(一)隧道工程基本概念

隧道是一種修建在地下，兩端有出入口，供車輛、行人、水流及管線等通過的工程建筑物。隧道工程有兩方面的含義:一方面是指從事研究和建造各種隧道及地下工程的規(guī)劃、勘測、設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)，是一門應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)，是土木工程的一個分支;另一方面也指在巖體或土層中修建的通道和各種類型的地下建筑物(王毅才，2007;宋玉香，2007)。

在修建隧道時，一般先在地層內(nèi)挖出具有一定幾何形狀的“坑道”，如圓形、矩形、馬蹄形等，由于地層被挖開后，容易變形、塌落或有水涌入，所以除了在極為穩(wěn)固的地層中且沒有地下水的地方以外，大都要在坑道的周圍修建支護(hù)結(jié)構(gòu)，或稱之為“襯砌”，以保證使用安全。襯砌的形狀和尺寸，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)最為合理，既不浪費又能穩(wěn)固。

以交通為用途的隧道，其兩端將自地面引入。隧道端部外露面，一般都修筑為保護(hù)洞口和排放流水的擋土墻式結(jié)構(gòu)，稱為“洞門”。此外，為了保證隧道的正常使用，還需設(shè)置一些附屬建筑物:如為工作人員在隧道內(nèi)進(jìn)行維修或檢查時，能及時避讓駛來的列車而在隧道兩側(cè)開辟的“避車洞”;為了保證車輛正常運(yùn)行而設(shè)置的照明設(shè)施;為了排除隧道內(nèi)滲入的地下水而設(shè)置的防水設(shè)備及排水設(shè)備;為了凈化隧道內(nèi)車輛所排出的煙塵和有害氣體而設(shè)置的通風(fēng)系統(tǒng)等。

(二)隧道的種類及其作用

隧道的種類繁多，從不同的角度有不同的分類方法。從隧道所處的地質(zhì)條件來分，可以分為土質(zhì)隧道和石質(zhì)隧道;從埋置的深度來分，可以分為淺埋隧道和深埋隧道;從隧道所在位置來分，可以分為山嶺隧道、水底隧道和城市隧道。分類比較明確的還是按照它的用途劃分，可以有以下的分類(彭方敏、劉小兵、陳秋南，2007;宋玉香，2007)。

1. 交通隧道

這是隧道中為數(shù)最多的一種。它們的作用是提供運(yùn)輸?shù)目椎馈?/p>

(1)鐵路隧道。我國內(nèi)地有許多地勢起伏、山巒縱橫的山區(qū)。鐵路穿越這些地區(qū)時，往往會遇到高程障礙。而鐵路的坡度平緩，無法拔起需要的高度，同時，限于地形又無法繞避，這時，開挖隧道直接穿山而過最為合理。它既可使線路順直，避免許多無謂的展線，使隧道縮短;又可以減小坡度，使運(yùn)營條件得以改善，從而提高牽引定數(shù)，多拉快跑。所以，在鐵路線上，尤其是在山區(qū)鐵路線上，隧道方案常為人們所選用，修建的數(shù)目也越來越多。例如，川黔線上的涼風(fēng)埡隧道，使鐵路跨越分水嶺時，拔起高度小、展線短、線路順直、造價也低，越嶺高度降低了96m，線路長度縮短了14.7km，并避免了不良地質(zhì)區(qū)域。寶成線寶雞至秦嶺一段線路上就密集地設(shè)有48座隧道，總延長為17.1km，占線路總延長的37.75%。而宜萬鐵路，隧道所占比重達(dá)52%。由此可見，隧道在山區(qū)鐵路線上起著十分重要的作用。

(2)公路隧道。公路的限制坡度和最小曲線半徑都沒有鐵路那樣嚴(yán)格。所以，以往的山區(qū)公路為節(jié)省工程造價，常常是寧愿繞行，多延長一些距離，而不愿修建費用高昂的隧道。因此，過去公路隧道為數(shù)不多。但是，隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，高速公路逐年增多，它要求線路順直、平緩、路面寬敞，于是在穿越山區(qū)時，也常采用隧道方案。此外，在城市附近，為避免平面交叉，利于高速行車，也常采用隧道方案。這類隧道在改善公路技術(shù)狀態(tài)和提高運(yùn)輸能力方面起到了很好的作用。鐵路隧道與公路隧道按長度分類如表2-26所示。

