项目1　课程导论

项目描述

铁路隧道是山区线路穿越山岭时用来克服高程障碍的一种建筑物，是整条线路的组成部分，具有造价比较高，施工难度较大，进度比较慢等特点。通过本项目的学习，能够了解隧道的概念及其分类以及铁路隧道常用的施工方法，为后续项目的学习做好铺垫。

教学目标

1.能力目标

能够了解隧道的基本概念与功能、隧道的主要类型、隧道工程常用的施工方法及隧道工程的主要特点。

2.知识目标

准确掌握隧道的定义；熟悉隧道的用途及分类；掌握铁路工程隧道施工常用的施工方法。

相关案例——铁路客运专线隧道施工案例

津（天津）秦（秦皇岛）铁路客运专线共有隧道14座，全长约11.1km。其中长隧道1座（葫芦山隧道），长3800m，中长隧道6座，短隧道7座。全部为单洞双线隧道，采用钻爆法施工。

目前，客运专线隧道复合式衬砌结构设计趋于标准化，基本采用定型图，多采用单洞双线方案，钻爆法施工，开挖断面140～160m2，支护结构采用钢架、锚、喷、网联合支护方式。

葫芦山隧道Ⅱ级围岩长度2610m，最大埋深270m，岩性为花岗岩。设计采用的开挖方法为全断面法，但考虑到单洞双线客专隧道断面大的特点，从合理施工组织的角度出发，采用上下台阶法开挖。其优点是：一是可以降低一次爆破的装药量，减小对围岩的破环；二是可以减少单循环作业时间，提高进度指标；三是可以充分利用资源，提高利用率，降低投入成本；四是遇到断层破碎带等不良地质体时，方便处理。施工中采用光面爆破技术，周边孔痕迹保存率超过90％以上。为了保护防水板，需要喷混凝土封闭岩石棱角。

葫芦山隧道进出口段围岩破碎，采用超前小导管注浆和钢支撑与小导管组合，并采用环形开挖预留核心土法，短进尺、弱爆破、强支护、早封闭，顺利通过该地段。

通过该案例可知，隧道是铁路线路上的主要建筑物，常用的隧道施工方法为钻爆法。除了铁路线路外，在公路、城市地铁等穿越江河湖海时，隧道也是常采用的结构形式。通过下面铁路隧道施工相关概念认知的学习，可以更好地对隧道施工有一个基本认识。

隧道是一种修建在地下的工程结构物。随着人类文明及现代工程技术的发展，隧道以其位于地下这一特点，已被广泛地应用于交通、矿山、水利及国防等领域，现已成为土木工程的一个重要分支。交通运输类隧道与其他用途的隧道相比，不仅长度大，数量多，而且在施工中遇到的工程地质和水文地质条件也比较复杂，对其平面、纵断面、横断面及形状、尺寸要求都较严格。目前对隧道的勘测、设计和施工体系已日趋成熟。本书力求将隧道的构造、施工及维护等方面的最新技术和知识展示给读者。

1.隧道的基本概念和用途

一般说来，隧道的修建是按照设计形状和尺寸在地下开挖出一个长形的通道，再做必要的支护，形成稳定的洞室以便使用。1970年国际经济合作与发展组织（OECD）将隧道定义为：“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面面积大于2m2的洞室”。

长期以来，除天然洞穴外，人类为了不同的需要，在地下修建了许多各种用途的工程建筑物。如位于地下的人防工程、工厂、仓库、街道、商店、停车场、陵墓等。这些地下建筑物虽然其用途、结构形式和构造有所不同，但都是作为地下洞室而存在的。因此，作为“地下通道”的隧道概念，也可以扩大到地下空间利用的各个方面，但断面过小的地下管道除外。

作为地下通道，隧道的主要用途有两方面：即用作交通运输通道和水流通道。因此，除了在铁路、公路建设中及挖掘运河时常要修建铁路隧道、公路隧道及航运隧道外，在水力发电、农田灌溉或为了向大城市供水等而修建的供水系统中，亦常常需要修建输水隧道。此外，在国防及市政等工程建设中，隧道也得到了广泛的应用，如人防工程、城市地铁、过街地道等。

2.隧道的分类

在铁路和公路上，隧道常用来穿越山岭和水流障碍。在城市交通运输中，隧道也常常被采用。按照穿越障碍或作用的不同，位于交通线上的隧道可分为山岭隧道、水底隧道和地下铁道隧道等。

