隧道工程地质

(一)隧道工程基本概念

隧道是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的工程建筑物。隧道工程有两方面的含义:一方面是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护，是一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支;另一方面也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物(王毅才，2007;宋玉香，2007)。

在修建隧道时，一般先在地层内挖出具有一定几何形状的“坑道”，如圆形、矩形、马蹄形等，由于地层被挖开后，容易变形、塌落或有水涌入，所以除了在极为稳固的地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，或称之为“衬砌”，以保证使用安全。衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费又能稳固。

以交通为用途的隧道，其两端将自地面引入。隧道端部外露面，一般都修筑为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构，称为“洞门”。此外，为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物:如为工作人员在隧道内进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的“避车洞”;为了保证车辆正常运行而设置的照明设施;为了排除隧道内渗入的地下水而设置的防水设备及排水设备;为了净化隧道内车辆所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统等。

(二)隧道的种类及其作用

隧道的种类繁多，从不同的角度有不同的分类方法。从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道;从埋置的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道;从隧道所在位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。分类比较明确的还是按照它的用途划分，可以有以下的分类(彭方敏、刘小兵、陈秋南，2007;宋玉香，2007)。

1. 交通隧道

这是隧道中为数最多的一种。它们的作用是提供运输的孔道。

(1)铁路隧道。我国内地有许多地势起伏、山峦纵横的山区。铁路穿越这些地区时，往往会遇到高程障碍。而铁路的坡度平缓，无法拔起需要的高度，同时，限于地形又无法绕避，这时，开挖隧道直接穿山而过最为合理。它既可使线路顺直，避免许多无谓的展线，使隧道缩短;又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。所以，在铁路线上，尤其是在山区铁路线上，隧道方案常为人们所选用，修建的数目也越来越多。例如，川黔线上的凉风垭隧道，使铁路跨越分水岭时，拔起高度小、展线短、线路顺直、造价也低，越岭高度降低了96m，线路长度缩短了14.7km，并避免了不良地质区域。宝成线宝鸡至秦岭一段线路上就密集地设有48座隧道，总延长为17.1km，占线路总延长的37.75%。而宜万铁路，隧道所占比重达52%。由此可见，隧道在山区铁路线上起着十分重要的作用。

(2)公路隧道。公路的限制坡度和最小曲线半径都没有铁路那样严格。所以，以往的山区公路为节省工程造价，常常是宁愿绕行，多延长一些距离，而不愿修建费用高昂的隧道。因此，过去公路隧道为数不多。但是，随着社会生产的发展，高速公路逐年增多，它要求线路顺直、平缓、路面宽敞，于是在穿越山区时，也常采用隧道方案。此外，在城市附近，为避免平面交叉，利于高速行车，也常采用隧道方案。这类隧道在改善公路技术状态和提高运输能力方面起到了很好的作用。铁路隧道与公路隧道按长度分类如表2-26所示。

表2-26 铁路与公路隧道按长度分类

(3)地下铁道。地下铁道是解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题，而又能大量快速运送乘客的一种城市轨道交通运输设施。它可以使很大一部分地面客流转入地下而不占用地面面积。它没有平面交叉，而各走上下行线，因而可以高速行车，并且可缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。迄今为止，我国大部分的一线城市正大规模兴建城市地下铁道，北京、上海、广州、武汉、成都等城市已开始营运，它们为改善城市交通状况、减少交通事故起到了有力的作用。

(4)水底隧道。当交通线需要横跨河道时，一般可以采用架桥或是轮渡的方式通过。但是，如果在城市区域内，河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，一时无法抬起必要的高度时，就难以克服这一矛盾。此时，采用水底隧道就可以解决。它不但避免了风暴天气轮渡中断的情况，而且在战时不致暴露交通设施的目标，是国防上的较好选择。我国上海横跨黄浦江，全长2793m的越江水底隧道，把黄浦江两岸的交通连接起来。1993年建成的广州珠江水底隧道，属我国第一条采用沉埋法修建的隧道(地铁与公交、市政管道共用，长1.23km)。1995年又在宁波甫江建成了第二条沉管水底隧道(高速公路，长1.019km)。京沪高速铁路在跨越长江时，亦采用长16.74km的沉管隧道方案。

