我國隧道技術現狀和未來發(fā)展趨勢

中國工程院院士 王夢恕

1 高速鐵路修建的必要性和緊迫性

我國面對六大難題。

1.1 人口膨脹

全世界人口1850年10億、1930年20億（80年增長10億）、1975年40億（45年增長20億）、1999年60億（24年增長20億）、2011年70億（11年增長10億）。預計2041年增長到100億，我國將增長到15億左右。

1.2 水資源緊缺

世界面臨水荒。我國有近2/3缺水，人均水量2200t，世界排名122名左右，名列倒數。

1.3 世界能源緊張

煤：消耗量2000年10億t;2010年34億t；2011年35億t；2012年36.5億t；2013年計劃39億t。照此速度40年煤資源將耗盡。

石油：進口耗量占總量的55.2%，進口量達到60%，意味著國家經濟命脈掌握在別人手中。

天然氣：按照目前的供銷量，可維持60年。南海干冰（天然氣）儲量可供1000年左右使用，但開采相當困難。

原子鈾：我國儲量很小，主要靠進口。

1.4 土地沙漠化

已占國土1/3。

1.5 環(huán)境污染

非常嚴重。

1.6 氣候變暖

青藏高原溫度上升0.2°

這六大難題直接關系著我國的可持續(xù)發(fā)展的壽命，中國再過60年，會發(fā)生什么變化，我們的子孫后代還能延續(xù)多少年，這是一個嚴重的問題。

大量的物種滅絕，大量的病害隨著食物的水源、空氣的變壞而增加。非理智、非科學的發(fā)展，沒有科學發(fā)展觀的理念去追求第一，最大、最快的破壞環(huán)境資源的發(fā)展是非?？膳碌?。

圖1 利用太空太陽能發(fā)電設想高原隧道內徑5m，兩條平行隧道長2×700km(其中一條為真空)

土木工程大量的占用土地，侵害良田沃土，已到了非?？膳碌牡夭?，攤煎餅式的城市擴張，城市間采用雙向八車道、十車道高速公路的修建方式，大量油耗的運輸已產生了很大的災難。

圖2 京石專線—石家莊隧道（地下線）

結構必須調整，每個人的生活方式必須改變，而且要快。因此，發(fā)展鐵路快速交通體系，發(fā)展城際鐵路高速體系，發(fā)展城市地鐵交通體系是非常必要的，也是非常緊迫的。軌道交通也是屬于低碳交通的范疇，盡快調整運輸方式的轉變迫在眉睫。

“可持續(xù)發(fā)展”作為國策提出來了，擺在每個學科、每個產業(yè)的面前，誰違背了六大難題的挑戰(zhàn)，誰就會被調整掉。

我們土木工程也應順潮流而檢討自己，大量的土建工程拔地而起，人們要進入城市，城市化發(fā)展，大量的交通、房屋要建，我們每天都看到大片良田被鋼筋混凝土所取代。

能否把地面沃土多留點給農業(yè)和環(huán)境，把地下巖土多開發(fā)點給道路交通、工廠和倉庫，從而使地下空間成為人類在地球上做為安全舒適生活的第二個空間。

我國21世紀要把交通、能源、水源等基礎設施在西部抓緊早上、快上，要把開發(fā)西部、移民2～3億的做法真正落實，以充實我國的實力。

綜觀當今世界，有識之士已把對地下空間開發(fā)利用作為解決城市資源與環(huán)境危機的重要措施，這是解決我國可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑?？梢灶A測21世紀末將有1/3的世界人口工作、生活在地下空間中。

2 中國是世界隧道和地下工程最多、發(fā)展最快、水文地質及結構形式最復雜的國家

21世紀是地下空間做為資源開發(fā)的世紀。

2.1 山區(qū)鐵路

山嶺隧道向長大發(fā)展，早進晚出；中吉烏通道、泛亞鐵路、城市鐵路入地。正在施工的山區(qū)隧道7000km，待開工的山區(qū)隧道10000km。如蘭渝鐵路線路長800km，其中隧道長度占600km，被稱為地下鐵路。用鉆爆法施工的最長關角隧道32km，用TBM施工的西秦嶺隧道長29km。已開工或即將開工超過10km長的隧道有65座，高震區(qū)成蘭鐵路440km,其中隧道有320km。鄭州到重慶的山區(qū)鐵路即將開工，重慶到北京時間將縮短到5個多小時。

