隧道及地下工程

第五讲隧道及地下工程、道路与

铁道工程隧道及地下工程最古老的隧道是古代巴比伦城衔接皇宫与神庙间的人行隧道，建在公元前2160-2180年间。古代运用原始工具发掘，速度最慢者是驱使3万奴隶发掘，每周进尺仅75mm。目前世界最长的汽车公用隧道是瑞士中部的圣哥达(St.Gotthard〕隧道，全长16.3km，隧道开凿时，第一次运用了硝化甘油炸药。我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门〞隧道，建于公元66年。古希腊萨摩斯隧道定陵地下宫殿当今人类正在向地下、海洋和宇宙开发。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线〞的利用向大断面、大间隔的“空间〞利用进展。20世纪80年代国际隧道协会〔ITA〕提出“大力开发地下空间，开场人类新的穴居时代〞的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下开展，将国土扩展十倍的想象。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：第一时代从出现人类至公元前3,000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。第二时代从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。第三时代从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的开展。第四时代从15世纪开场的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开场引进并得到开展。我国地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建立地下铁道。70年代，我国建筑了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。80年代上海建成延安东路水底公路隧道1985年至1987年，上海建成黄浦江上游引水隧道一期工程90年代以来，上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通90年代后期至今，广州、深圳、南京等地相继地铁开通南京、杭州、福州琅岐等正方案建筑过江隧道现代地下工程开展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市建筑了地下铁路；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；著名的公路隧道，如穿越阿尔卑斯山、衔接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超越10km各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电的数目，全世界已超越400座，其发电量达45亿瓦以上。修筑隧道和利用地下空间从原始时代起就已成为人类营生的一种方式。随着近代文明的开展，才使它成为土木工程学的一个学科，并运用近代工程技术修筑了很多隧道。隧道是修筑在地面下的通路或空间，但孔径太小，属于所谓管道范畴的除外。1970年经合组织〔OECD〕的隧道会议对隧道所下的定义为：以某种用途，在地面下用任何方法按规定外形和尺寸，修筑的断面积大于2的洞室。当前隧道除仍用于铁路、公路交通和水力发电、灌溉等水工隧洞外，也用于上下水道、输电线路等大型管路的通道，另外还将过去了解为地下通路的隧道概念，扩展到地下空间的利用方面，包括诸如地下发电变电所、地下汽车停车场、大型地下车站、地下街道等适用隧道工程技术的建筑物。优点：√恒温，能较好地绝热和蓄热；√抗震性能强；√隐蔽性好，能经受和抗御武器的破坏；√气密性、遮盖性、隔音性均良好；√具有良好的地下水坚持性；√节约用地；√空间开挖有很大的灵敏性；√可综合利用。缺陷：√见不到阳光、温差小、湿度大；√空气封锁压制，不易流通；√人员活动不自在；√环境噪音级加强；√微生物繁衍快。从地质上还可按开挖对象划分为岩石隧道和土砂隧道，并可根据施工场所的不同区分为公路隧道、城市隧道和水下隧道等按施工方式、方法进展详细的分类有盾构法、沉管法、明挖法等等隧道技术，对应于修筑隧道过程的各个阶段，可以大致分为：

调查方案技术〔有关地质、水文等的调查和预测、丈量等〕；

设计技术〔指岩石力学、土力学和构造力学、资料等〕；

施工技术〔指开挖、运输、支撑衬砌的施工、地基改良、为改善施工条件而采用的特殊施工方法、平安卫生等〕；

运用技术〔指照明、通风、维修管理、防灾等〕。公路隧道公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进展设计。隧道平面线形，普通采用直线、防止曲线，如必需设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。公路隧道的纵断面坡度，由隧道通风、排水和施工等要素确定，采用缓坡为宜。隧道的纵坡通常应不小于0.3％，并不大于3％。隧道如从两个洞口对头掘进，为便于施工排水，可采用"人"字坡。单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。隧道净空断面的外形，即是衬砌的内轮廓外形。确定的外形应使衬砌受力合理、围岩稳定。衬砌的外形可采用圆拱直墙。圆形断面利于承压和盾构施工。在浅埋、深埋公路隧道采用矩形或近椭圆形断面。公路隧道的各种主要断面外形如以下图所示。北京八达岭公路隧道隧道通风方式的种类很多，按送风形状、空气流动形状、送风原理等划分如下：1〕自然通风2〕机械通风纵向式：射流式、风道式和喷嘴式、竖井式3〕半横向式4〕横向式5〕混合式自然通风

