中國隧道工程技術(shù)發(fā)展40年

嚴(yán)金秀

(中鐵科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 610032)

0 引言

中國改革開放40年來,不僅建成了大量的隧道工程,而且在隧道修建技術(shù)上取得了長足進(jìn)步,在勘察、設(shè)計(jì)、施工、裝備等方面取得了一大批創(chuàng)新成果,建成了一批特長、超深埋、超大斷面、高海拔等重大隧道工程; 此外,在巖溶、瓦斯、黃土、高地應(yīng)力、高水壓等復(fù)雜條件下的隧道工程修建技術(shù)取得了新突破。這些工程的建成不僅提高了中國隧道修建技術(shù)水平,而且也促進(jìn)了國際隧道工程技術(shù)的進(jìn)步。

1 中國隧道工程基本情況

截至2018年底,中國共建設(shè)有交通隧道36 103 km。其中,鐵路隧道15 177 座,長度16 331 km[1]; 公路隧道 16 500座,長度15 940 km; 城市軌道交通隧道5 766 km,其中地鐵約4 511 km。這些數(shù)據(jù)還不包括大量的水電隧洞、輸水隧洞、地下管廊以及其他用途的隧道。此外,正在施工的各類隧道約20 000 km,計(jì)劃修建的隧道約20 000 km。

已建成的隧道中絕大多數(shù)都是在改革開放后建成的,已建成的36 103 km交通隧道中有34 708 km是在改革開放后建成的,占96%。特別是近5年,有大量的鐵路、公路隧道相繼建成并投入運(yùn)營,年均投入運(yùn)營的鐵路和公路隧道超過2 000 km。最近幾年建成的城市軌道交通數(shù)量也大幅增加,2016年、2017年和2018年分別有760 km、889 km和734 km的城市軌道交通投入運(yùn)營。

2 中國隧道工程挑戰(zhàn)和成就

中國隧道工程的技術(shù)進(jìn)步與面臨的挑戰(zhàn)分不開,沒有挑戰(zhàn)就沒有進(jìn)步。在改革開放的40年間,中國面臨來自重大隧道工程建設(shè)的各種挑戰(zhàn),如特長隧道、深埋隧道、大斷面隧道、高海拔隧道以及各種復(fù)雜地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程的挑戰(zhàn)。

2.1 特長隧道

中國已建成的最長隧道是85 km的大伙房輸水隧道,最長的鐵路隧道是32 km的新關(guān)角隧道,最長的公路隧道是18 km的秦嶺終南山隧道。特長隧道面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性、快速施工以及運(yùn)營防災(zāi)等問題。

特長隧道通常埋深較大,這給地質(zhì)勘察工作帶來了挑戰(zhàn),前期勘察的精度往往不能完全滿足隧道安全施工的要求。為解決此問題,采取地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù),即在前期地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,通過物探和地質(zhì)勘察相結(jié)合的手段弄清隧道掌子面前方的地質(zhì)情況,為實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)施工提供基礎(chǔ),以確保施工安全。取得的成就包括各種預(yù)報(bào)技術(shù)方法(地震波法、激發(fā)極化法、地溫溫度法等)、各種設(shè)備的應(yīng)用(TSP、HSP、GRP等)以及大量的工程實(shí)踐。特別是近幾年在TBM配套的自動化地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用方面取得突破,如激發(fā)極化法(山東大學(xué)),見圖1[2],利用TBM開挖振動波進(jìn)行前方地質(zhì)預(yù)報(bào)的HSP-TBM[3](中鐵科研院)等系統(tǒng)(見圖2),已經(jīng)在高黎貢山等特長隧道中取得應(yīng)用。

圖1 TBM施工隧洞三維激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)觀測示意圖Fig. 1 Sketch of advance geological prediction of TBM tunnel by 3D polarization method

圖2 利用TBM開挖振動波進(jìn)行前方地質(zhì)預(yù)報(bào)的HSP-TBM系統(tǒng)示意圖Fig. 2 HSP-TBM system for geological prediction by TBM boring vibration ware

