隧道與地下工程 課件 第1章 緒論

本章提要：本章主要介紹了隧道及地下工程的概念、分類、特性及發(fā)展歷程，其中需重點學習掌握隧道及地下工程的概念、分類及特性等知識點。第一章

緒論1.1隧道及地下工程概念1.2隧道及地下工程的分類1.3隧道及地下工程的特性1.4隧道及地下工程的發(fā)展歷程

第一章

緒論

1.1隧道及地下工程概念

隧道及地下工程是土木工程的一個分支，指從事研究各種隧道及地下工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工與養(yǎng)護的一門應用科學和工程技術(shù)。

隧道是指兩端有出入口，具有特定使用功能的人工修建的地下建筑物。

1970年OECD（世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）隧道會議定義：以任何方式修建，最終使用于地面以下的條形建筑物，其空洞內(nèi)部凈空斷面在2m2以上者均為隧道。

隧道定義：以任何方式修建，最終使用于地表以下的條形建筑物，其空洞內(nèi)部凈空斷面在2m2以上者均為隧道。

——1970年，OECD（世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）隧道會議1.1隧道及地下工程概念

地下工程是指為開發(fā)利用地下空間資源而深入地面以下所建造的地下土木工程，包括鐵路隧道、公路隧道、綜合管廊、過街地下通道、地下房屋及地下構(gòu)筑物等。

對于地下工程，不同的行業(yè)有著不同的稱謂。

如公路和鐵路部門稱之為隧道工程，在礦山行業(yè)稱為巷道，水利部門稱之為隧洞，軍事部門稱之為坑道，在市政部門稱之為通道。1.2隧道及地下工程的分類

從不同角度區(qū)分，可得出不同的地下工程分類方法，最主要的有以下幾種。1.按使用功能分類2.按所處地質(zhì)環(huán)境（介質(zhì)）分類3.按埋置深度分類4.其他分類1.2.1地下工程分類（1）交通工程公路隧道、鐵路隧道、城市地鐵、地下過街通道等。（2）水利工程輸水隧道、水電站地下廠房、地下抽水蓄能電

站、地下水庫等。（3）市政工程給水排水管道及煤氣、供電、通信管線等。（4）人防工程軍事指揮所、地下醫(yī)院、軍火物資庫等。（5）工業(yè)工程地下廠房、地下核電站、地下火電站等。（6）民用工程地下商場、圖書館、體育館、展覽館等。（7）倉儲工程地下儲庫、食物、石油及核廢料儲存等。（8）采礦工程礦山運輸巷道、開采巷道等。

1.按使用功能分類2.按所處的地質(zhì)環(huán)境（介質(zhì)）分類

1）巖石地下工程

2）土體地下工程土體隧道3.按埋置的深度分類

按埋深可分為深埋地下工程和淺埋地下工程：1）深埋地下工程:

2）淺埋地下工程

式中h——洞頂襯砌外緣至地面的垂直距離（m）；

b——

為洞頂襯砌外緣的跨度或圓洞的直徑（m）；

a——系數(shù)，根據(jù)土壓力理論計算約為2.5。

也有按埋藏深度，將地下工程分為深埋、中深、淺埋地下工程。見下表：表1-1地下工程按埋深分類（m）名稱埋深范圍小型結(jié)構(gòu)中型結(jié)構(gòu)大型運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采礦結(jié)構(gòu)淺埋地下工程0~20~100~100~100中埋地下工程2~410~3010~50100~1000深埋地下工程＞4＞30＞50＞1000

交通隧道是一種應用最廣泛的地下工程，其作用是提供交通運輸和人行的通道。隧道是由主體建筑物和附屬建筑物構(gòu)成，主體建筑物是指洞身襯砌、和洞門，附屬建筑物包括通風、防排水、照明以及使用安全所需設(shè)備。1.2.2交通隧道1.交通隧道按使用功能分類公路隧道鐵路隧道地下鐵道水底隧道航運隧道人行地道（1）公路隧道—

