隧道及地下工程

二一世紀人類面臨著人口、糧食、資源和環境的四大挑戰，這決非是危言聳聽、杞人憂天。

它如晨鐘暮鼓，告誡人們必須從現在開始認真研究對策。“可持續發展”被作為國策提出來了，擺在每個學科、每個產業的面前，土木工程界也應順潮流而檢討自己。大量的土建工程拔地而起，每天都看到大片良田被鋼筋混凝土所取代，並且無法再生，居住、交通、環境的矛盾日益突出。

把地面活土多留點給農業和環境，使地下空間成為人類在地球上安全舒適的第二個空間，是土木建築工作者的緊迫課題。國際上已提出把“廿一世紀作為人類開發利用地下空間的年代”，日本提出要利用地下空間，把國土擴大數倍。

中國也開始重視地下空間利用的立法工作，各地區已開始進行地下空間的開發規劃。但由於技術立法不夠，在這方面出了不少問題，花費了許多不該花的工程費。本文不願多談成功的一面，僅將這些年來在地下空間開發所產生的問題進行思考，供廿一世紀參考。

隧道及地下工程也指在岩體或土層中修建的通道和各種類型的地下建築物，包括交通運輸方面的鐵路、道路、運河隧道，以及地下鐵道和水底隧道等；工業和民用方面的市政、防空、採礦、儲存和生產等用途的地下工程；軍用方面的各種國防坑道；水利發電工程方面的地下發電廠房以及其他各種水工隧洞等。

世界上第一座交通隧道是公元前 2180～前2160年在巴比倫城中的幼發拉底河下修築的人行通道。各文明古國曾修建過地下墓室，灌溉、給水、排水隧洞，採礦巷道及地下糧倉等。中國漢代在今陝西褒城修隧道時，曾用火煅石法（用柴燒炙岩石，然後潑以水或醋，使之粉碎）開通了長14米、寬3.95～4.25米、高4～4.75米的石門隧洞。19世紀20年代，蒸汽機的出現及鐵路和鍊鋼工業的發展，促進了隧道及地下工程的發展。

1826～1830 年英國修建了長770米的泰勒山單線鐵 路隧道和長 2474 米的維多利 亞雙線鐵路隧道；1860年開始修建倫敦地下鐵道。

19世紀60年代以前，修建隧道都是用人工鑿孔和黑火藥爆破施工。1861年修建仙尼斯峰鐵路隧道時，首次使用風動鑿岩機。1867年修建胡薩克鐵路隧道時用硝化甘油炸藥。20世紀初採用中央導坑法施工，年平均進度達4.5千米。

中國第一座鐵路隧道是 1887～1889年台灣省台北至基隆窄 軌鐵路上的獅球嶺隧道，長261米。京張鐵路八達嶺隧道，長1091米，建於1907～1908年。1950年以前中國建成238座隧道，總延長8.9千米；1950～1984年共建成鐵路隧道4274座，總延長2014.5千米，至20世紀50年代，人們才總結出各類隧道及地下工程的規劃、設計和施工的基本原理，並在土木工程中形成一個獨立的工程領域。

交通擁堵已經成為城市致命的瓶頸，人們在擁堵中等待、憤怒、絕望，也開始因為渴望速度而尋找方向。當一個名字叫地鐵的尤物可以讓交通煩惱消卻、速度誘惑滿足時，幾乎所有的中國城市都愛上了她，開始了轟轟烈烈的地鐵建設之旅。地鐵的另類空間激發著人們的國際化大都會想象力和商業想象力，地鐵天文數字般的投資令城市人痛並快樂著，地鐵承載著所有都市人內心的柔軟和抒情，令那些對城市失望的人可能重新愛上城市。甚至可以說，地鐵是都市生活不可或缺的道具，如果沒有地鐵，你都不好意思自稱自己是大城市。