（1）山岭隧道

①铁路隧道

在山区修建铁路时，往往会遇到山岭障碍。而铁路限坡平缓，常难以上升到越岭所需要的高度，同时，铁路还有最小曲线半径限制，常限于山岭地形无法绕过，需要修建隧道以克服高程或平面障碍。山岭隧道的修建，既可以使线路顺直，避免无谓的展线，使线路缩短；又可以减小线路坡度，使运营条件得以改善，从而提高运输能力，取得理想的经济效果。所以在山区铁路线上修建隧道的范例是很多的。例如，大秦线军都山隧道、南昆线米花岭隧道、西康线秦岭隧道、衡广复线大瑶山隧道、兰武复线的乌鞘岭隧道、昆仑山隧道、青藏线风火山隧道、石太客运专线太行山隧道、青藏线新关角隧道等。其中衡广复线大瑶山隧道是河谷地段截弯取直的良好范例，复线隧道的修建，使铁路线长度较既有线路缩短约15km；新关角隧道位于青藏铁路西（宁）格（尔木）段的青海天峻县境内，全长32.645km，平均海拔超过3600m，新关角隧道的开通使火车翻越关角山的时间缩短近2h，大大提高了青藏铁路的运力。

高速铁路是铁路现代化的标志。我国把新建最高运行速度不小于250km/h和改建既有线最高运行速度不小于200km/h的铁路称为高速铁路。高速铁路隧道与一般铁路隧道相比有较多的不同，主要与列车空气动力学相关。高速行驶的列车前方的空气受到压缩，而列车后方的空气则形成一定负压，产生一系列复杂的空气动力学效应。高速铁路隧道设计涉及洞口形式、隧道及列车断面、隧道结构耐久性、洞内设施及轨道类型等一系列问题。

为了设计、施工及养护管理上的方便，我国的《铁路隧道设计规范》，按照隧道长度，把铁路隧道分为四种，即：

短隧道——全长500m及以下；

中隧道——全长500m以上至3000m；

长隧道——全长3000m以上至10000m；

特长隧道——全长10000m以上。

隧道长度通常是指进出洞门端墙墙面之间的距离，即两端洞门墙面与线路中线交点间的距离。

②公路隧道

公路的限制坡度和限制最小曲线半径都没有铁路那样严格，过去在山区修建公路时，为节省工程造价，常常宁愿绕行，也不愿修建费用昂贵的隧道。但是，随着高速公路的发展，要求线路顺直、平缓、路面宽敞，于是在穿越山区时，也常采用隧道方案。此外，在城市附近，为避免平面交叉，利于高速行车，也常采用隧道方式通过。

（2）水底隧道

交通道路遇到江河、海峡、海湾等水流障碍时，虽然多采用桥梁或轮渡方案通过，但是，如果在城市区域以内，河道通航需要较高的净空，而桥梁两端引道常需占用宝贵的城市用地或修建结构复杂的很长的引桥，此时采用水底隧道作为穿越方案，既不影响河道通航，也避免了风暴天气轮渡中断的情况，而且战时不致暴露交通设施的目标，防护层厚，是国防上的较好选择。

我国20世纪80年代后相继修建了多座水底隧道，如上海黄浦江隧道、广州珠江地铁隧道、武汉长江隧道、南京长江隧道、苏州独墅湖隧道、杭州西湖隧道、南京玄武湖隧道等。厦门翔安海底隧道是我国内地首条海底隧道，于2005年9月开工至2009年11月贯通，历时4年多，它全长8.695km，其中海底隧道长约5.948km，跨越海域约4.2km，为双向6车道双洞海底隧道，采用三孔隧道形式穿越海峡，两侧为行车主洞，中间一孔为服务隧道，最深在海平面下约70m。青岛胶州湾隧道是我国自行建造的第二条海底隧道，隧道全长7800m，分为路上和海底两部分，海底部分长3950m。该隧道位于胶州湾湾口，连接青岛和黄岛两地，双向6车道。胶州湾海底隧道路线等级为城市快速路，设计基准期为100年，于2006年12月正式开工建设，2011年6月30日正式开通运营。

目前世界上最长的水底隧道是日本青函海底隧道（seikantunnel）（穿越津轻海峡），1964年开挖斜坑道，经过24年的施工，于1988年3月13日正式投入运营，隧道长度约53.85km，其中海底段长23.3km，它把日本的本州与北海道两大岛连结起来。其次是英法海峡海底隧道（又称“欧洲隧道”），它横穿英吉利海峡最窄处，西起英国东南部港口城市多佛尔附近的福克斯通，东至法国北部港口城市加来，这项工程于1987年12月正式动工，由于工程难度大，整整花了六年半时间才得以正式竣工，比预定完工时间晚了1年，于1994年5月6日通车，全长50.5km，其中海底部分长37km。

（3）地下铁道隧道

地下铁道是解决大城市交通拥挤、车辆堵塞等问题，且能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。它既可以有效缓解地面交通压力，在战时还可以起到人防的功能。当前，世界上已有100多座城市修建有地下铁道并投入了使用。我国已建成地下铁道的城市有北京、上海、天津、广州、南京、深圳、西安、杭州、成都、沈阳、香港、台北等。

