隧道及地下工程

廿一世纪人类面临着人口、粮食、资源和环境的四大挑战，这决非是危言耸听、杞人忧天。它如晨钟暮鼓，告诫人们必须从现在开始认真研究对策。“可持续发展”被作为国策提出来了，摆在每个学科、每个产业的面前，土木工程界也应顺潮流而检讨自己。大量的土建工程拔地而起，每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代，并且无法再生，居住、交通、环境的矛盾日益突出。把地面活土多留点给农业和环境，使地下空间成为人类在地球上安全舒适的第二个空间，是土木建筑工作者的紧迫课题。国际上已提出把“廿一世纪作为人类开发利用地下空间的年代”，日本提出要利用地下空间，把国土扩大数倍。中国也开始重视地下空间利用的立法工作，各地区已开始进行地下空间的开发规划。但由于技术立法不够，在这方面出了不少问题，花费了许多不该花的工程费。本文不愿多谈成功的一面，仅将这些年来在地下空间开发所产生的问题进行思考，供廿一世纪参考。

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。

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。各文明古国曾修建过地下墓室，灌溉、给水、排水隧洞，采矿巷道及地下粮仓等。中国汉代在今陕西褒城修隧道时，曾用火煅石法（用柴烧炙岩石，然后泼以水或醋，使之粉碎）开通了长14米、宽3.95～4.25米、高4～4.75米的石门隧洞。19世纪20年代，蒸汽机的出现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 年英国修建了长770米的泰勒山单线铁 路隧道和长 2474 米的维多利 亚双线铁路隧道 ；1860年开始修建伦敦地下铁道。19世纪60年代以前，修建隧道都是用人工凿孔和黑火药爆破施工。1861年修建仙尼斯峰铁路隧道时，首次使用风动凿岩机。1867年修建胡萨克铁路隧道时用硝化甘油炸药。20世纪初采用中央导坑法施工，年平均进度达4.5千米 。中国第一座铁路隧道是 1887～1889年台湾省台北至基隆窄轨铁路上的狮球岭隧道 ，长261米 。京张铁路八达岭隧道 ，长1091米 ，建于1907～1908年 。1950年以前中国建成238座隧道 ， 总延长8.9千米 ；1950～1984年共建成铁路隧道4274座 ，总延长2014.5千米 ， 至20世纪50年代，人们才总结出各类隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，并在土木工程中形成一个独立的工程领域。

交通拥堵已经成为城市致命的瓶颈，人们在拥堵中等待、愤怒、绝望，也开始因为渴望速度而寻找方向。当一个名字叫地铁的尤物可以让交通烦恼消却、速度诱惑满足时，几乎所有的中国城市都爱上了她，开始了轰轰烈烈的地铁建设之旅。地铁的另类空间激发着人们的国际化大都会想象力和商业想象力，地铁天文数字般的投资令城市人痛并快乐着，地铁承载着所有都市人内心的柔软和抒情，令那些对城市失望的人可能重新爱上城市。甚至可以说，地铁是都市生活不可或缺的道具，如果没有地铁，你都不好意思自称自己是大城市。

隧道及地下工程专业是根据中国城市发展的趋势和当前城市地下工程人才匮乏的实际情况而设立的新专业，主要培养具有坚实的数学、力学等自然科学基础和人文社会科学基础，掌握城市地下工程勘察、规划、工程材料、结构分析与设计、机械基础及工程机械、电工技术、工程测量、施工组织和工程概预算、工程监理等方面的基本技术和知识，具备从事隧道及地下工程的规划、设计、研究、开发利用、施工和管理能力，具有较强的计算机应用能力和较高的外语水平的高级技术人才。

