1.1.2 隧道工程
1.隧道勘测
为掌握隧道的具体位置、确定施工技术和支护形式以及了解衬砌类型，需要对隧道所在区域内的地质地形条件、水文特点、自然气候以及地下水文分布情况进行勘测，这一过程称为隧道勘测。在隧道勘测过程中，首先需要了解的是围岩的类别。围岩指的是在隧道开挖过程中对隧道稳定性带来影响的周边岩体，在1958年我国制定的《铁路工程技术规范》中将围岩分为6类，而关于围岩的分类在当时常用的方法有太沙基、普氏等围岩分类方法，20世纪70年代以后，国际上应用最广泛的围岩分类方法为国际岩石力学学会推荐使用的巴顿分级系统，同时还有日本的弹性波速围岩分类方法，围岩类型的确定可以为后续隧道设计和施工提供重要依据。
隧道设计内容主要包括隧道选线、横断面设计以及辅助坑道设计等。其中隧道选线需要根据隧道建设标准、地质地形条件确定隧道的建设位置和长度，并进行多种技术方案的比较，长隧道工程需要科学合理地设置辅助坑道和通风口，并综合考虑边坡和斜坡的稳定性、安全性，降低和减少塌方现象的产生。横断面设计需要沿着隧道中线的位置逐渐向坡度进行，但是由于隧道内湿度较大，轮轨之间的黏着系数就会随着湿度的上升而逐渐变小，列车空气阻力逐渐增大，因此对于较长的隧道，横断面设计应加以折减。纵坡形状多以单坡和人字坡为主，单坡有利于高程的争取，人字坡可以为隧道施工降水和出渣提供便利条件。为保证隧道建设过程中的排水流畅，最小纵坡坡度应设置为2%～3%。
隧道横断面又称为衬砌内轮廓，我国隧道建设行业将隧道横断面分为蒸汽内燃机车牵引区段和电力机车牵引区段两种，以上两种又可以细化为单线断面和双线断面。在通常情况下，衬砌内轮廓是由单心圆或三心圆形成的拱部、直边墙或者曲线墙，在地质比较松软的隧道建设中需要另外加设仰拱，单线隧道轨面内轮廓面积为27～32m2，双线隧道轨面内轮廓面积为58～67m2，在曲线段由于外轨超高、车辆倾斜等原因，可以适当加大断面。电气化铁路隧道由于需要悬挂接触网，应提升内轮廓高度，中国、美国和俄罗斯三个国家隧道建设轮廓尺寸如下：单线隧道高度要求为6.6～7.0m，宽度为4.9～5.6m；双线隧道高度要求为7.2～8.0m，宽度为8.8～10.6m。当在双线铁路修建2座单线隧道时，单线与单线之间的距离控制需要综合考虑地层压力分布带来的影响，石质隧道宽度为20～25m，土质隧道可以根据实际情况适当加宽。
辅助坑道主要包括斜井、竖井、平行导坑以及横洞4种类型。
（1）斜井。斜井指的是在中线范围内的山体中的某一有利地点开凿的斜向正洞的坑道，斜井倾角为18°～27°，通过使用卷扬机提升，斜井断面以长方形为主，面积为8～14m2。
（2）竖井。竖井指的是在山顶中线范围内垂直开挖的坑道，位置平面一般位于铁路中线的上方或者一侧，距离中线大约20m，竖井断面多为圆形，内径为4.5～6.0m。
（3）平行导坑。平行导坑指的是距离中线17～25m修建的平行小坑道，通过斜向通道以隧道连接在一起，将其作为扩建第二线导洞备用。自1957年我国修建的川黔铁路凉风垭铁路隧道使用平行导坑以来，随之在50座超过3km的隧道中就有80%的隧道修建了平行导坑。
（4）横洞。横洞指的是在隧道靠近河流的一侧有利地点开挖的小断面坑道。
