1、第8章 隧道与地下工程8.1 隧道与地下工程的特点从人类的出现到公元前3000年新石器时代的漫长历史进程中，人类利用隧道来防御自然威胁，故历史学家称这一时期为人类的穴居时代。人们利从利用天然洞穴作栖身之所，逐步学会自己挖掘类似天然洞穴的窑洞来居住，这大概可以看作是隧道与地下工程的原始雏形。当然，那时的隧道与地下工程是用兽骨、石器等工具开挖的，并且是修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中的。从公元前3000年到公元5世纪，世界各国为生活和军事目的修筑了许多地下洞穴，为隧道与地下工程科学的发展作了奠基。公元5世纪到公元14世纪的，各国为了各种各样的需求，开展了大量的地下采矿活动，逐步积累与丰富了隧道
2、与地下工程科学的经验。公元16世纪产业革命以后，炸药的发明和应用加速了隧道与地下工程技术的发展，物理学（主要是力学）、岩土工程科学的发展奠定了隧道与地下工程科学的理论基础，隧道与地下工程技术出现了长足的进步并越来越枝繁叶茂，地下采矿越来越深、各种隧道争奇斗艳，隧道与地下工程也就成为了工程科学百花园中的一员，不断为人类的福祉作出贡献。,据资料记载，世界最早的隧道是公元前2200年，巴比伦国王为连结宫殿和神殿而修建的隧道。我国最早的交通隧道是位于陕西汉中的、供马车和行人通行的“石门”隧道（建于公元66年）。我国第一座铁路隧道修建在台湾（基隆到台南铁路线上一座长仅261m的窄轨净空隧道）。1907年
3、我国著名的铁路专家詹天佑在京包线上主持修建了八达岭隧道。目前，世界各国建成了许多深埋长大地下工程，典型的有2010年10月15日14点17分55秒贯通的目前世界最长的铁路隧道-长57km的瑞士圣哥达基础隧道、长53.85km的日本青函海底隧道（Sei-kan隧道）、长50.5km的英法海底隧道、我国铁路系统的衡广复线大瑶山特长隧道（14.3km）和西康线秦岭特长隧道（18.4km）、我国公路系统的西安安康高速公路秦岭终南山公路特长隧道（18.0km）、我国水利系统的山西万家寨引黄工程南干线7#隧洞（道）（42.926km、直径4.2m）、我国城市交通系统的上海长江隧道（即崇明岛隧道工程，隧道工
4、程全长8955m、是目前世界上最大直径的长距离盾构法隧道，盾构法外径15.0m）、我国的溪洛渡电站枢纽（地下主厂房为2个尺寸为384m28.4m77.1m的地下空间，左右岸相同，是世界最大的地下引水发电厂房）。随着隧道与地下工程的发展，各种先进的隧道理论也像雨后春笋般地发展起来，新奥法、盾构法、钻爆法、有限元、都在为隧道与地下工程建设提供着有力的技术与理论支撑，隧道与地下工程已成为人们司空见惯的工程建设工作，城市地铁、铁路隧道、公路隧道、不断以自己婀娜的身姿向人们展示着自己的魅力。,8.1.1 隧道与地下工程的基本术语地下工程是指在山体内或地面下修建的建、构筑物，包括地下人防工程、地下商店、地
5、下飞机库、地下舰艇库、地下仓库、地下核电站、地下水电站、地下藏兵洞、地下实验室（比如欧洲核子中心）、各种隧道、等。隧道则是以保持地下空间作为运输孔道的地下工程。由于隧道与其他地下工程在设计、计算方法、施工方法上大同小异，因此，本书只介绍隧道工程。 隧道与地下工程中的导坑是指在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道，衬砌则是指在坑道的周围修建的支护结构。衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求、同时也无需无谓的放大，衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，满足既不浪费又能稳固的要求。衬砌通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。衬砌的用料应适合施工和养护的要求，通常采用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、
6、防火、价廉、便于就地取材的材料。洞门是指在隧道与地下工程端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。明洞是指在洞门与洞身间用明挖法修筑的隧道。 洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构，作用是保持岩体的稳定和行车安全。另外，为保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物。,隧道的附属建筑物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的建筑物，包括为工作人员在隧道进行维修或检查时能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞、为保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡、为引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟、为排除隧道内渗入的地下水并保证列车正常运行