这种通风方式不设置专门的通风设备，是利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，到达通风目的。但在双向交通的隧道，交通风力有相互抵消的情形，适用的隧道长度遭到限制。由于交通风的作用较自然风大，因此单向交通隧道，即使隧道相当长，也有足够的通风才干。射流式纵向通风竖井纵向通风横向式通风半横向式通风混合式通风根据隧道的详细条件和特殊需求，由竖井与上述各种通风方式组合成为最合理的通风系统。例如，有纵向式和半横向式的组合，以及横向式与半横向式的组合等各种方式。隧道照明与普通部位的道路照明不同，其显著特点是昼间需求照明。防止司机视觉信息缺乏引发交通事故。应保证白天习惯于外界亮堂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、根本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。入口照明是指司机从顺应野外的高照度到顺应隧道内亮堂度，所必需保证视觉的照明。它由临界部、变动部和缓和部的三个部分的照明组成。

铁路隧道地铁的区间隧道是衔接相邻车站之间的建筑物。它在地铁线路的长度与工程量方面均占有较大比重。区间隧道衬砌构造内应具有足够空间，以供车辆通行和铺设轨道、供电线路、通讯和信号、电缆和消防、排水与照明安装。地铁隧道构造浅埋区间隧道

多采用明挖施工，常用钢筋混凝土矩形框架构造。以下图显示的是浅埋明挖施工的区间隧道构外型式。a单跨矩形b双跨矩形c单层双跨d单拱形深埋区间隧道

深埋隧道多采取暗挖施工，用圆形盾构开挖和钢筋混凝土管片支护。构造上覆土的深度要求应不小于盾构直径。从技术和经济观念分析，暗挖施工时，建造两个单线隧道比建造将双线放在一个大断面的隧道里的作法合理，由于单线隧道断面利用率高，且便于施工。

莫斯科早期地下铁道顺应备战要求采用深埋方式，有的路段深达40～50m。伦敦地铁有的建在30m深左右的粘土层中，利用其不渗水的特点方便施工。站台是地铁车站的最主要部分，是分散上下车人流、供乘客乘降的场地。铁路隧道施工地下铁道沿城市主要街道布置，在市区或市郊建筑。因此，施工方案的选取应充分思索地铁对城市交通、建筑物拆迁以及对地面上下管线的影响，从技术、经济等方面加以权衡比较。地下铁道的建筑方法很多，概括起来有两大施工方式，即明挖法和暗挖法。明挖法明挖法也称作基坑法,是一种用垂直开挖方式建筑隧道的方法〔对应于程度方向掘进隧道而言〕,指从地面向下开挖，并在欲建地下铁道构造的位置进展构造的建筑，然后在构造上部回填土及恢复路面的施工方法。或者从地面向下开挖，用大号型钢架于两侧钢桩或延续墙上，以维持原来路面的交通运转。后一种基坑法也称为路面覆盖式基坑法或称开壕被覆法〔CutandCover〕，我国称为盖板法明挖法施工暗挖法暗挖法有时也称为矿山法，尤其是指在巩固的岩石层中采用的矿山巷道掘砌技术的开凿方式。但地铁施工多在浅部的松软土层中进展，此暗挖法主要指：〔1〕盾构法〔2〕注浆法〔3〕沉管法〔4〕顶管法隧道出口施工隧道内路面施工京广铁路大瑶山隧道施工青藏线锡铁山分水岭隧道秦岭隧道水底和海底隧道水底隧道与桥梁工程相比，具有隐蔽性好，可保证平常与战时的畅通，抗自然灾祸才干强，并对水面航行无任何妨碍的优点，但其造价较高。水底隧道可以作为铁路、公路、地下铁道、航运、行人隧道，也可作为管道保送给排水隧道。

17世纪起，欧洲建筑了许多运河隧道，其中法国魁达克运河隧道长157km。1927年美国纽约于哈德逊河底建成霍兰〔Holland〕隧道，次年又建成世界上第一条沉管法水底隧道博赛〔Bosey〕隧道。目前世界上最长的铁路隧道是在海底穿越津轻海峡的日本青函隧道，全长58.85km。我国自20世纪60年代开场研讨用盾构法建筑黄浦江水底隧道。上海第一条越江隧道――打浦路隧道于1965年开场施工，并于1981年建成通车。第一座沉管隧道也于70年代初期在上海建成。1982年台湾高雄建成一条沉管水底公路隧道。水底隧道的埋置深度

