隧道及地下工程.doc

1、第7章 隧道及地下工程当今世界，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局部“点”、“线”的利用向大范围、大距离的“空间”利用进展。20世纪80年代，国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。许多国家更是将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相对应的，它大致可以分为四个时代： 第一时代，即原始时代，从出现人类至公元前3000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。 第

2、二时代，即古代时期，从公元前3000年至5世纪的古代时期。埃及的金字塔、古代巴比伦的引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当的技术水平和规模。 第三时代，即中世纪时代，从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围内的矿石开采技术出现，推进了地下工程的进一步发展。 第四时代，即近代和现代，从15世纪开始的近代至今。欧美的产业革命，诺贝尔发明了黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治维新时代，隧道及铁路技术开始引进日本并得到大力发展。 现代地下工程发展迅速，各种典型工程不胜枚举。世界已有数百个城市修建了地下铁路。我国大瑶山铁路隧道（图7-1），长14 295 m，

3、历时6年建成；日本青函隧道，长53 850 m，从规划到建成，历时半个世纪；英法海峡隧道，长50 km，海底长度37 km，历时7年建成；日韩隧道，长250 km，采用分段施工方案，其调查斜井已于1986年底动工。著名的公路隧道，如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超过10 km。各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电站的数目，全世界已超过400座，其发电总量达45亿W以上。地下电站的建设是个十分庞大的地下工程。苏联的罗戈水电站，土石方量510万m3，混凝土用量160万m3，开凿的隧道、碉室294个，总长度达62 km。世界各国修建了大

4、量的地下储藏室，其建造技术得到不断革新。目前城市地下空间的开发利用，已经成为城市建设的一项重要内容。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融为一体，成为多功能的地下综合体。 图7-1 大瑶山隧道 图7-2 北京地铁我国地下空间的开发和利用始于20世纪60年代，1965年北京建设地下铁道（图7-2），一期工程由北京站至苹果园，全长24.17 km，采用明挖法施工。二期工程为环线，在老城墙下修建，全长16.1 km。复兴门地铁车站及折返线，位于建筑物与地下管线密集的街区，采用了浅埋明挖法施工。20世纪60年代上海修建打浦路水底公路隧道。70年代，我国修建了大量地下人防

5、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、地下工厂和储藏库。20世纪80年代上海建成延安东路水底公路隧道，全长2 261 m，采用直径为11.3 m的超大型网格水力机械盾构掘进机施工。1984年开工，1989年5月竣工通车，建成了当时世界第三条盾构法施工的隧道。同一时期，上海还建成电缆隧道及其他市政公用隧道等20余条，总长达30 km以上。19851987年，上海建成黄浦江上游引水隧道一期工程，日引用量达230万t，社会效益十分显著。上海人民广场地下车库，其平面尺寸达176 m146 m，深11 m。广州地铁、南京地铁等在此时期也相继进入设计与施工准备阶段，宁波开始了水底

6、公路隧道的修建工作。20世纪90年代以来，我国城市的地下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，目前多在地表以下30 m内的浅层中修筑地下工程。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。7.1 隧道工程7.1.1 隧道工程概述1.隧道的定义狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工程建筑物。广义定义：以某种用途在地面以下以任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面面积大于2m2的洞室。按国际隧道协会(1TA)定义隧道的横断面积的大小，划分标准可以分为：极小断面隧道(23m2)、小断面隧道(310m2)、中等断面隧道(

7、1050 m2)、大断面隧道(50100m2)和特大断面隧道(大于100m2)。2.隧道的分类隧道的种类很多，从不同的角度来区分，有不同的分类方法。按隧道所处地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道；按埋置深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道；按隧道所在位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道、水下隧道和地铁隧道等。习惯上常按隧道的作用将其划分为交通隧道、输水隧道、市政隧道、矿山隧道4类。（1）交通隧道公路隧道。高速公路对道路的修建技术提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。隧道的修建在改善公路技术状态缩短运行距离，提高运输能力，以及减少事故等方而起到了重要的作用。铁路隧道。开挖隧道

8、直接穿山而过，既可使线路顺宜，避免许多无谓的展线，使线路缩短坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。水底隧道。当交通线路需要跨越江、河、湖、海、洋时，一般可以选择的方案有架桥、轮渡和隧道。河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，一时无法拾起必要的高度时，采用水底隧道。水底隧道方案的优点是不受气候影响，不影响通航标等越来越受到人们的青睐。地下铁道。地下铁道是解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题，而能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。地下铁道可以使很大一部分地面容流转入地下而不占用地面面积。它没有平面交叉，而各走上下行线，因而可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省了乘车