隧道及地下工程一般分为勘测设计和施工两大阶段。

①勘测设计。隧道位置的选择一般应服从路线走向。由于隧道工程数量、造价、工期控制等因素，隧道位置在选线方案中是经济技术比较的重要组成部分。对不良地质地段的隧道，特别是长大复杂隧道线及全线或局部线路方案的成立与否，必须精心勘测设计。通过对隧道位置所处的地形 、地质、水文等要素的测绘、勘测、测试及综合评定，设计正洞和明洞的长度和结构，决定施工方法，设计辅助坑道、排水系统和附属工程。

②施工。按设计图纸实施隧道掘进、衬砌和安装作业的过程。施工方法分明挖法和暗挖法。前者多用于浅埋隧道和地下建筑。对于大多数隧道和地下工程，多用暗挖法施工，并按开挖方法和所用机具分为矿山法、盾构法和地下连续墙法 。 此外 ，修筑水底隧道时 ，可用沉管法；穿越铁路、道路、河流或建筑物时，可用顶管法；修建地下的池槽、厂房、仓库和地下井时，还可使用沉井法。

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比较稳定，节能，可作为各类贮库和冷藏库。

⑤造价昂贵，只有在论证它有充分的战术、技术和经济效益时才宜兴建。

⑥施工期限长，施工作业面较窄，可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，这种情况正在改善。

⑦穿越地层的地质条件复杂多变，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，要求有关规划、勘测、设计、施工和使用管理部门密切配合。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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）。

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、川及闽、浙一带可以有选择地利用天然溶洞；在西北黄土高原可利用喷锚支护和加强通风照明来修建窑洞民居。各大城市加强地下交通运输系统和公用管道的规划，以及民防和市政地下工程的总体规划。隧道及地下工程的结构理论研究中，新的学科——地下结构施工力学正在形成。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。

　　作者：陈志敏、欧尔峰、马丽娜

　　ISBN：9787302346098 ^[1]  　定价：58元
　　印次：1-1
　　装帧：平装
　　印刷日期：2014-1-17

出版社：清华大学出版社

　　本书主要介绍隧道及地下工程的基本概念和发展历程，特性及利用形态，选址与方案比选，平、纵断面设计，结构构造，地质环境，设计原理与方法，施工方法，施工组织设计与施工管理，养护维修，高速铁路隧道及大断面隧道和施工机械等内容。
　　本书可作为高等院校教学用书，还可供从事隧道及地下工程设计、施工及养护的工程技术人员参考。

　　21世纪是地下空间大发展的世纪。随着我国国民经济的快速发展和西部大开发的深入推进，地下空间的开发和利用进入新的发展阶段，亟须大量的基础扎实、视野宽广的综合性工程技术人才。对于承担高素质人才培养重任的高等院校，不仅需要传授隧道与地下工程设计、分析理论与施工方法的基础知识，还应能够使学生理解这一领域的先进理念和科学思维方法。为了满足这一要求，作者编著了《隧道及地下工程》这本教材，供大家参考。
　　本教材全面介绍了隧道及地下工程的基本概念和发展历程、设计原理与施工方法，也介绍了其特性及利用形态、选址与方案比选、平纵断面设计、结构构造、地质环境、施工组织设计与施工管理、养护维修、高速铁路隧道及大断面隧道和施工机械。结合目前隧道及地下工程的发展，补充了不很多新理论、新技术。
　　本教材注重培养学生解决实际工程技术问题的能力。教材内容丰富，信息量大，知识结构系统，理论与实践并重，并将经典理论、方法与新方法、新技术相结合，引导学生掌握理论知识。
　　本教材为土木工程专业隧道及地下工程方向本科生教材，也可作为相关专业研究生和地下工程设计施工人员的参考书。
　　本教材的编写人员均具有丰富的教学经验，参加编写的有陈志敏、欧尔峰和马丽娜。李德武教授对全书进行了审阅，清华大学出版社的赵益鹏编辑也对本书的完善提出了大量宝贵意见和建议，在此深表感谢！
　　本教材在编写过程中，参阅了许多学者的著作，并吸纳了其中的一些成果，有些资料甚至出处不甚明了，在此对所有作者表示诚挚的谢意！
　　由于时间仓促和水平所限，如有错误或不妥之处，期望同行专家及阅读本书的读者提出批评意见和建议，以便在再版中得到改正和完善，作者表示衷心的感谢！
　　编者
　　2013年12月于兰州