2.2 城市交通

以地下鐵、城市輕軌為主，已開工32座城市，北京、廣州、深圳、上海、南京、重慶、成都、天津、沈陽、哈爾濱、杭州、西安、武漢、蘇州、鄭州、無錫、寧波、溫州、大連、長沙、合肥、石家莊、青島、長春、廈門等相繼開工。

2.3 城際鐵路

介于大鐵路與城市地鐵之間的快速交通網絡，如珠江三角洲、長江三角洲、京津唐地區(qū)以及省內主要城市之間快速軌道交通，是節(jié)省土地、節(jié)省能源、經濟、減少污染、綠色環(huán)保的快速交通工具。

2.4 山區(qū)公路

公路隧道、多跨、兩個單跨，最長終南山隧道18.4km。目前已建成公路隧道近5000座，總長約4000km。高速公路已進入山區(qū)。

2.5 水電工程

壓力隧道、交通隧道、大型調壓豎井、各種大洞室、尾水洞室。

2.6 西氣東輸工程、南水北調及各種供水水利工程

如已建成的長86km隧洞沈陽大伙房引水、供水工程；即將開工的長77km隧洞引漢濟渭引水工程、吉林110km引水工程等各種洞室及跨江、河隧道；遼西供水工程230km已經開工；松花江到北京900多km供水隧道工程正在籌劃中。

2.7 城市地下空間開發(fā)

地下商場、地下會議室、地下停車場、地下倉庫、地下共同溝、地下過街道、地下公交隧道（如南京、杭州等水下隧道）。

所以，城市共同溝的修建，地下鐵道、地下停車場、地下倉庫、地下商業(yè)街、娛樂場所等都在進行設計施工，但很少統(tǒng)籌。城市地下設施很多，誰占什么標高，也需要技術立法,以人為本的思想應貫穿在當前地下工程的設計中。

2.8 LPG地下水封液體庫

1000萬t汽油庫、1萬億t原油庫等,可提供全國90t用油儲量。地下油庫比地面油庫造價節(jié)省一半,安全、壽命長、節(jié)省管理費用。

2.9 水下隧道

如高速鐵路過獅子洋盾構隧道方案；武漢市內公交水底隧道；沿江鐵路;渤海灣通道110km;瓊州海峽；青島海底隧道已開工,待開工隧道有50多座。

2.10 軍工、人防工程

地下軍事設施，人均1m2地下防護設施。

3 鐵路規(guī)劃和發(fā)展

3.1 鐵路發(fā)展的優(yōu)點

鐵路是國情、世情的必然選擇。鐵路運輸自身具有節(jié)能、環(huán)保、快捷、經濟、運量大、安全等6大優(yōu)勢。如能源成本額公路占83.7%、民航占14%，鐵路僅占1.9%。高速鐵路因其速度高、安全、舒適，擴大了城市通勤范圍，快速連接各大城市，幾乎形成同城化的理念。鐵路已是促進世界經濟、社會發(fā)展的基礎設施。如英國率先發(fā)展鐵路，推進英國走在世界工業(yè)化進程的最前沿。鐵路發(fā)展首先帶動了世界鋼鐵、建材、機械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，構成了工業(yè)化的發(fā)展。高鐵的發(fā)展又融合了交流傳動技術、復合制動技術、現代控制診斷技術、高速轉向架技術、減阻降噪技術、密封技術、高強輕型材料與結構技術等一系列當代最新科技成果。我國是一個東西跨度達5400km、南北5200km，人口眾多，能源、資源嚴重緊缺且分布不均的現狀，迫切需要運能充足、功能完善、點線協調的快速鐵路網。我國有高速鐵路網、快速鐵路網、常速鐵路網三個檔次的鐵路網。

