[科普中国]-公路隧道

发展历史

公元前2180～前2160年左右，在幼发拉底河下修建的一条约900米长的砖衬砌人行通道，是迄今已知的最早用于交通的隧道，它是在旱季将河流改道后用明挖法建成。公元前36年，在那不勒斯和普佐里之间开凿的婆西里勃道路隧道，长约1500米，宽8米，高9米，是在凝灰岩中凿成的一条长隧道。中国最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石门隧道，建成于东汉永平九年（公元66年）。古隧道为省去衬砌，多建于较坚硬的岩石中。隧道在施工时先将岩壁烧热，随即浇以冷水，使岩石先发胀后突然收缩而开裂，以利开凿。在中世纪，隧道主要是用于开矿和军事。17世纪和18世纪，随着运输事业的发展和技术的进步，尤其是工程炸药的应用，修建通航隧道和道路隧道的工程也发展起来。19世纪铁路建筑的发展，促使隧道工程迅速发展，修建的隧道数量也很多。20世纪以来，汽车运输量不断增加，公路路线标准相应提高，公路隧道也逐渐增多。1

设计方法公路隧道的主体建筑物一般由洞身、衬砌和洞门组成，在洞口容易坍塌的地段，还加建明洞。隧道的附属构筑物有防水和排水设施、通风和照明设施、交通信号设施以及应急设施等。公路隧道设计通常先进行方案设计，然后进行隧道的平面和纵断面、净空、衬砌等具体设计。

方案设计在对隧道所处地区的地形、地质、气象、水文、社会和自然环境以及有关法规调查的基础上，对隧道的总体布局进行全面的考虑；对隧道修建的工程量进行大致的估算；对隧道施工安全性进行认真的分析：对隧道的用途和远期规划进行充分的估量；对环境的影响进行综合的评价，从而确定隧道修筑工程投资经济、技术合理、收益大的方案。这个过程就是方案设计。

平面和纵断面设计隧道平面尽可能采用直线。在必须采用曲线时，应尽可能采用大半径曲线。同时要考虑到洞门位置，以及引线、辅助导坑、通风竖井等辅助设施的位置等。隧道并设或交叉，或接近其他建筑物时，相互间应有足够的距离。洞门是隧道两端的出入口，洞门位置的确定将影响到隧道的长度、线形和施工的难易。

公路隧道纵断面的纵坡，一般在考虑使用要求、施工及排水等条件下尽可能取较平缓的坡度。纵坡坡度的确定，将影响车辆行驶时排出有害气体的数量，施工出碴和运送材料的效率，以及涌水排出的流速等。

净空设计净空是隧道衬砌内轮廓线所包围的空间。主要指标是隧道的宽度和高度。设计公路隧道宽度时，一般是在路线的设计车速和交通量的基础上，根据隧道长度、地质条件、围岩压力、施工难易程度、通风方式、排水等条件确定。公路隧道通常按汽车、自行车和行人同时通过来规划。城市内或市郊附近行人很多的隧道，可将行人与行车分设，山岭地区修建的长大隧道，也可不设人行道。公路隧道净空高度一般由汽车载货的限制高度加上一定的富余量来确定的。隧道断面为适应围岩压力的要求，可采用马蹄形、直墙拱形、圆形、矩形和带仰拱的断面等。

为了给车辆以设计速度安全行驶的最必要的空间，在公路工程技术标准中对公路隧道规定了“建筑限界”。建筑限界的形状和尺寸主要是根据车辆轮廓规定的。通风道及其他附属管线，可利用天棚以上或路面版以下的空间敷设。

隧道衬砌为防止土、石风化和坍塌，阻止地下水流入隧道而沿隧道周边建造的结构物。通常用石料、混凝土和钢筋混凝土就地砌筑，或用混凝土、钢筋混凝土、铸铁或钢材做成预制构件拼装而成。20世纪40年代末出现的喷射混凝土和锚杆支护是一种新型的支护形式。

施工方法公路隧道施工可分为明挖法和暗挖法两大类。明挖法是先将地面挖开，在露天情况下修筑衬砌，然后再覆盖回填。暗挖法是不挖开隧道上面的地层，在地下进行开挖和修筑衬砌。暗挖法又可分为矿山法、盾构法和隧道掘进机法。

矿山法：又称采矿法隧道施工，是岩石地层中修建隧道的一种方法。施工时先在隧道岩面上钻眼，装药爆破成毛洞，再将全断面按一定顺序开挖至设计尺寸，然后顺次修筑衬砌。在坚硬地层中，围岩有较好的整体性，坑道开挖后围岩有一定的自稳能力，可以少分块，甚至一次就开挖出整个隧道断面。在岩石不够坚硬完整的地层中开挖隧道时，一般需先开挖导坑（又称导洞），设置临时支撑，以防止土石坍塌。

