綠色隧道技術(shù)發(fā)展研究與應(yīng)用

黃 俊，張忠宇，李志遠(yuǎn)，邢冬冬

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

1 城市隧道的發(fā)展

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口與汽車保有量也大幅增長(zhǎng)，由此引發(fā)的交通擁堵、環(huán)境污染以及土地資源稀缺等城市問(wèn)題也逐步凸顯。地下空間開發(fā)利用、隧道與軌道交通建設(shè)等是緩解城市資源匱乏、改善城市交通問(wèn)題以及提升居民出行質(zhì)量的重要途徑。全國(guó)地下空間開發(fā)排名前十的城市[1]如表1所示。

表1 全國(guó)地下空間開發(fā)排名前十的城市

自20世紀(jì)90年代起，城市隧道作為軌道交通的補(bǔ)充，進(jìn)一步緩解了城市交通壓力，并逐漸成為地下空間開發(fā)的一個(gè)重要引擎，帶動(dòng)城市綜合開發(fā)。出于對(duì)緩解交通擁堵以及提高路網(wǎng)連通性等因素的考慮，全國(guó)多座城市開始修建城市隧道，2013年中國(guó)共建成城市隧道里程約162 km，至2019年該數(shù)據(jù)已達(dá)1 000 km[2]，中國(guó)城市隧道發(fā)展之快可見(jiàn)一斑。2019年部分城市的城市隧道規(guī)模統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 2019年部分城市的城市隧道規(guī)模統(tǒng)計(jì)

城市隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，與其相關(guān)的一系列研究也在不斷深化，以期提高城市隧道建設(shè)與運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性、安全性及綠色環(huán)保效果。隧道運(yùn)維耗電巨大，且隧道洞口尾氣環(huán)境以及洞口、洞內(nèi)的行車環(huán)境，尤其是人車混行隧道的噪聲環(huán)境，嚴(yán)重影響出行的安全和舒適[3]。部分重大工程在建設(shè)和運(yùn)維中已摸索出一些節(jié)能與環(huán)保的綠色隧道新技術(shù)，如LED照明節(jié)能[4]、長(zhǎng)隧道頂部開口分段式通風(fēng)環(huán)保[5]和隧道內(nèi)降噪[3]等技術(shù)。

中國(guó)的城市隧道發(fā)展歷程可以分為4個(gè)階段：起步階段(2000年及之前)、探索階段(2001年—2005年)、發(fā)展階段(2006年—2017年)[2]和綠色發(fā)展階段(2018年至今)。

第一階段(2000年及之前)：起步階段，城市隧道處于試驗(yàn)性質(zhì)的開發(fā)建設(shè)階段，初步摸索城市隧道在城市道路中的運(yùn)用。1997年中華人民共和國(guó)建設(shè)部發(fā)布的《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》標(biāo)志著我國(guó)地下空間開發(fā)開始走向有序化與系統(tǒng)化。

第二階段(2001年—2005年)：探索階段，探討城市隧道在解決城市交通問(wèn)題上的積極意義。2003年11月9日，中國(guó)工程院錢七虎院士表示，解決日益嚴(yán)重的中國(guó)城市道路交通擁堵問(wèn)題要有新思路，建議在中國(guó)特大城市建設(shè)“地下高速路”。各大城市相繼出臺(tái)了關(guān)于城市地下空間開發(fā)的規(guī)劃和政策文件，并指出城市隧道發(fā)揮著緩解城市道路擁堵、提升城市環(huán)境品質(zhì)的重要作用。

第三階段(2006年—2017年)：發(fā)展階段，隨著城市隧道建設(shè)體量的逐漸增加，城市隧道在規(guī)劃建設(shè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及逃生救援等方面取得了系統(tǒng)性成果。2015年全國(guó)性《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、2016年江蘇省《城市隧道噪聲控制技術(shù)規(guī)程》、2017年上海市《道路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和指南的出臺(tái)，標(biāo)志著這一階段研究的成熟。

第四階段(2018年至今)：綠色發(fā)展階段，隨著城市隧道理論、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，隧道的節(jié)能環(huán)保作用獲得廣泛關(guān)注。2018年6月，世界交通運(yùn)輸大會(huì)明確了綠色隧道的內(nèi)涵，標(biāo)志著城市隧道的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段。江蘇省已發(fā)布的《江蘇省城市隧道建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)指南(試行)》和《城市隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，以及正在編制的《城市隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《水下隧道健康監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》等一系列綠色隧道相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)綠色隧道發(fā)展的又一貢獻(xiàn)。