自20世纪50年代以来，我国在1km以上长度的隧道测量中首次使用导线法之后，有效控制了隧道的贯通误差，特别是测距仪的诞生和发展，更是解决了大量距的难题。以山岭隧道为例，山岭隧道洞内和洞外全部采用主副闭合导线法，即在主导线上使用光电测距仪量距，在副导线上只测角不量距，由主导线和副导线共同组成的多边形，只平差其角度，不平差其长度。这样一来，主导线和副导线法就比三角网法更加简单实用，也比单一导线法更加安全可靠。比如，我国的大姚山双线隧道就采用了主导线和副导线闭合的导线法作为中线平面控制，在对该隧道进行中线测量以前，就要综合考虑到该隧道在后续打通和运行过程中的偏差数值，这就需要根据隧道的长度和平面形状，先在地形图上布置测点位置和预计的贯通点，并在平面图上量出准确的尺寸，再根据施工组织设计要求精确计算出测角和量距，在此基础上进行测量。4km以下的隧道中线贯通误差为±100mm，4～8km隧道中线贯通误差为±150mm。
短距离隧道应当使用普通的水平仪，长距离隧道应当使用精密的水平仪，这样可以确保所测量的精度达到相关要求，高程贯通误差为±50mm。
2.隧道开挖
就目前的情况来看，我国隧道开挖主要有明挖法、暗挖法、钻爆法和上导坑法等多种类型。明挖法大部分用于浅埋隧道或者城市隧道的建设中；暗挖法则多用于山岭隧道的建设中。以下详细介绍钻爆法。钻爆法在石质岩层中的应用最广泛，使用掘进机直接开挖也得到了迅速的推广。钻爆法需要先在隧道的岩石面上钻一个炮孔，在炮孔中装填炸药实施爆破，然后采用全断面开挖或者分部开挖等方式使隧道成型。钻爆法开挖流程如下：钻孔→装药→爆破→施工通风→施工支护→喷射混凝土→装渣与运输。
（1）钻孔。
科学合理地设计炮孔方案，按照方案中设计的炮孔位置、方向和深度进行钻孔，单线隧道采用全断面开挖法，配备钻孔台车和中型凿岩机，钻孔深度可达2.5～4.0m；双线隧道采用全断面开挖法，需要配备大型凿岩台车和重型凿岩机，钻孔深度可达5.0m。炮孔直径为4～5cm，炮孔分为掏槽孔、掘进孔和周边孔三种，掏槽孔用来开辟临空面，掘进孔可以确保施工进度，周边孔可以有效控制轮廓。
（2）装药。
分别在掏槽孔、掘进孔和周边孔内装填一定数量的炸药，炸药类型既可以是硝铵炸药，也可以是胶质炸药，装填的炸药应超过炮眼长度的60%～80%，周边孔装药可以适当地少一些，为严格控制装药的时间，可以先将硝铵炸药制作成为管状类的药卷，也可以使用专业的装药机械设备将细粒状药粉射入炮孔内。
（3）爆破。
20世纪50年代以前，隧道爆破主要使用明火起爆法，1867年美国胡萨克铁路隧道建设首次尝试使用电力起爆法。此后，电力起爆法得到了迅速的推广和应用，对于全断面的隧道掘进，为了减少爆破对周边围岩的振动和破坏，并保证爆破的效果，可以采用分阶段电雷管或毫秒雷管起爆，拱部使用光面爆破，边墙采用预裂爆破。近些年来出现的非电引爆的导爆索也逐渐得到了推广和应用。
（4）施工通风。
施工通风指的是稀释和排除在爆破过程中产生的有害气体，以及内燃机产生的氮氧化物和一氧化碳，同时排除烟尘，向隧道内供给新鲜的空气，保证隧道内施工人员可以呼吸新鲜的空气，进而改善施工环境。施工通风分为主要系统和局部系统。主要系统利用直径为1～1.5m的管道或者巷道，并配备中型和大型的通风机。局部系统多以吸出式为主，即将隧道在开挖过程中产生的污浊空气吸出洞外，再使新鲜的空气从正洞流入隧道内，对于新鲜空气难以达到的工作面，可以采用局部通风机补充。(https://www.daowen.com)
（5）施工支护。
隧道开挖必须要进行及时的支护，以减少围岩松动，防止塌方安全事故的发生。施工支护分为构件支护和喷锚支护两种。构件支护主要有金属、木料以及钢木混合构件等，现阶段钢木混合构件支护较多。喷锚支护是20世纪50年代逐渐形成和发展起来的一种隧道开挖支护方法，其特点是安全、稳定、及时，并且具有一定的柔性，还能与围岩紧紧地贴在一起，施工现场具有较大的活动空间，比如我国的一些黄土隧道中应用的喷锚支护就取得了巨大的成功。
