隧道第一章.docx

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隧道第一章

第三篇隧道

本篇学习目的：

1．了解隧道的类型

2．掌握隧道的有关基本概念、构造组成及各部分的特点

3．了解隧道的施工程序和方法

第一章概述

本章重点：

隧道类型划分的依据；

隧道的作用和发展；

本章难点：

隧道的分类

一、基本概念

1．地下工程：

在山体内或地面下修建的建筑物。

2．隧道：

用以保持地下空间作为运输孔道的地下工程。

3．导坑：

在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道。

4．衬砌：

在坑道的周围修建支护结构。

5．隧道的修建过程：

首先在地下开挖出一个导坑。

然后，以导坑为基地逐步扩大到所需要的空间。

最后在坑道的周围修建支护结构。

衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求，同时不必无谓的放大；衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费又能稳固。

通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。

衬砌的用料应适合施工和养护的要求。

通常用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、防火、价廉、便于就地取材的材料。

6．洞门：

在隧道端部外露面，修筑的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。

7．明洞：

用明挖法修建的隧道。

当洞口容易坍塌或有落石的危险时，就要在洞门与洞身间修筑明洞。

8．隧道的主体支护结构：

洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构。

作用是保持岩体的稳定和行车安全。

9．隧道的附属建筑物：

为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的建筑物，包括有：

为工作人员在隧道进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞；为了保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡；为了引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟；为了排除隧道内渗入的地下水，保证列车正常运行而设置的防水设备及排水设备；为了净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统等。

10．隧道建筑物：

隧道的主体支护结构和隧道的附属建筑物组成了隧道建筑物。

隧道工程的修建，首先是把施工地区的地质和水文的情况勘察清楚。

将勘察到的资料结合工程使用的要求，进行结构设计和施工方法的选择。

通过施工组织设计的指导，有步骤地进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种量测，不

举例说明

举例说明

画图说明

画图说明

画图讲解

画图列举铁路隧道、公路隧道、水工隧道、地下过街道的内轮廓线

画图讲解隧道洞门、明洞

通过图片讲解隧道附属建筑物

断有针对性地修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。

在隧道建成交付使用以后，还要定期检查，并按检查出的问题或病害，做出养护计划，分轻重缓急予以维修或大修，确保工程建筑物处于良好状态，正常发挥它的工作效能。

二、隧道的种类及其作用

1970年OECD（世界经济合作与发展组织）隧道会议从技术方面将隧道定义为：

以任何方式修建，最终使用于地表面以下的条形建筑物，其空洞内部净空断面在2㎡以上者均为隧道。

1．从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道；

2．从埋置的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道；

3．按国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准可以分为极小断面隧道（2～3㎡）、小断面隧道（3～10㎡）、中等断面隧道（10～50㎡）、大断面隧道（50～100㎡）和特大断面隧道（大于100㎡）；

4．根据隧道的长度可以分为短隧道（铁路隧道规定：

L≤500m；公路隧道规定：

L≤500m）、中长隧道（铁路隧道规定：

500＜L≤3000m；公路隧道规定500＜L≤1000m＝、长隧道（铁路隧道规定：

3000＜L≤10000m；公路隧道规定1000＜L≤3000m＝和特长隧道（铁路隧道规定：

L＞10000m；公路隧道规定：

L＞3000m）；

5．从隧道所在的位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。

6．按照隧道的用途来划分，可以分为交通隧道、水工隧道、市政隧道和矿山隧道。

（一）交通隧道

交通线上的隧道（交通隧道）的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，一般包括有以下几种：

1．铁路隧道——当线路遇到高程障碍，而铁路限坡平缓，无法拔起需要的高度，同时，限于地形又无法绕避，这时，开挖隧道直接穿山而过最为合理。

它即可使线路顺直，避免许多无谓的展线，使线路缩短；又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。

我国铁路采用隧道克服山区地形的范例是很多的

2．公路隧道——公路的限制坡度和限制最小曲线半径都没有铁路那样严格。

但是，随着社会经济和生产的发展，高速公路的大量修建，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，于是在道路穿越山区时，出现了大量的隧道方案。