隧道及地下工程專業是根據中國城市發展的趨勢和當前城市地下工程人才匱乏的實際情況而設立的新專業，主要培養具有堅實的數學、力學等自然科學基礎和人文社會科學基礎，掌握城市地下工程勘察、規劃、工程材料、結構分析與設計、機械基礎及工程機械、電工技術、工程測量、施工組織和工程概預算、工程監理等方面的基本技術和知識，具備從事隧道及地下工程的規劃、設計、研究、開發利用、施工和管理能力，具有較強的計算機應用能力和較高的外語水平的高級技術人才。

隧道及地下工程一般分為勘測設計和施工兩大階段。

①勘測設計。

隧道位置的選擇一般應服從路線走向。由於隧道工程數量、造價、工期控制等因素，隧道位置在選線方案中是經濟技術比較的重要組成部分。對不良地質地段的隧道，特別是長大複雜隧道線及全線或局部線路方案的成立與否，必須精心勘測設計。通過對隧道位置所處的地形、地質、水文等要素的測 繪、勘測、測試及綜合評定，設計正洞和明洞的長度和結構，決定施工方法，設計輔助坑道、排水系統和附屬工程。

②施工。

按設計圖紙實施隧道掘進、襯砌和安裝作業的過程。施工方法分明挖法和暗挖法。前者多用於淺埋隧道和地下建築。對於大多數隧道和地下工程，多用暗挖法施工，並按開挖方法和所用機具分為礦山法、盾構法和地下連續牆法。此外，修築水底隧道時，可用沉管法；穿越鐵路、道路、河流或建築物時，可用頂管法；修建地下的池槽、廠房、倉庫和地下井時，還可使用沉井法。

①線路在穿越天然高程或平面障礙時修建地下通道，是克服障礙的有效方法。

②能夠分擔地面交通和人流的負荷，節約城市用地。

③承受爆炸荷載和地震荷載的能力比地面結構強，許多國防、民防工程及抗震和各類防護工程都可採用。

④地下建築物內部的氣溫和濕度比較穩定，節能，可作為各類貯庫和冷藏庫。

⑤造價昂貴，只有在論證它有充分的戰術、技術和經濟效益時才宜興建。

⑥施工期限長，施工作業面較窄，可容納的勞力和機械都受限制。但由於工業化施工和機械性能的提高，這種情況正在改善。

⑦穿越地層的地質條件複雜多變，遇到的意外情況比較多，工程的定位、設計和施工方法都必須隨時作相應的調整，要求有關規劃、勘測、設計、施工和使用管理部門密切配合。

由於城市的不斷擴大和發展，市內地面運輸已經不能滿足交通要求，修建地下鐵道成為最有效的手段之一。世界上有80多個城市已修建或正在修建地下鐵道，中國北京已修建了40.1公里地鐵，天津已建地鐵7.2公里，其他大城市正在規劃中。

地下鐵道的優點是：和其他城市運輸類型相比較，其運送能力最大；由於沒有平面交叉和採取自動閉塞信號，可以保證通行安全；地鐵各列車間的間歇時間可以很短，給旅客以很大方便；雜訊小，保 護環境條件好。

地下鐵道還必須和地面其他運輸類型及相應設施彼此配合，才能發揮更好的作用。

近20～30年來，在某些國家的大城市（如日本東京、大阪等地）和地鐵相配合還修建了具有相當規模的地下街和地下商場等。地鐵的缺點是：固定運營費用比重較大，只有客流密度很大時才是經濟合理的。

中國1949年以來為克服山嶺障礙修建了總延長2000多公里的鐵路隧道，正在修建中的大瑤山鐵路隧道長達14公里。還修建了許多公路隧道。較長的有河南省輝陵公路的向陽隧道，長1400米；林石公路的太行隧道，長960米。鐵路和公路常需要跨越江河港口。

