第七章 隧道与地下工程

第七章隧道与地下工程7.1隧道与地下工程概述7.2隧道工程7.3地下工程7.4隧道与地下工程施工2023/2/37.1隧道与地下工程概述

隧道与地下工程是指从事各种隧道与地下工程的规划、设计、施工和运营养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程专业的一个分支；也可以指岩体或土层中修筑的各类通道和地下构筑物，包括地铁、地下商场等。7.1.1隧道与地下工程简介

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修建地下工程时，通常在地层内挖出具有一定几何形状的“坑道”，如矩形、圆形等，由于土层开挖后，应力释放，容易变形、坍塌，所以除了在极为稳定的岩层中以外，大多情况下都要在坑道周围进行支护。地下结构工程中的支护结构通常采用衬砌，衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。衬砌的形状和尺寸，应能使结构的受力状态最为合理，既不浪费又能满足要求。2023/2/3分类方式工程类型按使用功能交通工程、市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程等按四周围岩介质软土地下工程、硬土(岩石)地下工程、海(河、湖)底或悬浮工程等；深埋、中埋、浅埋工程按施工方法浅埋明挖法、盖挖逆作法、矿山法、盾构法、沉管法等按结构形式附建式、单建式、廊道式、棋盘式、单层或多层框架结构按衬砌材料和构造砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、铸铁、钢纤维混凝土、聚合物钢纤维混凝土等。

隧道与地下工程有许多分类方法，可以按其使用功能、周围介质、设计施工方法、建筑材料和断面构造形式分类，也有按其重要程度、防护等级、抗震等级分，其具体分类见表6.1。表6.1隧道与地下工程分类

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由于受力特点、结构形式、使用功能的不同，隧道与地下工程的设计和施工不同于地上的建筑结构，其主要工程特点表现在：

(1)工程涉及的领域众多，包括建筑工程、市政工程、交通工程、水电工程、国防工程、能源工程等。水电站地下厂房地下人防工程示意2023/2/3

(2)建设环境复杂，考虑因素众多。地下建筑由于特殊的建筑方式，往往需经通风、采光、防潮、排水等处理。

(3)不可预见因素多，风险高，地质条件、地下水状态等对隧道与地下工程的设计和施工影响较大，事故发生率高。地下工程施工时经常导致地表沉降或者隆起引起地面开裂，引起附近建筑开裂或者倾斜，严重时可导致建筑倒塌。南京地铁二号线地表开裂上海轨道4号线地铁事故造成房屋倾斜2023/2/3

(4)投资大，建设周期长，工程规模大、造价高。如英吉利海峡隧道(又称英法海底隧道或欧洲隧道)，是一条连接英国英伦三岛与欧洲法国的铁路隧道，于1994年5月6日开通。它由三条长51km的平行隧洞组成，总长度153km，其中海底段的隧洞长度为3×38km。从1986年2月12日法、英两国签订关于隧道连接的坎特布利条约，到1994年5月7日正式通车，历时8年多，耗资约150亿美元。英吉利海峡隧道2023/2/3

隧道与地下工程的发展历史与人类的文明史相呼应，大概可以分为古代、近代、现代三个时期。

古代时期主要是从人类出现到公元17世纪。这一时期的主要特点是利用天然材料，如岩石、土体、木材等，辅以较原始的手工或简单机械来完成，在技术上多依赖于经验。这一时期的主要工程实例有：中国窑洞、隋朝地下粮仓等。7.1.2隧道与地下工程的发展简史陕西窑洞2023/2/3古代地下建筑：人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居、活动场所和墓室。2023/2/3这个历史时期所谓地下建筑工程多局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。2023/2/32023/2/3我国的地下储粮已有5000多年历史敦煌、云岗、龙门三大石窟群也是我国古代杰出的地下建筑工程。2023/2/3

近代时期是指从17世纪到第二次世界大战前后。在这一时期土、木、石、砖等建筑材料特别是现代建筑材料混凝土、钢材、钢筋混凝土的广泛使用，现代数学、力学的发展和应用，火药的发明和广泛应用以及工业革命的发展促使大量机械的使用，使隧道与地下结构进入大量发展时期。八达岭隧道是中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于京包铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长1091m，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，1907年开工，在中国技术人员和工人的努力下，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道2023/2/31863年法国人Brunel用其发明并申请专利的最早实用手掘式盾构技术成功开挖了世界上第一条水底盾构隧道，如图所示是当时手掘式盾构法修建隧道的示意图。

