隧道

背景

隧道是主要水平的地下或水下通道。直径相对较小的管道带有公用事业管线或用作管道。通过铁路或汽车运送人员的隧道通常包括两个或三个平行的大通道，用于反向交通、服务车辆和紧急出口路线。

世界上最长的隧道将水从特拉华河运送到纽约市 105 英里（170 公里）。最长的载人隧道是青函铁路隧道。它是一条长 33 英里（53 公里）、直径 32 英尺（9.7 米）的铁路，连接日本最大的两个岛屿本州和北海道。

最受期待的隧道之一是英吉利海峡隧道。这条隧道于 1994 年竣工，通过三条 31 英里（50 公里）长的隧道（两条单向隧道和一条服务隧道）将英国与欧洲连接起来。这条隧道有 23 英里（37 公里）在水下。

历史

隧道是由印度和地中海地区的几个古代文明手工挖掘的。除了挖掘工具和铜岩锯外，有时还使用火加热岩石障碍物，然后用水将其弄碎。 4000 年前，巴比伦采用了明挖法——挖深沟，在沟内适当高度建造屋顶，并在屋顶上方覆盖沟（今天仍在使用的隧道技术）。

超越手工挖掘的第一个进步是 1681 年在法国使用火药炸毁了一条 515 英尺（160 米）长的运河隧道。接下来的两个主要进步发生在 1850 年左右。硝化甘油（以炸药的形式稳定）被取代隧道爆破中威力较小的黑火药。蒸汽和压缩空气被用于电钻，为炸药打孔。这种机械化最终取代了由“钢铁司机”约翰·亨利 (John Henry) 著名的手动过程，他每天用一只手挥动 10 磅 (4.4 公斤) 的大锤 12 小时，敲打深达 14 的钢凿子ft (4.2 m) 进入坚固的岩石。

1820 年至 1865 年间，英国工程师 Marc Brunel 和 James Greathead 开发了几种隧道盾构模型，使他们能够在泰晤士河下建造两条隧道。一个矩形或圆形的外壳（屏蔽）被水平和垂直分成几个隔间。在每个隔间里工作的人可以一次从盾牌表面取下一块木板，向前挖几英寸，然后更换木板。当空间从整个前表面挖开后，盾牌被向前推，重复挖掘过程。盾牌后部的工人用砖块或铸铁环将隧道排成一行。

1873 年，美国隧道工人克林顿·哈斯金斯（Clinton Haskins）通过向哈德逊河下方正在建设中的铁路隧道填充压缩空气来防止水渗入。该技术今天仍在使用，尽管它存在一些危险。工人在轮班结束时必须在减压室里待一段时间——这一要求限制了隧道的紧急出口。隧道内的压力必须与周围的土压和水压仔细平衡；不平衡会导致隧道坍塌或爆裂（随后会导致洪水泛滥）。

软土容易塌陷，会堵塞挖掘设备。稳定土壤的一种方法是通过在整个区域间隔嵌入的管道循环冷却剂来冻结土壤。自 1900 年代初以来，该技术已在美国使用。另一种自 1970 年代以来广泛使用的稳定和防水技术是将灌浆（液体粘合剂）注入隧道路线周围的土壤或裂隙岩石中。

喷射混凝土是一种喷洒在表面上的液态混凝土。它于 1907 年发明，自 1920 年代以来一直用作隧道的初步衬砌和最终衬砌。

1931 年，第一台钻机被设计用来挖掘隧道，将科罗拉多河转移到胡佛水坝的建筑工地周围。这些巨型钻机由 24-30 个安装在框架上的风钻组成，该框架焊接到卡车的底板上。现代巨型钻机允许单个操作员控制安装在液压控制臂上的多个钻机。 1954 年，詹姆斯·罗宾斯在南达科他州为修建大坝而建造导流隧道时发明了隧道掘进机 (TBM)，这是一种圆柱形设备，其挖掘头或切割头安装在旋转前表面，作为机器磨掉岩石和土壤向前蠕动。通过将切割头的类型和布置与现场地质相匹配，为每个项目定制现代 TBM；此外，TBM 的直径必须等于设计隧道（包括其衬砌）的直径。

原材料

隧道中使用的材料因每个项目选择的设计和施工方法而异。用于稳定土壤或填充隧道衬砌后面空隙的灌浆可能含有各种材料，包括硅酸钠、石灰、硅粉、水泥和膨润土（一种高吸收性火山粘土）。膨润土和水浆还用作渣土（从隧道中挖掘出的碎屑）的悬浮和运输介质，以及用作穿过隧道的物体（例如 TBM、盾构）的润滑剂。在钻孔过程中和爆破后用水控制粉尘，这通常使用低温明胶炸药来完成。水盐盐水或液氮是通过冻结来稳定软土地基的常用制冷剂。最常见的现代衬里材料，由钢或纤维加固的混凝土，可以喷涂、现浇或预制在面板上。

