隧道制造技术概论(上)

第1章隧道发展史和隧道工业化 人类很早就知道将自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘工具时，就出现了人工挖掘的隧道。一般来说，隧道长且窄，其长度通常大于直径的两倍，当然也有比较短的隧道，如隧道之间的横通道。隧道的定义因国而异，例如，中国定义是在既有建筑或土石结构中挖出来用作地下通道的建筑物，是人类利用地下空间的一种形式；英国对公路隧道的定义是“封闭长度为150m以上的地下公路结构”；美国消防协会对隧道的定义是“设计长度大于23m、直径大于1.8m的地下结构”。 1.1 古代隧道及其施工方法 隧道施工逐步向着工业化的方向发展。早期的隧道技术大多是由采矿和军事工程发展而来。“采矿”、“军事工程”和“土木工程”的词源学研究揭示了这些深刻的历史关联。隧道施工主要包括开挖和支护两个环节。在开挖环节，经历了由人工开挖、火焚水淬阶段，逐步发展到机械化开挖和采用智能设备开挖的阶段。在支护环节，由早期的不支护到采用木材支护，到采用混凝土浇筑支护，再到采用预制管片支护。 历史上*早的暗渠在公元前2000年左右就有了。东耶路撒冷西尔万的西罗亚隧道(Siloam tunnel)是已知的**个从两头开挖的隧道。希腊萨摩斯岛上的欧帕里诺斯隧道(tunnel of Eupalinos)建于公元前6世纪，是已知的第二个从两头开挖的隧道。回顾古代隧道和世界各地隧道历史，可以看到许多为不同目的而建造的隧道，下面简要介绍一些古今著名的隧道。 1.1.1 中国的古代隧道 关于中国古代隧道建造方面的记载是比较少的。王毅才(1985)进行了介绍：中国*早有文字记载的地下人工建筑物可能出现在东周初期(约公元前700年)，《左传》中记述了一段很有名的“ 阙(同掘)地及泉，隧而相见 ”的历史故事；我国*早用于交通的隧道，据考证要数古褒斜道上的“石门”隧道，在今陕西省汉中市褒谷口内鸡头关下，是修筑在石灰岩地层中的无衬砌隧道，建成于东汉明帝永平九年(公元66年)；我国历代皇帝陵墓都是地下工程，例如，秦始皇陵陪葬兵马俑坑就是用明挖法建成的；敦煌、龙门、云冈等地的石窟也有大量的隧道；“坎儿井”是远古水利隧道流传至今的代表，它是地下人工水渠，其构造是从水源挖掘水平坑道，把水引导到地表，用来灌溉农田。 1.1.2 世界其他地区的古代隧道 公元前2189到公元前2160年前后，在古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道，是迄今已知的*早用于交通的隧道。该隧道断面高4.5m、宽3.6m，用砖衬砌，施工是在旱季将河流改道后明挖的。 位于伊朗戈纳巴德市的一座供水隧道，建于公元前600年，埋深超过360m，这条隧道至今仍为近4万人提供饮用水和农业用水。 西罗亚隧道位于巴勒斯坦，是已知的*早的从两头掘进的隧道。公元前520年，古希腊工程师欧帕里诺斯建造了位于萨摩斯岛(希腊北爱琴海)的欧帕里诺斯隧道，全长1030m，该隧道从卡斯特罗山两侧开凿隧道，两队同时挖掘，在中间精准汇合，是已知的第二条两头掘进的隧道，这在当时是很难达到的。 古代*大的隧道建筑可能是古罗马那不勒斯与普佐利之间的长1500m、宽8m、平均高9m的婆西里勃道路隧道，完成于公元前36年，直到现在还使用着。它是在凝灰岩中凿成的，边墙垂直、无衬砌。为了不进行衬砌，多数古隧道都是修建在坚硬的岩层中。 