高速鐵路是一個具有國際性和時代性的定義和概念，列車在區(qū)間段能以200km/h以上速度運行的鐵路稱為高速鐵路，最高時速可達300km/h左右，如已建成運行的武漢至廣州、鄭州至西安的客運專線；快速鐵路是指最高時速為140km/h～160km/h的鐵路，如石家莊至太原、合肥至武漢、寧波至溫州、溫州至福州、福州至廈門、廈門至深圳；常速鐵路是指最高時速為120km/h～140km/h的鐵路，如既有線近6萬km的舊線就為常速鐵路。

圖3 設計時速250km的合武鐵路大別山隧道

圖4 設計時速350km的武廣高鐵大瑤山隧道

以上3種速度的定義是國際通用的概念，但我國鐵路的修建和運營均提高了速度標準，對既有鐵路線進行改造，提速到140km/h～160km/h的快速鐵路水平，費了不少周折，進展很緩慢，投入工程費也很大，施工中嚴重影響行車安全。通過既有線提速，得出鐵路速度不同于其他土建工程，可以隨時整修和擴建。但鐵路的建設年代和壽命一般都在百年以上，因此，在新建的鐵路中，應眼光放遠，均把修建標準提高到250km/h（運行速度200km/h）的水平，個別區(qū)段能按350km/h（運行速度300km/h為修建標準的80%左右）標準修建的也進行提高。這樣，在每條鐵路線全面建設中，三種鐵路運行速度標準均可在不同區(qū)段開不同速度的列車，實現高速、快速、常速3種速度進行套跑的特點。這樣高標準的一次建成給今后帶來很大好處，缺點是建設費用增大，但總比今后再提高標準要大量節(jié)約投資。我們這一代人、二代人要為今后人口增加到16億時的生活出行提前考慮，這是一種責任，是非常必要的，尤其鐵路更應考慮長遠。

根據這種理念，我國編制了鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃。2004年初，國務院批復了“中長期鐵路網規(guī)劃”，到2020年全國鐵路營運里程從原7萬km要增加到12萬km，其中規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路高速、快速客運通道及3個城際快速客運網，高速鐵路線路總長達1.6萬km以上，要求從北京到各省會（除烏魯木齊、拉薩外）運行時間要低于8h以內。

3.2 城際鐵路發(fā)展

我們把短距離城市之間連接的客運專線鐵路稱為城際鐵路（如北京至天津、廣州至珠海、南京至合肥東），同樣，我們把各省會和本省之間的城市用快速鐵路相聯的鐵路網叫省內城際鐵路，一般要求省會至本省各市之間的運行時間應小于1h，這樣很方便老百姓在省內的快速出行和交流。

圖5 2008年通車的京津高鐵350km/h試驗段

對用高速公路，尤其搞雙向6車道、8車道、10車道這樣大規(guī)模進行城際運輸的方式應予限制，因其占地多、擾民拆遷大、浪費資源、運行速度慢、運量小、運費高。對于許多無車族、收入少的廣大農民用不起，又嚴重污染環(huán)境的這種出行方式，必須改掉，必須用省內城際鐵路所取代。如珠江三角洲，許多高速公路被閑置，在規(guī)劃建設1800 km長珠江三角洲城際鐵路時，從節(jié)約土地出發(fā)將一些區(qū)段鐵路規(guī)劃到高速公路上。城際鐵路的建設標準也按200 km/h和140km/h～160km/h進行建設，以適應發(fā)展的需要。

目前，中國高鐵正以前所未有的建設速度向前沖刺，鄭西高鐵、武廣高鐵已投入運營，為全長1318km京滬高鐵已建成通車提供了全方位的技術實踐；2010年4縱4橫高鐵也即將相繼建成。高速鐵路建設在“改建”與“新建”的爭論對比中，確定以“新建為主、改建為輔”指導方針下進行的；是在“高速輪軌”與“磁懸浮”爭論全面對比之后，確定采用高速輪軌運營方式進行建設的。時至今日，轉眼之間，高速鐵路建設在我國廣闊的大江南北、東北部、中西部的崇山峻嶺之間飛速展開，高鐵從一個夢想走到了中國的現實之中。

