[科普中國]-公路隧道

發(fā)展歷史

公元前2180～前2160年左右，在幼發(fā)拉底河下修建的一條約900米長的磚襯砌人行通道，是迄今已知的最早用于交通的隧道，它是在旱季將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間開鑿的婆西里勃道路隧道，長約1500米，寬8米，高9米，是在凝灰?guī)r中鑿成的一條長隧道。中國最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石門隧道，建成于東漢永平九年（公元66年）。古隧道為省去襯砌，多建于較堅(jiān)硬的巖石中。隧道在施工時(shí)先將巖壁燒熱，隨即澆以冷水，使巖石先發(fā)脹后突然收縮而開裂，以利開鑿。在中世紀(jì)，隧道主要是用于開礦和軍事。17世紀(jì)和18世紀(jì)，隨著運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，尤其是工程炸藥的應(yīng)用，修建通航隧道和道路隧道的工程也發(fā)展起來。19世紀(jì)鐵路建筑的發(fā)展，促使隧道工程迅速發(fā)展，修建的隧道數(shù)量也很多。20世紀(jì)以來，汽車運(yùn)輸量不斷增加，公路路線標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高，公路隧道也逐漸增多。1

設(shè)計(jì)方法公路隧道的主體建筑物一般由洞身、襯砌和洞門組成，在洞口容易坍塌的地段，還加建明洞。隧道的附屬構(gòu)筑物有防水和排水設(shè)施、通風(fēng)和照明設(shè)施、交通信號設(shè)施以及應(yīng)急設(shè)施等。公路隧道設(shè)計(jì)通常先進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行隧道的平面和縱斷面、凈空、襯砌等具體設(shè)計(jì)。

方案設(shè)計(jì)在對隧道所處地區(qū)的地形、地質(zhì)、氣象、水文、社會和自然環(huán)境以及有關(guān)法規(guī)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對隧道的總體布局進(jìn)行全面的考慮；對隧道修建的工程量進(jìn)行大致的估算；對隧道施工安全性進(jìn)行認(rèn)真的分析：對隧道的用途和遠(yuǎn)期規(guī)劃進(jìn)行充分的估量；對環(huán)境的影響進(jìn)行綜合的評價(jià)，從而確定隧道修筑工程投資經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理、收益大的方案。這個過程就是方案設(shè)計(jì)。

平面和縱斷面設(shè)計(jì)隧道平面盡可能采用直線。在必須采用曲線時(shí)，應(yīng)盡可能采用大半徑曲線。同時(shí)要考慮到洞門位置，以及引線、輔助導(dǎo)坑、通風(fēng)豎井等輔助設(shè)施的位置等。隧道并設(shè)或交叉，或接近其他建筑物時(shí)，相互間應(yīng)有足夠的距離。洞門是隧道兩端的出入口，洞門位置的確定將影響到隧道的長度、線形和施工的難易。

公路隧道縱斷面的縱坡，一般在考慮使用要求、施工及排水等條件下盡可能取較平緩的坡度。縱坡坡度的確定，將影響車輛行駛時(shí)排出有害氣體的數(shù)量，施工出碴和運(yùn)送材料的效率，以及涌水排出的流速等。

凈空設(shè)計(jì)凈空是隧道襯砌內(nèi)輪廓線所包圍的空間。主要指標(biāo)是隧道的寬度和高度。設(shè)計(jì)公路隧道寬度時(shí)，一般是在路線的設(shè)計(jì)車速和交通量的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道長度、地質(zhì)條件、圍巖壓力、施工難易程度、通風(fēng)方式、排水等條件確定。公路隧道通常按汽車、自行車和行人同時(shí)通過來規(guī)劃。城市內(nèi)或市郊附近行人很多的隧道，可將行人與行車分設(shè)，山嶺地區(qū)修建的長大隧道，也可不設(shè)人行道。公路隧道凈空高度一般由汽車載貨的限制高度加上一定的富余量來確定的。隧道斷面為適應(yīng)圍巖壓力的要求，可采用馬蹄形、直墻拱形、圓形、矩形和帶仰拱的斷面等。

為了給車輛以設(shè)計(jì)速度安全行駛的最必要的空間，在公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對公路隧道規(guī)定了“建筑限界”。建筑限界的形狀和尺寸主要是根據(jù)車輛輪廓規(guī)定的。通風(fēng)道及其他附屬管線，可利用天棚以上或路面版以下的空間敷設(shè)。

