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我国隧道和地下工程技术发展与展望

我国隧道和地下工程技术发展与展望

【作者简介】郭陕云,教授级高级工程师,原中铁隧道集团公司董事长、总经理,中国土木工程学会隧道及地下工程分会第六、七、八届理事长

引言

隧道和地下工程所处的地理位置及其建筑结构形式的特殊性决定了其不但能够满足全天候的交通物流,拥有可靠的接纳存储空间等基本使用功能,还有着安全隐蔽、路径便捷、环保节土、低碳节能等突出的优势。随着时代的进步及社会的发展,隧道和地下工程越来越多地得到人们的重视,被广泛运用于交通物流、市政设施、水利水电、资源存储、矿产开发、国防建设等多个领域。

 

近年来我国基建事业异军突起,投资规划空前,工程项目星罗棋布,给隧道技术的崛起和发展带来了难得机遇。一大批新技术、新工艺、新设备、新材料乃至新的工程理论和理念层出不穷,呈现出百花齐放、万象更新的繁荣局面。以隧道和地下工程的建设规模和速度来衡量,我国现居世界首位。某些已建或在建的隧道和地下工程项目的技术水平已跨入世界先进或领先行列。

 

当前有必要认真总结近几十年来我国隧道及地下工程技术的成就和进步,汲取经验、查找不足、承前启后,以利于谋划未来、不断创新,争取永续地发展。

1.隧道及地下工程技术发展现状

1.1规模及速度

 

1.1.1铁路隧道

 

截至2017年底,我国大陆运营铁路隧道总数约有14 700条,总长15 781km,2017年新增运营铁路隧道1 661km。西宁格尔木铁路复线工程中的关角隧道,全长32.645km,是国内已运营的最长铁路隧道,于2014年年底建成通车。在建铁路隧道总计约8 200km,大理—瑞丽铁路上的高黎贡山隧道34.54km,是我国最长的在建铁路隧道。在建的北京—张家口高速铁路八达岭地下车站,地下建筑面积3.6万,是迄今世界上最大的高铁地下车站,车站两端的渡线隧道开挖跨度32.7m,是国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道。当前我国已列入建设规划的铁路隧道总长达12 800km以上。

 

1.1.2公路隧道

 

据公路有关部门的初步统计显示,截至2017年底,我国大陆等级运营公路隧道有16 281条,总长约15 240km。近5年来每年新增运营公路隧道皆在1 000km以上。目前运营中最长公路隧道是位于陕西省的终南山隧道,长18.02km;新近贯通的港珠澳大桥水下沉管隧道,长达5.66km,最大覆水深度44m,是迄今世界上最长的海底沉管隧道。

 

1.1.3地下铁道

 

截至2017年底,我国大陆已有35个城市拥有了轨道交通,共计169条运营线路,总里程达5 082.83km,车站3 268座。同年,新增运营线路里程881.97km,车站597座。石家庄、贵阳、厦门、银川和珠海5个城市首次开通了轨道交通。在已开通的轨道交通线路中,地铁线路约占总延长的80%。

 

1.1.4引水隧洞

 

近年来已建成的引水工程当首推辽宁大伙房水库,单座隧洞穿越长白山,长达85.32km。之后,新建水工隧洞大幅增加,相继开工,如陕西省引汉工程,穿越秦岭的隧洞长达98.30km;兰州市水源地引水隧洞31.57km;吉林省引松供水工程隧洞约133.99km;新疆北部引水工程中,喀—双隧洞长达283.27km,堪称世界同类之最;辽宁省新的西北部引水工程,隧洞总长约230.20km。

 

1.1.5地下油气库

 

我国首座地下原油洞库始建于1977年,容量为15万m³,后停用。2000年建成的汕头LPG工程是我国第1个采用水封技术在地下储存液化石油气的工程,总库容量达20万m³,最大隧洞断面面积304㎡。此后在黄岛、珠海、宁波等地修建了6座大型水封液化石油气库的工程,库容量总计达400多万m³。烟台地下水封LPG洞库,总库容为100万m³,于2014年建成。目前在建的地下储能工程还有惠州地下水封油库、湛江地下水封油库,库容各为500万m³。

 

 

1.1.6城市地下工程

 

