第二章　隧道

第一節　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的地下通道統稱為隧道。它的主要用途：一是用作交通運輸通道和水流通道。除了在公路、鐵路建設中及挖掘運河時，常要修建公路隧道、鐵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。二是用于國防及市政等工程建設，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不良地段、人口密集地區；可以改善線路質量，提高運輸能力，降低運營成本。

二、隧道分類

（一）按照穿越障礙或作用的不同進行分類

（1）山嶺隧道：線路穿越山嶺時而修建的隧道。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，使運營條件得以改善，從而提高運輸能力，取得理想的經濟效果。

（2）水底隧道：用于線路跨越江河、海灣水流障礙時修建的隧道。

（3）地鐵隧道：隨著城市建設的飛速發展，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、運量大，只是費用比較高。

（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系指進出口洞門端墻墻面之間的距離，即以端墻墻面與內軌頂面的交線同線路中線的交點計算。雙線隧道以下行線為準，位于車站上的隧道以正線為準。

（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）按隧道所處的地質條件分類

按隧道所處地質條件可分為土質隧道和石質隧道。

三、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。這兩類方法又可以細分成若干種方法，每種方法的特點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（簡稱沉管法），如圖2-1所示。這種方法的特點是先從地面將隧道上方及內部地層敞口挖開，形成壕塹，然后在壕塹中修建襯砌，再在襯砌頂部進行土石回填的方法；或者是先進行分段開挖溝槽，再分段沉放管段，然后處理節頭和進行回填。比如，我國的港珠澳大橋項目中，就成功鋪設了6.7km外海沉管隧道，此時即掌握了被業內人士稱為“全世界最困難、最復雜的技術”，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孔洞，然后在其中襯砌。常用的暗挖法有礦山法、掘進機法、盾構法。

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方式修建隧道的施工方法，歷史最悠久。當隧道傳經巖石地層時，通常采用鉆眼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雜，隨著噴錨支護的出現，進而發展成新奧法，如圖2-3所示。

黑色炸藥是我國古代四大發明之一，1225年傳入西亞和歐洲。1867年瑞典人諾貝爾發明黃色炸藥，其后隨著鉆巖機械的誕生和發展，隧道鉆爆法得到迅速發展。鉆爆法修建隧道至今仍占統治地位。我國鐵路隧道從1888年修建臺灣省獅球嶺隧道（261m）起，至2017年止，共修建鐵路隧道14547座，總長15326km（不含港澳臺地區），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.掘進機法

掘進機法即TBM施工法，是用掘進機來進行隧道開挖的。該方法起步較晚，但發展迅猛。自1952年美國羅賓斯公司生產第1臺TBM起，目前世界上每年開挖的隧道中，有30％～40％是由掘進機完成的。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用始于1998年，當時引進了2臺ф8.8m德國威爾特公司生產的TBM，完成了西康線秦嶺Ⅰ線隧道、西安合肥線桃花鋪1號隧道和磨溝嶺隧道累計23km的單線隧道。

在石質地層中修建圓形斷面的隧道時，常用全斷面隧道掘進機，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，還兼備裝渣及自動推進的功能。圖2-4是隧道掘進機的全貌圖，圖2-5是我國國產首臺大直徑全斷面硬巖掘進機。

3.盾構法

在水底隧道、城市地下軌道的建設中，由于經常通過松軟含水土層，故一般采用盾構法施工。盾構法是一種兼有推進、防護、安裝和掘進功能的殼體隧道開挖機，如圖2-6所示。根據其功能的不同，盾構可分為普通盾構、機械化盾構、氣壓盾構和泥水加壓盾構。

第一座采用盾構法修建的隧道是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的延安東路復線隧道。采用盾構法修建的地鐵隧道近年來更是蓬勃發展，主要城市有上海、廣州、深圳、北京、南京、天津等，我國的盾構法施工已步入世界盾構技術的先進行列。

山嶺隧道多采用礦山法施工，本書主要介紹有關礦山法施工的相關技術。

四、隧道圍巖分級與圍巖壓力

圍巖是指隧道開挖后其周圍產生應力重分布范圍內的巖體（或土體），或隧道開挖后對其穩定性產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結構變形或破壞的作用力，它是隧道襯砌結構上的主要荷載，其大小與分布因隧道所處的地質條件、斷面形狀和尺寸、施工方法等因素不同而異。

為給隧道設計和施工提供一定的依據，因而產生了圍巖的分級。根據圍巖分級可以選擇適當的施工方法；確定支護結構上的荷載（松散）；確定襯砌結構的類型及其尺寸。在我國現行的《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）中，主要考慮圍巖主要工程地質特征、圍巖結構特征和完整狀態、圍巖開挖后的穩定狀態、圍巖基本質量指標和圍巖彈性縱波速緩幾個方面，將圍巖分為6級，依其穩定性由好到差分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級。