專供汽車運輸行駛的通道。

高速公路要求線路順直、坡度平緩、路面寬敞，因此，道路在穿越山區(qū)時，出現(xiàn)了大量的隧道方案。隧道在改善公路技術(shù)狀態(tài)、縮短運行距離、提高運輸能力、減少事故等方面起到重要的作用。（2）鐵路隧道—

專供火車運輸行駛的通道。

鐵路坡限平緩，最大坡限小于24‰（雙機牽引）。限于地形，無法繞行，不能獲得通過展線所需的高程，因此，開挖隧道穿越山嶺是一種合理的選擇，既可以縮短線路、減小坡度也可以提高牽引能力。（3）地下鐵道—專供城市地層中火車運輸?shù)耐ǖ馈?/p>

地下鐵道能解決大城市交通擁堵的問題，并能快速運送乘客，可以將很大一部分地面乘客轉(zhuǎn)運至地下，節(jié)約乘客時間，便利乘客活動，戰(zhàn)時還可以作為人防。地鐵車站地鐵車站（4）水底隧道—

修建于江、河、湖、海洋下的隧道，供汽車和火車運輸行駛的通道。

架橋受凈空的限制，輪渡限制通行量。

隧道方案優(yōu)點是：不受氣候影響，不影響通航，引道占地少，戰(zhàn)時不暴露交通設(shè)施目標。

缺點是：造價較高。水中隧道水中隧道（懸浮隧道技術(shù)）越江公路隧道（沉管法）（5）航運隧道—

專供輪船行駛而修建的通道。

當運河需要跨越分水嶺時，克服高程的有力手段是修建運河隧道。

優(yōu)點：是可以把分水嶺兩邊的河道溝通起來縮短航程，減少運營費用，河道順直，航運條件大大改善。（6）人行地道——

專供行人通過的通道。

為了避免在橫跨十字路口處時，機動車頻繁減速甚至需要停車避讓行人，而修建于城市鬧市區(qū)穿越街道或跨越鐵路、高速公路的行人通道。它可以有效緩解地面交通壓力，減少交通事故，方便行人。2.其他分類按所處地質(zhì)條件不同：可分為土層隧道和巖石隧道。按所埋置深度不同：可分為淺埋隧道和深埋隧道。按所在位置不同：可分為山嶺隧道和水底隧道和城市隧道。按施工方式不同：可分為明挖隧道和暗挖隧道。

按長度不同：可分為特長隧道、長隧道、中長隧道和短隧道；其中，鐵路隧道和公路隧道的劃分標準又有所區(qū)別。

鐵路隧道和公路隧道有不同的長度劃分標準，如表：隧道分類特長隧道長隧道中長隧道短隧道鐵路隧道/m＞100003000~10000500~3000≤500公路隧道/m＞30001000~3000500~1000≤5001.2.3水工隧道

