項目1　課程導論

項目描述

鐵路隧道是山區線路穿越山嶺時用來克服高程障礙的一種建筑物，是整條線路的組成部分，具有造價比較高，施工難度較大，進度比較慢等特點。通過本項目的學習，能夠了解隧道的概念及其分類以及鐵路隧道常用的施工方法，為后續項目的學習做好鋪墊。

教學目標

1.能力目標

能夠了解隧道的基本概念與功能、隧道的主要類型、隧道工程常用的施工方法及隧道工程的主要特點。

2.知識目標

準確掌握隧道的定義；熟悉隧道的用途及分類；掌握鐵路工程隧道施工常用的施工方法。

相關案例——鐵路客運專線隧道施工案例

津（天津）秦（秦皇島）鐵路客運專線共有隧道14座，全長約11.1km。其中長隧道1座（葫蘆山隧道），長3800m，中長隧道6座，短隧道7座。全部為單洞雙線隧道，采用鉆爆法施工。

目前，客運專線隧道復合式襯砌結構設計趨于標準化，基本采用定型圖，多采用單洞雙線方案，鉆爆法施工，開挖斷面140～160m2，支護結構采用鋼架、錨、噴、網聯合支護方式。

葫蘆山隧道Ⅱ級圍巖長度2610m，最大埋深270m，巖性為花崗巖。設計采用的開挖方法為全斷面法，但考慮到單洞雙線客專隧道斷面大的特點，從合理施工組織的角度出發，采用上下臺階法開挖。其優點是：一是可以降低一次爆破的裝藥量，減小對圍巖的破環；二是可以減少單循環作業時間，提高進度指標；三是可以充分利用資源，提高利用率，降低投入成本；四是遇到斷層破碎帶等不良地質體時，方便處理。施工中采用光面爆破技術，周邊孔痕跡保存率超過90％以上。為了保護防水板，需要噴混凝土封閉巖石棱角。

葫蘆山隧道進出口段圍巖破碎，采用超前小導管注漿和鋼支撐與小導管組合，并采用環形開挖預留核心土法，短進尺、弱爆破、強支護、早封閉，順利通過該地段。

通過該案例可知，隧道是鐵路線路上的主要建筑物，常用的隧道施工方法為鉆爆法。除了鐵路線路外，在公路、城市地鐵等穿越江河湖海時，隧道也是常采用的結構形式。通過下面鐵路隧道施工相關概念認知的學習，可以更好地對隧道施工有一個基本認識。

隧道是一種修建在地下的工程結構物。隨著人類文明及現代工程技術的發展，隧道以其位于地下這一特點，已被廣泛地應用于交通、礦山、水利及國防等領域，現已成為土木工程的一個重要分支。交通運輸類隧道與其他用途的隧道相比，不僅長度大，數量多，而且在施工中遇到的工程地質和水文地質條件也比較復雜，對其平面、縱斷面、橫斷面及形狀、尺寸要求都較嚴格。目前對隧道的勘測、設計和施工體系已日趨成熟。本書力求將隧道的構造、施工及維護等方面的最新技術和知識展示給讀者。

1.隧道的基本概念和用途

一般說來，隧道的修建是按照設計形狀和尺寸在地下開挖出一個長形的通道，再做必要的支護，形成穩定的洞室以便使用。1970年國際經濟合作與發展組織（OECD）將隧道定義為：“以某種用途、在地面下用任何方法按規定形狀和尺寸修筑的斷面面積大于2m2的洞室”。

長期以來，除天然洞穴外，人類為了不同的需要，在地下修建了許多各種用途的工程建筑物。如位于地下的人防工程、工廠、倉庫、街道、商店、停車場、陵墓等。這些地下建筑物雖然其用途、結構形式和構造有所不同，但都是作為地下洞室而存在的。因此，作為“地下通道”的隧道概念，也可以擴大到地下空間利用的各個方面，但斷面過小的地下管道除外。

作為地下通道，隧道的主要用途有兩方面：即用作交通運輸通道和水流通道。因此，除了在鐵路、公路建設中及挖掘運河時常要修建鐵路隧道、公路隧道及航運隧道外，在水力發電、農田灌溉或為了向大城市供水等而修建的供水系統中，亦常常需要修建輸水隧道。此外，在國防及市政等工程建設中，隧道也得到了廣泛的應用，如人防工程、城市地鐵、過街地道等。

2.隧道的分類

在鐵路和公路上，隧道常用來穿越山嶺和水流障礙。在城市交通運輸中，隧道也常常被采用。按照穿越障礙或作用的不同，位于交通線上的隧道可分為山嶺隧道、水底隧道和地下鐵道隧道等。

