岩土、隧道及地下工程.ppt

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1、岩土、隧道及地下工程,朱 合 华土木工程学院地下建筑与工程系,内容概要,岩土及地下工程的定义 岩土力学的沿革 萌芽期的岩土力学（17731923年）经典土力学的形成与发展(19231963年)现代土力学的发展岩土工程的演变 早期的岩土工程 近代岩土工程 现代岩土工程,隧道及地下工程的发展历史与技术进步 古代隧道及地下工程 近代隧道及地下工程与新技术诞生 现代隧道及地下工程与技术进步展 望 工程实践的新要求与岩土力学发展趋势 岩土工程与地下工程的发展态势 未来隧道挑战,岩土及地下工程的定义,岩土及地下工程是什么？,房屋基础,桥梁基础,天然基础,浅基础,桩基础,地下会议室（新加坡）,地下歌剧院（俄

2、罗斯）,地下图书馆,岩土工程一词译自Geotechnique 或Geotechnical Engineering，早期曾译为“土工学”，20世纪5060年代后译为“岩土工程”。台湾的岩土工程即大地工程（Geo-Engineering）关于岩土工程的定义：中国土木建筑百科词典：“以工程地质学、岩体力学、土力学与基础工程学科为基础理论，研究和解决工程建设中与岩土有关的技术问题的一门新型的应用科学”。美国地质协会的地质词典及韦伯斯特大词典：“运用科学方法和工程原理，使地球更适应于人类居住条件，以及为了勘测资源和利用资源的一门学科”。岩土工程基本属于标准：“土木工程中涉及岩石和土的利用、处理或改良的科

3、学技术”。这一定义包含以下三个层次的内容：,（1）岩土工程是以土力学与基础工程、岩石力学与工程等理论为基础，并和工程地质学密切结合的综合性学科。（2）岩土工程以岩石和土的利用、整治或改造作为研究内容。岩土工程是从工学的角度、以工程为目的研究岩石和土的工程性质。当岩土的工程性质或岩土环境不能满足工程要求时，就需要采取工程措施对岩土进行整治和改造，不仅涉及对岩土性质的认识，而且需要研究如何采用有效的、经济的方法实现工程目的。（3）岩土工程服务于各类主体工程的勘察、设计与施工的全过程，是这些主体工程的重要组成部分。岩土工程研究的主要对象是岩体和土体。岩土体是自然、历史的产物，其形成过程包含了一系列物

4、理的、化学的和生物的作用。岩土体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而有着复杂的结构和地应力场环境，其工程性质往往具有很大的差别。,岩土工程学科是土木工程学科的一个重要分支学科，也是寓于各主体工程之中的学科。它服务于建筑工程，就是建筑工程的一部分；服务于桥梁工程，就是桥梁工程的组成部分。但岩土工程又有其特有的、不同于上部结构的自身规律和研究方法，将它们的共同规律从各种主体工程中归纳出来研究有助于更好地解决各类工程中的岩土工程问题，这是岩土工程学之所以能发展成一门学科的客观基础。隧道及地下工程(Tunnel and underground works)是指从事研究和建

5、造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和运营养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程专业的一个分支；也指在岩体(层)或土体(层)中修筑的各种类型的通道和地下构筑物：交通运输：铁路、道路、运河隧道，及地下铁道和水下隧道等；工业和民用建筑：市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军事：各种坑道(或地道)、发射井等；水力发电工程：地下发电厂房以及其他各种水工隧洞；为解决城市土地利用、环境保护等方面综合开发利用的地下空间，如地下街、各种构筑物之间的联络通道等。,岩土力学的沿革,1萌芽期的岩土力学（17731923年）18世纪60年代的欧洲工业革命和19世纪中叶的二次工业革命，推动了社会生产

6、力的发展，出现了水库、铁路和码头等现代工程，提出了许多有待解决的岩工程问题，如地基承载力、边坡稳定、支档结构物的稳定性等；同时施工机械的出现，也为现代岩土工程的发展提供了物质条件；工程中出现的事故和难题促使人们进行土力学理论探索和岩土工程的技术创新，开始出现土力学的许多经典理论，整个过程持续了大约160年，为20世纪太沙基土力学体系的形成准备了条件。土力学发展中的里程碑式人物：土力学的第一个理论是1773年由法国科学家库伦(C.A.Coulomb)建立并由摩尔(O.Mohr)发展了土的Mohr-Coulomb强度理论，它为土压力、地基承载力和土坡稳定分析奠 定了基础。,法国科学家库伦（Char