隧道的修建在改善公路技术

举例说明

举例说明

举例说明铁路隧道和公路隧道按长度的分类

举例说明

举例说明

举例：

川黔线上的凉风垭隧道

举例：

穿越秦岭终南山隧道，全长18.1km，它将翻越秦岭的道路缩短了60km，时间减少2个多小时。

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了重要的作用。

3．水底隧道——当交通线路需要跨越江、河、湖、海、洋时，一般可以选择的方案有架桥、轮渡和隧道。

当采用架桥方案时，考虑到河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，一时无法抬起必要的高度时，就难以克服净空限制这一矛盾。

而轮渡方案限制了通行量，此时，采用水底隧道方案可以解决净空限制和通行量小的矛盾。

水底隧道方案的优点是不受气候影响，不影响通航，引道占地少，战时不暴露交通设施目标等，越来越受到人们的青睐。

这在一定程度上改变了遇水架桥的思维定式。

水底隧道方案的缺点是造价较高。

4．地下铁道——地下铁道是解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题，而能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。

它可以使很大一部分地面客流转入地下而不占用地面面积。

它没有平面交叉，而各走上下行线，因而可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。

在战时，还可以起到人防的功能。

5．航运隧道——当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题。

一般需要绕行很长的途程。

如果层层设立船闸则建设投资很大，运转和维修的费用也很高，而且过往船只延误时间很多。

如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短航程，又可以省掉船闸的费用，迅速而顺直地驶过，航运条件就大为改善了。

6．人行地道——在城市闹区中，行人众多，往来交错，而且与车辆混行，偶有不慎便会发生交通事故。

在横跨十字路口处，即使有指示灯和人行横道线，但快速的机动车，也不得不频频地减速，甚至要停车避让。

为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高架桥以外，也可以修建人行地道来穿越街道或跨越铁路、高速公路等。

这样可以缓解地面交通互相交叉的繁忙景象，少占用地面空间，同时也大大减少了交通事故。

（二）水工隧道

水工隧道是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。

水工隧道包括以下几种：

1．引水隧道——进行水资源的调动或把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。

引水隧道有的内部充水，因而内壁承压，有的只是部分过水，因而内部只受大气压力而无水压。

分别称之为有压隧道和无压隧道。

2．排水隧道——它是把发电机组排出的废水送出去的隧道。

我国上海横跨黄浦江，全长2793m的延安东路南线越江水底隧道，把黄浦江两岸的交通联接起来了。

介绍我国北京、上海、广州、天津等城市修建地下铁道情况。

以兰州市人行地道情况为例进行讲解

以刘家峡水电站威力进行讲解

3．导流隧道或泄洪隧道——由它疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪作用。

4．排沙隧道——它是用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带运出水库。

有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。

（三）市政隧道

市政隧道是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。

市政隧道有：

1．给水隧道——供给城市自来水

2．污水隧道——排放城市污水

3．管路隧道——放置煤气、暖气、热水等的管路

4．线路隧道——放置输送电力的电缆以及通讯的电缆

在现代化的城市中，将以上四种具有共性的市政隧道，按城市的布局和规划，合建一个大隧道，称之为“共同管沟”。

共同管沟是现代城市基础设施科学管理和规划的标志，也是合理利用城市地下空间的科学手段，是城市市政隧道规划与修建发展的方向。

5．人防隧道——是为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。

人防隧道在修建时应考虑人生活环境的一般要求，除应设有排水、通风、照明和通讯设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此外在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。

同时，要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。

（四）矿山隧道

为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。

其中有：

1．运输巷道——向山体开凿隧道通到矿床，并逐步开辟巷道，通往各个开采面。

前者称为主巷道，为地下矿区的主要出入口和主要的运输干道。

后者分布如树枝状，分向各个采掘面。

2．给水隧道——送入清洁水为采掘机械使用，并将废水及积水，通过泵抽，排出洞外。

3．通风隧道——矿山地下巷道穿过许多地层，将会有多种地下气体涌入巷道中来，再加上采掘机械不断排出废气，还有工作人员呼出气体，使得巷道内空气变得污浊。

如果地层中的气体含有瓦斯，在含量达到一定浓度后，将会发生危险。

轻者将人窒息，重则引起爆炸。

因此，净化巷道中的空气，创造良好的工作环境，必须设置通风巷道，用通风机及时把有害气体和污浊空气排除出去，并把新鲜空气补充进来。

以兰州市市政隧道为例进行讲解

以学校后山人防洞为例进行讲解

结合图片进行讲解

结合图片进行讲解

三、隧道的发展历程

（一）隧道工程的历史

隧道的产生和发展是和人类的文明历史发展相呼应的，大致可以分为如下4个时代：

1．原始时代——即人类的出现到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时代。

人们利用天然洞穴作为栖身之所，并且逐步会在平原地区自己挖掘类似天然洞穴的窑洞来居住。

此时的隧道是用兽骨、石器等工具开挖，修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中。

2．远古时代——从纪元前3000年到5世纪，即所谓的文明黎明时代，是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代。