特長隧道的快速施工需要根據(jù)隧道的具體情況,因地制宜采取解決辦法。主要有2種方法。一是鉆爆法施工情況下通過增加輔助導(dǎo)坑多開工作面加快施工。如長20 km的烏鞘嶺隧道為全線控制性工程,提前建成意義重大。通過采用13座斜井、1座豎井和1座橫洞[4],土建工期從原來的5年縮短至2.5年,實(shí)現(xiàn)了快速施工。二是TBM和鉆爆法發(fā)揮各自優(yōu)勢,在地質(zhì)復(fù)雜地段采用鉆爆法施工,在地質(zhì)相對較好地段采用TBM施工。如長85 km的大伙房輸水隧洞工程,其中23 km的六合段為巖溶富水區(qū),地質(zhì)復(fù)雜,但埋深也相對較淺,有利于增加輔助導(dǎo)坑,采用鉆爆法施工;而60多km地段地質(zhì)相對較好,而且埋深也較大,采用3臺TBM施工,每臺大約掘進(jìn)20 km,取得了很好的效果,僅用3年時(shí)間就完成85 km隧道的開挖任務(wù)[5]。此外,在TBM特長隧道施工中,為了進(jìn)一步發(fā)揮TBM機(jī)械化施工的優(yōu)勢,一般較多采用皮帶出碴(如大伙房隧道、西秦嶺隧道等);同時(shí),為加快施工進(jìn)度,開發(fā)了與敞開式TBM開挖同步的襯砌技術(shù)。

在特長隧道的運(yùn)營防災(zāi)方面,鐵路隧道主要在中部設(shè)置排煙和救援疏散設(shè)施,如長32 km的新關(guān)角隧道利用在中間位置的施工斜井形成防災(zāi)救援系統(tǒng)[6],永臨結(jié)合,節(jié)省投資。公路特長隧道的防災(zāi)主要通過設(shè)置中間豎井來保證,如長18 km的秦嶺終南山隧道,共設(shè)置3座通風(fēng)豎井,最大井深661 m,最大豎井直徑達(dá)11.5 m,豎井下方均設(shè)大型地下風(fēng)機(jī)廠房,以解決運(yùn)營及火災(zāi)通風(fēng)問題[7]。

2.2 深埋隧道

過去40年,中國修建了大量的深埋隧道,包括鐵路隧道、公路隧道、水電隧洞。這些深埋隧道面臨的挑戰(zhàn)主要有高地應(yīng)力、高水壓、高地溫的“三高”難題。

錦屏二級水電站隧道群是典型的深埋隧道,隧洞一般埋深 1 500～2 000 m,最大埋深達(dá)2 525 m,建設(shè)過程中遇到了高壓涌水、巖爆等困難。其中,5 km長探洞實(shí)測最大外水壓力達(dá) 10 MPa,引水隧洞施工過程中揭露的單點(diǎn)最大涌水量達(dá) 4.17 m3/s。工程采取“以堵為主、堵排結(jié)合”的處理措施,大涌水點(diǎn)的處理通過“分流減壓”降低施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn),最終達(dá)到封堵涌水的目的。錦屏二級水電站4條引水隧洞共有11 027 m發(fā)生巖爆,其中強(qiáng)烈?guī)r爆占 6.68%,極強(qiáng)巖爆占 0.54%,突發(fā)性巖爆災(zāi)害給施工人員和設(shè)備安全構(gòu)成了極大的威脅。采取的主要措施包括: 1)快速維持洞壁圍巖圍壓,增加儲能能力; 2)誘導(dǎo)能量釋放、消耗和轉(zhuǎn)移能量; 3)增強(qiáng)支護(hù)吸能和適應(yīng)變形的能力[8]。

深埋隧道的另一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是高地溫問題。如拉林鐵路16.4 km長的桑珠嶺隧道遇到罕見的高地溫問題,其中1號橫洞地溫高達(dá)86.5 ℃;正在施工的34.5 km長的高黎貢山鐵路隧道,深孔鉆探實(shí)測最高溫度為40.6 ℃,預(yù)測最高溫度為50 ℃。由于屬于斷裂深循環(huán)型高地溫,采取的主要措施為注漿堵水,以隔斷地下熱水。此外,加強(qiáng)通風(fēng)以及制冷降溫是施工期間采取的重要措施[9]。

2.3 大斷面隧道

近些年,采用鉆爆法、TBM以及沉管法修建了很多大斷面隧道。大斷面隧道不僅在設(shè)計(jì)方面技術(shù)難度大,在施工方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。

2018年建成并通車的港珠澳大橋沉管隧道不僅斷面大,規(guī)模也大,是世界上最大和最深的沉管隧道。該隧道全長6.7 km,共有33個(gè)管節(jié); 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m、寬38 m、高11.4 m,質(zhì)量達(dá)76 000 t。該工程的基礎(chǔ)處理、基床施工以及管段的預(yù)制、浮運(yùn)、沉放、對接難度都很大。通過技術(shù)創(chuàng)新,工程得以順利完工。港珠澳大橋沉管隧道在建設(shè)期間共開展了140多項(xiàng)試驗(yàn)研究,取得了540項(xiàng)專利[10]。