(5)航运隧道。当运河需要越过分水岭时，如何克服高程障碍成为十分困难的问题。一般需要绕行很长的路程。如果层层设立船闸则建设投资很大，运转和维修的费用也很高，而且过往船只延误时间很多。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短航程，又可以省掉船闸的费用，迅速而顺直地驶过，航运条件就可大为改善。

(6)人行地道。城市闹区中，行人众多，往来交错，而且与车辆混行，偶有不慎便会发生交通事故。在横跨十字路口处，即使有指示灯和人行横道线，但快速的机动车，也不得不频频地减速，甚至要停车避让。为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高跨桥以外，也可以修建人行地道。这样可以缓解地面交通互相交叉的繁忙景象，也可大大减少交通事故。

2. 水工隧道

它是水利枢纽的一个重要组成部分。水工隧道有如下几种。

(1)引水隧道。它把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。引水隧道有的内部充水而内壁承压，有的只是部分过水，因而内部只受大气压力而无水压，分别称之为有压隧道和无压隧道。

(2)尾水隧道。它是把发电机组排出的废水送出去的隧道。

(3)导流隧道或泄洪隧道。它是水利工程中的一个重要组成部分。由它疏导水流并起到补充溢洪道流量超限后的泄洪作用，如举世瞩目的三峡工程即建有导流隧道。

(4)排沙隧道。它是用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带送出水库。有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。

3. 市政隧道

它是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。由于城市不断发展，工商各业日趋繁荣，人民生活水平逐步提高，对公用事业的要求也越来越高。许多城市不得不利用地下空间，把它们安置在地下，既不占用地面面积，又不致扰乱高空位置和损伤市容的整齐。市政隧道有如下几种。

(1)给水隧道。城市自来水管网遍布市区，必须有地下的孔道来容纳安置这些管道。它既不占用地面，也避免遭受人为的损坏。

(2)污水隧道。城市污水，除一部分可以净化返用外，仍有大部分的污水需要排放到城市以外的河流中去。这就需要有地下的排污隧道。这种隧道可能是本身导流排送，此时隧道的形状多采用卵形;也可能是在孔道中安放排污管，由管道排污。一般排污隧道的进口处，多设有拦渣隔栅，把漂浮的杂物拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。

(3)管路隧道。城市中，煤气、暖气、热水的供给等，都需要把管路放置在地下的孔道中，经过防漏及保温措施，把这些能源送到各家各户。

(4)线路隧道。城市中，输送电力的电缆以及通讯的电缆，都安置在地下孔道中，这样既可以保证不为人们的活动所损伤或破坏，又可免得悬挂高空，有碍市容观瞻。这些地下孔道多半是沿着街道两侧铺设的。

(5)人防隧道。为了战时的防空目的，城市中需要建造人防工程。在受到空袭威胁时，市民可以进入供躲避用的庇护所。人防工程除应设有排水、通风、照明和通讯设备以外，在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。同时，并要做到多洞连通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。

4. 矿山隧道

在矿山开采中，常设一些隧道，从山体以外通向矿床。

(1)运输巷道。向山体开凿隧道通到矿床，并逐步开辟巷道，通往各个开采面。前者称为主巷道，为地下矿区的主要出入口和主要的运输干道。后者分布如树枝状，分向各个采掘面，此种巷道多用临时支撑，仅供作业人员进行开采工作的需要。

(2)给水隧道。送入清洁水为采掘机械使用，并将废水及积水通过泵抽排出洞外。

(3)通风隧道。矿山地下巷道穿过许多地层，将会有多种地下气体涌入巷道中来，再加上采掘机械不断排出废气，还有工作人员呼出气体，使得巷道内空气变得污浊。如果地下气体含有瓦斯，在含量达到一定浓度后，将会发生危险，轻者致人窒息，重则引起爆炸。必须及时把有害气体排除出去。因此需要设置通风巷道，用通风机把污浊空气抽出去，并把新鲜空气补进来。

