第二章交通隧道

第二章交通隧道
隧道是作为通道的一种地下建筑物。

按所在的岩层条件，隧道可分为岩石隧道和软土隧道两种。

作为地下通道的隧道有公路隧道、水底隧道、地下铁道、铁路隧道和航运隧道等。

隧道的作用，在城市可构成立体交叉、疏导交通，在江河、海峡、港湾地区可潜越水道，不影响通航，在山岭可克服高程或地形障碍，改善线形、缩短里程。

在交通线上修建隧道，既能保证路线平顺、行车安全，又可提高隐蔽性、增加防护能力和避免气候影响。

以交通为用途的隧道，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，为了保障隧道运营正常安全，还需设置有照明、通风、消防、通信、监控、供电、救援、危险品检查等系统和一些附属建筑物。

如为工作人员在隧道内进行维修或检查时，能及时避让驶来的车辆而在隧道两侧开辟的“避车洞”；为了排除隧道内渗入的地下水，而设置的防水及排水设备，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。

最古老的隧道是古巴比伦城连接皇宫与神庙间的人行隧道，建在公元前2180～2160年间。

该隧道长约lkm，断面为 3.6m×4.5m，施工期间将幼发拉底河水流改道，用明挖法建造。

1895～1906年修建的穿越阿尔卑斯山铁路隧道长19.23km。

目前世界最长的汽车专用隧道是瑞士中部的圣哥达(St.Gotthard)隧道，全长16.3km，隧道开凿时，第一次使用了硝化甘油炸药。

表2—l列出了世界上近年修建的长大公路隧道的基本情况。

世界若干公路隧道表2—l
隧道名称国家长度，km
大圣伯纳儿隧道瑞士 6.6
别尔亨隧道瑞士 3.18
巴雷格斯隧道瑞士 1.13
圣哥达隧道瑞士16.32
柴里斯伯尔隧道瑞士9.3
费雷瑞斯隧道法国12.7
勃朗峰隧道意大利11.6
大萨瑟隧道法国－意大利10.3
卡波－卡拉伐隧道意大利 3.0
富士山隧道日本8.5
奥林匹亚隧道希腊0.91
华蓥山隧道中国 4.35
我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元56年。

20世纪50年代，我国仅有30多座隧道，总长约2.5km。

据交通部统计，2002年在我国有8600多座铁路、公路隧道，总长度约4370多km，居世界第一；其中铁路隧道6876座，总长度为3670km，为世界第一；公路隧道总数已达1782座，总长度704km，是世界上公路隧道最多的国家。

今后10年内将新建成40万km新路，“五纵七横”国道主干线将贯通；并将建设总长155km 以上的公路隧道。

中国目前最长的隧道是铁路线上的秦岭隧道，全长18.46km；而最长公路隧道是1999年通车的四川华蓥山公路隧道，长4.53km；正建设的双向分离式四车道终南山隧道全长18.4km，长度居亚洲第一，世界第二。

1993年5月，英法海峡隧道交付使用，这一20世纪杰出工程预示了地下隧道工程从技术到施工组织都越上了一个新台阶。

第一节地下公路
地下公路的设想早在18世纪便已有人提出，与今不同的是那时设想的交通工具是马车。

经过二百多年的酝酿和实践，至今地下公路隧道已得到了广泛的使用。

目前主要有这样几种：越江(海)公路隧道；地下立交公路；地下快速公路；半地下公路。

1．越江(海)公路隧道
越海隧道在日本等国家很普通(日本四岛已由地下交通系统联成一体)，然而规模最大、意义最深远的仍将首推青函隧道（全长53.85km ）和英法海峡隧道（全长51km ）。

当城市中有较大的江、河贯穿时，越江隧道是城市地下交通体系的重要组成，我国的上海市早在70年代就已在黄浦江下修建了第一条公路隧道，它对促进上海浦东、浦西的交通联系起到了很大作用。

