标题：隧道及地下工程
前言
廿一世纪人类面临着人口、粮食、资源和环境的四大挑战，这决非是危言耸听、杞人忧天。它如晨钟暮鼓，告诫人们必须从现在开始认真研究对策。  隧道及地下工程“可持续发展”被作为国策提出来了，摆在每个学科、每个产业的面前，土木工程界也应顺潮流而检讨自己。大量的土建工程拔地而起，每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代，并且无法再生，居住、交通、环境的矛盾日益突出。把地面活土多留点给农业和环境，使地下空间成为人类在地球上安全舒适的第二个空间，是土木建筑工作者的紧迫课题。国际上已提出把“廿一世纪作为人类开发利用地下空间的年代”，日本提出要利用地下空间，把国土扩大数倍。中国也开始重视地下空间利用的立法工作，各地区已开始进行地下空间的开发规划。但由于技术立法不够，在这方面出了不少问题，花费了许多不该花的工程费。本文不愿多谈成功的一面，仅将这些年来在地下空间开发所产生的问题进行思考，供廿一世纪参考。
简史
世界上第一座交通隧道是公元前 2180～前2160年在巴比伦城中的幼发拉底河下修筑的人行通道。各文明古国曾修建过地下墓室，灌溉、给水、排水隧洞，采矿巷道及地下粮仓等。中国汉代在今陕西褒城修隧道时，曾用火煅石法（用柴烧炙岩石，然后泼以水或醋，使之粉碎）开通了长14米、宽3.95～4.25米、高4～4.75米的石门隧洞。19世纪20年代，蒸汽机的出现及铁路和炼钢工业的发展，促进了隧道及地下工程的发展。1826～1830 年英国修建了长770米的泰勒山单线铁 路隧道和长 2474 米的维多利 亚双线铁路隧道 ；1860年开始修建伦敦地下铁道。19世纪60年代以前，修建隧道都是用人工凿孔和黑火药爆破施工。1861年修建仙尼斯峰铁路隧道时，首次使用风动凿岩机。1867年修建胡萨克铁路隧道时用硝化甘油炸药。20世纪初采用中央导坑法施工，年平均进度达4.5千米 。中国第一座铁路隧道是 1887～1889年台湾省台北至基隆窄  隧道及地下工程轨铁路上的狮球岭隧道 ，长261米 。京张铁路八达岭隧道 ，长1091米 ，建于1907～1908年 。1950年以前中国建成238座隧道 ， 总延长8.9千米 ；1950～1984年共建成铁路隧道4274座 ，总延长2014.5千米 ， 至20世纪50年代，人们才总结出各类隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，并在土木工程中形成一个独立的工程领域。
学科发展
交通拥堵已经成为城市致命的瓶颈，人们在拥堵中等待、愤怒、绝望，也开始因为渴望速度而寻找方向。当一个名字叫地铁的尤物可以让交通烦恼消却、速度诱惑满足时，几乎所有的中国城市都爱上了她，开始了轰轰烈烈的地铁建设之旅。地铁的另类空间激发着人们的国际化大都会想象力和商业想象力，地铁天文数字般的投资令城市人痛并快乐着，地铁承载着所有都市人内心的柔软和抒情，令那些对城市失望的人可能重新爱上城市。甚至可以说，地铁是都市生活不可或缺的道具，如果没有地铁，你都不好意思自称自己是大城市。
隧道及地下工程专业是根据中国城市发展的趋势和当前城市地下工程人才匮乏的实际情况而设立的新专业，主要培养具有坚实的数学、力学等自然科学基础和人文社会科学基础，掌握城市地下工程勘察、规划、工程材料、结构分析与设计、机械基础及工程机械、电工技术、工程测量、施工组织和工程概预算、工程监理等方面的基本技术和知识，具备从事隧道及地下工程的规划、设计、研究、开发利用、施工和管理能力，具有较强的计算机应用能力和较高的外语水平的高级技术人才。
工程内容
隧道及地下工程一般分为勘测设计和施工两大阶段。
①勘测设计。隧道位置的选择一般应服从路线走向。由于隧道工程数量、造价、工期控制等因素，隧道位置在选线方案中是经济技术比较的重要组成部分。对不良地质地段的隧道，特别是长大复杂隧道线及全线或局部线路方案的成立与否，必须精心勘测设计。通过对隧道位置所处的地形 、地质、水文等要素的测  隧道及地下工程绘、勘测、测试及综合评定，设计正洞和明洞的长度和结构，决定施工方法，设计辅助坑道、排水系统和附属工程。
②施工。按设计图纸实施隧道掘进、衬砌和安装作业的过程。施工方法分明挖法和暗挖法。前者多用于浅埋隧道和地下建筑。对于大多数隧道和地下工程，多用暗挖法施工，并按开挖方法和所用机具分为矿山法、盾构法和地下连续墙法 。 此外 ，修筑水底隧道时 ，可用沉管法；穿越铁路、道路、河流或建筑物时，可用顶管法；修建地下的池槽、厂房、仓库和地下井时，还可使用沉井法。