7、les Augustin de Coumomb,1736 1806年),1856年，法国工程师达西(H.Darcy)通过室内渗透试验研究，建立了有孔介质中水的渗透理论，即著名的达西定律。1857年英国学者朗肯(W.J.M.Rankin)提出了建立在土体的极限平衡条件分析基础上的土压力理论，它与库伦理论被后人并称为古典土压力理论，至今仍具有重要理论价值和一定的实用价值。1869年俄国学者卡尔洛维奇()发表了世界上第一本地基与基础教程。1885年法国学者布辛内斯克(J.V.Boussinesq)和1892年弗拉曼(W.Flamant)分别提出了均匀的、各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线荷载作用

8、下的位移和应力分布理论。1889年俄国学者库迪尤莫夫()首次应用模型试验研究地基破坏基础下沉时地基内土颗粒位移的情况。20世纪初，土力学继续取得进展，1920年普朗德尔(I.Prandtl)根据塑性平衡的原理，研究了坚硬物体压入较软的、均匀的、各向同性材料的过程，导出了著名的极限承载力公式。这些早期的著名理论奠定了土力学的基础。,20世纪初，岩土力学的理论与工程应用取得了较好的发展。当时，瑞典、巴拿马、美国、德国等相继发生重大滑坡坍方事故，表明当时的一些分析方法不能满足处理事故的要求，于是纷纷成立了专门委员会或委托专家进行调查研究：瑞典为处理铁路沿线不断出现的坍方问题，在国家铁路委员会内设立岩

9、土委员会；巴拿马运河为处理可能堵塞运河的一段河段边坡事故，成立了专门委员会；美国土木工程师协会设立了研究滑坡的特别委员会；德国的基尔运河为处理施工中的滑坡事故设立了调查委员会；德国克莱(K.Krey)开始对挡土墙和堤坝所受的土压力进行广泛的调查研究。瑞典由于Stigbetg码头的破坏，成立了港口特别委员会，对该码头滑动原因进行分析，导致了著名的瑞典圆弧滑动法的产生。1920年，瑞典国家铁路委员会的岩土委员会成立了一个岩土实验室，它可能是世界上第一个岩土实验室。,2经典土力学的形成与发展(19231963年)约1913年土力学发生转折的时候，也正是太沙基对土力学进行探索研究并形成飞跃的阶段。19

10、061912年间，年轻的太沙基在所从事的结构工程和水电站工程工作中，看到许多地基工程的意外失败事故，发现当时对于土 的力学性质的认识远未能解决实际工程问题，在19211923年间次年改成了土力学有效应力概念和土的固结理论。这些成果终于奠定了他作为土力学创始人的地位，并使他被公认为土力学和基础工程方面的权威。,土力学家太沙基(Karl Von Terzaghi,18831963年),正如太沙基所说的那样，直到20世纪30年代，地质勘探的唯一办法是根据工长的靴子后跟在基槽土面留下的痕迹而作出地基承载力的判断。他建立了一套野外勘探与室内试验的方法，使土的力学性质的研究和地质条件密切结合。太沙基于19

11、48年做了如下的评价：“土力学创始于1776年库伦土压力理论的发表，是个很有才能的开端，但再后来的一个世纪里就几乎没有什么进步，研究工作多少局限于改进干的纯净的无粘性的砂作用于挡土墙背的计算方法，针对此课题发表的一些论文和课题实际的重要性很不相称。在工程实践中，大多数施工难点与事故是由于渗流产生的压力所引起的，但这些压力并未受到重视，因此，他们对于要面对实际的工程师来说，用处不大，这些理论多半在教室里才会有用处。”20世纪中叶，太沙基的理论土力学及太沙基和派克(R.B.Peck)合著的工程实用土力学是对土力学的全面总结，使岩土工程技术具有了坚实的理论基础，从感性走向理性并对岩土工程的发展产生了

12、深远的影响。,Ralph Brazelton Peck(1912 年),太沙基最重要助手卡萨格兰德(A.Casagrande)在土的分类、土坡的渗流、抗剪强度、砂土液化等方面的研究成果影响至今，如粘性土分类的塑性土中的“A”线“即是以他(Arthur)命名的。卡萨格兰德培养了包括简布(N.Janbu)等著名土力学人才，简布在土的压缩性研究、边坡稳定性等方面为土力学的发展作出了杰出的贡献。,Arthur Casagrande(1902 1981年),此后，太沙基、斯开普敦(A.W.Skempton)、迈耶霍夫(G.G.Meyerhof)、魏锡克(A.S.Vesic)和汉森(B.Hansen)等对

13、地基承载力理论分别进行了修正、补充和发展，提出了各种地基极限承载力公式；泰勒(D.W.Taylor)和简布发展了土坡稳定性理论；比奥(A.M.Biot)建立了土骨架压缩和渗透耦合的三维固结理论等。这些成就为现代土力学的发展提供了重要理论依据。,3现代土力学的发展现代土力学的概念最早出现在20世纪50年代初，当时主要考虑了土体两个基本特性压硬性和剪胀性。例如斯开普敦(Skemton)提出的著名公式，其中孔隙压力系数 就是土的剪胀性的体现。而简布提出的模量公式 中对 的考虑就是压硬性的体现。1963年，罗斯科(Roscoe)发表了著名的剑桥模型，提出了第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性模型，创建