2 綠色隧道發(fā)展理念

2.1 “綠色”理念的發(fā)展

“綠色”一詞起源于20世紀(jì)60年代，保羅·索勒瑞第一次提出“生態(tài)建筑”，即“綠色建筑”理念[6]。2001年的《中國(guó)生態(tài)住宅技術(shù)評(píng)估手冊(cè)》描繪了我國(guó)綠色建筑體系的雛形。2003年的《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)估體系》和2006年的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等文件逐漸完善了“綠色建筑”的概念[7]。

2016年，中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》進(jìn)一步探索綠色公路的內(nèi)涵，“綠色”理念逐步應(yīng)用于公路領(lǐng)域。

城市隧道建設(shè)在緩解城市擁堵的同時(shí)必須最大化地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。中國(guó)第一條水底城市公路隧道——上海打浦路隧道[8]的建設(shè)很大程度上考慮了黃浦江兩岸的景觀需求。因此，隧道建設(shè)的本身即為“綠色”的，綠色隧道的發(fā)展史即為隧道的發(fā)展史。

2.2 綠色隧道發(fā)展歷程

從第一條綠色隧道的建成，到如今的拆橋建隧，從隧道建設(shè)所帶來(lái)的綠色效應(yīng)，延伸至隧道建造及運(yùn)維的綠色技術(shù)，人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，國(guó)家也在不斷推進(jìn)綠色事業(yè)發(fā)展。

2.2.1 隧道建設(shè)釋放地面綠色空間

21世紀(jì)以來(lái)，世界城市化進(jìn)程不斷加快，中國(guó)的城市地下空間利用速度顯著加快并且規(guī)模不斷發(fā)展，各類型的地下建(構(gòu))筑物不斷涌現(xiàn)。地下建筑、城市隧道、地下綜合管廊、地下管線和地下倉(cāng)儲(chǔ)等開發(fā)建設(shè)相繼完成[9]。城市隧道模式作為發(fā)展最迅速的模式，釋放地面空間以供廣場(chǎng)與綠化設(shè)施等建設(shè)，其本身就是綠色理念的應(yīng)用。

在全球城市土地資源緊缺、交通擁堵的前提下，全球特大城市均出現(xiàn)城市地下道路。不同規(guī)模的隧道不斷涌現(xiàn)，尤其是在美國(guó)、日本[10]和新加坡[11]等人口密度大、用地緊張的國(guó)家。地下道路建設(shè)案例如表2所示。

表2 地下道路建設(shè)案例

2.2.2 拆橋建隧實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展

城市隧道建設(shè)的優(yōu)越性被逐漸發(fā)掘，世界各大城市先后出現(xiàn)多例將地面橋梁和道路拆除改為隧道的案例，通過(guò)隧道的建設(shè)，將原有地面和高架道路部分改為城市綠化空間，有效提高城市的綠化率以及周邊居民的生活品質(zhì)，也提高了周邊土地的商業(yè)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)綠色與經(jīng)濟(jì)雙豐收。國(guó)外拆橋建隧案例如表3所示。美國(guó)西雅圖Alaskan Way橋改隧如圖2所示；美國(guó)波士頓6 lines Central Artery橋改隧如圖3所示。

(a) 改造前

(a) 改造前

表3 國(guó)外拆橋建隧案例

中國(guó)城市隧道的出現(xiàn)相比于國(guó)外，晚了近一個(gè)世紀(jì)，但其發(fā)展速度遠(yuǎn)超國(guó)外，綠色隧道理念的發(fā)展也走在世界前列，南京是中國(guó)目前第一個(gè)出現(xiàn)拆橋建隧的城市。2013年通車的南京城西干道，由原高架方案調(diào)整為節(jié)點(diǎn)隧道方案，擴(kuò)充路網(wǎng)容量、提高綠化面積，有效改善兩側(cè)居民的的生活環(huán)境。擬于2021年全面通車的揚(yáng)子江大道改造工程、2024年通車的南京惠民路改造工程等均為拆橋改隧項(xiàng)目，是中國(guó)綠色隧道理念應(yīng)用的典型。南京城西高架改隧道如圖4所示。

