第一讲隧道工程概述docdoc

　　第1章 绪论 1.1 隧道工程的基本概念 1. 什么是隧道（tunnel）？ 是一种修建在地下的工程建筑物。（中国大百科全书[土木工程卷 P528]所下的定义为：）修建在地下、两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线. 隧道及地下工程（tunnel and underground engineering ） 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。 也指在岩体或土层中修建的通道和很多类型的地下建筑物。 3. 衬砌 在修建隧道时，一般先在地层内挖出具有一定几何形状的“坑道”（如圆形、矩形、马蹄形 等），然后沿坑道周边建造永久的支护结构——即称之为“衬砌” ，以防止四周岩层的变形塌落、涌水，保证使用安全。 4. 洞门 洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。 1. 2 隧道的分类及其作用 1.2.1 隧道的种类非常之多，从不同的角度有不同的分类方法。 1 根据用途分类：交通隧道、水工隧道、城市隧道和矿山隧道 （1）交通隧道 交通隧道是应用最广泛的一种隧道，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，一般来说包括有以下几种。 1）公路隧道—专供汽车运输行驶的通道。 过去，在山区修建公路为节省工程建设价格，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。跟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、减少事故等方面起到重要的作用。我国正在修建的秦岭终南山隧道长18.1km，它的建成将翻越秦岭的道路缩短约60km，时间减少2个多小时。 2）铁路隧道—-专供火车运输行驶的通道。 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，最大限坡小于24‰（双机牵引），而这些山岭地区限于地形，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座隧道，占线％。可见山区铁路隧道的作用了。 3）水底隧道—-修建于江、河、湖、海、洋下的隧道，供汽车和火车运输行驶的通道。 当交通线路跨越江、河、湖、海、洋下时，可以再一次进行选择的方案有架桥、轮渡和隧道，但架桥受净空的限制，轮渡限制通行量，如果这些矛盾得不到有效的解决，水底隧道是一种很好的方案，其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优点；慢慢的受到人们青睐，在我国上海跨越黄浦江、广州穿越株江都修建跨江的水底隧道。缺点是造价较高。 4）地下铁道—修建于城市地层中，为解决城市交通问题的火车运输的通道。 地下铁道是在大城市中解决交通拥挤、车辆堵塞的有效途径之一，由于能大量、快速、安全、准时输送乘客，成为大城市解决交通矛盾的有力手段。我国北京、上海、广州等城市已经建成的地下轨道交通系统，为改善城市的交通状况，减少交通事故起到了重要的作用。其它城市，如深圳、南京、青岛、大连、武汉、沈阳、重庆、哈尔滨、成都等已在规划和修建地下铁道。 5）航运隧道－-专供轮船运输行驶而修建的通道。 当运河需要跨越分水岭时，克服高程的有力手段是修建运河隧道，其优点是缩短航程，减少运营费用，河道顺直，航运条件大大改善。 6）人行隧道－专供行人通过的通道。 一般修建于城市闹区穿越街道或跨越铁路、高速公路等行人众多，往来交错，车辆密集，偶有不慎便会发生交通事故的场合。人行隧道的作用是缓解地面交通压力，减少交通事故，方便行人。 （2）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－是将水引入水电站的发电机组或水资源的调动而修建的孔道。 2）尾水隧道—用将水电站发电机组排出的废水送出去而修建的隧道。 3）导流隧道或泄洪隧道—水利工程中疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪而修建的隧道。 是水利工程的的一个重要建筑，其作用主要是泄洪。 4）排沙隧道——它是用来冲刷水库中淤积的泥沙而修建的隧道。 是水库建筑物的一个组成部分，其作用是利于排沙隧道把泥沙裹带送出水库。同时也用来检查或修理时，放空水库里的水。 （3）市政隧道 在城市的建设和规划中，充分的利用地下空间，将各种不同市政设施安置在地下，而修建的地下孔道，称为市政隧道。市政隧道与城市中人们的生活、工作和生产关系十分密切，对保障城市的正常运转起着重要的作用。其类型主要有： 1）给水隧道一为城市自来水管网铺设系统修建的隧道。 在城市中，有序合理的规划和布置与我们正常的生活和生产息息相关给水管路，是城市市政基础设施的重要任务，要求不破坏市容景观，不占用地面，避免遭受人为的损坏。