80年代后期，修建了延安东路越江隧道，随着近来经济的日益活跃，双车道(一来一去)的延安东路隧道渐渐难以满足交通需要，为此．又修建了延安东路地下越江公路隧道复线。

上海市延安东路越江隧道示意如图2－13，隧道全长2261m ，隧道以外经11.3m 的盾构进行施工，车道宽7.5m ，净高4.5m ，每小时通过能力5万人次。

2．地下立交公路
当公路与铁路相交时，当两条公路交叉而又都需具有快速、大容量交通特定点时．当其他任意不同的交通方式交叉而需避免平交时(如机动车与非机动车道、非机动车道与铁路等)，都可考虑通过使用地下立交公路来解决问题。

地下立交公路一般距离较短，所以在我国也多有使用。

我国大城市交通问题中的自行车(非机动车)交通问题一直占据较大比例，当需在城市的某交通叉口进行立交改造时，利用自行车道对通风和净高要求低的特点，可以将自行车道建于地下，当实现横跨铁路线交通立交工程时，尤应如此。

例如跨铁路立交的两种方案，一是机动车、非机动车全都通过地下横跨铁路线；二是机动车利用高架，非机动车(包括摩托车)利用地下隧道，前者投资大，但占地少，对地面景观的影响小，后者反之。

3．地下快速公路
城市发展，经济活跃，都对快速交通容量有不同程度的需求。

但当地面空间拥挤难以发展新的动态交通用地时，当地面道路叉口太多影响交通通畅、快速时，当城市位于某些地形复杂区域(如山地)时，尤其当城市环境质量(空气有毒成份指标、噪音指标)要求已限制了发展地面、上部(高架)交通体系时，为了保证城市交通的正常和对城市发展的促进，就需建造地下快速公路。

4．半地下公路
半地下公路的结构形式有堑壕构造和U 形挡墙构造
两种。

它的最主要特点是：①有利于减少噪音和排放废气；
②能得到充足的日照和上部的开敞空间；③在绿化带等自然气息较足的地区，能与周围环境较好地和谐共存；④缺
点主要是排水、除雪不易；⑤造价介于全地下公路与地面公路之间。