特列克卡亚隧道(Terelek kaya tüneli)地处土耳其博亚巴德(Boyabat)和杜兰城的南部，目前这条隧道位于下游数千米处由水坝形成的湖泊的狭窄部分，据估计，隧道建于2000多年前，修建隧道是为了防止盗墓。 历史资料记载了这些古老隧道的工程概况或遗迹，但很少介绍坚硬的岩石隧道是如何开挖的？当时的生产力十分低下，生产工具十分落后，可是这些隧 道又是怎么挖掘的呢？难道像中国的都江堰宝瓶口施工技术，采用先热火焚烧，再快速浇上冷水激裂岩石的方法或者其他方法。古代人很有智慧啊！ 1.2 近代隧道及其施工方法 17世纪，欧洲国家开始大量修建运河隧道、铁路隧道、公路隧道等多种形式的隧道。19世纪初，美洲的隧道修建量开始不断增加。隧道修建方法不断革新，从人工开挖，到使用火药开挖(1666年，法国兰葵达克运河隧道)，到采用气动凿岩机，到使用盾构装置开挖(1843年，英国泰晤士河隧道)，到采用管片拼装机安装管片(1890年，北美圣克莱尔河隧道，St.Clairriver tunnel)，到采用带有刮刀和滚刀的复合刀盘的盾构机(1952年，美国奥阿希大坝隧道)，再到采用大断面异形盾构机。人类能够应对的地层状况也越来越复杂，从穿过岩石地层到穿过河流、湖泊等。纵观隧道挖掘史，可以窥见人类在改造自然环境领域的技术进步历程。 公元1627年，奥地利工程师首先将火药用于开矿生产。法国兰葵达克运河隧道建于1666年，开凿时使用了火药，这可能是*早用火药开凿的隧道。 1791年，英国在达德利运河上修建了长2900m的达德利运河隧道(Dudleycanal tunnel)，见图1.1，该隧道于1962年关闭，1973年又重新开放，并于1984年和1989年得到扩建。 英国弗里奇利隧道(Fritchley tunnel)是世界上*古老的铁路隧道之一。1793年，巴特利公司建造了弗里奇利隧道，用于将石灰石运输到其钢铁厂。该隧道是世界上*古老的铁路隧道，货车在重力作用下或使用马匹牵引穿过隧道。 1796年，斯托达特隧道(Stoddart tunnel)开通，其位于英国德比郡的查珀伦勒弗里斯，也是世界上*古老的铁路隧道之一，那时的铁路货车是由马匹拉动的。 1804年，连接英国佩尼达伦和阿伯西农的隧道通行了**辆真正意义上的蒸汽火车，这是迄今为止世界上*古老的蒸汽火车专用隧道。 1819年，在美国田纳西州蒙哥马利修建的贝尔隧道(Montgomery Belltunnel)是一个长88m的引水隧道，尺寸为4.50m×2.45m，是北美**条全断面隧道。 伯恩隧道(Bourne’s tunnel)建造于19世纪20年代末，位于英国利物浦附近，全长32.1m，是世界上**条在铁路线下方修建的隧道。利物浦至曼彻斯特的铁路跨越了一条从萨顿煤矿到利物浦沃灵顿收费公路的马拉电车轨道，也就是在铁路下面挖了一条隧道来通行电车。 黏土挖掘法是英国开发的一种独*方法，用于在强黏土基土壤结构中挖掘隧道。不同于之前使用鹤嘴锄手工开挖较硬土壤的方法，黏土挖掘法相对轻柔，因此不会损害软黏土基本结构。操作工躺在一块木板上，与工作面成45°角，用脚踩入一个杯状圆头的工具黏土冲，见图1.2。手动转动工具，抽出一部分土壤，然后将其放在废料收集处。 在维多利亚时代的土木工程中，黏土挖掘法不必为建造一个小型的隧道系统而拆除地面房屋或基础设施，因而在更新英国古老的排水系统时广受青睐。在**次世界大战期间，英国皇家工程师协会曾用此法在德意志帝国地下埋设地雷。