工程特点
①线路在穿越天然高程或平面障碍时修建地下通道，是克服障碍的有效方法。
②能够分担地面交通和人流的负荷，节约城市用地。
③承受爆炸荷载和地震荷载的能力比地面结构强，许多国防、民防工程及抗震和各类防护工程都可采用。
④地下建筑物内部的气温和湿度比较稳定，节能，可作为各类贮库和冷藏库。
⑤造价昂贵，只有在论证它有充分的战术、技术和经济效益时才宜兴建。
⑥施工期限长，施工作业面较窄，可容纳的劳力和机械都受限制。但由于工业化施工和机械性能的提高，这种情况正在改善。
⑦穿越地层的地质条件复杂多变，遇到的意外情况比较多，工程的定位、设计和施工方法都必须随时作相应的调整，要求有关规划、勘测、设计、施工和使用管理部门密切配合。
工程种类
地下铁道
施工方法
明挖法 　敞口开挖基坑，再在基坑中修建地下结构，最后用土石重新覆盖填实。 
盾构法 　用盾构开挖隧道的一种施工法。盾构为一个钢制圆筒，前部为切口环，目的为保护开挖面上工作人员的安全；中部为支承环，承受地层压力，安设千斤顶，并靠这些千斤顶将盾构向前推进。盾构内部  工程机械空间用横向及竖向隔板分隔成小的工作室，并在隔板上安设辅助机具。后部盾尾部分是用来支撑坑道，并作为装配衬砌环的空间。修建时在开挖面上掘进衬砌的一环长度后，盾构可推进到挖好的空间内，并在盾壳保护下装配隧道衬砌。在含水淤泥地层中可采用压缩空气以稳定工作面。在日本以及其他国家，针对这类地层情况已经设计并推广了泥水盾构。其基本类型可分为两种，一种是泥水平衡式，一种是土压平衡式。泥水平衡盾构采用一个可以旋转的切削轮，可以在封闭于工作仓壁和隧道作业面之间的有压粘土泥浆中开挖地层；储气罐给泥浆保持需要的压力，借以控制地下水并稳定作业面。土压平衡盾构是在有土压的密封仓里切削地层，并用螺旋出土机排泥。盾构开挖法采用的衬砌类型有预制混凝土管片、刚性砌块和就地浇筑的钢纤维混凝土等。 
地下连续墙法 　是在地下铁道或其他地下结构的两个边墙位置处沿线路方向挖槽，灌注特制的泥水，以稳定槽壁，然后安放钢筋笼，灌筑混凝土边墙。在两侧边墙的保护下，可以挖开街道先修建结构顶盖，然后进行填实，恢复交通，再进行下部地层的开挖。此法优点是对地面交通的干扰时间短，范围小，对路边建筑物的影响也较小。意大利米兰地铁就是用此法修筑的典型例子。矿山法铁路、公路隧道和其他山岭隧道或地下建筑物一般均可采用矿山法施工。此法又可分为：①钻眼爆破法。位于各类岩石地层内的隧道，均可采用钻眼、装药、爆破的方法开挖。在硬岩中开挖隧道可采用凿岩台车钻眼，进行全断面开挖。②新奥法。20世纪30年代发展起来的新方法。其要义是以隧道围岩作为支护的主要手段。施工过程中尽量减少围岩的松动破坏，并在开挖后及时支护，以确保离临空面一定深度处的围岩内形成承载圈。支护设置有一个最佳时间：过早支护会使喷射混凝土和岩层间产生很大地层压力；过迟支护则围岩将因变形过度而松动。为了正确估计合理的支护时间，必须对开挖后的隧道围岩及时进行收敛量测。③掘进机开挖法。近年来得到了大力推广。掘进机是利用安装在机轴转盘上的刀具直接切削岩层。首先制造隧洞掘进机的是美国罗宾斯公司。中国已经制造了直径 5.8米的水工隧洞掘进机，使用效果良好。近年来隧道开挖后的支护有了很大的发展。喷锚支护为各种复杂地质条件下使用矿山法修建各种隧道提供了有效的支护。其他方法此外，修筑水底隧道时，可使用沉管法；在穿越铁路、道路、河流或建筑物时，可使用顶管法。修建地下池槽、地下厂房、仓库和各种地下井时，还可使用沉井法（见地下工程沉井法施工）。
发展趋向
因地制宜，开拓地下空间资源和发展其经济效益，是当前各国在隧道及地下工程领域中总的发展趋势 。例如，中国在云、贵、川及闽、浙一带可以有选择地利用天然溶洞；在西北黄土高原可利用喷锚支护和加强通风照明来修建窑洞民居。各大城市加强地下交通运输系统和公用管道的规划，以及民  隧道及地下工程材料防和市政地下工程的总体规划。隧道及地下工程的结构理论研究中，新的学科——地下结构施工力学正在形成。在长大隧道和重点地下工程中，推行施工综合机械化。在软土地层中，采用适合地层条件的盾构、顶管、沉管和连续墙施工方案；在硬岩中采用新型掘进机或高效水钻台车，以及光面爆破和预裂爆破等先进技术。在一些长隧道中采用水平钻井已取得成功。以喷锚支护为基础的新奥法施工，可大力推广。