半地下公路的三种断面类型如图2－1所示。

一、公路隧道线路
1．平面线形与纵坡
公路隧道的平面线形和普通道路一样根据公路规范要求进行设计。

隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线。

如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距。

最小曲线半径的确定应保证曲线隧道在平面上具有必要的限界，确保车辆的侧向滑移稳定和车辆行驶通顺、流畅。

公路隧道的纵断面坡度，由隧道通风、排水和施工等因素确定，采用缓坡为宜。

控制坡度的诸因素中以通风为主导考虑。

汽车排出的一氧化碳、烟雾、氮氧化合物等有害物质，随着坡度的增大而急剧增多，一般认为坡度超过2％，排出量迅速增加。

从施工时和竣工后的图2-1 半地下公路的三种断面类型 侧壁 底板 遮挡板 开口宽 隔壁
排水考虑，需设0.3％左右的坡度。

综合各方面要求，隧道的纵坡通常应不小于0.3％，并不大于3％。

隧道如从两个洞口对头掘进，为便于施工排水，可采用“人”字坡。

单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。

2．隧道限界与断面
隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间称为隧道净空。

它包括公路的建筑限界（图2—2），通风及其它需要的断面积。

建筑限界是指隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界。

公路隧道的建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度，以及车道、人行道的净高。

公路隧道的横断面净空，除了包括建筑限界之外，还包括通过管道、照明、防灾、监控、运行管理等附属设备所需要的空间，以及富裕量和施工允许误差等，如图2—3所示。

隧道净空断面的形状，即是衬砌的内轮廓形状。

确定的形状应使衬砌受力合理、围岩稳定。

衬砌的形状可采用圆拱直墙。

圆形断面利于承压和盾构施工。

在浅埋、沉埋公路隧道采用矩形或近椭圆形断面。

公路隧道的各种主要断面形状见图2—4中。

为了保证公路隧道中行车的安全，在一定宽度和高度的空间范围内任何物件不得侵入的隧道行车限界，如隧道中的照明灯具、通风设备、交通信号灯等设施均应安装在此限界之外。

隧道的净空断面受通风方式影响，长大隧道的断面设计宜通盘考虑通风管道断面积、通风区段长度及通风井的位置、数量等因素。

二、公路隧道通风
1．隧道空气污染
汽车排出的废气含有多种有害物质，如一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、亚硫酸气体和烟雾粉尘，汽车还能携带尘土和卷起尘埃，这些物质造成隧道内空气的污染。

一氧化碳浓度很大时，人体产生中毒症状、危及生命。

烟雾会恶化视野，降低了车辆安全行驶的视距。

公路隧道空气污染造成危害的主要因素是一氧化碳，用通风的方法从洞外引进新鲜空气冲淡一氯化碳浓度至卫生标难，即可使其它因素处于安全浓度。

2．隧道通风方式
⑴自然通风
这种通风方式不设置专门的通风设备是利用存在于洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力，达到通风目的。

长度为2.0km 左右的单向交通隧道有可能采用自然通风方式。

但在双向交通的隧道，交通风力有相互抵消的情形，适用的隧道长度受到限制。

世界各国隧道实例表明，长度在200 m 以下，甚至200～500m 的双向交通隧道，可以考虑图2-2 公路隧道建筑限界
图2-3 公路隧道横断面净空 范围 范围
图2-4 公路隧道主要断面形状
用自然通风。

下列经验公式可作为选择自然通风的判据：
L ×N ≤600 （2－1）
式中：L ――隧道长度，km ；
N ――设计交通量，辆／h 。

如果L 与N 的乘积大于600，则必须考虑机械通风。

机械通风的风速应小于12m ／s ，一般为12m ／s 为宜。

⑵机械式通风
①射流式纵向通风（图2—5）。

纵向式通风是从一个洞口直接引进新鲜空气，由另一洞口排出污染空气的方式。

射流式纵向通风是将射流式风机设置于车道的吊顶部，吸入隧道内的部分空气并以30m ／s 左右的速度喷射吹出，用以升压，使空气加速，达到通风的目的。

射流式通风，可用于双向交通l000m 以下的隧道，单向交通时可达2000m 。

射流式通风经济，设备费少，但噪声较大。

②竖井式纵向通风（图2—6）。

机械通风，通风所需动力与隧道长度的立方成正比，因此在长隧道中，常常设置竖井进行分段通风。

竖井用于排气，有烟囱作用，效果良好。

双向交通的隧道，因新风是从两侧洞口进入，竖井宜设于中间。

单向交通时，由于新风主要自入口一侧进入，竖井应靠近出口侧设置。

这种通风方式，在双向交通时，适用于3000m 以下的隧道，单向交通时，适用于1500m 以下的隧道。

③横向式通风（图2—7）。

风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，因此有害气体的浓度在隧道轴线方向的分布均匀。

该通风方式有利于防止火灾蔓延和处理烟雾；但需设置送风道和排风道，增加建设费用和运营费用。

④半横向式通风（图2—8）。

新鲜空气经送风道直接吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释排气，污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞门排出洞外。

半横向式通风因仅设置排风道，所以较为经济。

⑤混合式通风。

根据隧道的具体条件和特殊需要，由竖井与上述各种通风方式组合成为最合理的通风系统。

例如，有纵向式与半横向式的组合以及横向式与半横向式的组合等各种方式。

图2-5 射流式纵向通风 （c ） 图2-6 竖井式纵向通风 （a ） （b ） 图2-7 横向式通风 图2-8 半横向式通风
隧道通风的设计，在明确通风要求和确定通风系统、方式之后，即应转入通风量、风压的计算，最后选择通风机。