(三)隧道工程的主要工程地质问题

一些规模较大的长隧道，常是稳定线路和影响工程的控制性工程。它深埋于地下，故遇到的工程地质问题很多，最主要的有:①隧道围岩的稳定性;②隧道涌水、地温及有害气体;③隧道进出口的稳定问题(张咸恭、王思劲等，2000)。

1. 隧道围岩的稳定性

隧道围岩系指隧道周围一定范围内，对隧道稳定性能产生影响的岩体。隧道穿山越岭时，破坏了原有的应力平衡，而在隧道围岩中产生新的应力和变形，这种应力以及松动岩层作用在衬砌上的压力称为围岩压力。围岩压力是评定隧道围岩稳定性的主要内容。隧道围岩稳定性评价，通常采用工程地质分析和力学计算相结合的方法，这里只介绍工程地质分析法，关于力学计算可参阅有关专著。

影响隧道围岩稳定性的主要地质因素有如下几种。

(1)围岩的完整性，如围岩地质构造复杂，地质构造变动大和受强烈风化时，围岩完整性差，稳定性一般不好。

(2)围岩的软硬程度及厚度，硬者、厚者强度大，稳定性就好。

(3)地下水的活动会改变岩石的物理力学性质，降低岩体强度，并能加速岩石风化破坏。

地下水在软弱结构面中活动，可起软化、润滑作用，产生动水压力和冲刷现象，使黏土体积膨胀，地层压力增大，这些会降低围岩的稳定性。关于隧道围岩的稳定性可参看《公路工程地质勘察规范》附录G，根据围岩主要工程地质特征(岩石等级、地质构造影响程度、节理和裂隙发育程度、岩层厚度、风化程度及地下水情况等)、围岩的结构特征和完整状态进行分类评定。

2. 隧道涌水、地温及有害气体

(1)隧道如穿过含水层时，隧道会产生涌水，增大施工困难。当隧道穿过储水构造、充水洞穴、断层破碎带时，特别是受承压水作用时，会遇到突发性的大量涌水，应有所预防。

(2)地温。在开挖深埋山岭隧道时，地温是一个重要问题。一般人在潮湿的坑道中，当温度达到40℃时，就不能正常工作，必须采取降温措施。

(3)有害气体。在开挖隧道时，常会遇到各种易燃、易爆、对人体有害的气体。常见的有:①甲烷(CH4)为易燃、易爆的气体，在煤系、含油、含碳和沥青地层中常有甲烷等碳氢化合物;②二氧化碳( CO2)为无毒的窒息性气体，在含碳地层常会遇到;③氮(N)为无毒的窒息性气体;④硫化氢(H2S)为易燃的有毒气体，溶于水生成淡硫酸液，对隧道衬砌的石灰浆、混凝土及金属有腐蚀作用，在硫化矿床或其他含硫地层中会遇到。

3. 隧道进出口稳定性

隧道进出口地段的稳定与否，一则影响隧道掘进的安全和速度;二则影响着隧道的正常运营。

通常洞口多采取深堑形式。洞口的主要工程地质问题是边坡、仰坡的变形问题。因为边坡、仰坡的变形常引起洞门开裂、下沉、外仰或坍毁等病害，给洞身的施工及以后的运营都会造成威胁。洞口仰坡与一般边坡不同，由于仰坡基座中间受横向掏空，故上部岩体所处的应力环境甚为复杂。在一般边坡易发生变形的地段，仰坡亦多发生变形，特别是第四纪松散堆积物较厚的地区，洞口仰坡更易发生变形。因此宜以“早进洞晚出洞”“避免深堑”的原则来防治进出口的稳定问题。应尽可能选在新鲜基岩出露处或风化层较薄的部位，易于汇水的凹地、冲沟之沟口不宜选作洞口。洞口一定要高于多年最大洪水位之上。

对于山岭隧道而言，除以上问题外，应特别注意洞内膨胀岩、断裂构造及断层破碎带、高地应力、偏压、高地温、岩溶等引起的工程地质问题，当隧道存在上述某种或几种工程地质问题时，就必须对其进行分析研究及评价。