9、时间便利了乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。航运隧道。当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短船只航程，又可以省掉船闸的费用、迅速而顺直地驶过，航运条件就大为改善了。人行地道。为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高跨桥以外，也可以修建人行地道来穿越街道或跨越铁路、高速公路等。这样可以缓解地面交通互相交叉的繁忙景象，少占用地面空间，同时也大大减少了交通事故。（2）输水隧道输水隧道是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧道包括以下几种：引水隧道进行水资源的调动或把水引入水电站的发电机组，产生动力资源

10、。排水隧道它是把发电机组排出的废水送出去的隧道。导流隧道或泄洪隧道它是水利工程中的一个重要组成部分。由他疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪作。排沙隧道它是用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带运出水库。有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。（3）市政隧道给排水隧道：给水隧道是用于城市供水的隧道；排水隧道是用于引流排放城市污水的隧道。管路隧道：供给煤气、瞪气、热水等。线路隧道：输送电力的电缆以及通讯的电缆都安置在地下孔道中。在现代化的城市中，将以上四种具有共性的市政隧道，按城市的布局和规划，合建一个大隧道，称之为“共同管沟”。共同管沟是现代城市基础设施科学管理和规划的标志，也是

11、合理利用城市地下空间的科学手段，是城市市政隧道规划与修建发展的方向。人行地道。是建筑在城市地下专供人员通行的隧道，也称为过街地道。它主要是在城市交通繁忙地区，为改变车辆人车混行状况，保证行人安全、提高车辆通过能力而修建的立体交叉地下人行通道。人防隧道：为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。人防隧道内除应设有徘水、通风、照明和通讯设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此外在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击被的侵入。同时，要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。(4)矿山隧道。矿山隧道又称为矿山坑道或巷道，是用于穿越地层通向矿床，以便开采矿体的隧道。运输巷道。是从

12、地面向地下开凿的通到矿床的运输通道，通过运输巷道到达矿体后再开辟采掘工作面。运输巷道不仅是主要的运输通道，通常情况下也将给排水管道安装在运输巷道中，以便送入稿沾水供采掘机械使用，并将废水和地下水排出洞外。同时运输巷道还可以与通风巷道或与通风机加管道构成空气对流的回路。通风巷道。通风巷道是为了补充新鲜空气，排除废气、工作人员呼出的气体，以及地层中释放的各种易燃、易爆、有意、有害气体，防止燃烧、爆炸、窒息，保证坑道工作环境条件和人员设备安全面而设置的巷道，通风巷道应与运输巷道或与通风机加管道构成空气对流的回路。7.1.1 公路隧道最古老的隧道是古代巴比伦城连接皇宫与神庙间的人行隧道，建于公元前21

13、802160年间。该隧道长约1 km，断面面积为3.6 m4.5 m，施工期间将幼发拉底河水流改道，用明挖法建造。该隧道是一种砖砌建筑物。18951906年修建的穿越阿尔卑斯山的铁道隧道长19.23 km。目前世界上最长的汽车专用隧道是瑞士中部的圣哥达（St.ktthard）隧道，全长16.3 km。隧道开凿时，第一次使用了硝化甘油炸药。 我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年。 1.公路隧道线路公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线，避免曲线，如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。公路隧道的纵断面坡度，

14、由隧道通风、排水和施工等因素确定，采用缓坡为宜。隧道的纵坡通常应不小于0.3%，并不大于3%。隧道如从两个洞口对头掘进，为便于施工排水，可采用“人”字坡。单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。 隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间称为隧道净空。公路隧道净空包括公路建筑限界（见图7-3）、通风及其他所需的断面积。断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值。公路隧道的公路建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道的宽度，以及车道、人行道的净高。公路隧道净空除包括公路建筑限界以外，还包括通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设施所需的空间以及富裕量和施工允许误差等，如图7-4所示。 图7-3

15、 公路建筑限界（单位：m） 图7-4 公路隧道横断面净空（单位：mm）高速公路和一级公路隧道应设置检修道。其他公路应根据隧道所处地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道的高度可按2080cm取值，并综合考虑检修人员步行时的安全、紧急情况时驾乘人员取拿消防设备安全、满足其下放置电缆和给水管等的空间尺寸的要求。公路隧道横断面示例如图7-5所示。图7-5 公路隧道横断面示例2.公路隧道通风汽车排出的废气含有多种有害物质，如一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、亚硫酸气体和烟雾粉尘等，造成隧道内空气的污染。一氧化碳浓度很大时，人体会产生中毒症状，危及生命。烟雾会恶化视

