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我所了解的土木工程概论 隧道与地下工程一隧道与地下工程的发展简史与现状地下工程的发展过程与人类的文明历史是相呼应的，大致可以分为四个时代：第一个时代 原始时代。从人类开始出现到公元前3000年的新石器时代，是人类利用地下空间防御自然威胁的穴居时代。这个时代主要用兽骨等工具开挖出洞穴而加以利用。第二个时代 古代时期。从公元前3000年到5世纪止，是为城市生活而利用的时代。也就是所说的文明黎明时代。这个时代的开挖技术可以说成是今天地下空进技术的基础。例如在修建埃及金字塔时就开始了地下空间建设。公元前2200年间的古代巴比伦王朝为了连接宫殿和寺庙修建了长达1km的、横断幼发拉底河的水底隧道。第三个时代 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。第四个时代 近代和现代。从16世纪以后的产业革命开始的时代。这个时期由于炸药的发明与应用，加速了地下工程的发展。如有益矿物的开采、运河隧道的修建以及随着城市的发展开始修建的地铁、上下水道等，是地下空间利用的范围迅速的扩大。会资源。廿一世纪人类面临着人口、粮食、资源和环境的四大挑战，这决非是危言耸听、杞人忧天。它如晨钟暮鼓，告诫人们必须从现在开始认真研究对策。“可持续发展”被作为国策提出来了，摆在每个学科、每个产业的面前，土木工程界也应顺潮流而检讨自己。大量的土建工程拔地而起，每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代，并且无法再生，居住、交通、环境的矛盾日益突出。把地面活土多留点给农业和环境，使地下空间成为人类在地球上安全舒适的第二个空间，是土木建筑工作者的紧迫课题。国际上已提出把“廿一世纪作为人类开发利用地下空间的年代”，80年代后，国际隧道协会提出：“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡议，的到了广泛的相应。日本也提出了利用地下空间、把国土扩大10倍的设想。各国政府都把地下空间的利用作为一项国策来推进其发展是地下空间利用得到了迅速的发展。地下空间的利用已扩展到各个领域，发挥着重要的社会、经济效益，成为国家重要的社提出要利用地下空间。中国也开始重视地下空间利用的立法工作，各地区已开始进行地下空间的开发规划。但由于技术立法不够，在这方面出了不少问题，花费了许多不该花的工程费。当今世界，人类正在向地下、海洋和宇宙开发。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、大距离的“空间”利用进展。 我国地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。90年代以来，我国城市地下的交通与市政设施加快了修建速度。上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通。我国地下空间开发利用的网络体系已开始建设，多在地表至30m以内的浅层修筑地下工程。可以预见随着经济的发展，我国地下工程将进入蓬勃发展的时期。 现代地下工程发展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市修建了地下铁路。一些工业发达国家，逐渐将地下商业街、地下停车场、地下铁道及地下管线等结为一体，成为多功能的地下综合体。隧道的发展简史 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3.954.25米、高44.75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。18261830 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 18871889年台湾省台北至基隆窄 隧道及地下工程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19071908年 。1950年以前中国建成238座隧道 ， 总延长8.9千米 ；19501984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。