表2-26 鐵路與公路隧道按長度分類

(3)地下鐵道。地下鐵道是解決大城市中交通擁擠、車輛堵塞問題，而又能大量快速運(yùn)送乘客的一種城市軌道交通運(yùn)輸設(shè)施。它可以使很大一部分地面客流轉(zhuǎn)入地下而不占用地面面積。它沒有平面交叉，而各走上下行線，因而可以高速行車，并且可縮短車次間隔時間，節(jié)省了乘車時間，便利了乘客的活動。在戰(zhàn)時，還可以起到人防的功能。迄今為止，我國大部分的一線城市正大規(guī)模興建城市地下鐵道，北京、上海、廣州、武漢、成都等城市已開始營運(yùn)，它們?yōu)楦纳瞥鞘薪煌顩r、減少交通事故起到了有力的作用。

(4)水底隧道。當(dāng)交通線需要橫跨河道時，一般可以采用架橋或是輪渡的方式通過。但是，如果在城市區(qū)域內(nèi)，河道通航需要較高的凈空，而橋梁受兩端引線高程的限制，一時無法抬起必要的高度時，就難以克服這一矛盾。此時，采用水底隧道就可以解決。它不但避免了風(fēng)暴天氣輪渡中斷的情況，而且在戰(zhàn)時不致暴露交通設(shè)施的目標(biāo)，是國防上的較好選擇。我國上海橫跨黃浦江，全長2793m的越江水底隧道，把黃浦江兩岸的交通連接起來。1993年建成的廣州珠江水底隧道，屬我國第一條采用沉埋法修建的隧道(地鐵與公交、市政管道共用，長1.23km)。1995年又在寧波甫江建成了第二條沉管水底隧道(高速公路，長1.019km)。京滬高速鐵路在跨越長江時，亦采用長16.74km的沉管隧道方案。

(5)航運(yùn)隧道。當(dāng)運(yùn)河需要越過分水嶺時，如何克服高程障礙成為十分困難的問題。一般需要繞行很長的路程。如果層層設(shè)立船閘則建設(shè)投資很大，運(yùn)轉(zhuǎn)和維修的費用也很高，而且過往船只延誤時間很多。如果修建航運(yùn)隧道，把分水嶺兩邊的河道溝通起來，既可以縮短航程，又可以省掉船閘的費用，迅速而順直地駛過，航運(yùn)條件就可大為改善。

(6)人行地道。城市鬧區(qū)中，行人眾多，往來交錯，而且與車輛混行，偶有不慎便會發(fā)生交通事故。在橫跨十字路口處，即使有指示燈和人行橫道線，但快速的機(jī)動車，也不得不頻頻地減速，甚至要停車避讓。為了提高交通運(yùn)送能力及減少交通事故，除架設(shè)街心高跨橋以外，也可以修建人行地道。這樣可以緩解地面交通互相交叉的繁忙景象，也可大大減少交通事故。

2. 水工隧道

它是水利樞紐的一個重要組成部分。水工隧道有如下幾種。

(1)引水隧道。它把水引入水電站的發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生動力資源。引水隧道有的內(nèi)部充水而內(nèi)壁承壓，有的只是部分過水，因而內(nèi)部只受大氣壓力而無水壓，分別稱之為有壓隧道和無壓隧道。

(2)尾水隧道。它是把發(fā)電機(jī)組排出的廢水送出去的隧道。

(3)導(dǎo)流隧道或泄洪隧道。它是水利工程中的一個重要組成部分。由它疏導(dǎo)水流并起到補(bǔ)充溢洪道流量超限后的泄洪作用，如舉世矚目的三峽工程即建有導(dǎo)流隧道。

