隧道工程的技术进步 2 x- [4 P0 ], R' G" |
1．我国隧道工程建设的发展 ( b' ~1 E1 l: i; R! K# N/ ~
1.1. 1.1. 历史的回顾
2 d% T! c" I, k0 v! M2 M1999年8月，我国最长的铁路隧道——位于西安—安康铁路上的秦岭隧道贯通。当人们在为这条18.4km长的顺利建成而激动不已的时候,很容易想到50年代在宝成铁路上修建的2km长的另一座“秦岭”隧道。
7 ^% X' u1 Z) j不同时期修建的穿越秦岭山脉的两座隧道是中国隧道工程技术进步的最好见证。40年前修建的2km长的秦岭隧道差不多是用人力艰难地修成的。那时，手持式凿岩机和小型矿车几乎是仅有的施工机具。40年后的今天，在西（安）（安）康铁路上18.457km长的秦岭隧道的修建中则使用了包括全断面掘进机在内的现代隧道施工机具，实现了隧道施工机械化。 ( M, Q, s" R1 b/ g7 J
追溯我国现代隧道工程的历史，总要提到1890年在台湾基隆至新竹窄轨铁路上建成的216m长的狮球岭隧道。据说，这是我国最早修建的一条铁路隧道。
8 w9 l* O1 d3 B4 W& n4 R1908年，由杰出的工程师詹天佑博士主持，在北京至张家口的铁路上用18个月的时间修建了长1091m的八达岭隧道,在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。然而，大规模地修建各种用途的隧道还是从新中国成立开始的。 8 ?% _8 U3 S! j, b4 Y0 N
在50年代初，为了避免修建长隧道，常常尽可能地采用迂回展线来克服地形障碍，使线路靠近地表。宝成铁路翻越秦岭的一段线路就是采用短小隧道群迂回展线的一个实例。在这段线路上有34座隧道，最长的秦岭隧道其长度仅为2363m。但是，根据当时的技术水平，修建这样一座长度在2km以上的隧道也并不是一件容易的事。由于在施工中首次使用了风动凿岩机和轨行式矿车，使得宝成铁路秦岭隧道的修建成为从“人力开挖”过渡到“机械开挖”的标志。
8 U0 W+ c k" m) {$ E隧道工程技术发展第二个阶段的代表性工程是60年代中期修建的成都—昆明铁路。成昆铁路全长1085km,隧道竟占31%。其中关村坝隧道和沙马拉打隧道长度均在6km以上。在这批隧道的施工中采用了轻型机具，分部开挖的“小型机械化”施工，修建速度达到了“百米成洞”（平均每月单口成洞100m ）的水平。 5 w0 t& t$ n3 f
我国修建长度10km以上的铁路隧道的实践是从修建14.295km长的双线隧道—大瑶山隧道开始的。在这座隧道的施工中，采用凿岩台车，衬砌模板台车和高效能的装运工具等机具配套作业，实行全断面开挖。大瑶山隧道是我国山岭隧道采用重型机具综合机械化施工的开端，将隧道工程的修建技术和修建长大隧道的能力提高到一个新的阶段，缩短了同国际隧道施工先进水平的差距。
( u" [; t! L1 M$ L在此以后修建的许多长大隧道基本上都是按“大瑶山模式”施工的。不久前建成的南昆铁路上长度为9388m米花岭隧道，就创造了单口月成洞502.2m的好成绩。
( S/ K8 z0 n$ F& B3 \' e! O) H综合机械化施工和相关技术的发展大大提高了修建长隧道的能力。这引起了铁路线路设计思想的变化。正在修建中的西安—安康铁铁路在穿越秦岭时就不再像40年前修建宝成铁路那样采用迂回曲折的展线,而决定修建18.4km的越岭隧道。显然，长隧道的修建使线路顺直，提高了运营标准。 ; `: X5 Q6 |$ c' y$ q7 e, Q8 i1 k
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1.2. 1.2. 现代隧道修建方法
- q. \. ^ ]: t& i4 B西康线秦岭隧道工程由1号线和2号线两座隧道组成，通过混合片麻岩及花岗岩。其中2号线隧道是用钻爆法开挖的。采用轨行门架三臂钻孔台车、挖掘装载机、大容积梭式矿车等重型机具先开挖断面为26~30m2的导坑，平均月进尺达264m。值得指出的是，在2号线导坑的开挖中采用直径1.3m的风管，110kW风机创造了单台风机独头通风距离6000m的记录。超过6000m 后，再串联一台风机，到独头通风距离9500m时，作业面空气仍符合标准要求。 . y6 ^" H! O) e, y! h' ~; M
秦岭隧道的1号线隧道则是用直径为8.8m的全断面掘进机开挖的。它遇到的是强度超过200MPa的硬岩，其困难是可想而知的。