14、了临界状态土力学，他的成就标志着现代土力学的诞生。经过40多年的努力，目前现代土力学的理论已渐趋成熟，并且在下列几个方面取得了重要进展：（1）非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用；（2）损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究；（3）非饱和固结理论的研究；（4）砂土液化理论的研究；（5）剪切带理论及渐进破损问题的研究；（6）土的细观力学研究等。,岩土工程的演变,1早期的岩土工程从一些历史遗迹考古中发现，原始人就已经利用土、木、石等自然资源以谋求改善生存和生产条件，人类的活动从一开始就离不开岩土工程。我国北京周口店发现的“北京猿人”洞穴可能是迄今所知世界上最早的岩土工程有关的遗址。在我国夏

15、代大禹治水，把土地分为九个等级，从疏导入手，换来九州平安，这是在4200余年前的一项非凡的防治水患的岩土工程。我国古代最早的浅基础遗迹，可以追溯到陕西西安市半坡村的新石器时代遗址和殷墟遗址出土的房舍的土台和石础。烧制和使用石灰的技术，后来很快从我国并从美索不达米亚传播至世界各地。石灰胶泥乃成为世界各地砌筑砖石基础的良好的交接材料，并且导致出现了沿用至今的砖砌大放脚独立基础和条形基础。,距今1300多年的隋朝石匠李春主持修建的赵州石拱桥，是世界桥梁史上一座杰出的名桥，其桥台设置于密实粗砂层上，地基处理非常合理，以致保存完好并使用至今。用石灰做基础工程的材料，保存至今的古代著名的工程实例，有我国的

16、万里长城和西藏佛塔，埃及的金字塔和古罗马的加普亚军用大道等。始于隋朝（公元6世纪）开凿的我国大运河跨径长江、淮河和黄河流域，秀逸万里，举世闻名。若没有处理好岩土问题，岂能穿越地质条件迥然不同的辽阔地区而成为亘古奇迹?,我国桩基础的使用，可以追溯至距今六、七千年的河姆渡文化期，在河姆渡遗址发掘中，到处可见数量众多的木桩及木构件。五代的杭州湾大海塘大规模的采用了木桩加石承台；明清时代的北京御桥、南京石头城都采用了木桩基础。我国古代虽有“堪舆学”与“择地术”，为房屋建筑选择场地，但只能讨论场地地面，没有可能了解地基的深部。而在国外，由于对地质条件缺乏了解，一些地基基础问题而引发的工程病害或事故并不少

17、见，著名的意大利比萨斜塔，竣工时塔身就倾斜了2.1m，其后倾斜不断加剧以致不得不进行纠斜处理，为岩土工程界留下了许多值得探讨的课题。,2近代岩土工程1885年，美国芝加哥建成了世界上第一座具有现代意义的钢结构高层建筑，10层的家庭保险公司大楼，高55m。1902年，美国辛辛那提建成16层的登格尔斯大楼，是世界上第一座钢筋混凝土高层建筑。随后，在美国纽约等市，乃至世界各地，兴起了建造高层建筑之风。19世纪末，芝加哥在遭受特大火灾后的重建工程中成功采用了“人工挖孔桩”。这种桩型对桩基技术乃至岩土工程技术的一大贡献，100余年来一直受到世界各地的青睐。1899年，俄国工程师斯特拉乌斯（Ctpayc）

18、首先提出了混凝土灌注桩的建议。1901年，美国工程师莱蒙德（raymond）也独立的提出了沉管灌注桩的设计，此概念很快流传至世界各地。,瑞典的打桩技术发展很早，大约早在中世纪，已有手工木槌、石槌渐渐发展到改用绞盘提升锤头，然后让其自由坠落冲击桩顶，这就是今日所称的落槌法施工。随着打桩数量的增加和深度的加深，落锤式打桩机渐渐显得不相适应。至1782年，蒸汽打桩锤应运而生。至1911年，导杆式柴油打桩锤问世。大约又过20年，高效的筒式柴油打桩锤问世。瑞典学者Christopher Polhem提出：“对一根桩，必须知道三件事，即锤的质量、锤击时桩锤的提升高度以及锤击时桩的下沉量”。他的观点与后来许

19、多国家的学者所研究制定的打桩公式的本质是一致的。自19世纪80年代开始，我国开始了以铁路工程、水利工程建设为代表的岩土工程活动，至清政府被推翻时，总共完成铁路4300多公里，其中京张铁路（19051909年）由我国杰出的铁路工程师詹天佑自己设计并主持施工完成。1923年，我国上海建成了第一座10层现代高层建筑宇林西报大楼（现改名友邦大厦），标志着我国基础工程进入了一个新的发展阶段。,补偿基础的原理早在19世纪就已为欧美一些国家的学 者在实际中运用。1908年加拿大维多利亚市的皇后旅馆较早的采用了补偿技术，比著名的墨西哥的拉丁美洲大厦（1957年）整整早半个世纪。在近代，由于施工机械的产生而使岩