(a) 改造前

2.2.3 隧道綠色建造及運(yùn)維技術(shù)體系逐步形成

隨著隧道越修越長(zhǎng)、斷面越修越大以及地下空間利用形式越來(lái)越復(fù)雜，隧道建設(shè)和運(yùn)維技術(shù)也不斷提高，傳統(tǒng)的建設(shè)理念與現(xiàn)代交通出行中安全性、舒適性要求之間的矛盾逐漸凸顯，隧道內(nèi)噪聲、照明以及尾氣等問(wèn)題須進(jìn)行系統(tǒng)性研究，以滿足節(jié)能環(huán)保的綠色建造理念。

江蘇省率先提出綠色隧道理念[12]，通過(guò)不斷摸索，未來(lái)將形成《綠色隧道評(píng)價(jià)細(xì)則》以提高城市隧道建設(shè)和服務(wù)水平，建設(shè)更低能耗的隧道建筑，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保目標(biāo)。

2.3 綠色隧道的定義

隧道位于地下，且與巖、土、水、氣共生，隧道建設(shè)中要求對(duì)交通疏解、地下水流失、地基變形和周邊建筑物的影響降到最低，同時(shí)滿足運(yùn)行隧道內(nèi)人、車安全舒適，對(duì)周邊環(huán)境影響小，養(yǎng)護(hù)成本可控等節(jié)能環(huán)保指標(biāo)。

綠色隧道是指在隧道全壽命周期內(nèi)，有效節(jié)約資源、合理保護(hù)環(huán)境并減少可控污染，為人們提供暢通、高效、便捷且舒適的出行環(huán)境以及與自然和城市和諧共生的地下建筑。綠色隧道典型案例如圖5所示。

(a) 與自然和諧共生的棚洞

3 綠色隧道技術(shù)發(fā)展

3.1 綠色隧道技術(shù)發(fā)展方向

綠色隧道技術(shù)發(fā)展結(jié)合隧道建造和運(yùn)維需求，綜合考慮安全、成本及環(huán)境保護(hù)等一系列因素，通過(guò)硬件與軟件措施，在隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維中逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地。綠色隧道技術(shù)研究方向包括隧道毗鄰空間利用、裝配式建造、噪聲控制、照明節(jié)能、通風(fēng)環(huán)保、隧道地?zé)崂?、防?zāi)減災(zāi)及智慧管養(yǎng)等方面，旨在實(shí)現(xiàn)隧道全壽命周期內(nèi)的安全、節(jié)能與環(huán)保。綠色隧道發(fā)展結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 綠色隧道發(fā)展結(jié)構(gòu)框架

3.2 隧道毗鄰空間利用技術(shù)

在隧道開發(fā)建設(shè)過(guò)程中，需結(jié)合地下空間綜合開發(fā)綠色理念進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)地下空間的立體開發(fā)和協(xié)同建設(shè)，即隧道毗鄰空間的復(fù)合利用。隧道毗鄰空間二次開發(fā)難度大、浪費(fèi)嚴(yán)重，必須建立開發(fā)利用的系統(tǒng)技術(shù)，指導(dǎo)地下空間規(guī)劃建設(shè)。

拆橋建隧的建設(shè)模式代表了城市核心區(qū)開發(fā)建設(shè)的趨勢(shì)。南京是國(guó)內(nèi)較早規(guī)劃建設(shè)城市快速路的城市，在城市內(nèi)環(huán)諸多隧道建設(shè)過(guò)程中，將井字內(nèi)環(huán)西線由橋梁改造為隧道，并將原集慶門隧道(雙向四車道)原位擴(kuò)建為雙向六車道隧道，開辟了拆隧建隧的先河。南京市集慶門隧道拆除中和建成后如圖7所示。

(a) 拆除中

南京江北新區(qū)臨江路下穿隧道改擴(kuò)建和廣西埂大街管廊拆除建隧道等案例表明要充分重視地下空間的綜合開發(fā)，在規(guī)劃和建設(shè)隧道、管廊等地下工程時(shí)要考慮遠(yuǎn)期的發(fā)展和地下建(構(gòu))筑物之間的協(xié)同規(guī)劃與建設(shè)等問(wèn)題。