表1

僅用5年走完國際上40年高速鐵路發(fā)展歷程,公式“5年=40年”。我國高速鐵路的修建原則是嚴格遵照“安全、可靠、適用、經濟、先進”十個大字的次序進行創(chuàng)新、發(fā)展的，是具有了廣闊的實踐基礎，是在不斷循環(huán)、不斷提高、不斷自主創(chuàng)新的，絕不是靠錢把系統(tǒng)技術買回來的。

我國高速鐵路建設是在絕對確保安全的前提下科學嚴格地進行的。這是人命關天的大事，我們從運營線路的絕對安全到高速機車車輛的生產制造兩大體系開始創(chuàng)新。這是從室內試驗、新建試驗段試驗，到中間正線區(qū)段試驗，到短交線路運營試驗如京津線，由局部走向全系統(tǒng)試驗，走向長交高速運營之后的鄭西段、武廣段的再檢測、再反饋、再修改、再提高的過程。

不同區(qū)段的試驗是非常嚴格、嚴密、科學、一絲不茍的，是從理論到實踐再反復試驗、應用，再試驗、再應用的數十次的多反復過程。

鐵路今后的發(fā)展方向：①高速、快速、重載;②向西部和沿海發(fā)展;③省級城際鐵路以1h到達為半徑;④2020年鐵路通車里程12萬km;⑤2040年左右通車里程17萬km;⑥本世紀末達到28萬km，超過美國現在通車里程（27.2km）。

圖7 中長期鐵路網規(guī)劃

3.3 高速鐵路設計、施工總承包模式

高速鐵路是一個非常大的系統(tǒng)工程，不是任何國家都可以進行設計和施工的。我國高速鐵路的建成與通車得到了許多國家的敬仰和認可，紛紛要求我國進行技術咨詢幫助和設計施工建設的有17個國家之多。

3.4 三條國際高速鐵路的國內外意義

首先，在歐亞大陸架用高速鐵路恢復中國和歐洲的絲綢之路，從中國西北部的烏魯木齊開始，經過吉爾吉斯斯坦、烏茲別克斯坦、土耳其、伊朗等國家到德國。這條通道比國際航線估計要長30%左右，對發(fā)展、恢復各國祖先所建立的世界友好、物資和文化交往的絲綢之路具有重要意義。任何一個國家和政黨的建設必須把和平、友好、提高民生水平之中的“衣食住行”做好，這是衡量每個國家執(zhí)政好壞的基本指標。中國很愿意作這條線路的總規(guī)劃設計師，把歐亞大陸架用高鐵快速建起來。目前，我國國內青藏鐵路已經建成通車，并進行格爾木—西寧段改建，其中32km關角隧道，改善了線路標準，到西藏的時間縮短了6h，并增加到西藏的其他線路。絲綢之路所經過的國家也在開始計劃，包括融資模式的研究。這條絲綢之路對我國西部的發(fā)展有很大的促進作用，對發(fā)展新疆、青海、甘肅等省意義很大，對均衡我國人口西移、合理布置發(fā)展產業(yè)結構、強大我國意義重大。它可以快速擴大溝通東歐各國的文化、科技、物資的運輸方式。

圖8

第二條歐亞大陸架之路是從東北黑龍江滿洲里出境，經西伯利亞等地區(qū)和國家到德國的高速鐵路，它和中國至俄羅斯莫斯科的常規(guī)鐵路方向基本一致。這條鐵路對俄羅斯開發(fā)西伯利亞、東部國土意義重大，對我國資源的引入也起到積極作用，可以發(fā)展東北增加一個出入口，對我國的均衡發(fā)展很有好處。

亞泛鐵路是一條以快速為主的高速鐵路，它從我國的西南大理到緬甸、老撾、泰國，分支西經馬來西亞到新加坡,東到柬埔寨、昆明至越南河內、胡志明市，是一條連通東南亞的經濟大動脈。目前該鐵路正在規(guī)劃分段修建，從西南出國，北上印度、巴基斯坦等地，和絲綢之路在伊朗相交，形成東歐至東南亞的路網，對我國和東南亞友好互助幫助很大，尤其緬甸是個沒有鐵路的國家，要求迫切，愿急用礦山資源換取鐵路建設的費用，目前正在國內開工建設，盡快進入該國，對該國的快速發(fā)展意義重大。