20、土工程的施工技术发生了根本的变化，奠定了近代岩土工程技术的物质基础，大型的、机械化的施工时间为岩土工程理论的产生提供了丰富的工程经验。为了解决挡土墙、土坡、地基承载力等土体稳定性问题和地下水的渗流问题，库仑、达西、朗肯等科学家相继通过实验、观察和数学力学的分析计算，提出了一系列著名了理论和方法，奠定了近代岩土工程的理论基础。,2现代岩土工程（1）岩土工程领域的拓展 岩土工程所涉及的领域有传统的水利工程（堤坝）、建筑工程（基础、基坑）和公路铁路工程（路基、边坡、桥梁基础、隧道）扩大至地震工程、海洋工程、环境保护、地热开发、地下蓄能、地下空间开发利用等领域，许多重特大项目无不包含了大量的岩土工程内

21、容。上海洋山深水港位于杭州湾口长江口外的崎岖列岛，是具备15m以上水深的天然港址。一期港区工程的1600m水工码头和配套的大小桥梁工程中采用了大量的桩基础，陆域形成工程中采用了强夯、排水固结等多种地基加固方法。,三峡工程是举世瞩目的跨世纪工程，在长达30多年的前期论证与研究工作中，进行了大量的基岩工程性质的现场及室内试验研究及岩体稳定性的分析研究工作，最后确定三斗坪的坝址，是以对基岩的大量钻探、取芯、实验和研究的成果为依据的。三峡永久船闸是目前世界上最大的通航建筑物，整个闸室均在花岗岩的山体中深切开挖修建，船闸边坡集长度、高度、陡度和重要性于一体。不仅需要保证船闸边坡的整体稳定，不允许施工期间

22、出现大的滑坡、塌方或崩塌，运行期间不发生过量的变形或者任何的松动、掉块和开裂之外，还要保证工程建成以后仍具有长期的稳定性。这些要求的实现都是以岩石力学的实验研究以及实施正确的工程施工方案为条件的。在三峡工程的施工过程中，还有许多关键技术需要岩土工程技术的支持。例如二期深水高土石坝围堰，施工难度大，在深水中抛填的堰体密度控制是设计和施工的难题。通过土工离心模型试验，模拟60m深水抛填风化砂在重力作用下形成的密实度和坡角，为设计和施工提供了质量控制和依据。,（2）岩土工程发展条件的成熟钢材、水泥以及其他新材料的大量推广应用，改变了土木工程和岩土工程的基本面貌，粘土砖、石料、灰土、三合土等传统材料渐

23、渐完成历史使命，退出历史舞台。土工合成材料的产生以及在岩土工程中的广泛使用，为重大工程和岩土工程疑难问题的解决提供了新的技术途径和方法。机械、电子工业的发展为岩土工程提供了各种重型的、自动化的施工装备，改变了岩土工程大量手工劳动的状况，提高了劳动生产力，未解决大型、深层、深水条件下的岩土工程施工技术创造了物质条件，促进了桩型和地基处理方法的不断创新。,目前已广泛应用于工程中的各种基础工程施工机械设备种类繁多：各种挖土作业机械夯土作业机械锤击打桩机震动打拔桩机沉管桩机制作钻孔灌注桩的各种螺旋钻机循环钻机及其配套设备桩身多节扩孔和扩底设备超大（直径可达5m）、超深（深度可达400m）可分别用于陆地

24、软硬土层及江河外海、港口等各种条件作业的钻机及其配套设备等。近年来，各种新型施工机械和施工工艺不断涌现，如：用于基坑工程的冲击式抓掘式地下连续墙成槽设备多轴式SMW工法搅拌桩机等。,（2）岩土工程理论和技术的突破由于可供利用的良好的浅层天然地基逐渐减少，当采用浅基础时往往有赖于对不良地基先做加固处理，因此各种地基处理技术蓬勃发展，成为浅基础施工的先导技术。近年来深基础主要是桩基础的类型不断增加。如今已有打入、置换和原土搅拌三大类基本工艺，百余种桩型，可适应各类地质条件和各类工程结构的不同需求。据粗略估计，近10余年我国每年用桩量高达5 000万根，堪称用桩大国。,基础和地下结构的埋置深度不断增