（1）山嶺隧道

①鐵路隧道

在山區修建鐵路時，往往會遇到山嶺障礙。而鐵路限坡平緩，常難以上升到越嶺所需要的高度，同時，鐵路還有最小曲線半徑限制，常限于山嶺地形無法繞過，需要修建隧道以克服高程或平面障礙。山嶺隧道的修建，既可以使線路順直，避免無謂的展線，使線路縮短；又可以減小線路坡度，使運營條件得以改善，從而提高運輸能力，取得理想的經濟效果。所以在山區鐵路線上修建隧道的范例是很多的。例如，大秦線軍都山隧道、南昆線米花嶺隧道、西康線秦嶺隧道、衡廣復線大瑤山隧道、蘭武復線的烏鞘嶺隧道、昆侖山隧道、青藏線風火山隧道、石太客運專線太行山隧道、青藏線新關角隧道等。其中衡廣復線大瑤山隧道是河谷地段截彎取直的良好范例，復線隧道的修建，使鐵路線長度較既有線路縮短約15km；新關角隧道位于青藏鐵路西（寧）格（爾木）段的青海天峻縣境內，全長32.645km，平均海拔超過3600m，新關角隧道的開通使火車翻越關角山的時間縮短近2h，大大提高了青藏鐵路的運力。

高速鐵路是鐵路現代化的標志。我國把新建最高運行速度不小于250km/h和改建既有線最高運行速度不小于200km/h的鐵路稱為高速鐵路。高速鐵路隧道與一般鐵路隧道相比有較多的不同，主要與列車空氣動力學相關。高速行駛的列車前方的空氣受到壓縮，而列車后方的空氣則形成一定負壓，產生一系列復雜的空氣動力學效應。高速鐵路隧道設計涉及洞口形式、隧道及列車斷面、隧道結構耐久性、洞內設施及軌道類型等一系列問題。

為了設計、施工及養護管理上的方便，我國的《鐵路隧道設計規范》，按照隧道長度，把鐵路隧道分為四種，即：

短隧道——全長500m及以下；

中隧道——全長500m以上至3000m；

長隧道——全長3000m以上至10000m；

特長隧道——全長10000m以上。

隧道長度通常是指進出洞門端墻墻面之間的距離，即兩端洞門墻面與線路中線交點間的距離。

②公路隧道

公路的限制坡度和限制最小曲線半徑都沒有鐵路那樣嚴格，過去在山區修建公路時，為節省工程造價，常常寧愿繞行，也不愿修建費用昂貴的隧道。但是，隨著高速公路的發展，要求線路順直、平緩、路面寬敞，于是在穿越山區時，也常采用隧道方案。此外，在城市附近，為避免平面交叉，利于高速行車，也常采用隧道方式通過。

（2）水底隧道

交通道路遇到江河、海峽、海灣等水流障礙時，雖然多采用橋梁或輪渡方案通過，但是，如果在城市區域以內，河道通航需要較高的凈空，而橋梁兩端引道常需占用寶貴的城市用地或修建結構復雜的很長的引橋，此時采用水底隧道作為穿越方案，既不影響河道通航，也避免了風暴天氣輪渡中斷的情況，而且戰時不致暴露交通設施的目標，防護層厚，是國防上的較好選擇。

我國20世紀80年代后相繼修建了多座水底隧道，如上海黃浦江隧道、廣州珠江地鐵隧道、武漢長江隧道、南京長江隧道、蘇州獨墅湖隧道、杭州西湖隧道、南京玄武湖隧道等。廈門翔安海底隧道是我國內地首條海底隧道，于2005年9月開工至2009年11月貫通，歷時4年多，它全長8.695km，其中海底隧道長約5.948km，跨越海域約4.2km，為雙向6車道雙洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海峽，兩側為行車主洞，中間一孔為服務隧道，最深在海平面下約70m。青島膠州灣隧道是我國自行建造的第二條海底隧道，隧道全長7800m，分為路上和海底兩部分，海底部分長3950m。該隧道位于膠州灣灣口，連接青島和黃島兩地，雙向6車道。膠州灣海底隧道路線等級為城市快速路，設計基準期為100年，于2006年12月正式開工建設，2011年6月30日正式開通運營。

目前世界上最長的水底隧道是日本青函海底隧道（seikantunnel）（穿越津輕海峽），1964年開挖斜坑道，經過24年的施工，于1988年3月13日正式投入運營，隧道長度約53.85km，其中海底段長23.3km，它把日本的本州與北海道兩大島連結起來。其次是英法海峽海底隧道（又稱“歐洲隧道”），它橫穿英吉利海峽最窄處，西起英國東南部港口城市多佛爾附近的福克斯通，東至法國北部港口城市加來，這項工程于1987年12月正式動工，由于工程難度大，整整花了六年半時間才得以正式竣工，比預定完工時間晚了1年，于1994年5月6日通車，全長50.5km，其中海底部分長37km。

（3）地下鐵道隧道

地下鐵道是解決大城市交通擁擠、車輛堵塞等問題，且能大量快速運送乘客的一種城市交通設施。它既可以有效緩解地面交通壓力，在戰時還可以起到人防的功能。當前，世界上已有100多座城市修建有地下鐵道并投入了使用。我國已建成地下鐵道的城市有北京、上海、天津、廣州、南京、深圳、西安、杭州、成都、沈陽、香港、臺北等。