7、而设置的防水设备及排水设备、为净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统、电力及通讯设施、消防设施、等。 隧道的主体支护结构和隧道的附属建筑物组成了隧道建筑物。 隧道工程的修建过程是首先把施工地区的地质和水文情况勘察清楚。将勘察得到的资料结合工程使用要求，进行结构设计和施工方法的决择。通过施工组织设计的指导，有步骤地进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种量测，不断地、有针对性地修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。最终建成隧道、实现预想的目标。隧道建成交付使用后，还要定期检查，并按检查出的问题或病害，作出养护计划，分轻重缓急予以维修或大修，确保工程建筑物时刻处于良好状态、正常
8、发挥他们的工作效能。,8.1.2 隧道的种类按隧道所处的地质条件可将隧道分为土质隧道和石质隧道。按隧道所在的位置可将隧道分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。按隧道埋藏的深度可将隧道分为浅埋隧道和深埋隧道。按隧道的用途可将隧道分为交通隧道、水工隧道、市政隧道和矿山隧道。按隧道的长度可将隧道分为短隧道（铁路、公路领域均指长度L不超过500m的隧道）、中长隧道（铁路规定为500mL3000m，公路规定为500mL1000m）、长隧道（铁路规定为3000mL10000m，公路规定为1000mL3000m）、和特长隧道（铁路规定为L10000m，公路规定为L3000m）。国际隧道协会（ITA）则以隧道横断
9、面积的大小作为划分标准将隧道分为极小断面隧道（23m2）、小断面隧道（310 m2）、中等断面隧道（1050 m2）、大断面隧道（50100 m2）和特大断面隧道（大于100 m2）。 8.1.2.1 交通隧道 交通隧道作用是为满足交通线路畅通要求，提供交通运输和人行的地下通道，一般包括铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行地道、等。 8.1.2.2 水工隧道（水工隧洞） 水工隧道（也称隧洞）是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧洞分引水隧洞、排水隧洞、导流隧洞或泄洪隧洞、排沙隧洞、等。,8.1.2.3 市政隧道市政隧道是城市中安置市政设施的地下孔道，市政隧道中布置
10、有给水管道、排水管道（或渠道）、各种管线（煤气、暖气、热水、电力电缆、通讯电缆、等）、人行廊道、等。 8.1.2.4 人防隧道人防隧道是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排水、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，以阻止冲击波的侵入。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。8.1.2.5 矿山隧道矿山开采中，常设一些为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。包括运输巷道、通风隧道、等。,8.2 隧道勘测与方案设计8.2.1 隧道勘测 隧道勘测的基本要求是勘测计划周详、
11、勘测资料完备、勘测阶段划分合理（一般采用两阶段划分），通过勘测评估隧道工程对环境可能造成的影响。 隧道工程调查的内容包括自然概况、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。通过调查取得的资料，能准确判明隧道通过地段的地形、地质条件、自然条件和施工条件等。隧道工程调查资料是隧道设计和施工必备的基础资料，其内容及其深细度可根据各阶段的勘测设计要求和隧道规模确定，使其能满足各阶段的设计和施工需要，最后应形成系统完整的资料。 隧道工程测绘的内容包括按设计阶段要求搜集或测绘的地形图、纵断面图、横断面图；在隧道洞口和辅助坑道口的附近按规定设置的必要的平面控制点和水
12、准点。测绘资料的图纸和内容需反映隧道所在地的工程地质及水文地质情况并应满足规定的精度要求。 地质调查包括长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道的调查、设计阶段的地质调查、施工阶段的地质调查、等。,8.2.2 隧道位置的选择方法隧道的位置选择方法有很多种，主要有按地质条件选择和按地形条件选择2大类。 8.2.2.1 线路绕避障碍的方法 当线路前进方向遇到地形障碍时，采用隧道来克服地形障碍是一种有利的手段。地形障碍有高程障碍和平面障碍两方面。 8.2.2.2 按地质条件选择隧道位置 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，或是如何拟定克服不良地质的措施，是选择隧道位置时必