目前正在施工的深圳—中山通道的礬石沉管隧道,全長 6.8 km,其中沉管隧道長 5.03 km, 為雙向8車道高速公路隧道。該隧道共有32 個(gè)管節(jié),寬度46 ～ 55.5 m不等。其中,標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)26個(gè),長度為165 m,橫斷面外包尺寸為46.00 m (寬)×10.60 m(高),變寬管節(jié)橫斷面外包尺寸為(46.00 ～ 55.46) m(寬)×10.60 m(高),采用鋼殼結(jié)構(gòu)[11]。該沉管隧道的寬度及跨度均居世界之最。

港珠澳大橋拱北隧道暗挖段也是大斷面隧道的典型案例,該段隧道開挖輪廓面積達(dá) 336.8 m2,穿越的建筑物密集且安全級別高,地層為強(qiáng)度低、易觸變、滲透性強(qiáng)的軟土及砂層,隧道拱頂埋深僅 4 ～ 5 m,且位于地下水位線以下,地下水與海水連通,施工難度很大。工程采用泥水平衡頂管機(jī)開挖36根頂管形成管幕超前支護(hù)、凍結(jié)止水以及5臺階14分區(qū)法施工技術(shù)順利建成[12]。

京張高鐵新八達(dá)嶺隧道是采用鉆爆法修建的大斷面隧道工程的典型案例。這座長12 km的隧道內(nèi)設(shè)置了世界上最大的高鐵車站,車站為3層地下結(jié)構(gòu),車站內(nèi)修建了各類大小洞室78個(gè),斷面型式88種,洞室交叉節(jié)點(diǎn)密集,是國內(nèi)最復(fù)雜的暗挖洞群車站。車站兩端渡線段單洞開挖跨度達(dá)32.7 m,是目前國內(nèi)單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道,施工技術(shù)難度大,施工組織復(fù)雜。通過采用機(jī)械化施工、信息化管理以及精準(zhǔn)爆破等新技術(shù),確保了工期和施工質(zhì)量。京張高鐵新八達(dá)嶺地下站如圖3所示。

此外,目前使用直徑為14 ～15 m的TBM修建大斷面隧道已經(jīng)比較普遍。2018年10月投入運(yùn)營的武漢三陽路長江隧道的盾構(gòu)直徑達(dá)15.76 m,采用公路和地鐵合建,上部為3車道公路隧道,下部為武漢地鐵7號線,通過公鐵共用疏散通道等措施提高斷面利用率[13],見圖4。此外,類似的設(shè)計(jì)也應(yīng)用于濟(jì)南市濟(jì)濼路隧道,目前正在施工中。

圖3 京張高鐵新八達(dá)嶺地下站(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司提供)Fig. 3 New Badaling Station of Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway

圖4 公鐵合建盾構(gòu)隧道斷面布置示意圖Fig. 4 Sketch of cross-section of integrated highway and metro tunnel

2.4 高海拔隧道

在過去的15年,中國在高海拔隧道的建設(shè)方面取得了突破,先后修建了一批高海拔鐵路和公路隧道,如青藏鐵路的風(fēng)火山隧道(海拔4 905 m)、昆侖山隧道(海拔4 665 m),西藏的米拉山公路隧道(海拔4 700 m),青海的長拉山公路隧道(海拔4 500 m),四川的雀兒山公路隧道(海拔4 378 m)等,大大改善了交通條件。高海拔隧道面臨的主要挑戰(zhàn)是凍融問題和高原缺氧問題。凍融問題采取的主要對策是抗凍融設(shè)防,特別是對隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和防排水系統(tǒng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),防止凍融產(chǎn)生的破壞。高原缺氧主要影響施工人員和機(jī)械設(shè)備的效率,主要采用供養(yǎng)站改善現(xiàn)場施工人員工作環(huán)境,采用大功率設(shè)備,提高施工能力。

青藏鐵路風(fēng)火山隧道全長1 338 m,隧道進(jìn)口路肩高程4 905 m,是世界上海拔最高的鐵路隧道。高寒和缺氧是風(fēng)火山隧道施工的2大難題。工程從隧道設(shè)計(jì)、機(jī)械的選型與配套、制供氧系統(tǒng)的研制及應(yīng)用、保溫、防水保溫層的設(shè)置等方面取得了創(chuàng)新成果,解決了高原凍土以及低氧低壓條件下隧道的修建難題。