2023/2/3近代地下建筑从英国1860年修建、1863年运营的第一条地下铁道算起，至今也只有140多年的历史。由于战争频繁、城市人口增加、环境污染日益严重以及能源危机等因素的影响，地下建筑工程在一些国家得到迅速发展。

日本东京郊区地下泄洪工程2023/2/3

长——盾构一次性掘进距离长达7.5公里，世界上绝无仅有；大——两台超大盾构直径达15.43米，堪称世界之最；深——江底高水压施工，最深处覆土达55米如图所示的上海长江隧桥工程采用“南隧北桥”方案，包括上海长江大桥和长江隧道工程两部分。其中，以隧道方式穿越长江南港水域，长约8.9公里；以桥梁方式跨越长江北港水域，长约10.3公里。长江隧道以及整个长江隧桥工程于2009年10月31日通车。2023/2/37.2隧道工程

隧道是修筑在岩体、土体或水底，两端有出入口，供车辆、行车、水流及管线等通过的通道，具有以下特点：

(1)是交通运输线路穿越天然障碍，包括山岭、丘陵、土层、水(海)域等的有效方法；(2)所处地质条件复杂多变，遇到意外情况比较多，工程定位、设计、施工方法都必须随时作相应调整；

(3)施工作业面窄，可能容纳的劳动力和机械设备都受到限制，对工业化、机械化施工要求高；

(4)造价昂贵。从地质条件来分，可以分为土质隧道和岩石隧道；从埋置深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道；从所处的位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。按照它的用途来分，可以分为交通隧道、市政隧道、水工隧道及矿山隧道等。2023/2/37.2.1交通隧道

交通隧道是应用最为广泛的一种隧道，其作用是提供交通运输和人行的通道，以满足交通线路畅通的要求，包括公路隧道、铁路隧道、地下铁道、高速铁路隧道、航运隧道、人行隧道。我国最长的公路隧道为陕西秦岭终南山公路隧道，长18.4km，单孔双车道。设计工期为67个月，总投资约25亿元人民币2023/2/3过去，为节省工程造价，山区公路常常盘山绕行，宁愿延长距离而避开修建隧道。随着经济和生产的发展，对道路提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等，因此，在道路穿越山区时，出现了大量的隧道方案。隧道的修建在改善公路技术状态，缩短运行距离，提高运输能力，以及减少事故等方面起到重要的作用。我国修建的秦岭终南山隧道长将翻越秦岭的道路缩短约60km，时间减少2个多小时。秦岭终南山隧道2023/2/3

洛达尔隧道位于挪威西部地区的洛达尔和艾于兰之间，全长24.51km。于1995年3月开始动工兴建，2000年11月27日正式通车，整个工程项目共耗资约1亿美元。洛达尔隧道通车后，奥斯陆与卑尔根之间的行车时间将从以往的14个小时缩短至7个小时，车辆在冬季照常通行无阻。

洛达尔隧道——世界最长的公路隧道2023/2/3公路隧道附属设施公路隧道需要有较完善的通风、照明、防灾等附属设施，以防止隧道内的事故。对于长大隧道，必要时应当考虑设置竖井式通风或者人工通风如射流式纵向通风。

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汽车排出的废气含有多种有害物质，如一氧化碳CO、氮氧化合物NOx、碳氢化合物HC，亚硫酸气体和烟雾粉尘。用通风的方法从洞外引进新鲜空气冲淡一氧化碳的浓度至卫生标准，即可使其它因素处于安全浓度。隧道内通风2023/2/3隧道内照明

