第七章 隧道與地下工程

第七章隧道與地下工程7.1隧道與地下工程概述7.2隧道工程7.3地下工程7.4隧道與地下工程施工2023/2/37.1隧道與地下工程概述

隧道與地下工程是指從事各種隧道與地下工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營養(yǎng)護的一門應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)，是土木工程專業(yè)的一個分支；也可以指巖體或土層中修筑的各類通道和地下構(gòu)筑物，包括地鐵、地下商場等。7.1.1隧道與地下工程簡介

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修建地下工程時，通常在地層內(nèi)挖出具有一定幾何形狀的“坑道”，如矩形、圓形等，由于土層開挖后，應(yīng)力釋放，容易變形、坍塌，所以除了在極為穩(wěn)定的巖層中以外，大多情況下都要在坑道周圍進行支護。地下結(jié)構(gòu)工程中的支護結(jié)構(gòu)通常采用襯砌，襯砌指的是為防止圍巖變形或坍塌，沿隧道洞身周邊用鋼筋混凝土等材料修建的永久性支護結(jié)構(gòu)。襯砌的形狀和尺寸，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)最為合理，既不浪費又能滿足要求。2023/2/3分類方式工程類型按使用功能交通工程、市政管道工程、地下工業(yè)建筑、地下民用建筑、地下軍事工程、地下倉儲工程等按四周圍巖介質(zhì)軟土地下工程、硬土(巖石)地下工程、海(河、湖)底或懸浮工程等；深埋、中埋、淺埋工程按施工方法淺埋明挖法、蓋挖逆作法、礦山法、盾構(gòu)法、沉管法等按結(jié)構(gòu)形式附建式、單建式、廊道式、棋盤式、單層或多層框架結(jié)構(gòu)按襯砌材料和構(gòu)造磚、石、砌塊混凝土、鋼筋混凝土、噴射混凝土、鑄鐵、鋼纖維混凝土、聚合物鋼纖維混凝土等。

隧道與地下工程有許多分類方法，可以按其使用功能、周圍介質(zhì)、設(shè)計施工方法、建筑材料和斷面構(gòu)造形式分類，也有按其重要程度、防護等級、抗震等級分，其具體分類見表6.1。表6.1隧道與地下工程分類

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由于受力特點、結(jié)構(gòu)形式、使用功能的不同，隧道與地下工程的設(shè)計和施工不同于地上的建筑結(jié)構(gòu)，其主要工程特點表現(xiàn)在：

(1)工程涉及的領(lǐng)域眾多，包括建筑工程、市政工程、交通工程、水電工程、國防工程、能源工程等。水電站地下廠房地下人防工程示意2023/2/3

(2)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，考慮因素眾多。地下建筑由于特殊的建筑方式，往往需經(jīng)通風(fēng)、采光、防潮、排水等處理。

(3)不可預(yù)見因素多，風(fēng)險高，地質(zhì)條件、地下水狀態(tài)等對隧道與地下工程的設(shè)計和施工影響較大，事故發(fā)生率高。地下工程施工時經(jīng)常導(dǎo)致地表沉降或者隆起引起地面開裂，引起附近建筑開裂或者傾斜，嚴(yán)重時可導(dǎo)致建筑倒塌。南京地鐵二號線地表開裂上海軌道4號線地鐵事故造成房屋傾斜2023/2/3

(4)投資大，建設(shè)周期長，工程規(guī)模大、造價高。如英吉利海峽隧道(又稱英法海底隧道或歐洲隧道)，是一條連接英國英倫三島與歐洲法國的鐵路隧道，于1994年5月6日開通。它由三條長51km的平行隧洞組成，總長度153km，其中海底段的隧洞長度為3×38km。從1986年2月12日法、英兩國簽訂關(guān)于隧道連接的坎特布利條約，到1994年5月7日正式通車，歷時8年多，耗資約150億美元。英吉利海峽隧道2023/2/3

