物保护与现代工程建设相结合的典范)附图2虎背山隧道(广深高速公路虎背山隧道洞内照明与洞外遮光设计)附图3柚树下隧道4.5.2水底隧道至今（2003年），全球的水底隧道有百余座，包括我国已经建成的广东珠江、宁波甬江、上海黄埔江等8座水底隧道。计划中的京沪高速铁路将考虑修建南京越江隧道，长6.18km。武汉和上海崇明岛将建设大型过江通道工程。2010年以前，厦门将建成一个可以全天候进出厦门岛的海底隧道。这将是祖国大陆的第一条海底(暗挖)隧道，并将成为厦门岛重要的第三条进出岛通道。该工程总长度约9公里，其中隧道全长5900米，是一座兼有公路和城市道路功能的隧道。两岸引道将在今年（2003年）9月期间开工。用盾构法建造的水底隧道，自两端至洞口，一般为槽形敞开式引道段。穿越水底的暗埋段，断面大多为圆形。修建的隧道除个别为单车道外，均为双车道[见图4.13(b)]。在圆形隧道中，一般在路面以下是送风道；在吊顶以上是排风道。送排风道与隧道两岸的通风机房连通，多采用横向通风。用沉管法建造的水底隧道，除两端引道段与前述相同外，穿越水底的沉管有时是由几个通道组成的矩形管段，包括车行道、人行或巡逻通道及管线通道等。每个行车通道中有两个以上同向行驶的车道。水底隧道较典型的矩形管段横断面示意如图4.13(a)所示。据统计，全世界采用沉管法修建的水下铁路和道路隧道已有68座，其中道路隧道46座，铁路隧道21座，道路、铁路两用的隧道l座。从沉管结构来看，钢结构32座，钢筋混凝土结构35座。钢结构以美国采用的最多，欧洲各国则以钢筋混凝土结构为主，日本则以钢为主，二者兼有。图4.13水底隧道横断面（a）铁路隧道；（b）道路隧道1993年建成的英法海峡隧道，见图4.14，全长48.5km，海底段37.5km，隧道最大埋深100m。海峡隧道由2条外径8.6m的铁路隧道和1条外径5.6m的服务隧道组成。隧道掘进施工共采用11台盾构掘进机。英法海峡隧道的建成，亦是融英、美、法、日、德等先进国家盾构施工技术于一体的最高成就。丹麦斯多贝尔特大海峡隧道是跨海工程的一部分，长7.9km，由2条外径8.5m的铁路隧道组成，隧道最大埋深75m，采用4台直径8.78m的混合型土压平衡盾构掘进机施工。工程中曾发生涌水险情，采用了海底井管降水、冻结、气压等辅助施工法解决了困难。隧道施工历经艰险，为隧道建设史提供了宝贵的经验。日本东京湾横断公路隧道是目前世界上最长的海底公路隧道，长9.4km，由2条外径13.9m的单向公路隧道组成，最大埋深50m，采用8台直径14.14m的泥水平衡盾构掘进机施工。盾构设计采用最先进的自动掘进管理系统、自动测量管理系统和管片自动拼装系统，8台盾构在海底实现了对接，体现了高新技术在隧道工程中的应用。东京湾横断公路隧道已在1998年建成通车，标志着盾构隧道施工最先进的技术水平。图4.14英吉利海峡隧道断面示意（a）纵断面；（b）横断面中国与意大利专家目