1、6.1 6.1 隧道与地下工程概述隧道与地下工程概述 隧道与地下工程是指从事各种隧道与地下工程的隧道与地下工程是指从事各种隧道与地下工程的规划、规划、设计、施工和运营养护设计、施工和运营养护的一门应用科学和工程技术，是土木的一门应用科学和工程技术，是土木工程专业的一个分支；也可以指岩体或土层中修筑的各类通工程专业的一个分支；也可以指岩体或土层中修筑的各类通道和地下构筑物，包括地铁、地下商场等。道和地下构筑物，包括地铁、地下商场等。6.1.1 隧道与地下工程简介 修建地下工程时，通常修建地下工程时，通常在地层内挖出具有一定在地层内挖出具有一定几何几何形状的“坑道”形状的“坑道”，如矩形、，如矩形
2、、圆形等，由于土层开挖后，圆形等，由于土层开挖后，应力释放，容易变形、坍塌，应力释放，容易变形、坍塌，所以除了在极为稳定的岩层所以除了在极为稳定的岩层中以外，大多情况下都要在中以外，大多情况下都要在坑道周围进行支护坑道周围进行支护。地下结构工程中的支护结构通常地下结构工程中的支护结构通常采用衬砌，衬砌指的是为防止围采用衬砌，衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的用钢筋混凝土等材料修建的永久永久性支护结构性支护结构。衬砌的形状和尺寸，。衬砌的形状和尺寸，应能使结构的受力状态最为合理，应能使结构的受力状态最为合理，既不浪费又能满足要求。既
3、不浪费又能满足要求。衬砌结构。材衬砌结构。材料为钢筋混凝料为钢筋混凝土或砖、石。土或砖、石。分类方式分类方式 工程类型工程类型 按使用功能按使用功能 交通工程、市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、交通工程、市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程等地下军事工程、地下仓储工程等 按四周围介质按四周围介质 软土地下工程、硬土软土地下工程、硬土(岩石岩石)地下工程、海地下工程、海(河、湖河、湖)底或悬底或悬浮工程等；深埋、中埋、浅埋工程浮工程等；深埋、中埋、浅埋工程 按施工方法按施工方法 浅埋明挖法、盖挖逆作法、矿山法、盾构法、沉管法等浅埋明挖法、盖挖逆作法、矿山法
4、、盾构法、沉管法等 按结构形式按结构形式 附建式、单建式、廊道式、棋盘式、单层或多层框架结构附建式、单建式、廊道式、棋盘式、单层或多层框架结构 按衬砌材料和构造按衬砌材料和构造 砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、铸铁、砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、铸铁、钢纤维混凝土、聚合物钢纤维混凝土等。钢纤维混凝土、聚合物钢纤维混凝土等。隧道与地下工程有许多分类方法，可以按其隧道与地下工程有许多分类方法，可以按其使用功能、周围使用功能、周围介质、设计施工方法、建筑材料和断面构造形式介质、设计施工方法、建筑材料和断面构造形式分类，也有按其分类，也有按其重要程度、防护等级、抗震等级分，其
5、具体分类见表重要程度、防护等级、抗震等级分，其具体分类见表6.16.1。表表6.1 6.1 隧道与地下工程分类隧道与地下工程分类 由于受力特点、结构形式、使用功能的不同，隧道与地由于受力特点、结构形式、使用功能的不同，隧道与地下工程的设计和施工不同于地上的建筑结构，其主要工程特下工程的设计和施工不同于地上的建筑结构，其主要工程特点表现在：点表现在：(1)(1)工程涉及的领域众多工程涉及的领域众多，包括建筑工程、市政工程、，包括建筑工程、市政工程、交通工程、水电工程、国防工程、能源工程等。交通工程、水电工程、国防工程、能源工程等。水电站地下厂房 地下人防工程示意 (2)(2)建设环境复杂，考虑因
6、素众多建设环境复杂，考虑因素众多。地下建筑由于特殊。地下建筑由于特殊的建筑方式，往往需经通风、采光、防潮、排水等处理。的建筑方式，往往需经通风、采光、防潮、排水等处理。(3)(3)不可预见因素多，风险高不可预见因素多，风险高，地质条件、地下水状态，地质条件、地下水状态等对隧道与地下工程的设计和施工影响较大，事故发生率高。等对隧道与地下工程的设计和施工影响较大，事故发生率高。地下工程施工时经常导致地表沉降或者隆起引起地面开裂，地下工程施工时经常导致地表沉降或者隆起引起地面开裂，引起附近建筑开裂或者倾斜，严重时可导致建筑倒塌。引起附近建筑开裂或者倾斜，严重时可导致建筑倒塌。南京地铁二号线地表开裂南