因此，修建地下孔道来容纳安置这些管道是一种合理的选择。 2）污水隧道—为城市污水排送系统修建的隧道。 城市的污水，除部分对环境污染严重的采用净化返用或排放外，大部分的污水需要排放到城市以外的河流中去。这就需要有地下的排污隧道。这种隧道一般都会采用本身导流排送，此时隧道的形状多采用卵形，也可能是在孔道中安放排污管，由管道排污。排污隧道的进口处，多设有拦碴隔栅，把漂浮的杂物拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。 3）管路隧道一为城市能源供给（煤气、暖气、热水等）系统修建的隧道。 城市中的管路隧道是把输送能源的管路放置在修建的地下的孔道中。经过防漏及保温措施处理。能源就能安全地输送到生产和居家的目的地。 4）线路隧道—为系统修建的隧道。 在城市中，为了能够更好的保证电力电缆和通讯电缆不被人们的活动所损伤或破坏，避免悬挂高空影响市容景观。都修建专门的地下孔道安置它们。 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，建成一个共用隧道，称为“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，也是合理规划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）人防隧道一是为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。 城市中建造人防工程，是为了预防战争空袭的需要。人防工程是在紧急状况下，人们避难所用的，因此，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，还应考虑贮备饮水、粮食和必要救护设备。在洞口处还需设置防爆、防冲击波装置等。 （4）矿山隧道 在矿山开采中，为了能从山体以外通向矿床和将开采到的矿石运输出来。是通过修建隧道来实现的，其作用主要是为采矿服务的，有下列几种。 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人口和主要的运输于道。后者分布如树枝状，分向各个采掘面。此种巷道多用临时支撑，仅供作业人员进行开采工作的需要。 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 矿山地下巷道穿过的地层，一般都有地下有害化学气体涌出，采掘机械业要排出废气，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，将会危及人身安全。因此，净化巷道的空气，创造好的工作环境，必设置通风巷道，把有害化学气体排除出去，补充新鲜空气。 2 按隧道长度分（山岭隧道） 隧道分类 特长隧道 长隧道 中长隧道 短隧道 铁路（L：m） ＞10000 10000~3000 3000~500 ≤500 公路（L：m） ＞3000 3000~1000 1000~500m ≤500 3 按照隧道断面积 （1）特大断面隧道（100m2 （2）大断面隧道 （50～100m2） （3）中等断面隧道（10～50 m2） （4）小断面隧道 （3～10 m2） （5）极小断面隧道（3 m2 4 按所处位置分 山岭隧道、城市隧道、水底隧道 5 按施工方法分 钻爆法隧道、明挖法隧道、机械法隧道、沉埋法隧道 6按断面形状分 圆形隧道、矩形隧道、马蹄形隧道、椭圆形 1.2.2 山岭交通隧道是指专供铁路或公路运输使用的地下工程结构物。它是铁路或公路的重要组成部分之一。修建这类隧道具有以下主要功用： （1）克服高程障碍 在线路翻越山岭地段，通过修建隧道可减少展线长度，使线路平直。这是山岭交通隧道的最大功能，一般把这种隧道称为越岭隧道。 举例：计划在2013年贯通的兰渝铁路西秦岭隧道，长28.236km，兰渝铁路全线建成通车后，兰州至成都和重庆的铁路运输距离将由现在的１１７２公里和１４６６公里，分别缩短至８３６公里 （2）裁弯取直（缩短线路） 在线路沿河谷绕行时，为避免不良地质地段，如滑坡等，用隧道来裁弯取直时，可缩短线 路长度（这种隧道一般称为傍山隧道或河谷隧道）。 举例： 大瑶山隧道，建成后，比既有铁路坪石至乐昌间缩短约15公里。 （3）避开不良地质地段 对于易发生塌方、掉石、泥石流、滑坡等 病害地段，修建隧道可大大改善运营条件，保证行车安全，节省养护维修费用。当一条线路有很大的可能是从滑坡地段上通过时，可把线路往里挪动一些，用隧道通过。 （4）避开其他重要建筑或工程等 举例：与公路、城市主干道的交叉处 ；穿越城区重要建筑物； 穿越城区重要风景、园林区域 1. 