水底隧道的埋置深度是指隧道在河床下的岩土的覆盖厚度。埋深的大小，关系到隧道长短、工程造价和工期确实定。尤其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的平安问题。设计水底隧道的埋置深度需思索以下几个主要要素：1、地质及水文地质条件2、施工方法要求3、抗浮稳定的需求4、防护要求水底隧道主要断面方式，圆形、方形、拱形。隧道防水

水底隧道的主要部分处于河、海床下的岩土层中。年年在地下水位以下，接受着自水面开场至隧道埋深的全水头压力。因此水底隧道自施工到运营均有一个防水问题。防水的主要措施有：防水混凝土、壁后回填、围浆注岩、双层衬体玄武湖隧道厦门跨海半桥半隧道方案海底观光隧道辛普朗隧道：世界最长的山岭铁路隧道。从瑞士通往意大利的铁道路穿越阿尔卑斯山底部的两座单线铁路隧道。其长度分别为19803米〔一号〕和19323米〔二号〕。辛普朗一号隧道建于1898－1906年，二号隧道建于1912－1922年。两条隧道的中线相距20米左右。青函海底隧道：日本穿越津轻海峡衔接本州〔青森〕与北海道〔函馆〕的海底铁路隧道。全长53.85公里，是世界上最长的隧道。1964年5月开工，1985年3月正洞凿通。隧道的海底部分长23.3公里，本州端陆上部分13.55公里，北海道端陆上部分长17公里。宽度为36.8km，隧道长度约为51km罗沃运河隧道：当代世界上最大的运河隧道。位于法国马赛至罗讷水路干线上，1920年建筑，长7公里多，水深4米，可供排水量达1000吨的内河航船双向通行。城市外围快速干道的建立(沉管式隧道)地下工程在地面以下土层或岩体中建筑各种类型的地下建筑物或构造的工程，可称为地下工程。它包括交通运输方面的地下铁道、公路隧道、地下停车场、过街或穿越妨碍的各种地下通道等；军事方面和野战工事、地下指挥所、通讯枢纽、掩蔽所、军火库等；工业与民用方面的各种地下车间、电站、各种储存库房、商店、人防与市政地下工程，以及文化、体育、文娱与生活等方面的结合建筑体等等。地下电站地下水电站可以划分为两种主要类型，即利用江河水源的地下水力发电站和循环运用地下水的抽水蓄能水电站。地下水电站可以充分利用地形、地势、尤其在山谷狭窄地带，在地下建站、布置发电机组，非常经济有效。电站建于地下，可获得更大水力压头，并且在枯水季节，水位较低时也能发电。普通水电站的压力隧道，选建于巩固、完好的岩石中，可简化衬砌构造。地下水电站，在我国的东北和西南地域建立较多。地下抽水蓄能站有时也称地下扬水水电站。这种水电站通常设于千米左右的地下深处，具有地上、地下两个水库。供电时，水由地上水库、经水轮发电机发电后流入地下水库；供电低峰时，用多余的电力反过来将地下水库的水抽回原地面水库，以便循环运用。

深部电站和地下蓄水水库的建立，施工比较困难，而且造价高。但是由于蓄能电站在电力负荷顶峰时供电，低峰时抽水，对处理电网负荷不均问题非常有利。同时其耗水量少，且又不受水库容量变化的影响、消费平稳、本钱低、不占土地、不污染环境，因此在水力资源丰富、工业兴隆的国家得到运用和开展。原子能发电站地下仓库地下燃料贮库可分为以下几种类型：

1．开凿硐室贮库。如岩石中金属罐油库，衬砌密封防水油库，地下水封石洞油库，软土水封油库等；

2．岩盐溶淋洞室油库；

3．废旧矿坑油库；

4．其它油库。包括冻土库，海底油库，爆炸成型油库等。水封油库地下综合体城市地下空间的开发利用，曾经成为现代城市规划和建立的重要内容之一。一些大城市从建造地下街、地下商场、地下车库等建筑开场，逐渐开展为将地下商业街、地下停车场和地下铁道，管线设备等结为一体，构成与城市建立有机结合的多功能的地下综合体。因此，地下综合体可以思索定义为建立沿三维空间开展的，地面地下连通的，结合交通、商业储存、文娱、市政等多用途的大型公共地下建筑。地下综合体具有多重功能、空间重叠、设备综合的特点，与城市的开展应统筹规划、结合开发和同步建立。东京地铁俄罗斯地下铁道莫斯科地下铁道北京地下铁道伦敦地下铁道日本名古屋地下商店杭州宝石山地下会堂哈尔滨地下疏散干道南京人防工程道路工程普通指从事道路的规划、勘测、设计、施工、养护等的一门运用科学和技术。道路通常是指为陆地交通运输效力，通行各种机动车、人畜力车、驮骑家畜及行人的各种路的统称。学科内容：√道路网规划和线路勘测设计；√路基工程；√路面工程；√道路排水工程；√桥涵工程；√隧道工程；√附属设备工程；√养护工程。太旧高速公路甘肃陇南高楼盘山公路按照公路的位置以及在国民经济中的位置和运输特点的行政管理体制来分类为：国道、省道、县道、乡(镇)道及公用公路等几种。按运用性质分为：城市道路、公路、厂矿道路、乡村道路、林区等公用道路。城市高速干道和高速公路那么是交通出入遭到控制的、高速行驶的汽车公用道路。公路分类道路的分类