二 隧道地下工程的基本概念与特点地下工程的发展背景伴随着世界人口的迅速增加和城市化建设步伐的加快，人类的生存环境不断发生变化，资源日趋匮乏，生存空间拥挤，交通堵塞，生态失衡和环境恶化等问题越来越成为制约经济与社会、环境发展的瓶颈。为此，世界各国政府除采取综合性治理措施外，还把地下空间的的开发和利用作为一项国策开始进行大规模的地下工程建设，并取得了重要的社会和经济效益。隧道与地下工程的基本概念地球表面以下是一层很厚的岩石圈，岩层表面风化形成不同厚度的土层。岩层和土层在自然状态下都为实体，在外部条件下课形成空间。在岩层和土层中天然形成或人工开挖形成的空间称为地下空间。天然地下空间按成因有卡斯特溶洞、熔岩洞、风蚀洞等；人工地下空间包括两类：一类是开发地下矿藏形成的（矿）坑道，另一类是因工程建设需要开挖的地下隧道。建造在岩层或土层中的各种建筑物或构筑物。是在地下形成的建筑空间，称为地下建筑。一般是指建造在地下的矿井、巷道、输油或输气管道，熟睡隧洞，地下商业街、地下军事工程。所有建造在地层表面一下的建筑物或构筑物统称为地下工程。隧道通常是指修筑在地底或山体内部，两端有出入口，供车辆行人等直接通行的交通工程。隧道要通过车辆，断面相对较大。由于隧道在缩短线路长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性方面，以及日后运营阶段工程病害维修费用少，隐蔽性强等特性，50多年来，我国交通地下工程得到了迅速发展。据不完全统计，截至2003年，我国已建成铁路隧道6876座，总长度3670km，公路隧道1972座，总长度超过1000km，成为世界上铁路公路隧道最多的国家之一。今年来，我国每年有180km的水工隧道，270km的铁路隧道需要修建。三隧道与地下工程的特点1. 地下工程承受荷载条件复杂从围岩级别的划分来看，直接作用于地下工程的围岩压力呈现出复杂多样的特点，有时同一条地下工程往往要穿过级别不同的围岩条件；此外，地下围岩不仅是作用于地下结构的外在荷载，也是能约束地下结构变形和位移、参与地下结构的设计计算，地下工程的设计必将随围岩级别的不同而设计更多的因素。2. 施工环境特殊不管是明挖还是暗挖，地下工程施工作业的空间是有限的，而且由于地下水的影响，不论对施工人员的心理，还是对施工机具的效率都会产生不利影响。2. 空间相对封闭，需要专门的照明、通风、除湿防潮措施进行维护地下工程多为相对狭长而封闭的空间，洞内几乎看不到阳光，无论白天黑夜都需要人工照明；通风条件也受到限制，不能像地面建筑一样靠门窗自然通风，作为有人聚居的地下空间必须有专门的通风设施；地下水对地下工程施工、使用与维护造成的水患素来是地下工程的症结。地下工程都应考虑必须的、可靠地防排水措施，此外，洞口温差造成的水汽结露。也会使隧道内部及表面易出现凝结水，因此，还需要设置必需的除湿防潮设施。3. 受外界条件影响小除洞口外，地下建筑内部环境温度稳定，受外界影响小，而且具有良好的蓄热性能和密闭性。与地面工程相比，地下工程具有良好的抗震性能，适宜于特殊精密仪器厂房建设；同时地下工程有一定的埋置深度，对防核爆冲击波、毒气沾染等袭击有一定的防护能力，是人防、国防工程的最佳选择。5. 可有效利用土地资源目前，大型地下停车场、发达的地铁网络、大型地下交通枢纽城市地下商业街以及城市地下综合管线等地下工程的大量存在，是衡量一个城市发达程度的重要指标地下空间资源的合理开发与利用是城市可持续发展的重要途径之一。不但可以节约基本建设投资，而且能缩短交通线路，创造更安全、更便捷的交通条件，惠及运输业的发展。四隧道与地下工程分类隧道与地下工程有多种分类方法，常见的有以下几种。1. 按使用功能分类（1） 矿山巷道:：包括各类矿物采掘后的洞室和输送矿石 的巷道工程，这类工程通常只要求在采矿过程中能维持洞室的稳定、安全，待采矿完成后，或者废弃或者转作其他用途。（2） 地下交通工程：包括各种公路和铁路隧道、城市地铁、地下过街通道等。（3） 地下水工洞室：包括各种输水隧道、水电站地下厂房、地下抽水蓄能站、地下水库等。（4） 地下工业洞室：包括各种轻、重工业地下厂房、地下核电站、地下火电站等。（5） 地下民用工程：包括各种地下商场、图书馆、体育场馆、展览管、影剧院、医院、旅馆、住宅及其综合建筑体系城市地下街道等。（6） 地下仓库工程：包括粮食油料、水果、蔬菜等的储存库，鱼、肉食品的冷藏库，车库，核废料库等。（7） 地下市政工程：包括地下自来水厂、地下污水处理厂、给水排水管道及煤气、供电、通信管线的综合工程等。（8） 地下军事工程：包括各种野战工事、指挥所、通信枢纽、人员和武器掩蔽所、军火和物资库等。2. 