三、公路隧道照明
隧道照明与一般部位的道路照明不同，其显著特点是昼夜需要照明。

防止司机因视觉信息不足而引发交通事故，应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能认清行车方
向，正常驾驶。

隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部与接续道路照明构成。

⑴入口照明。

它是指使司机从适应野外的高照度到适应隧道内明亮度，所必需保证视觉的照明。

它由临界部、变动部和缓和部的三个部分的照明组成。

临界部是为消除司机在接近隧道时产生的黑洞效应所采取的照明措施。

所谓“黑洞效应”是指司机在驶近隧道，从洞外看隧道内时，因周围明亮而隧道象是一个黑洞，以致发生辨认困难，难于发现障碍物。

变动部是司机接近隧道为配合防止黑洞现象，采取照度逐渐下降的区间。

缓和部为司机进入隧道到习惯基本照明的亮度，服从暗适应曲线亮度逐渐下降的区间。

⑵基本照明。

它是为使司机适应急剧的明亮度变化，在隧道中运行能保持视觉条件所必要的照明，称为基本照明。

⑶出口照明。

它是指汽车从较暗的隧道驶出至明亮的隧道外时，为防止视觉降低而设的照明。

应消除“白洞效应”，即防止汽车在白天穿过较长隧道后，由于外部亮度极高、引起司机因眩光作用而感不适。

⑷接续道路照明。

它是指从设有夜间照明的隧道驶至没有照明的一般道路部分，为适应亮度变化所设的照明。

但在延长不足200m ，接续道路的线形无急变的情况下，可以省略。

四、公路隧道施工方法
公路隧道一般用明挖法施工，而埋置较深的隧道则多采用暗挖法施工。

经过一个世纪的革新，发展为大型机械作业。

隧道掘进速度的世界纪录是1967年美国OSO 隧道，直径3.23m ，在页岩中间掘进速度为403ft(122.83m) ／d 。

五、城市地下公路发展的未来
日本在近年提出的城市中心区“无出口地下公路系统”具有一定的先进性，能较好地解决地下公路在市中心的出口滞留问题，城市空间的功能划分进一步
清晰明隙，对于目前城市地下公路“零打碎敲”的局面，从体系上
前进了一大步。

地下公路网体系如图2－9，公路网进口建于离市中心约10～
20km 的地点．配有大规模地下停车场的基地(出口)建立在远离市中心约5km 左右的城市副中心。

它在城市中心区不设出口，而布置大规模的地下停车库，成为与城市中心区地面联系的节点，能较好地
避免因设置出口而引起地面有关路段交通混乱的情况发生。

第二节 水底隧道
一、概 述
交通运输要克服江、河、湖、海障碍，除飞机和管道外，主要靠船舶、桥梁和水下隧道。

以往大多以修筑桥梁为主，而水下隧道多不被人们所重视，就是跨越山岭的道路往往也是在地面上绕行几km 或几十km 而避免修筑道路隧道。

横跨长江、黄河，也宁愿修建大桥而不修水下隧道。

桥梁需要很大的净空高度，或为避免与海轮的矛盾，像伦敦与哥本哈根那样采用活动式桥梁。

水底隧道可以作为铁路、公路、地下铁道、航运、行人隧道，也可作为管道输送给排水隧道。

水下隧道隐蔽性好，可保证平时与战时的畅通；抗自然灾害能力强；对水面航行无任何妨碍；无需长长的引桥及辅助工程；使用寿命长，使用寿命是桥梁的1.5至2倍；稳定性高，水下隧道结构是大桥纵向、横向稳定性的8倍；当然，从某种意义上讲，水进口 基地 基地
图2-9 地下公路图
底隧道造价较高，桥梁造价较低且易于修建；但若选择石质好的地段修建水下道路隧道，其每米的造价也大致与每米桥梁的造价相当，甚至低于桥梁。