16、野，降低车辆安全行驶的视距。公路隧道空气污染造成危害的主要原因是一氧化碳，用通风的方法从洞外引进新鲜空气冲淡一氧化碳的浓度至卫生标准，即可使其他因素处于安全浓度。 （1）自然通风 这种通风方式不设置专门的通风设备，是利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，达到通风目的。 （2）机械通风纵向式基本特征：通风风流沿隧道纵向流动。 主要形式：射流式纵向通风是将射流式风机设置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气，并以30 m/s左右的速度喷射吹出，用以升压，使空气加速，达到通风的目的，如图7-6所示。射流式通风比较经济，设备费用少，但噪声较大。图7-6 射流式纵向通风竖井式纵向

17、通风。机械通风所需动力与隧道长度的立方成正比，因此在长隧道中常常设置竖井进行分段通风，如图7-7所示。竖井用于排气，有烟囱作用，效果良好。图7-7 竖井式纵向通风横向式通风分别设有排风道，通风风流在隧道内做横向流动，如图7-8所示。该通风方式有利于防止火势蔓延和处理烟雾。但需设置送风道和排风道，增加了建设费用和运营费用。 图7-8 横向式通风半横向式通风由隧道通风道送风或排风，由洞口沿隧道纵向排风或抽风，新鲜空气经送风道直接吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释排气，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。半横向式通风，因仅设置排风道，所以较为经济。 混合式通风根据隧道的具体条件和特殊需要，

18、由竖井与上述各种通风方式组合成为最合理的通风系统。例如，有纵向式和半横向式的组合，以及横向式与半横向式的组合等各种方式。3.公路隧道照明 隧道照明与一般部位的道路照明不同，其显著特点是昼间需要照明，防止司机视觉信息不足引发交通事故。应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能看清行车方向，正常驾驶。隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。入口照明是为司机从适应野外的高照度到适应隧道内明亮度的照明，所必须保证视觉的照明。它由临界部、变动部和缓和部三个部分的照明组成。 临界部是为消除司机在接近隧道时产生黑洞效应所采取的照明措施。所谓“黑洞效应”是指司机在驶近隧道，从

19、洞外看隧道内时，因周围明亮而隧道像一个黑洞，以致发生辨认困难，难以发现障碍物。变动部是照度逐渐下降的区间。缓和部为司机进入隧道到习惯基本照明的亮度，适应亮度逐渐下降的区间。 出口照明是指汽车从较暗的隧道驶出至明亮的隧道外时，为防止视觉降低而设的照明。应消除“白洞效应”，即防止汽车在白天穿过较长隧道后，由于外部亮度极高，引起司机因眩光作用而感不适。4.隧道附属设施构造为了使隧道能够正常使用，保证列车通过的安全。除主体建筑外，隧道内还要设置一些附属建筑物，如设置紧急停车带、排水设施和电力通信信号设施等。紧急停车带就是专供紧急停车使用的停车位置。在隧道中尤其在长达隧道中，当车辆发生故障时，必须尽快离

20、开干道，避让至紧急停车带，以减少交通阻塞，避免发生交通事故。我国目前参照国际道路常设委员会的隧道委员会推荐值来确定紧急停车带的有关参数，即超过2km的隧道必须考虑设置宽2.5m、长2540m、间隔约750m的紧急停车带。对于10km以上的特长隧道，还应考虑设置方向转换场地，使车辆能够在发生火灾时避难或退避。平面布置如图7-9所示。图7-9 紧急停车带及方向转换场设置示意图7.1.2 铁路隧道1.概 述为提供容纳铁路交通空间需要而修建的隧道称为铁路隧道。随着铁路建设向山区发展，隧道越来越显示出其优越性，如大幅度地缩短线路长度，降低线路高程，改善通过不良地质地段的条件，降低铁路造价等。世界上第一座