6 p+ i. J6 H$ `6 h7 H% a9 I“钻爆法和掘进机，孰优？”曾经引起隧道工程师们的讨论。结论很明显：尽管中国人发明了火药，足以让我们引以为自豪，但是我们并不认为钻爆法是开挖岩石隧道的唯一手段。英法海峡隧道使用掘进机的经验给了我们重要参考。实际上，在中国的一些水工隧道的开挖中已经取得了不少使用掘进机的成功经验。这些经验对于秦岭隧道掘进机施工十分有价值。 , h, Q2 t8 [# W! t- v
山岭隧道矿山法修建技术的发展仅仅是隧道工程技术进步的一个侧面。现代隧道技术的内容应涵盖适用于不同条件的各种不同修建方法。(图1) 2 m+ A/ E% g: n) M7 t, s6 K) v
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图1 现代隧道修建方法
2 X9 B; U5 K, u据资料考证，狮球岭隧道是采用技术简单的明挖法修建的。而在一百多年后的今天，我们简直可以说，中国人已经掌握了所有的现代隧道修建方法和修建技术。 # ]" |# J" M0 y, s( ~! I
广州地铁就是一个十分有趣的例子，在刚刚建成的第一期工程中使用了现代隧道修建的各种方法。从烈士陵园站至天河体育中心站采用浅埋矿山法修建；从黄沙站至公园前站的区间隧道采用了二台泥水混合盾构；而从公园前站至烈士陵园站是用一台土压平衡盾构修成的；跨越珠江的水下隧道则采用了沉放管段。其余部分区间隧道采用明挖法修建。 8 p( C+ G9 g! k$ ~- F+ I4 B+ R
正在建设中的二号线，仍有一部份区间隧道用矿山法修建，而跨越珠江的水下隧道则采用盾构法施工。
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, }8 R+ o! ~' N+ q1.3统计资料 3 |. V5 @9 d% l
根据不完全统计，目前我国大陆铁路隧道总数达5300余座，总长度为2500km ，其中5km以上隧道就有22座（表1） 3 a( o7 Y2 b- l; W+ ]( f" x2 {
表1我国长度5km以上的铁路隧道 1 W& R/ t) a, ^/ {
编号 隧道名 全长(m) 铁路名 修建年代 ; w9 j" _+ g6 Q2 f* [; H- {
1 秦岭 18457 西康 正在施工
) y& ~) O5 N7 z2 大瑶山 14294.47 京广 1981-1987 ' b( w& [. c- E% {4 [
3 长梁山 12780 朔黄 正在施工
: }2 S* g7 w, R O! t3 E6 V4 米花岭 9383 南昆 -1996
2 R5 d0 V( R: h. ?4 l( I6 q# |5 军都山 8460 大秦 1982-1987 4 n2 _" D7 y: @9 B( A1 R
6 云台山 8145 侯月 -1991 ; ~3 @( s+ |* F9 ]2 m* e2 M
7 分水关 7228 横南 1997
/ a/ t i& a# ?) h! f8 驿马岭 7031.9 京原 1967-1969 $ M5 o, p" S- k+ D$ s8 V, g
9 寺铺尖 6407 朔黄 正在施工 # j: t% L9 L, a6 F
10 沙马拉达 6383.3 成昆 1959-1966
/ n( L8 \8 ^1 M% R$ J' @+ g11 八盘岭 6340 溪田 1987-1993
- M) [7 |# V9 M12 平型关 6188.6 京原 1967-1971
% G& r+ A4 ^2 \13 关村坝 6187 成昆 1961-1966 3 U6 P1 ~' L: }3 u) g l
14 奎先 6152 南疆 1975-1978
+ F' C6 x3 M7 j( l" I( i15 南岭 6061.8 京广 1981-1987
. w9 B: |: c7 V( V% A16 红旗 5848.3 京通 1973-1975
2 p; n9 `- U: d17 彭莫山 5592 焦柳 1971-1973
% [, [ K" N k% j* c18 大巴山 5334 襄渝 1970-1973 + M% x" B# d* X6 Y
19 六盘山 5240 宝中 1990-1994
; y7 R8 ?5 x/ b. R# F- a20 武当山 5226.1 襄渝 1969-1973 ( u7 X+ `. ?# _8 b