昼间需要照明。防止司机视觉信息不足引发交通事故；应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能认清行车方向，正常驾驶。隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。2023/2/3铁路隧道是修建在地下或水下并铺设铁轨供机车车辆通行的建筑物。铁路穿越山岭地区时，需要克服高程障碍，由于铁路限坡平缓，这些山岭地区限于地形而无法绕行，常常不能通过展线获得所需的高程。此时，开挖隧道穿越山岭是一种合理的选择，其作用可以使线路缩短，减小坡度，改善运营条件，提高牵引定数。铁路隧道与公路隧道按照长度分类。铁路隧道隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道铁路隧道长度（m）>100003000~10000500~3000≤500公路隧道长度（m）>30001000~3000250~1000≤2502023/2/3铁路隧道我国最长铁路隧道—兰新铁路乌鞘岭隧道(全长20.05公里)最高的铁路隧道——青藏铁路风火山隧道，全长1338m，轨面海拔高度4905.4m。中国铁路隧道约有半数以上分布在川、陕、云、贵四省。2023/2/3大瑶山隧道是我国最长的铁路隧道之一,长14.295km.2023/2/3黄浦江人行隧道:隧道为我国第一条越江人行隧道，建于浦西南京路外滩与浦东陆家嘴东方明珠塔之间，隧道内径6.67米，全长646.7米。2023/2/3铁路或公路遇到水面障碍物时，除可修建桥梁通过外，修建水底隧道可能是最佳方案。尤其在水面宽，航运繁忙，通过巨型船只较多，不宜建造高桥和长引桥的情况下。水底隧道与桥梁工程相比，具有隐蔽性好，可保证平时与战时的畅通，抗自然灾害能力强，并对水面航行无任何妨碍的优点，但其造价较高。水底隧道大连至烟台海底隧道2023/2/3地下铁道

地下铁道是在大城市中主要在地下修筑隧道，铺设轨道，以电动快速列车运送大量乘客的公共交通体系，简称地铁。

在城市郊区，地铁线路常可延伸至地面或高架桥上。地铁运输不占街道面积，不干扰地面交通。地下铁道是在大城市中解决交通拥挤、车辆堵塞的有效途径之一。由于地下铁道能快速、安全、准时地大量输送乘客，成为大城市解决交通矛盾的有力手段。2023/2/3

地下铁道线路的轨道同地面铁路的轨道相似，一般采用标准轨距或同地面铁路相同的轨距。目前各国地铁均采用较重型的钢轨，道床一般为碎石道床或混凝土整体式道床。碎石道床结构简单，施工容易，造价低，减振、减噪性能较好，但养护和维修工作量大。混凝土道床维修方便，但需用弹性扣件和橡胶垫板等改善轨道的弹性。2023/2/3市政隧道修建在城市地下，用作铺设各种市政设施地下管线的隧道。在城市中进一步发展工业和提高居民文化生活条件的需要，供市政设施用的地下管线越来越多，如自来水、污水、暖气、热水、煤气、通信、供电等。管线系统的发展，需要大量建造市政隧道，以便从根本上解决各种市政设施的地下管线系统的经营水平问题。在布置地下的通道、管线、电缆时，应有严格的次序和系统，以免在进行检修和重建时要开挖街道和广场。2023/2/3水工隧道

山体中或地下开凿的过水隧道。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水流不充满全洞，在洞内具有自由水面的，称为无压隧洞；充满整个断面，使洞壁承受一定水压力的，称为有压隧洞。水工隧道包括以下几种：引水隧道、尾水隧道、导流隧道或泄洪隧道、排沙隧道。

水电站水工隧道及地下发电厂布置2023/2/3锦屏二级水电站地处四川省凉山彝族自治州大山深处，利用雅砻江150公里锦屏大河湾的天然落差，开挖隧洞引水发电。4条引水隧洞平均长约16.6公里，开挖洞径13米，为世界最大规模水工隧洞。工程建设总工期8年3个月，静态总投资249.8亿元。2012年12月30日上午10时，的锦屏二级水电站首台机组顺利发电。至此，国家“西电东送”和“川电外送”战略的关键性工程――拥有世界最大规模引水隧洞群的锦屏电站，将把清洁能源源源不断地送往华东电网及川渝电网。2023/2/3

在实际工程中，为简化枢纽布置，节省投资，在可能条件下宜考虑一洞多用。如发电与灌溉、供水相结合，将发电后的尾水用于灌溉、工业及城镇供水；导流隧道在完成导流任务后，可以改作灌溉隧道或泄洪隧道。较地面上的水电站相比，其受季节性降水影响小，即使在枯水季节也能发挥作用。锦屏水电站地下厂房三维透视图