水工隧道是水利工程和水力發(fā)電樞紐的一個重要組成部分，按用途又可分為如下幾種。（1）引水隧道

將水引入水電站的發(fā)電機組或為水資源調(diào)動而修建的孔道；又因其內(nèi)壁是否承壓而分為壓力隧道和無壓隧道。引水隧道（2）尾水隧道

將水電站發(fā)電機組排出的廢水送出去而修建的隧道。向家壩尾水隧道（3）導流隧道或泄洪隧道。

為疏導水流或水庫并補充溢洪道流量超限后的泄洪而修建的隧道。導流泄洪隧道（4）排沙隧道。

為沖刷水庫淤積的泥沙而修建的隧道。有時也用來放空水庫里的水，以進行庫身檢查或建筑物修理。排沙隧道1.2.4市政隧道

在城市的建設(shè)和規(guī)劃中，充分利用地下空間，將各種不同市政設(shè)施安置在地下，而修建的地下孔道。

（1）給水隧道

為城市自來水管網(wǎng)鋪設(shè)系統(tǒng)修建的隧道?？刹黄茐氖腥菥坝^，不占用地面，避免遭受人為的損壞。

（2）污水隧道

為城市污水排送系統(tǒng)修建的隧道。這種隧道本身可以導流排送，也可以在管道中安放排污管。污水隧道（3）管路隧道

為城市能源（煤氣、暖氣、熱水等）供給系統(tǒng)修建的隧道，可以起到一定的防漏保溫作用。（4）線路隧道

為保證電力電纜和通信電纜不被人們的活動所損失或破壞，避免懸掛高空影響市容景觀，都修建專門的地下孔道安置它們，這些地下孔道多半沿街道兩側(cè)鋪設(shè)。

（5）人防隧道

是為戰(zhàn)時的防空目的而修建的防空避難隧道。人防工程不僅需有排水、通風、照明和通信設(shè)備，洞口還需設(shè)置各種防爆裝置，以保證人身安全。地下防衛(wèi)設(shè)施（新奧法）

（6）綜合管廊

是將電力、通信、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體的城市地下隧道。綜合管廊是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。地下電纜隧洞地下綜合管廊1.2.5礦山隧道

礦山隧道是礦山開采常設(shè)的一種隧道，從山體以外通向地下礦體。（1）運輸巷道

運輸巷道是礦車與行人的主要通道，用于人、材、物和設(shè)備的運輸，它是向山體開鑿隧道通到礦床，并逐步開辟巷道，通往各個開采面。

礦山運輸巷道

（2）通風巷道

運輸新鮮空氣，排除有害氣體，調(diào)節(jié)溫度的通道。有時根據(jù)風流要求還需專門設(shè)置通風巷，用以保證風量和風壓。

（3）給水巷道

給水巷道是指送入清潔水為開采機械使用，并將廢水及積水通過油泵排除洞外。1.3隧道及地下工程的特性

地下工程是在巖體或土體中開挖構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)，與地面工程相比，地下工程具有完全不同的特點。1.3.1工程特性（1）工程受力特點不同

地面工程是先有結(jié)構(gòu)，后有荷載。而地下工程是先有荷載、后有結(jié)構(gòu)，地下工程是在處于自然狀態(tài)下的巖、土地質(zhì)體內(nèi)開挖的，在工程開挖之前就存在著應力環(huán)境，因此，隧道的受力特點不一樣。（2）工程材料特性的不確定性

地面工程材料多為人工材料，如鋼筋混凝土等，這些材料雖然力學與變形性質(zhì)也存在變異性，但相比于巖土體要小很多。地下工程主要涉及的地質(zhì)體不僅包含大量的節(jié)理和斷層還在時間、空間上有諸多不確定性。（3）工程荷載的不確定性

地面工程所受的荷載比較明顯，而地下工程的工程圍巖（地質(zhì)體）不僅會對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，同時它也是一種承載體，并且難以準確的取得它的量值。（4）破壞模式的不確定性

地面工程的破壞形式比較容易確定，如強度破壞、變形破壞和旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)等。而地下工程的破壞形式一般難以確定，它與支護類型、時間等密切相關(guān)。（5）地下工程信息的不完備性

地質(zhì)力學與變形特性的描述或定量評價取決于所獲取信息的數(shù)量與質(zhì)量，而地下工程只能獲得局部的有限工作面或從露頭獲取信息。（6）地下工程信息的模糊性

地下工程圍巖的節(jié)理特性、充填物性質(zhì)以及對巖性的描述具有模糊性。1.3.2空間特性

地下工程的特性主要從以下三個方面來了解：1）構(gòu)造特性：空間性、密閉性、隔離性等。

2）物理特性：隔熱性、恒溫性等。

3）化學特性：反應性。

這些特性有的對地下空間有利，有的不利。因此，在規(guī)劃地下空間時，應充分了解這些特性并加以充分利用。隧道工程的隱蔽性隧道的特點隧道工程的施工環(huán)境差隧道工程的大量涌水1.3.3經(jīng)濟性及可持續(xù)性