(4)排沙隧道。它是用來沖刷水庫中淤積的泥沙，把泥沙裹帶送出水庫。有時也用來放空水庫里的水，以便進(jìn)行庫身檢查或修理建筑物。

3. 市政隧道

它是城市中為安置各種不同市政設(shè)施的地下孔道。由于城市不斷發(fā)展，工商各業(yè)日趨繁榮，人民生活水平逐步提高，對公用事業(yè)的要求也越來越高。許多城市不得不利用地下空間，把它們安置在地下，既不占用地面面積，又不致擾亂高空位置和損傷市容的整齊。市政隧道有如下幾種。

(1)給水隧道。城市自來水管網(wǎng)遍布市區(qū)，必須有地下的孔道來容納安置這些管道。它既不占用地面，也避免遭受人為的損壞。

(2)污水隧道。城市污水，除一部分可以凈化返用外，仍有大部分的污水需要排放到城市以外的河流中去。這就需要有地下的排污隧道。這種隧道可能是本身導(dǎo)流排送，此時隧道的形狀多采用卵形;也可能是在孔道中安放排污管，由管道排污。一般排污隧道的進(jìn)口處，多設(shè)有攔渣隔柵，把漂浮的雜物攔在隧道之外，不致涌入造成堵塞。

(3)管路隧道。城市中，煤氣、暖氣、熱水的供給等，都需要把管路放置在地下的孔道中，經(jīng)過防漏及保溫措施，把這些能源送到各家各戶。

(4)線路隧道。城市中，輸送電力的電纜以及通訊的電纜，都安置在地下孔道中，這樣既可以保證不為人們的活動所損傷或破壞，又可免得懸掛高空，有礙市容觀瞻。這些地下孔道多半是沿著街道兩側(cè)鋪設(shè)的。

(5)人防隧道。為了戰(zhàn)時的防空目的，城市中需要建造人防工程。在受到空襲威脅時，市民可以進(jìn)入供躲避用的庇護(hù)所。人防工程除應(yīng)設(shè)有排水、通風(fēng)、照明和通訊設(shè)備以外，在洞口處還需設(shè)置各種防爆裝置，以阻止沖擊波的侵入。同時，并要做到多洞連通、互相貫穿，在緊急時刻，可以隨時找到出口。

4. 礦山隧道

在礦山開采中，常設(shè)一些隧道，從山體以外通向礦床。

(1)運(yùn)輸巷道。向山體開鑿隧道通到礦床，并逐步開辟巷道，通往各個開采面。前者稱為主巷道，為地下礦區(qū)的主要出入口和主要的運(yùn)輸干道。后者分布如樹枝狀，分向各個采掘面，此種巷道多用臨時支撐，僅供作業(yè)人員進(jìn)行開采工作的需要。

(2)給水隧道。送入清潔水為采掘機(jī)械使用，并將廢水及積水通過泵抽排出洞外。

(3)通風(fēng)隧道。礦山地下巷道穿過許多地層，將會有多種地下氣體涌入巷道中來，再加上采掘機(jī)械不斷排出廢氣，還有工作人員呼出氣體，使得巷道內(nèi)空氣變得污濁。如果地下氣體含有瓦斯，在含量達(dá)到一定濃度后，將會發(fā)生危險，輕者致人窒息，重則引起爆炸。必須及時把有害氣體排除出去。因此需要設(shè)置通風(fēng)巷道，用通風(fēng)機(jī)把污濁空氣抽出去，并把新鮮空氣補(bǔ)進(jìn)來。

(三)隧道工程的主要工程地質(zhì)問題

一些規(guī)模較大的長隧道，常是穩(wěn)定線路和影響工程的控制性工程。它深埋于地下，故遇到的工程地質(zhì)問題很多，最主要的有:①隧道圍巖的穩(wěn)定性;②隧道涌水、地溫及有害氣體;③隧道進(jìn)出口的穩(wěn)定問題(張咸恭、王思勁等，2000)。

1. 隧道圍巖的穩(wěn)定性

隧道圍巖系指隧道周圍一定范圍內(nèi)，對隧道穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的巖體。隧道穿山越嶺時，破壞了原有的應(yīng)力平衡，而在隧道圍巖中產(chǎn)生新的應(yīng)力和變形，這種應(yīng)力以及松動巖層作用在襯砌上的壓力稱為圍巖壓力。圍巖壓力是評定隧道圍巖穩(wěn)定性的主要內(nèi)容。隧道圍巖穩(wěn)定性評價，通常采用工程地質(zhì)分析和力學(xué)計算相結(jié)合的方法，這里只介紹工程地質(zhì)分析法，關(guān)于力學(xué)計算可參閱有關(guān)專著。

