隧道及地下挖掘
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隧道及地下发掘，由挖掘或偶尔由自然作用而产生的水平地下通道溶解石灰岩一种可溶的岩石，如石灰石垂直开口通常称为开口轴．隧道有很多用途:用于矿业矿石，用于运输——包括路车辆、火车、地铁和运河——用于输送水和污水。地下室，通常与连接隧道和竖井的综合体联系在一起，越来越多地被用于地下水电站、矿石加工厂、泵站、停车场、储油库和水库、水处理厂、仓库和轻工制造业;还有指挥中心和其他特殊军事需要。
真正的隧道和房间是从内部挖掘出来的——上面的材料留在原地——然后在必要时衬砌以支撑相邻地面。山坡上的隧道入口叫做门户网站；隧道也可以从竖井的底部开始，或者从主要用于掘进的水平隧道的末端开始建设访问，称为平硐．所谓的切割掩体隧道(更准确的说法是管道)是通过从地表开挖，建造结构，然后用回填来建造的。海底隧道现在通常是用隧道隧道建造的沉管:长，预制管段漂浮到现场，沉在一个准备好的沟渠，并覆盖回填。对于所有的地下工作，难度随着开口的大小而增加，并在很大程度上取决于天然地面的弱点和水的流入程度。
历史
古老的隧道
第一次挖隧道很可能是在完成这是史前人类为了扩大洞穴而做的。所有主要的古代文明都发展出了挖隧道的方法。在巴比伦，隧道被广泛用于灌溉;2180年至2160年，一条长约3000英尺(900米)的砖砌人行通道建成公元前下幼发拉底河连接皇宫和寺庙。工程是在旱季通过改道完成的。的埃及人开发了用铜锯和空心芦苇钻切割软岩石的技术，两者都被磨料包围，这项技术可能首先用于采石石头块，后来在岩石悬崖内挖掘寺庙房间。阿布辛拜勒例如，尼罗河上的神庙建于1250年左右的砂岩中公元前为拉美西斯二世(20世纪60年代，在阿斯瓦恩大坝(aswongdam)引发洪水之前，它被切割并转移到更高的地方进行保护)。更精心制作的后来在埃塞俄比亚和印度，人们在坚硬的岩石中发掘了寺庙。
的希腊人而且罗马人两者都广泛使用隧道:通过排水和引水渠来回收沼泽，如6世纪的-公元前岛上的希腊水洞萨摩斯在3400英尺高的石灰岩中横截面大约6英尺见方。古代最大的隧道可能是一条4800英尺长、25英尺宽、30英尺高的公路隧道波西利波)，于36年被处死公元前．到那时测量采用的方法(通常是用绳子和铅垂线)，隧道由一系列紧密间隔的竖井推进，以提供通风。为了不需要衬里，大多数古老的隧道都位于相当坚固的岩石中，这些岩石被所谓的碎石破坏火淬，一种用火加热岩石，然后用水使其突然冷却的方法。通风方法原始的他们通常只能在井口挥舞一块帆布，大多数隧道夺去了数百甚至数千名奴隶的生命。在广告罗马人用了大约3万人，用了10年的时间才打通了一条3.5英里(6公里)长的排水隧道湖Fucinus．他们在相隔120英尺的竖井中工作，深达400英尺。考古发掘表明，当工人是自由人时，他们对通风和安全措施的关注要大得多哈尔斯塔特自2500年以来，这里的盐矿隧道一直在挖掘公元前．
从中世纪到现在
运河和铁路隧道
因为中世纪有限的隧道开挖主要是为了采矿和军事工程美国的下一个重大进步是满足欧洲日益增长的需求运输17世纪的需求。第一个重要的运河隧道是米迪运河(也被称为朗格多克)隧道法国建于1666-81年皮埃尔Riquet作为第一条连接大西洋和地中海运河的一部分。它的长度为515英尺，横截面为22乘27英尺，它可能是第一个主要的用途炸药在公共工程隧道中，在手持铁钻钻出的洞中放入火药。著名的运河隧道英格兰是布里奇沃特运河隧道，建于1761年由詹姆斯·布林德利从沃斯利煤矿运煤到曼彻斯特。在欧洲挖掘了更多的运河隧道北美在18世纪和19世纪早期。尽管运河随着运河的引进而被废弃铁路大约在1830年，这种新型的运输方式使隧道开凿量大幅增加，随着铁路在世界各地的扩张，这种情况持续了近100年。