导坑是为修筑隧道在断面上最先开挖的小坑道。导坑的作用为：展开施工工作面；测定隧道开挖方向；复核地质和水文地质资料；铺设施工用料和出碴的运输线路；排出地下水；敷设各种管道（水管、通风管和输送压缩空气的管道）和照明线路等。在修建长隧道时，一般先开凿一条同隧道平行的施工辅助导坑，即平行导坑。在平行导坑内每间隔一段距离开挖斜向坑道与隧道相接，以增加隧道施工时的工作面。需要时，平行导坑可扩大为第二线隧道。

盾构法：采用盾构作为施工机具的施工方法，常用于松软土壤中圆形断面的隧道施工。盾构的外壳是圆筒形的金属结构，前部为装置开挖设备的切口环，中部为装置推进设备（千斤顶）的支承环，尾部为掩护拼装衬砌工作的盾尾。盾构法施工是在前部开挖地层，同时在尾部拼装衬砌，然后用千斤顶顶住已拼装好的衬砌将盾构推进，如此循环交替逐步前进。盾构种类很多，“膨润土泥浆盾构”处于领先地位，是利用泥浆护壁并作为携运废碴的介质，工作时不需使用损害工人健康的压缩空气，只需用水或“泥乳”作为掌子面的支护剂。

隧道掘进机法：在整个隧道断面上，用连续掘进的联动机施工的方法。掘进机由旋转式刀盘（盘上装有滚刀和装碴铲斗）、石碴装载设备、机身前进的推进装置和支撑装置、控制方向的激光准直仪、安装临时支撑的设备及其他机械装置组成。施工时，旋转刀盘承受很大的推力挤压在隧道开挖面上旋转，切削岩石，碎碴由刀盘四周的铲斗提升到出碴槽内，滑至输送机，然后由其他运输机械转运洞外。机身中部有几对可伸缩的支撑装置外伸，并撑紧在岩壁上，固定机身和传送强大的扭矩与推力。完成一个行程后，收缩支撑使机身前进到新位置，再重复这一动作。掘进机具有掘进速度快，操作安全，对围岩扰动小等优点，可用于中等坚硬以下的岩石隧道工程。

通风方式机动车辆通过隧道时排出的废气，含有多种对人体有害的物质，柴油车排出的黑烟和车辆卷起的尘埃还会降低隧道内的能见度。因此，通风的目的就是要保证隧道内空气符合卫生标准和有足够的透光率。隧道通风主要是采用从隧道外部引进新鲜空气的方法。由汽车活塞效应所产生的交通风风量同自然风产生的风量总和，大于隧道内相应交通量所需通风量时，采用自然通风方式即可，否则需要采用机械通风方式。隧道长度和交通量是选择通风方式的主要依据，此外还要考虑隧道种类、地形、地质、气象等影响因素。机械通风方式按风的流动方向可分为纵向式通风和横向式通风。前者风的流动方向与隧道轴线方向一致，后者风的流动方向与隧道轴线方向正交。路线坡度、海拔标高、车速以及隧道横断面面积，车流的构成等，对通风量均有影响。实现机械通风的主要设备是通风机，可分为轴流式通风机和离心式通风机。

照明设施隧道照明指隧道内的基本照明和洞口附近的缓和照明。基本照明是在隧道中部，为保证以设计车速行驶的车辆和行人安全通过隧道所需要的最低照明标准。驾驶人员由亮视场突然进入暗视场时，视觉机能有一个适应过程。为保证视觉机能的连续性，在洞外连接洞口的引道及驾驶员视野范围内，白天需要采取遮光措施，在洞内连接洞口的一段长度里需要进行缓和照明。同时，引道与洞内缓和段之间的亮度变化率，应有一个界限，以保证视觉连续和暗适应的过度。缓和照明段的长度决定于停车视距或驾驶人员的暗适应时间与设计车速的乘积。

隧道的应急设施指隧道内发生灾害性事故时，为防止酿成更大的次生性灾害而设置的各种设施。如通报装置、紧急警报装置、消防设备以及其他设施等。通报装置能使事故发现者立即在现场或附近向隧道管理站报告；紧急警报装置能向后续车辆和对行车辆的驾驶者发出紧急信号；消防设备指在隧道内设置的灭火器、消火栓和喷雾设备等；其他设施包括待避引导设备、备用电源和监视电视等。应急设施费用颇高，只有那些重要的、交通量大的长隧道才考虑使用。

内部装修隧道内部装修指隧道内的路面铺设，墙面和天棚的装修，以及隧道内吸声设施的安装等。路面应用明亮的、横向抗滑性能好的，便于养护的材料筑成。墙面用反射率好的材料装修能保持良好的照明效果，交通量大的重要隧道常采用便于清洗的墙面材料。隧道内车辆产生的噪声在衬砌和路面上反射引起共鸣，残余音响时间为洞外的数千倍，需要安装吸声设备。1