第二章　隧道

第一節(jié)　隧道概述

一、隧道概念及作用

修建在地層中，斷面面積不小于2m2的地下通道統(tǒng)稱為隧道。它的主要用途：一是用作交通運(yùn)輸通道和水流通道。除了在公路、鐵路建設(shè)中及挖掘運(yùn)河時(shí)，常要修建公路隧道、鐵路隧道及航運(yùn)隧道外，在水力發(fā)電、農(nóng)田灌溉或?yàn)榱讼虼蟪鞘泄┧榷藿ǖ墓┧到y(tǒng)中，亦常常需要修建輸水隧道。二是用于國防及市政等工程建設(shè)，如人防工程、城市地鐵、過街地道等。隧道可以克服平面或高程的障礙，以免線路展線過長或用來繞避地質(zhì)不良地段、人口密集地區(qū)；可以改善線路質(zhì)量，提高運(yùn)輸能力，降低運(yùn)營成本。

二、隧道分類

（一）按照穿越障礙或作用的不同進(jìn)行分類

（1）山嶺隧道：線路穿越山嶺時(shí)而修建的隧道。它可以使線路順直，避免無謂的展線，使線路縮短；減小線路坡度，使運(yùn)營條件得以改善，從而提高運(yùn)輸能力，取得理想的經(jīng)濟(jì)效果。

（2）水底隧道：用于線路跨越江河、海灣水流障礙時(shí)修建的隧道。

（3）地鐵隧道：隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，地面交通日益繁忙。為了有效緩解地面交通壓力，修建地下鐵道已成為解決大城市中交通運(yùn)輸問題的重要手段之一。地下鐵道不占地面空間，而且安全、快捷、方便、運(yùn)量大，只是費(fèi)用比較高。

（二）按隧道長度分類

短隧道（L≤500m）、中長隧道（500<L≤3000m）、長隧道（3000m<L≤10000m）、特長隧道（L>10000m）。

隧道長度L系指進(jìn)出口洞門端墻墻面之間的距離，即以端墻墻面與內(nèi)軌頂面的交線同線路中線的交點(diǎn)計(jì)算。雙線隧道以下行線為準(zhǔn)，位于車站上的隧道以正線為準(zhǔn)。

（三）按隧道橫斷面積的大小分類

極小斷面隧道（2～3m2）、小斷面隧道（3～10m2）、中等斷面隧道（10～50m2）、大斷面隧道（50～100m2）和特大斷面隧道（大于100m2）。

（四）按埋置的深度分類

按埋置深度可分為淺埋隧道和深埋隧道。

（五）按隧道所處的地質(zhì)條件分類

按隧道所處地質(zhì)條件可分為土質(zhì)隧道和石質(zhì)隧道。

三、隧道施工方法簡(jiǎn)介

隧道施工方法，一般可分為明挖法和暗挖法兩大類。這兩類方法又可以細(xì)分成若干種方法，每種方法的特點(diǎn)和適用范圍也不相同，其分類見表2-1。

（一）明挖法

明挖法適用于淺埋隧道施工和過江（海）隧道施工。主要包含明挖暗埋法、沉埋管段法（簡(jiǎn)稱沉管法），如圖2-1所示。這種方法的特點(diǎn)是先從地面將隧道上方及內(nèi)部地層敞口挖開，形成壕塹，然后在壕塹中修建襯砌，再在襯砌頂部進(jìn)行土石回填的方法；或者是先進(jìn)行分段開挖溝槽，再分段沉放管段，然后處理節(jié)頭和進(jìn)行回填。比如，我國的港珠澳大橋項(xiàng)目中，就成功鋪設(shè)了6.7km外海沉管隧道，此時(shí)即掌握了被業(yè)內(nèi)人士稱為“全世界最困難、最復(fù)雜的技術(shù)”，其沉管法施工示意如圖2-2所示。

（二）暗挖法

暗挖法是先在地層中按需要的形狀和尺寸開挖出一個(gè)孔洞，然后在其中襯砌。常用的暗挖法有礦山法、掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法。

