鐵路隧道工程
正文
鐵路隧道的勘測、設計、貫通控制測量和施工等工作。鐵路隧道是修建在地下或水下並鋪設鐵路供機車車輛通行的建築物。根據其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類。為縮短距離和避免大坡道而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道；為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道。這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。
沿革 自英國於1826年起在蒸汽機車牽引的鐵路上開始修建長770米的泰勒山單線隧道和長 2474米的維多利亞雙線隧道以來，英、美、法等國相繼修建了大量鐵路隧道。19世紀共建成長度超過 5公里的鐵路隧道11座，有3座超過10公里,其中最長的為瑞士的聖哥達鐵路隧道，長 14998米。1892年通車的秘魯加萊拉鐵路隧道，海拔4782米，是現今世界最高的標準軌距鐵路隧道。在19世紀60年代以前，修建的隧道都用人工鑿孔和黑火藥爆破方法施工。1861年修建穿越阿爾卑斯山脈的仙尼斯峰鐵路隧道時，首次套用風動鑿岩機代替人工鑿孔。1867年修建美國胡薩克鐵路隧道時，開始採用硝化甘油炸藥代替黑火藥，使隧道施工技術及速度得到進一步發展。
在20世紀初期，歐洲和北美洲一些國家鐵路形成鐵路網，建成的5公里以上長隧道有 20座，其中最長的瑞士和義大利間的辛普朗鐵路隧道長19.8公里。美國長約12.5公里的新喀斯喀特鐵路隧道和加拿大長約 8.1公里的康諾特鐵路隧道都採用中央導坑法施工。其施工平均年進度分別為4.1和4.5公里，是當時最高的施工進度。至1950年，世界鐵路隧道最多的國家有義大利、日本、法國和美國。日本至20世紀70年代末共建成鐵路隧道約3800座，總延長約1850公里,其中5公里以上的長隧道達60座，為世界上鐵路長隧道最多的國家。1974年建成的新關門雙線隧道，長18675米,為當時世界最長的海底鐵路隧道。1981年建成的大清水雙線隧道，長22228米,為世界最長的山嶺鐵路隧道。連線本州和北海道的青函海底隧道，長達53850米,為當今世界最長的海底鐵路隧道。
20世紀60年代以來，隧道機械化施工水平有很大提高。全斷面液壓鑿岩台車和其他大型施工機具相繼用於隧道施工。噴錨技術的發展和新奧法的套用為隧道工程開闢了新的途徑。掘進機的採用徹底改變了隧道開挖的鑽爆方式。盾構構造不斷完善，已成為鬆軟、含水地層修建隧道最有效的工具。
中國於1887～1889年在台灣省台北至基隆窄軌鐵路上修建的獅球嶺隧道，是中國的第一座鐵路隧道,長261米。此後，又在京漢、中東、正太等鐵路修建了一些隧道。京張鐵路關溝段修建的4座隧道,是用中國自己技術力量修建的第一批鐵路隧道。其中最長的八達嶺鐵路隧道長為1091米，於1908年建成。中國在1950年以前，僅建成標準軌距鐵路隧道238座,總延長89公里。自20世紀50年代以來，隧道修建數量大幅度增加，1950～1984年期間共建成標準軌距鐵路隧道4247座，總延長2014.5公里，成為世界上鐵路隧道最多的國家之一。中國標準軌距鐵路隧道修建數量如表1。
