地铁与隧道工程

第1章 绪论 1.1基本概念与分类 1.1基本概念与分类 地铁与隧道工程属于地下工程的范畴。广义的地下工程包括所有为开发利用地下空间资源而深入地面以下所建造的工程建筑物。地下工程大致分为两类： 一类是地下交通运输工程，为解决人、车辆和列车等通行而修建的城市及山岭下构造物，包括地下铁道、城市道路隧道、山岭铁路隧道和山岭公路隧道等； 另一类是服务于工业、民用或军用需求的地下构造物，包括矿井、地下仓库和油库、各种输水输电输油管廊工程、地下室、防空洞等。本书涵盖的内容属于**类地下交通运输工程的范围。 地下铁道(简称地铁)、山岭铁路隧道和公路隧道的组成构造中，地铁含有车站建筑物，地下交通运输工程的其他重要组成部分即为“隧道工程”。按照世界经济合作与发展组织的定义，所有地下修建的条形建筑物，其内部空洞净空断面在2m2以上者均称为隧道。因此隧道工程的含义非常广泛，其设计和施工基本原理相同或相似，仅在服务对象和功能特点上有一定的差别。 下面介绍地下隧道的分类。 1. 按隧道用途分类 1) 交通隧道 交通隧道是指满足交通路线畅通的要求,提供运输和人行的孔道和通道。主要有地铁、铁路隧道、道路(公路和城市道路)隧道、航运隧道、人行地道。 (1) 地铁。地铁是解决大城市交通拥挤、车辆堵塞等问题，且能大量快速运输乘客的一种城市交通设施。它可以使很大部分地面客流转入地下，提高行车速度，通过缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。在战时，地铁还可以起到人防工程的功能，图11所示为地铁车站。 (2) 铁路隧道。我国是个多山的国家，铁路穿越这些地带时，往往会遇到山岭障碍。同时铁路还有小曲线半径限制，需要修建隧道以克服高程或平面障碍。在沿着河谷修建铁路时，遇到河道弯曲、两岸横坡陡峻、地质不良等现象，常修隧道使线路从山里通过。这样既可以使路线顺直，线路缩短，又可以减小坡度，还可躲开各种不良地质条件，从而提高牵引定数，多拉快跑，使运营条件得以改善。高速铁路行车速度高，对基础设施要求高，线路*小曲线半径大，所以高速铁路上必然会出现大量的隧道工程。 (3) 道路隧道。道路的限制坡度和*小曲线半径都没有铁路那样严格，早期山区修筑公路时为节省工程造价很少修建隧道。但随着社会的发展，高等级公路逐渐出现，现在穿越山区时，也常采用隧道方案。此外，在城市中心，为避免平面交叉，利于高速行车，也常采用道路隧道方式。 (4) 人行地道。城市闹市区行人众多，而且与车辆混行，为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设人行天桥以外，也可以修建人行地道和地下立交车道满足人们的通行需求。 (5) 航运隧道。修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短航程，又可以节省船闸的费用，船只可迅速而顺直地通过，使航运条件大为改善。 2) 综合管廊工程 目前，我国正在大力推行的综合管廊工程，是在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”，如图12所示。 图11地铁车站 图12综合管廊工程 3) 矿山隧道 矿山隧道主要是为采矿服务的，主要有运输巷道、给水隧道、通风隧道。 2. 按长度分类 根据隧道开挖长度，可分为特长隧道、长隧道、中长隧道和短隧道，地铁无此分类要求，如表11所示。 表11隧道长度分类 铁 路 隧 道公 路 隧 道地铁 分类长度/m分类长度/m 特长隧道L＞10000特长隧道L＞3000 长隧道3000＜L≤10000长隧道1000＜L≤3000 中长隧道500＜L≤3000中长隧道500＜L≤1000 短隧道L≤500短隧道L≤500无具体规定，一般市中心区间隧道长度为1~2km 3. 其他分类方法 (1) 按照国际隧道协会(ITA)定义的隧道的横断面积大小划分标准分类： 极小断面隧道(2~3m2)、小断面隧道(3~10m2)、中等断面隧道(10~50m2)、大断面隧道(50~100m2)和特大断面隧道(大于100m2)。 (2) 按照隧道所在的位置分类： 山岭隧道、水底隧道和城市隧道。 (3) 按隧道所处地质条件分类： 土质隧道和石质隧道。 (4) 按隧道施工方法分类： 钻爆法隧道、明挖法隧道、机械法隧道和沉埋法隧道。 (5) 按隧道断面形状分类： 圆形隧道、矩形隧道和马蹄形隧道。 (6) 按照隧道埋置的深度分类： 浅埋隧道和深埋隧道。 1.2地下工程发展与现状 1.2地下工程发展与现状 地下交通工程的发展历程涵盖在人类地下空间的发展历史中。随着科学技术的发展，人类对地下空间的利用大致经历了以下四个时代。 (1) 从人类出现至公元前3000年的远古时期，原始人类穴居是用兽骨、石器等工具开挖，修筑在可以自身稳定而无需支承的地层中。 (2) 从公元前3000年至5世纪的古代时期，这是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代，埃及金字塔和古代巴比伦引水隧道、我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。古代巴比伦王朝为连接宫殿和神殿而修建了约1km长的隧道，断面尺寸为3.6m×4.5m，施工期间将幼发拉底河水流改道，采用明挖法建造。 (3) 从5世纪至14世纪的中世纪时代，世界范围内出现矿石开采技术。 (4) 从15世纪开始的近代与现代，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器，加速了隧道技术的发展。如有益矿物的开采，运河、公路和铁路隧道的修建，以及随着城市的发展而修建的地下铁道、下水道等，使得隧道的修建技术得到极大的发展。 1.2.1隧道发展历史和现状 迄今已知的*早用于交通的隧道为古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道。法国的马尔派司运河隧道是*早用火药开凿的航运隧道。19世纪初欧洲法、意、瑞士等国就已在山区修建公路隧道，**座用于现代交通的水底隧道是1807年开工的伦敦泰晤士河下公路隧道。我国*早用于交通的隧道为石门隧道（建于公元66年），**条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道，**条水底公路隧道是1970年建成的上海黄浦江水底隧道。 中国高速铁路隧道技术在近十几年得到了快速发展。中国大陆**条通车运营的有隧道工程的合肥至南京高速铁路，于2008年4月18日开通运营，共有2座隧道，全长2005m。截至2015年底，中国建成通车的高速铁路隧道长度总计约3200km，数量超过2200座，其中长度大于10km的特长隧道29座，总长约370km。中国已经成为名副其实的高速铁路大国、隧道大国，并初步形成了一套完整的中国标准的高速铁路隧道技术体系。 图13给出几个世界隧道之*。 图13世界隧道之* 2001年投入运营的挪威西部的拉达尔隧道是目前世界上*长的公路隧道(24.5km)。瑞士圣哥达基线铁路隧道，耗资900亿，两千工人花费17年挖了57.1km，圣哥达基线隧道并不是单条隧道，而是由两条约57km长的平行隧道组成，2016年通车，是目前*长的铁路隧道。 泰晤士河底隧道是*早应用喷射混凝土和盾构的隧道，法国工程师在泰晤士河底先建设一个上、中、下三层分36小格的长方形铁框架，称之为盾构(图14)，这是现代修建地铁和地质复杂地段盾构由来。当时工效很慢，每个小格里站一个人，从上到下顺序挖，随挖随封，每次只前进10cm。由上到下全部挖完后，由千斤顶往前推进，然后抓紧时间砌筑，这相当于今天的初期支护和二次衬砌，这个全长396m的水底隧道花费18年才贯通。 图14盾构雏形 1988年开始修建的英吉利海峡隧道，基于法国工程师Gamond的设计思路，采用地下盾构施工，为保证修建精度，在机器的控制系统上输入设计路线坐标，在已掘进的隧道壁上和盾构机上安装了用于传递和接收测量坐标的雷射激光接收装置用于指导掘进方向，*终这条海底隧道以2cm误差精确贯通。 石太客运专线太行山隧道于2009年建成，目前是我国*长的山岭铁路隧道，为双洞单线，全长27.839km。在建设过程中，采用钻爆法施工，全隧道共设进口1个、斜井9个、出口1个，共11处施工通道，在24个工作面同时展开施工。 秦岭终南山公路隧道，是我国目前*长的公路隧道，居世界第二，2007年1月20日通车，采用双洞四车道，单洞长18.02km，双洞共长36.04km，总投资31.93亿元。 世界海拔*高的隧道是我国的青藏铁路风火山隧道，它坐落于海拔超过5000m的青藏高原风火山上，轨面海拔标高4905m，全长1338m，全部位于永久性冻土层内。 1.2.2地铁发展历史和现状 世界上首条地下铁路系统——伦敦大都会铁路(图15)于1863年1月10日全线通车，运行**年就载运了950万名旅客。由于当时电力尚未普及，所以此地下铁路采用蒸汽机车牵引，又因机车释放出的废气对人体有害，所以当时的设计师脑洞大开，隧道每隔一段距离便要设置与地面打通的通风槽，以满足通风需求。 图15大都会地铁 英国利物浦市于1886年开通穿越市中心并跨越默西河的地下铁路，并于1903年实现了电气化，是世界上**条实现电气化的地下铁路。自19世纪末至20世纪中期，受到当时科技水平以及**次和第二次世界大战的影响，地铁在各国的发展较为缓慢，虽然英、法、美、日相继建成了地铁线路，但总里程较短。20世纪70年代开始进入城市轨道交通建设高峰期，此后10年内全世界共建设了约1600km城市轨道交通线路。1976年，美国旧金山海湾区建成采用全自动操纵的**条高速地下铁道。据统计，目前世界上已有40多个国家和地区的127座城市都建造了地铁，线路总长度超过了7000km。 中国的地铁建设起步较晚，总体来看，其发展经历可分为以下四个阶段。 (1) 起步阶段。20世纪50年代，我国开始筹备北京地铁网络建设，1969年10月建成北京地铁1号线，全长23.6km，该阶段地铁建设除满足运送乘客需求外，主要以人防功能为主。 (2) 发展阶段。20世纪初至80年代，北京、上海、广州等几个大城市规划建设地铁，该阶段地铁建设开始真正以城市交通为目的。 (3) 调控阶段。20世纪90年代后，国内一批省会城市开始筹划建设地铁。由于项目多且造价高，1995年12月国务院发布国办60号文，暂停了地铁项目的审批，同时国家计委开始研究制定地铁交通设备国产化政策。 (4) 建设高峰期。1999年以后，国家的政策逐步鼓励大中城市发展地铁交通，地铁建设速度大大超过之前的30年。 截至2017年年底，中国大陆已经建成世界上规模*大的地铁网络，有34座城市建成了轨道交通系统，总运营里程达到5033km，地铁占比约70%。 1.3地铁隧道工程发展前景和趋势 1.3.1发展前景