隧道與地下工程的發(fā)展歷史與人類的文明史相呼應(yīng)，大概可以分為古代、近代、現(xiàn)代三個時期。

古代時期主要是從人類出現(xiàn)到公元17世紀(jì)。這一時期的主要特點是利用天然材料，如巖石、土體、木材等，輔以較原始的手工或簡單機械來完成，在技術(shù)上多依賴于經(jīng)驗。這一時期的主要工程實例有：中國窯洞、隋朝地下糧倉等。7.1.2隧道與地下工程的發(fā)展簡史陜西窯洞2023/2/3古代地下建筑：人類在原始時期就利用天然洞穴作為群居、活動場所和墓室。2023/2/3這個歷史時期所謂地下建筑工程多局限于帝王貴人的陵墓和人類居住的窯洞。2023/2/32023/2/3我國的地下儲糧已有5000多年歷史敦煌、云崗、龍門三大石窟群也是我國古代杰出的地下建筑工程。2023/2/3

近代時期是指從17世紀(jì)到第二次世界大戰(zhàn)前后。在這一時期土、木、石、磚等建筑材料特別是現(xiàn)代建筑材料混凝土、鋼材、鋼筋混凝土的廣泛使用，現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，火藥的發(fā)明和廣泛應(yīng)用以及工業(yè)革命的發(fā)展促使大量機械的使用，使隧道與地下結(jié)構(gòu)進入大量發(fā)展時期。八達嶺隧道是中國自行設(shè)計和施工的第一座越嶺隧道，位于京包鐵路青龍橋車站附近。這座單線隧道全長1091m，由我國杰出的工程師詹天佑親自規(guī)劃督造，1907年開工，在中國技術(shù)人員和工人的努力下，僅用18個月，于1908年竣工。八達嶺隧道2023/2/31863年法國人Brunel用其發(fā)明并申請專利的最早實用手掘式盾構(gòu)技術(shù)成功開挖了世界上第一條水底盾構(gòu)隧道，如圖所示是當(dāng)時手掘式盾構(gòu)法修建隧道的示意圖。

2023/2/3近代地下建筑從英國1860年修建、1863年運營的第一條地下鐵道算起，至今也只有140多年的歷史。由于戰(zhàn)爭頻繁、城市人口增加、環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及能源危機等因素的影響，地下建筑工程在一些國家得到迅速發(fā)展。

日本東京郊區(qū)地下泄洪工程2023/2/3

長——盾構(gòu)一次性掘進距離長達7.5公里，世界上絕無僅有；大——兩臺超大盾構(gòu)直徑達15.43米，堪稱世界之最；深——江底高水壓施工，最深處覆土達55米如圖所示的上海長江隧橋工程采用“南隧北橋”方案，包括上海長江大橋和長江隧道工程兩部分。其中，以隧道方式穿越長江南港水域，長約8.9公里；以橋梁方式跨越長江北港水域，長約10.3公里。長江隧道以及整個長江隧橋工程于2009年10月31日通車。2023/2/37.2隧道工程

隧道是修筑在巖體、土體或水底，兩端有出入口，供車輛、行車、水流及管線等通過的通道，具有以下特點：

(1)是交通運輸線路穿越天然障礙，包括山嶺、丘陵、土層、水(海)域等的有效方法；(2)所處地質(zhì)條件復(fù)雜多變，遇到意外情況比較多，工程定位、設(shè)計、施工方法都必須隨時作相應(yīng)調(diào)整；

(3)施工作業(yè)面窄，可能容納的勞動力和機械設(shè)備都受到限制，對工業(yè)化、機械化施工要求高；

(4)造價昂貴。從地質(zhì)條件來分，可以分為土質(zhì)隧道和巖石隧道；從埋置深度來分，可以分為淺埋隧道和深埋隧道；從所處的位置來分，可以分為山嶺隧道、水底隧道和城市隧道。按照它的用途來分，可以分為交通隧道、市政隧道、水工隧道及礦山隧道等。2023/2/37.2.1交通隧道

交通隧道是應(yīng)用最為廣泛的一種隧道，其作用是提供交通運輸和人行的通道，以滿足交通線路暢通的要求，包括公路隧道、鐵路隧道、地下鐵道、高速鐵路隧道、航運隧道、人行隧道。我國最長的公路隧道為陜西秦嶺終南山公路隧道，長18.4km，單孔雙車道。設(shè)計工期為67個月，總投資約25億元人民幣2023/2/3過去，為節(jié)省工程造價，山區(qū)公路常常盤山繞行，寧愿延長距離而避開修建隧道。隨著經(jīng)濟和生產(chǎn)的發(fā)展，對道路提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)，要求線路順直、坡度平緩、路面寬敞等，因此，在道路穿越山區(qū)時，出現(xiàn)了大量的隧道方案。隧道的修建在改善公路技術(shù)狀態(tài)，縮短運行距離，提高運輸能力，以及減少事故等方面起到重要的作用。我國修建的秦嶺終南山隧道長將翻越秦嶺的道路縮短約60km，時間減少2個多小時。秦嶺終南山隧道2023/2/3