1.礦山法

礦山法也稱之為鉆爆法，指的是用開挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法，歷史最悠久。當(dāng)隧道傳經(jīng)巖石地層時(shí)，通常采用鉆眼爆破的方法進(jìn)行開挖，在進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)及清除開挖出來的石渣之后，再修建永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)——襯砌。隧道的橫斷面視具體情況可分為幾部分挖成，也可以一次挖成。由于這種方法與礦山地下巷道的施工方法類似，故常稱之為礦山法。這種施工方法支撐復(fù)雜，隨著噴錨支護(hù)的出現(xiàn)，進(jìn)而發(fā)展成新奧法，如圖2-3所示。

黑色炸藥是我國古代四大發(fā)明之一，1225年傳入西亞和歐洲。1867年瑞典人諾貝爾發(fā)明黃色炸藥，其后隨著鉆巖機(jī)械的誕生和發(fā)展，隧道鉆爆法得到迅速發(fā)展。鉆爆法修建隧道至今仍占統(tǒng)治地位。我國鐵路隧道從1888年修建臺(tái)灣省獅球嶺隧道（261m）起，至2017年止，共修建鐵路隧道14547座，總長15326km（不含港澳臺(tái)地區(qū)），最長的為廣惠城際線松山湖隧道，是中國已建成的最長鐵路隧道，全長38.813km。

2.掘進(jìn)機(jī)法

掘進(jìn)機(jī)法即TBM施工法，是用掘進(jìn)機(jī)來進(jìn)行隧道開挖的。該方法起步較晚，但發(fā)展迅猛。自1952年美國羅賓斯公司生產(chǎn)第1臺(tái)TBM起，目前世界上每年開挖的隧道中，有30％～40％是由掘進(jìn)機(jī)完成的。我國采用TBM施工的隧道，主要是水電部門和鐵路部門。TBM在我國鐵路隧道中的應(yīng)用始于1998年，當(dāng)時(shí)引進(jìn)了2臺(tái)ф8.8m德國威爾特公司生產(chǎn)的TBM，完成了西康線秦嶺Ⅰ線隧道、西安合肥線桃花鋪1號(hào)隧道和磨溝嶺隧道累計(jì)23km的單線隧道。

在石質(zhì)地層中修建圓形斷面的隧道時(shí)，常用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，像鉆孔一樣，一次便將隧道整個(gè)斷面鉆鑿成形。掘進(jìn)機(jī)除了具有掘進(jìn)功能外，還兼?zhèn)溲b渣及自動(dòng)推進(jìn)的功能。圖2-4是隧道掘進(jìn)機(jī)的全貌圖，圖2-5是我國國產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)。

3.盾構(gòu)法

在水底隧道、城市地下軌道的建設(shè)中，由于經(jīng)常通過松軟含水土層，故一般采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法是一種兼有推進(jìn)、防護(hù)、安裝和掘進(jìn)功能的殼體隧道開挖機(jī)，如圖2-6所示。根據(jù)其功能的不同，盾構(gòu)可分為普通盾構(gòu)、機(jī)械化盾構(gòu)、氣壓盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)。

第一座采用盾構(gòu)法修建的隧道是1825年英國泰晤士河河底隧道，比TBM問世早127年。我國盾構(gòu)法施工始于1965年上海打浦路過江隧道（ф10.22m），1984年和1994年在上海黃浦江上又先后修建ф11.3m的延安東路隧道和ф11.22m的延安東路復(fù)線隧道。采用盾構(gòu)法修建的地鐵隧道近年來更是蓬勃發(fā)展，主要城市有上海、廣州、深圳、北京、南京、天津等，我國的盾構(gòu)法施工已步入世界盾構(gòu)技術(shù)的先進(jìn)行列。

山嶺隧道多采用礦山法施工，本書主要介紹有關(guān)礦山法施工的相關(guān)技術(shù)。

四、隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

圍巖是指隧道開挖后其周圍產(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體（或土體），或隧道開挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體（或土體）。圍巖壓力是引起地下開挖空間周圍的巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力，它是隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的主要荷載，其大小與分布因隧道所處的地質(zhì)條件、斷面形狀和尺寸、施工方法等因素不同而異。

為給隧道設(shè)計(jì)和施工提供一定的依據(jù)，因而產(chǎn)生了圍巖的分級(jí)。根據(jù)圍巖分級(jí)可以選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒?；確定支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載（松散）；確定襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸。在我國現(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）中，主要考慮圍巖主要工程地質(zhì)特征、圍巖結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)、圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)、圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)和圍巖彈性縱波速緩幾個(gè)方面，將圍巖分為6級(jí)，依其穩(wěn)定性由好到差分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)。