中國高速外交已被世界各國所認可，因為我國高速鐵路的水平可以概括為：①高速鐵路的軌下土建工程如橋隧、路基已具備國際領先水平；②軌道結構技術同樣處于國際領先水平;③機車車輛技術已處于國際先進水平；④高速鐵路的總體設計、施工、運營、快速建設技術，從安全、可靠、適用、經濟、先進五大指標進行對比，總體技術已處于國際領先水平。這已被許多國家所公認，也是中國高鐵敢于走出國外的原因。中鐵、中鐵建等4大公司已在國外進行高鐵的交流與合作。高鐵技術在本質上也反映了我國科學技術的整體水平，是我國的自豪和驕傲。

3.5 重要技術

3.5.1 輪軌技術

快速鐵路的核心是輪軌技術，是軌道結構下部基礎的空間耦合，由“車型——無縫線路——道床——下部基礎”組成，形成車輪與鋼軌相互耦合的高風險、高安全的技術。一旦輪軌技術出問題，就會形成車毀人亡的特重大事故。其中：長大無縫線路，橋梁、隧道、高架車站的無縫線路和無縫道岔的設計、高精度施工；100多度的溫差控制伸縮，確保鋼軌長期穩(wěn)定性的技術措施和安全檢測；無渣軌道板的抗裂、抗靜動荷載強度的百年壽命；抗搖擺快速道岔的研制等，是高鐵工程的重大技術難題。

3.5.2 弓網供電技術

各種荷載包括風載，確保正常供電技術。我國目前風速35m/s，不分內地、海邊，桿距60m。日本海邊風速50m/s，桿距30m。國內標準應區(qū)分內地和海邊的不同。

3.5.3 移動自動閉塞技術

防止列車運行機車追尾的安全技術。加密列車發(fā)出密度,如地鐵間隔2min，高鐵間隔6min。

3.5.4 高速列車CRH380A

2020年將建成1.6萬km高速鐵路，需要數千臺高速列車。該列車具有高可靠性、輕量化、節(jié)能環(huán)保、適用條件復雜等特點。具有9個方面的創(chuàng)新。

①流線型頭型；

②氣密強度與氣密性好，車體安全可靠、乘坐舒適；

③車體振動?。?/p>

④高速轉向架強，壽命長（30年）；

⑤噪聲控制在65dB以下（300km/h速度時）

⑥制動系統(tǒng)準確、靈活、緊急制動距離在380km/h為7500m，低于標準值；

⑦高速雙工受流穩(wěn)定，離線火化率低于6次/km；

⑧牽引傳動系統(tǒng)，16輛編組總功率20440kW能耗指標優(yōu)良，人均百公里能耗5.12kW/h；

⑨旅客界面合理。VIP：一等：二等為1：5：28。

3.6 幾個思考警示的問題

①整合鐵路市場，以一個窗口、一種聲音開始對外技術引進的談判，避免了中國人間互相壓價、肥水外流的弊端，同時最大限度地保護了國內市場，為中國高鐵的發(fā)展和創(chuàng)新注入了源源不斷的動力，成就了舉世矚目的中國高鐵模式，也提供了中國各產品技術對外引進談判的可能借鑒的好模式。

②中國高鐵模式與汽車市場換技術模式和鋼材鐵礦石引起的相互壓價，從正反兩方面給我們巨大的啟示。說中國是“世界工廠”而感到自豪，這是一種錯誤的看法和做法，中國不能出賣資源、能源和勞力得微利而丟大利。

③汽車是典型的既丟了國際市場又沒換到技術的民族悲劇，若讓長春、青島、株洲、大同、唐山、大連等鐵路機車廠采用機車爭拼的做法，中國高鐵機車的牌號就不是和諧號，而是多國的牌子，如果多種互不兼容制式的外國高鐵的機車分割著中國的市場，給人民帶來的是更大的災難。