按所处地质环境（介质）分类（1） 岩石地下工程：包括人工开挖洞室和天然溶洞两种。（2） 土层地下工程：包括黄土洞室和其他土层洞室。当洞室下部为岩石，上部为土体时，根据其周围应力特点及防排水要求，也宜归为土层地下洞室进行设计。3. 按施工方法分类地下工程是采用不同的施工方法修建而成，可分为：浅埋明挖法地下工程、盖挖逆作法地下工程、矿山法隧道、盾构法隧道、顶管法隧道、沉管法隧道、沉井基础工程等。4. 按埋置深度分类 各类地下工程都埋藏在地下不同深度处。按埋深可分为深埋地下工程和浅埋地下工程。（1） 深埋地下工程：h/b=a时为深埋地下工程。（2） 浅埋地下工程：h/b=(2.02.5)h0,其中h0为洞顶岩土体压力拱的计算高度。五隧道与地下工程的学科发展与工程特色学科发展交通拥堵已经成为城市致命的瓶颈，人们在拥堵中等待、愤怒、绝望，也开始因为渴望速度而寻找方向。当一个名字叫地铁的尤物可以让交通烦恼消却、速度诱惑满足时，几乎所有的中国城市都爱上了她，开始了轰轰烈烈的地铁建设之旅。地铁的另类空间激发着人们的国际化大都会想象力和商业想象力，地铁天文数字般的投资令城市人痛并快乐着，地铁承载着所有都市人内心的柔软和抒情，令那些对城市失望的人可能重新爱上城市。甚至可以说，地铁是都市生活不可或缺的道具，如果没有地铁，你都不好意思自称自己是大城市。隧道及地下工程专业是根据中国城市发展的趋势和当前城市地下工程人才匮乏的实际情况而设立的新专业，主要培养具有坚实的数学、力学等自然科学基础和人文社会科学基础，掌握城市地下工程勘察、规划、工程材料、结构分析与设计、机械基础及工程机械、电工技术、工程测量、施工组织和工程概预算、工程监理等方面的基本技术和知识，具备从事隧道及地下工程的规划、设计、研究、开发利用、施工和管理能力，具有较强的计算机应用能力和较高的外语水平的高级技术人才。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。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。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。能够分担地面交通和人流的负荷，节约城市用地。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。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。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。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。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。工程种类a.地下铁道由于城市的不断扩大和发展，市内地面运输已经不能满足交通要求，修建地下铁道成为最有效的手段之一。世界上有80多个城市已修建或正在修建地下铁道，中国北京已修建了40.1公里地铁，天津已建地铁7.2公里，其他大城市正在规划中。 地下铁道的优点是:和其他城市运输类型相比较,其运送能力最大；由于没有平面交叉和采取自动闭塞信号，可以保证通行安全；地铁各列车间的间歇时间可以很短，给旅客以很大方便；噪声小，保 隧道及地下工程护环境条件好。地下铁道还必须和地面其他运输类型及相应设施彼此配合，才能发挥更好的作用。近2030年来，在某些国家的大城市（如日本东京、大阪等地）和地铁相配合还修建了具有相当规模的地下街和地下商场等。地铁的缺点是：固定运营费用比重较大，只有客流密度很大时才是经济合理的。 b.铁路和公路隧道中国1949年以来为克服山岭障碍修建了总延长2000多公里的铁路隧道，正在修建中的大瑶山铁路隧道长达14公里。还修建了许多公路隧道。较长的有河南省辉陵公路的向阳隧道，长1400米；林石公路的太行隧道,长960米。铁路和公路常需要跨越江河港口。为此，需要修建水下的铁路或公路隧道。修建水底隧道过去多采用盾构法。但盾构法施工的断面是圆形的，内部净空不能很好利用，且埋深较大，使隧道总长度增加。采用沉管法可避免上述缺点。在荷兰已经用沉管法修建了十几条水底隧道。中国在上海用盾构法已建成黄浦江打浦路隧道，正在修建第二条越江隧道，还准备用沉管法修建第三条越江隧道。在日本，已经修建了许多铁路或公路隧道，把一些岛屿联结起来，著名者如青函海底隧道。横越英法海峡的海底隧道还在研究技术经济方案。