许多开拓性的铁路隧道是在英国发展起来的。一条3.5英里长的隧道伍德海德)的曼彻斯特-谢菲尔德铁路(1839-45)是从5轴深达600英尺在美国在美国，第一条铁路隧道高701英尺阿勒格尼运输铁路．它建于1831 - 1833年，是运河和铁路系统的结合，在山顶上运载运河驳船。尽管从波士顿到华盛顿的交通线路计划哈德逊河在1855年，他第一次呼吁在伯克夏山脉下修建一条运河隧道Hoosac隧道当铁路开始修建时，它已经确定了自己的价值，计划改为一条直径24 × 22英尺，长4.5英里的双轨铁路。初步估计在3年内完成;实际上需要21次钻探，部分原因是这些岩石太硬了，无论是手工钻探还是用原始的电锯都不行。当马萨诸塞州最终接手这个项目时，它在1876年以最初估计成本的五倍完成了它。尽管受到挫折，胡萨克隧道在隧道建设方面做出了显著的贡献，包括第一次使用炸药第一次使用电发射炸药，并引入了动力演习最初是蒸汽，后来是空气，最终发展出了蒸汽压缩空气行业。
与此同时，更壮观的铁路隧道正在动工阿尔卑斯山脉．第一个是塞尼斯山隧道(也被称为Fréjus)，花了14年(1857年至1871年)完成了8.5英里的长度。它的工程师,日尔曼Sommeiller美国引进了许多先进的技术，包括铁路安装钻机，液压冲压空气压缩机，以及为工人建造的营地，包括宿舍，家庭住房，学校，医院，娱乐大楼和修理厂。Sommeiller还设计了一个气钻最终使隧道以每天15英尺的速度向前移动成为可能，并在后来的几条欧洲隧道中使用，直到被美国西蒙·英格索尔(Simon Ingersoll)和其他人在胡萨克隧道中开发的更耐用的钻头所取代。因为这条长长的隧道是从两个被7.5英里的山区分隔开的巷道中挖出来的地形在美国，测量技术必须得到改进。通风成为一个主要问题，这是通过使用水力风扇的强制空气和在中间高度的水平膜片来解决的，在隧道顶部形成一个排气管道。在塞尼斯山之后，很快就有了其他著名的阿尔卑斯铁路隧道:9英里长的隧道圣圣哥达(1872-82年)，引进了压缩空气机车，但遇到了进水、岩石脆弱和承包商破产等重大问题;的12英里辛普朗(1898 - 1906);还有9英里Lotschberg(1906-11)，在辛普朗铁路线的北部延伸处。
山下近7000英尺，辛普朗遇到主要问题是高应力岩石在岩爆中飞离岩壁;在弱片岩和石膏中存在高压，需要10英尺厚砌筑衬里，以抵抗局部肿胀倾向;高温水(130°F[54°C])，部分是通过冷泉喷射处理的。将辛普朗隧道作为两条平行隧道，经常进行横切连接，极大地促进了通风和排水。
Lötschberg是1908年发生重大灾难的地点。当一艘船从坎德尔河谷下面驶过时，突然涌进的水、碎石和破碎的岩石填满了4300英尺长的隧道，把25名船员全部埋了起来。尽管地质小组曾预测，这里的隧道将位于山谷填充物底部下方的坚固基岩中，但随后的调查显示，基岩位于940英尺(约合940米)深的地方，因此在590英尺的地方，隧道与坎德尔河(Kander River)交汇，坎德尔河和山谷填充物的土壤流入隧道，在地表形成了一个巨大的洼地或凹陷。在这一需要改进地质调查的教训之后，隧道改道向上游约1英里(1.6公里)，在那里它成功地穿过了坚固岩石中的坎德尔山谷。
大多数长距离岩石隧道都遇到过水流入的问题。其中最臭名昭著的是第一个日本上世纪20年代，穿越泷地峰的坦纳隧道。工程师和工作人员不得不应对连续很长一段时间的特大泥石流，第一次泥石流造成16人死亡，17人被埋，他们在废墟中挖了7天隧道后获救。三年后，另一次大规模的水流淹没了几名工人。最后，日本工程师想出了一个权宜之计，在主隧道的整个长度上挖一条平行的排水隧道。此外，他们还求助于压缩空气盾构掘进而且气闸这种技术在山区隧道中几乎闻所未闻。
水下隧道