鐵路隧道工程
鐵路隧道工程
鐵路隧道工程隧道勘測 為確定隧道位置、施工方法和支護、襯砌類型等技術方案，對隧道地處範圍內的地形、地質狀況，以及對地下水的分布和水量等水文情況要進行勘測。
在隧道勘測和開挖過程中，須了解圍岩的類別。圍岩是隧道開挖後對隧道穩定性有影響的周邊岩體。圍岩分類是依次表明周圍岩石的綜合強度。中國在1975年制定的鐵路隧道工程技術規範中將圍岩分為 6類。關於岩石分類70年代以前常用泰沙基及普氏等岩石分類方法。70年代以後在國際上套用較廣並為國際岩石力學學會推薦的為巴頓等各種分級系統。此外，還有日本以彈性波速為主的分類法。圍岩的類別的確定，為隧道工程設計合理和施工順利提供了依據。
隧道設計 包括隧道選線、縱斷面設計、橫斷面設計、輔助坑道設計等。
選線 根據線路標準、地形、地質等條件選定隧道位置和長度。選線應作多種方案的比較。長隧道要考慮輔助坑道和運營通風的設定。洞口位置的選擇要依據地質情況。考慮邊坡和仰坡的穩定，避免塌方。
縱斷面設計 沿隧道中線的縱向坡度要服從線路設計的限制坡度。因隧道內濕度大，輪軌間粘著係數減小，列車空氣阻力增大，因此在較長隧道內縱向坡度應加以折減。縱坡形狀以單坡和人字坡居多，單坡有利於爭取高程，人字坡便於施工排水和出碴。為利於排水，最小縱坡一般為2‰～3‰。
橫斷面設計 隧道橫斷面即襯砌內輪廓，是根據不侵入隧道建築限界而制定的。中國隧道建築限界分為蒸汽及內燃機車牽引區段、電力機車牽引區段兩種，這兩種又各分為單線斷面和雙線斷面。襯砌內輪廓一般由單心圓或三心圓形成的拱部和直邊牆或曲邊牆所組成。在地質鬆軟地帶另加仰拱。單線隧道軌面以上內輪廓面積約為27～32平方米，雙線約為58～67平方米。在曲線地段由於外軌超高車輛傾斜等因素，斷面須適當加大。電氣化鐵路隧道因懸掛接觸網等應提高內輪廓高度。中、美、蘇三國所用輪廓尺寸為：單線隧道高度約為 6.6～7.0米、寬度約為4.9～5.6米；雙線隧道高度約為7.2～8.0米，寬度約為8.8～10.6米。在雙線鐵路修建兩座單線隧道時,其中線間距離須考慮地層壓力分布的影響,石質隧道約為20～25米，土質隧道應適當加寬。
輔助坑道設計 輔助坑道有斜井、豎井、平行導坑及橫洞四種。斜井是在中線附近的山上有利地點開鑿的斜向正洞的坑道。斜井傾角一般在18°～27°之間，採用卷揚機提升。斜井斷面一般為長方形,面積約為8～14平方米。豎井是由山頂中線附近垂直開挖的坑道，通向正洞。其平面位置可在鐵路中線上或在中線的一側（距中線約20米）。豎井斷面多為圓形，內徑約為4.5～6.0米。平行導坑是距隧道中線17～25米開挖的平行小坑道，以斜向通道與隧道連線，亦可作將來擴建為第二線的導洞。中國自1957年修建川黔鐵路涼風埡鐵路隧道採用平行導坑以來,在58座長3公里以上的隧道中約有80％修建了平行導坑。橫洞是在傍山隧道靠河谷一側地形有利之處開闢的小斷面坑道。
此外，隧道設計還包括洞門設計，以及開挖方法和襯砌類型的選擇等。
隧道貫通控制測量 隧道測量是為了保證測量的中線和高程在隧道貫通面處的偏差不超出規定的限值。