洛達爾隧道位于挪威西部地區(qū)的洛達爾和艾于蘭之間，全長24.51km。于1995年3月開始動工興建，2000年11月27日正式通車，整個工程項目共耗資約1億美元。洛達爾隧道通車后，奧斯陸與卑爾根之間的行車時間將從以往的14個小時縮短至7個小時，車輛在冬季照常通行無阻。

洛達爾隧道——世界最長的公路隧道2023/2/3公路隧道附屬設(shè)施公路隧道需要有較完善的通風(fēng)、照明、防災(zāi)等附屬設(shè)施，以防止隧道內(nèi)的事故。對于長大隧道，必要時應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)置豎井式通風(fēng)或者人工通風(fēng)如射流式縱向通風(fēng)。

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汽車排出的廢氣含有多種有害物質(zhì)，如一氧化碳CO、氮氧化合物NOx、碳氫化合物HC，亞硫酸氣體和煙霧粉塵。用通風(fēng)的方法從洞外引進新鮮空氣沖淡一氧化碳的濃度至衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，即可使其它因素處于安全濃度。隧道內(nèi)通風(fēng)2023/2/3隧道內(nèi)照明

晝間需要照明。防止司機視覺信息不足引發(fā)交通事故；應(yīng)保證白天習(xí)慣于外界明亮寬闊的司機進入隧道后仍能認(rèn)清行車方向，正常駕駛。隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明與接續(xù)道路照明構(gòu)成。2023/2/3鐵路隧道是修建在地下或水下并鋪設(shè)鐵軌供機車車輛通行的建筑物。鐵路穿越山嶺地區(qū)時，需要克服高程障礙，由于鐵路限坡平緩，這些山嶺地區(qū)限于地形而無法繞行，常常不能通過展線獲得所需的高程。此時，開挖隧道穿越山嶺是一種合理的選擇，其作用可以使線路縮短，減小坡度，改善運營條件，提高牽引定數(shù)。鐵路隧道與公路隧道按照長度分類。鐵路隧道隧道分類特長隧道長隧道中隧道短隧道鐵路隧道長度（m）>100003000~10000500~3000≤500公路隧道長度（m）>30001000~3000250~1000≤2502023/2/3鐵路隧道我國最長鐵路隧道—蘭新鐵路烏鞘嶺隧道(全長20.05公里)最高的鐵路隧道——青藏鐵路風(fēng)火山隧道，全長1338m，軌面海拔高度4905.4m。中國鐵路隧道約有半數(shù)以上分布在川、陜、云、貴四省。2023/2/3大瑤山隧道是我國最長的鐵路隧道之一,長14.295km.2023/2/3黃浦江人行隧道:隧道為我國第一條越江人行隧道，建于浦西南京路外灘與浦東陸家嘴東方明珠塔之間，隧道內(nèi)徑6.67米，全長646.7米。2023/2/3鐵路或公路遇到水面障礙物時，除可修建橋梁通過外，修建水底隧道可能是最佳方案。尤其在水面寬，航運繁忙，通過巨型船只較多，不宜建造高橋和長引橋的情況下。水底隧道與橋梁工程相比，具有隱蔽性好，可保證平時與戰(zhàn)時的暢通，抗自然災(zāi)害能力強，并對水面航行無任何妨礙的優(yōu)點，但其造價較高。水底隧道大連至煙臺海底隧道2023/2/3地下鐵道

地下鐵道是在大城市中主要在地下修筑隧道，鋪設(shè)軌道，以電動快速列車運送大量乘客的公共交通體系，簡稱地鐵。

在城市郊區(qū)，地鐵線路常可延伸至地面或高架橋上。地鐵運輸不占街道面積，不干擾地面交通。地下鐵道是在大城市中解決交通擁擠、車輛堵塞的有效途徑之一。由于地下鐵道能快速、安全、準(zhǔn)時地大量輸送乘客，成為大城市解決交通矛盾的有力手段。2023/2/3