隧道襯砌為防止土、石風(fēng)化和坍塌，阻止地下水流入隧道而沿隧道周邊建造的結(jié)構(gòu)物。通常用石料、混凝土和鋼筋混凝土就地砌筑，或用混凝土、鋼筋混凝土、鑄鐵或鋼材做成預(yù)制構(gòu)件拼裝而成。20世紀(jì)40年代末出現(xiàn)的噴射混凝土和錨桿支護(hù)是一種新型的支護(hù)形式。

施工方法公路隧道施工可分為明挖法和暗挖法兩大類。明挖法是先將地面挖開，在露天情況下修筑襯砌，然后再覆蓋回填。暗挖法是不挖開隧道上面的地層，在地下進(jìn)行開挖和修筑襯砌。暗挖法又可分為礦山法、盾構(gòu)法和隧道掘進(jìn)機(jī)法。

礦山法：又稱采礦法隧道施工，是巖石地層中修建隧道的一種方法。施工時(shí)先在隧道巖面上鉆眼，裝藥爆破成毛洞，再將全斷面按一定順序開挖至設(shè)計(jì)尺寸，然后順次修筑襯砌。在堅(jiān)硬地層中，圍巖有較好的整體性，坑道開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，可以少分塊，甚至一次就開挖出整個隧道斷面。在巖石不夠堅(jiān)硬完整的地層中開挖隧道時(shí)，一般需先開挖導(dǎo)坑（又稱導(dǎo)洞），設(shè)置臨時(shí)支撐，以防止土石坍塌。

導(dǎo)坑是為修筑隧道在斷面上最先開挖的小坑道。導(dǎo)坑的作用為：展開施工工作面；測定隧道開挖方向；復(fù)核地質(zhì)和水文地質(zhì)資料；鋪設(shè)施工用料和出碴的運(yùn)輸線路；排出地下水；敷設(shè)各種管道（水管、通風(fēng)管和輸送壓縮空氣的管道）和照明線路等。在修建長隧道時(shí)，一般先開鑿一條同隧道平行的施工輔助導(dǎo)坑，即平行導(dǎo)坑。在平行導(dǎo)坑內(nèi)每間隔一段距離開挖斜向坑道與隧道相接，以增加隧道施工時(shí)的工作面。需要時(shí)，平行導(dǎo)坑可擴(kuò)大為第二線隧道。

盾構(gòu)法：采用盾構(gòu)作為施工機(jī)具的施工方法，常用于松軟土壤中圓形斷面的隧道施工。盾構(gòu)的外殼是圓筒形的金屬結(jié)構(gòu)，前部為裝置開挖設(shè)備的切口環(huán)，中部為裝置推進(jìn)設(shè)備（千斤頂）的支承環(huán)，尾部為掩護(hù)拼裝襯砌工作的盾尾。盾構(gòu)法施工是在前部開挖地層，同時(shí)在尾部拼裝襯砌，然后用千斤頂頂住已拼裝好的襯砌將盾構(gòu)推進(jìn)，如此循環(huán)交替逐步前進(jìn)。盾構(gòu)種類很多，“膨潤土泥漿盾構(gòu)”處于領(lǐng)先地位，是利用泥漿護(hù)壁并作為攜運(yùn)廢碴的介質(zhì)，工作時(shí)不需使用損害工人健康的壓縮空氣，只需用水或“泥乳”作為掌子面的支護(hù)劑。

隧道掘進(jìn)機(jī)法：在整個隧道斷面上，用連續(xù)掘進(jìn)的聯(lián)動機(jī)施工的方法。掘進(jìn)機(jī)由旋轉(zhuǎn)式刀盤（盤上裝有滾刀和裝碴鏟斗）、石碴裝載設(shè)備、機(jī)身前進(jìn)的推進(jìn)裝置和支撐裝置、控制方向的激光準(zhǔn)直儀、安裝臨時(shí)支撐的設(shè)備及其他機(jī)械裝置組成。施工時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀盤承受很大的推力擠壓在隧道開挖面上旋轉(zhuǎn)，切削巖石，碎碴由刀盤四周的鏟斗提升到出碴槽內(nèi)，滑至輸送機(jī)，然后由其他運(yùn)輸機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)洞外。機(jī)身中部有幾對可伸縮的支撐裝置外伸，并撐緊在巖壁上，固定機(jī)身和傳送強(qiáng)大的扭矩與推力。完成一個行程后，收縮支撐使機(jī)身前進(jìn)到新位置，再重復(fù)這一動作。掘進(jìn)機(jī)具有掘進(jìn)速度快，操作安全，對圍巖擾動小等優(yōu)點(diǎn)，可用于中等堅(jiān)硬以下的巖石隧道工程。