在修建地下工程時，不可避免地會導致附加投資，但是也往往會以得到附加收益作為補償，對地下工程的利用可以作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。即需要保持一種平衡，經(jīng)驗告訴我們合理的統(tǒng)籌及創(chuàng)新會從地下工程中創(chuàng)造價值。1.3.4隧道及地下工程的優(yōu)缺點因素優(yōu)點缺點空間因素建筑物的高度向地下轉(zhuǎn)換修筑地下空間場所的限制過度集中避難的安全性影響地下空間自身環(huán)境因素可利用厚地層的遮蔽性和熱容量心理影響進入因素的弊病沒有進入的作用因素的弊病設(shè)備因素工作環(huán)境的隱蔽性完全的人工環(huán)境施工因素外裝的省略既有的空洞利用開挖硬地層搬運沙土坍塌事故的增加人類出現(xiàn)到紀元前3000年隧道用于抵御自然威脅用獸骨、石器等工具開挖自穩(wěn)而無需支撐的地層紀元前3000年到5世紀隧道用于生活及軍事抵御形成了現(xiàn)代隧道開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)。

隧道的產(chǎn)生與發(fā)展是和人類文明歷史發(fā)展相呼應的。

（1）古代：時間跨越較長1.4.1世界隧道工程的發(fā)展簡歷1.4隧道及地下工程的發(fā)展簡歷1、紀元前2200年間，為連接宮殿和神殿，古代巴比倫王朝修建了長約1km、斷面為3.6m*4.5m的磚砌隧道。施工期間將幼發(fā)拉底河水流改道，采用明挖法修建。世界上最早的隧道。2、古埃及及金字塔的建設(shè)開始修建了地下建筑。世界古代隧道舉例

（2）中世紀：5世紀到14世紀，隧道技術(shù)沒有顯著進步，但開始了銅、鐵礦山開采。開挖中的低溫氣體儲藏隧洞（新奧法）

（3）近代和現(xiàn)代：

從16世紀產(chǎn)業(yè)革命開始，隧道技術(shù)得到了較快發(fā)展。

◆火藥的改進和鉆眼工具的創(chuàng)制，促使隧道修建技術(shù)顯著提高，其中比較有影響的是1898年建成了穿越阿爾卑斯山的辛普郎隧道。第一次應用了TNT炸藥（硝化甘油）和鑿巖機。

◆

現(xiàn)代隧道開挖技術(shù)是在火藥的發(fā)明和19世紀產(chǎn)業(yè)革命后出現(xiàn)的，尤其鐵路的出現(xiàn)對隧道起到了很大的推動作用；

◆

采用現(xiàn)代技術(shù)修建的第一座用蒸汽機車牽引的隧道是1826～1830年在英國利物浦至曼徹斯特的鐵路線上，長1190m。

仙尼斯山隧道

1984年日本還建成了自本州青森至北海道函館間的青函隧道，長達53850m，這是目前世界上最長的水底隧道。

隨著城市的快速發(fā)展，1863年英國倫敦修建了第一條地下鐵道。

至20世紀50年代，人們才總結(jié)出各類隧道及地下工程的規(guī)劃、設(shè)計和施工的基本原理，并在土木工程中形成了一個獨立的分支。日本青函隧道59

日本青函隧道

世界上第一條地鐵—倫敦地鐵英法海峽隧道62圣哥達隧道631.4.2我國隧道工程的發(fā)展簡歷1、我國最早的交通隧道是位于今陜西漢中的“石門”隧道，建于公元66年。2、公元前1122年金屬礦石開采已相當發(fā)達，公元1271-1368年就有深達數(shù)百米的鹽井。3、長沙楚墓、洛陽的漢墓、西安的唐墓等是規(guī)模較大的地下工程。

1888年，第一條隧道——獅球嶺隧道。我國隧道建設(shè)期可分為三階段：1）隧道技術(shù)落后的時期（建國前）：人力開挖、手工操作、機具簡單2）隧道技術(shù)落后的時期（20世紀50-70年代）：采用中小型機械施工3）隧道技術(shù)大發(fā)展時期（20世紀80年代后）：新技術(shù)、新設(shè)備涌現(xiàn)，大型、配套的機械化施工，達到世界先進水平。