充分开发利用地下空间是城市持续发展的必然趋势,目前城市地下工程建设已进入新的发展时期。在城市总体规划中,地下空间的开发利用已经由原来的“单点建设、单一功能、单独运转”方式转化为现在的“统一规划、多功能集成、规模化建设”新模式。因此,隧道及地下工程技术会给人们带来更加便利和舒适的生存环境,是支撑靓丽的现代化大都市的重要方面。如珠海横琴综合管廊工程总投资20亿元,全长33.4km,沿环岛北路、港澳大道、横琴大道等地形成日字形环状管廊系统,是我国已建成的里程最长、规模最大、体系最完善的地下综合管廊工程。

 

1.2技术进步

 

1.2.1勘测设计

 

1)地质勘查手段的进步    如航拍遥感、物探判识和高速地质钻机的综合使用,使得地质及水文资料的信息量和准确度大为增加,为工程现场服务的地质预探预报工作有了可能。

 

2)地球卫星定位系统(GPS)的采用    不但使野外勘测工作的效率翻倍,费用减少,而且提高了控制精度等级。

 

3)计算机技术的运用    使隧道及地下工程结构、支护和围岩的受力、变形、位移或破坏的数值计算方法成为可能,为设计提供了量化依据;计算机辅助设计(CAD)手段的运用和普及,使绘图工作的状况有了根本性的变化。

 

在以上技术进步的基础上,隧道及地下工程的设计效率及质量实现了较大跨越,新的设计理念、新的建筑形式和新的结构类型不断涌现。

 

1.2.2施工建造

 

近年来,我国隧道掘进机(盾构、TBM)技术异军突起,由设备引进、消化、自制到创新,进步显著。目前,国内工厂独家生产或与境外合作生产TBM和盾构机的能力估计在300台(套)/年以上。除一些特殊隧道项目需要进口机外,国产机已基本能够满足国内工程建设需要,甚至进入了国际市场。

 

同时,采用钻爆法或其他开挖手段进行隧道施工的机械化水平也有一定程度的提高。主要体现在生产机具和设备的合理配置方面,着重提高综合能力和经济效益;在顶管技术、非开挖技术和水下沉管技术方面也有较大的新进展。

 

大量新技术的研发和应用使得隧道和地下工程建设的地质适应能力和施工效率有了明显提高。在水下、软土及特殊不良地层中构筑隧道不但成为可能,而且建造速度超出常人想象;在硬岩中掘进隧洞的速率不断提高,单个工作面独头的施工能力已有较大改善,通风、排水、运输、供电等制约因素都有新的突破;随着现代化建设的需要,几十公里乃至上百公里的特长隧道、数百平方米的大断面隧道已屡见不鲜,且数量和规模越来越大。

 

值得称道的是,近几年来我国在特长山岭隧道建设技术、水下沉管隧道技术、大断面顶管技术等方面已经成为世界领先者;在软岩大变形控制技术、瓦斯隧道施工通风技术、大断面盾构施工技术、TBM施工技术等方面也已步入世界先进水平(见图1)。

1  护盾式TBM进洞施工

1.3差距与不足

 

总体来讲,我国虽是世界隧道和地下工程建设规模及速度的第一大国,但仍不是技术强国,必须明了与世界上技术强国的差距,才能够赶而超之。要积极探知社会发展潜在的和长远的需求,开发创新,填补空缺及不足。我们的差距及不足主要表现在以下几个方面。

 

1)隧道及地下工程运用的广度及深度远远不足。表现为部分行政决策者对隧道及地下工程的意义认识浅薄,热衷于高桥危楼,城市地下空间开发利用迟缓落后。

 

2)建设过程中,重工程进度,轻环境保护。隧道及地下工程建设给自然生态环境造成破坏的事件多有发生,特别是对水环境的不利影响,如隧道涌水、地表沉降(见图2,3)。其主要原因在于没有从工程建设源头处把关上锁。

2  施工中隧道涌水

3  地铁施工引发地表沉陷

3)对于重大工程项目,前期试验研究工作缺乏。如琼州海峡通道、渤海海湾通道等,同日本青函隧道和英法海峡隧道的前期筹备相比较远远不够。

 

4)施工机械化和专业化程度太低,机具设备落后,临时工操作为主,安全质量难以保障。随着人工成本的不断攀升,这种劳动密集型的工作模式很难再维持下去。

 

5)建设管理体制陈旧,决策随意,责任模糊,纪律松弛,管理失控。设计与施工分割,合约与市场脱离。尽管完成了很多规模巨大的工程项目,但是安全质量及综合效益存在较多问题。

2.隧道及地下工程技术的历史沿革

2.1隧道及地下工程技术法则的要义

 