④計算機有機無芯。

⑤飛機有3種?。阂皇切呐K病，發(fā)動機是國外的；二是皮膚病，機身材料是國外的；三是精神病，控制操作系統(tǒng)也是國外的。

⑥盾構機。硬巖掘進機（TBM）的主軸承也是外國的，中國在關鍵技術上走不上頂峰。

4 隧道及地下工程面臨的十大技術領域

4.1 江、河、海底隧道

廈門公路越海隧道，由于隧道穿越地層為質地良好的花崗巖，決定采用雙向六車道鉆爆法施工，中間設管廊式服務通道。

武漢長江第一隧，由于隧道穿越粉細沙不穩(wěn)定地層，決定采用雙向四車道、泥水加壓式盾構，盾構直徑11.4m，采用復合式刀具，以實現長距離不換刀掘進。

4.2 鉆爆法施工技術

快速單線120m／月、雙線150m～150m／月，應變能力強、以排為主，向以堵為主、以排為輔過渡。

4.3 淺埋、超淺埋暗挖法施工技術

穿越各種軟巖、土質隧道。

4.4 TBM全斷面掘進機施工技術

開敞式、單護盾法雙護盾法大TBM;小TBM加鉆爆法；主要用于硬巖。

TBM由8大主要技術系統(tǒng)組成:刀盤、刀具切割系統(tǒng);精確導向系統(tǒng)；支撐推進系統(tǒng)；液壓控制系統(tǒng)；運碴轉載系統(tǒng)；電器控制系統(tǒng)；通風消音系統(tǒng)；拼裝與支護系統(tǒng)。

4.5 盾構法施工技術

插刀盾構法；土壓平衡盾構法；泥水盾構法；復合式盾構法；頂管法。

盾構整機8大構成系統(tǒng)：液壓傳動系統(tǒng);電氣控制系統(tǒng);集中潤滑系統(tǒng);同步注漿系統(tǒng);盾尾密封系統(tǒng);地面監(jiān)控系統(tǒng);發(fā)泡加泥系統(tǒng);油溫冷卻系統(tǒng).

整機7項支持技術:土壓平衡自動控制技術;襯砌拼裝遙控技術;刀盤驅動密封技術;注油潤滑技術;盾構姿態(tài)態(tài)控制技術;PLC程序控制技術;施工數據管理技術。

4.6 沉管法施工技術

沉埋管段法；懸浮管段法。

淺埋管段建設關鍵技術：干塢制造；管段制造；通風豎井施工；水下基槽開挖；浮運與就位；接頭聯接方式；注漿；回填與防護；引道的淺埋暗挖法施工技術。

4.7 輔助工法

注漿法（單液、雙液）；管棚法；超前小導管法；水平旋噴法；凍結法；降水法（輕型井點、深井泵降水）；降水回灌法。

4.8 地下深基坑圍護結構施工技術

地下連續(xù)墻法；鉆孔樁法；人工挖孔樁法；咬合擠壓鉆孔樁法；錨釘墻法；SMW法；水泥攪拌樁法；高壓旋噴法；粉噴樁；鋼板樁。

4.9 地鐵車站施工技術

暗挖法（柱洞法、中洞法、側洞法、CD法。CRD法、眼鏡法）；敞口明挖法；復工板明挖法；鋼支撐法、錨索法。蓋挖法；蓋挖逆筑法；蓋挖半逆筑法。

4.10 提高隧道施工質量、環(huán)境保護施工技術

防沉降技術、防水技術、文明施工無燥音、無粉塵施工技術、棄碴利用造田技術。

高新技術改造、提高隧道施工質量技術：不留后患耐久性施工技術；非接觸量測技術；高性能防水混凝土施工技術；各種復雜地層、各種工法機械配套快速施工技術；自動化管理指揮、控制系統(tǒng)等。

鉆爆法和淺埋暗挖法是今后永恒的施工方法；TBM是實現快速施工的新的機械化程度很高的施工方法；小TBM或小導洞超前+鉆爆法擴大是經濟快速的施工方法。

5 建設創(chuàng)新型國家是我們的責任

方針：自主創(chuàng)新、重點跨越、支撐發(fā)展、引領未來。

開發(fā)：空間資源、地下資源、海洋資源、生物資源。

四種精神：愛國主義精神、求真務實精神、敢于探索精神、團結協作精神。

建立科技平臺和創(chuàng)新平臺。