3.隧道施工方法简介

隧道施工方法一般可分为明挖法和暗挖法两大类。

明挖法适用于浅埋隧道的施工。此种方法的特点是先从地面将隧道上方及内部地层挖开，形成壕堑，然后在壕堑中修建衬砌，再在衬砌顶部进行土石回填。在修建浅埋的地下铁道时亦常采用明挖法施工。

暗挖法施工的特点是先在地层中按需要的形状和尺寸开挖出一个孔洞，然后在其中修建衬砌。常用的暗挖法有矿山法、掘进机法及盾构法三种。

矿山法是用一般地下开挖方法来进行隧道施工的。当隧道穿过岩石地层时，通常均用钻孔爆破的方法进行开挖，在进行必要的临时支护及清除开挖出来的石渣之后，再修建永久性支护结构——衬砌。隧道的横断面视具体条件可分为几部分挖成，亦可一次挖成。由于这种方法与矿山地下巷道的施工方法相类似，故常称之为矿山法（钻爆法）。

掘进机法是采用掘进机来进行隧道施工的。在石质地层中修建圆形断面的隧道时，常采用全断面隧道掘进机（TBM），像钻孔一样，一次便将隧道整个断面钻凿成形。掘进机除了具有掘进功能外，还兼有装渣及自动推进的功能。我国有一些输水隧道曾采用过隧道掘进机施工。目前已建成的秦岭隧道亦采用了先进的全断面掘进机进行施工，且取得了较好的效果。

在水底隧道、城市地下铁道和上下水道的建设中，由于经常通过松软的甚至含水的土层，故一般采用“盾构”法施工。“盾构”是一种兼有推进、防护、安装和掘进功能的壳体隧道开挖机。按其功能不同，可分为普通盾构、机械化盾构、气压盾构及泥水加压盾构等多种。上海黄浦江公路隧道、上海地铁一号线隧道工程，就是采用盾构法施工的。除了上述几类施工方法外，修建水底隧道时还可采用沉管法施工。

与青函隧道和英吉利海峡隧道不同的是，香港的三条海底隧道都是采用沉管法建造的。这种方法需要预先选定隧道的走向，将路线上的海底表层松软泥土挖走，铺上石头作为地基，再把造好的特定长度的隧道一节一节地铺设在地基上。铺设隧道绝不是件容易事，一节管道造好后，要将它运到投放地点，往管道里注水，使它下沉。水下的潜水员指挥水上的起重机调整管道位置，从而保证每节管道完好对接。铺设完成后，还要在隧道外层加铺石料，以防隧道受到外部撞击破裂。在隧道出入口建成后，就可以把隧道里的水抽走，对隧道内部进行配套设施的安装。

山岭隧道多采用矿山法施工，本课程主要讲述有关矿山法施工的基本知识。

近几年来，我国相继修建的隧道基本上是在“新奥法”原理指导下设计和施工的。众多隧道穿越的地层千差万别，工程地质和水文地质条件千变万化，但我国隧道工作者克服种种困难，充分发挥自己的聪明才智；正确运用“新奥法”的原理进行设计、施工，积累了在复杂地质条件下实施“新奥法”的成功经验，为我国今后大力推广和发展“新奥法”奠定了基础。除此之外，20世纪80年代以来，我国高等级公路的修建使得公路隧道的建设发展很快。例如，运用新奥法原理可以将矿山法应用到软弱围岩之中，甚至于第四纪地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法或盾构法，我国隧道工作者称之为“浅埋矿山法”。

当然，尽管近年来我国隧道工程已经取得了一定的成就，隧道施工技术也取得了相应的发展，但是还存在许多问题和缺点。从总体来看，隧道结构还比较粗大厚重，施工环境还很恶劣，工人劳动强度还很大，工程进度不快和工程造价较高。因此，我们对围岩的性质还应更深入的了解；计算模型的选用和计算理论还应更符合实际；施工技术水平和管理方法还应更进一步改进；人力和物力的消耗和浪费都应降低，所有这些都有待我们隧道工作者去研究和解决。今后应当加强隧道环境和地质条件的现场量测及实验室的实验工作，以便对各种不同性质的围岩能模拟出较为符合实际的计算模型和计算理论；进一步提高开挖技术和支护方法；配合完善的施工机械，从目前的半机械化提高到全机械化；要提倡采用科学的管理方法，根据调查的信息，制定施工计划，再根据实测的信息反馈，不断调整计划，达到方案优、质量高、进度快、造价低的目的。总之，只要我们以科学的态度不断实践和探索，就一定能把我国的隧道建设事业推向前进。