地下鐵道線路的軌道同地面鐵路的軌道相似，一般采用標(biāo)準(zhǔn)軌距或同地面鐵路相同的軌距。目前各國地鐵均采用較重型的鋼軌，道床一般為碎石道床或混凝土整體式道床。碎石道床結(jié)構(gòu)簡單，施工容易，造價低，減振、減噪性能較好，但養(yǎng)護和維修工作量大。混凝土道床維修方便，但需用彈性扣件和橡膠墊板等改善軌道的彈性。2023/2/3市政隧道修建在城市地下，用作鋪設(shè)各種市政設(shè)施地下管線的隧道。在城市中進一步發(fā)展工業(yè)和提高居民文化生活條件的需要，供市政設(shè)施用的地下管線越來越多，如自來水、污水、暖氣、熱水、煤氣、通信、供電等。管線系統(tǒng)的發(fā)展，需要大量建造市政隧道，以便從根本上解決各種市政設(shè)施的地下管線系統(tǒng)的經(jīng)營水平問題。在布置地下的通道、管線、電纜時，應(yīng)有嚴(yán)格的次序和系統(tǒng)，以免在進行檢修和重建時要開挖街道和廣場。2023/2/3水工隧道

山體中或地下開鑿的過水隧道。水工隧洞可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航。水流不充滿全洞，在洞內(nèi)具有自由水面的，稱為無壓隧洞；充滿整個斷面，使洞壁承受一定水壓力的，稱為有壓隧洞。水工隧道包括以下幾種：引水隧道、尾水隧道、導(dǎo)流隧道或泄洪隧道、排沙隧道。

水電站水工隧道及地下發(fā)電廠布置2023/2/3錦屏二級水電站地處四川省涼山彝族自治州大山深處，利用雅礱江150公里錦屏大河灣的天然落差，開挖隧洞引水發(fā)電。4條引水隧洞平均長約16.6公里，開挖洞徑13米，為世界最大規(guī)模水工隧洞。工程建設(shè)總工期8年3個月，靜態(tài)總投資249.8億元。2012年12月30日上午10時，的錦屏二級水電站首臺機組順利發(fā)電。至此，國家“西電東送”和“川電外送”戰(zhàn)略的關(guān)鍵性工程――擁有世界最大規(guī)模引水隧洞群的錦屏電站，將把清潔能源源源不斷地送往華東電網(wǎng)及川渝電網(wǎng)。2023/2/3

在實際工程中，為簡化樞紐布置，節(jié)省投資，在可能條件下宜考慮一洞多用。如發(fā)電與灌溉、供水相結(jié)合，將發(fā)電后的尾水用于灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)供水；導(dǎo)流隧道在完成導(dǎo)流任務(wù)后，可以改作灌溉隧道或泄洪隧道。較地面上的水電站相比，其受季節(jié)性降水影響小，即使在枯水季節(jié)也能發(fā)揮作用。錦屏水電站地下廠房三維透視圖

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隧道與地下工程施工方法種類繁多，總體上可以分為巖石地下工程和土層地下工程施工方法。其中巖石地下工程施工方法可以分為礦山法、新奧法和隧道掘進機施工法；土層地下施工方法可以分為明挖法、淺挖法、蓋挖法、沉井、沉管、頂管法、盾構(gòu)法等。7.4隧道與地下工程施工2023/2/3

在土層等較軟地層中進行地下工程施工，必須考慮土層不足以提供自身較長時期穩(wěn)定的特性。土層地下工程中常用的施工方法有明挖法、淺埋暗挖法等。

(1)明挖法7.4.1土層地下工程施工明挖法是從地表開挖基坑，修筑襯砌后用土石進行回填的淺埋隧道、管道或其他地下建筑工程的施工方法。常見的明挖法示意2023/2/3明挖法的優(yōu)點具有施工簡單、快捷、經(jīng)濟、安全，城市地下隧道式工程發(fā)展初期都把它作為首選的開挖技術(shù)。其缺點是對周圍環(huán)境的影響較大。

明挖法的關(guān)鍵工序是：降低地下水位，邊坡支護，土方開挖，結(jié)構(gòu)施工及防水工程等。杭州設(shè)計雙向通行的天成路地下隧道采用明挖法施工工藝，開挖深約14m，寬約50m，長約450m2023/2/3(2)暗挖法