21、铁路隧道是18261830年在英国利物浦至曼彻斯特铁路上修筑的长1 190 m的双线隧道。随着铁路的发展，从19世纪30年代起，各国都相继修建铁路隧道。目前世界上最长的山岭铁路隧道是瑞士勒奇山隧道，该隧道穿越阿尔卑斯山，全长34.6 km。勒奇山隧道1994年开凿，2005年4月28日贯通，2007年正式通车。我国最早建成的铁路隧道是位于台湾省基隆与七堵之间的狮球岭隧道，隧道全长261 m。于1887年从南北两端同时开工，由外国工程师定出线路方向及中心桩的开挖高度，由清朝政府的军队负责施工，1890年建成。我国自主建成的第一座铁路隧道是京张铁路八达岭隧道。它是中国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造

22、，依靠中国人自己的力量建成的。这座单线越岭隧道全长1 091 m，工期仅用了18个月，于1908年建成。它与京张铁路的建成，至今仍为世人称道。最近几年，我国铁路隧道的一个重要发展是隧道的“长大化”，例如西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间的秦岭隧道，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30 m，其中线隧道全长18 460 m，线隧道全长18 456 m。秦岭隧道、线均为单线电气化铁路隧道。兰新铁路兰武段复线上的乌鞘岭特长隧道，全长20.05 km，该隧道具有海拔高、自然环境恶劣、地质情况复杂、施工条件艰苦等特点。石太客运专线的太行山特长隧道通过太行山山脉的山峰越宵山，最大埋深445m

23、，为双洞单线隧道，线间距35m，左线隧道长27.84km，右线隧道长27.85km，是我国目前最长的铁路山岭隧道。1998年我国引进全断面掘进机，修建长达18.4 km的秦岭特长隧道，开始了采用机械开挖施工的新纪元。可以说我国铁路隧道的兴建迈出了新的一步。截至2009年底，我国已运营铁路隧道8900多座，总长度6000km，在建2500座，总长超过4700m，即将开工或规划建设的有5000余座，总长超9000公里，均为世界第一，成为名副其实的“铁路隧道大国”。2.铁路隧道的几个技术问题（1）隧道勘测隧道勘测前应制定勘测计划，做好一切必要的准备，勘测分为初勘和详勘两个阶段。调查的内容及其深度细度

24、可根据各个阶段的勘测设计要求和隧道规模去确定，使其能满足各个阶段的设计和施工的需要，最后形成系统的完整的资料。调查内容主要包括：自然概况、工程地质特征、水文地质特征、不良地质地段、地震基本烈度等级、气象资料、施工条件等。（2）隧道位置选择隧道位置一般按地形条件和地质条件进行比选。受不同地形条件的影响，可能采取不同的方案。比如对于高程障碍，可以采取绕行方案、深堑方案及隧道方案。从全局和长期考虑，经过比选，隧道方案往往是比较合理的。对于平面障碍，可以采取沿河傍山的绕行方案或隧道直穿方案。从长远的利益看，隧道方案也往往是比较合理的。隧道是埋置在地层内的结构物，受地层岩体的包围。如何避开不良地质区域，

25、或是如何拟定客服不良地质的措施，对于不同地质情况应采取何种措施方案，是选择隧道位置时，必须慎重考虑的问题。（3）隧道洞口位置选择隧道位置确定后，隧道长度由隧道洞口的位置确定。通过实践总结出以下几点：洞口位置的选择应遵循“早今晚出”的原则；洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好的地方；水不太丰富的地方；洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路；洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂宣的地方，使隧道正面进入山体洞门结构物不致受到偏侧压力；当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上，并加上波浪的高度，以防洪水倒灌到隧道中去；为了保证洞口的稳定和安全边坡

26、及仰坡均不宜开挖过高，不使山体扰动太甚，也不使新开出的暴露面太大。（4）隧道平面设计铁路的线路是越直越好。线路越直，列车通过约快速，走形的距离也相对越短。在隧道内，这种需求更加强烈。因此，在可能的情况下，隧道平面线形应尽量采用直线或大半径曲线，避免小半径曲线。这是因为曲线隧道建筑限界需加宽，坑道尺寸相应加大，增加了土石方开挖和衬砌的工程量；曲线隧道断面是变化的，导致支护和衬砌的尺寸也是变化的，技术难度大；列车在曲线隧道内运行，空气阻力加大，抵消了部分机车牵引力，同时，洞内通风条件恶化；列车在曲线隧道行驶，产生的离心力使钢轨磨耗严重，增加了线路养护工作量；曲线隧道的洞内施工测量操作复杂，精度相对

