提升隧道工程：解决城市交通、河道连接和防空需求

1.隧道的概念

隧道是埋置于地层中的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。1970年国际经济合作与发展组织召开的隧道会议综合了各种因素，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形状和尺寸修筑的断面积大于2m²的洞室。”

2.隧道的分类

隧道的种类繁多，从不同的角度来区分，就有不同的分类方法。从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道；从埋置的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道；从隧道所在的位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。但分类比较明确的还是按照隧道的用途来划分，可以有以下几种分类。

（1）交通隧道 这是隧道中为数最多的一种，它们的作用是提供运输的通道。

1）铁路隧道。我国是个多山国家。铁路穿越这些地区时，往往会遇到山岭障碍。而铁路限坡平缓，无法上升到越岭所需要的高度，同时，铁路还有最小半径限制，常限于山岳地形无法绕过，需要修建隧道以克服高程或平面障碍。在沿着河谷修建铁路时，遇到河道弯曲、两岸横坡陡峻、地质不良等现象，常修隧道使线路从山里通过。隧道既可使线路顺直，线路缩短，又可以减小坡度，还可躲开各种不良地质条件，从而提高牵引定数，多拉快跑，使运营条件得以改善。所以，在山区铁路线上修建隧道的范例是很多的。川黔线上的凉风垭隧道，成昆线沙木拉达隧道，大秦线军都山隧道，西康线秦岭隧道，朔黄线长梁山隧道以及兰新复线乌鞘岭隧道等都是著名的越岭隧道，而成昆线的关村坝隧道，衡广复线大瑶山隧道等都是河谷地段截弯取直的良好范例。宝成线宝鸡至秦岭一段45km线路上就设有48座隧道，蜿蜒盘旋于秦岭崇山峻岭之中。

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，常常是宁愿绕行，也不愿修建费用昂贵的隧道。因此，过去公路隧道为数不多。但是，随着社会生产的发展，高速公路逐渐出现，它要求线路顺直、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。目前，公路隧道逐渐多起来。

3）水底隧道。当交通线需要横跨河道时，一般可以架桥或轮渡通过。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，既不影响河道通航，也避免了风暴天气轮渡中断的情况，而且在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。为横跨黄浦江，上海已修建了全长2793m的水底隧道，广州地铁穿越珠江，武汉地铁穿越长江都修建了水底隧道。

4）地下铁道。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。它可以使很大一部分地面客流转入地下，可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。

5）航运隧道。当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题，一般需要绕行很长的距离。如果层层设立船闸则建设投资很大，运转和维修的费用也很高，而且过往船只延误时间很多。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短航程，又可以省掉船闸的费用，迅速而顺直地驶过，航运条件就大为改善了。

6）人行地道。城市闹市区行人众多，而且与车辆混行，偶有不慎便会发生交通事故。在横跨十字路口处，即使有指示灯和人行横道线，但快速的机动车也不得不频频减速，甚至要停车避让。为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高架桥以外，也可以修建人行地道和地下立交车道。这样可以缓解地面交通的压力，也大大减少了交通事故。

（2）水工隧道 水工隧道（也称为隧洞）是水利枢纽的一个重要组成部分，根据其用途又可分为如下几种。

1）引水隧洞。它把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。引水隧道有的全部充水因而内壁承压，有的只是部分过水因而内部承受大气压力和部分水压，分别称之为有压隧道和无压隧道。

2）尾水隧洞。它是发电机组的排水通道。

3）导流隧洞或泄洪隧洞。它是水利工程中的一个重要组成部分，可起疏导水流或水库容量超限后的泄洪通道。

4）排沙隧道。它可用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带着送出水库。有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。

（3）市政隧道 市政隧道是城市中为安置各种不同市政设施而修建的地下孔道。由于城市不断发展，工商业日趋繁荣，人民生活水平逐步提高，对公用事业的要求也越来越高。许多城市不得不利用地下空间，把市政设施安置在地下，既可不占用地面面积，又不至扰乱高空位置和影响市容。