中線平面控制 長隧道以往多用三角網，短隧道多用導線法，藉以控制中線的偏差。自50年代以來，中國在 1公里以上長度的隧道測量中採用導線法也能控制隧道的貫通誤差。光電測距儀的出現和發展，解決了量距的困難。山嶺隧道洞外及洞內都採用主副閉合導線法，即在主導線上測角並用光電測距儀量距，在副導線上只測角不量距。由主副導線所組成的多邊形，只平差其角度，不平差其長度。這樣主副導線法比三角網法簡單實用，比單一導線法可靠。中國大瑤山雙線隧道即採用主副閉合導線法作為中線平面控制。
在隧道進行中線測量以前，就要考慮將來隧道打通後的偏差數值。根據隧道的長度和平面形狀，在地形圖上先行布置測點的位置和預計的貫通點，並在平面圖上量出必要的尺寸，再根據規範規定的極限誤差試算出測角和量距的必要精度，然後進行測量。這個過程叫做測量設計或叫做隧道貫通誤差的預計。4公里以下的隧道中線貫通極限誤差為±100毫米;4～8公里的隧道中線貫通極限誤差為±150毫米。
高程控制 短隧道套用普通水平儀，長隧道套用精密水平儀即能保證需要達到的精度。高程貫通極限誤差為±50毫米。
隧道開挖 開挖方法分為明挖法和暗挖法。明挖法多用於淺埋隧道或城市鐵路隧道，而山嶺鐵路隧道多用暗挖法。按開挖斷面大小、位置分，有分部開挖法和全斷面開挖法。在石質岩層中採用鑽爆法最為廣泛，採用掘進機直接開挖也逐漸推廣。在鬆軟地質中採用盾構法開挖較多。
鑽爆法 在隧道岩面上鑽眼，並裝填炸藥爆破，用全斷面開挖或分部開挖等將隧道開挖成型的施工方法。
鑽爆法開挖作業程式包括鑽孔、裝藥、爆破、通風、支護、裝碴、運輸等工序。
①鑽孔：要先設計炮孔方案，然後按設計的炮孔位置、方向和深度嚴格鑽孔。單線隧道全斷面開挖，採用鑽孔台車配備中型鑿岩機，鑽孔深度約為2.5～4.0米。雙線隧道全斷面開挖採用大型鑿岩台車配備重型鑿岩機，鑽孔深度可達5.0米。炮孔直徑約為 4～5厘米。炮孔分為掏槽孔（開闢臨空面）、掘進孔（保證進度）和周邊孔（控制輪廓）。
②裝藥：在掘進孔、掏槽孔和周邊孔內裝填炸藥。一般裝填硝胺炸藥，有時也用膠質炸藥。裝填炸藥率約為炮眼長度的60％～80％，周邊孔的裝藥量要少些。為縮短裝藥時間,可把硝胺炸藥製成長的管狀藥卷,以便填入炮眼；也可利用特製的裝藥機械把細粒狀藥粉射入炮孔中。
③爆破：19世紀上半期以前用明火起爆。1867年美國胡薩克鐵路隧道開始採用電力起爆。此後，電力起爆逐漸推廣。在全斷面掘進中，為了減低爆破對圍岩的震動和破壞，並保證爆破的效果，多採用分時間階段爆破的電雷管或毫秒雷管起爆。一般拱部採用光面爆破，邊牆採用預裂爆破。近期發展的非電引爆的導爆索套用日益廣泛。
④施工通風：排出或稀釋爆破後產生的有害氣體和由內燃機產生的氮氧化物及一氧化碳,同時排除煙塵,供給新鮮空氣，藉以保證隧道施工人員的安全和改善工作環境。通風可分主要系統和局部系統。主要系統可利用管道（直徑一般為1～1.5米，也有更大的）或巷道（平行導坑等），配以大型或中型通風機；局部系統多用小型管道及小型通風機。巷道通風多採用吸出式，將污濁空氣吸出洞外，新鮮空氣由正洞流入。新鮮空氣不易達到的工作面，須採用局部通風機補充壓入。