3 隧道工程的特点 1 优点 (1) 缩短线路长度，减少能耗（截弯取直） (2) 节约土地 随着人口的一直增长，土地越来越宝贵，尤其是在城市，地皮价格不断上涨，这便是现在世界上很多城市的建筑向底下发展的原因之一， 目前世界上的科技发展正在开拓着两个新的领域：一个是宇宙空间，另一个是地下空间，也就是“上天入地”，因此，隧道工程将会起着逐渐重要的作用。 举例：我国各大城市竟相发展地下铁道：北京、上海、广州、深圳、南京等。 (3)有利于保护环境 当今世界面临人炸，土地退化，资源短缺，生态变坏，气候反常，环境恶化，人类赖以生存的地球已不堪重负，各国都把地下发展当成一种新型国土资源来看待。 (4)应用场景范围广泛 2 缺点 (1) 造价较高 由于隧道是修建在地下的建筑物，所以工程量和造价比其它建筑结构都要高，一般是普通线倍左右。目前我国单线 万元/m，双线万元/m；公路隧道大约与双线) 施工期限长 由于修建隧道时场地狭小，工作流程环节较多，施工工序多，工程量也比路基等大，往往成为一条线路中的关键工程，如衡广复线的卡脖子工程便为南岭和大瑶山两个长大隧道。 (3)施工作业环境和条件较差 因为隧道建筑是地下作业，工作面狭小，光线暗、空气潮湿、劳动条件差，因此，发展机械化施工是改善工人劳动条件、提高劳动生产率的唯一途径。 1. 4 隧道工程的发展概况 1.4.1 1 国际上 上古时代，人们慢慢的开始挖掘穴居的窑洞； 到公元前2180~2160 年前后，在古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道，是迄今已知的最早用于交通的隧道，为砖砌构构造物，奴隶在极危险的作业条件下完成的，长190m； 古罗马时代（公元前后），利用棚架支护和卷扬提升方法，开挖了数量较多的军用隧道和水工隧道，开挖方法是火烧开挖面，烧热后急速波冷水使岩石开裂形成； 而现代隧道开挖技术的产生是在火药的发明和19世纪的产业革命后出现的， 尤其是铁路的出现对交通隧道起到了很大的推动作用：（如教材P3中所述，）第一座隧 道用蒸汽机车牵引的铁路隧道是 1826~1830 年在英国利物浦至曼彻斯特的铁路线m；火药的改进和钻眼工具的创制，促使隧道的修建技术有了显著的提高，其 中比较有影响的是 1898 年建成了穿越阿尔卑斯山的辛普郎隧道。在该座隧道中， 第一次应用了（油）和凿岩机；目前世界上最长的山岭铁路隧道是日本的大清水隧道，全长 22.23km （1980），而目前最长的交通隧道是日本的青函隧道（53.85km），这是一条铁路隧道，坐飞机与坐火车相比只快 7 分钟）。最长的公路隧道是挪威 的Laerdal隧道 24.51km；位于瑞士中部的圣哥达（St.GoHhard）隧道，全长16.3km 也比较著名。 (2) 国内 春秋时代《左传》就有“隧而相见”，说当时已然浮现过通道式的隧道了。 到了三国时期的“官渡之战” ，曹操也通过掘地道的方式进攻过袁绍； 同时，封建时期各个朝代的帝王坟墓陵寝均修在地下（如唐朝的帝王墓都是依山为陵）； 几千年前的地下开采矿业也用到过隧道。17世纪初宋应星所著《天工开物》是我国有关地下工程方面的最早的书籍，它详细记载了竖井采煤法；最早用于交通的隧道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中县褒谷口内，建 于东汉明帝永华九年。 在近代，我国修建隧道的历史约有100多年， 最早的是清朝在台湾修建的狮球岭隧道 （日期为 1887.6~1891 年，轨距 1067mm，长 261.4m，最大埋深 61m），位于台北— —基隆线上； 而完全由中国人自行设计和修建的隧道则是詹天佑负责设计的八达岭隧道。 在现代（解放后）， 已建成的最长铁路隧道：石太客运专线km ， 已建成的最长公路隧道：秦岭终南山隧道 18.4km 1.4.2 1 国际上 隧道工程的长度标志着一个国家发展的水平。 典型实例: 日本的三代清水隧道，该隧道穿越海拔2000m的谷川山脉： 第一代清水隧道于1929年12月完工，长9.702Km，东口仍有展线Km，东口展线消除， 但坡度较陡； 1972年为了修建上越新干线高速铁路，为使线路更平顺，位置更低又建，造了第三代清水隧道，长22.222Km；线路标准一条比一条高。 另外，日本——南朝鲜、西班牙——摩洛哥的直布罗陀海峡、意大连接西西 里岛等海底隧道正在建设之中，它们可望在几十年内实现。 2 我国 我国的隧道建造技术的发展大多数表现在： （1）实施工程技术发展：从比较原始落后到拥有现代化机械设备做施工的过程。 1950年前（解放前），钢钎，大锤加手工劳动—— 19世纪50年代， 便使用风钻和小型装碴机，建造的主要铁路干线是宝成、 川黔线， 有代表性的隧道是凉风垭隧道，4270m，25km/年——19世纪60年代，便有了钻孔台车和装碴运输机，建造的主要干线是成昆线、贵昆 线和湘黔线，有代表性的隧道是成昆线年代， 因，技术和设备基本保持现状，但隧道修建并为停止，这期间，建造的主要铁路干线是襄渝线、京原线、枝柳线，典型隧道是京原线年代，

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