第二章　隧道

第一节　隧道概述

一、隧道概念及作用

修建在地层中，断面面积不小于2m2的地下通道统称为隧道。它的主要用途：一是用作交通运输通道和水流通道。除了在公路、铁路建设中及挖掘运河时，常要修建公路隧道、铁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。二是用于国防及市政等工程建设，如人防工程、城市地铁、过街地道等。隧道可以克服平面或高程的障碍，以免线路展线过长或用来绕避地质不良地段、人口密集地区；可以改善线路质量，提高运输能力，降低运营成本。

二、隧道分类

（一）按照穿越障碍或作用的不同进行分类

（1）山岭隧道：线路穿越山岭时而修建的隧道。它可以使线路顺直，避免无谓的展线，使线路缩短；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。

（2）水底隧道：用于线路跨越江河、海湾水流障碍时修建的隧道。

（3）地铁隧道：随着城市建设的飞速发展，地面交通日益繁忙。为了有效缓解地面交通压力，修建地下铁道已成为解决大城市中交通运输问题的重要手段之一。地下铁道不占地面空间，而且安全、快捷、方便、运量大，只是费用比较高。

（二）按隧道长度分类

短隧道（L≤500m）、中长隧道（500<L≤3000m）、长隧道（3000m<L≤10000m）、特长隧道（L>10000m）。

隧道长度L系指进出口洞门端墙墙面之间的距离，即以端墙墙面与内轨顶面的交线同线路中线的交点计算。双线隧道以下行线为准，位于车站上的隧道以正线为准。

（三）按隧道横断面积的大小分类

极小断面隧道（2～3m2）、小断面隧道（3～10m2）、中等断面隧道（10～50m2）、大断面隧道（50～100m2）和特大断面隧道（大于100m2）。

（四）按埋置的深度分类

按埋置深度可分为浅埋隧道和深埋隧道。

（五）按隧道所处的地质条件分类

按隧道所处地质条件可分为土质隧道和石质隧道。

三、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。这两类方法又可以细分成若干种方法，每种方法的特点和适用范围也不相同，其分类见表2-1。

（一）明挖法

明挖法适用于浅埋隧道施工和过江（海）隧道施工。主要包含明挖暗埋法、沉埋管段法（简称沉管法），如图2-1所示。这种方法的特点是先从地面将隧道上方及内部地层敞口挖开，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的方法；或者是先进行分段开挖沟槽，再分段沉放管段，然后处理节头和进行回填。比如，我国的港珠澳大桥项目中，就成功铺设了6.7km外海沉管隧道，此时即掌握了被业内人士称为“全世界最困难、最复杂的技术”，其沉管法施工示意如图2-2所示。

（二）暗挖法

暗挖法是先在地层中按需要的形状和尺寸开挖出一个孔洞，然后在其中衬砌。常用的暗挖法有矿山法、掘进机法、盾构法。

1.矿山法

矿山法也称之为钻爆法，指的是用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法，历史最悠久。当隧道传经岩石地层时，通常采用钻眼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情况可分为几部分挖成，也可以一次挖成。由于这种方法与矿山地下巷道的施工方法类似，故常称之为矿山法。这种施工方法支撑复杂，随着喷锚支护的出现，进而发展成新奥法，如图2-3所示。

黑色炸药是我国古代四大发明之一，1225年传入西亚和欧洲。1867年瑞典人诺贝尔发明黄色炸药，其后随着钻岩机械的诞生和发展，隧道钻爆法得到迅速发展。钻爆法修建隧道至今仍占统治地位。我国铁路隧道从1888年修建台湾省狮球岭隧道（261m）起，至2017年止，共修建铁路隧道14547座，总长15326km（不含港澳台地区），最长的为广惠城际线松山湖隧道，是中国已建成的最长铁路隧道，全长38.813km。

2.掘进机法

掘进机法即TBM施工法，是用掘进机来进行隧道开挖的。该方法起步较晚，但发展迅猛。自1952年美国罗宾斯公司生产第1台TBM起，目前世界上每年开挖的隧道中，有30％～40％是由掘进机完成的。我国采用TBM施工的隧道，主要是水电部门和铁路部门。TBM在我国铁路隧道中的应用始于1998年，当时引进了2台ф8.8m德国威尔特公司生产的TBM，完成了西康线秦岭Ⅰ线隧道、西安合肥线桃花铺1号隧道和磨沟岭隧道累计23km的单线隧道。

在石质地层中修建圆形断面的隧道时，常用全断面隧道掘进机，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，还兼备装渣及自动推进的功能。图2-4是隧道掘进机的全貌图，图2-5是我国国产首台大直径全断面硬岩掘进机。

3.盾构法

在水底隧道、城市地下轨道的建设中，由于经常通过松软含水土层，故一般采用盾构法施工。盾构法是一种兼有推进、防护、安装和掘进功能的壳体隧道开挖机，如图2-6所示。根据其功能的不同，盾构可分为普通盾构、机械化盾构、气压盾构和泥水加压盾构。

第一座采用盾构法修建的隧道是1825年英国泰晤士河河底隧道，比TBM问世早127年。我国盾构法施工始于1965年上海打浦路过江隧道（ф10.22m），1984年和1994年在上海黄浦江上又先后修建ф11.3m的延安东路隧道和ф11.22m的延安东路复线隧道。采用盾构法修建的地铁隧道近年来更是蓬勃发展，主要城市有上海、广州、深圳、北京、南京、天津等，我国的盾构法施工已步入世界盾构技术的先进行列。

山岭隧道多采用矿山法施工，本书主要介绍有关矿山法施工的相关技术。

四、隧道围岩分级与围岩压力

围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体（或土体），或隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体（或土体）。围岩压力是引起地下开挖空间周围的岩体和支护结构变形或破坏的作用力，它是隧道衬砌结构上的主要荷载，其大小与分布因隧道所处的地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素不同而异。

为给隧道设计和施工提供一定的依据，因而产生了围岩的分级。根据围岩分级可以选择适当的施工方法；确定支护结构上的荷载（松散）；确定衬砌结构的类型及其尺寸。在我国现行的《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）中，主要考虑围岩主要工程地质特征、围岩结构特征和完整状态、围岩开挖后的稳定状态、围岩基本质量指标和围岩弹性纵波速缓几个方面，将围岩分为6级，依其稳定性由好到差分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级。