方法的选择

隧道的施工方法由多种因素决定，包括地质、成本和其他活动的潜在干扰。同一个大型项目的各个隧道可能会使用不同的方法；例如，波士顿中央动脉/隧道项目的一部分正在使用四种不同的方法。

制造过程

准备中

• 1 通过检查地表特征和地下岩心样本来评估场地地质。可沿整条路线建造一条大约为规划主隧道直径三分之一的先导隧道，以进一步评估地质并测试所选的施工方法。引航隧道可能沿着主隧道的路径延伸，并最终定期与其相连，以提供通风、维修通道和逃生路线。或者可以扩大先导隧道以产生主隧道。
• 2 如果需要稳定土壤，可以通过放置在地下的小管道每隔一段时间注入水泥浆来完成。或者，制冷剂可以通过埋在地下的管道循环以冻结土壤。

挖矿

• 3 有七种不同的方法可用于从隧道路径中去除材料。第一种是浸管法。工人们通过在水道底部挖一条沟来准备水下隧道工地。隧道外壳的钢或钢筋混凝土部分在旱地上建造。每个部分可能有几百英尺（100 m 或更长）长。该段的末端被密封，并且该段被漂浮到隧道现场。该部分被绑在与沟槽相邻的锚上，并且内置在该部分中的压载舱被淹没。当该部分下沉时，它被引导到沟槽中。该部分连接到相邻的先前放置的部分，并移除密封每个部分末端的板。两部分之间的橡胶密封可确保防水连接。

  在明挖法中，工人们挖了一个足够大的沟渠，以容纳隧道及其外壳。通常通过现场浇注钢筋混凝土来建造箱形管。在某些类型的土壤中或靠近其他结构的地方，可以在开始挖掘之前建造隧道墙，以防止挖掘过程中沟渠坍塌。这可以通过将钢板压入地下或建造泥浆墙（随着污垢被清除而充满水粘土的深沟渠）来完成。当一段墙达到所需的尺寸时，将钢筋笼放入其中，然后泵入混凝土以取代湿粘土泥浆。随着挖掘进展到足以使挖掘机械低于地面，临时面板可能会铺设在沟渠上，以允许交通穿过沟渠。隧道外壳完成后，通过更换开挖的土壤进行覆盖。

  第三种方法是自上而下的方法。通过打入钢板桩或建造泥浆墙，沿着隧道的路线将一对平行的墙嵌入地下。在墙壁之间挖一条沟渠，其深度等于从表面到隧道顶板内部的计划距离。隧道顶板是通过在浅槽底部构筑并浇筑钢筋混凝土而在墙体之间形成的。隧道顶盖固化后，用防水膜覆盖，并在上面更换开挖的土壤。传统的挖掘机械，如前端装载机，用于挖掘连续墙之间和隧道顶板下的土壤。当达到足够的深度时，浇筑钢筋混凝土地板以完成隧道外壳。

  在钻爆法中，使用钻车沿隧道路径在岩石中钻出预定图案的孔。精心设计的炸药装药被插入钻孔中。炸药按顺序引爆，目的是在不过度损坏周围岩石的情况下从隧道路径上分离材料。空气循环通过爆炸区域以去除爆炸气体和粉尘。被爆炸冲走的瓦砾被拖走。气动钻机和手动工具用于平滑爆破部分的表面并清除松散的岩石。

  欧洲隧道。

  英法之间的英吉利海峡隧道的建设始于 1987 年，这是拿破仑设想和鼓励的几个世纪以来的梦想。最初被称为隧道，现在被称为欧洲隧道，于 1994 年完工，耗资 130 亿美元.两条铁路隧道（一条用于北行，一条用于南行）和一条服务隧道的长度各为 31 英里（50 公里），平均海底深度为 150 英尺（46 米）。它是英国和欧洲大陆之间的第一个物理连接。提供客运铁路服务，以及汽车和卡车的运送。通过欧洲隧道，从伦敦到巴黎的旅行时间从五个多小时（海上）减少到三个小时。

  日本的青函隧道于 1988 年投入使用。这条 33 英里（53 公里）长的隧道连接日本本州本州岛的北端和北海道，穿过津轻海峡。 Seikan 隧道是世界上最长的海底隧道，涉及在海底 330 英尺 (100 m) 处开挖穿过海峡，其中海深达 460 英尺 (140 m)。

  通常需要用初步衬砌来稳定和加固新喷砂部分的表面。一种技术包括插入一系列由木头或钢支架连接的钢肋。另一种称为新奥地利隧道法 (NATM) 的技术涉及在表面喷洒几英寸（几厘米）的混凝土。在适当的地质条件下， 屏蔽隧道。这种“喷射混凝土”衬里可以通过将长钢棒（岩石螺栓）插入岩石中并在每个螺栓头部周围的钢板上拧紧螺母来补充。