13、须审慎考虑的问题。8.2.3 隧道方案与其它方案的比较8.2.3.1 隧道方案与明堑的比较 （1）、经济和技术上的比较 一般说来，隧道造价比明堑要贵一些，施工技术也复杂一些，因此，除展线和抬坡以外，单纯从经济和技术上比较，明堑方案常常是比较省钱、省事、又快速的。 （2）、安全条件比较 经验表明“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。也就是说，山体本来是处于暂时平衡状态的，一旦开挖出暴露面，使平衡受到破坏，就要自行内力调整，产生位移，于是出现了坍方。开挖得越深，扰动越大，引起塌方的可能性也就越高。特别是沿河路线，地质条件复杂，开挖暴露面大了，这种情况就更为严重。因此，凡是大挖的地方，往往最容易发生坍方
14、，造成各种后患，遗害无穷。,8.2.3.2 隧道方案与跨河建桥方案的比较跨河建桥方案的特点可概括为以下6个方面： （1）、一般情况是桥梁长度短而每延米的造价高； （2）、一般跨过河谷的桥梁，河心不宜设墩，所以中孔跨度较大，两端基础必须十分坚实； （3）、在洪水或严寒时期，施工就比较困难，因而施工有季节性； （4）、跨河桥的最大缺点是桥头两端必然是曲线，甚至曲线半径很小。这就使得线路的行车条件变坏； （5）、如果线路原本要抬坡争取高程的，转为桥梁后，桥身及两端引线都要放在平坡上，于是就达不到争取高程的目的； （6）、从国防意义上讲，跨河建桥往往是空袭的明显目标，一旦受到破坏，全线就要中断，而且不
15、能做临时便线。 隧道方案的特点可概括为以下7个方面： （1）、隧道相对较长而每延米的造价要低一些； （2）、隧道穿山而过，线路直、短、平； （3）、施工不受季节影响； （4）、隧道建成后维修养护的工作量较小； （5）、战时可作列车掩蔽所； （6）、线路前方遇到不良地质地段，修建隧道将增加困难； （7）、隧道太长，工程太大，出碴太多，将会堵塞河道，施工场地不如桥梁开阔，不能容纳更多的人同时施工，那就不如建桥了。,8.2.3.3 双线单隧道和单线两隧道的比较双线隧道的特点可概括为以下8个方面，即：1）一座双线隧道所需的地位宽度比两座单线隧道的地位宽度要小，选线时易于安排布置；2）一座双线隧道的开挖
16、面面积比两座单线隧道的开挖总面积为小。也就是工程量要小，而施工的相互干扰也少些；3）双线隧道的净空较大，坑道宽敞，有条件使用大型机械施工；4）双线隧道的通风条件好，维修养护都较方便；5）双线隧道断面跨度大，所受围岩压力也就大。因此需要更为有力的支护结构；6）隧道施工时，因为压力大，临时支护困难，发生坍方事故的威胁较大；7）双线隧道的一次工程投资比两座单线隧道先后修建的初期投资大；8）双线隧道断面积大，不能充分利用列车活塞风。 单线隧道的特点可概括为以下5个方面，即：1）断面小，压力小，坑道的稳定性好，施工容易，支护简单而且安全；2）对于近期尚不准备修第二线的新建隧道来说，可以先修第一线的单线隧
17、道，预留第二线，待需要时才修。如此则初期一次投资较少；3）若第一线隧道施工时采用了平行导坑，则平导即可作为第二线隧道的前进导坑；4）两座单线隧道必须横向相隔一定的安全距离，才能保证两隧道间的围岩土柱有足够的支承能力，以避免在修筑第二线隧道的施工中，对第一线隧道有影响；5）两座单线隧道无论是同时施工还是先后施工，施工时总会有些相互干扰。尤其是在修第二线隧道时，多半是在已成第一线不间断行车的条件下进行的，这就增加了施工的困难。 根据实践经验，在松软地层、不良地质或黄土地区修建隧道时，跨度大小对隧道工程的影响较其它地区更为显著，往往修建两座单线隧道较修建一座双线隧道较易于保证施工质量和施工安全，且工
18、程费用所增亦不多。总的说来，两种方案各有优缺点。比较时，要从运量的要求，结合地形、地质以及施工条件、工期要求、资金运用等因素，综合比较，择优选定。,8.2.3.4 长隧道与短隧道群方案的比较短隧道群方案的特点可概括为以下8个方面，即：1）一般说来，短隧道比较容易施工。有时可以只用简单的设备就可以进行施工，技术上困难也不多；2）一群短隧道并不相连，这一座与那一座之间留有长短不等的明线部分。这样，它们各自有自己的出口和入口，可以开辟较多的工作面，容纳较多的人同时工作，施工进度较快；3）建成后，由于隧道短，多半可以只靠自然通风，不必另配机械通风系统；4）运营成本低，车上旅客长时间处于地下的不舒服感觉
19、可以减轻；5）河谷边坡的地质多是比较复杂的，尤其是地表覆盖层更是风化地带，岩体松散破碎，节理切割严重。短隧道在此通过，坑道多不稳定，围岩压力很大，开挖时易致坍方；6）隧道外侧覆土太薄，形成偏侧压力，使隧道的支护结构处于不利的受力状态中。若是岩体的，层理是向外下倾的，更易发生剪切破坏，对隧道的稳定形成威胁；7）多个隧道相距不远，有时前一座隧道的出口，隔不了多远就是另一座隧道的进口，施工时互相干扰，洞口场地也不好布置；8）多条隧道要多建许多洞门建筑物，在工程造价上不经济。线路稍稍内移，则将引出一座较长的隧道代替一群短的隧道。 长隧道方案的特点可概括为以下5个方面，即：1）它将位于岩体深处坚固稳定的