国家的公路分类与技术规范普通由该国担任管辖公路与建立的部门来制定其规范。我国由交通部来制定公路分级与规范。当前我国的公路等级按照其运用义务、功能和顺应的交通量分为：高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路五个等级公路的技术规范是根据实际和总结公路建立的阅历以及国家政策而拟定的，是国家的法定技术要求，它反映了一个国家公路建立的技术方针和生活程度。普通分为“几何规范〞、“载重规范〞和“净空规范〞等，在公路设计时必需严厉遵守。“几何规范〞或称“线形规范〞主要是确定道路线形的几何尺寸的技术规范。“载重规范〞是用于道路的构造设计，它主要根据是汽车的载重规范等级。“净空规范〞是根据不同汽车确定的外轮廓尺寸和轴距，来确定道路的尺寸。公路的几何〔线形〕组成公路由于自然条件或现状地形的限制，在平面上有转机、纵面上有起伏。在转机点两侧相邻直线处，为了满足车辆行驶顺适、平安和速度的要求，必需用某半径的圆弧衔接，可见道路在平面和纵面上均由直线和曲线组成。常用几种线形：沿河线、越岭线、山坡线、山脊线公路路基路基的横断面组成有：路堤、路堑和填挖部分组成。路基的几何尺寸由高度、宽度和边坡组成公路路面构造路面普通按其力学性质分为柔性路面和刚性路面两大类。路面的常用资料有沥青、水泥、碎石、粘土、砂、石灰及其它工业废料等公路排水构造：地面水的排除系统按其排水方向不同，分为纵向排水和横向排水路的特殊构造物：隧道、悬出路台、防石廊、挡土墙和防护工程等公路沿线附属构造：需设置交通管理设备、交通平安设备、效力设备和环境美化设备等新疆海拔3100米的天山公路河南辉县的山区乡村公路沈阳至抚顺的一级公路北京市八达岭过境二级公路城市道路要求适当的路幅以包容繁重的城市交通。巩固耐久，平整抗滑的路面，以利于车辆平安、温馨、快速地行驶。少扬尘、少噪声以利于环境卫生。便利的排水设备以便于雨雪水及时排出。充分的照明设备以利于居民晚间活动和车辆运转。道路两侧要设置足够宽的人行道、绿化带、地上杆线、地下管线等。城市道路分类快速道(双向行车道、中央设有分车带、进出口普通全控制或部分控制，为城市大量、长间隔、快速交通效力)；主干道(衔接城市主要分区的干路，以交通功能为主，普通为三幅或四幅路)；次干道(与主干道组成道路网，起集散交通之用，兼有效力功能)；支路(为次干路与邻居路的衔接线，处理部分地域交通，以效力功能为主)。居民区道路、风景区道路、自行车公用车道北京城市立交公路系统香港立交道路系统广州流花湖畔城市道路高速公路高速公路是一种具有四条以上车道，路中央设有中央隔离带，分隔双向车辆行驶，互不干扰，全封锁，全立交，控制出入口，严禁产生横向干扰，为汽车公用，设有自动化监控系统，以及沿线设有必要效力设备的道路。高速公路的造价很高，占地多。如目前我国的高速公路，每公里造价大约3000万元左右，路基宽按照26米计算，那么每公里占用土地约0.3平方公里以上。但是从其经济效益与本钱比较看，高速公路的经济效益还是很显著的。高速公路特点行车速度快，通行才干大物资周转快，经济效益高交通事故少，平安温馨好高速公路的几何设计规范普通道路高速道路高速公路沿线设备高速公路沿线有平安设备、交通管理设备、效力性设备、环境美化设备等巴黎戴高乐国际航空港立交道路系统台湾中山高速公路德国高速公路甘肃省超越巴丹吉林沙漠的河雅公路天津中环线八里台立体交叉广州四层环形立体交叉铁路工程世界铁路已有近200年，第一条用于客货运输且有特定时间行使列车的铁路，是1830年通车的英国利物浦与曼彻斯特之间的铁路，全长56.3公里，以后铁路主要根据牵引动力的开展而开展。