隧道工程 - 电子教案

绪 论

一、隧道的基本概念及工程概述

地下工程 ：在山体内或地面下修建的建筑物 隧道：以保持地下空间作为运输孔道的地下工程

导坑：在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道 衬砌：在坑道的周围修建支护结构

衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求，同时也无需无谓的放大。 衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费又能稳固。通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。 衬砌的用料应适合施工和养护 的要求。通常用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、防火、价廉、便于就地取材的材料。

洞门：在隧道端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。

明洞：在洞门与洞身间用明挖法修筑的隧道。

洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构，作用是保持岩体的稳定和行车安全。

为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物。

隧道的附属建筑物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的建筑物，包括有：为工作人员在隧道进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞；为了保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡；为了引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟；为了排除隧道内渗入的地下水，保证列车正常运行而设置的防水设备及排水设备；为了净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统；电力及通讯设施；消防设施等。

隧道的主体支护结构和隧道的附属建筑物组成了隧道建筑物。

隧道工程的修建，首先是把施工地区的地质和水文的情况勘察清楚。将勘察到的资料结合工程使用的要求，进行结构设计和施工方法的决择。通过施工组织设计的指导，有步骤地进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种量测，不断有针对性地修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。

在隧道建成交付使用以后，还要定期检查，并按检查出的问题或病害，作出养护计划，分轻重缓急予以维修或大修，务使工程建筑物时刻处于良好状态，正常发挥它的工作效能。

二、隧道的种类及其作用

1.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。 2.根据隧道的长度可以分为短隧道（铁路隧道规定：L≤500m；公路隧道规定：L≤500m）、中长隧道（铁路隧道规定：500＜L≤3000m；公路隧道规定500＜L＜1000m）、长隧道（铁路隧道规定：3000＜L≤10000m；公路隧道规定1000≤L≤3000m）和特长隧道（铁路隧道规定：L＞10000m；公路隧道规定：L＞3000m）。

3.按国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准可以分为极小断面隧道（2～3㎡）、小断面隧道（3～10㎡）、中等断面隧道（10～50㎡）、大断面隧道（50～100㎡）和特大断面隧道（大于100㎡）。

4.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。 5.从埋深的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道。

6.按照它的用途来分，可以分为交通隧道、水工隧道、市政隧道和矿山隧道。

（一）交通隧道

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，一般包括有以下几种：

1．铁路隧道

开挖隧道直接穿山而过，既可使线路顺直，避免许多无谓的展线，使线路缩短；又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。

2．公路隧道

高速公路对道路的修建技术提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。

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了重要的作用。

3．水底隧道

当交通线路需要跨越江、河、湖、海、洋时，一般可以选择的方案有架桥、轮渡和隧道。

河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，一时无法抬起必要的高度时，采用水底隧道。

水底隧道方案的优点是不受气候影响，不影响通航，引道占地少，战时不暴露交通设施目标等，越来越受到人们的青睐。

4．地下铁道

地下铁道是解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题，而能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。

地下铁道可以使很大一部分地面客流转入地下而不占用地面面积。它没有平面交叉，而各走上下行线，因而可以高速行车，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。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短船只航程，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

为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高跨桥以外，也可以修建人行地道来穿越街道或跨越铁路、高速公路等。这样可以缓解地面交通互相交叉的繁忙景象，少占用地面空间，同时也大大减少了交通事故。

（二）水工隧道

水工隧道是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧道包括以下几种：

1．引水隧道——进行水资源的调动或把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。引水隧道有的内部充水因而内壁承压，有的只是部分过水，因而内部只受大气压力而无水压。分别称之为有压隧道和无压隧道。

2 ．排水隧道——它是把发电机组排出的废水送出去的隧道。

3．导流隧道或泄洪隧道——它是水利工程中的一个重要组成部分。由它疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪作用。

4．排沙隧道——它是用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带运出水库。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。

（三）市政隧道

市政隧道是城市中安置市政设施的地下孔道。 1．给水隧道

2．污水隧道：本身导流排送或由管道排污。一般排污隧道的进口处，多设有拦碴隔栅，把漂浮的杂务拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。

