隧道工程的发展与相关专业的关系

隧道工程的发展与相关专业的关系丁平（2011121236公路硕110715249184793）摘要：本文介绍了隧道工程专业的起源、发展和未来发展趋势，以及其他基础学科、工程学科对本专业发展的促进作用，介绍了隧道工程专业里程碑式的工法：新奥法和盾构法。关键词：隧道工程；矿山法；新奥法；盾构；海底隧道作者简介：丁平（1988年出生），男，汉族，陕西镇安，桥梁与隧道工程；研究方向为隧道结构与通风。0引言我的专业是隧道工程，对专业只是有了初步的认识。这学期上了自然辩证法这门课，学了一点用哲学分析问题、解决问题的方法。大学四年，对专业知识学得比较散，有很多方面需要梳理和系统化。借此机会，我想系统地总结一下大学四年对这一专业知识到底学到了多少，还有那些方面没有学懂，还有那些方面需要提升，然后做一个系统的内化过程，争取对专业知识的融会贯通，学冇所用!本文将对隧道工程的起源、发展及其相关专业的关系做一讨论，对未来专业的发展走向做岀预测。在很久以前，人们利用自然洞穴作为住处。当社会发展到一定程度，人们开始使用工具，这时就出现人工开凿的隧道。在我国最早有文字记载的地下人工建筑物，出现在东周末期（约公元前700年）。最早用于交通的隧道为“石门”隧道建于东汉明帝永平九年（公元66年），今位于陕酋省汉中市褒谷口内。约于公元7世纪，我国隋末唐初吋发明了火药，13世纪后期传到了欧洲，17世纪初（1627年）奥地利的工业家首先用于开矿。1866年瑞典人诺贝尔发明了黄色炸药，为开凿硬岩提供了条件。这就产生了矿山法开挖隧道。在很长一段时间内，大多都采用这种方法开挖隧道。近代隧道兴起于运河时代，从17枇纪起，欧洲陆续修建了许多运河隧道。法国的兰葵达克运河隧道，建于1666-1681年它可能是最早用火药开凿的隧道。1830年前后，铁路成为新的运输手段。随着铁路运输事业的发展，隧道也越來越多。1895-1906年已出现长19.73km穿越阿尔比斯山脉的最大铁路隧道。1803年，法国工程师布鲁诺尔在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。当时，圣•彼德斯勃格 正规划一条跨越Neca河的工程，布鲁诺尔参与了此项口的设计研究。采用的方法是将所冇的单元格都被牢靠地装在盾壳上。当时设计了两种施工方法，一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。第一•种施工法后来被采用，并得到推广应用，演变为成熟的盾构法，目前所有的封闭式盾构都是基于第一•种方法。此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成封闭式盾壳用全断面螺旋式开挖，衬砌紧随其后的。它可以被认为是土压平衡盾构的先行者。1869年，詹尼斯•亨利•格瑞海德工程师用岡形盾构再次在泰晤士河底修建了一条隧道，隧道衬砌第一次采用了铸铁的衬砌管片。隧道施工长402m,外径为2.18m。隧道基本上是在不透水的粘土层中掘进，所以在地下水控制方面没冇遇到什么困难。1886年格瑞海徳在伦敦地下施工期间将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用。在压缩空气条件下施工，意味着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，它填补了隧道施工中的的空白，并使得世界范围内采用盾构掘进隧道的数目有了很大壇加，20世纪初，人多数隧道都是采用格瑞海德盾构修建的。布鲁诺尔发明盾构法Z后的另一个技术进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构专利可追溯到1876年，英国人约翰•荻克英森•布伦敦和姬奥基•布伦敦中请专利。这台盾构有一个由儿块板构成的半球形的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗屮，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转到后面从盾构屮运出,这一构想后來被用于修建基辅地铁隧道工程。新奥法是20世纪40年代开始发展起来的，是奥地利学者拉布希维兹首先提出。它是以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩口承能力的施工方法。新奥法的运用在隧道工程建设上具有里程碑的意义。新中国成立以來，我国隧道建设取得了举世瞩目的成就，建国后30年所修建的公路等级均较低，线形指标要求不高。五十年代，我国仅有公路隧道30多座，总长约2500m,且单洞长度都很短。到1990年底，我国建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建设中，技术也随着不断提高，并学习和引进了很多国外先进技术。福建鼓山隧道，洞内设有照明、吸音、防潮、通讯、防火等装置和闭路电视监控及雷达测速系统，这是我国第一座现代化的公路隧道。据不完全资料统计，我国己建成公路隧道1208座，总里程362km。冃前，公路隧道的单洞长度越来越长，修建技术与营运技术H趋复杂。秦岭终南山特长隧道全长18.02km,在公路隧道长度上位居亚洲第二，国内第一。2隧道发展与各学科的关系从隧道的发展历程可以看出，隧道工程每一次进步都离不开基础科学的发展，都得益于工程技术的进步。起初，隧道的施工条件是极其恶劣的，体力劳动强度高和施工难度大，丿力史上为了减轻劳动强度，人们曾经做过不懈的努力。在古代一直采用“火焚法”和铁杵钢钎等原始工具进行开挖。最早应用于开挖隧道的方法是矿山法，这得益于火药、炸药的发明和人们开凿矿山总结的经验。直到19世纪才开始钻爆作业，矿山法施工技术得到了不断改进，发展成为钻爆开挖加锚喷支护的施工方法，又称新奥法。在此期间随着工程机械技术的发展，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的大型多臂钻机。