在河流下挖隧道被认为是不可能的直到保护罩在英国被发明出来马克·布鲁内尔，法国émigré工程师。1825年，布鲁内尔和他的儿子伊桑巴德第一次使用盾牌Wapping-Rotherhithe隧道穿过泥土泰晤士河．隧道的第22段为马蹄形1/4由37个1/2脚和砖砌。在经历了几次洪水和七年的风沙之后关闭为了再融资和建造第二个盾，布鲁内尔夫妇在1841年成功地完成了世界上第一条真正的水下隧道，这条1200英尺长的隧道基本上花了9年时间。1869年，通过缩小到小尺寸(8英尺)，并将其改为圆形防护罩加上铸铁片衬里，彼得·w·巴洛他的现场工程师，詹姆斯·亨利·格雷海德他们在短短一年内就完成了第二条泰晤士河隧道，建成了一条从塔山出发的人行道。1874年，格瑞黑德对布鲁内尔-巴洛盾进行了改进和机械化，并添加了压缩空气隧道内部的压力可以抑制外部的水压。1880年，在第一次尝试在地下挖隧道时，人们仅用压缩空气来阻挡水流纽约的哈德逊河;巨大的困难和20条生命的损失迫使他们在仅挖掘了1600英尺后就放弃了。盾牌加压缩空气技术的第一次主要应用发生在1886年的伦敦地铁上生在那里，它完成了史无前例的7英里的隧道挖掘，没有一人死亡。Greathead彻底地开发了他的程序，在接下来的75年里，它被成功地使用，没有任何重大变化。一个现代Greathead盾说明了他最初的发展:矿工在罩下工作，在单独的小口袋里，可以迅速关闭流入;盾牌由千斤顶向前推进;在盾尾保护下架设永久衬片;整个隧道加压，以防止水流入。
一旦水下隧道成为现实，许多铁路和地铁十字路口是用“大头盾”建造的，后来证明该技术适用于汽车所需的更大的隧道。一个新问题，有害来自内燃机的气体，被成功地解决了Clifford荷兰世界上第一辆汽车隧道它于1927年在哈德逊河下完工，现在以他的名字命名。霍兰德和他的总工程师奥勒·辛格斯塔德(Ole Singstad)解决了通风问题，在建筑物两端安装了大容量风扇，迫使空气通过巷道下方的供气管道，在天花板上方设置了排气管道。这样的通风条件大大增加了隧道的尺寸，需要大约30英尺直径的双车道车辆隧道。
许多类似的车辆隧道是用屏蔽和压缩空气的方法建造的，包括林肯和皇后区隧道纽约市波士顿的Sumner和Callahan，利物浦的Mersey。然而，自1950年以来，大多数水下隧道掘进者更喜欢沉管式的该方法是将长管段预制，拖到现场，沉在先前疏浚的沟渠中，与已经就位的管段连接，然后用回填物覆盖。这一基本程序最初以其现在的形式被用于底特律河铁路隧道底特律和安大略温莎之间(1906-10年)。其主要优点是避免了高成本和在高压下操作护罩的风险，因为沉管内的工作是在大气压力(大气)。
Machine-mined隧道
零星的试图实现隧道工程师成为机械工程师的梦想旋转挖掘机在1954年的Oahe大坝上达到了顶峰密苏里河在皮埃尔附近，在南达科塔州．由于地面条件有利(易于切割的粘土页岩)，成功是团队努力的结果:Jerome O. Ackerman作为总工程师，F.K. Mittry作为初始承包商，James S. Robbins作为第一台机器的建造者。Mittry摩尔”。后来的合同又开发了另外三个瓦赫式的坑道，因此这里所有的隧道都是机器挖掘的——总共8英里，直径25到30英尺。这是自1960年以来，世界上许多隧道迅速采用的第一批现代鼹鼠式隧道，作为一种将速度从以前的每天25至50英尺提高到每天几百英尺的手段。的欧赫鼹鼠的部分灵感来自于在地下用粉笔建造的引航隧道英吉利海峡其中，气动旋转切割臂博蒙特钻孔机已经被发明出来了。接着是1947年的煤矿版，1949年，人们用煤锯在兰德尔堡(Fort Randall)挖了一个直径33英尺的隧道，在粉笔上切了一个圆周槽大坝在南达科他州。1962年，美国从德国早期的试验中获益，开发了机械提升钻孔机，在更困难的竖井挖掘方面取得了类似的突破。