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隧道与地下工程施工方法种类繁多，总体上可以分为岩石地下工程和土层地下工程施工方法。其中岩石地下工程施工方法可以分为矿山法、新奥法和隧道掘进机施工法；土层地下施工方法可以分为明挖法、浅挖法、盖挖法、沉井、沉管、顶管法、盾构法等。7.4隧道与地下工程施工2023/2/3

在土层等较软地层中进行地下工程施工，必须考虑土层不足以提供自身较长时期稳定的特性。土层地下工程中常用的施工方法有明挖法、浅埋暗挖法等。

(1)明挖法7.4.1土层地下工程施工明挖法是从地表开挖基坑，修筑衬砌后用土石进行回填的浅埋隧道、管道或其他地下建筑工程的施工方法。常见的明挖法示意2023/2/3明挖法的优点具有施工简单、快捷、经济、安全，城市地下隧道式工程发展初期都把它作为首选的开挖技术。其缺点是对周围环境的影响较大。

明挖法的关键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。杭州设计双向通行的天成路地下隧道采用明挖法施工工艺，开挖深约14m，宽约50m，长约450m2023/2/3(2)暗挖法

当埋深超过一定限度后，明挖法不再适用，而要改用暗挖法，即不挖开地面，采用在地下挖洞的方式施工。暗挖适用于不宜明挖施工的含水量较小的各种地层，尤其对城市城区地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地沉陷要求严格的情况下修建埋置较浅的地下结构工程更为适用。对于含水较大的松软地层，采取堵水或降水等措施后该法仍能适用。2023/2/3

以准备好的顶压工作坑(井)为出发点，将管卸入工作坑后，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中，同时挖除并运走管正面的泥土。顶管法施工示意图(3)顶管法2023/2/3顶管法施工现场2023/2/3（4）沉管法沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水底建筑隧道的一种施工方法。其施工顺序是先制作隧道管段(用钢板和混凝土或钢筋混凝土)，管段两端用临时封墙密封后滑移下水，使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。沉管法2023/2/37.4.2岩石地下工程施工(1)矿山法矿山法也是暗挖法的一种，主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程。隧道开挖后受爆破影响，岩体破裂松弛，随时都可能坍落。矿山法其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖，并要求边挖边修筑衬砌以求安全。钻爆法开挖作业程序包括钻孔﹑装药﹑爆破﹑通风﹑支护﹑装碴﹑运输等工序。2023/2/3(2)新奥法

新奥法是在矿山法的基础上发展而来。应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。新奥法的主要原则为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”。传统矿山法与新奥法施工的区别施工过程新奥法传统矿山法支护临时支护喷锚支护木支撑为主，钢支撑永久支护复合式衬砌单层模注混凝土衬砌闭合支护强调不强调控制爆破必须采用可采用测量必须采用无施工方法分块较少分块较多2023/2/32023/2/3

新奥法采用喷锚支护作为临时支护，比之木支撑有显著的优点，除了能节省大量的木材外，它还能及时施作，能有效地控制围岩的变形，并充分发挥围岩的承载能力，并作为复合式衬砌的一部分。2023/2/3(3)盾构法盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。2023/2/32023/2/3类型因素介绍盾构法施工主要优点环境影响小盾构法施工出土量少，对周围地层的沉降、隆起控制方便，对周围构筑物的影响较小；盾构法施工不影响地表交通，对居民的生活、出行影响较小；无需切断、搬迁地下管线等各种地下设施；无空气、噪声、振动污染问题。有明显的技术经济优势盾构法施工开挖、拼装管片、盾构推进等作业有序进行，循环性强，易于施工管理，在技术上有很明显的优势；隧道施工无需大量的拆除地表建筑，经济优势明显。机械化施工程度高，较安全整个盾构法施工大部分工作均有机械完成，仅需要很少人工(相较于其他施工工法)，安全系数高。施工不受风雨等气候条件影响盾构法施工绝大部分工作均在地下进行，受地面风雨影响极小，当然，风雨引起的地下水位的变化还是值得注意的。适用地层范围广盾构施工方法不仅适用于软土地层，还可使用于软弱、破碎岩层