為此，需要修建水下的鐵路或公路隧道。修建水底隧道過去多採用盾構法。但盾構法施工的斷面是圓形的，內部凈空不能很好利用，且埋深較大，使隧道總長度增加。採用沉管法可避免上述缺點。在荷蘭已經用沉管法修建了十幾條水底隧道。中國在上海用盾構法已建成黃浦江打浦路隧道，正在修建第二條越江隧道，還準備用沉管法修建第三條越江隧道。

在日本，已經修建了許多鐵路或公路隧道，把一些島嶼聯結起來，著名者如青函海底隧道。橫越英法海峽的海底隧道還在研究技術經濟方案。現在通過直布羅陀海峽的隧道方案正進行可行性研究。從九龍到香港的海底隧道已修建完成。

水電站都修引水和泄水隧洞，有的還修有地下廠房和其他洞室。核電站有全部修建在地下的，也有為掩埋核廢料的地下深層洞庫。軍工工程和人民防空工事，有不少修於地下。有些地下工程可利用天然洞穴，在加固修繕后使用。

敞口開挖基坑，再在基坑中修建地下結構，最後用土石重新覆蓋填實。

用盾構開挖隧道的一種施工法。盾構為一個鋼製圓筒，前部為切口環，目的為保護開挖面上工作人員的安全；中部為支承環，承受地層壓力，安設千斤頂，並靠這些千斤頂將盾構向前推進。盾構內部 空間用橫向及豎向隔板分隔成小的工作室，並在隔板上安設輔助機具。後部盾尾部分是用來支撐坑道，並作為裝配襯砌環的空間。修建時在開挖面上掘進襯砌的一環長度后，盾構可推進到挖好的空間內，並在盾殼保護下裝配隧道襯砌。在含水淤泥地層中可採用壓縮空氣以穩定工作面。在日本以及其他國家，針對這類地層情況已經設計並推廣了泥水盾構。其基本類型可分為兩種，一種是泥水平衡式，一種是土壓平衡式。

泥水平衡盾構採用一個可以旋轉的切削輪，可以在封閉於工作倉壁和隧道作業面之間的有壓粘土泥漿中開挖地層；儲氣罐給泥漿保持需要的壓力，藉以控制地下水並穩定作業面。土壓平衡盾構是在有土壓的密封倉里切削地層，並用螺旋出土機排泥。盾構開挖法採用的襯砌類型有預製混凝土管片、剛性砌塊和就地澆築的鋼纖維混凝土等。

是在地下鐵道或其他地下結構的兩個邊牆位置處沿線路方向挖槽，灌注特製的泥水，以穩定槽壁，然後安放鋼筋籠，灌築混凝土邊牆。在兩側邊牆的保護下，可以挖開街道先修建結構頂蓋，然後進行填實，恢復交通，再進行下部地層的開挖。此法優點是對地面交通的干擾時間短，範圍小，對路邊建築物的影響也較小。義大利米蘭地鐵就是用此法修築的典型例子。

鐵路、公路隧道和其他山嶺隧道或地下建築物一般均可採用礦山法施工。此法又可分為：

①鑽眼爆破法。位於各類岩石地層內的隧道，均可採用鑽眼、裝葯、爆破的方法開挖。在硬岩中開挖隧道可採用鑿岩台車鑽眼，進行全斷面開挖。

②新奧法。20世紀30年代發展起來的新方法。其要義是以隧道圍岩作為支護的主要手段。施工過程中盡量減少圍岩的鬆動破壞，並在開挖后及時支護，以確保離臨空面一定深度處的圍岩內形成承載圈。支護設置有一個最佳時間：過早支護會使噴射混凝土和岩層間產生很大地層壓力；過遲支護則圍岩將因變形過度而鬆動。為了正確估計合理的支護時間，必須對開挖后的隧道圍岩及時進行收斂量測。

③掘進機開挖法。近年來得到了大力推廣。掘進機是利用安裝在機軸轉盤上的刀具直接切削岩層。首先製造隧洞掘進機的是美國羅賓斯公司。中國已經製造了直徑 5.8米的水工隧洞掘進機，使用效果良好。近年來隧道開挖后的支護有了很大的發展。噴錨支護為各種複雜地質條件下使用礦山法修建各種隧道提供了有效的支護。

