隧道及地下工程

隧道及地下工程是從事研究和建造各種隧道及地下工程的規劃、勘測、設計、施工和養護的一門套用科學和工程技術，是土木工程的一個分支。

隧道及地下工程

隧道及地下工程也指在岩體或土層中修建的通道和各種類型的地下建築物，包括交通運輸方面的鐵路、道路、運河隧道，以及地下鐵道和水底隧道等；工業和民用方面的市政、防空、採礦、儲存和生產等用途的地下工程；軍用方面的各種國防坑道；水利發電工程方面的地下發電廠房以及其他各種水工隧洞等。

前言

鋼筋混凝土

廿一世紀人類面臨著人口、糧食、資源和環境的四大挑戰，這決非是危言聳聽、杞人憂天。它如晨鐘暮鼓，告誡人們必須從現在開始認真研究對策。

“可持續發展”被作為國策提出來了，擺在每個學科、每個產業的面前，土木工程界也應順潮流而檢討自己。大量的土建工程拔地而起，每天都看到大片良田被鋼筋混凝土所取代，並且無法再生，居住、交通、環境的矛盾日益突出。把地面活土多留點給農業和環境，使地下空間成為人類在地球上安全舒適的第二個空間，是土木建築工作者的緊迫課題。國際上已提出把“廿一世紀作為人類開發利用地下空間的年代”，日本提出要利用地下空間，把國土擴大數倍。中國也開始重視地下空間利用的立法工作，各地區已開始進行地下空間的開發規劃。但由於技術立法不夠，在這方面出了不少問題，花費了許多不該花的工程費。本文不願多談成功的一面，僅將這些年來在地下空間開發所產生的問題進行思考，供廿一世紀參考。

學科發展

工程機械

交通擁堵已經成為城市致命的瓶頸，人們在擁堵中等待、憤怒、絕望，也開始因為渴望速度而尋找方向。當一個名字叫捷運的尤物可以讓交通煩惱消卻、速度誘惑滿足時，幾乎所有的中國城市都愛上了她，開始了轟轟烈烈的捷運建設之旅。捷運的另類空間激發著人們的國際化大都會想像力和商業想像力，捷運天文數字般的投資令城市人痛並快樂著，捷運承載著所有都市人內心的柔軟和抒情，令那些對城市失望的人可能重新愛上城市。甚至可以說，捷運是都市生活不可或缺的道具，如果沒有捷運，你都不好意思自稱自己是大城市。
隧道及地下工程專業是根據中國城市發展的趨勢和當前城市地下工程人才匱乏的實際情況而設立的新專業，主要培養具有堅實的數學、力學等自然科學基礎和人文社會科學基礎，掌握城市地下工程勘察、規劃、工程材料、結構分析與設計、機械基礎及工程機械、電工技術、工程測量、施工組織和工程概預算、工程監理等方面的基本技術和知識，具備從事隧道及地下工程的規劃、設計、研究、開發利用、施工和管理能力，具有較強的計算機套用能力和較高的外語水平的高級技術人才。

工程特點　

地下通道

①線路在穿越天然高程或平面障礙時修建地下通道，是克服障礙的有效方法。②能夠分擔地面交通和人流的負荷，節約城市用地。③承受爆炸荷載和地震荷載的能力比地面結構強，許多國防、民防工程以及抗震和各類防護工程都可採用。④地下建築物內部的氣溫和濕度都比較穩定,它具有節能特點,可作為各類地下貯庫和冷藏庫。⑤造價昂貴，只有在已論證它有充分的戰術、技術和經濟效益的條件下才宜興建。⑥施工期限長,施工作業面較窄,可能容納的勞力和機械都受限制；但由於工業化施工和機械性能的提高，這種情況正在得到改善。⑦穿越的地質條件常複雜多變，遇到的意外情況比較多，工程的定位、設計和施工方法都必須隨時作相應的調整，因此要求有關規劃、勘測、設計、施工和使用管理部門密切配合。

工程種類

地下鐵道

地下鐵道　由於城市的不斷擴大和發展，市內地面運輸已經不能滿足交通要求，修建地下鐵道成為最有效的手段之一。世界上有80多個城市已修建或正在修建地下鐵道，中國北京已修建了40.1公里捷運，天津已建捷運7.2公里，其他大城市正在規劃中。
地下鐵道的優點是:和其他城市運輸類型相比較,其運送能力最大；由於沒有平面交叉和採取自動閉塞信號，可以保證通行安全；捷運各列車間的間歇時間可以很短，給旅客以很大方便；噪聲小，保護環境條件好。地下鐵道還必須和地面其他運輸類型及相應設施彼此配合，才能發揮更好的作用。近20～30年來，在某些國家的大城市（如日本東京、大阪等地）和捷運相配合還修建了具有相當規模的地下街和地下商場等。捷運的缺點是：固定運營費用比重較大，只有客流密度很大時才是經濟合理的。
鐵路和公路隧道　中國1949年以來為克服山嶺障礙修建了總延長2000多公里的鐵路隧道，正在修建中的大瑤山鐵路隧道長達14公里。還修建了許多公路隧道。較長的有河南省輝陵公路的向陽隧道，長1400米；林石公路的太行隧道,長960米。鐵路和公路常需要跨越江河港口。為此，需要修建水下的鐵路或公路隧道。修建水底隧道過去多採用盾構法。但盾構法施工的斷面是圓形的，內部淨空不能很好利用，且埋深較大，使隧道總長度增加。採用沉管法可避免上述缺點。在荷蘭已經用沉管法修建了十幾條水底隧道。中國在上海用盾構法已建成黃浦江打浦路隧道，正在修建第二條越江隧道，還準備用沉管法修建第三條越江隧道。在日本，已經修建了許多鐵路或公路隧道，把一些島嶼聯結起來，著名者如青函海底隧道。橫越英法海峽的海底隧道還在研究技術經濟方案。現在通過直布羅陀海峽的隧道方案正進行可行性研究。從九龍到香港的海底隧道已修建完成。（見彩圖） 其他地下工程　水電站都修引水和泄水隧洞，有的還修有地下廠房和其他洞室。核電站有全部修建在地下的，也有為掩埋核廢料的地下深層洞庫。軍工工程和人民防空工事，有不少修於地下。有些地下工程可利用天然洞穴，在加固修繕後使用。