（6）喷射混凝土。
喷射混凝土分为干喷和湿喷两种，现大部分采用干喷法，指的是在干拌的混凝土内掺入一定比例的速凝剂，使用压缩空气机将混凝土从管内喷射而出的方法。但需要在喷口处加水再喷射到岩石面上，一次可喷射的厚度为3～5cm。同时，在喷射的混凝土中掺入一定数量的钢纤维，并于岩面挂上钢丝网可以有效提升喷锚支护的强度。钢锚杆应当安装在岩层面上的钻孔内，长度和距离应当根据岩层面的性质而确定，通常情况下的长度为2～5m，且使用树胶和水泥浆沿杆体全长锚固。对于岩层面较好的地段仅喷射一层混凝土就可以得到足够的支护强度，而对于坚硬稳定的岩层面可一并进行支护。
（7）装渣与运输。
隧道开挖作业中，装渣机的类型多种多样，常见的有后翻式装渣机、装载式装渣机、扒斗式装渣机、蟹爪式装渣机和大铲斗内燃装载机等；运输机车有内燃牵引车、电瓶车；运输车辆有大斗车、槽式列车、梭式矿车及大型自卸汽车等。运输线分为有轨线和无轨线两种。从钻孔开始到出渣完毕称为一个开挖循环过程。根据我国隧道施工经验，单线全面开挖24h可以分为2个循环，每一个循环可进入约3.5m的深度，每日单口进度可超过7m，所以每月单口实际进度为200m以上，比如我国的成昆线蜜蜂箐单线隧道在建设过程中，当月单口最高月进度就曾经达到了200m。开挖循环作业的特点是一个工序应当接着下一个工序逐项按时完成，如果前一道工序推迟，就会影响下一工序的顺利进行，因而延长整个隧道的建设周期。其中最主要的工序为钻孔和出渣，所耗用的时间占全部作业时间比例较大。
钻爆法开挖包括全断面开挖法和分部开挖法。
（1）全断面开挖法。
全断面开挖法需要使用带有凿岩机的台车先进行钻孔，再采用毫秒爆破和喷锚支护方式，并配备大型装渣运输机械设备和通风设备。全断面开挖法又称半断面法，指的是隧道弧形上半部分先施工，下半部分隔一段距离再进行施工。
（2）分部开挖法。
分部开挖法指需要先使用小断面超前开挖导坑，后再将导坑扩大至半断面或者全断面的开挖方法。此方法的主要特点是可以使用轻型的机械设备，缺点是作业面多，各个工序之间需要拉开一定的距离，干扰因素多，需要使用到较多的人力资源。
根据导坑在隧道断面的位置可以分为上导坑法、中央导坑法、下导坑法以及由上下导坑相互配合的其他方法。上导坑法主要适用于软弱的隧道岩层面，衬砌的顺序为先拱后墙，1872—1881年建设的圣哥达隧道曾采用了上导坑法，而我国的短距离隧道也常使用这一方法。中央导坑法指的是在导坑开挖后的四周打辐射炮眼爆破出全断面或者先扩大隧道的上半部分。20世纪初期，美国曾使用过中央导坑法，比如美国新喀斯喀特隧道建设。下导坑法又称为下导坑领先方法，主要包括上下导坑法、漏斗棚架法、蘑菇形法和侧壁导坑法。
①上下导坑法。
上下导坑法指的是利用领先的下导坑向上预打漏斗孔，为上导坑施工奠定基础，衬砌顺序为先拱后墙，对于围岩较好的情况，可以临时改为先墙后拱。
②漏斗棚架法。
漏斗棚架法一般被应用于坚硬的地层中，以下导坑掘进领先，自上而下分层开挖，再设棚架，衬砌顺序为边墙后砌拱。1961—1966年我国建设的成昆线关村坝铁路隧道就曾运用了漏斗棚架法，月单口成洞超过了152m。
③蘑菇形法。
蘑菇形法与漏斗棚架法基本相似，也需要设置棚架，但衬砌顺序为先砌拱部后砌边墙，比如1973年我国建设的枝柳线彭莫山单线隧道就运用了此方法，月单口成洞超过了132m。
④侧壁导坑法。
侧壁导坑法指的是两个下导坑领先，环形开挖，先挖掉中心的土体，衬砌顺序为先墙体后拱部，通常应用于围岩较差的双线隧道建设。