我国古代的帝王将相在地下修建一些坟墓陵寝。

如长沙的楚墓、洛阳的汉墓。

明朝的定陵更是壮丽堂皇，成为今人游览的名胜。

我国古籍《左传》中，曾有“隧而想见”和“晋侯…以隧”的记载，说明当时已经有过通道式的隧道了。

又如，古埃及金字塔的建设就开始修建了地下建筑。

纪元前2200间的古代巴比伦王朝为连结宫殿和神殿而修建了约1km长的隧道，断面为3.6m×4.5m，施工期间将幼发拉底河水流改道，采用明挖法建造，该隧道是一种砖砌建筑。

3．中世纪时代——约从5世纪到14世纪的1000年左右。

由于对地下铜、铁等矿产资源的需要，开始了矿石开采。

4．近代和现代——即从16世纪以后的产业革命开始。

这个时期由于炸药的发明和应用，加速了隧道技术的发展。

如有益矿物的开采、灌溉、运河、公路和铁路隧道的修建，以及随着城市的发展修建地下铁道、上下水道等，使得隧道的技术得到极大的发展，其应用范围迅速扩大。

据现有资料记载，世界上最早的隧道是纪元前2200年，巴比伦国王为连接宫殿和神殿而修建的隧道。

我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年，是供马车和行人通行的。

我国第一座铁路隧道修建在台湾，是基隆到台南的铁路线线上一座长仅261m的窄轨净空隧道。

1907年在京包线上修建了八达岭隧道。

这是由我国工程师詹天佑主持施工的。

他是我国铁路工程界最早的卓越人才。

（二）建国以来隧道工程的发展和成就

京广线上大瑶山隧道长为14295m；秦岭终南山公路隧道（双洞、单向、双车道）长为18100m（是目前我国最长的公路隧道）；西安安康线上的秦岭隧道长为18456m；兰武二线上的乌鞘岭隧道长达20050m。

在海拔5070m的高原上修建了全长1338m的风火山铁

举例讲解

路隧道，该隧道轨面标高为4905m；在零下40℃的严寒地区修建了枫叶岭隧道；在黔桂线上，克服了2000m3/h大量涌水的困难，修建了东山坪隧道；在京广线上，克服了流沙滚冒的困难，修建了长沙隧道；在桂昆线上，防止瓦斯量达60m3/h的威胁，修成了岩脚寨隧道。

实践证明，我国已经能够在各种不良地质条件下修建隧道了。

机械钻孔已由人力持钻进到支腿架钻，又进而采用风动和液压的钻孔台车。

在西安-安康铁路上18456m长的秦岭隧道的修建中使用了包括全断面掘进机在内的现代隧道施工机具，实现了隧道施工的机械化。

公路隧道和地下铁道使用了半机械化盾构和机械化盾构。

采用沉管法修建了珠江的黄沙隧道和甬江隧道，这些水下隧道的成功修建，在很大程度上改变了“遇水架桥”的思维定式。

在隧道工程的理论方面，分析结构内力的方法，已经从结构力学计算转到以矩阵分析的方式用电子计算机计算，并进一步用有限元方法进行分析；从把地层压力视为外力荷载，到把围岩和支护结构组成受力统一体系的共同作用理论；从过去认为地层岩体为松散介质，进而考虑岩体的弹性、塑性和粘性，以及各种性质的转变，拟出各种能进一步体现岩性的模型，进行受力的分析；在隧道的设计计算理论中已经引入了不确定性的概念，现正向可靠度设计过渡。