20、地层中，围岩压力小，坑道稳定，无偏压受力的情况；2）支护可以简单，施工比较安全；3）工程单一，施工不受干扰；4）洞门建筑物只有两个，比多座短隧道为少；5）隧道长，技术上要复杂一些，工程造价可能要贵一些。 实践证明，线路还是倾向于向里靠一些，宁愿隧道长一些，但只是一座为好。虽然各个隧道的条件不同，不能把它绝对化，但是这一倾向是经过许多教训得出的。 当然，隧道建设过程中应对相关工程通盘考虑，比如桥隧工程毗邻的统一安排问题、隧道位置与前后线路防护措施的关系问题、等等。,8.2.4 隧道洞口位置选定常年的实践，铁路、公路部门总结出一个选择洞口位置的指导思想，叫做“早进晚出”。意思是在决定隧道洞口位置时
21、，为了施工及运营的安全，宁可早一点进洞、晚一点出洞。这样做，虽然隧道稍稍长了一些，但却安全可靠得多。从全面观点出发，这样做是值得的、合理的。当然，所谓早和晚都是相对的，并不意味着进洞越早越好，出洞越晚越好。不应当盲目地把隧道定得很长很长，而是应当更着重地从安全方面来考虑问题。在一般情况下，这一指导思想是符合实际的。,8.3 隧道平纵断面设计隧道内的线路是整条线路中的一个区段。隧道设计时，首先要满足线路明线所规定的各种技术指标。由于隧道的施工、运营养护及改建等工作条件均比明线差，所以，在设计隧道内的线路时，除了遵照线路明线所规定的技术指标以外，还要附加上为适应隧道内工作条件的一些技术要求。附加的
22、技术要求可以从平面设计和纵断面设计两个方面进行阐述。8.3.1 隧道平面设计 就铁路线路而言是越直越好，线路顺直，列车可以快速通过，走行的距离也较短，有利于列车多拉快跑，提高线路的运营效率。在隧道内，线路就更应设计成直线。 8.3.2 隧道纵断面设计 为保证隧道内列车能安全平顺行驶、机车能牵引足够的列车重量，同时考虑将隧道内的水顺利排出洞外以及通风要求等因素，必须对隧道内线路的纵断面进行合理设计。隧道纵断面设计的主要内容包括选定隧道内线路的坡道型式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。,8.4 隧道构造设计8.4.1 隧道衬砌的型式与适用条件 隧道开挖后，为保持坑道稳定，一般都需在坑道周围修建
23、支护结构，即衬砌。 支护的方式通常有外部支护、内部支护、混合支护、等3种。外部支护是从外部支撑着坑道的围岩（如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护、等）。内部支护是对围岩进行加固以提高其稳定性（如锚杆支护、压入浆液、等）。混合支护即内部与外部支护混合在一起的衬砌（如喷锚支护，见图8-4-1）。从衬砌施工工艺方面可将隧道衬砌的型式分为整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护、复合式衬砌、等4种类型。,图8-4-1 喷锚支护,8.4.1.1整体式模筑混凝土衬砌 整体式模筑混凝土衬砌是指就地灌筑混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为：立模-灌筑-养生-拆模。模筑衬砌的特
24、点是对地质条件的适用性较强、易于按需要成型、整体性好、抗渗性强、并适用于多种施工条件（如可用木、钢模板或衬砌模板台车等）。 8.4.1.2 装配式衬砌 装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌的特点是拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。 8.4.1.3 喷锚支护 喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，这样构成的一种支护形式，简称“锚喷支护”
25、 。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的支护方法。 8.4.1.4 复合式衬砌 复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种型式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。目前，工程中采用的都是外衬和内衬两层，所以也有人叫它为“双层衬砌”。按内、外衬的组合情况可分为喷锚支护与混凝土衬砌、喷锚支护与喷射混凝土衬砌、可缩性钢拱架（或格栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌、装配式衬砌与混凝土衬砌。目前最通用的是外衬喷锚支护，内衬为整体式混凝土衬砌。复合式衬砌是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有着广阔的发展前途。,8.4.2 隧道衬砌的
26、一般构造要求8.4.2.1 隧道衬砌的建筑材料及要求 修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵蚀性。此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。常用的隧道衬砌材料有混凝土与钢筋混凝土、片石混凝土、石料和混凝土预制块、喷射混凝土、锚杆和钢架、装配式材料、等。 8.4.2.1.1 混凝土与钢筋混凝土 混凝土的优点是整体性和抗渗性较好，既能在现场浇筑，也可以在加工场预制，而且能采用机械化施工。可以在水泥中掺入外加剂，以提高混凝土的性能。钢筋混凝土材料主要用在洞门、明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道