25、加，基坑开挖的深度和体量不断增大，而随着许多大型工程的成功将岩土工程学科理论和相关技术推向了一个新的高度：润扬长江公路大桥是至今为止我国已建成桥梁中规模最大、建设标准最高、技术最复杂、科技含量最高的现代化特大型桥梁工程。北锚碇基础基坑平面尺寸69m50m，深度达50m，为国内外罕见的超深基坑工程，而南锚碇基础则采用了先进的冻结帷幕施工方。1998年竣工的上海金茂大厦，基础底板埋置在地下15 18m深度，地下连续墙埋深36m，基坑面积20 000m2，开挖土方320 000m3，是我国近年施工的深大基坑中的一例。于2005年2月开工建造的上海环球金融中心是以办公为主，集商贸、宾馆、观光、会议等设

26、施于一体的综合型大厦，设计高度492m，地上101层，地下3层，总建筑面积约37.73万m2，基坑采用筒形支护、中心岛施工法。,各种废弃物对环境造成的污染已经达到不能容忍的程度。面对如此庞大数量的废弃物，世界各国都非常重视，投入了大量人力物力开展各项研究。目前对于城市废弃物的处置方式主要有资源化、焚烧处理和岩土工程处理法等。岩土工程处理方法最大的优点是处理量大、能源消耗低，但主要缺点是占用较多的上地，需要有严格的环境监测配套，保证填埋场不造成二次污染。由于岩土条件的特殊性、复杂性和岩土工程类型的极其多样性，岩土工程的发展是极不平衡的。人们对于岩土特性的认识还远不能满足工程实践的要求，岩土工程设

27、计仍然是在很大的不确定性条件下进行的。面临21世纪社会、经济和科学技术的飞跃发展，岩土工程将在充满矛盾和挑战中进入新的发展历史时期。,隧道及地下工程的发展历史与技术进步,上世纪80年代，国际隧道协会（International Tunnel Association，简称ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。纵观隧道及地下工程的历史与发展，从某种意义上来讲，隧道及地下工程建设的历史即是人类文明发展的历史，其发展历程可分为古代、近代和现代三个时代。,1古代隧道及地下工程古代隧道及地下工程，是指从旧时器时代到公元l7世纪，主要特点是利用天然材料，如岩石、土体等，辅以初级的人造

28、材料，如砖、瓦、青铜、铁等。这一时期的隧道及地下工程基本全部依赖手工或简单机械来完成。窑洞是人类利用地下空问的一个重要里程碑。黄土窑洞是我国历代劳动人民在长期生活实践中，认识、利用、改造黄土的智慧结晶。它起源于古猿人脱离巢居而“仿兽穴居”时期，历经上百万年。由于窑洞建造施工简单，且具有冬暖夏凉特点，因此在我国西北地区黄土地带广泛采用，至今在河南、山西、陕西、甘肃等省，窑洞仍是当地民居的形式之一。,窑洞,中国汉代在今陕西褒城修建隧道时，曾用火煅石法（用柴烧炙岩石，然后泼以水或醋，使之粉碎）开通了长14m、宽3.95 4.25m、高44.75m的石门隧洞。公元7世纪，我国隋朝在洛阳东北建造了近29

29、5个地下粮仓，面积达600m700m，其中第160号仓直径1lm、深7m、容量445m3。在魏晋及南北朝时期，我国石工技术达到了很高水平，相继建成了著名的云冈石窟、龙门石窟、敦煌莫高窟，以及甘肃麦积山和河北邯郸响堂山石窟等，这些石窟岩洞形成了大型的雕刻艺术空间。地处戈壁滩的新疆吐鲁番，修建有举世闻名的坎儿井。坎儿井最早出现于公元前200年，吐鲁番坎儿井大多修建于清朝时期，总数近千条，全长约5 000km，形成了一套完整的地下水利系统，享有“地下长城”之美誉，与万里长城、京杭大运河并称为中国古代三大工程。国外最早的地下工程当属著名的埃及采矿穴和罗马的下水道。世界上第一座交通隧道是公元前2180年

30、公元前2160年在巴比伦城中的幼发拉底河下修建的人行隧道。公元前30年，奈波耳附近修建了道路隧道。然而在公元5世纪到16世纪，国内外的隧道及地下工程发展基本处于停滞时期。,2近代隧道及地下工程与新技术诞生 近代隧道及地下工程时期是指从17世纪到第二次世界大战前后。在这一时期，木、石、砖等建筑材料特别是混凝土、刚才和钢筋混凝土等得到广泛应用，重要的是在工程设计中运用了力学与结构的概念和原理。在施工技术方面，由于火药的使用出现了矿山法（Mine Tunnelling Method)隧道施工方法；工业革命的发展促进了机械替代人力的开挖方法，如隧道掘进机法（Tunnel Boring Machine,