此外，修築水底隧道時，可使用沉管法；在穿越鐵路、道路、河流或建築物時，可使用頂管法。修建地下池槽、地下廠房、倉庫和各種地下井時，還可使用沉井法（見地下工程沉井法施工）。

因地制宜，開拓地下空間資源和發展其經濟效益，是當前各國在隧道及地下工程領域中總的發展趨勢。例如，中國在雲、貴、川及閩、浙一帶可以有選擇地利用天然溶洞；在西北黃土高原可利用噴錨支護和加強通風照明來修建窯洞民居。各大城市加強地下交通運輸系統和公用管道的規劃，以及民防和市政地下工程的總體規劃。隧道及地下工程的結構理論研究中，新的學科——地下結構施工力學正在形成。在長大隧道和重點地下工程中，推行施工綜合機械化。

在軟土地層中，採用適合地層條件的盾構、頂管、沉管和連續牆施工方案；在硬岩中採用新型掘進機或高效水鑽台車，以及光面爆破和預裂爆破等先進技術。在一些長隧道中採用水平鑽井已取得成功。以噴錨支護為基礎的新奧法施工，可大力推廣。

作者：陳志敏、歐爾峰、馬麗娜

ISBN：9787302346098

定價：58元

印次：1-1

裝幀：平裝

印刷日期：2014-1-17

出版社：清華大學出版社

本書主要介紹隧道及地下工程的基本概念和發展歷程，特性及利用形態，選址與方案比選，平、縱斷面設計，結構構造，地質環境，設計原理與方法，施工方法，施工組織設計與施工管理，養護維修，高速鐵路隧道及大斷面隧道和施工機械等內容。

本書可作為高等院校教學用書，還可供從事隧道及地下工程設計、施工及養護的工程技術人員參考。

前言

21世紀是地下空間大發展的世紀。隨著我國國民經濟的快速發展和西部大開發的深入推進，地下空間的開發和利用進入新的發展階段，亟須大量的基礎紮實、視野寬廣的綜合性工程技術人才。對於承擔高素質人才培養重任的高等院校，不僅需要傳授隧道與地下工程設計、分析理論與施工方法的基礎知識，還應能夠使學生理解這一領域的先進理念和科學思維方法。為了滿足這一要求，作者編著了《隧道及地下工程》這本教材，供大家參考。

本教材全面介紹了隧道及地下工程的基本概念和發展歷程、設計原理與施工方法，也介紹了其特性及利用形態、選址與方案比選、平縱斷面設計、結構構造、地質環境、施工組織設計與施工管理、養護維修、高速鐵路隧道及大斷面隧道和施工機械。結合目前隧道及地下工程的發展，補充了不很多新理論、新技術。

本教材注重培養學生解決實際工程技術問題的能力。教材內容豐富，信息量大，知識結構系統，理論與實踐並重，並將經典理論、方法與新方法、新技術相結合，引導學生掌握理論知識。

本教材為土木工程專業隧道及地下工程方向本科生教材，也可作為相關專業研究生和地下工程設計施工人員的參考書。

本教材的編寫人員均具有豐富的教學經驗，參加編寫的有陳志敏、歐爾峰和馬麗娜。李德武教授對全書進行了審閱，清華大學出版社的趙益鵬編輯也對本書的完善提出了大量寶貴意見和建議，在此深表感謝！