3.隧道施工方法簡介

隧道施工方法一般可分為明挖法和暗挖法兩大類。

明挖法適用于淺埋隧道的施工。此種方法的特點是先從地面將隧道上方及內部地層挖開，形成壕塹，然后在壕塹中修建襯砌，再在襯砌頂部進行土石回填。在修建淺埋的地下鐵道時亦常采用明挖法施工。

暗挖法施工的特點是先在地層中按需要的形狀和尺寸開挖出一個孔洞，然后在其中修建襯砌。常用的暗挖法有礦山法、掘進機法及盾構法三種。

礦山法是用一般地下開挖方法來進行隧道施工的。當隧道穿過巖石地層時，通常均用鉆孔爆破的方法進行開挖，在進行必要的臨時支護及清除開挖出來的石渣之后，再修建永久性支護結構——襯砌。隧道的橫斷面視具體條件可分為幾部分挖成，亦可一次挖成。由于這種方法與礦山地下巷道的施工方法相類似，故常稱之為礦山法（鉆爆法）。

掘進機法是采用掘進機來進行隧道施工的。在石質地層中修建圓形斷面的隧道時，常采用全斷面隧道掘進機（TBM），像鉆孔一樣，一次便將隧道整個斷面鉆鑿成形。掘進機除了具有掘進功能外，還兼有裝渣及自動推進的功能。我國有一些輸水隧道曾采用過隧道掘進機施工。目前已建成的秦嶺隧道亦采用了先進的全斷面掘進機進行施工，且取得了較好的效果。

在水底隧道、城市地下鐵道和上下水道的建設中，由于經常通過松軟的甚至含水的土層，故一般采用“盾構”法施工。“盾構”是一種兼有推進、防護、安裝和掘進功能的殼體隧道開挖機。按其功能不同，可分為普通盾構、機械化盾構、氣壓盾構及泥水加壓盾構等多種。上海黃浦江公路隧道、上海地鐵一號線隧道工程，就是采用盾構法施工的。除了上述幾類施工方法外，修建水底隧道時還可采用沉管法施工。

與青函隧道和英吉利海峽隧道不同的是，香港的三條海底隧道都是采用沉管法建造的。這種方法需要預先選定隧道的走向，將路線上的海底表層松軟泥土挖走，鋪上石頭作為地基，再把造好的特定長度的隧道一節一節地鋪設在地基上。鋪設隧道絕不是件容易事，一節管道造好后，要將它運到投放地點，往管道里注水，使它下沉。水下的潛水員指揮水上的起重機調整管道位置，從而保證每節管道完好對接。鋪設完成后，還要在隧道外層加鋪石料，以防隧道受到外部撞擊破裂。在隧道出入口建成后，就可以把隧道里的水抽走，對隧道內部進行配套設施的安裝。

山嶺隧道多采用礦山法施工，本課程主要講述有關礦山法施工的基本知識。

近幾年來，我國相繼修建的隧道基本上是在“新奧法”原理指導下設計和施工的。眾多隧道穿越的地層千差萬別，工程地質和水文地質條件千變萬化，但我國隧道工作者克服種種困難，充分發揮自己的聰明才智；正確運用“新奧法”的原理進行設計、施工，積累了在復雜地質條件下實施“新奧法”的成功經驗，為我國今后大力推廣和發展“新奧法”奠定了基礎。除此之外，20世紀80年代以來，我國高等級公路的修建使得公路隧道的建設發展很快。例如，運用新奧法原理可以將礦山法應用到軟弱圍巖之中，甚至于第四紀地層中的淺埋市政隧道以取代傳統的明挖法或盾構法，我國隧道工作者稱之為“淺埋礦山法”。

當然，盡管近年來我國隧道工程已經取得了一定的成就，隧道施工技術也取得了相應的發展，但是還存在許多問題和缺點。從總體來看，隧道結構還比較粗大厚重，施工環境還很惡劣，工人勞動強度還很大，工程進度不快和工程造價較高。因此，我們對圍巖的性質還應更深入的了解；計算模型的選用和計算理論還應更符合實際；施工技術水平和管理方法還應更進一步改進；人力和物力的消耗和浪費都應降低，所有這些都有待我們隧道工作者去研究和解決。今后應當加強隧道環境和地質條件的現場量測及實驗室的實驗工作，以便對各種不同性質的圍巖能模擬出較為符合實際的計算模型和計算理論；進一步提高開挖技術和支護方法；配合完善的施工機械，從目前的半機械化提高到全機械化；要提倡采用科學的管理方法，根據調查的信息，制定施工計劃，再根據實測的信息反饋，不斷調整計劃，達到方案優、質量高、進度快、造價低的目的。總之，只要我們以科學的態度不斷實踐和探索，就一定能把我國的隧道建設事業推向前進。