31、简称TBM）、盾构法（Shield Tunnelling Method）及顶管法（Pipe Jacking Method）等。在这一阶段完成的工程主要分为两类：一类是用于交通运输，一类则是用于人防工事，尤其是第二次世界大战期间兴建了一大批地下工事。,（1）传统矿山法从17世纪炸药和18世纪蒸汽机的使用，矿山法开始应用于隧道开挖，促进了隧道及地下工程的迅速发展。传统矿山法因最早应用于采矿而得名，它主要采用钻眼、装药、放炮、出渣、支护等循环或利用臂式掘进机来完成隧道施工，采用炸药钻爆破岩石是其特点，因此也常称为钻爆法。近代修建的隧道几乎全部采用传统矿山法修建。如1613年英国建成伦敦地下水道；16

32、79年法国修建了Midi运河中的Malpas隧道，长度173m；1863年伦敦建成世界第一条城市地下铁道；建于18571871年的仙尼斯双线隧道长12.8km，穿越阿尔卑斯山链接法国和意大利的公路隧道；建于18711881年的圣哥达双线铁路隧道，长15km，穿越链接瑞士和意大利3200m高的圣哥达山峰；辛普伦敦隧道是连接瑞士和意大利的一座铁路长隧道，长19.8km。美国最长的隧道是19251928年修建的长12.54km的喀斯喀特隧道。,中国第一座铁路隧道是18871889年台湾省台北至基隆窄轨铁路路上的狮球岭隧道，长261.4m。八达岭隧道位于京包铁路青龙桥车站附近，这座单线隧道全长1091

33、m，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，自1907年开工，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道是中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。第二次世界大战中，参战国修建了大量的地下军事工程。这些地下工程多采用传统矿山法修筑。到1946年，德国已建143座坑道式工厂。中国抗日军民在河北省焦庄及冉庄等地构筑了四通八达的地道工事，电影地道战中的地道工事就是一个实例。,（2）新技术的诞生传统矿山法的大量采用，也逐渐暴露出其严重的安全和工期问题，如爆破容易扰动隧道周围岩石，产生塌方安全事故和导致长隧道钻爆施工工期长等问题。因此在近代，诞生了多种新的隧道开挖方法及施

34、工技术。隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称IBM）方法是隧道施工的革命性技术创新，这是一种利用回转刀具开挖（同时破碎和掘进）隧道的机械装置。世界上第一台可连续掘进的TBM是美国工程师Charles Wilson于1851年设计的，由于滚刀设计问题无法克服，致使TBM在很长时间内并没有得到发展。,法国工程师Brunel在蛀虫钻孔的启示下于1818年发明盾构法(Shield Method)隧道施工方法，亦称掩护筒法，并于1825年在英国泰晤士河隧道中首次成功使用。穿越江河的另一种重要手段也是在这一时期提出的，即沉管法（Immersed-tube Method），又称沉埋法

35、。所谓沉管法是在水底预先挖好沟槽，把预制好的管体浮运到沉放现场，按顺序沉放到沟槽中，并回填覆盖而成的隧道。沉管法修筑隧道最早于1810年在伦敦泰晤士河试验，该隧道的两个孔道由砖石圬工砌成，外径3.4m。由于管段防水问题的困扰，试验一直未能成功。直到1894年美围在波士顿市修建了世界上第一座混凝土（砖）结构的沉管隧道，以及1904年建成的底特律水底铁路隧道才宣告沉管法的成功诞生。,3现代隧道及地下工程与技术进步(1)岩石隧道与矿山法和新奥法传统矿山法施工机具简单，且对不同岩石具有广泛的适用性，在岩石隧道施工中被广泛采用。日本青函海底铁路隧道(Seikan Tunnel)横穿津轻海峡连接日本青森和

36、北海道的函馆，是世界上包括陆地长度在内单行最长的隧道。该隧道于1964年开挖调查坑道，于1971年4月正式动工开挖主坑道，历时12个月，1983年1月27日先导坑道贯通，1988年3月13日青函隧道正式通车，前后历经24年，耗资7 000亿日元。,另外一座采用矿山法修建的公路隧道为勃朗峰隧道(Mont Blanc Tunnel)，修建于法国和意大利交界处的阿尔卑斯山的最高峰勃朗峰。隧道于1957年动工开凿，1965年7月l6日建成通车。隧道全长11.6km，宽8.6m，高4.35rn，约2/3在法国境内，由法意两国共同管理。矿山法也存在明显的缺点，除了掘进速度和效率相对较低外，最大的问题就是对

37、周围岩石的扰动大。另外，施工作业条件差、工人劳动强度大、安全性差等也是困扰矿山法的诟病。为克服这些缺点，人们不断地探索和完善隧道矿山法，具有代表性的革新是新奥法。,新奥法（NATM，New Austrian Tunneling Method），最早是由奥地利Rabcewicz等人在传统矿山法的基础上，总结支护施工经验，并结合岩体力学理论与1948年提出来的。该方法于1956年获专利权，l963年正式命名为NATM。NATM强调发挥周围岩石的自承作用，以薄层柔性支护与围岩结合形成的支护系统取代厚层的混凝土衬砌支护，改善了结构受力性能，减少了开挖量和圬工量，在经济性和安全性方面，均优于传统的矿山法