27、衬砌中。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。 8.4.2.1.2 片石混凝土 为节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。,8.4.2.1.3 石料和混凝土预制块 石料衬砌的优点是可就地取材、降低造价、可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载，可以节省水泥和模板，耐久性和耐侵蚀性能较好。其缺点是：整体性差，砌缝多容易漏水，防水性能较差，施工主要靠手工操作，难于机械化施工，费工、费时，施工进度较
28、慢，而且需要大量熟练工人。 8.4.2.1.4 喷射混凝土 喷射混凝土是采用混凝土喷射机，将掺有速凝剂的混凝土干拌混合料和水高速喷射到洗干净的岩石表面上经凝结而成。其早期强度和密实性均较普通混凝土高，能封闭围岩的裂隙，能很快起到支护围岩的作用。另外在喷射混凝土中可加入纤维类材料提高其性能。 8.4.2.1.5 锚杆和钢架 锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件。锚杆可以是钢材，也可以是其它抗拉性能较好的材料。钢架是为了加强支护刚度而在初期支护或二次衬砌中放置的型钢支撑或格栅钢支撑。 8.4.2.1.6 装配式材料 对衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加筋肋铸铁预制块等。另外
29、，为提高洞内照明、防水、通风、美观、视线诱导或减少噪音等原因，可在衬砌内表面粘贴各种各样的装修材料。,8.4.2.2 铁路隧道净空及要求8.4.2.2.1 直线隧道净空 隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑限界”是建筑物不得侵入的一种限界。具体见图8-4-2。 机车车辆限界是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求所有在线路上行驶的机车车辆停在平坡直线上时，沿着车体所有部分都必须
30、容纳在此限界范围内而不得超越。 基本建筑限界是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线，它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。 隧道建筑限界是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。即要比“基本建筑限界”大一些，留出少许空间，用于安装通讯信号、照明、通风、电力等设备。“隧道建筑限界”是设计隧道支护结构的依据。目前，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采用“隧限-1A”和“隧限-1B” 标准，对于新建和改建的电力牵引的单线和双线铁路隧道采用“隧限-2A”和“隧限-2B” 标准 直线隧道净空要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足限界要求外，还考虑了在不同的围岩压力作用
31、下，衬砌结构的合理受力形状以及施工方便等因素。,图8-4-2 隧道净空及各种限界,8.4.2.2 隧道衬砌的其它构造要求 隧道衬砌的其它构造要求主要有以下7个方面，即：1）隧道洞口段，比隧道中段受力复杂，除了受有横向的竖直与水平荷载以外，还受有纵向的推力荷载。所以，规范规定隧道洞口段应设置加强衬砌，并宜与洞身整体砌筑。其长度应根据地质、地形等条件确定，一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线隧道应适当加长。2）围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸510m。3）偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上。4）不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20cm，双线隧道其厚度
32、不得小于25cm。5）对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝。6）电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。7）运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。 8.4.2.3 隧道衬砌断面的初步拟定 隧道衬砌是超静定结构，其断面设计步骤为：初步拟定尺寸计算内力检算强度（安全量）调整尺寸重复上述计算，直到合适为止。初步拟定结构形状和尺寸可采取经验类比的方法，考虑因素有以下3个，即：1）内轮廓（选定净空形状），原则是紧贴限界、衬砌表面平顺圆滑。2）结构轴线（抽象出进行计算的几何形
