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(lèi)、特性及發(fā)展歷程，其中需重點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握隧道及地下工程的概念、分類(lèi)及特性等知識(shí)點(diǎn)。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(lèi)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(gè)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(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)的一門(mén)應(yīng)用科學(xué)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(jì)合作與發(fā)展組織）隧道會(huì)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?jī)艨諗嗝嬖?m2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?jī)艨諗嗝嬖?m2以上者均為隧道。

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

地下工程是指為開(kāi)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(guò)街地下通道、地下房屋及地下構(gòu)筑物等。

對(duì)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(mén)稱之為隧道工程，在礦山行業(yè)稱為巷道，水利部門(mén)稱之為隧洞，軍事部門(mén)稱之為坑道，在市政部門(mén)稱之為通道。1.2隧道及地下工程的分類(lèi)

從不同角度區(qū)分，可得出不同的地下工程分類(lèi)方法，最主要的有以下幾種。1.按使用功能分類(lèi)2.按所處地質(zhì)環(huán)境（介質(zhì)）分類(lèi)3.按埋置深度分類(lèi)4.其他分類(lèi)1.2.1地下工程分類(lèi)（1）交通工程公路隧道、鐵路隧道、城市地鐵、地下過(guò)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(kù)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(kù)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(chǎng)、圖書(shū)館、體育館、展覽館等。（7）倉(cāng)儲(chǔ)工程地下儲(chǔ)庫(kù)、食物、石油及核廢料儲(chǔ)存等。（8）采礦工程礦山運(yùn)輸巷道、開(kāi)采巷道等。

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

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(lèi)

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(jì)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(jiàn)下表：表1-1地下工程按埋深分類(lèi)（m）名稱埋深范圍小型結(jié)構(gòu)中型結(jié)構(gòu)大型運(yùn)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(yīng)用最廣泛的地下工程，其作用是提供交通運(yùn)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(mén)，附屬建筑物包括通風(fēng)、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(lèi)公路隧道鐵路隧道地下鐵道水底隧道航運(yùn)隧道人行地道（1）公路隧道—

專供汽車(chē)運(yùn)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(shí)，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(yùn)行距離、提高運(yùn)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(chē)運(yùn)輸行駛的通道。

鐵路坡限平緩，最大坡限小于24‰（雙機(jī)牽引）。限于地形，無(wú)法繞行，不能獲得通過(guò)展線所需的高程，因此，開(kāi)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(chē)運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈?/p>

地下鐵道能解決大城市交通擁堵的問(wèn)題，并能快速運(yùn)送乘客，可以將很大一部分地面乘客轉(zhuǎn)運(yùn)至地下，節(jié)約乘客時(shí)間，便利乘客活動(dòng)，戰(zhàn)時(shí)還可以作為人防。地鐵車(chē)站地鐵車(chē)站（4）水底隧道—

修建于江、河、湖、海洋下的隧道，供汽車(chē)和火車(chē)運(yùn)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(diǎn)是：不受氣候影響，不影響通航，引道占地少，戰(zhàn)時(shí)不暴露交通設(shè)施目標(biāo)。

缺點(diǎn)是：造價(jià)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(yùn)隧道—

專供輪船行駛而修建的通道。

當(dāng)運(yùn)河需要跨越分水嶺時(shí)，克服高程的有力手段是修建運(yùn)河隧道。

優(yōu)點(diǎn)：是可以把分水嶺兩邊的河道溝通起來(lái)縮短航程，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，河道順直，航運(yùn)條件大大改善。（6）人行地道——

專供行人通過(guò)的通道。

為了避免在橫跨十字路口處時(shí)，機(jī)動(dòng)車(chē)頻繁減速甚至需要停車(chē)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(lèi)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(zhǎng)度不同：可分為特長(zhǎng)隧道、長(zhǎng)隧道、中長(zhǎng)隧道和短隧道；其中，鐵路隧道和公路隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn)又有所區(qū)別。

鐵路隧道和公路隧道有不同的長(zhǎng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表：隧道分類(lèi)特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)隧道中長(zhǎng)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(gè)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(jī)組或?yàn)樗Y源調(diào)動(dòng)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(wú)壓隧道。引水隧道（2）尾水隧道

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

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

為沖刷水庫(kù)淤積的泥沙而修建的隧道。有時(shí)也用來(lái)放空水庫(kù)里的水，以進(jìn)行庫(kù)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(lái)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(dǎo)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(dòng)所損失或破壞，避免懸掛高空影響市容景觀，都修建專門(mén)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(shí)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(fēng)、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?xì)?、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(yùn)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(kāi)采常設(shè)的一種隧道，從山體以外通向地下礦體。（1）運(yùn)輸巷道

