1.3　隧道工程建设的特点

隧道及地下工程与地面建筑工程均属土木工程的范畴，但隧道及地下工程建设从基础理论、勘察设计到工程施工、维护，与地面工程都有很大差别，是土木工程中一类特殊的建设领域。

隧道及地下工程的建设特点主要表现为建设工程构筑体处于地质体中，设计施工基础理论研究尚不成熟，处于以经验设计和工程类比法为主的建设现状，具有建设过程复杂，影响因素及不确定因素多，涉及学科范围广，建设过程需与建设环境相协调等特点。

1.3.1　隧道工程处于地质体中

工程岩体（土体）是地下工程结构的一部分。这些地下工程埋设在不同的地层中，可能遇到各种各样的复杂地质问题。因此，地下工程的设计、施工均与建设地区的地质条件有着密切的关系。例如，在坚硬完整的岩层中修建隧道时，由于围岩稳定，开挖时坑道不易变形，暴露时间较长也不易失稳，结构设计较弱甚至不需设计二次衬砌，采用全断面的施工方法；当隧道或洞室通过断层破碎带、溶洞、流沙、涌水、岩爆、瓦斯等复杂或不良地质地段时，则需要特殊的设计方法与施工措施相配合。因此，地质环境与地下工程关系密切。地质环境对地下工程设计、施工的影响主要表现在以下6个方面：

（1）地貌与气候对地下工程的影响

地形地貌对隧道建设的影响主要表现在地应力特征上，隧道处于沟谷地带时隧道结构将承受较大的水平应力或偏压应力，在隧道设计时需要特殊考虑；气候的影响以温度和降雨量两因素最为显著，在特定的地质条件下可引起围岩工程特性的变化，产生新的工程地质问题。

（2）地质构造对于地下工程的影响

地质构造是指在造山运动等大规模的地壳变动中，岩体产生变形、断裂、破碎后留下的痕迹，如褶皱、断层、挤压破碎带、节理裂隙带等。褶皱和断层对隧道建设的影响，前者主要表现在成为瓦斯和水的汇集场所，后者则主要表现在围岩力学性质发生巨大劣化，围岩破碎，易引起隧道坍塌等。

（3）岩（土）体结构对地下工程的影响

岩（土）体结构是指岩（土）体中结构面和结构体的总称，它表达了结构面的发育程度及组合关系，反映了结构体的规模、形态及排列情况。岩体结构对地下工程的影响主要表现在以下几个方面：

①降低围岩力学指标，增大力学性质的各向异性。

②结构面改变了围岩应力传导途径。

③成为地下水的通道和储存场所。

④成为剪切滑移面。

⑤岩体结构是进行围岩质量评定与围岩分级的依据。

⑥岩体结构是进行岩（土）体力学分析时建立力学模型的基本依据。

（4）岩（土）体性质对地下工程的影响

按照地壳岩石的成因，岩石分为沉积岩、岩浆岩和变质岩三类。不同成因的岩体，其物质组成结构不同。岩体对隧道建设的影响最终表现在工程力学性质上。岩性反映了岩石的基本力学性质及物理化学性质的各向异性、不连续性。其对地下工程的影响主要表现在三个方面：

①力学性质的影响。岩性与抗压强度呈现很好的对应关系，从而在隧道围岩分级中将岩石的抗压强度作为表征围岩在开挖后承载能力的度量指标之一。

②化学组分的影响。如膨胀岩遇水产生膨胀压力等情况。

③物理性质的影响。位于地下水中的各种岩体，其物理力学性质差别很大。给工程带来的风险和难度差别也很大。

（5）地质体赋存环境对地下工程的影响

地质体赋存环境因素主要有三种：地应力、地下水、地温。它们对岩（土）体的变形、破坏和力学性质具有重要的控制作用。

①初始地应力对地下工程的影响。岩体中的初始地应力是指在工程开挖前岩体中存在的天然应力，主要是由自重应力和构造应力组成。

②地下水对地下工程的影响。地下水对隧道建设的影响主要表现在两个方面：第一，形成流体能量，产生隧道涌泥、涌石、涌水；第二，弱化岩体的强度，降低围岩承载能力。

③地温对地下工程的影响。在深埋地层中，地温常常是地下工程施工的一个重要控制因素，温度升高，预示着地质环境中能量活动的增大，能量转化的概率大，处理不当，可引起相应的工程问题。

（6）特殊地质与地下工程

所谓特殊地质，可定义为承载特性及施工安全上需进行特殊设计和施工地质条件。按其对隧道修建的影响特性，可分为结构突变型、应力实效型及有害物质型三类。

①结构突变型，如隧道穿越岩溶洞穴、断层带、岩堆体等。

②应力时效型，如高地应力、膨胀岩、黄土、冻土等。

③有害物质型，如瓦斯、放射线等。

因此，了解在不良地层中施工可能遇到的工程地质问题，以及这些问题的性质、特点及危害性，采取与其相适应的施工技术与方法加以控制，以保证在不良地层中隧道建设的顺利进行。

1.3.2　隧道建设过程具有复杂性

隧道力学在开挖技术中的应用，还停留在经典力学研究和地质体结构和强度的研究范畴，真正从物理、化学能量微观的研究却没有新的进展。岩石这种特殊的材料，其组成和结构的复杂性，人们对它的认识还远远不够，它远不像金属等均质材料那样简单。这种状况导致开挖技术的理论研究，至今只能停留在简单的结构分析和孤立的固体力学和数值分析等领域。

通常，岩体工程，特别是大型地下工程，其建设周期都较长，少则几个月，多则十多年，而采矿工程时间就更长。这些工程的施工通常都要破坏岩体原有的力学平衡，最终达到新的平衡和稳定状态。在这期间，岩体中的物理、力学诸因素都要经过一个调整、转化的过程，而这些内部因素往往是互为联系、互为因果的。施工过程是一个时间和空间不断变化的过程。施工及运营期的稳定安全及与此有关的经济性等，都不仅和工程的最终状态有关，还与达到此状态所经历的途径和采用的方法有关。

理论研究和工程实践表明，要想解决岩石力学在隧道工程设计与施工中的普及问题，单纯应用力学、数学的理论分析是行不通的，必须从隧道工程实际出发，以系统概念为指导，依靠原型观测的验证修改，走理论分析、经验分析、工程类比相结合的道路。

地下工程的开挖不仅是一道工序，而应视为一个系统。开挖系统具有整体性、目的性、有序性、反馈性、动态性等特性。

1.3.3　隧道建设具有人文、自然和谐性

隧道及地下工程建设应能顺应自然与人文环境，与自然和谐共存，而不是对自然的掠夺；应能为子孙后代留下一片绿荫，而不是一片灰色和荒漠。城市建设不能失掉风貌，欧洲一些城市就采用地下立交形式突出其城市特色。采用摩天大楼、大型高架立交桥、穿河跨海大桥等地面建筑的做法，在使用中已出现了污染城市环境，增加安全隐患等负面影响。美国城市基本放弃了高架高速路；波士顿从1999年开始拆除高架路，恢复地面，发展地下铁道和地下公交交通，让步行者拥有城市。高密度的跨江大桥对环境、生态扰动大，受地震、战争、台风、雨雾影响大，而采用隧道穿越优势则很大，美国如纽约州跨哈德逊河有41座隧道，只有10座桥梁。