基于拆橋建隧的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，江蘇省在隧道、管廊等地下空間協(xié)同開發(fā)建設(shè)方面積極引領(lǐng)全國(guó)的技術(shù)發(fā)展，涌現(xiàn)出一批隧道毗鄰空間利用的典型案例，隧道毗鄰空間利用案例如表4所示，并率先出臺(tái)了《江蘇省城市地下綜合管廊與地下工程協(xié)同建設(shè)指南》《江蘇省城市隧道建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)指南(試行)》等地方標(biāo)準(zhǔn)，以提升隧道建設(shè)和地下空間開發(fā)的科學(xué)性。

語(yǔ)義維基作為多用戶協(xié)作式的知識(shí)管理與交流平臺(tái)，不僅能滿足傳統(tǒng)知識(shí)管理中知識(shí)的共享、應(yīng)用與創(chuàng)新，而且由于其對(duì)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，使得機(jī)器能夠在一定程度上理解信息的含義，在概念的分類、知識(shí)的推理等方面都有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，提高了知識(shí)管理的靈活性和智能性。隨著語(yǔ)義維基技術(shù)的不斷發(fā)展，基于該平臺(tái)的知識(shí)管理應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛和深入。

表4 隧道毗鄰空間利用案例

3.3 裝配式建造技術(shù)

隨著隧道建設(shè)體量的增加，裝配式技術(shù)也在其中得到了應(yīng)用，包括盾構(gòu)隧道、沉管隧道、頂管隧道以及頂涵隧道等暗挖隧道中的應(yīng)用，而在體量最大的明挖隧道中[13]，僅有很少一部分隧道應(yīng)用了預(yù)制裝配式技術(shù)。隧道裝配式建筑建造案例如表5所示。

表5 隧道裝配式建筑建造案例

3.4 噪聲控制技術(shù)

隧道噪聲控制案例如表6所示。

表6 隧道噪聲控制案例

隧道暗埋段為封閉式結(jié)構(gòu)，敞開段為擴(kuò)大的喇叭式結(jié)構(gòu)，封閉式結(jié)構(gòu)噪聲反復(fù)震蕩，對(duì)駕乘人員的影響較大，而擴(kuò)大的喇叭式結(jié)構(gòu)對(duì)周邊居民影響較大[14]。近年來(lái)，越來(lái)越多的隧道建設(shè)管理者對(duì)隧道噪聲問(wèn)題有了更清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)已有隧道的改造和對(duì)新建隧道的調(diào)整等案例也在不斷增加。

3.5 照明節(jié)能技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明是城市隧道運(yùn)營(yíng)中耗能最大的部分，對(duì)照明新技術(shù)和新材料的應(yīng)用也是隧道節(jié)能研究的重點(diǎn)，目前光導(dǎo)管、LED燈、中長(zhǎng)隧道遮光棚[15]以及智能照明控制系統(tǒng)已在部分隧道中得到應(yīng)用，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。隧道照明節(jié)能案例如表7所示。

表7 隧道照明節(jié)能案例

3.6 通風(fēng)環(huán)保技術(shù)

中長(zhǎng)隧道因其長(zhǎng)距離的封閉環(huán)境，機(jī)動(dòng)車的尾氣會(huì)產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，對(duì)行車安全與人身健康有較大影響，且在隧道火災(zāi)事故下煙霧難以迅速排除，將導(dǎo)致救援無(wú)法進(jìn)行，由小災(zāi)引發(fā)成大災(zāi)難[16]。因此隧道的通風(fēng)問(wèn)題對(duì)隧道內(nèi)安全運(yùn)行有著重要影響。隧道通風(fēng)環(huán)保案例如表8所示。

表8 隧道通風(fēng)環(huán)保案例

目前應(yīng)用較多的高風(fēng)塔方案并不能徹底解決汽車尾氣排出問(wèn)題，除塵和凈化等設(shè)施只在極少部分隧道中得到應(yīng)用，且因其運(yùn)行成本問(wèn)題使用頻率均較低。因此如何實(shí)現(xiàn)隧道通風(fēng)環(huán)保的低成本、高效率仍是綠色隧道研究領(lǐng)域中的一大難點(diǎn)。

3.7 隧道地?zé)崂眉夹g(shù)

隧道結(jié)構(gòu)大多位于地下，結(jié)合地源熱泵技術(shù)可以有效為隧道自身或附屬建筑物提供熱能。目前國(guó)內(nèi)地源熱泵技術(shù)在隧道領(lǐng)域應(yīng)用尚少，僅在南京市部分隧道有所應(yīng)用，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用及提升還有很大空間。隧道地?zé)崂冒咐绫?所示。