運(yùn)輸巷道是礦車(chē)與行人的主要通道，用于人、材、物和設(shè)備的運(yùn)輸，它是向山體開(kāi)鑿隧道通到礦床，并逐步開(kāi)辟巷道，通往各個(gè)開(kāi)采面。

礦山運(yùn)輸巷道

（2）通風(fēng)巷道

運(yùn)輸新鮮空氣，排除有害氣體，調(diào)節(jié)溫度的通道。有時(shí)根據(jù)風(fēng)流要求還需專門(mén)設(shè)置通風(fēng)巷，用以保證風(fēng)量和風(fēng)壓。

（3）給水巷道

給水巷道是指送入清潔水為開(kāi)采機(jī)械使用，并將廢水及積水通過(guò)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(kāi)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(diǎn)。1.3.1工程特性（1）工程受力特點(diǎn)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(kāi)挖的，在工程開(kāi)挖之前就存在著應(yīng)力環(huán)境，因此，隧道的受力特點(diǎn)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(xué)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(shí)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(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，同時(shí)它也是一種承載體，并且難以準(zhǔn)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(qiáng)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(hù)類(lèi)型、時(shí)間等密切相關(guān)。（5）地下工程信息的不完備性

地質(zhì)力學(xué)與變形特性的描述或定量評(píng)價(jià)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(duì)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(gè)方面來(lái)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(xué)特性：反應(yīng)性。

這些特性有的對(duì)地下空間有利，有的不利。因此，在規(guī)劃地下空間時(shí)，應(yīng)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(diǎn)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(jì)性及可持續(xù)性

在修建地下工程時(shí)，不可避免地會(huì)導(dǎo)致附加投資，但是也往往會(huì)以得到附加收益作為補(bǔ)償，對(duì)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(yàn)告訴我們合理的統(tǒng)籌及創(chuàng)新會(huì)從地下工程中創(chuàng)造價(jià)值。1.3.4隧道及地下工程的優(yōu)缺點(diǎn)因素優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)空間因素建筑物的高度向地下轉(zhuǎn)換修筑地下空間場(chǎng)所的限制過(guò)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(jìn)入因素的弊病沒(méi)有進(jìn)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(kāi)挖硬地層搬運(yùn)沙土坍塌事故的增加人類(lèi)出現(xiàn)到紀(jì)元前3000年隧道用于抵御自然威脅用獸骨、石器等工具開(kāi)挖自穩(wěn)而無(wú)需支撐的地層紀(jì)元前3000年到5世紀(jì)隧道用于生活及軍事抵御形成了現(xiàn)代隧道開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)。

隧道的產(chǎn)生與發(fā)展是和人類(lèi)文明歷史發(fā)展相呼應(yīng)的。

（1）古代：時(shí)間跨越較長(zhǎng)1.4.1世界隧道工程的發(fā)展簡(jiǎn)歷1.4隧道及地下工程的發(fā)展簡(jiǎn)歷1、紀(jì)元前2200年間，為連接宮殿和神殿，古代巴比倫王朝修建了長(zhǎng)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(kāi)始修建了地下建筑。世界古代隧道舉例

（2）中世紀(jì)：5世紀(jì)到14世紀(jì)，隧道技術(shù)沒(méi)有顯著進(jìn)步，但開(kāi)始了銅、鐵礦山開(kāi)采。開(kāi)挖中的低溫氣體儲(chǔ)藏隧洞（新奧法）

（3）近代和現(xiàn)代：

從16世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命開(kāi)始，隧道技術(shù)得到了較快發(fā)展。

◆火藥的改進(jìn)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(yīng)用了TNT炸藥（硝化甘油）和鑿巖機(jī)。

◆

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

◆

采用現(xiàn)代技術(shù)修建的第一座用蒸汽機(jī)車(chē)牽引的隧道是1826～1830年在英國(guó)利物浦至曼徹斯特的鐵路線上，長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)53850m，這是目前世界上最長(zhǎng)的水底隧道。