7、京地铁二号线地表开裂 上海轨道交通上海轨道交通4 4号线地铁事故造成房屋倾斜号线地铁事故造成房屋倾斜 (4)(4)投资大，建设周期长，工程规模大、造价高投资大，建设周期长，工程规模大、造价高。如英。如英吉利海峡隧道吉利海峡隧道(又称英法海底隧道或欧洲隧道又称英法海底隧道或欧洲隧道)，是一条连接，是一条连接英国英伦三岛与欧洲法国的铁路隧道，于英国英伦三岛与欧洲法国的铁路隧道，于19941994年年5 5月月6 6日开通。日开通。它由三条长它由三条长51km51km的平行隧洞组成，的平行隧洞组成，总长度总长度153km153km，其中海底段，其中海底段的隧洞长度为的隧洞长度为3 338km38km
8、。从。从19861986年年2 2月月1212日法、英两国签订关日法、英两国签订关于隧道连接的坎特布利条约，到于隧道连接的坎特布利条约，到19941994年年5 5月月7 7日正式通车，历日正式通车，历时时8 8年多年多，耗资约，耗资约150150亿美元亿美元。英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 隧道与地下工程的发展历史与人类的文明史相呼应，隧道与地下工程的发展历史与人类的文明史相呼应，大概可以分为大概可以分为古代、近代、现代古代、近代、现代三个时期。三个时期。古代时期主要是从人类出现到公元古代时期主要是从人类出现到公元1717世纪。这一时期世纪。这一时期的主要特点是利用的主要特点是利用天然材料天然
9、材料，如岩石、土体、木材等，辅以，如岩石、土体、木材等，辅以较原始的较原始的手工或简单机械手工或简单机械来完成，在技术上多依赖于经验。来完成，在技术上多依赖于经验。这一时期的主要工程实例有：中国窑洞、隋朝地下粮仓等。这一时期的主要工程实例有：中国窑洞、隋朝地下粮仓等。6.1.2 隧道与地下工程的发展简史 陕西窑洞陕西窑洞 古代地下建筑古代地下建筑：人类在人类在原始时期原始时期就利用就利用天然洞穴作为群居、活天然洞穴作为群居、活动场所和墓室动场所和墓室。这个历史时期所谓地下建筑工程多局限于帝王贵人的陵墓和这个历史时期所谓地下建筑工程多局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。人类居住的窑洞。我国的地
10、下储粮已有我国的地下储粮已有50005000多年历史多年历史 敦煌、云岗、龙门三大石窟群也是我国古代杰出的地下建筑敦煌、云岗、龙门三大石窟群也是我国古代杰出的地下建筑工程。工程。近代时期是指从近代时期是指从1717世纪到第二次世界大战前后。在这一世纪到第二次世界大战前后。在这一时期土、木、石、砖等建筑材料特别是现代建筑材料混凝土、时期土、木、石、砖等建筑材料特别是现代建筑材料混凝土、钢材、钢筋混凝土的广泛使用，钢材、钢筋混凝土的广泛使用，现代数学、力学的发展现代数学、力学的发展和应和应用，火药的发明和广泛应用以及工业革命的发展促使用，火药的发明和广泛应用以及工业革命的发展促使大量机大量机械械的
11、使用，使隧道与地下结构进入大量发展时期。的使用，使隧道与地下结构进入大量发展时期。八达岭隧道是中国自行设计和八达岭隧道是中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于施工的第一座越岭隧道，位于京包铁路青龙桥车站附近。这京包铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长座单线隧道全长1091m1091m，由我，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，划督造，19071907年开工，在中国年开工，在中国技术人员和工人的努力下，仅技术人员和工人的努力下，仅用用1818个月，于个月，于19081908年竣工年竣工 。八达岭隧道八达岭隧道 18631863年法国人年法国人BrunelBrunel