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八達嶺隧道1.4.3我國在隧道工程領(lǐng)域取得的成就1）西康線秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道、秦嶺終南山隧道、太行山隧道、新關(guān)角隧道。2）武漢長江隧道、上海崇明島隧道、南京長江隧道、廈門翔安海底隧道、港珠澳海底隧道

3）大伙房水庫輸水隧道（85.32km）,世界最長。

4）葛洲壩、三峽、溪洛渡水電站的地下工程

。

5）世界隧道大國：修建隧道最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)條件與施工環(huán)境最復雜、結(jié)構(gòu)形式多樣。

我國部分重點隧道介紹1、大瑤山隧道

大瑤山隧道位于京廣鐵路，長14.295km。采用鑿巖臺車、襯砌模板臺車和高效能的裝運工具等配套作業(yè)，實行全斷面開挖。

我國采用重型機具綜合機械化施工的開端，縮短了我國與國際隧道施工先進水平的差距。

2、西康線秦嶺隧道秦嶺位于西康線鐵路，長19.46km。

1號線（左線）：全斷面掘進機，實現(xiàn)了隧道施工作業(yè)的工業(yè)化、自動化、信息化。2號線（右線線）：新奧法開挖。采用直徑1.3m的風管，110kW風機創(chuàng)造了單臺風機通風距離6000記錄。超過6000m后，再串聯(lián)一臺風機，到獨頭距離9500m時，作業(yè)面空氣質(zhì)量仍符合標準要求。

3、秦嶺終南山隧道該隧道位于西康高速公路北段，單洞長18.02km。隧道寬10.5m,限高5m,設(shè)計速度80km/h,總投資31.93億元人民幣。2002年3月1日開工，2004年12月13日全線貫通。

克服了地質(zhì)斷層、涌水、巖爆等施工中的難題，借鑒了日本、美國、奧地利、德國、挪威等國家的特長隧道的建設(shè)經(jīng)驗，且具有國際領(lǐng)先的防災救援系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)和運營服務系統(tǒng)。

4、廈門翔安隧道我國大陸修建的第一條海底隧道，全長8.69km，海底長8.05km。2005年開工，2009年通車。采用鉆爆法施工?？朔藦婏L化松軟地層、淺灘段透水沙層、海底風化槽等惡劣地質(zhì)條件?？s小了與世界先進水平的差距，起到了里程碑式作用。5、高原隧道（1）烽火山隧道：長1210m,海拔4900米以上。（2）昆侖山隧道：長1686m,海拔4600米以上。（3）關(guān)角隧道：長32.6km,投資約25億元。

解決高原缺氧、凍土、凍融是高原隧道的巨大難題。昆侖山隧道襯砌：一次模筑支護+復合防水板+隔熱保溫層+復合防水板+二次鋼筋混凝土襯砌5層結(jié)構(gòu)。

6、西秦嶺隧道位于蘭渝鐵路，單洞長28.236km。采用鉆爆法和TBM法相結(jié)合施工的最長隧道。

出口段采用直徑10.20m的敞開式硬巖掘進機進行施工，具有重要意義。

7、新關(guān)角隧道

位于青藏鐵路，單洞長32.60km，采用鉆爆法。2007年11月開工，2014年4月隧道貫通。國內(nèi)海拔最高、最長的高原隧道，施工難度罕見。8、大伙房水庫輸水工程

遼寧東部水源供給中部城市群。一期工程輸水隧洞開挖洞徑8m,連續(xù)長85.3km其中60.3km采用TBM法施工。

世界最長的隧洞之一，穿越50余座山，50余條河，最大埋深630m,最小埋深60m,地質(zhì)復雜多變，使用了3臺TBM。

9、北京地鐵

建于1965年，最早的線路竣工于1969年，是我國第一個地鐵系統(tǒng)。截止2014年1月，有17條運營線路，擁有2