20世纪60年代出现高速列车，速度从60km/h提高到450km/h，后又出现磁悬浮列车，速度可到达500km/h，我国上海曾经开通。世界著名铁路工程：其特点表如今两个方面：一是在复杂山区中，以高超的技巧，利用和改造自然，完成高质量的线路；二是在普通地域，使动力与线路设备相协调，建成经济有效，能行驶超高速列车的线路。这样的范例不胜枚举，在中国有京张铁路、宝成铁路〔特别是宝凤段〕和成昆铁路。在其他国家和地域的著名铁路工程有：瑞士山区铁路、南美高山铁路、北美横贯大陆的铁路、前苏联西伯利亚铁路、日本高速铁路、法国高速铁路等。瑞士国际线圣歌达隧道北口美国加利福尼亚卡扬垭口跨越落基山的线路中国成昆线一线天两隧道间的拱桥中国成昆线花果山斜撑悬臂桁架盖板棚洞洞口鹰夏线桥隧相连襄渝线红岩湾隧道群青藏线利用隧道越过锡铁山分水岭德国马申编组站北京丰台西驼峰编组场铁路种类的划分：按轨距划分：规范轨距铁路、宽轨铁路和窄轨铁路。国际规范轨距为4英尺81/2英寸〔1435mm，1886年国际铁路会议正式经过〕。世界各国多采用规范轨距〔约占62%〕，少数采用宽轨〔约占17%〕和窄轨〔约占21%〕。按牵引动力分：电力牵引、内燃牵引和蒸汽牵引。按铁路的义务和运量划分：普通分为假设干等级，有些国家的铁路分为干线、支线和山区线。中国国家铁路划分为I级、II级、III级及地方铁路。I级铁路指在路网中起骨干作用，远期(指运营后10年以上)年直通货运保送才干大于800-1000万吨者。II级铁路指在路网中起辅助连络作用，远期年直通货运保送才干等于或大于500万吨者；III级铁路为地方性质铁路，远期年直通货运保送才干小于500万吨者。铁路上的各种土木工程设备，同时也指建筑铁路和各阶段〔勘测设计、施工、养护、改建〕所运用的技术。铁路工程最初包括与铁路有关的土木〔轨道、路基、桥梁、隧道、机场〕、机械〔机车、车辆〕和信号等工程。随着建立的开展和技术的进一步分工，其中一些工程逐渐构成为独立的学科，如机车工程、车辆工程、信号工程；另外一些工程逐渐归入各自的本门学科，如桥梁工程、隧道工程。如今铁路工程一词已仅狭义地指：铁路选线、铁路轨道、路基和铁路站场及枢纽。铁路选线设计选线设计过程中定线主要要素：线路的意义及与行政区其它建立的配合关系线路的经济效益与运量线路所处的自然条件线路的主要技术规范和施工条件乐武展线表示图〔眼镜形展线〕成昆线乐武展线，在西昌北的牛日河上游，尼波至红峰站间，间隔约7公里，高差142米，用16‰加力坡，展线长14.32公里。成昆线法拉展线，在元谋南，龙川江上游，小村站至阿南庄站之间，采用12‰加力坡。展线表示图〔螺旋形〕铁路路基高速铁路铁路现代化的重要标志就是速度的提升。普通来说：100-120km/h为常速；120-160km/h为中速；160-200km/h为准高速；200-400km/h为高速；400以上为特高速；高速列车的几种方式日本新干线方式：全部建筑新线，旅客列车公用德国ICE方式：全部建筑新线，旅客列车公用英国APT方式：既不建筑新线，也大量改造旧线，主要用摆式车体的车辆组成客货混用线路法国TGV方式：部分新建线路，部分改造线路，旅客列车公用日本新干线德国ICE英国APTX2000型摆式车组瑞典早期X1电动机车组瑞典X2000机车组美国X2000机车组中国X2000机车组法国TGV西班牙高速铁路意大利高速铁路高速铁路关键技术铁路曲线：我国160km/h，轨道半径为2000m法国300km/h，轨道半径为4000m轨道平顺：轨道不平是导致车辆振动，产生轮轨附加动力根源牵引动力：信号与控制系统：城市地铁与轻轨世界上第一条载客的地下铁路是1863年首先通车的伦敦地铁。早期的地铁是蒸汽火车，轨道