33、状。隧道衬砌是一种受压结构，结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下的压力线。当衬砌承受径向分布的静水压力时，结构轴线以圆形最合适。当衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，结构轴线上部宜采用圆弧形或尖拱形，下部可以做成直线形（即直墙式）。当衬砌承受竖向荷载的同时，又承受较大的水平荷载时，衬砌结构的轴线上部宜采用圆弧形或平拱形，下部可采用凸向外方的圆弧形（即曲墙式）。如果还有底鼓压力，或衬砌有沉陷的可能，则结构底部还应有凸向下方的仰拱为宜）。3）截面厚度（验算强度。要求设计的截面厚度具有足够的强度。衬砌的最小厚度规定是满足施工要求）。,8.4.3 隧道洞身支护结构的构造8.4.3.1 整体式模筑混凝
34、土衬砌 整体式模筑混凝土衬砌，是在坑道内树立摸板、拱架，然后浇灌混凝土而成。它是作为一个支护结构，从外部支撑着坑道围岩的，是一种传统衬砌结构形式。依照不同的地质条件，或是按照不同的围岩级别，又有直墙式和曲墙式两种形式。 8.4.3.2 装配式衬砌 装配式的隧道衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件是在工厂或现场预先制备，然后运入坑道内，用机械将他们拼装成一环接着一环的衬砌。 8.4.3.3 锚喷支护 锚喷支护由喷射混凝土支护层和锚杆组成 。锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，用于主动加固围岩。只有受拉时才起作用。锚杆的锚固方式有2种，一是通过锚杆杆体或杆端锚头的膨胀将锚杆嵌固在围岩中（机械型的
35、），一是利用灌浆将锚杆杆体或杆端端部固定在岩体内（粘结型的）。锚杆的作用表现在3个方面，即形成组合梁（对层状岩体）、悬吊（对不稳定岩体）、挤压加固（系统锚杆，形成连续压缩带）。锚杆的类型按照作用原理可划分为以下4种： （1）、全长粘结型锚杆。价廉、施作简单，适用于围岩变形量不大的各类地下工程的永久系统支护。 （2）、端头锚固型锚杆。安装后能立即提供支护抗力，并能对围岩施加不大的预应力，适用于坚硬裂隙岩体中的局部支护和系统支护，当用作永久支护时，须采取灌浆或其它防腐措施。 （3）、摩擦型锚杆。安装后可立即提供抗力，其最大特点是能对围岩施加三向预应力，韧性好，适于软弱破碎、塑性流变围岩及经受爆破震
36、动的矿山巷道工程。 （4）、预应力型锚杆或锚索。可对围岩施加较大的预应力，适于大跨度高边墙隧道的系统支护及加固大的不稳定块体的局部支护。,8.4.3.4 复合式衬砌 复合式衬砌分不同层先后施做，一般为内衬和外衬。常用组合是锚喷支护模筑砼衬砌，同时可在外衬与内衬之间敷设一层防水层，以便达到防水的目的。8.4.4 明洞的构造 明洞是用明挖法修建山岭隧道部分。作用是在隧道洞口或线路上起防护作用。适合修建明洞的场合有以下4种情况，即：1）地质差且洞顶覆盖层较薄，用暗挖法难以进洞；2）洞口路堑边坡上受坍方、落石、泥石流等威胁而危及行车安全；3）铁路、公路、河渠必须在线路上方通过，且不宜做立交桥或暗洞；4
37、）为了减少隧道工程对环境的破坏影响，保护环境和景观，洞口段需延长者，均需要修建明洞。 明洞是在露天的路堑地面上，或是在敞口的基坑内，先修筑结构物，然后再回填覆盖土石形成的。明洞的型式包括拱式明洞和棚式明洞。 8.4.5 隧道洞门结构 洞门（隧道门的简称，通常也泛指隧道门及明洞门）是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志。洞门的作用有以下4个方面，即：1）减少洞口土石方开挖量，起到挡土墙的作用。2）稳定边仰坡，减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，从而使边仰坡得以稳定。3）引离地面流水，把
38、流水引入侧沟排走，保证了洞口的正常干燥状态。4）装饰洞口，修建洞门也可以算是一种装饰。特别是在城市附近、风景区及旅游区内的隧道，更应配合当地的环境，给予艺术处理进行美化。,8.4.6 隧道附属建筑物 为使隧道能够正常使用，保证车辆通过的安全，除了洞门、明洞和洞身衬砌等主体建筑物以外，还要设置一些附属建筑物来配合。其中包括：隧道通风建筑物、安全避让设备、防排水设备和电力及通讯信号的安放设备等。 8.4.7 隧道内部装饰 在公路隧道及城市中的地下铁道或其它地下洞室中，为增加美观、提高能见度、吸收噪声和改善了隧道内的环境，内部装饰有时是必不可少的。内部装饰的作用包括美化洞室，使衬砌漏水不露出墙面，防
39、尘蚀与烟蚀，隐藏各种管线，提高照明和通风效果，吸收噪音等。 内部装饰的材料应具有耐火性（在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等）、耐蚀性（长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀）、不怕水（大多数隧道都存在漏水问题，在水的侵泡下，在潮湿环境中不变质，不霉烂）、不易污染、易清洗、耐刷、便于更换或修复、表面应该光滑平整和明亮、材料来源要广泛、价格相对要便宜。隧道是大型构造物，内部装饰用材量很大，价格高昂的材料不适于作隧道内装。常见的隧道内部装饰类型有粉刷、涂料、塑料装饰或粘贴各种装饰材料、等。,8.4.8 洞内噪声的削减措施根据洞室的使用要求，当洞室内的噪声级