由于地下建筑物不占地面面积，具有抗震稳定性，国防上有隐蔽性等优点，于是充分利用地下空间的途径逐渐为人们所重视。

在工业方面建成了许多地下仓库，地下工厂、地下电站、地下武器库、地下停车场、地下粮仓等。

在人民生活方面，建造了形成网络的防空洞、地下影院、地下招待所、地下游乐场、地下体育中心、地下街、地下餐厅、地下会堂、地下战备医院和地下养殖场等。

到目前为止，地下工程已经发展到国民经济的各个部门中去，成为人们活动的又一层世界。

（三）国外隧道的发展情况

用于交通线上的第一座隧道是纪元前2180年在巴比伦城中幼发拉底河下修造的一条地下人行道。

位于法国的马赛至罗纳的水路干线，本来需要绕过地中海，航程几十公里而且风浪很大安全也无保证。

修了一条罗佛（Rove）航运隧道以后，航程缩短为7km，而且快速平稳，巨型内河航船可以双向行使，十分便利。

蒸汽机车牵引的第一座铁路隧道，就是1826~1830年在美国利物浦至曼彻斯特的铁路上修建的隧道，全长1190m。

1857~1871年间，建成了联接法国和意大利的仙尼斯山隧道，长为12850m；1898年意大利又修建了辛普伦隧道，长达

结合图片讲解

举例

举例说明

19700m；1971年日本新干线上修建了大清水隧道，全长为22230m；1988年日本修成了位于本州和北海道两大岛之间横跨津轻海峡的铁路干线上的青函隧道，全长53850m，在目前是世界上最长的铁路隧道。

美国修了宾西发尼亚东河水底隧道，长为7190m；日本修建了新关门隧道，长达18675m。

近期又修建了自本洲青森至北海道的函馆间的青函海底隧道，长达53850m，海底部分就有23300m。

这是目前世界上最长的水底隧道。

奥地利修建了阿尔贝格（Arlberg）公路隧道，长为13927m；瑞士修了圣哥达（St.Gothard）公路隧道，长为16918m；挪威正在修建的Aurland——Laerdal公路隧道，长度达24500m。

这是目前最长的公路隧道。

1863年英国伦敦修筑了第一条地下铁道。

美国纽约的地下铁道已修了393.5km，英国伦敦也修了总长为387.9km的地下铁道。

而且把地上、地下的交通联接起来，成为城市中的立体交通网。

地下铁道的建筑，也一天比一天规模宏大、雄伟壮观。

德国慕尼黑地下铁道的卡尔广场车站建筑就上下深达六层。

第一层是人行通道及商店餐厅；二层作为货栈及仓库；三、四层为地下停车场，可同时容纳800辆汽车；五、六层才是车站集散厅及车道。

华盛顿的地下铁道已经用电脑指挥和控制列车运行。

在钻进工具方面，出现了联合掘进机，使用液压凿岩，它能以最佳工况适用于各种岩石，效率高、噪音低，能改善工作环境。

以后又加上了高压射水，以高压水结合滚刀综合破岩，大大地提高了机械效率，而且由于不需要太大的推力，有可能把掘进机的机身变得轻巧。

最近欧洲开始使用预切施工法，以链条式的切割机切出沟槽，然后在其内部断面进行爆破开挖。

与此类似，有所谓扩挖法。

先爆破出80%的断面，然后用履带式的扩孔机挖出整齐的周边，即可减少超挖，又可最少地扰动围岩。

在日本采用冻结法的实例很多。

在城市地区，为了不危及临近建筑物的安全，常常人工地把围岩冻结起来，再进行开挖。

瑞士的苏黎士城公路隧道，在密集的建筑群的地底下仅6~8m的薄薄土层下面，开挖了一个断面面积为12.1m×14.3m并且不允许地面有较大沉陷条件下的公路隧道，就是采用了冻结法的成功范例。

近年来，日本还研制出一种静态破碎剂，可以进行安全而无公害的爆破。

对于在城市建筑物群中，拆除某建筑物或地下洞室扩挖时，使用它最为合宜。

它不发生爆破冲击的噪音，不产生有破坏力的震动，可以破碎任何种类的岩石。

科研方面在如何解决城市内开挖地下工程所引起的地层沉陷问题上已经取得了可喜成绩，现在正在探讨地下工程

美国

奥地利

英国

欧洲

施工对城市繁华街道的干扰如何减至最小的问题、地下工程施工时如何保护环境的问题、地下工程的可持续发展以及开发建设过程中的技术立法问题和保证正常使用的情况下如何降低造价的问题。