隧道及地下工程

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  隧道及地下工程(tunnel and underground works),从事各种隧道地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的应用科学工程技术土木工程的分支。隧道及地下工程也指在岩体或土层中修建的通道和地下建筑物,包括铁路、道路、运河隧道,地下铁道,水底隧道,工业和民用的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程,各种国防坑道,水利发电工程的地下发电厂和各种地下水工隧洞等。

简史

  世界上第一座交通隧道是公元前2180~前2160年在巴比伦城中的幼发拉底河下修筑的人行通道。各文明古国曾修建过地下墓室,灌溉、给水、排水隧洞,采矿巷道及地下粮仓等。中国汉代在今陕西褒城修隧道时,曾用火煅石法(用柴烧炙岩石,然后泼以水或醋,使之粉碎)开通了长14米、宽3.95~4.25米、高4~4.75米的石门隧洞。19世纪20年代,蒸汽机的出现及铁路和炼钢工业的发展,促进了隧道及地下工程的发展。1826~1830年英国修建了长770米的泰勒山单线铁路隧道和长2474米的维多利亚双线铁路隧道;1860年开始修建伦敦地下铁道。19世纪60年代以前,修建隧道都是用人工凿孔和黑火药爆破施工。1861年修建仙尼斯峰铁路隧道时,首次使用风动凿岩机。1867年修建胡萨克铁路隧道时用硝化甘油炸药。20世纪初采用中央导坑法施工,年平均进度达4.5千米。中国第一座铁路隧道是1887~1889年台湾省台北至基隆窄轨铁路上的狮球岭隧道,长261米。京张铁路八达岭隧道,长1091米,建于1907~1908年。1950年以前中国建成238座隧道,总延长8.9千米;1950~1984年共建成铁路隧道4274座,总延长2014.5千米,至20世纪50年代,人们才总结出各类隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理,并在土木工程中形成一个独立的工程领域。

工程内容

  隧道及地下工程一般分为勘测设计和施工两大阶段。①勘测设计。隧道位置的选择一般应服从路线走向。由于隧道工程数量、造价、工期控制等因素,隧道位置在选线方案中是经济技术比较的重要组成部分。对不良地质地段的隧道,特别是长大复杂隧道线及全线或局部线路方案的成立与否,必须精心勘测设计。通过对隧道位置所处的地形、地质、水文等要素的测绘、勘测、测试及综合评定,设计正洞和明洞的长度和结构,决定施工方法,设计辅助坑道、排水系统和附属工程。②施工。按设计图纸实施隧道掘进、衬砌和安装作业的过程。施工方法分明挖法和暗挖法。前者多用于浅埋隧道和地下建筑。对于大多数隧道和地下工程,多用暗挖法施工,并按开挖方法和所用机具分为矿山法、盾构法和地下连续墙法。此外,修筑水底隧道时,可用沉管法;穿越铁路、道路、河流或建筑物时,可用顶管法;修建地下的池槽、厂房、仓库和地下井时,还可使用沉井法。

工程特点

  ①线路在穿越天然高程或平面障碍时修建地下通道,是克服障碍的有效方法。②能够分担地面交通和人流的负荷,节约城市用地。③承受爆炸荷载和地震荷载的能力比地面结构强,许多国防、民防工程及抗震和各类防护工程都可采用。④地下建筑物内部的气温和湿度比较稳定,节能,可作为各类贮库和冷藏库。⑤造价昂贵,只有在论证它有充分的战术、技术和经济效益时才宜兴建。⑥施工期限长,施工作业面较窄,可容纳的劳力和机械都受限制。但由于工业化施工和机械性能的提高,这种情况正在改善。⑦穿越地层的地质条件复杂多变,遇到的意外情况比较多,工程的定位、设计和施工方法都必须随时作相应的调整,要求有关规划、勘测、设计、施工和使用管理部门密切配合。

发展趋向

  因地制宜,开拓地下空间资源和发展其经济效益,是当前各国在隧道及地下工程领域中总的发展趋势。例如,中国在云、贵、川及闽、浙一带可以有选择地利用天然溶洞;在西北黄土高原可利用喷锚支护和加强通风照明来修建窑洞民居。各大城市加强地下交通运输系统和公用管道的规划,以及民防和市政地下工程的总体规划。隧道及地下工程的结构理论研究中,新的学科——地下结构施工力学正在形成。在长大隧道和重点地下工程中,推行施工综合机械化,使工程质量和进度日益提高,隧道和地下工程的应用越来越多。