27、降低。但是，受到某些地形的限制，或受地质的原因，往往不得不采用曲线。（5）隧道纵断面设计隧道纵断面设计主要是对坡度的设计，具体地说，包括隧道内线路的坡道形式、坡度大小和折减、坡段长度和坡段间的衔接等内容。隧道出于岩层之中，除了地质变化外，线路走向不受任何限制，不必采用复杂多变的形式，一般采用单面坡和人字坡两种形式，如图7-10所示。考虑隧道排水需要，不宜采用平坡，坡度一般不小于3%，在严寒地区的隧道为防止冻害，还应考虑适当增大排水坡。列车在隧道内运行时，其作用犹如一个活塞，空气阻力远远大于明线地段，削弱了列车的牵引力。另外，隧道内环境潮湿，机车轮与钢轨间的黏着系数减小，当列车在上坡方向以最小计

28、算速度运行时，机车牵引力因黏着系数降低而不能充分发挥。基于上述原因，隧道坡度设计时应尽量采用较缓的坡度，不宜用足限制坡度。按现行规范，当隧道长度小于400 m时，上述影响不甚显著，隧道纵断面坡度，仍按明线地段标准设计；隧道长度大于400 m时，隧道内限制坡度应考虑折减。 （a）单面坡 （b）人字坡图7-10 隧道纵断面形式示意图（6）铁路隧道净空铁路隧道衬砌内轮廓所包络的空间称为隧道净空。新建铁路隧道的净空是根据国家标准规定的铁路隧道建筑限界，并考虑远期隧道内轨道的类型确定的。建筑限界是指隧道衬砌不得侵入的一种限界，确定的依据是根据机车和车辆限界在横断面外轮廓线上的最大尺寸需要，再考虑洞内通信

29、、信号、照明等其他设备设置的尺寸要求，并考虑一定的富裕度拟订的。隧道净空比隧道建筑限界要大，这是因为净空除必须满足建筑限界的要求外，还应考虑列车运行的摆动和衬砌结构受力合理等因素。对于新建和改建的蒸汽及内燃牵引的单线和双线铁路隧道的建筑限界形状和尺寸，采用“隧限-1A”和“隧限-1B”,如图7-11（a）所示。对于新建和改建电力牵引的单线和双线隧道的建筑限界形状和尺寸，采用“隧限-2A”和“隧限-2B”,如图7-11（b）所示。 （a）蒸汽及内燃机牵引 （b）电力牵引图7-11 铁路隧道建筑限界（单位：mm）对于曲线隧道，为保证列车在曲线隧道内运行安全，净空必须进行适当的加大。对于高速铁路隧道

30、，由于行车速度高引起的空气动力学效应对乘车的舒适度和周围环境有较大的影响。一方面，隧道建筑物按满足100年正常使用的永久结构物设计；另一方面，客运专线上通行的列车全部为客车，列车一旦在隧道内发生事故、失去动力或无法及时将列车拉出洞外时，车上人员的紧急疏散、逃生和救援将成为非常关键和重要的问题。所以，高速铁路隧道净空断面设计时需要预留各种空间，如安全空间、救援通道及技术作业空间等。（7）隧道内附属建筑物为使铁路隧道能正常使用，确保列车运营的安全，在隧道内还需要修建一些附属建筑物来配合主体建筑物，如安全避让设备（避车洞）、排水设施、通信与信号设备、供电与通风设备等。7.1.3 水底隧道水底隧道与桥

31、梁工程相比，具有隐蔽性好、可保证平时与战时的畅通、抗自然灾害能力强、对水面航行无任何妨碍的优点，但其造价较高。水底隧道可以作为铁路、公路、地下铁道、航运、行人隧道，也可作为管道输送给排水隧道。从17世纪起，欧洲修建了许多运河隧道，其中法国魁达克运河隧道长157 km。1927年美国纽约在哈德逊河底建成霍兰（Holland）隧道，次年又建成世界上第一条沉管法水底隧道 博赛（Bosey）隧道。目前世界上最长的铁路隧道是在海底穿越津轻海峡的日本青函隧道，全长53.85 km，采用矿山法施工技术。软土中水底隧道则多用沉管法和盾构法施工。通常认为沉管法造价低、工期短、施工条件好，因此更为经济合理。我国自