现在通过直布罗陀海峡的隧道方案正进行可行性研究。从九龙到香港的海底隧道已修建完成。（见彩图）c.其他地下工程水电站都修引水和泄水隧洞，有的还修有地下厂房和其他洞室。核电站有全部修建在地下的，也有为掩埋核废料的地下深层洞库。军工工程和人民防空工事，有不少修于地下。有些地下工程可利用天然洞穴，在加固修缮后使用。设计方法1.经验类比设计法经验类比设计法即工程类比法，地下工程的基本特点是围岩地质环境复杂，要去的准确的地质、围岩参数和设计荷载参数等数据极其困难而且一些施工技术的机理复杂，当前对其研究尚不完善，其计算理论不太成熟，因此，经验判断对地下工程设计仍将其很大作用。但是毕竟每个地下工程都有其不同的特殊性，如围岩地质条件不可能完全一致，因此工程类比法也具有一定的局限性2.理论设计法尽管工程类比法简单易行，但只要地址条件吻合，则设计可靠性也较高。理论设计就是一地下结构计算模型为理论基础，根据地质条件确定围岩压力，求出地下结构懂得内力，核算界面参数并绘制施工图。3.信息化设计(动态设计)方法由于现场地质环境复杂，基础信息缺乏，地下工程设计无论采用理论计算法还是工程类比法，依据目前的技术水平，都不可能得到十分准确的结果。由于各种各样的原因，在开挖前不可能建地质信息等施工中可能出现的因素了解得十分清楚，正因为如此，目前在地下工程设计中，广泛采用经验借鉴、理论分析、现场量测计数、信息反馈、超前预报和动态调整相结合和所谓地下工程信息化设计或动态设计法。施工方法1.明挖法敞口开挖基坑，再在基坑中修建地下结构，最后用土石重新覆盖填实。明挖法工程实例 双线铁路隧道明挖法边坡开挖与衬砌技术发布时间：2012-12-06 13:38来源：国防交通工程与技术 1、工程概况 新建铜九铁路Z4标段( 南昌局管内) 刘家湾站隧道有两座, 长度分别为140m、130m, 均为双线隧道, 位于江西省九江市庐山区新港镇区内, 距新港镇约4km。 本工程所处位置土质为带有微膨胀性的红粘土, 其特点是遇水膨胀、失水收缩, 尤其是遇水之后强度会急剧衰减。 本工程施工方案由设计方案衍变, 经过多次的推敲、比选及研究, 并结合现场的实际情况, 考虑土体稳定性及开挖方式、边坡支护参数及隧道主体衬砌顺序等, 确定采用明挖法分层开挖土石方、砂浆锚杆挂网喷射混凝土支护、用衬砌模板台车施工隧道主体结构的总体施工方案。其施工工艺流程见图1。 2、施工关键技术 2.1、防排水措施 为防止或者减少外部水源侵入红粘土, 正式施工之前, 划定施工范围, 并做好地表的防排水措施, 在开挖线之外不小于5m范围砌筑天沟, 防止阴雨天气时雨水对开挖边坡造成影响。 土石方开挖时, 根据开挖深度的不同, 设置一定数量的平台,在每级平台上设置截水沟, 顺边坡流下的雨水可随截水沟排走。当土石方开挖到起拱线后,在坡底设置排水沟, 使得剩余的水顺排水沟流走, 以免对隧道主体底部的地基承载力造成影响。 总体施工工艺流程图 盾构法2.用盾构开挖隧道的一种施工法。盾构为一个钢制圆筒，前部为切口环，目的为保护开挖面上工作人员的安全；中部为支承环，承受地层压力，安设千斤顶，并靠这些千斤顶将盾构向前推进。盾构内部 工程机械空间用横向及竖向隔板分隔成小的工作室，并在隔板上安设辅助机具。后部盾尾部分是用来支撑坑道，并作为装配衬砌环的空间。修建时在开挖面上掘进衬砌的一环长度后，盾构可推进到挖好的空间内，并在盾壳保护下装配隧道衬砌。在含水淤泥地层中可采用压缩空气以稳定工作面。在日本以及其他国家，针对这类地层情况已经设计并推广了泥水盾构。其基本类型可分为两种，一种是泥水平衡式，一种是土压平衡式。泥水平衡盾构采用一个可以旋转的切削轮，可以在封闭于工作仓壁和隧道作业面之间的有压粘土泥浆中开挖地层；储气罐给泥浆保持需要的压力，借以控制地下水并稳定作业面。土压平衡盾构是在有土压的密封仓里切削地层，并用螺旋出土机排泥。盾构开挖法采用的衬砌类型有预制混凝土管片、刚性砌块和就地浇筑的钢纤维混凝土等。3.地下连续墙法是在地下铁道或其他地下结构的两个边墙位置处沿线路方向挖槽，灌注特制的泥水，以稳定槽壁，然后安放钢筋笼，灌筑混凝土边墙。在两侧边墙的保护下，可以挖开街道先修建结构顶盖，然后进行填实，恢复交通，再进行下部地层的开挖。此法优点是对地面交通的干扰时间短，范围小，对路边建筑物的影响也较小。意大利米兰地铁就是用此法修筑的典型例子。4.矿山法铁路、公路隧道和其他山岭隧道或地下建筑物一般均可采用矿山法施工。此法又可分为：钻眼爆破法。位于各类岩石地层内的隧道，均可采用钻眼、装药、爆破的方法开挖。在硬岩中开挖隧道