⑤施工支護：隧道開挖必須及時支護，以減少圍岩鬆動，防止塌方。施工支護分為構件支撐和噴錨支護。構件支撐一般有木料、金屬、鋼木混合構件等，現在使用鋼支撐者逐漸加多。噴錨支護是20世紀50年代發展起來的一種支護方法，其特點是支護及時、穩固可靠，具有一定柔性，與圍岩密貼，能給施工場地提供較大活動空間。中國在一些老黃土隧道中套用噴錨支護也獲得成功。噴射混凝土工藝分為乾噴和濕噴。現多採用乾噴法，即將乾拌混凝土內摻入一定數量的速凝劑，用壓縮空氣將混凝土由管內噴出。在噴口加水射到岩石面上，一次可噴3～5厘米厚度。在噴射混凝土中摻入一些鋼纖維，或在岩面掛鋼絲網可提高噴錨支護的強度。鋼錨桿安設在岩層面上的鑽孔內,其長度和間距視圍岩性質而定,一般長度為2～5米，通常用樹膠和水泥漿沿桿體全長錨固。在岩層較好地段僅噴混凝土即可得到足夠的支護強度。在圍岩堅硬穩定的地段也可不加支撐。在軟弱圍岩地段噴錨可以聯合使用，錨桿應加長，以加強支護力。
⑥裝碴與運輸：在開挖作業中，裝碴機可採用多種類型，如後翻式、裝載式、扒斗式、蟹爪式和大鏟斗內燃裝載機等。運輸機車有內燃牽引車、電瓶車等，運輸車輛有大斗車、槽式列車、梭式礦車及大型自卸汽車等。運輸線分有軌和無軌兩種。
由鑽孔直到出碴完畢稱為一個開挖循環。根據中國的經驗，在單線全斷面開挖中24小時能作兩個循環，每個循環能進3.5米深度，每日單口進度可達7米。然而在開挖中難免遇到斷層或鬆軟石質以及湧水等，不易保持每日的預計循環，所以每月單口實際進度多低於200米。中國成昆線蜜蜂箐單線隧道單口最高月進度曾達到 200米。日本大清水雙線隧道單口最高月進度曾達到 160米。開挖循環作業的特點是一個工序接一個工序必須逐項按時完成，否則前一工序推遲就會影響下一工序，因而拖長全部時間。其中最主要的工序為鑽孔及出碴，所用時間占全部作業時間比例較大。
鑽爆法開挖採用的方法有全斷面開挖法和分部開挖法。
①全斷面開挖法：一次開挖成型的方法。一般採用帶有鑿岩機的台車鑽孔，用毫秒爆破，噴錨支護。還要有大型裝碴運輸機械和通風設備。全斷面開挖法又演變為半斷面法。半斷面法是弧形上半部領先，下半部隔一段距離施工。
②分部開挖法：先用小斷面超前開挖導坑,然後,將導坑擴大到半斷面或全斷面的開挖方法。這種方法主要優點是可採用輕型機械施工，多開工作面，各工序間拉開一定的安全距離。缺點是工序多,有干擾,用人多。根據導坑在隧道斷面的位置分為：上導坑法、中央導坑法、下導坑法以及由上下導坑互相配合的各種方法，另有把全斷面縱向分為台階進行開挖，而各層台階距離較短的台階法。
上導坑法適用於軟弱岩層、襯砌順序是先拱後牆，曾於1872～1881年為聖哥達隧道採用。中國短隧道一般用這種方法。中央導坑法是導坑開挖後向四周打輻射炮眼爆破出全斷面或先擴大上半部。20世紀初美洲曾用這種方法，20年代美國新喀斯喀特隧道也用這種方法。下導坑法即下導坑領先的方法。其中包括：a.上下導坑法，利用領先的下導坑向上預打漏斗孔，便於開展上導坑等多工序平行作業。襯砌順序多用先拱後牆，遇圍岩較好時亦可改為先牆後拱。b.漏斗棚架法，適用於堅硬地層，以下導坑掘進領先，由下而上分層開挖，設棚架，先襯砌邊牆後砌拱。1961～1966年在中國成昆線關村壩鐵路隧道套用,1964年復工後取得平均單口月成洞152米的進度。c.蘑菇形法，同漏斗棚架法類似，也設棚架，但先襯砌拱部後砌邊牆。1971～1973年在枝柳線彭莫山單線隧道套用,取得平均單口月成洞132米的進度。d.側壁導坑法，兩個下導坑領先，環形開挖，最後挖掉中心土體，襯砌順序為先牆後拱，多用於圍岩很差的雙線隧道。也有採用上導坑領先及兩個下導坑成品字形的。