隨著城市的快速發(fā)展，1863年英國(guó)倫敦修建了第一條地下鐵道。

至20世紀(jì)50年代，人們才總結(jié)出各類(lèi)隧道及地下工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基本原理，并在土木工程中形成了一個(gè)獨(dú)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(dá)隧道631.4.2我國(guó)隧道工程的發(fā)展簡(jiǎn)歷1、我國(guó)最早的交通隧道是位于今陜西漢中的“石門(mén)”隧道，建于公元66年。2、公元前1122年金屬礦石開(kāi)采已相當(dāng)發(fā)達(dá)，公元1271-1368年就有深達(dá)數(shù)百米的鹽井。3、長(zhǎng)沙楚墓、洛陽(yáng)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(guó)隧道建設(shè)期可分為三階段：1）隧道技術(shù)落后的時(shí)期（建國(guó)前）：人力開(kāi)挖、手工操作、機(jī)具簡(jiǎn)單2）隧道技術(shù)落后的時(shí)期（20世紀(jì)50-70年代）：采用中小型機(jī)械施工3）隧道技術(shù)大發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)80年代后）：新技術(shù)、新設(shè)備涌現(xiàn)，大型、配套的機(jī)械化施工，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

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八達(dá)嶺隧道1.4.3我國(guó)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(zhǎng)江隧道、上海崇明島隧道、南京長(zhǎng)江隧道、廈門(mén)翔安海底隧道、港珠澳海底隧道

3）大伙房水庫(kù)輸水隧道（85.32km）,世界最長(zhǎng)。

4）葛洲壩、三峽、溪洛渡水電站的地下工程

。

5）世界隧道大國(guó)：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(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式多樣。

我國(guó)部分重點(diǎn)隧道介紹1、大瑤山隧道

大瑤山隧道位于京廣鐵路，長(zhǎng)14.295km。采用鑿巖臺(tái)車(chē)、襯砌模板臺(tái)車(chē)和高效能的裝運(yùn)工具等配套作業(yè)，實(shí)行全斷面開(kāi)挖。

我國(guó)采用重型機(jī)具綜合機(jī)械化施工的開(kāi)端，縮短了我國(guó)與國(guó)際隧道施工先進(jìn)水平的差距。

2、西康線秦嶺隧道秦嶺位于西康線鐵路，長(zhǎng)19.46km。

1號(hào)線（左線）：全斷面掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了隧道施工作業(yè)的工業(yè)化、自動(dòng)化、信息化。2號(hào)線（右線線）：新奧法開(kāi)挖。采用直徑1.3m的風(fēng)管，110kW風(fēng)機(jī)創(chuàng)造了單臺(tái)風(fēng)機(jī)通風(fēng)距離6000記錄。超過(guò)6000m后，再串聯(lián)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，到獨(dú)頭距離9500m時(shí)，作業(yè)面空氣質(zhì)量仍符合標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)18.02km。隧道寬10.5m,限高5m,設(shè)計(jì)速度80km/h,總投資31.93億元人民幣。2002年3月1日開(kāi)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(guó)、奧地利、德國(guó)、挪威等國(guó)家的特長(zhǎng)隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，且具有國(guó)際領(lǐng)先的防災(zāi)救援系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)服務(wù)系統(tǒng)。

4、廈門(mén)翔安隧道我國(guó)大陸修建的第一條海底隧道，全長(zhǎng)8.69km，海底長(zhǎng)8.05km。2005年開(kāi)工，2009年通車(chē)。采用鉆爆法施工?？朔藦?qiáng)風(fēng)化松軟地層、淺灘段透水沙層、海底風(fēng)化槽等惡劣地質(zhì)條件。縮小了與世界先進(jìn)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(zhǎng)1210m,海拔4900米以上。（2）昆侖山隧道：長(zhǎng)1686m,海拔4600米以上。（3）關(guān)角隧道：長(zhǎng)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(hù)+復(fù)合防水板+隔熱保溫層+復(fù)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(zhǎng)28.236km。采用鉆爆法和TBM法相結(jié)合施工的最長(zhǎng)隧道。

出口段采用直徑10.20m的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)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(zhǎng)32.60km，采用鉆爆法。2007年11月開(kāi)工，2014年4月隧道貫通。國(guó)內(nèi)海拔最高、最長(zhǎng)的高原隧道，施工難度罕見(jiàn)。8、大伙房水庫(kù)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(kāi)挖洞徑8m,連續(xù)長(zhǎng)85.3km其中60.3km采用TBM法施工。

世界最長(zhǎng)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(fù)雜多變，使用了3臺(tái)TBM。

9、北京地鐵

建于1965年，最早的線路竣工于1969年，是我國(guó)第一個(gè)地鐵系統(tǒng)。截止2014年1月，有17條運(yùn)營(yíng)線路，擁有2