32、20世纪60年代开始研究用盾构法修建黄浦江水底隧道。上海第一条越江隧道打浦路隧道于1965年开始施工，并于1981年建成通车。第一条沉管隧道也于20世纪70年代初期在上海建成。1982年台湾高雄建成一条沉管水底公路隧道。20世纪80年代后期，我国城市水底隧道的修建已进入发展时期。1.水底隧道的埋置深度水底隧道的埋置深度是指隧道在河床下岩土的覆盖厚度。埋深的大小，关系到隧道长短、工程造价和工期的确定。尤其重要的是覆盖层厚度关系到水下施工的安全问题。设计水底隧道的埋置深度需考虑以下几个主要因素：（1）地质及水文地质条件。隧道穿越河床的地质特征、河床的冲刷和疏浚状况。（2）施工方法要求。不同的隧道施

33、工方法，对其顶部的覆盖厚度有不同的要求，如沉管法施工，只要满足船舶抛锚要求即可。（3）抗浮稳定的需要。埋在流砂、淤泥中的隧道，受到地下水的浮力作用。此浮力应由隧道自重和隧道上部覆盖土体的重力加以平衡。为保险起见，该平衡力应是浮力的1.101.15倍。检验抗浮稳定时，为偏于安全不计摩擦力的作用。（4）防护要求。水底隧道应具备一定的抵御常规武器和核武器的破坏能力。根据在常规武器攻击中非直接命中、减少损失和早期核辐射的防护要求，覆盖层应有适当的厚度。2.水底隧道的断面形式（1）圆形断面。国内外水底隧道，特别是河底段，多采用沉管法和盾构法施工，其断面多为圆形，如图7.12所示。（a）盾构法施工圆形断面

34、 （b）隧道纵断面图7-12 上海延安东路越江隧道（2）拱形断面。采用矿山法施工时，一般有拱形断面。采用该断面形式，受力与断面利用率均好。（3）矩形断面。圣彼得堡卡诺尼尔水下隧道（见图7-13）为双车道公路隧道，矩形断面，具有旁侧的人行道和通风道，用沉管法施工。加拿大蒙特利尔市劳伦河下的拉封基隧道也为矩形断面（见图7-14），也采用沉管法施工。图7-13 圣彼得堡卡诺尼尔水下隧道（单位：mm）1人行道；2通风道（a）隧道纵断面（单位：mm）（b）总剖面图（单位：m）图7-14 蒙特利尔拉封基隧道3.隧道防水水底隧道的主要部分处于河、海床下的岩土层中。常年在地下水位以下，承受着自水面开始至隧道埋

35、深的全水头压力。因此水底隧道从施工到运营均有一个防水问题。防水的主要措施有：采用防水混凝土、壁后回填、围岩注浆和双层衬砌等。壁后回填是对隧道围岩之间的空隙进行充填灌浆，以使衬砌与围岩紧密结合，减少围岩变形，使衬砌均匀受压，提高衬砌的防水能力。围岩注浆是使水底隧道围岩提高承载力、减少透水性，在围岩中进行预注浆的一种方法。通过注浆可以固结隧道周边的块状岩石，以形成一定厚度的止水带，并且填塞块状岩石的裂缝和裂隙，进而消除和减少水压力对衬砌的作用。水下隧道采用双层衬砌可以达到两个目的。其一是防护上的需要，在爆炸荷载作用下围岩可能开裂破坏，只要衬砌防水层完好，隧道内就不会大量涌水而影响交通。其二是防止高

36、水压力。有时虽采用了防水混凝土回填注浆，在高水压下仍难免发生衬砌渗水。在此情况下，双层衬砌可作为水底隧道过河段的防水措施。4.海底隧道全世界已建成、在建中的跨海隧道有20多条，主要分布在欧洲、日本、香港。2010年建成通车的厦门翔安隧道是中国内地第一条海底隧道，全长8.695公里，从厦门岛到达对岸的大陆端，比原来整整节省了82分钟，双向六车道的厦门翔安海底隧道通道是厦门岛第五条出入岛通道，兼具公路和城市道路双重功能，它的建成通车使厦门出入岛形成了从海上到海底的全天候立体交通格局。如图7.15所示。从结构上看，翔安隧道和香港海底隧道最大的区别在于前者有服务隧道而后者没有，其主要考虑的是市政管线的

37、需要，隧道分上下部分，上部费检修车通道、逃生通道；下部为市政管廊，用于布排供水管、高压电缆、通信电缆等。服务通道与两个行车主动之间有12个人行横向通道，5个车行横向通道，在抢险救援时，发挥着重要作用。从施工方法看，香港隧道采用的是沉管法，翔安隧道考虑对水域环境的保护，采用的是钻爆法暗挖施工，其是目前世界上最大断面的钻爆法海底隧道，开挖宽度13.5m、高5m，最大断面积达170.7平方米。如图7-16所示。图7-15 厦门翔安海底隧道平面位置图图7-16 厦门翔安海底隧道断面7.2 地下工程7.2.1 地下工程概述1.地下工程的定义地下工程是一个较为广阔的范畴，它泛指修建在地面以下岩层或土层中的