表9 隧道地?zé)崂冒咐?/p>

3.8 智慧管養(yǎng)技術(shù)

隧道運(yùn)維技術(shù)主要包括運(yùn)維管理和防災(zāi)救援這兩個(gè)方面。運(yùn)維管理主要包括管理機(jī)構(gòu)、隧道運(yùn)維環(huán)境和運(yùn)營(yíng)管理等，防災(zāi)救援主要包括救援機(jī)構(gòu)、隧道防災(zāi)和應(yīng)急管理等。隧道運(yùn)維技術(shù)框架構(gòu)成如圖8所示。

圖8 隧道運(yùn)維技術(shù)框架構(gòu)成

1) 運(yùn)維管理

隧道管理機(jī)構(gòu)設(shè)置形式取決于隧道規(guī)模、位置分布、施工方式和運(yùn)維管理規(guī)模等。過(guò)江隧道或隧道群宜建立隧道管理中心，特長(zhǎng)隧道或孤立隧道宜建立隧道管理站，中短隧道應(yīng)建立隧道現(xiàn)場(chǎng)控制室。

隧道滿足不同工況運(yùn)維要求和良好的運(yùn)維環(huán)境是車輛在隧道內(nèi)安全行駛的前提條件。環(huán)境要求在隧道建造階段已經(jīng)確定，并結(jié)合環(huán)境條件和工況要求確定隧道照明燈具、風(fēng)機(jī)、攝像機(jī)、環(huán)境檢測(cè)器和交通控制器等設(shè)備的數(shù)量以及安裝位置。路面和結(jié)構(gòu)完好也是隧道良好運(yùn)維的前提條件。

運(yùn)維狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是隧道安全運(yùn)維必不可少的環(huán)節(jié)，其主要包括土建結(jié)構(gòu)、交通環(huán)境、交通工程與附屬設(shè)施技術(shù)狀態(tài)、交通狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，以及交通工程與附屬設(shè)施配置合理性評(píng)價(jià)等。隧道內(nèi)設(shè)備配置如圖9所示。

圖9 隧道內(nèi)設(shè)備配置

2) 防災(zāi)救援

隧道救援機(jī)構(gòu)設(shè)置取決于隧道規(guī)模、位置分布、交通量、車型組成和救援需求等。過(guò)江隧道、隧道群或特長(zhǎng)隧道應(yīng)獨(dú)立設(shè)置消防中隊(duì)和事故救援隊(duì)，中短隧道消防中隊(duì)和事故救援隊(duì)可借用市政配套救援機(jī)構(gòu)。

隧道運(yùn)維管理機(jī)構(gòu)應(yīng)結(jié)合所管轄路段內(nèi)隧道規(guī)模和分布等建立規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)急體系與預(yù)案。應(yīng)急體系與預(yù)案應(yīng)包含隧道交通事故和火災(zāi)事故等一系列可能發(fā)生的應(yīng)急事件，并借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析隧道事故位置和種類等，完善隧道應(yīng)急體系與預(yù)案。

3) 智慧運(yùn)維技術(shù)

隧道智慧管養(yǎng)技術(shù)是在新一代信息技術(shù)環(huán)境下對(duì)傳統(tǒng)隧道交通工程設(shè)施的全新演繹，是未來(lái)隧道運(yùn)維管理的發(fā)展趨勢(shì)。為解決隧道管養(yǎng)過(guò)程中隧道設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等管養(yǎng)監(jiān)測(cè)不到位的情況，應(yīng)利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，建立起智慧化隧道管養(yǎng)平臺(tái)。隧道智慧管養(yǎng)案例如表10所示。

表10 隧道智慧管養(yǎng)案例

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)地下空間開發(fā)程度較高的幾座城市的城市隧道規(guī)模進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)研結(jié)果，結(jié)合多年來(lái)城市隧道的設(shè)計(jì)和研究經(jīng)驗(yàn)，提出綠色隧道理念。針對(duì)現(xiàn)有綠色隧道領(lǐng)域已有案例和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行收集整理，并進(jìn)行初步總結(jié)和探索，為綠色隧道進(jìn)一步發(fā)展提供一定研究基礎(chǔ)。