什么是隧道及地下工程?

什么是隧道及地下工程?

[拼音]：suidao ji dixia gongcheng

[外文]：tunnel and underground works

从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支。隧道及地下工程也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物，包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道，以及地下铁道和水底隧道等；工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军用方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的地下发电厂房以及其他各种水工隧洞等。

隧道及地下工程的特点

（1）线路在穿越天然高程或平面障碍时修建地下通道，是克服障碍的有效方法。

（2）能够分担地面交通和人流的负荷，节约城市用地。

（3）承受爆炸荷载和地震荷载的能力比地面结构强，许多国防、民防工程以及抗震和各类防护工程都可采用。

（4）地下建筑物内部的气温和湿度都比较稳定，它具有节能特点，可作为各类地下贮库和冷藏库。

（5）造价昂贵，只有在已论证它有充分的战术、技术和经济效益的条件下才宜兴建。

（6）施工期限长，施工作业面较窄，可能容纳的劳力和机械都受限制；但由于工业化施工和机械性能的提高，这种情况正在得到改善。

（7）穿越的地质条件常复杂多变，遇到的意外情况比较多，工程的定位、设计和施工方法都必须随时作相应的调整，因此要求有关规划、勘测、设计、施工和使用管理部门密切配合。

沿革

人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居和活动场所。 世界上第一座交通隧道是公元前 2180～前2160年在巴比伦城中的幼发拉底河下修筑的人行通道。在古代，各文明古国曾修建过地下墓室，灌溉、给水、排水隧洞，采矿巷道和地下粮食仓库等。

中国早在远古时代就利用双手和简单工具，在黄土类地层中模拟天然洞穴的形状修筑窑洞以供居住。春秋时代，中国就有郑伯“隧而相见”等史实。在陕西修筑洛惠渠时，曾在今大荔县商颜山（今铁镰山）发现古代修筑的水底隧道。

古代的许多地道、陵墓大多是用明挖法修筑的，用矿山法开挖的隧道不多，是靠奴隶们的双手及一些简单的工具（如丁字镐、铁钎、尖楔等）修筑起来的。其后，人们曾用大火将坑道开挖面灼热，然后骤然以水或醋喷射，利用温度的剧烈变化来碎裂岩层，以便开挖，加快修建速度；在陕南褒城附近可以看到汉代建造的石门隧道（见道路工程发展史），就是用此法建成的。由于缺乏比较完善的工具和设备，当时隧道的修筑技术水平很低，一座很短的隧道大多需十几年至几十年的时间才能建成。19世纪20年代，蒸汽机的出现以及铁路和炼钢工业的发展，促进了隧道及地下工程的发展。1826～1830年在英国利物浦，于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。1860年开始修建伦敦地下铁道。这个时期在欧洲大陆还修建了几座较长的铁路公路隧道，如辛普朗铁路隧道(见彩图)、圣哥达公路隧道等；随着施工技术的发展，还修建了不少穿越江河的水底隧道。但一直到20世纪50年代，人们才逐步总结出各种类型隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，在土木工程中逐渐形成了一个独立的工程领域。

隧道及地下工程的种类地下铁道

由于城市的不断扩大和发展，市内地面运输已经不能满足交通要求，修建地下铁道成为最有效的手段之一。世界上有80多个城市已修建或正在修建地下铁道，中国北京已修建了40.1公里地铁，天津已建地铁7.2公里，其他大城市正在规划中。

地下铁道的优点是:和其他城市运输类型相比较，其运送能力最大；由于没有平面交叉和采取自动闭塞信号，可以保证通行安全；地铁各列车间的间歇时间可以很短，给旅客以很大方便；噪声小，保护环境条件好。地下铁道还必须和地面其他运输类型及相应设施彼此配合，才能发挥更好的作用。近20～30年来，在某些国家的大城市（如日本东京、大阪等地）和地铁相配合还修建了具有相当规模的地下街和地下商场等。地铁的缺点是：固定运营费用比重较大，只有客流密度很大时才是经济合理的。

铁路和公路隧道

中国1949年以来为克服山岭障碍修建了总延长2000多公里的铁路隧道，正在修建中的大瑶山铁路隧道长达14公里。还修建了许多公路隧道。较长的有河南省辉陵公路的向阳隧道，长1400米；林石公路的太行隧道，长960米。铁路和公路常需要跨越江河港口。为此，需要修建水下的铁路或公路隧道。修建水底隧道过去多采用盾构法。但盾构法施工的断面是圆形的，内部净空不能很好利用，且埋深较大，使隧道总长度增加。采用沉管法可避免上述缺点。在荷兰已经用沉管法修建了十几条水底隧道。中国在上海用盾构法已建成黄浦江打浦路隧道，正在修建第二条越江隧道，还准备用沉管法修建第三条越江隧道。在日本，已经修建了许多铁路或公路隧道，把一些岛屿联结起来，著名者如青函海底隧道。横越英法海峡的海底隧道还在研究技术经济方案。现在通过直布罗陀海峡的隧道方案正进行可行性研究。从九龙到香港的海底隧道已修建完成。（见彩图）