按市政隧道的用途，可有如下几种分类：

1）给水隧道。城市自来水管网遍布市区，必须有地下孔道来容纳安置这些管道，它既不占用地面，也可避免遭受人为的损坏。

2）污水隧道。城市污水需要引入到污水处理厂以净化返用，条件不充分时仍有部分污水还要排放到城市以外。这都需要有地下的排污隧道。这种隧道可能是本身导流排送，此时隧道的形状多采用卵形；也可能是在孔道中安放排污管，由管道排污。一般排污隧道的进口处，多设有拦渣格栅，把漂浮的杂物拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。

3）管路隧道。城市所供煤气、暖气、热水等，一般都是把管路放置在地下的孔道中。经过防漏及保温措施，把这些能源送到居民家中。

4）线路隧道。城市中，输送电力的电缆以及通信的电缆，都安置在地下孔道中。既可以保证不为人们的活动所损伤或破坏，又免得悬挂高空，有碍市容观瞻。这些地下孔道多半是沿着街道两侧敷设的。也有将以上四种隧道合建成一个大隧道，称为“共同沟”。

5）人防隧道。为了战时的防空目的，城市中需要建造人防工程。在受到空袭威胁时，市民可以进入安全的庇护所。人防工程除应设有排水、通风、照明和通信设备以外，在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。同时，并要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。

（4）矿山隧道 在矿山开采中，常设一些隧道（也称为巷道），从山体向外通向矿床。

1）运输巷道。向山体开凿隧道通到矿床，并逐步开辟巷道，通往各个开采面。前者称为主巷道，是地下矿区的主要出入口和主要的运输干道。后者分布如树枝状，分向各个采掘面。此种巷道多用临时支撑，仅供作业人员进行开采工作的需要。

2）给水巷道。送入清洁水为采掘机械使用，并将废水及积水通过泵抽，排出洞外。

3）通风巷道。矿山地下巷道穿过许多地层，将会有多种地下气体涌入巷道中来，再加上采掘机械不断排出废气，还有工作人员呼出气体，使得巷道内空气变得污浊。如果地下气体含有瓦斯，在含量达到一定浓度后，将会发生危险，轻则致人窒息，重则引起爆炸。必须及时把有害气体排除出，因此需要设置通风巷道，用通风机把污浊空气抽出去，并把新鲜空气补进来。

3.近年来主要铁路隧道工程

（1）南昆铁路隧道 南昆铁路东起南宁，西至昆明，北接红果，全长898.7km，为国家一级干线电气化铁路，南昆铁路是沟通我国西南与东南沿海最便捷的通道。南昆铁路是我国继成昆铁路之后，在艰险山区修建的又一条长大干线，高瓦斯煤层、高地应力、巨流涌水、大滑坡体、溶洞、膨胀岩、软土、地震断裂带等严重地质病害密布于线路穿越的90%以上区域。南昆铁路共有隧道263座，总长195.363km，占线路全长的21.7%。南昆线隧道修建技术，包括瓦斯、软岩、岩溶、高烈度地震区的隧道灾害防治、隧道快速施工与机械设备配套，以及长隧道消防技术，都达到了新的高度，为山区大能力铁路建设提供了条件。

（2）西康铁路隧道 西康铁路是国家“八五”和“九五”重点工程。为一级单线电气化铁路并预留双线条件，正线全长267.8km。该线地形、地质复杂，工程艰巨，全线共有隧道98座，包括我国目前最长的秦岭特长隧道，站位困难，有16座车站分布在桥上、隧道内。全线大量采用新技术、新工艺、新材料、新结构。

（3）西安南京铁路隧道 西安南京铁路一期工程西起西安市新丰镇编组站，途经陕西省渭南、商洛，河南省南阳、信阳，湖北省随州，安徽省六安等四省八地市，东至合肥东编组站，全长955km。全段线路通过秦岭山区、伏牛山区、桐柏山区、大别山区等，共有隧道80座。其中东秦岭双线隧道长达12.26km，桥隧延长176km，占线路总长的17.1%。

（4）渝怀铁路隧道 渝怀铁路西起重庆，东至怀化，途经重庆、贵州、湖南三省市，全长625km，为1级单线铁路，预留复线条件，一次建成电气化。渝怀铁路全线修建桥隧562座，其中隧道长241km。