　　第1章绪论

1.1隧道及地下工程基本概念

1.2隧道及地下工程的分类及作用

1.2.1隧道工程的分类及作用

1.2.2地下工程的分类及作用

1.3隧道及地下工程的发展历程

1.3.1隧道及地下工程的发展历史

1.3.2我国隧道及地下工程的发展概况

1.3.3国外隧道及地下工程的发展概况

1.4本课程的研究内容及任务

习题

第2章隧道及地下工程特性及利用形态

2.1隧道及地下工程的特性

2.1.1工程特性

2.1.2空间特性

2.1.3经济性及可持续性

2.1.4隧道及地下工程的优缺点

2.2隧道及地下工程的利用形态

习题

第3章隧道及地下工程选址与方案比选

3.1规划原则

3.2调查和勘测

3.2.1调查

3.2.2勘测

3.3隧道工程选址及方案比选

3.3.1位置选择

3.3.2方案比较

3.3.3隧道洞口位置的选定

3.4其他地下工程选址

3.4.1地下铁道选址

3.4.2地下(商业)街、地下停车场选址

3.4.3伴随科学技术发展而利用的地下工程选址

3.4.4防御和减少灾害的地下设施选址

习题

第4章隧道及地下工程平、纵断面设计

4.1铁路隧道平、纵断面设计

4.1.1平面设计

4.1.2纵断面设计

4.2公路隧道平、纵断面设计

4.2.1平面设计

4.2.2纵断面设计

4.2.3连接线

4.3其他地下工程平、纵断面设计

4.3.1地下铁道

4.3.2地下街

4.3.3地下停车场

4.3.4地下综合体

4.3.5地下共同沟

习题

第5章隧道及地下工程结构构造

5.1隧道洞身衬砌

5.1.1衬砌类型

5.1.2衬砌结构构造

5.1.3衬砌的一般构造要求

5.2明洞

5.2.1拱式明洞

5.2.2棚洞

5.3隧道洞口景观与结构

5.3.1隧道洞口景观设计原则

5.3.2隧道洞门分类

5.4隧道附属建筑物

5.4.1通风建筑物

5.4.2避车洞

5.4.3防排水建筑物

5.4.4电缆槽及高低压供电

5.4.5伸缩缝、沉降缝与施工缝

5.5其他地下工程结构构造

习题

第6章隧道及地下工程的地质环境

6.1概述

6.2围岩的工程性质

6.2.1岩体的变形特性

6.2.2循环荷载作用下岩体的变形特性

6.2.3岩体的强度

6.2.4岩体的流变特性

6.2.5岩体结构分类及其破坏特征

6.3围岩的初始应力场

6.3.1围岩初始应力场的组成

6.3.2初始应力场的变化规律

6.3.3围岩初始应力场的确定方法

6.4地下洞室围岩分级的影响因素和指标

6.4.1影响围岩稳定性的主要因素

6.4.2围岩分级(类)的因素指标及其选择

6.4.3围岩分级(类)的发展方向

6.5国内外主要地下工程围岩分级（类）标准

习题

第7章隧道及地下结构设计原理与方法

7.1概述

7.2隧道及地下结构的设计原则与设计内容

7.2.1隧道及地下结构的形式的选择

7.2.2围岩与支护结构的相互作用机理

7.2.3支护结构的基本要求

7.2.4地下结构的设计内容

7.3隧道及地下结构体系的计算模型

7.3.1建立计算模型的原则

7.3.2常用的计算模型

7.4围岩压力

7.4.1围岩压力分类

7.4.2确定围岩松动压力的方法

7.5隧道及地下结构体系设计计算方法

7.5.1结构力学方法

7.5.2岩体力学方法

7.5.3以围岩分级为基础的经验设计方法

7.5.4监控设计方法

7.6隧道及地下结构有限元分析

习题

第8章隧道及地下工程的施工方法