3．管路隧道：供给煤气、暖气、热水等。 4．线路隧道：输送电力的电缆以及通讯的电缆，都安置在地下孔道中。 在现代化的城市中，将以上四种具有共性的市政隧道，按城市的布局和规划，合建一个大隧道，称之为“共同管沟”。共同管沟是现代城市基础设施科学管理和规划的标志，也是合理利用城市地下空间的科学手段，是城市市政隧道规划与修建发展的方向。

5．人防隧道：为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。人防隧道内除应设有排水、通风、照明和通讯设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此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，要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。

（四）矿山隧道

在矿山开采中，常设一些为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。

1．运输巷道

主巷道：向山体开凿通到矿床的隧道，是主要出入口和主要的运输干道。

由主巷道通往各个开采面的巷道，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．给水隧道：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．通风隧道：净化巷道中的空气，创造良好的工作环境，用通风机及时把有害气体和污浊空气排除出去，并把新鲜空气补充进来。

三、隧道的发展历程

（一） 隧道工程的历史

隧道的产生和发展是和人类的文明历史发展相呼应的，大致可以分为如下4个时代：

1．原始时代：即人类的出现到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时代。人们利用天然洞穴作为栖身之所，并且逐步会在平原地区自己挖掘类似天然洞穴的窑洞来居住。此时的隧道是用兽骨、石器等工具开挖，修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中。

2．远古时代：从纪元前3000年到5世纪，即所谓的文明黎明时代，是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代。这个时代隧道的开发技术形成了现代隧道开发技术的基础。

3．中世纪时代：约从5世纪到14世纪的1000年左右。这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，隧道技术没有显著的进步，但由于对底下铜、铁等矿产资源的需要，开始了矿石开采。

4．近代和现代：即从16世纪以后的产业革命开始。这个时期由于炸药的发明和应用，加速了隧道技术的发展。如有益矿物的开采、灌溉、运河、公路和铁路隧道的修建，以及随着城市的发展修建地下铁道、上下水道等，使得隧道的技术得到极大的发展，其应用范围迅速扩大。

据现有资料记载，世界上最早的隧道是纪元前2200年，巴比伦国王为连结宫殿和神殿而修建的隧道。

我国最早的交通隧道是位于陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年，是供马车和行人通行的。

我国第一座铁路隧道修建在台湾，是基隆到台南的铁路线线上一座长仅261m的窄轨净空隧道。1907年在京包线上修建了八达岭隧道。这是由我国工程师詹天佑主持施工的。他是我国铁路工程界最早的卓越人才。

（二）建国以来隧道工程的发展和成就

西安安康线上的秦岭隧道长为18456m；兰武二线上的乌鞘岭隧道长达20050m。

（三）国外隧道的发展情况

1988年日本修成了位于本州和北海道两大岛之间横跨津轻海峡的铁路

干线上的青函隧道，全长53850m，在目前是世界上最长的铁路隧道。

自本洲青森至北海道的函馆间的青函海底隧道，长达53850m，海底部分就有23300m。这是目前世界上最长的水底隧道。

挪威正在修建的Aurland——Laerdal公路隧道，长度达24500m。这是目前最长的公路隧道。

德国慕尼黑地下铁道的卡尔广场车站建筑就上下深达六层。第一层是人行通道及商店餐厅；二层作为货栈及仓库；三、四层为地下停车场，可同时容纳800辆汽车；五、六层才是车站集散厅及车道。

采用新奥法来指导并调整施工。

用有限元的方法来分析地下结构的受力状态，也已为人们所乐于使用。 科研方面在如何解决城市内开挖地下工程所引起的地层沉陷问题上已经取得了可喜成绩，现在正在探讨地下工程施工对城市繁华街道的干扰如何减至最小的问题、地下工程施工时如何保护环境的问题、地下工程的可持续发展以及开发建设过程中的技术立法问题和保证正常使用的情况下如何降低造价的问题。

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