4.隧道施工技术

（1）新奥法施工流程 采用新奥法施工的公路隧道，应视其规模、地质条件以及安全要求、施工方法，并充分利用现场监控、量测信息来指导施工，严格执行施工程序，不得有任何省略。新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工，即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的量测数据，对隧道施工方法（包括特殊的、辅助的施工方法）、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整，以保证施工安全、坑道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等，如图3-30所示。

新奥法施工的基本原则可归纳为：“少扰动、早锚喷、勤量测、紧封闭”。

图3-30 掘进机法施工流程(www.xing528.com)

（2）盾构法施工 盾构法施工是以盾构（shield）作为施工机械在地面以下暗挖修筑隧道的一种施工方法。盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，既能支撑地层压力，又能作为活动钢制圆形或半圆形装置在地层中推进。盾构是通过软弱含水层，特别是江河底、海底以及城市中心区修建隧道的一种机械，是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工机械，主要用于软弱、复杂地层的隧道施工。

盾构在隧道施工中的主要作用是：

1）将隧道前端新拼装的约二环衬砌的外周用盾构壳体支护，形成外部支撑，在盾壳的掩护下开挖地层及装配隧道衬砌。

2）盾构壳体为内部结构所支撑，在内部结构中如有必要时可添设水平及竖向隔板，将盾构分隔成一些小工作室，既增加了盾构的刚度又带来了作业的方便。

3）盾构后部盾尾部分无内部支撑结构，可在其掩护下拼装隧道衬砌。

4）盾构的掘进靠液压千斤顶顶在已拼装好的隧道衬砌环向前推进，其主要施工工序流程为：

①在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井。

②盾构在起始端工作井内安装就位。

③依靠盾构千斤顶推力（作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出。

④盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片。

⑤及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。

⑥盾构进入终端工作井，井被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。

（3）明挖法施工 明挖法是先从地表面向下开挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置由下而上地修筑衬砌、建造主体结构及其防水措施，最后回填土并恢复路面。明挖法施工的基本流程为：打桩（护坡桩），转而开挖→埋设支承防护与开挖→地下结构物的施工→回填→拔桩恢复地面（或路面）。

明挖法施上中的基坑可以分为：敞口放坡基坑和有围护结构的基坑两类，如图3-31所示。在这两类基坑施工中，又采用不同的维护基坑边坡稳定的技术措施和围护结构。

图3-31 明挖基坑类型

在选择基坑类型时，应根据隧道所处位置、隧道埋深、工程地质和水文地质条件，因地制宜地确定。

若基坑所处地面空旷，周围无建筑物或建筑物间距很大，地面有足够空地能满足施工需要，又不影响周围环境，则采用敞口放坡基坑施工。因为这种基坑施工法简单、速度快、噪声小、无须做围护结构。如果因场地限制，基坑放坡坡度稍陡于规范规定时，则可采用适当的挡土结构，如土钉加混凝土喷抹面对边坡加以支挡，即使如此，该方法的造价仍然是较低的。

如果基坑很深，地质条件差，地下水位高，特别是又处于城市繁华的市区，地面建筑物密集，交通繁忙，无足够空地满足施工需要，没有条件采用敞口放坡基坑，则可采用有围护结构的基坑。

（4）盖挖法施工 盖挖法是先盖后挖，即先以临时路面或结构顶板维持地面畅通再向下施工。

早期的盖挖法是在支护基坑的钢桩上架设钢梁、铺设临时路面维持地面交通，开挖到基坑底后，浇筑底板至浇筑顶板的盖挖顺作法。该方法系于现有道路上，按所需宽度，由地表面完成挡土结构后，以定型的预制标准覆盖结构（包括纵、横梁和路面板）置于挡土结构上维持交通，往下反复进行开挖和加设横撑，直至设计标高。依序由下而上建造主体结构和防水结构，回填土并恢复管线路或埋设新的管线路。最后，视需要拆除挡土结构的外露部分及恢复道路。盖挖顺作法主要依赖坚固的挡土结构，根据现场条件、地下水位高低、开挖深度以及周围建筑物的临近程度，可以选择钢筋混凝土钻（挖）孔灌注桩或地下连续墙。对于饱和的软弱地层，应以刚度大、止水性能好的地下连续墙为首选方案。