21 平关 5139.87 盘西 1966-1970
. R' p4 i; A2 l8 I; q/ `7 ^" c( Q- n22 白家湾 5058 大秦 1982-1986
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80年代以来,由于我国高等级公路的兴建,公路隧道建设的发展也很快。目前，我国大陆已建成450多座公路隧道，总长度达120km。其中，3km以上的隧道15座。在四川省和重庆市的范围内，就有3座4km以上长度的隧道正在修建。 * q: l6 Y, p9 u) w. g/ A
C$ Y, G- r* j6 h表2在四川省和重庆市的范围内最长的公路隧道
9 A9 \2 K/ E9 K% P# ?隧道名称 长度 隧道数 ' B: Y5 ~1 D a3 H. Z
二郎山
; R9 ]/ F, @' ~2 @, J华蓥山
]" {9 v! n' D6 ?& ^* i$ T鹧鸪山 4300m
8 Z3 H3 D' c- K0 m+ M' g4775m
6 v- ~$ a$ e4 N9 A" k* R6030m 1 3 p! w- K* a% E; z4 |8 D
2
6 h4 F* K9 L8 @9 k" s1 已贯通
1 D! b9 i4 ]3 G8 o0 Z施工中
3 |" d2 Q) s- ]0 I' c0 K设计中 9 E, c6 R9 N( a8 r+ k) c( s! g8 x. x
在水电站地下工程和水工隧洞方面，最引人注意的是黄河小浪底工程和万家寨引水工程。在总长192km的万家寨引水隧洞中，最长的达43km,直径为4.2~4.3m,用两台掘进机开挖。 9 q [9 w3 N9 G$ W8 N
8 e3 {. B" @/ f- _0 D2.“新奥法”的引进和矿山法的发展•北京地铁工程
" L4 L( J' @( z. V. Q3 k在讨论我国矿山法隧道修建技术的发展的时候，不能不提到新奥法（NATM）理念的引进。新奥法的引进是从锚杆和喷混凝土一类“主动型”的新型支护技术的推广使用开始的。很快地，中国的隧道工程师就不但在实质上而且在名词上接受了新奥法。在国内举行的隧道及地下工程学术会议上，新奥经常成为热门话题。 1 z' I4 x H! @# A' O
工程师们对新奥法的津津乐道是有理由的：运用新奥法原则，已经成功地在软弱围岩中和困难条件下修建了各种类型的地下工程。 ; u+ h5 ]& R& x/ O9 ]" i& i3 M+ R
修建在砂夹砾石松散地层中的北京地铁复兴门折返段隧道就是一个典型的例子。该隧道位于北京最主要的街道—长安街下，长358m，最大开挖断面高9m，宽14.5m隧道顶部复盖地层最小厚度仅9.0m。隧道采用部份断面掘进机开挖，格栅拱加强的喷混凝土初期支护以及小导管预支护，在不影响地面交通，确保地下管线安全的情况下修建成功。
) g5 W6 E: U& Q在这个工程中所取得的经验，使中国工程师认识到，运用新奥法原则可以将一般用于山岭隧道的矿山法的应用范围拓展到在软弱围岩，甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法或盾构法。在中国，这种方法称之为“浅埋矿山法”。 0 _/ h8 w1 z. ?1 V
继复兴门折返线隧道以后，同样在砾夹卵石的冲积层中又用浅埋矿山法修建了跨度为21.67m的西单地铁车站。 7 B/ ]. ]- O9 P; }
在修建位于长安街下的北京地铁新线工程时,浅埋矿山法被选择为主要的施工方法。例如，北京地铁天安门西站，长226m，为双层两柱式结构。 * J% Y3 ~ d+ T& D o9 ` z
广州地铁东段也是采用浅埋矿山法修建的。经验证明，从地面环境的保护,地表沉降的挖制，以及造价、工期等角度看，浅埋矿山法同明挖法或盾构法相比都具有一定的竞争力。 % m% R2 V$ A B1 Z J' u
中国工程师从欧洲引进了新奥法，并且结合中国的情况对新奥法及其相关技术，诸如支扩手段，量测和监控技术等作了进一步的开发。作为新奥法的一项重要背景技术的喷混凝土在中国已经被广泛使用。同国际上的情况一样，为了解决长期以来困扰着人们的粉尘污染环境，回弹严重以及混凝土品质的不均匀性等问题，正在大力推行湿喷工艺。最近由铁道科学研究院西南分院开发了一种“转子—活塞”型的新型喷射机，这种机型采用湿喷工艺，即往机器中加入按配合比制备好的成品混凝土拌和料，但物料输送又区别于一般的泵送式湿喷机，采用稀薄流输送方式。因此机器结构紧凑，使用方便。目前已在国内推广。