施工方法

明挖法　敞口開挖基坑，再在基坑中修建地下結構，最後用土石重新覆蓋填實。

盾構法

盾構法　用盾構開挖隧道的一種施工法。盾構為一個鋼製圓筒，前部為切口環，目的為保護開挖面上工作人員的安全；中部為支承環，承受地層壓力，安設千斤頂，並靠這些千斤頂將盾構向前推進。盾構內部空間用橫向及豎向隔板分隔成小的工作室，並在隔板上安設輔助機具。後部盾尾部分是用來支撐坑道，並作為裝配襯砌環的空間。修建時在開挖面上掘進襯砌的一環長度後，盾構可推進到挖好的空間內，並在盾殼保護下裝配隧道襯砌。在含水淤泥地層中可採用壓縮空氣以穩定工作面。在日本以及其他國家，針對這類地層情況已經設計並推廣了泥水盾構。其基本類型可分為兩種，一種是泥水平衡式，一種是土壓平衡式。泥水平衡盾構採用一個可以鏇轉的切削輪，可以在封閉於工作倉壁和隧道作業面之間的有壓粘土泥漿中開挖地層；儲氣罐給泥漿保持需要的壓力，藉以控制地下水並穩定作業面。土壓平衡盾構是在有土壓的密封倉里切削地層，並用螺鏇出土機排泥。盾構開挖法採用的襯砌類型有預製混凝土管片、剛性砌塊和就地澆築的鋼纖維混凝土等。
地下連續牆法　是在地下鐵道或其他地下結構的兩個邊牆位置處沿線路方向挖槽，灌注特製的泥水，以穩定槽壁，然後安放鋼筋籠，灌築混凝土邊牆。在兩側邊牆的保護下，可以挖開街道先修建結構頂蓋，然後進行填實，恢復交通，再進行下部地層的開挖。此法優點是對地面交通的干擾時間短，範圍小，對路邊建築物的影響也較小。義大利米蘭捷運就是用此法修築的典型例子。
礦山法　鐵路、公路隧道和其他山嶺隧道或地下建築物一般均可採用礦山法施工。此法又可分為：①鑽眼爆破法。位於各類岩石地層內的隧道，均可採用鑽眼、裝藥、爆破的方法開挖。在硬岩中開挖隧道可採用鑿岩台車鑽眼，進行全斷面開挖。②新奧法。20世紀30年代發展起來的新方法。其要義是以隧道圍岩作為支護的主要手段。施工過程中儘量減少圍岩的鬆動破壞，並在開挖後及時支護，以確保離臨空面一定深度處的圍岩內形成承載圈。支護設定有一個最佳時間：過早支護會使噴射混凝土和岩層間產生很大地層壓力；過遲支護則圍岩將因變形過度而鬆動。為了正確估計合理的支護時間，必須對開挖後的隧道圍岩及時進行收斂量測。③掘進機開挖法。近年來得到了大力推廣。掘進機是利用安裝在機軸轉盤上的刀具直接切削岩層。首先製造隧洞掘進機的是美國羅賓斯公司。中國已經製造了直徑 5.8米的水工隧洞掘進機，使用效果良好。近年來隧道開挖後的支護有了很大的發展。噴錨支護為各種複雜地質條件下使用礦山法修建各種隧道提供了有效的支護。
此外，修築水底隧道時，可使用沉管法；在穿越鐵路、道路、河流或建築物時，可使用頂管法。修建地下池槽、地下廠房、倉庫和各種地下井時，還可使用沉井法（見地下工程沉井法施工）。

後續發展

隧道及地下工程

因地制宜，開拓地下空間資源和發展其經濟效益，是當前各國在隧道及地下工程領域中總的發展趨勢。例如中國在雲、貴、川以及閩、浙一帶可以有選擇地利用天然溶洞;在西北黃土高原則可利用新的工藝(例如噴混凝土支護和加強通風照明等)來修建窯洞。在各大城市，要加強地下交通運輸系統和公用管道的規劃，以及民防與市政地下工程的總體布局。
開展隧道和地下結構的理論研究，包括有限元法在地下結構設計計算中的套用；岩土材料試驗工作；以及工地現場量測和信息監控技術等，使理論能更好地結合實際。
在長大隧道和重點地下工程中，推行施工綜合機械化。在軟土地層中，採用適合地層條件的盾構、頂管、沉管和連續牆施工方案；在硬岩中採用新型掘進機或高效水鑽台車，以及光面爆破和預裂爆破等先進技術。在一些長隧道中採用水平鑽井已取得成功。以噴錨支護為基礎的新奧法施工，可大力推廣。

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