本教材在編寫過程中，參閱了許多學者的著作，並吸納了其中的一些成果，有些資料甚至出處不甚明了，在此對所有作者表示誠摯的謝意！

由於時間倉促和水平所限，如有錯誤或不妥之處，期望同行專家及閱讀本書的讀者提出批評意見和建議，以便在再版中得到改正和完善，作者表示衷心的感謝！

編者

2013年12月於蘭州

目錄

第1章緒論

1.1隧道及地下工程基本概念

1.2隧道及地下工程的分類及作用

1.2.1隧道工程的分類及作用

1.2.2地下工程的分類及作用

1.3隧道及地下工程的發展歷程

1.3.1隧道及地下工程的發展歷史

1.3.2我國隧道及地下工程的發展概況

1.3.3國外隧道及地下工程的發展概況

1.4本課程的研究內容及任務

習題

第2章隧道及地下工程特性及利用形態

2.1隧道及地下工程的特性

2.1.1工程特性

2.1.2空間特性

2.1.3經濟性及可持續性

2.1.4隧道及地下工程的優缺點

2.2隧道及地下工程的利用形態

習題

第3章隧道及地下工程選址與方案比選

3.1規劃原則

3.2調查和勘測

3.2.1調查

3.2.2勘測

3.3隧道工程選址及方案比選

3.3.1位置選擇

3.3.2方案比較

3.3.3隧道洞口位置的選定

3.4其他地下工程選址

3.4.1地下鐵道選址

3.4.2地下(商業)街、地下停車場選址

3.4.3伴隨科學技術發展而利用的地下工程選址

3.4.4防禦和減少災害的地下設施選址

習題

第4章隧道及地下工程平、縱斷面設計

4.1鐵路隧道平、縱斷面設計

4.1.1平面設計

4.1.2縱斷面設計

4.2公路隧道平、縱斷面設計

4.2.1平面設計

4.2.2縱斷面設計

4.2.3連接線

4.3其他地下工程平、縱斷面設計

4.3.1地下鐵道

4.3.2地下街

4.3.3地下停車場

4.3.4地下綜合體

4.3.5地下共同溝

習題

第5章隧道及地下工程結構構造

5.1隧道洞身襯砌

5.1.1襯砌類型

5.1.2襯砌結構構造

5.1.3襯砌的一般構造要求

5.2明洞

5.2.1拱式明洞

5.2.2棚洞

5.3隧道洞口景觀與結構

5.3.1隧道洞口景觀設計原則

5.3.2隧道洞門分類

5.4隧道附屬建築物

5.4.1通風建築物

5.4.2避車洞

5.4.3防排水建築物

5.4.4電纜槽及高低壓供電

5.4.5伸縮縫、沉降縫與施工縫

5.5其他地下工程結構構造

習題

第6章隧道及地下工程的地質環境

6.1概述

6.2圍岩的工程性質

6.2.1岩體的變形特性

6.2.2循環荷載作用下岩體的變形特性

6.2.3岩體的強度

6.2.4岩體的流變特性

6.2.5岩體結構分類及其破壞特徵

6.3圍岩的初始應力場

6.3.1圍岩初始應力場的組成

6.3.2初始應力場的變化規律

6.3.3圍岩初始應力場的確定方法

6.4地下洞室圍岩分級的影響因素和指標

6.4.1影響圍岩穩定性的主要因素

6.4.2圍岩分級(類)的因素指標及其選擇

6.4.3圍岩分級(類)的發展方向

6.5國內外主要地下工程圍岩分級（類）標準

習題

第7章隧道及地下結構設計原理與方法

7.1概述

7.2隧道及地下結構的設計原則與設計內容

7.2.1隧道及地下結構的形式的選擇

7.2.2圍岩與支護結構的相互作用機理

7.2.3支護結構的基本要求

7.2.4地下結構的設計內容

7.3隧道及地下結構體系的計算模型

7.3.1建立計算模型的原則

7.3.2常用的計算模型

7.4圍岩壓力

7.4.1圍岩壓力分類

7.4.2確定圍岩鬆動壓力的方法

7.5隧道及地下結構體系設計計算方法

7.5.1結構力學方法