和钻爆开挖方法不同的还有两种机械开挖法，一种是用于开挖软土地层的盾构 机，发明于1818年。经过-•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；另一种是用于中等以上隧道坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。隧道理论研究开始于14世纪，主耍是研究地层压力。此后随着采矿和隧道工程的发展，地层压力理论也在相应的发展着。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弹塑性理论。20世纪初，普氏以均质松散体为基础，提出了地层压力的计算方法，但他把岩石假定为松散体，并把复朵的岩体之间联系用一个似摩擦系数描写，这种做法显然过于粗糙，不过，直到现在，普氏理论还在应用着。这种理论被称为“松弛荷载力理论”。其核心内容是：稳定的岩体有口稳能力，不产生荷载；不稳定的岩休则可能产生坍塌，需要支护结构予以支承。20世纪50年代提出了现代支护理论，或称为“岩承理论”。其核心内容是:围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定的围岩丧失稳定需要一个过程，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能能够进入稳定状态。这是一种比较现代的理论，它已经脱离地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪已被广泛接受和推广运用。我国著名学者陈宗基教授，在1958年首次把岩石力学作为一门边缘学科來发展。过去基木上把岩石当作材料进行研究的。他强调必须用力学的观点，以地质为基础解决工程实际问题。指出，既要重视岩石的变形强度特性、结构关系的理论研究，又要解决工程实践提出的各种问题，并指出现场试验与室内试验是相辅相成的和不可分割的，强调问题的关键在于要有正确的概念。岩石力学和土力学的发展，为隧道结构的受力分析和应力状态的研究提供了保障，从量值上为隧道设计提供了指导。越来越多的多断面形式不断出现，断面结构越来越合理。特别是人型计算软件的出现，隧道结构计算变得简单易行，节省了计算时间，述能得到隧道断面各点的受力情况，能够准确设计隧道齐点的衬砌强度，掌握隧道断面的薄弱环节，然后对薄弱点进行加强衬砌。计算软件能够模拟锚杆、喷射混凝土、土工布、防水板和二次衬砌的受力特性，为隧道优化设计提供指导。这样以来，隧道设计越来越精确合理，经济节约，技术可行。隧道工程的发展离不开工程机械的进步，也离不开新型材料的支撑。从早期的人工钢钎凿岩和爆破开挖到TBM掘进施工，从早期的网格式人工开挖盾构目前自动化控制的土压平衡盾构和泥水平衡盾构，从早期的凹凸不平的粗糙面直接衬砌到喷射混凝土进行临时支撑，TBM、盾构机、混凝土喷射机扮演了重要的角色。从古老的土砖衬砌到喷射混凝土、钢拱架和模铸混凝土衬砌，从早期的简单的水泥浆液注浆到目前流动性更好、渗透性更强、粘结性更好的化学浆液注浆，从无防水材料路面湿滑到土工布和防水板防水路面整洁行车舒适，材料的发展在隧道的发展中占据重要地位。机电和电子信息控制为隧道向长的方向上发展捉供了可能。公路隧道长度增加，车辆的废气排放越多，烟雾增大，对司机的健康和行车不利。短隧道可以借助自然风流达到稀释烟尘的效果，而长隧道必须借助于机械通风。轴流风机就能为隧道提供一定的风压，促进隧道内的污染空气流动。隧道增长，就要做好安全防护，做好应急安全保障，沿隧道安装摄像和报警装置，进行实时监控，确保行车营运安全。 现在隧道开挖机械化程度高，开挖断而大，支护材料强度高，未来会向那个方向发展呢？首先，制造的盾构机能适应各种各样的岩土要求，掘进精度和控制精度越來越高，地层沉降越來越來少，隧道渗漏水将得到严格控制，海底隧道将会大发展，事故率越来越低；其次，注重环境保护，减少破坏隧道开挖山体的水系平衡，减少人开人挖，严格按照编制的施工计划和任务执行，隧道开挖的废渣得到更好地利用，不会随意倾倒。再次，会产生新的通风方式，减少口前通风方式的耗能,大量出现太阳能光电板安装在隧道进出口，用太阳能为隧道提供照明,以适应绿色节能的需求。最后，隧道结构耐久性检测出现，确定隧道安全级别，对隧道维护修缮提供精确依据，减少隧道受到地质灾害的影响和运营期间的工程病害。4结论隧道工程专业的发展经历了漫t与曲折的历程，从矿山法到机械开挖，取得了巨大的进步，这与人类的勤劳与智慧密切相关。在前人取得丰硕成果之上，我们也要不懈努力，将本专业的发展推向新的高度。参考文献：[1]王毅才.隧道工程（上）.2版.北京：人民交通出版社，2006.3.[2]刘建航侯学渊.盾构法隧道•北京：中国铁道出版社，1991[3]于书翰杜谟远.隧道施工•北京：人民交通出版社，1996[4]王梦恕宋延坤王潜•工程机械施工手册一隧道机械施工.北京：中国铁道出版社，1992.[5]关宝树.隧道施工要点集.北京：人民交通出版社，2003.ThedevelopmentoftunnelengineeringandrelationshipwithotherengineeringAbstract:thisarticleintroducethederivation,developmentandtrendsoftunnelengineeringandtherelationshipwithothe『engineering.Howtoimprovethedevelopmentoftunnelengineering?Theimportantmethodoftunnelengineering:MiningMethodandNewAustrianTunnelingMethod-NATM・Keywords:tunnelengineering；MiningMethod；NewAustrianTunnelingMethod・NATM：shield；submarinetunnel