技术法则是指由特定方式的工程构建机理(力学原理)所决定的,能够自成体系的技术指导原则。矿山法、新奥法、盾构法、沉管法、顶管法等就是经过不断试验、研究及实践出的隧道及地下工程构建方式,各自有其相应的技术法则,而不是一般意义上的工法技艺,是工程设计和施工构建的基本指导原则。

 

从隧道工程近代发展历史看,穿越地层采用暗挖技术在围岩中构筑隧道及地下工程,在矿山法、盾构法和新奥法之后,已经进入了新的历史时期。我们将采用盾构以外的隧道暗挖方法叫作“非盾构方式”。

 

2.2非盾构方式的隧道暗挖技术

 

2.2.1矿山法时期

 

在新奥法创立前,采用矿山法修筑隧道是除沉管法和盾构法外的主要技术方法。暗挖法又分矿山法和盾构法2大类。凡用一般开挖地下坑道的方法修筑隧道的都称为矿山法。国内外曾使用矿山法建成了大量的隧道和地下工程,这些隧道和地下工程的建设也丰富和发展了矿山法。矿山法有其工程机理、技术方法和操作步骤。矿山法是建立在经典的岩土力学基础上。尽管现代岩土力学理论较经典岩土力学理论有了很大的进步和发展,但是经典岩土力学的理论精髓并没有完全废弃,莫尔—库伦定理及兰金定律沿用至今,用于深埋隧道的普氏坍落拱理论、太沙基土压力理论以及用于浅埋隧道的沉降漏斗压力理论及全土柱压力理论在现实中仍有指导意义。隧道设计、施工的某些方面仍在自觉或不自觉地使用着矿山法的个别技术指导原则。当下仍有人把目前非盾构暗挖隧道的主流施工方法再回归到所谓的“矿山法”中去,无限扩大矿山法的容量,这违背了工程技术发展的历史规则。矿山法隧道分部施工如图4所示。

4  矿山法隧道分部施工断面示意

2.2.2新奥法时期

 

新奥法由奥地利学者拉布西维兹于20世纪50年代提出,60年代取得专利权并正式命名,70年代被引入我国,对我国隧道工程建设产生了重大的影响。现在我国隧道工程建筑水平能够比肩世界,其中一个重要的因素就是得力于新奥法的推广和使用。在《中国土木工程指南》(第2版)中定义:新奥法尽量利用围岩的自承能力,用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布,使达到新的平衡,目前已用于修建各种用途的隧道。新奥法充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工。1988年原铁道部基建总局组织编写、由中国铁道出版社刊印的《铁路隧道新奥法指南》较为全面详细地总结了新奥法的实施细则。

 

2.2.3新奥法与矿山法对比

 

在工程机理上,新奥法与矿山法的最大区别如下。

 

1)矿山法的工程机理是“稳定”,对围岩松弛荷载进行支撑;而新奥法的工程机理是维护及提高围岩的自承能力,使围岩与支护共同形成承载结构。

 

2)矿山法采用传统工程构筑的思维模式,在围岩稳定的因果关系上注重“果”而非“因”,其工程行为重在“支撑效果”和对“支撑”的处理上;而新奥法则采用信息化的动态管理模式,注重岩变过程及过程控制,依靠信息化手段达到预期的围岩稳定目标。

 

在工程实践中,新奥法的重要特征如下。

 

1)两阶段的地质调查和两阶段的施工设计,即为施工前的地质调查工作和施工中的地质调查工作;施工前的设计和施工中的信息反馈修正设计。

 

2)必须在隧道及地下工程现场进行密集监控量测,建立起信息收集、分析、传递和反馈系统,为隧道设计和施工提供可靠的依据。

 

新奥法所倡导的这些重要的技术原则与隧道及地下工程的基本特性相符合。以喷射混凝土为代表的柔性支护可以达到及早封闭岩面和调整围岩应力的效果;适时施作二次衬砌有可能使得厚度减薄,进而节约原材料和缩小开挖断面;其所主张的信息化设计、施工理论和现场监测控制方法将隧道工程科学推向了更高的层次。因此,隧道及地下工程施工有了较大的进步,具有更快速、更节约、更安全的优势。

 

但仍要看到,有相当数量的隧道工程围岩及支护变形和位移处于失控状态。因此,在国际上曾一度引起过对新奥法原理正确性的讨论,而后在国际隧道协会(ITA)的努力下,主流意见归于统一。我们也应当尊重事实,认真、全面地分析隧道事故的真正原因,客观、科学地对待新奥法。

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