G# j' a3 g" Z& j# \可以毫不夸张地说，新奥法的推行确实引起了矿山法修建技术在开挖方法、施工技术乃至于隧道设计思想方面的重大变革。尽管如此，仍然应该说我国推行新奥法的情况并不尽如人意。在诸多工程中也不乏失败的实例。除了施工管理、质量控制和相关技术的掌握等方面的原因外，主要在于隧道工程师们有时对新奥法的实质缺乏正确的理解。 ( j! j- x. }$ ~2 `& K1 z) X; Y+ E t
对于“新奥法”一词的内涵，人们的认识有一个发展的过程。诚如它的名词本身—New Austrian Tunnelling Method所表述的那样，新奥法的创始人最初是将它作为一种同新型支护相关的隧道修建方法提出来的。但后来发现，将新奥法拘泥于一种特定的施工方法或具体的支护技术将会使其推行受到很大的局限。于是，在一些文献中强调新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点，有重要的现实意义。事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。我本人经历过一个软弱围岩中的特浅埋隧道施工，在使用新奥法的过程中曾发生坍通地表的大坍塌。其原因种种，其中有一条就是照搬某些高地应力地层中隧道的做法，片面强调支护的柔性，强调在初期支护施作后要尽可能让变形释放，而没有及时施作二次支护。 " W1 ^% m: q1 i7 U9 T
那么，什么是新奥法概念的内涵？有人归结为22条，有人归结为7条。其实，只有一条，那就是保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。其目的都是为了“保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。
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7 s6 L. ~3 I& V% K3.盾构法修建技术•上海地铁工程
. f- }4 z5 [) }# N+ o: S同北京不同，上海的市政隧道大部份要通过淤泥质粘土或淤泥质亚粘土，承载力低，含水量高，灵敏度大，渗透系数小。盾构法势必成为隧道修建的主要方法。 % o% q# N" n: `6 Y
1970年上海隧道工程公司使用直径为10.2m的挤压式盾构法修建了穿越黄浦江的第一条水下隧道，从而实现了中国在盾构法修建隧道“零的突破”。
; H* {9 U, W0 X. m% O如今，盾构已在土层隧道的施工中广泛使用。上海地铁一号线总长为18.5km单线园形区间隧道（内径5.5m，外径6.2m）就是全部采用盾构法开挖的。 ! N$ @/ |% _+ T; s" F* L* U" j
用于上海地铁一号线的土压平衡盾构外径为6.34m，由法国FCB公司设计，主要部件及控制设备从法国进口。车架、拼装机、螺旋机、皮带机、搅拌机等设备则由上海配套制造。一号线完成后，这些盾构经修复已用于二号线的掘进。盾构推进时地表沉降可控制在--1cm~+3cm的范围内。
2 a& P, G3 i; y" l+ K在修建穿越黄浦江的延安东路南线水下隧道时从日本三菱重工引进了直径11.22m的大型泥水平衡盾构，取得了很好的使用效果。事实表明，适当地从国外进口一些先进的盾构设备，不仅满足了建设的需求，并且对我国盾构施工技术进步，缩短同国际先进水平的差距十分有益。 , c8 Y5 h) d! t. F6 v$ J
1988年完工的另一条黄浦江水下隧道─延安东路北线隧道盾构施工段长1476m，线路平面图呈S形，曲率半径500m，纵坡3%。隧道除穿越黄浦江外，还要在高层建筑群和地下管线等重要环境保护地段通过，最大埋深36m，最浅覆土为5.8m。是用我国自行设计和制造的直径为11.3m网格式水力机械盾构修建的。 ) l) R& ]( W2 T( r
7 K* K$ I& q* h- U- `5 M3 `4.沉放管段法修建水下隧道•长江水下隧道
5 j% j) A0 o* I从60年代开始,在上海黄浦江建成了三条水下隧道，目前尚有2座正在修建，一座在规划中。这在很大程度上改变了“遇水架桥”的思维定式，说明建造桥梁并不是唯一的越江手段。在很多情况下，从环境条件、航道利用、 国民经济的可持续发展等角度看，采用隧道方案要有利得多。以长江为例，目前已修有桥梁（公路、铁路）20余座，大大提高了中国南北方向的交通能力。但与此同时，不可避免对长江航运条件产生了显著的负面影响。