这种方法实际上是无声的，因此不易被监听设备侦查到。 1829年开通的位于英国利物浦的皇后街站隧道是世界上*古老的地下铁路客运隧道。该隧道是一条长266m的单轨铁路隧道，从埃奇希尔区延伸到皇后街，服务于世界上**个城际客运火车总站。 1830年后，铁路成为一种新的运输手段，对隧道的需要激增，促进了隧道工程技术的发展。1832年，英国利物浦的莱姆街火车站隧道开通，隧道长1811m，是双轨铁路隧道。1841年，英国鲍克斯隧道(Boxtunnel)开通，这是由人工挖掘的长2900m的隧道，也是当时世界上*长的铁路隧道。1842年，英国威尔士亲王隧道开通，位于达灵顿附近的希尔顿，全长1100m，是世界上*古老的大型隧道，目前仍在使用。 1818年英国人初次发明盾构专利，但1823年在施工中受挫失败。 1843年开通的泰晤士河隧道，是**条使用盾构思路修建的隧道，由马克 伊桑巴德 布鲁内尔(MarcIsambardBrunel)和他的儿子伊桑巴德 金德姆 布鲁内尔(Isambard Kingdom Brunel)修建。泰晤士河两岸和河床下土质松软，含水量大，围岩易坍塌。隧道修建时，先在泰晤士河两岸采用沉井法各修建一个直径17m的沉井，竖井用红砖进行衬砌并搭建有供上下出入的台阶(后被拆除)，沉井安装了蒸汽机驱动的物料提升装置，见图1.3。然后在两个沉井之间开挖隧道，为防止沉井井壁坍塌，采用圆形红砖结构。沉井开挖到预定位置后，开始了人类历史上**个盾构机的施工，盾构机装置是一个三层多列的框架结构，一侧顶住已完成的衬砌层，一侧顶住掌子面，并对掌子面进行防护，同时框架的每个框格内有一名施工者开挖隧道，其示意图和施工方法模型见图1.4。泰晤士河隧道*初用作人行隧道，1869年改为地铁隧道，2007年之前一直是伦敦地铁东伦敦线的一部分。这是铁路网中*古老的路段，尽管不是*古老的专用铁路段。至今，这条隧道仍是伦敦地铁网络的一部分。 1848年，奥地利塞默林铁路山顶隧道开通，全长1431m，是**个在阿尔卑斯山开通的隧道，它连接了维也纳和的里雅斯特(Trieste)港口之间的铁路交通。 1851年发明了凿岩机，从此开始了所谓近代施工方法，修建了大量的隧道工程。19世纪晚期热尔曼发明的气动凿岩机，见图1.5，用于在阿尔卑斯山上钻探**条大型隧道。 1863年，英国伦敦地铁开通，是采用明挖回填法修建的。伦敦地铁滑铁卢站采用了铸铁管片和砖衬砌两种衬砌方式，见图1.6。 1866年詹姆斯制造的内径3.75m的隧道衬砌盾构机承担了伦敦的铁道建设。其后，1881～1883年英国巴门制造了直径2.1m的隧道掘进机，在多佛尔海峡海底法国侧1700m和英国侧300m的掘进中获得成功应用。 1866年瑞典人诺贝尔发明了胶质黄色炸药达纳马特，原料是硝化甘油(发明于1846年)，液体状怕热怕震。诺贝尔在一次偶然的机会中发现马车夫用硅藻土吸附液体后能使其变得稳定，受此启发终于制成比较安定的炸药。后来用这种威力很大的黄色炸药取代了黑色火药，为开凿坚硬岩石提供了条件，广泛用于隧道工程。 1886年开通的默西铁路(Merseyrailway)隧道，从利物浦延伸到默西河下，再到伯肯黑德。默西铁路是世界上**条深埋地下的铁路，到1892年，加上伯肯黑德公园站到利物浦中央火车站的陆地延伸段，隧道长度达到5020m，河下路段长1210m，在当时(1886年1月)是世界上*长的水下隧道。该隧道施工时采用了掘进机械和通风排水系统，见图1.7。