如横跨英法海峡水下隧道的方案无论采用掘进式或沉埋式隧道，造价均只有桥梁造价之半。

因此，在主要的交通枢纽和江、河、湖、海地区，凡有条件时均应进行桥梁和隧道方案对比。

世界许多工程实例证明，对于较窄、较浅的江河、海峡，采用桥梁方案可靠、经济，对于宽而深的海湾、江河、海峡，易采用水底隧道方案。

纵观人类历史，城市的发展与交通紧密相关。

历史悠久的大城市早期靠水路运输起步，如天津靠海河、上海临黄浦江、广州沿着珠江，伦敦频临泰晤士河等。

可是，随着经济发展、城市的扩大，河流又成为障碍。

人们开始架桥，直到法国工程师布鲁诺尔父子在1818年开始研究盾构法，并于1825年在泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道，才出现盾构施工的水底隧道。

海峡天堑将大陆与海岛分隔，造成交流的巨大障碍。

海底隧道不占地，不妨碍航行，不影响生态环境，是一种全天候的海峡通道。

17世纪起，欧洲修建了许多运河隧道，其中法国葵达克运河隧道长157m。

1927年美国纽约于哈德逊河底建成霍兰(Holland)隧道，次年又建成世界上第一条沉管法水底隧道博赛(Bosey)隧道。

从工程规模和现代程度上看，当今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫过于英法海峡隧道和青函隧道。

我国自60年代开始研究用盾构法修建黄浦江水底隧道。

上海第一条越江隧道――打浦路隧道于1965年开始施工，并于1981年建成通车。

延安东路越江隧道为上海第二条水下交通隧道，外径11m全长226lm，其中用盾构法施工1476m。

第一座沉管隧道也于70年代初期在上海建成。

1982年台湾高雄建成一条沉管水底公路隧道。

80年代后期，广州、厦门、南京、武汉等地均在修建、规划水底隧道，我国城市水底隧道的修建已进入发展时期。

2002年5月武汉长江隧道（含地铁）工程项目已正式获国务院批准立项。

香港特别行政区，有4条海底隧道，越过维多利亚海峡，把港岛与九龙岛连接起来，均采用沉管法建造。

正在规划研究的主要的水底隧道工程，如：贯穿中国沿海大走廊的渤海海峡隧道与琼州海峡隧道、修建连接台湾省与大陆的台湾海峡隧道等。

连接辽东半岛和胶东半岛的渤海海底隧道，长约57km；连接上海和南通的长江水底隧道，长度约70km；上海至宁波的杭州湾水底隧道，最长的方案隧道长约52 km，隧道建成后沪宁两地的运输距离较经杭州钱塘江桥缩短约250km；琼州海峡最窄处宽20km，隧道水域最深约80m，采用沉埋方案或沉埋加局部悬浮方案，隧道长度可控制在23 km左右。