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素有如下幾種。

(1)圍巖的完整性，如圍巖地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造變動大和受強(qiáng)烈風(fēng)化時，圍巖完整性差，穩(wěn)定性一般不好。

(2)圍巖的軟硬程度及厚度，硬者、厚者強(qiáng)度大，穩(wěn)定性就好。

(3)地下水的活動會改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，降低巖體強(qiáng)度，并能加速巖石風(fēng)化破壞。

地下水在軟弱結(jié)構(gòu)面中活動，可起軟化、潤滑作用，產(chǎn)生動水壓力和沖刷現(xiàn)象，使黏土體積膨脹，地層壓力增大，這些會降低圍巖的穩(wěn)定性。關(guān)于隧道圍巖的穩(wěn)定性可參看《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄G，根據(jù)圍巖主要工程地質(zhì)特征(巖石等級、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、節(jié)理和裂隙發(fā)育程度、巖層厚度、風(fēng)化程度及地下水情況等)、圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)進(jìn)行分類評定。

2. 隧道涌水、地溫及有害氣體

(1)隧道如穿過含水層時，隧道會產(chǎn)生涌水，增大施工困難。當(dāng)隧道穿過儲水構(gòu)造、充水洞穴、斷層破碎帶時，特別是受承壓水作用時，會遇到突發(fā)性的大量涌水，應(yīng)有所預(yù)防。

(2)地溫。在開挖深埋山嶺隧道時，地溫是一個重要問題。一般人在潮濕的坑道中，當(dāng)溫度達(dá)到40℃時，就不能正常工作，必須采取降溫措施。

(3)有害氣體。在開挖隧道時，常會遇到各種易燃、易爆、對人體有害的氣體。常見的有:①甲烷(CH4)為易燃、易爆的氣體，在煤系、含油、含碳和瀝青地層中常有甲烷等碳?xì)浠衔?②二氧化碳( CO2)為無毒的窒息性氣體，在含碳地層常會遇到;③氮(N)為無毒的窒息性氣體;④硫化氫(H2S)為易燃的有毒氣體，溶于水生成淡硫酸液，對隧道襯砌的石灰漿、混凝土及金屬有腐蝕作用，在硫化礦床或其他含硫地層中會遇到。

3. 隧道進(jìn)出口穩(wěn)定性

隧道進(jìn)出口地段的穩(wěn)定與否，一則影響隧道掘進(jìn)的安全和速度;二則影響著隧道的正常運(yùn)營。

通常洞口多采取深塹形式。洞口的主要工程地質(zhì)問題是邊坡、仰坡的變形問題。因為邊坡、仰坡的變形常引起洞門開裂、下沉、外仰或坍毀等病害，給洞身的施工及以后的運(yùn)營都會造成威脅。洞口仰坡與一般邊坡不同，由于仰坡基座中間受橫向掏空，故上部巖體所處的應(yīng)力環(huán)境甚為復(fù)雜。在一般邊坡易發(fā)生變形的地段，仰坡亦多發(fā)生變形，特別是第四紀(jì)松散堆積物較厚的地區(qū)，洞口仰坡更易發(fā)生變形。因此宜以“早進(jìn)洞晚出洞”“避免深塹”的原則來防治進(jìn)出口的穩(wěn)定問題。應(yīng)盡可能選在新鮮基巖出露處或風(fēng)化層較薄的部位，易于匯水的凹地、沖溝之溝口不宜選作洞口。洞口一定要高于多年最大洪水位之上。

對于山嶺隧道而言，除以上問題外，應(yīng)特別注意洞內(nèi)膨脹巖、斷裂構(gòu)造及斷層破碎帶、高地應(yīng)力、偏壓、高地溫、巖溶等引起的工程地質(zhì)問題，當(dāng)隧道存在上述某種或幾種工程地質(zhì)問題時，就必須對其進(jìn)行分析研究及評價。