40、超过允许值时，就应采取适当的措施加以处理。防止噪声的措施主要应从降低声源噪声，隔绝噪声（即在传递途径上隔绝噪声传播），在接受者活动的洞室内采取改变洞室的剖面形状、大小以及采取一定的吸声处理等三方面入手。 （1）、降低声源噪声。降低声源的噪声是最有效的方法，主要措施包括选择低噪声设备、防范在通风管道中所产生的噪声。 （2）、隔声措施。噪声的隔绝措施主要应从防止空气传声与防止固体传声两方面着手。最简单的防止空气传声措施是将产生噪声的设备用罩子把它封闭起来。防止固体传声的隔声措施包括在设备基础的周围作必要的隔振措施，以防止噪声通过地基和地面向外传播（其方法是在设备基础的四周和底面与洞室的地面、地基分
41、离，中间填以弹性材料，如橡皮、软木、锯末、干砂、炉碴等，四周也可以用空气夹层隔振）。 （3）、洞室内部减噪措施。主要是在洞室表面采取一定的吸声处理措施。目前地下建筑中最常采用于墙、顶面上的吸声处理措施有两种，一种是在墙面铺贴或涂刷多孔吸声材料（如木丝板、沥青纤维板、蛭石灰浆面层以及粘贴聚苯乙烯等泡沫塑料板、采用加气混凝土、微孔吸声砖、喷涂膨胀珍珠岩、等），另外也可采用薄板共振吸声或穿孔板空腔吸声处理。,8.5 隧道施工与围岩特性隧道施工的特点是隐蔽性大、作业的循环性强、作业空间有限、作业的综合性强、施工动态化、作业环境恶劣、作业的风险性大、气候影响小。各种施工技术必须考虑这些特性才能够发挥其作
42、用。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类。 矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。 掘进机法包括隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简写为T.B.M.)法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。 沉管法、明挖法等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。 在隧道施工
43、中最重要的是选择合理的施工方法。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为施工条件、围岩条件、隧道断面积、埋深、工期、环境条件。从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建山岭隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。也就是说，施工方法有向全
44、地质型方法转变的趋势。因此，目前选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。,8.5.1 新奥法 1963年，由奥地利学者L腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法(New Austria Tunnelling Method)”，简称“新奥法(NATM)”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。 8.5.2 隧道工程地质环境 隧道和地面
45、结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，也是一种结构体系。但两者之间在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。正确地认识和掌握地质环境对隧道结构力学行为的作用和影响是合理地进行隧道结构体系设计、施工的前提和基础。地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，如人群、车载、水力、风力等等。而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同并相互作用的结构体系，即地下结构支护结构周边围岩；其中以地层为主，各种围岩都是具有一定程度的自支承能力的介质，也就是说，周边围岩在很大程度上是地下结构承载的主体，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的变形而破坏、坍塌。在
46、地层稳固的情况下，体系中甚至可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地层，故称为地层压力或围岩压力。所以说，在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。由此可见，在隧道工程这样的地下结构中，地层起主导作用。隧道工程的一切活动(包括：能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，以及工期长短，投资多少等等)无一不与隧道所在区域的地层条件，也就是它所赋存的地质环境息息相关。有些隧道在开挖期间产生大规模坍方，造成施工困难，甚至使工程报废。有些隧道在运营期间出现洞体开裂破坏，严重