當(dāng)埋深超過一定限度后，明挖法不再適用，而要改用暗挖法，即不挖開地面，采用在地下挖洞的方式施工。暗挖適用于不宜明挖施工的含水量較小的各種地層，尤其對城市城區(qū)地面建筑物密集、交通運輸繁忙、地下管線密布，且對地沉陷要求嚴(yán)格的情況下修建埋置較淺的地下結(jié)構(gòu)工程更為適用。對于含水較大的松軟地層，采取堵水或降水等措施后該法仍能適用。2023/2/3

以準(zhǔn)備好的頂壓工作坑(井)為出發(fā)點，將管卸入工作坑后，通過傳力頂鐵和導(dǎo)向軌道，用支承于基坑后座上的液壓千斤頂將管壓入土層中，同時挖除并運走管正面的泥土。頂管法施工示意圖(3)頂管法2023/2/3頂管法施工現(xiàn)場2023/2/3（4）沉管法沉管法是預(yù)制管段沉放法的簡稱，是在水底建筑隧道的一種施工方法。其施工順序是先制作隧道管段(用鋼板和混凝土或鋼筋混凝土)，管段兩端用臨時封墻密封后滑移下水，使其浮在水中，再拖運到隧道設(shè)計位置。沉管法2023/2/37.4.2巖石地下工程施工(1)礦山法礦山法也是暗挖法的一種，主要用鉆眼爆破方法開挖斷面而修筑隧道及地下工程。隧道開挖后受爆破影響，巖體破裂松弛，隨時都可能坍落。礦山法其施工方法是按分部順序采取分割式一塊一塊的開挖，并要求邊挖邊修筑襯砌以求安全。鉆爆法開挖作業(yè)程序包括鉆孔﹑裝藥﹑爆破﹑通風(fēng)﹑支護﹑裝碴﹑運輸?shù)裙ば颉?023/2/3(2)新奧法

新奧法是在礦山法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。應(yīng)用巖體力學(xué)的理論，通過對隧道圍巖變形的量測、監(jiān)控，采用新型的支護結(jié)構(gòu)，盡量利用圍巖自承能力指導(dǎo)隧道設(shè)計和施工的方法。新奧法的主要原則為“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”。傳統(tǒng)礦山法與新奧法施工的區(qū)別施工過程新奧法傳統(tǒng)礦山法支護臨時支護噴錨支護木支撐為主，鋼支撐永久支護復(fù)合式襯砌單層模注混凝土襯砌閉合支護強調(diào)不強調(diào)控制爆破必須采用可采用測量必須采用無施工方法分塊較少分塊較多2023/2/32023/2/3

新奧法采用噴錨支護作為臨時支護，比之木支撐有顯著的優(yōu)點，除了能節(jié)省大量的木材外，它還能及時施作，能有效地控制圍巖的變形，并充分發(fā)揮圍巖的承載能力，并作為復(fù)合式襯砌的一部分。2023/2/3(3)盾構(gòu)法盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，它是將盾構(gòu)機械在地中推進，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機械化施工方法。2023/2/32023/2/3類型因素介紹盾構(gòu)法施工主要優(yōu)點環(huán)境影響小盾構(gòu)法施工出土量少，對周圍地層的沉降、隆起控制方便，對周圍構(gòu)筑物的影響較??；盾構(gòu)法施工不影響地表交通，對居民的生活、出行影響較小；無需切斷、搬遷地下管線等各種地下設(shè)施；無空氣、噪聲、振動污染問題。有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢盾構(gòu)法施工開挖、拼裝管片、盾構(gòu)推進等作業(yè)有序進行，循環(huán)性強，易于施工管理，在技術(shù)上有很明顯的優(yōu)勢；隧道施工無需大量的拆除地表建筑，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。機械化施工程度高，較安全整個盾構(gòu)法施工大部分工作均有機械完成，僅需要很少人工(相較于其他施工工法)，安全系數(shù)高。施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響盾構(gòu)法施工絕大部分工作均在地下進行，受地面風(fēng)雨影響極小，當(dāng)然，風(fēng)雨引起的地下水位的變化還是值得注意的。適用地層范圍廣盾構(gòu)施工方法不僅適用于軟土地層，還可使用于軟弱、破碎巖層