38、。新奥法于20世纪60年代引进我国，我国最早成功应用新奥法施工的标志性隧道当属大瑶山铁路隧道。标志着隧道先进的设计和施工方法“新奥法”在中国的成功运用。还有被誉为“亚洲第一长隧”的我国甘肃乌鞘岭隧道；最长的铁路隧道太行山隧道；我国自行设计施工的高速公路特长隧道秦岭终南山公路隧道；我国大陆首条海底隧道厦门翔安隧道。,(2)隧道掘进机(TBM)目前世界上每年开挖的隧道有30%40%是由TBM来完成的。TBM相比传统矿山法具有高效、快速、优质、安全等优点，其掘进速度一般是传统钻爆法的4-10倍。此外，采用TBM掘进还有利于环境保护和节省劳动力，提高施工效率，整体上比较经济。TBM的类型不断增多，以围

39、岩地质条件划分，有硬岩TBM、软岩TBM和软硬兼容TBM；以按直径划分，有微型TBM（250-3000mm）、中型TBM（3000-8000mm）和巨型TBM（8000mm）；以护盾形式划分，有敞开式TBM，双护盾或多护盾式TBM、盾构TBM。最著名的采用隧道掘进机修建的隧道莫过于英法海底铁路隧道。英法海底铁路隧道（The Channel Tunnel）又称欧洲隧道（Euro-tunnel）,横穿多弗尔海峡，从英国的福克斯通到法国的桑加特。隧道于1987年7月正式动工，1993年12月完工，1994年5月正式投入运营，历经7年修建，总投资128亿美元。英法隧道的建成，亦是英、美、法、日、德等先

40、进国家隧道施工技术于一体的最高成就。,丹麦斯多贝尔特大海峡跨海隧道全长18km，1988年动工，1998年完成通车，总投入折合人民币490亿元。由于隧道穿越的地层为冰碛和泥灰岩，均为含水层，渗透水量大，因而比英法海底隧道的掘进施工更为困难。工程中曾发生涌水险情，采用海底井管降水、冻结、气压等辅助施工法解决了困难。我国首次采用隧道掘进机施工的秦岭铁路隧道，该隧道位于安康铁路线上，全长为18.46km,是至今为止已建成通车的我国最长的单线铁路隧道，同时也是国内外采用隧道掘进机施工的第三座长隧道.,（3）盾构法隧道盾构法隧道经过100多年的应用与发展，尤其从上世纪60年代开始，盾构经历了气压盾构-泥

41、水加压盾构-土压平衡盾构的发展历程，目前盾构法已能适用于各种条件下的施工。我国盾构机主要用于软弱和富水地层（上海）、普通地层（北京）和复合岩土地层（广州）。日本东京湾跨海公路（Trans-Tokyo Bay Highway）是典型的采用盾构法施工的海底公路隧道工程，全长15.1km，由海底隧道、桥梁和人工岛三部分组成，其中隧道长10km。该隧道于1997年12月竣工，1998年通车，标志着当时盾构隧道施工最先进的技术水平。,在城市道路隧道方面，具有代表性的是从20世纪60年代起上海采用盾构法施工的越江公路隧道，先后建成打浦路越江隧道、延安东路过江隧道南北线、黄浦江隧道、大连路隧道、翔殷路隧道等

42、，1965年8月至1970年9月建造的上海市打浦路越江隧道，隧道为单管双向隧道，全长2761m,在黄浦江底掘进1322m,是国内采用盾构法施工的第一条水底公路隧道。2001年5月25日通车的上海大连路隧道，为双管双向四车道。世界最大直径的上海长江公路和地铁共用桥隧工程。包括浦东岸边段、江中段和长兴岛岸边段3部分，全长达到8955.26m，投资额约63亿元人民币。掘进采用德国海瑞克公司制造的大型盾构机，直径达到15.43m，是目前直径最大的盾构机。隧道结构的外直径为15.0m，内直径为13.7m，衬砌采用钢筋混凝土管片，管片环的宽度为2.0m，厚度为0.65m。,大连路隧道,复兴东路隧道,延安东

43、路隧道,上中路隧道,南京长江隧道,武汉长江隧道,上海长江隧道,上海翔殷路隧道,西藏路隧道,（4）沉管法隧道沉管隧道历史至今已逾百年，世界各国采用沉管法修建或在建的水下隧道已达150余座。多数地基条件均适于沉管法施工，并能适应于纵向发生不均匀沉陷的地基。此种施工法也完全适用于地震地区。由于管段是预制的，因而沉管隧道质量更可靠，断面利用率更高。沉管隧道最主要的缺点是在沉管阶段对于河道上的船舶交通会造成影响。沉管隧道预制管段由早期的单层或双层钢壳作为模板和防水结构，逐渐过渡到采用钢壳和聚合物防水层相结合。20世纪90年代以后，欧洲国家的预制混凝土管段基本上以本体自防水为主。我国大陆第一条在软土地基上