7.5.2岩體力學方法

7.5.3以圍岩分級為基礎的經驗設計方法

7.5.4監控設計方法

7.6隧道及地下結構有限元分析

習題

第8章隧道及地下工程的施工方法

8.1隧道及地下工程施工概述

8.1.1隧道及地下工程施工的基本概念

8.1.2隧道及地下工程施工的特點

8.1.3隧道及地下工程施工方法及其選擇

8.1.4隧道及地下工程施工技術的發展

8.2開挖、鑽爆和裝渣運輸

8.2.1開挖方法及掘進方式

8.2.2爆破施工技術

8.2.3裝渣運輸方法

8.3新奧法

8.3.1新奧法的概念與原則

8.3.2新奧法理論要點及施工要點

8.3.3新奧法適用範圍

8.4新意法

8.4.1新意法概念

8.4.2相關概念

8.4.3新意法隧道設計施工程序

8.4.4新意法與新奧法的比較

8.5其他施工方法

8.5.1淺埋暗挖法

8.5.2挪威法

8.5.3明挖法

8.5.4蓋挖法

8.5.5掘進機法

8.5.6盾構法

8.5.7沉管法

8.5.8頂進法

8.6施工監控量測與信息反饋

8.6.1量測元件及儀器

8.6.2現場監控量測設計

8.6.3量測數據的反饋

8.7超欠挖與塌方

8.7.1超挖與欠挖

8.7.2塌方

8.8防排水與通風防塵措施

8.8.1地下水控制

8.8.2通風

8.8.3防塵

8.9支護措施

8.9.1預支護措施

8.9.2初期支護措施

8.9.3二次襯砌

8.9.4輔助坑道

習題

第9章隧道施工組織設計與施工管理

9.1隧道施工組織設計

9.1.1隧道各階段施工組織設計的內容

9.1.2隧道實施性施工組織設計編製依據、原則及程序

9.1.3隧道施工前的準備工作

9.1.4施工進度計劃

9.1.5施工組織設計案例

9.2隧道施工管理

9.2.1隧道施工計劃編製

9.2.2隧道施工技術管理

9.2.3隧道施工質量管理

9.2.4隧道施工經濟管理

9.2.5隧道施工安全管理

習題

第10章隧道及地下工程養護維修

10.1隧道養護維修概述

10.1.1隧道及地下工程養護維修基本概念

10.1.2隧道及地下工程病害現狀

10.1.3隧道養護面臨的問題

10.1.4隧道病害檢查

10.1.5隧道病害的原因

10.1.6隧道病害維修養護原則

10.1.7養護及維修措施

10.1.8安全性及穩定性評價

10.2隧道檔案的建立

10.3隧道水害及整治措施

10.3.1水害的種類及其危害

10.3.2水害產生的原因

10.3.3水害的分級

10.3.4水害的整治措施

10.4襯砌裂損及整治措施

10.4.1襯砌裂損的類型

10.4.2襯砌裂損的特點

10.4.3襯砌開裂的分級

10.4.4襯砌裂損的整治措施

10.5襯砌侵蝕及整治措施

10.5.1襯砌侵蝕的種類及危害

10.5.2襯砌侵蝕的分級

10.5.3混凝土侵蝕的整治措施

10.6隧道凍害及整治措施

10.7地震后隧道維修措施

習題

第11章高速鐵路隧道及大斷面隧道

11.1概述

11.1.1高速鐵路及大斷面隧道概念

11.1.2高速鐵路隧道及大斷面隧道的特點

11.2高速鐵路隧道空氣動力學問題

11.2.1主要空氣動力學效應

11.2.2瞬變壓力

11.2.3微氣壓波

11.3高速鐵路隧道緩解氣動效應設計

11.4大斷面隧道設計

習題

第12章施工機械

12.1裝渣機械

12.2運輸機械

12.3鑿岩台車

12.4噴錨機械

12.5襯砌模板台車

12.6全斷面隧道掘進機

12.7臂式隧道掘進機

12.8盾構機械

12.8.1分類、特點及適用範圍

12.8.2機械化盾構的主要結構及工作原理

習題

參考文獻