通風(fēng)方式機(jī)動車輛通過隧道時(shí)排出的廢氣，含有多種對人體有害的物質(zhì)，柴油車排出的黑煙和車輛卷起的塵埃還會降低隧道內(nèi)的能見度。因此，通風(fēng)的目的就是要保證隧道內(nèi)空氣符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和有足夠的透光率。隧道通風(fēng)主要是采用從隧道外部引進(jìn)新鮮空氣的方法。由汽車活塞效應(yīng)所產(chǎn)生的交通風(fēng)風(fēng)量同自然風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)量總和，大于隧道內(nèi)相應(yīng)交通量所需通風(fēng)量時(shí)，采用自然通風(fēng)方式即可，否則需要采用機(jī)械通風(fēng)方式。隧道長度和交通量是選擇通風(fēng)方式的主要依據(jù)，此外還要考慮隧道種類、地形、地質(zhì)、氣象等影響因素。機(jī)械通風(fēng)方式按風(fēng)的流動方向可分為縱向式通風(fēng)和橫向式通風(fēng)。前者風(fēng)的流動方向與隧道軸線方向一致，后者風(fēng)的流動方向與隧道軸線方向正交。路線坡度、海拔標(biāo)高、車速以及隧道橫斷面面積，車流的構(gòu)成等，對通風(fēng)量均有影響。實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)的主要設(shè)備是通風(fēng)機(jī)，可分為軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)。

照明設(shè)施隧道照明指隧道內(nèi)的基本照明和洞口附近的緩和照明?；菊彰魇窃谒淼乐胁?，為保證以設(shè)計(jì)車速行駛的車輛和行人安全通過隧道所需要的最低照明標(biāo)準(zhǔn)。駕駛?cè)藛T由亮視場突然進(jìn)入暗視場時(shí)，視覺機(jī)能有一個適應(yīng)過程。為保證視覺機(jī)能的連續(xù)性，在洞外連接洞口的引道及駕駛員視野范圍內(nèi)，白天需要采取遮光措施，在洞內(nèi)連接洞口的一段長度里需要進(jìn)行緩和照明。同時(shí)，引道與洞內(nèi)緩和段之間的亮度變化率，應(yīng)有一個界限，以保證視覺連續(xù)和暗適應(yīng)的過度。緩和照明段的長度決定于停車視距或駕駛?cè)藛T的暗適應(yīng)時(shí)間與設(shè)計(jì)車速的乘積。

隧道的應(yīng)急設(shè)施指隧道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害性事故時(shí)，為防止釀成更大的次生性災(zāi)害而設(shè)置的各種設(shè)施。如通報(bào)裝置、緊急警報(bào)裝置、消防設(shè)備以及其他設(shè)施等。通報(bào)裝置能使事故發(fā)現(xiàn)者立即在現(xiàn)場或附近向隧道管理站報(bào)告；緊急警報(bào)裝置能向后續(xù)車輛和對行車輛的駕駛者發(fā)出緊急信號；消防設(shè)備指在隧道內(nèi)設(shè)置的滅火器、消火栓和噴霧設(shè)備等；其他設(shè)施包括待避引導(dǎo)設(shè)備、備用電源和監(jiān)視電視等。應(yīng)急設(shè)施費(fèi)用頗高，只有那些重要的、交通量大的長隧道才考慮使用。

內(nèi)部裝修隧道內(nèi)部裝修指隧道內(nèi)的路面鋪設(shè)，墻面和天棚的裝修，以及隧道內(nèi)吸聲設(shè)施的安裝等。路面應(yīng)用明亮的、橫向抗滑性能好的，便于養(yǎng)護(hù)的材料筑成。墻面用反射率好的材料裝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墻面材料。隧道內(nèi)車輛產(chǎn)生的噪聲在襯砌和路面上反射引起共鳴，殘余音響時(shí)間為洞外的數(shù)千倍，需要安裝吸聲設(shè)備。1