全斷面開挖法和分部開挖法是鑽爆法開挖常用的方法，但隧道施工很複雜，時常遇到各種困難情況，如大斷層、流沙、膨脹地層、溶洞、大量湧水等，尚需採取相應措施。
盾構法 採用盾構作為施工機具的隧道施工方法。1825年在倫敦泰晤士河水下隧道首先試用盾構，並獲得成功。此後，鬆軟地質多採用盾構法開挖。盾構是一種圓形鋼結構開挖機械，其前端為切口環，中間為支撐環，後端為盾尾。開挖時，切口環首先切入地層並能掩護工人安全地工作;支撐環是承受荷載的主要部分,其中安設多台推進盾構的千斤頂及其他機械；盾尾隨著上述兩部分前進，保護工人安裝鑄鐵管片或鋼筋混凝土管片。盾構法適用於鬆軟地層，施工安全，對地層擾動少，控制圍岩周邊準確，極少超挖。日本丹那鐵路隧道曾採用盾構法施工。
掘進機法 在整個隧道斷面上，用連續掘進的聯動機施工的方法。早在19世紀50年代初，美國胡薩克隧道就試用過掘進機，但未成功。直到20世紀50年代以後才逐漸發展起來。掘進機是一種用強力切割地層的圓形鋼結構機械，有多種類型。普通型的掘進機的前端是一個金屬圓盤，以強大的鏇轉和推進力驅動鏇轉，圓盤上裝有數十把特製刀具，切割地層，圓盤周邊裝有若干鏟斗將切割的碎石傾入皮帶運輸機，自後部運出。機身中部有數對可伸縮的支撐機構，當刀具切割地層時，它先外伸撐緊在周圍岩壁上，以平衡強大的扭矩和推力。掘進機法的優點是對圍岩擾動少,控制斷面準確，無超挖,速度快，操作人員少。
隧道襯砌 隧道開挖後，為使圍岩穩定，確保運營安全，需按一定輪廓尺寸建造一層具有足夠強度的支護結構，這種隧道支護結構稱為隧道襯砌。常用的襯砌種類有就地灌注混凝土類、預製塊拼裝、噴錨或單噴混凝土、複合式襯砌。複合式襯砌是在噴錨或單噴支護之後，再就地灌注一層混凝土，形成噴錨支護同混凝土襯砌結合的複合式襯砌結構。如遇有水地段可在兩層支護間加掛一層塑膠板或做其他防水層。
發展趨勢 在隧道工程中，噴錨支護有可能取代構件支撐。噴錨支護的主要優點是支護及時,安全可靠,並能大量節約木材和鋼材。歐洲一些國家在較弱地層的大斷面爆破後，採用長錨桿結合噴混凝土做支護，已獲得成功。中國亦曾在老黃土隧道開挖中使用噴錨支護。自噴錨支護髮展後，對較弱岩層也可進行全斷面開挖，以全斷面開挖取代分部開挖。
在岩石地層中採用全斷面開挖及噴混凝土襯砌，其質量好壞首先取決於光面爆破。運用新奧法原理，考慮圍岩自身承載能力，可在坑道爆破後儘早採用單噴或噴錨作初期支護，隨即連續量測位移，判定圍岩基本穩定時間，再進行二次支護，這樣可以建成較經濟的襯砌結構。
掘進機開挖法正在不斷研究改進，並生產出各種新機械,其套用有廣闊前景。液壓鑿岩機不斷更新完善,使隧道開挖進度大大提高。光電測量儀器和雷射導向設備的使用，使長隧道施工精確程度有所提高。目前，航空勘測、遙感技術、物探技術、岩層中應力應變的量測技術、電子計算機技術等的廣泛套用，使隧道勘測設計技術水平也有很大提高。水平鑽探技術和預灌漿技術的不斷提高，有可能提高隧道開挖過程的安全性，並能保證隧道工程的質量。