川藏公路北線317國道的雀兒山公路隧道位于甘孜至德格崗?fù)兄g(隧道平面見圖5),是翻越雀兒山的關(guān)鍵性工程。隧道為雙向2車道,長7 km,洞口海拔4 378 m,是目前世界上海拔最高的公路長隧道。該隧道建設(shè)的主要難點(diǎn)為高寒、缺氧、季節(jié)性凍土等。原公路埡口海拔5 050 m,每年有長達(dá)8個(gè)月的積雪覆蓋期,而且有3處總長4 700 m的雪崩路段,6處共2 220 m長的泥石流地段,冬季積雪厚度大于1.5 m,十分危險(xiǎn),車輛通行需要2個(gè)多h。隧道貫通后,穿越雀兒山僅需10 min,車流量也從1 500余輛/d增加到4 000～5 000輛/d。雀兒山隧道的建設(shè),形成了一套高海拔公路隧道勘察選線、設(shè)計(jì)和施工建設(shè)的技術(shù),取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。

圖5 317國道雀兒山公路隧道平面圖(四川省公路設(shè)計(jì)院提供)Fig. 5 Plan of Que′ershan Tunnel of No. 317 National Highway

2.5 復(fù)雜條件下的隧道工程

改革開放40年來,中國在各種復(fù)雜環(huán)境下修建了大量的隧道工程,包括巖溶、瓦斯、高地應(yīng)力、高壓富水、膨脹巖等各種復(fù)雜地質(zhì)條件下和在復(fù)雜城市環(huán)境下修建的淺埋、大跨、城市地下立交等隧道工程。宜萬鐵路的“降壓釋能”法是一種解決隧道通過高壓富水溶腔的高效、安全施工方法,克服了傳統(tǒng)注漿成本高、存在注漿盲區(qū)的問題。瓦斯隧道在施工期間主要采用防爆設(shè)備以及加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯監(jiān)控的措施,但對于具有瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的隧道,采用了主動超前排放技術(shù)進(jìn)行“消突”; 同時(shí)瓦斯隧道還采用氣密性襯砌結(jié)構(gòu)并在襯砌背后預(yù)埋瓦斯排放管的措施,防止瓦斯進(jìn)入運(yùn)營隧道。軟巖大變形隧道主要采取適當(dāng)釋放應(yīng)力后控制變形的方法。復(fù)雜城市環(huán)境下的隧道工程大多采用盾構(gòu)施工,近些年的異形盾構(gòu)開發(fā)應(yīng)用為解決矩形隧道、地下停車場的施工提供了新方法。此外,還修建了南京青奧軸線地下立交樞紐、長沙市營盤路湘江隧道和廈門市萬石山地下立交工程等,城市地下立交成為隧道工程新的發(fā)展趨勢。

3 中國隧道工程技術(shù)發(fā)展方向

過去40年,中國在各種復(fù)雜條件下修建了大量的隧道工程,積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。今后的發(fā)展方向主要是從發(fā)展速度向發(fā)展質(zhì)量的轉(zhuǎn)變,具體包括: 1)勘察方面。通過采用高精度地面物探、水平定向鉆結(jié)合孔中物探以及綜合分析各種地質(zhì)數(shù)據(jù)等措施,提高隧道地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性和有效性。2)設(shè)計(jì)方面。由于隧道工程的投入較大,在隧道工程設(shè)計(jì)中應(yīng)轉(zhuǎn)變過去單一功能設(shè)計(jì)的思路,盡量考慮從單一功能設(shè)計(jì)發(fā)展到綜合功能設(shè)計(jì),提高隧道工程的效益。要進(jìn)一步把握隧道穩(wěn)定及支護(hù)的本質(zhì),完善隧道支護(hù)理論,提高支護(hù)的有效性。此外,由于隧道工程的服務(wù)年限很長,隧道設(shè)計(jì)不僅要考慮環(huán)境友好,還應(yīng)該考慮節(jié)能減排。3)施工方面。近期主要形成包括地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工作業(yè)、監(jiān)控量測在內(nèi)的智能化隧道機(jī)械施工綜合技術(shù),遠(yuǎn)期應(yīng)進(jìn)行顛覆性隧道施工新技術(shù)的研究和應(yīng)用。4)運(yùn)營方面。智能運(yùn)營和維護(hù)將是今后的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

改革開放40年來,中國隧道建設(shè)取得了巨大成就,這些成就離不開各國隧道工程技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的共享,而中國隧道技術(shù)的發(fā)展也大大豐富了國際隧道工程經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)了國際隧道工程的技術(shù)進(jìn)步。今后應(yīng)加強(qiáng)國際技術(shù)交流和合作,共同應(yīng)對隧道工程中的難題,讓隧道工程在社會可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更好作用。