随着施工技术的不断进步，工程质量和精度更易于掌握，故现在盖挖顺作法中的挡土结构常用来作为主体结构边墙体的一部分或全部。

后来使用盖挖逆作法，用刚度更大的围护结构取代了钢桩，用结构顶板作为路面系统和支撑，如图3-32所示，结构施作顺序是自上而下挖土后浇筑侧墙楼板至底板完成。其施工步骤是：先在地表面向下做基坑的围护结构和中间桩柱，和盖挖顺作法一样，基坑围护结构多采用地下连续墙，或钻孔灌注桩，或人工挖孔桩。中间桩柱则多利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价。随后即可开挖表层土至主体结构顶板底面标高，利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板。可以作为一道强有力的横撑，以防止围护结构向基坑内变形，待回填土后将道路复原，恢复交通。以后的工作都是在顶板覆盖下进行，即自上而下逐层开挖并建造主体结构直至底板。在特别软弱的地层中，且邻近地面建筑物时，除以顶、楼板作为围护结构的横撑外，还需设置一定数量的临时横撑，并施加不小于横撑设计轴力70%～80%的预应力。

图3-32 盖挖逆作法施工流程

也有采用盖挖半逆作法，施工程序如下：围护结构、浇筑顶板→挖土到基坑底→底板及其侧墙→中板及其侧墙。它类似逆作法，其区别仅在于顶板完成及恢复路面后，向下挖土至设计标高后先建造底板，再依次序向下逐层建造侧墙、楼板。在半逆作法施工中，一般都必须设置横撑并施加预应力。

采用盖挖逆作或半逆作法施工时都要注意混凝土施工缝的处理问题。

由于它是在上部混凝土达到设计强度后再接着往下浇筑的，而混凝土的收缩及析水，施工缝处不可避免地要出现3～10mm宽的缝隙，将对结构的强度、耐久性和防水性产生不良影响。

针对混凝土施工缝存在的上述问题，可以如下方法处理。

其中直接法是传统的施工方法，不易做到完全紧密接触；注入法是通过预先设置的注入孔向缝隙内注入水泥浆或环氧树脂；充填法是在下部混凝土浇筑到适当高度，清除浮浆后再用无收缩或微膨胀的混凝土或砂浆充填，待充填的高度，用混凝土充填为1.0m，用砂浆充填为0.3m。为保证施工缝的良好充填，一般在柱中最好设置V形施工缝，在墙中设V形施工缝。

根据试验结果，证明注入法和充填法均能保证结构的整体性，在构件破坏前不会出现施工缝滑移破坏。

图3-33 浅埋暗挖法施工流程

在盖挖逆作法和半逆作法施工中，如主体结构的中间立柱为钢管混凝土柱，面柱下基础为钢筋混凝土灌注桩时，需要解决好两者之间的连接问题。一般是将钢管柱直接插入灌注桩的混凝土内1m左右，并在钢管柱底部均匀设置几个孔，以利混凝土流动，同时也可加强桩、柱间连接。有时也可在钢管柱和灌注桩之间插入H型钢加以连接。

（5）浅埋暗挖法施工 浅埋暗挖法系应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型支护结构，尽量利用围岩自承能力指导设计和施工的方法。浅埋暗挖法主要是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎岩层施工而提出来的。对于含水的厚层粉细砂、流塑状或软塑状淤泥质黏土层应慎重选用，因为在此类地质条件下施工，对周围地层将不得不采用费用昂贵的冻结法或其他方法进行加固。浅埋暗挖法整个工艺流程（见图3-33）应从地质调查开始，包括设计、施工、监测反馈等过程，与新奥法的总原则相似，不过浅埋暗挖法更强调地层的预支护和预加固。因为浅埋地下隧道在城区施工较多，对地表沉降的控制要求比较严格。与一般深埋隧道新奥法施工的不同之处是浅埋暗挖法支护衬砌的结构刚度比较大，初期支护允许变形量比较小。这样对保护周围地层的自承作用和减少对地层的扰动是必须的。