  从隧道中清除材料的第五种方法是盾构驱动法或隧道顶升法。一些隧道仍在使用 Greathead 式盾牌挖掘。防护罩的顶部延伸到侧面和底部之外，为在防护罩之前进行挖掘的工人提供了一个保护屋顶。防护罩顶部的前缘很锋利，因此可以切穿土壤。挖掘可以用手或电动工具完成。多余的材料通过传送带或皮带上的防护罩返回，装入手推车，然后拖出隧道。当工人在盾构前挖掘材料直至顶部延伸时，盾构后部的千斤顶支撑在最近安装的隧道衬砌部分上。激活千斤顶将盾牌向前推，这样工人就可以开始挖掘另一部分。盾构向前移动后，千斤顶缩回，钢或钢筋混凝土环段用螺栓固定到位，为隧道形成一段永久衬砌。

  隧道顶升是一种类似的技术，但穿过地面的盾构实际上是隧道衬砌的预制部分。

  在平行漂移法中，使用微型隧道机械（微型隧道太小，人类矿工无法在其中工作）例如螺旋钻或小型 TMB 钻出一系列平行的水平孔（漂移）。这些漂移被填满；例如，可以将钢管打入其中，然后用灌浆填充管道。填满的巷道在隧道路径周围形成一个保护拱。挖掘机械用于清除拱门内部的泥土。

  最后一种方法是隧道掘进机方法。 TBM 工作面切割装置的类型和布置由隧道现场的地质决定。工作面缓慢旋转并磨掉它前面的岩石和土壤（例如，用于建造英吉利海峡隧道的 TBM 在最佳土壤中可以每分钟旋转 12 转）。 TBM 不断向前推进以保持工作面与其目标接触。 TBM 后部的千斤顶推压最近安装的隧道衬砌部分，可能会产生向前的压力。或者，夹臂可以从 TBM 的侧面向外延伸并推靠岩石隧道壁，以在向前推动工作面的同时将机器固定到位。泥土穿过工作面的孔，由传送带运送到 TBM 的后部，在那里它落入推车，将其运出隧道。膨润土可以通过 TBM 工作面泵入，使土壤表面更易施工并带走淤泥。一些 TBM 的后部配备有机械臂，一旦机器向前移动，就可以定位和连接隧道衬砌段 钢制屋顶螺栓固定在岩石上以支撑隧道顶部。足够的距离。在其他情况下，随着 TBM 的进展，NATM 用于创建初步衬砌。

  尤其是当两台 TBM 从隧道的两端相互靠近挖掘时，挖掘完成后将它们拆除可能会太困难或太昂贵。当它接近任务结束时，TBM 可能会被引导离开隧道的路径，以挖掘一条永久密封的短支路。

最后衬里

• 4 在某些情况下，最终衬砌是在开挖过程中放置​​的。两个例子是安装衬砌管片的 TBM 和顶入到位的预制隧道。在其他情况下，必须在整个隧道开挖后建造最终衬砌。一种选择是在适当的位置浇筑钢筋混凝土衬里。滑模成型是一种有效的技术，当混凝土在其与隧道壁之间浇筑时，模板的一部分缓慢向前移动；当模板移动时，混凝土硬化得足够快以支撑自身。

  第二种选择是安装预制混凝土或钢衬的部分，就像一些 TBM 所做的那样。衬里段的构造使得它们中的几个可以连接起来形成一个几英尺（一米或两米）宽的完整环。将环用螺栓固定到位后，在环和隧道壁之间注入水泥浆。

  第三种选择是在隧道壁上喷洒一层几英寸（70 毫米或更多）厚的喷射混凝土。可以先放置一层或两层金属丝网以增强喷射混凝土，或者可以在混凝土混合物中添加增强纤维以增加其强度。

副产品/废物

有时，从隧道中取出的泥土只是简单地扔进垃圾填埋场。然而，在其他情况下，它会成为其他项目的原材料。例如，它可用于形成引道的基础路线或为更宽的路肩或侵蚀控制创建道路堤防。

质量控制

除了保持隧道周围的地面稳定性和确保隧道衬砌的结构完整性外，还必须实现开挖路径的正确对齐。两个有价值的工具是全球定位系统 (GPS) 传感器，它们通过卫星信号接收精确的位置数据，以及在隧道内投射和检测激光束的引导系统。

未来

勘探方法、材料和机械是可能的改进领域。通过地球传输的声波现在可以生成隧道路径的虚拟 CAT 扫描，减少钻取岩心样本和引导隧道的需要。材料研究的一些例子包括更有效和耐用的切割工具、更精确控制硬化速率的混凝土，以及更好的改良土壤的工艺，使其更容易切割、挖掘或移除。机器技术的最新发展包括可以同时钻孔两个或三个平行隧道的多头 TBM 和可以在切割时将拐角转至 90° 的 TBM。更好的挖掘机械远程控制功能将通过减少人们在挖掘过程中必须在地下的时间来提高安全性。