47、影响行车安全，要求采取复杂的治理措施。产生这些问题往往都是由于地质环境因素所造成的，当然施工方法不当、工程措施不力也可能是一个重要原因。因此，了解和认识地质环境，研究它在工程建设活动中的变化，制定有力的工程措施，使这种变化不危及隧道的安全，乃是隧道工程勘测、设计和施工中的头等大事，应当受到充分重视。,8.5.3 围岩的工程性质隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质也有所变化。应该指出，这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制，它所包括的范围是相对的，视研究对象而定。从力学分析的角度来看，
48、围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为610倍的洞径。当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。 围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。,8.5.4 围岩的初始应力场地下工程的一个重要的力学特性就是：地下工程是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态，就不可能不极大地影响着在其中发生的一切力学现象，这一点与地面工程是极其
49、不同的。初始应力场(又称原始地应力场)，它在坑道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建地下工程就必须了解它的状态及其影响。通常所指的初应力场泛指由于岩体的自重和地质构造作用，在坑道开挖前岩体中就已经存在的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系，问题比较复杂。岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对坑道开挖后一系列力学过程和现象作出正确的评价。随着地应力量测工作的进展，对围岩中存在地应力这一确切事实，已经没有什么人怀疑了，现在的主要问题是要搞清楚它的分布
50、规律，以便最终能将它确定出来。但是，由于产生地应力的原因非常复杂，以致到目前为止，仍不能完全认识它的规律而给出明确的定量关系，还有待我们继续探索。,8.5.5 隧道围岩的分级 判断隧道围岩的稳定性，并针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施最佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。对此，工程界历来都并存着两种截然不同的方法可供采用：经验方法和理论方法。由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以，至今在隧道工程中经验方法仍然占有一定的地位。可以说，目前隧道工程的设计和施工在很大程度上还处在“经验设计”、“经验施工”的阶段。所谓经验方法就是根
51、据以往的工程经验对上述的两个问题作出决策，其依据就是隧道围岩稳定性分级。目前，作为隧道工程设计、施工基础条件的隧道围岩分级还处在“经验分级”的阶段上。人们对于坑道围岩的认识，还没有达到“自由”，还不能充分揭示出地质条件和地下工程之间本质的、内在的联系，因而也就不能客观地预估或判断坑道围岩的级别。隧道工程所赋存的地质环境千差万别，诸如地质构造、岩性、地下水等都是千差万别的。这给地下工程的设计、施工带来了很大的不可避免的“盲目性”。但也应指出：隧道工程的某一种类型的支护结构或某一种施工方法，在多数条件下，都有很大的地质适应性。例如台阶法可以适应大部分中等程度的地质条件；喷混凝土支护作为临时支护，在
52、采取一定措施的情况下，几乎可以适应绝大多数的地质条件。这就说明，针对不同的工程目的（爆破开挖、掘进机掘进、支护等），是可以把与之相应的地质条件进行一定的概括、归纳并加以分级的，从而，为隧道工程设计、施工提供一定的基础条件。隧道围岩分级的目的是：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；确定支护结构的类型和尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等。因此，国内外在最近几十年内，把地下坑道围岩分级作为地下工程技术基础研究的重要内容之一，也同时作为岩体力学的重要研究内容之一。从定性上、定量上进行了大量的探索和实践，获得了一定的成果。 隧道围岩分级是为了解决坑道支护这个目的而建立起来的，即坑道开挖后是否需要支护、采用什么类型的支护结构、如何支护等。而坑道支护与坑道开挖后的稳定性有直接的关系。因此，隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。,