其他地下工程

水电站都修引水和泄水隧洞，有的还修有地下厂房和其他洞室。核电站有全部修建在地下的，也有为掩埋核废料的地下深层洞库。军工工程和人民防空工事，有不少修于地下。有些地下工程可利用天然洞穴，在加固修缮后使用。

主要施工方法明挖法

敞口开挖基坑，再在基坑中修建地下结构，最后用土石重新覆盖填实。

盾构法

用盾构开挖隧道的一种施工法。盾构为一个钢制圆筒，前部为切口环，目的为保护开挖面上工作人员的安全；中部为支承环，承受地层压力，安设千斤顶，并靠这些千斤顶将盾构向前推进。盾构内部空间用横向及竖向隔板分隔成小的工作室，并在隔板上安设辅助机具。后部盾尾部分是用来支撑坑道，并作为装配衬砌环的空间。修建时在开挖面上掘进衬砌的一环长度后，盾构可推进到挖好的空间内，并在盾壳保护下装配隧道衬砌。在含水淤泥地层中可采用压缩空气以稳定工作面。在日本以及其他国家，针对这类地层情况已经设计并推广了泥水盾构。其基本类型可分为两种，一种是泥水平衡式，一种是土压平衡式。泥水平衡盾构采用一个可以旋转的切削轮，可以在封闭于工作仓壁和隧道作业面之间的有压粘土泥浆中开挖地层；储气罐给泥浆保持需要的压力，借以控制地下水并稳定作业面。土压平衡盾构是在有土压的密封仓里切削地层，并用螺旋出土机排泥。盾构开挖法采用的衬砌类型有预制混凝土管片、刚性砌块和就地浇筑的钢纤维混凝土等。

地下连续墙法

是在地下铁道或其他地下结构的两个边墙位置处沿线路方向挖槽，灌注特制的泥水，以稳定槽壁，然后安放钢筋笼，灌筑混凝土边墙。在两侧边墙的保护下，可以挖开街道先修建结构顶盖，然后进行填实，恢复交通，再进行下部地层的开挖。此法优点是对地面交通的干扰时间短，范围小，对路边建筑物的影响也较小。意大利米兰地铁就是用此法修筑的典型例子（见地下连续墙）。

矿山法

铁路、公路隧道和其他山岭隧道或地下建筑物一般均可采用矿山法施工。此法又可分为：

（1）钻眼爆破法。位于各类岩石地层内的隧道，均可采用钻眼、装药、爆破的方法开挖。在硬岩中开挖隧道可采用凿岩台车钻眼，进行全断面开挖。

（2）新奥法。20世纪30年代发展起来的新方法。其要义是以隧道围岩作为支护的主要手段。施工过程中尽量减少围岩的松动破坏，并在开挖后及时支护，以确保离临空面一定深度处的围岩内形成承载圈。支护设置有一个最佳时间：过早支护会使喷射混凝土和岩层间产生很大地层压力；过迟支护则围岩将因变形过度而松动。为了正确估计合理的支护时间，必须对开挖后的隧道围岩及时进行收敛量测。

（3）掘进机开挖法。近年来得到了大力推广。掘进机是利用安装在机轴转盘上的刀具直接切削岩层。首先制造隧洞掘进机的是美国罗宾斯公司。中国已经制造了直径 5.8米的水工隧洞掘进机，使用效果良好。近年来隧道开挖后的支护有了很大的发展。喷锚支护为各种复杂地质条件下使用矿山法修建各种隧道提供了有效的支护。

此外，修筑水底隧道时，可使用沉管法；在穿越铁路、道路、河流或建筑物时，可使用顶管法。修建地下池槽、地下厂房、仓库和各种地下井时，还可使用沉井法（见地下工程沉井法施工）。

发展

因地制宜，开拓地下空间资源和发展其经济效益，是当前各国在隧道及地下工程领域中总的发展趋势。例如中国在云、贵、川以及闽、浙一带可以有选择地利用天然溶洞;在西北黄土高原则可利用新的工艺(例如喷混凝土支护和加强通风照明等)来修建窑洞。在各大城市，要加强地下交通运输系统和公用管道的规划，以及民防与市政地下工程的总体布局。

开展隧道和地下结构的理论研究，包括有限元法在地下结构设计计算中的应用；岩土材料试验工作；以及工地现场量测和信息监控技术等，使理论能更好地结合实际。

在长大隧道和重点地下工程中，推行施工综合机械化。在软土地层中，采用适合地层条件的盾构、顶管、沉管和连续墙施工方案；在硬岩中采用新型掘进机或高效水钻台车，以及光面爆破和预裂爆破等先进技术。在一些长隧道中采用水平钻井已取得成功。以喷锚支护为基础的新奥法施工，可大力推广。