& F* K U) r4 c于是，在长江和其它江河上修建水下隧道的任务就受到了重视。 4 L# [, f& Q6 o5 D; \7 f& q
除了用矿山法和盾法建成的水下隧道，近年来，还在广州和浙江和宁波用沉放管段法建成了二条水下隧道。 ) c3 B; Z2 C B: Q. P, d
穿越珠江的黄沙隧道，1993年年底建成通车，该隧道从设计到施工完全由中国工程技术人员和工人完成。隧道高8.15m，总宽33m，由一孔双线地铁车道、两孔双车道公路和一个电缆和管路孔道组成。与世界上已建成的沉管隧道相比，该隧道在宽度上是名列前茅的。隧道由5节管段组成，其中最长的为120m。从第一节管段1993年4月15日沉放算起仅用了4个多月的时间就完成了全部沉放。通车后情况良好，特别是防水质量，达到了“滴水不漏”的程度。 2 H# @0 K% I3 Z) P$ x
位于浙江宁波的甬江隧道全长1019.53m，水中段419.56m，修建在海相沉积，饱和流塑状的黄色淤泥质粘土的软弱地基上。河道淤积严重，实测淤强为16cm/day。采用抛石回填基础和专用的清淤设备，顺利完成了工程，为我国在软弱地基上修建沉管隧道积累了经验。
* [4 {* N' p: [' Q- V3 i除大陆外，我国台湾也已于1984年在高雄修建了一座沉管隧道。香港建成的沉管隧道则共有5条。 & @2 X- P; y# T1 {0 ~7 }
珠江和甬江这二座水下隧道的成功修建标志着我国已具备了用管段沉放法修建水下隧道的能力并掌握了相关技术。这就大大激励了中国工程师用沉管隧道来穿越江河的勇气。目前至少有二座穿越长江的沉管隧道正在规划中：武汉长江隧道和拟建中的京沪高速铁路南京长江隧道。此外，上海外环线的一座穿越黄浦江的沉管隧道已进入施工阶段。 & i9 k1 ? W7 p* P- T+ A9 n
以规划中的京沪高速铁路南京长江隧道为例，全长6180m，其中江中沉管段为2090m由19节110m长的管段组成,地基为细砂层及粉砂层,流水速度可达1.2m/s,其规模和预期的修建难度都将超过珠江和甬江隧道。这将是一项面向21世纪的雄伟工程。
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/ C& m7 K8 P* K8 Y. u5．隧道设计 & n1 o- k$ Y. U' [
由于有限元、FLAC一类数值方法的运用，中国的隧道工程师已经对隧道衬砌设计中的“荷载—反力”的模式作了必要的补充。在一定的条件下，要采用“整体模型”来理解围岩和支护之间的相互关系，即把支护作为围岩的边界条件，从围岩稳定性角度来确认支护系统的可靠性。
5 V5 k3 P* u8 B }4 Z7 l2 `无论是在连续介质力学的应用，节理岩体分析，块体平衡理论和计算方法的创立等方面，中国学者都作出了贡献。
" u" D* `+ L2 a# T9 y- ^7 T在软弱围岩的支护系统设计中，形变压力概念和“收敛—约束”模型也已被人们所接受。 : Q& _/ c9 B8 P, M. Y( }/ @
但是，由于隧道工程环境条件数量化表达方面的困难，常常会使得力学家们所提出一些理论和计算方法，难以对具体工程起到指导作用。 2 n- F4 C% o5 Y9 ]1 P* P7 n& Y6 R
因此，除了在计算理论中引入不确定性概念（随机性和模糊性）外，建立在工程类比基础上的经验方法在隧道设计中永远有着不可取代的地位。
, d! x0 J8 X+ d4 W7 H8 J作为工程类比的基础,我国已提出以定性描述和定量指标相结合的“工程岩体分级标准”GB-50218-94。其中，定量指标除采用岩块强度和节理统计资料外，还运用了弹性波的测试数据。此外，建立以既有工程数据库为基础的聚类分析和支护设计的模糊类比方法也已成为不少中国学者的注意点。 7 W" m$ j3 T7 o* g% Z
与地面结构物不同，隧道开挖前所提出的设计在严格意义上说只能称做“预设计”。根据对隧道开挖过程中围岩和支护系统力学行为的量测来论证和调整设计参数也是隧道设计中的一个十分重要的环节。 8 J* D2 D" O8 t2 G! ^8 _9 O* a
在隧道工程监测和信息化设计方面，中国在发展以位移测试为主体的隧道施工监测系统以及监测信息的反馈理论方面都有长足的进展。
