隧道的产生和发展概况

1．1．1　历史演进方面

所谓隧道，OECD（世界经济合作与发展组织）在1970年从技术方面给出的定义为：以任何方式修建，最终使用于地表以下的条形建筑物，其内部空洞净空断面在2 m2以上的均称为隧道。这一定义通过将净空面积与结构相关的力和安全引入进来，从而区别于因动植物活动形成的狭小空间。

隧道的产生和发展和人类的文明历史发展是相呼应的，大致可以分为以下四个时代。

1）原始时代

公元前3000年以前，无论是远古时代北京猿人的洞穴，还是近古时代山顶洞猿人的洞穴，其实隧道的雏形早在人类进化的过程就已显端倪。人类或栖居于天然的洞穴，或利用兽骨、石器等工具在自身稳定而无须支撑的地层中开挖洞穴，防御自然威胁。

2）近古时代

公元前3000年至公元5世纪，这一时代修建的隧道更多是用于统治者“灵魂永在”的地下墓穴，以及出于生活和军事防御目的的早期隧道结构物。

我国最早有文字记载的地下人工建筑物出现在东周初期，约公元前700年枟左传枠中有“……掘地及泉，隧而相见……”的记载。最早用于交通的隧道为褒城褒斜道南端“以火煅之”的石门隧道，位于今陕西省汉中县褒谷口内，建于东汉明帝永平九年（公元前66年）。

在国外其他古代文明地区也有很多著名的古隧道，公元前2200年间的古巴比伦王朝为连接宫殿和神殿而修建了长约1km、断面为3．6m×4．5m的砖砌构造隧道，采用明挖法建造，是迄今已知的最早的交通隧道。古罗马曾经在凝灰岩中凿成了垂直边墙无衬砌引水隧道———婆西里勃隧道（公元前36年），位于今意大利境内那不勒斯与普佐利之间，应是现存最大的古隧道建筑物，至今仍可使用。

3）中世纪时代

中世纪时代指约5世纪至16世纪的一千余年，这一时期主要以疆域开拓和资源开发为特征，隧道建设更多体现为矿山工程和地下军事防护工程，隧道建筑技术发展缓慢。人们利用棚架支撑岩层和卷扬提升土石，从两端洞口开挖隧道，隧道施工方法或开挖方式更多体现为满堂支护，故也被称为“矿山法”。

4）近代和现代

近代和现代即从17世纪以后的产业革命开始，这一时期由于动力机械和炸药的发明和应用，迎来了隧道开挖技术的曙光，使隧道技术得到极大的发展，应用范围迅速扩大。除采矿外，隧道还用于灌溉、运河、公路和铁路等工程以及因城市发展而修建的地铁、输水工程等。

从17世纪起，欧洲陆续修建了许多运河隧道，其中法国的马尔派司运河隧道，建于1678—1681年，长157m，它可能是最早用火药开凿的航运隧道。1820年以后铁路成为新的运输手段，1827年在英国、1837年在法国先后开始修建铁路隧道。随着铁路运输事业的发展，隧道也越来越多，先从当时经济比较发达的欧洲各国开始，然后是美国和明治维新后的日本。1895—1906年，出现了长19．73km，穿越阿尔卑斯山的最长铁路隧道。目前最长的铁路隧道为瑞士中部阿尔卑斯地区戈特哈德铁路隧道，已于2010年10月15日贯通，全长57km。我国第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道，1903年建成第一座长度超过3km的兴安岭隧道。第一座用于现代交通的水底隧道是1807年开工的伦敦泰晤士河下公路隧道。施工过程中该隧道因水急而停工，1823年由法国工程师勃吕奈尔接手，历时18年用盾构完成。较为完善的水底道路隧道建成于1927年，是位于纽约哈德逊河底的荷兰隧道。我国第一条水底公路隧道是1970年建成的上海黄浦江水底隧道。19世纪初，欧洲的法、意、瑞士等国就已在山区修建公路隧道。2001年初投入运营的挪威西部的奥兰德—拉达尔隧道长24．5km，是目前世界最长的公路隧道。