38、各种工程空间与设施，是地层中所建工程的总称，通常包括矿山井巷工程、城市地铁隧道工程、水工隧洞工程、交通隧道工程、水电地下硐室工程、地下空间工程、军事国防工程、建筑基坑工程。2.地下工程的特性地下工程的特性包含构造特性、物理特性、化学特性三种特性，分别包括如下的特性：构造特性：空间性、密闭性、隔离性、耐压性、耐寒性、抗震性；物理特性：隔热性、恒温性、恒湿性、遮光性、难透性、隔声性；化学特性：反应性。地下工程的这些特性对于不同的使用目的，有的是有利的，而有的却是不利的。因此，在规划和利用地下空间时，应结合地下空间的特点，充分理解这些特性而加以针对性的利用，扬长避短。地下工程根据其通向地面开口部的形

39、式可分为四类：密闭型、天窗型、侧面开口型及半地下型（见图7-17）。在实际工程中，开挖空间一般都是密闭型的；天窗型具有自然采光的开放感；侧面开口型能从一个侧面向室外眺望；半地下型可以从室内全方位地眺望。侧面开口型适合于倾斜地层，其他形式则适合平坦地层。（a）密室 （b）开天窗（c）一侧开口 （d）半地下图7-17 开口部与地表的关系3.地下工程的优缺点（1）地下工程的优点限定视觉。对于许多场合，诸如动物园建筑、需要保护历史遗迹的地区，部分或全部在地下的建筑物，与通常的建筑物相比，外观较为隐蔽，限定视觉，不受外界影响，这是一个很明显的优点。土地的高效利用。在地下修建空间，是地面空间得到开放，作为

40、其他用途，进行高密度的开发。对于希望尽可能多地保留开放空间的城市商业区和大学内非常密集的场所，在地下工程的地面上修筑广场或公园，保留一些开放空间是一种有效途径。另外，隐形的地下工程还起到了保护自然资源、协调环境的作用。地下流通和输送。为了对高密度地区进行有效流通和输送服务，地下空间工程起到了极大的作用，其能够在地下形成大量有效的流通和输送系统，将地表面的障碍减小到最小。节约能源、控制气候。地下结构具有潜在的节约能源的效益。一般来讲，与大地接触的地表面的面积比例越大，兴建的结构越深，能源保护的效益越大。其效益主要表现在冬季热损失少，夏季冷却能减少，气温的日变动量少等几个方面。具有防御灾害的功能。

41、用土覆盖或围筑的结构，与通常的结构相比，更能够防护各种灾害的影响。在强风或龙卷风地区，覆土结构在防御功能上得到了极高的评价；设计合理的地下结构比地面结构的抗震能力强得多；地下空间与地表面隔离，实质上是一个防火结构；地下结构物本身具有保护人们免受自然灾害侵害的特性，人类更期待地下人防工程能够抵御破坏、攻击、核战争等威胁。另外，地下空间还具有相对稳定的温湿度、噪声和震动的隔离及维修管理量少等优点。（2）地下工程的缺点获得眺望和自然采光的机会有限。由于建筑物全部或部分设在地下，几乎所有外壁表面都被土覆盖，供给的自然光和向屋外的眺望受到了限制。地下建筑物的这种限制，可以利用中庭和天窗等接近地表的开口部

42、，得到一定的解决。但对开挖空间，这个问题更为严重。利用自然光和眺望，具有心理学和心理社会学的效益。但采光和眺望并不是所有的活动都要求的：对于不具有方向性活动的大空间，如人们滞留时间很短的商店和图书馆等，一般不必要设置窗户；剧场以及仓库等完全可以不设置窗户。进入和往来不便。人和车进入和往来地下空间，不如在地表面上多方向任意的进行，是受到一定限制的，只能根据地下空间的形态和方式进入和往来。环境能源利用上的限制。地下结构物在环境能源利用上能追求效益是很难定量的，是有限制的。如通风对热、冷效益的影响，开口位置和大小对环境能源利用上的影响等。一般来说，地下空间通风条件差，会出现潮湿、结露等现象。4.地下