美俄两国在白令海峡只相隔37km，两者最前沿的基地之间更只相隔三英里，这条海底隧道将长60km﹐连接俄国的涅兰和阿拉斯加的诺姆。

白令海峡兴建海底隧道﹐连接美洲和亚欧大陆﹐当铁路贯通后﹐乘客将可从纽约坐火车到北京﹑莫斯科甚至伦敦等地。

在日本的资助下，一条经库页岛连接北海道和俄罗斯大陆地区的隧道工程已经定于2003年开始。

直布罗陀海峡隧道在欧洲西班牙和非洲摩洛哥之间，东西长约87 km，自1979年起，西、摩两国开始合作进行可行性研究。

连接意大利本土和西西里岛的墨西哥海峡隧道等正在研究。

二、水底隧道定位
在批准区域勘察的基础上，通过几个隧道轴线位置的比较选取一个轴线位置，确定洞口位置和隧道埋深等，做好开工前的准备工作。

定位勘察要注意下述问题：1．隧道轴线河底段应尽量在厚层的、稳定的、渗水少、整体坚硬的岩石顶板下面通过。

2．尽可能选择在河流顺直、河幅较窄、水深较浅、无深槽的地段，并与河床正交通过。

3．有利于引道展线、线形顺直、便于通风井布置、洞门位里合理和洞口施工作业场地的提供。

4．隧道口位置应隐蔽，两个主隧道口应不同朝向，一般应相距较远，主隧道口外有屏障，山体稳定，无滑坡体、崩塌体和堆积体。

5．隧道口标高一般应在三百年一遇洪水位以上，以免洪水倒灌洞口。

若口部标高较低时，应在隧道口设防洪水门。

当隧道轴线上游附近有水库大坝时，更应考虑溃坝对隧道造成的危害，采取可靠的防洪水、防冲刷措施。

6．洞口位置应选在基础稳定的基岩，覆盖层不宜过厚，尽可能在岩体完整、强度高的地层。

当条件较差时，也不宜挖深槽、砍陡坡、过多破坏原来的地形地貌。

7．平原地区隧道口在任何时候不应选在河堤内，要设置在堤外。

地形不允许时应构筑人工建筑物，采取防护措施。

8．城市道路水底隧道进出口位置应与城市河岸建筑及街道规划统筹考虑。

三、隧道设计
水下隧道建筑设计的任务，是在隧道定位勘察中确定轴线位置、洞口位置及风井位置之后，根据提供的地形、地质、水文、测量资料以及使用要求等，具体确定隧道轴线的埋深，口部的标高，进行隧道的总体布置，平剖面设计，确定隧道的具体尺寸等。

1．总体平面布置
水下隧道总体平面设计应满足使用要求，符合国家有关规范规定，各洞口(含主隧洞口、预备出入口、各风井口等)应结合地形尽量分散布置，而且相互之间应相距一定的距离，并应考虑施工方便和防洪要求，要有利于自然通风，各部组成和洞内房间应布置紧凑、实用，但河底段不宜多设房间。

2．平面和纵断面
水底隧道的线路平面与纵断面应符合其采取交通方式（公路、铁路、地铁）的相应要求。

⑴水底隧道的平面线形
水底隧道的平面线形应根据隧道位置的
地形、地质特点和洞外道路的连接条件等因素，经过方案比较最后确定。

通常采用“S ”
形， “U ”形和“一”字形等，如图2—l0
所示。

“一”字形轴线在江河两岸为平原或丘陵地区时采用，在多山地区不宜采用。

“一”字
形线形运营效果好。

“S ”形线形的隧道长度小、
线型好，可降低隧道标高，与洞口道路连接圆顺。

并因两洞口朝向不同，有利于防冲击波。

缺点是
弯道较长，行车与施工困难。

“U ”形线形在埋
深、纵向坡度已定的前提下能利用河床比降以缩
短隧道长度。

但因隧道洞口朝向一致，不利防冲
击波。

⑵纵断面
为了通过河海，水下隧道的纵断面坡形是两端高中间低，成为“V ”形或“W ”形，如图2—11。

“V ”形多用于河底较短的场合，优点是增加河底段埋深，但施工排水不便；“W ”形多用于河底较长的水底隧道，隧道内的水流向两岸最低处，排水方便，行车安全。

⑶隧道纵坡度
水底隧道的洞口标高以及隧道埋深确定之后，隧道的纵坡度就决定了隧道的长度和隧道的纵断面。

水底隧道，一般在两端引道采用最大坡度值，隧道部分的坡度则由行车条件、通风要求和施工条件综合考虑。

国外水下隧道的纵坡度，一般最大不大于4％，最小不小于0.2图2-10 水底隧道平面线形
a —“s ”形水底隧道；
b —“U ”形水底隧道
（b ） 图2-11 水底隧道纵断面 a —V 形纵断面；b —W 形纵断面 （a ） （b ）。