1．1．2　施工方法方面

隧道工程的施工条件极其恶劣，体力劳动强度和施工难度都相当大。为减轻劳动强度，人们一直在做不懈的努力。古代一直使用“火焚法”和铁锤钢钎等原始工具进行开挖，直到19世纪才开始采用钻爆作业，至今大约有一百多年的历史。在此期间发明了凿岩机，经过将近一个世纪的努力，发展成为今天的高效率大型多头摇臂钻机，把工人们从繁重的体力劳动中解放出来。爆破技术也在不断发展，从早期的导火索、火雷管引爆，发展到点雷管毫秒引爆和导爆管非电雷管起爆等，而为减少对围岩的扰动，已实现光面爆破、预裂爆破等。和钻爆开挖法完全不同的还有两种机械开挖法：一种是用于软土地层的盾构机，发明于1823年，经过一个半世纪的不断改进，已经从手工开挖式盾构，发展到半机械化乃至全机械化盾构，能广泛用于各种复杂的软土地层的掘进；另一种是用于中等和坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。1881—1883年隧道掘进机首次试掘成功，目前已经发展成大断面（直径10m以上）的带有激光导向和随机支护装置的先进的掘进机，机械化程度大大提高，加上辅助的通风除尘装置，使工作环境得到很大改善。

1．1．3　有关地层稳定计算理论方面

隧道是一种地下结构物，如何判断评估地层的稳定性直接关系到隧道的结构设计和施工安全问题。

隧道工程最早的专门著作，可能要推1556年德国人乔治·包尔（Georg Bauer）所著的枟采矿冶炼手册枠（De Re Metellica），虽然那时还没有开始用火药开矿。地层压力的研究开始于14世纪。此后随着采矿和隧道工程的发展，地层压力理论也相应地有所发展。这种研究基本上沿着两个方向进行：一个是把地层视为松散构造的散粒体理论；另一个是把地层视为连续弹性体的弹塑性理论。近百年来，从理论到工程实践，人们对地层压力进行了极其广泛深入的研究，也取得了不少成果，但至今仍未得到系统、圆满、严密的理论。

20世纪初（1907年），俄国学者M·M·普罗托奇雅阔诺夫（简称普氏）以均质松散体为基础，提出了地层压力的计算方法。普氏理论公式又称自然平衡拱理论，其要点是将围岩视为具有一定粘结力的松散体，洞室开挖后能够在其顶部形成稳定的压力拱，作用在支护上的压力仅为压力拱与支护之间松散岩体的质量。W·利特也认为：对于深埋隧道，作用在支护上的垂直围岩压力，不是洞顶的整个岩柱质量引起的，仅为洞顶某一曲线拱范围内的松动岩块质量引起的。

太沙基（1925年）以松散介质平衡理论为基础，认为岩体为有一定粘结力的松散介质，当隧道或坑道开挖后，围岩下沉时由于侧压力的作用，在土层破裂面拱顶上方的垂直面上对下沉围岩产生摩阻力。与太沙基方法类似，A·毕尔鲍曼对浅埋隧道荷重范围进行了修正。

新奥法（NATM，是New Austrian Tunnelling Method的简称）是以拉布希维兹（L．V．Rab唱cewicz）、米勒（L．Muller）等人为代表的奥地利学者在总结前人经验的基础上，结合自己在隧道施工中的多年经验，于1962年在萨尔茨堡第二十届地质力学学术讨论会上提出，并于1964年枟水力发电枠杂志上公开发表的一套隧道施工步骤或理念（注：不仅仅是一种具体的施工方法）。

1980年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：“在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法。”这个定义扼要地揭示了新奥法最核心的理论要素———调动围岩的承载能力，变围岩本身为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环。