43、工程的利用形态城市现代化建设的要求，使得地下工程的利用形态多样化，归纳起来大致有以下几种：（1）伴随着城市现代化交通系统的发展而对地下空间的利用，如城市地铁等。（2）伴随城市的现代化发展和科学技术的发展而对地下空间的利用，如地下办公楼、地下街、地下停车场、能源供给设施、通信设施、上下水道、地下水力发电站、地下能源发电站以及地下工厂等。（3）防御和减少灾害而利用的地下工程，如人防工程，各种储备设施，防御洪水灾害的地下河、地下坝等。下面对常见的地下工程进行介绍。7.2.2 地下储藏设施地下储藏设施的修建是地下空间利用的一个重要方面，主要包括能源储藏、粮食储藏、用水储藏及放射性废弃物处理等方面。下面

44、进行简单介绍。1.能源储藏利用地下空间进行储藏的能源有石油、液化天然气、压缩空气、超导能等。作为其储藏设施主要有：埋入地下的金属贮槽、利用废弃坑道、天然的地下空洞、用开挖方法修建地下空洞等。而目前多采用开挖修建地下空洞形成储藏空间，并经过防渗处理，例如竖型地下贮槽、水封式贮槽等。（1）竖型地下贮槽竖型地下贮槽，一般是以圆筒形混凝土壁和底板作为贮槽壁，内部设有保证液密性的钢板，储藏对象为常温下的石油类和低湿下（-16040 C）的液化石油及液化天然气。贮藏基地各种设施的布置必须遵守消防等法规，并依安全、操作、经济等观点决定。这些设施包括：贮藏设施、服务设施、出入荷载设施、排水处理设施、军务管理设

45、施等。和地面贮槽相比，在同样大的用地范围内，可以多储藏23倍的容量，其安全性、环境保护性等都较优越，因而发展迅速。例如内径83 m、液深48 m的日本水岛的石油贮槽及内径90 m、液深48 m的秋田储藏基地等均属该形式（见图7-18）。图7-18 地下式贮槽构造图（2）水封式贮槽瑞典在第二次世界大战中首先开始修建横行地下贮槽，用以贮藏石油等。开始时在空洞内放入钢罐，这种方式不仅成本高，而且钢板易腐蚀，有时造成不能继续使用的状态。之后，改为张挂钢板并在钢板和岩壁之间充填混凝土，并进一步开发了无衬砌的岩洞贮藏方式，即水封式岩洞贮藏方式。在北欧这种贮藏方式非常盛行，尤其是瑞典，储藏设施的80% 都是

46、采用这种方式。有用钢、混凝土、合成树脂做衬砌的，也有不做衬砌而利用地下水防止储藏物泄漏的水封油库。图7-19为水封式贮槽系统示意，地面的雨水渗透到土中，成为层间地下水。层间地下水的一部分，通过节理渗入岩体深处，充满岩体内的空隙。这种含在岩体内的水称为岩体内地下水。在这种岩体内开挖空洞，空洞中充满地下水。而在这样的空洞中储藏石油类的物质，由于地下水的压力比石油压力大，可防止石油的泄漏。这就是水封的优点。 图7-19 水封式贮槽系统示意图（3）其他能源储藏图7-20 压缩能源储藏系统压缩能源储藏。这里指把原子能发电站等多余的夜间电力以压缩空气形态加以储藏的方式。储藏压缩空气的容器可以是岩盐空洞、岩

47、体空洞等。目前，世界上只有极少数的压缩空气储藏系统（见图7-20）。如：德国建造在岩盐层中的29万kW系统，空洞量约30万m3；美国修建在岩洞中的22万kW的储藏系统。热水储藏。热水储藏是把发电站的剩余电力、太阳能以及其他排热等以热水形态加以储藏的系统。在北欧等国多用于地区暖房等供热。热水储藏有地上型和地下型之分，但地下型对环境影响小，而且造价低，故多被采用。图7-21为利用含水层进行热能贮藏的设计概念。图7-21 热能贮藏的设计概念图2.用水储藏设施 由于生产和生活的需要，用水量逐年增加，除对河川进行开发利用之外，用水贮藏成为一个重要的研究课题。主要包括贮藏农业用水的地下储水坝、贮藏饮用水的地下贮槽等。在一些透水性岩石的下盘有不透水性基岩时，可做一屏障形成地下坝蓄水，如日本在西南诸岛曾提出摄像，西南诸岛的降雨量超过2000mm，透水系数约在10%，多数由厚约