8.1隧道及地下工程施工概述

8.1.1隧道及地下工程施工的基本概念

8.1.2隧道及地下工程施工的特点

8.1.3隧道及地下工程施工方法及其选择

8.1.4隧道及地下工程施工技术的发展

8.2开挖、钻爆和装渣运输

8.2.1开挖方法及掘进方式

8.2.2爆破施工技术

8.2.3装渣运输方法

8.3新奥法

8.3.1新奥法的概念与原则

8.3.2新奥法理论要点及施工要点

8.3.3新奥法适用范围

8.4新意法

8.4.1新意法概念

8.4.2相关概念

8.4.3新意法隧道设计施工程序

8.4.4新意法与新奥法的比较

8.5其他施工方法

8.5.1浅埋暗挖法

8.5.2挪威法

8.5.3明挖法

8.5.4盖挖法

8.5.5掘进机法

8.5.6盾构法

8.5.7沉管法

8.5.8顶进法

8.6施工监控量测与信息反馈

8.6.1量测元件及仪器

8.6.2现场监控量测设计

8.6.3量测数据的反馈

8.7超欠挖与塌方

8.7.1超挖与欠挖

8.7.2塌方

8.8防排水与通风防尘措施

8.8.1地下水控制

8.8.2通风

8.8.3防尘

8.9支护措施

8.9.1预支护措施

8.9.2初期支护措施

8.9.3二次衬砌

8.9.4辅助坑道

习题

第9章隧道施工组织设计与施工管理

9.1隧道施工组织设计

9.1.1隧道各阶段施工组织设计的内容

9.1.2隧道实施性施工组织设计编制依据、原则及程序

9.1.3隧道施工前的准备工作

9.1.4施工进度计划

9.1.5施工组织设计案例

9.2隧道施工管理

9.2.1隧道施工计划编制

9.2.2隧道施工技术管理

9.2.3隧道施工质量管理

9.2.4隧道施工经济管理

9.2.5隧道施工安全管理

习题

第10章隧道及地下工程养护维修

10.1隧道养护维修概述

10.1.1隧道及地下工程养护维修基本概念

10.1.2隧道及地下工程病害现状

10.1.3隧道养护面临的问题

10.1.4隧道病害检查

10.1.5隧道病害的原因

10.1.6隧道病害维修养护原则

10.1.7养护及维修措施

10.1.8安全性及稳定性评价

10.2隧道档案的建立

10.3隧道水害及整治措施

10.3.1水害的种类及其危害

10.3.2水害产生的原因

10.3.3水害的分级

10.3.4水害的整治措施

10.4衬砌裂损及整治措施

10.4.1衬砌裂损的类型

10.4.2衬砌裂损的特点

10.4.3衬砌开裂的分级

10.4.4衬砌裂损的整治措施

10.5衬砌侵蚀及整治措施

10.5.1衬砌侵蚀的种类及危害

10.5.2衬砌侵蚀的分级

10.5.3混凝土侵蚀的整治措施

10.6隧道冻害及整治措施

10.7地震后隧道维修措施

习题

第11章高速铁路隧道及大断面隧道

11.1概述

11.1.1高速铁路及大断面隧道概念

11.1.2高速铁路隧道及大断面隧道的特点

11.2高速铁路隧道空气动力学问题

11.2.1主要空气动力学效应

11.2.2瞬变压力

11.2.3微气压波

11.3高速铁路隧道缓解气动效应设计

11.4大断面隧道设计

习题

第12章施工机械

12.1装渣机械

12.2运输机械

12.3凿岩台车

12.4喷锚机械

12.5衬砌模板台车

12.6全断面隧道掘进机

12.7臂式隧道掘进机

12.8盾构机械

12.8.1分类、特点及适用范围

12.8.2机械化盾构的主要结构及工作原理

习题

参考文献