12、用其发明并申请专利的最用其发明并申请专利的最早实用早实用手掘式盾构技术手掘式盾构技术成功开挖了世界上第一条水成功开挖了世界上第一条水底盾构隧道，如图所示是当时手掘式盾构法修建隧底盾构隧道，如图所示是当时手掘式盾构法修建隧道的示意图。道的示意图。近代地下建筑近代地下建筑从英国从英国18601860年修建、年修建、18631863年运营的第一条年运营的第一条地下铁道算起，至今地下铁道算起，至今也只有也只有140140多年的历史多年的历史。由于战争频繁、。由于战争频繁、城市人口增加、环境污染日益严重以及能源危机等因素的城市人口增加、环境污染日益严重以及能源危机等因素的影响，地下建筑工程在一些国家得到
13、迅速发展。影响，地下建筑工程在一些国家得到迅速发展。日本日本6060年代地下工程总量近年代地下工程总量近1 1亿立方米，亿立方米，7070年代为年代为3 3亿立方米。亿立方米。法国法国巴黎地下交通规划为上下两层。巴黎地下交通规划为上下两层。美国美国已建成已建成40004000多座人防指挥所。多座人防指挥所。瑞典瑞典建成埋在地下建成埋在地下210m210m深的地下岩石中的热水库。深的地下岩石中的热水库。现代时期主要指第二次世界现代时期主要指第二次世界大战之后到现在。主要特点是大战之后到现在。主要特点是工工程数量程数量和和规模迅速扩大规模迅速扩大，各种不，各种不同结构形式的地下建筑大量涌现，同结构
14、形式的地下建筑大量涌现，伴随的各种现代化的施工设备、伴随的各种现代化的施工设备、手段、设计理念层出不穷。手段、设计理念层出不穷。如图所示的上海长江隧道是连接如图所示的上海长江隧道是连接浦东、长兴岛的交通枢纽工程和浦东、长兴岛的交通枢纽工程和重要的地下生命线工程，其南起重要的地下生命线工程，其南起浦东五好沟，北至崇明长兴岛，浦东五好沟，北至崇明长兴岛，共设东线和西线两条隧道，单线共设东线和西线两条隧道，单线全长约全长约8.9km8.9km。隧道采用两台直。隧道采用两台直径为径为15.4315.43的超大型泥水加压盾的超大型泥水加压盾构施工，其建成后将是世界上构施工，其建成后将是世界上直直径最大径
15、最大的盾构隧道。的盾构隧道。地下建筑结构是隧道与地下工程的重要组成部分，其主地下建筑结构是隧道与地下工程的重要组成部分，其主要作用是承受要作用是承受地层地层和和室内室内的各种荷载。其结构形式应当根据的各种荷载。其结构形式应当根据地层的类别、使用目的和施工技术水平来选择，可以分为地层的类别、使用目的和施工技术水平来选择，可以分为拱拱形结构形结构、梁板梁板(墙墙)柱式结构柱式结构、喷锚式支护结构喷锚式支护结构、开敞式结构开敞式结构。6.1.3 隧道与地下工程结构形式(1)(1)拱形结构拱形结构 这类结构的截面形式基本为拱形。主要有以下几种形式：这类结构的截面形式基本为拱形。主要有以下几种形式：半衬
16、砌结构半衬砌结构 厚拱薄墙衬砌厚拱薄墙衬砌 直墙拱顶衬砌直墙拱顶衬砌 曲墙拱顶衬砌曲墙拱顶衬砌 装配式衬砌装配式衬砌 复合式衬砌复合式衬砌 装配式衬砌结构装配式衬砌结构 复合式衬砌结构复合式衬砌结构 (2)梁板（墙）柱式结构梁板（墙）柱式结构 在在浅埋地下结构浅埋地下结构中，梁板（墙）柱式结构采用也很普遍，中，梁板（墙）柱式结构采用也很普遍，特别是城市地下建筑中。四周特别是城市地下建筑中。四周支护结构支护结构和和顶板顶板、底板底板做成现做成现浇混凝土梁板（墙）式结构，中间结构做成钢筋混凝土浇混凝土梁板（墙）式结构，中间结构做成钢筋混凝土框架框架结构结构，当空间结构较小时，也可以采用砖砌体隔墙。，当空间结构较小时，也可以采用砖砌体隔墙。(3)喷锚式支护结构喷锚式支护结构 喷锚式支护是在洞室开挖后及时采用喷锚式支护是在洞室开挖后及时采用喷射混凝土喷射混凝土、钢筋钢筋网喷射混凝土网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土锚杆喷射混凝土或者或者锚杆钢筋网喷射混凝土锚杆钢筋网喷射混凝土等方式对地层进行加固。由于喷锚支护是一种柔性结构，故等方式对地层进行加固。由于喷锚支护是一种柔性结构，故能更有效地能更有效地利