44、采用沉管法建造成功的水下隧道为浙江宁波甬江隧道。采用沉管法修建的上海外环线越江隧道工程（泰和路隧道），其规模为亚洲第一、世界第三。,（5）轨道交通隧道工程在轨道交通建设方面，世界城市地下铁路轨道交通一百多年来发展很快，尤其是在日本、欧洲、北美等国家和地区。具有代表性的城市有：纽约、巴黎、伦敦、东京、莫斯科等。纽约市公共交通占总交通量的53%，到内城的客运80%采用大容量交通工具。市区地铁共有27条，长443km，所有车站通宵服务。巴黎轨道交通承担巴黎公共交通70%运量，市区和郊区汽车承担30%。地铁有15条线，共199km,是内城公共交通的骨干。伦敦作为世界上第一个建成地铁的城市，现在已拥有了

45、总长408km的地铁网，其中160km在地下，共有12条路线，274个运行车站。东京地铁总里程排名世界第四位。莫斯科拥有遍及全市的立体交叉地铁网，总长243km,140多个车站，由一条环线和8条放射线组成，日运量800多万人次，居世界之首。,我国自1965年北京修建第一条地铁以来，内地已有北京、上海、广州、深圳、天津、长春、大连、武汉、重庆、南京等10个城市陆续修建了地铁及轻轨线路，已建成投入运营的有18条线路，运营里程达到420km。上海从20世纪90年代开始大力发展轨道交通。经过10多年的建设，日承担客运量120万人次，约占公交客运总量的11%，初步显示了轨道交通快速和大运量的优势。图为上

46、海运营中的某地铁车站。,（6）地下空间综合开发利用世界各国非常重视城市地下空间的开发与综合利用，修建了大量的地下存储库、地下停车场、地下商业街、地下文娱体育设施和用地下管线等连接为一体的地下综合建筑群体。挪威Gjovik奥林匹克山会堂是1994年为冬季奥运会冰曲棍球比赛建设的多功能地下空间（下图），其地下空间跨度达到61m，是世界上最大的地下空间利用工程，也是地下工程公共利用的全世界最高标志。,中国地下商场、商业街的建设也在如火如荼地展开，在北京、上海、西安等城市的地下交通枢纽（左图）、地下商场（右图）、地下观光隧道、地下停车库等都已初具规模。可以预见在不远的将来，地下空间的开发将成为一个城市

47、现代化程度的象征。,展 望,1工程实践的新要求与岩土力学发展趋势岩土力学的发展经历了从经验逐步过渡到理论的过程，随着人们对土的力学特性的认识越来越深入，已经发现了许多新的现象，例如应力路线的依赖性、强剪缩性和反向剪缩等。不少学者正在探索新的研究思路，包括从细观结构上开拓新的研究路径。数值模拟方法已经成为一个强有力的工具，在土力学的计算与分析中数值分析法也发展很快，包括有限元、边界元、颗粒流等数值计算方法的发展，促进了计算机土力学以及土的本构模型的研究和发展。反馈分析法来源于太沙基和派克提出的“观察法”，一方面用现代先进技术进行原体观测，同时在现代计算机技术的基础上建立联系理论、经验与现场观测资

48、料的专家系统。由于土的特性多变，人们越来越不满足于一个土层具有一定力学指标的定值研究方法，从20世纪70年代开始的土的随机性研究蒸方兴未艾。此外与之相对应的机遇可靠度的研究理论，以及基于风险的研究理论为岩土力学注入了新的活力。,2岩土工程与地下工程的发展态势,3未来隧道挑战随着城市化的飞速发展，用地面积日益紧缺、环境保护愈加重要，人民回归自然的呼声日益剧增。新型隧道及地下工程的方式层出不穷。例如穿越深水的通道形式，提出的概念性悬浮隧道，正在逐渐走入人们的视野。在相当长的时间内，隧道施工尤其是大断长距离、高水压等复杂条件下的隧道施工技术仍然具有一定的挑战性。在隧道运输方面，近年来人们提出了“真空隧道输运”的设想，即在隧道内部形成真空。减小气体摩阻力，通过急速挤压真空条件下超快输送容器来实现运送工作。瑞士人提出在半真空的隧道内，以时速400Km/h的速度，在城市密集区的地下运送旅客。另外，有人还提出利用火箭喷射助力设备，驱使输送设备的隧道内完成运送任务。目前法国、美国等大城市已经开发了地下物流系统，从而实现隧道快速货运。,谢 谢！,