隧道工程的技術(shù)進步.doc

隧道工程的技術(shù)進步 王建宇摘 要本文對建國以來我國隧道工程建設(shè)作了回顧，并以秦嶺隧道、廣州地鐵、北京地鐵、以及上海地鐵等重大工程為例，論述了淺埋礦山法、掘進機法、盾構(gòu)法和沉埋管段法等現(xiàn)代隧道修建方法的運用和技術(shù)進步。關(guān)鍵詞隧道工程技術(shù)進步1我國隧道工程建設(shè)的發(fā)展1.1.歷史的回顧1999年8月，我國最長的鐵路隧道位于西安安康鐵路上的秦嶺隧道貫通。當人們在為這條18.4km長的順利建成而激動不已的時候,很容易想到50年代在寶成鐵路上修建的2km長的另一座“秦嶺”隧道。不同時期修建的穿越秦嶺山脈的兩座隧道是中國隧道工程技術(shù)進步的最好見證。40年前修建的2km長的秦嶺隧道差不多是用人力艱難地修成的。那時，手持式鑿巖機和小型礦車幾乎是僅有的施工機具。40年后的今天，在西（安）（安）康鐵路上18.457km長的秦嶺隧道的修建中則使用了包括全斷面掘進機在內(nèi)的現(xiàn)代隧道施工機具，實現(xiàn)了隧道施工機械化。追溯我國現(xiàn)代隧道工程的歷史，總要提到1890年在臺灣基隆至新竹窄軌鐵路上建成的216m長的獅球嶺隧道。據(jù)說，這是我國最早修建的一條鐵路隧道。1908年，由杰出的工程師詹天佑博士主持，在北京至張家口的鐵路上用18個月的時間修建了長1091m的八達嶺隧道,在中國近代隧道修建史上寫下了重要的一頁。然而，大規(guī)模地修建各種用途的隧道還是從新中國成立開始的。在50年代初，為了避免修建長隧道，常常盡可能地采用迂回展線來克服地形障礙，使線路靠近地表。寶成鐵路翻越秦嶺的一段線路就是采用短小隧道群迂回展線的一個實例。在這段線路上有34座隧道，最長的秦嶺隧道其長度僅為2363m。但是，根據(jù)當時的技術(shù)水平，修建這樣一座長度在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風(fēng)動鑿巖機和軌行式礦車，使得寶成鐵路秦嶺隧道的修建成為從“人力開挖”過渡到“機械開挖”的標志。隧道工程技術(shù)發(fā)展第二個階段的代表性工程是60年代中期修建的成都昆明鐵路。成昆鐵路全長1085km,隧道竟占31%。其中關(guān)村壩隧道和沙馬拉打隧道長度均在6km以上。在這批隧道的施工中采用了輕型機具，分部開挖的“小型機械化”施工，修建速度達到了“百米成洞”（平均每月單口成洞100m ）的水平。我國修建長度10km以上的鐵路隧道的實踐是從修建14.295km長的雙線隧道大瑤山隧道開始的。在這座隧道的施工中，采用鑿巖臺車，襯砌模板臺車和高效能的裝運工具等機具配套作業(yè)，實行全斷面開挖。大瑤山隧道是我國山嶺隧道采用重型機具綜合機械化施工的開端，將隧道工程的修建技術(shù)和修建長大隧道的能力提高到一個新的階段，縮短了同國際隧道施工先進水平的差距。在此以后修建的許多長大隧道基本上都是按“大瑤山模式”施工的。不久前建成的南昆鐵路上長度為9388m米花嶺隧道，就創(chuàng)造了單口月成洞502.2m的好成績。綜合機械化施工和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展大大提高了修建長隧道的能力。這引起了鐵路線路設(shè)計思想的變化。正在修建中的西安安康鐵鐵路在穿越秦嶺時就不再像40年前修建寶成鐵路那樣采用迂回曲折的展線,而決定修建18.4km的越嶺隧道。顯然，長隧道的修建使線路順直，提高了運營標準。1.2.現(xiàn)代隧道修建方法西康線秦嶺隧道工程由1號線和2號線兩座隧道組成，通過混合片麻巖及花崗巖。其中2號線隧道是用鉆爆法開挖的。采用軌行門架三臂鉆孔臺車、挖掘裝載機、大容積梭式礦車等重型機具先開挖斷面為2630m2的導(dǎo)坑，平均月進尺達264m。值得指出的是，在2號線導(dǎo)坑的開挖中采用直徑1.3m的風(fēng)管，110kW風(fēng)機創(chuàng)造了單臺風(fēng)機獨頭通風(fēng)距離6000m的記錄。超過6000m 后，再串聯(lián)一臺風(fēng)機，到獨頭通風(fēng)距離9500m時，作業(yè)面空氣仍符合標準要求。秦嶺隧道的1號線隧道則是用直徑為8.8m的全斷面掘進機開挖的。它遇到的是強度超過200MPa的硬巖，其困難是可想而知的?！般@爆法和掘進機，孰優(yōu)？”曾經(jīng)引起隧道工程師們的討論。結(jié)論很明顯：盡管中國人發(fā)明了火藥，足以讓我們引以為自豪，但是我們并不認為鉆爆法是開挖巖石隧道的唯一手段。英法海峽隧道使用掘進機的經(jīng)驗給了我們重要參考。實際上，在中國的一些水工隧道的開挖中已經(jīng)取得了不少使用掘進機的成功經(jīng)驗。這些經(jīng)驗對于秦嶺隧道掘進機施工十分有價值。山嶺隧道礦山法修建技術(shù)的發(fā)展僅僅是隧道工程技術(shù)進步的一個側(cè)面?，F(xiàn)代隧道技術(shù)的內(nèi)容應(yīng)涵蓋適用于不同條件的各種不同修建方法。據(jù)資料考證，獅球嶺隧道是采用技術(shù)簡單的明挖法修建的。而在一百多年后的今天，我們簡直可以說，中國人已經(jīng)掌握了所有的現(xiàn)代隧道修建方法和修建技術(shù)。廣州地鐵就是一個十分有趣的例子，在剛剛建成的第一期工程中使用了現(xiàn)代隧道修建的各種方法。從烈士陵園站至天河體育中心站采用淺埋礦山法修建；從黃沙站至公園前站的區(qū)間隧道采用了二臺泥水混合盾構(gòu)；而從公園前站至烈士陵園站是用一臺土壓平衡盾構(gòu)修成的；跨越珠江的水下隧道則采用了沉放管段。其余部分區(qū)間隧道采用明挖法修建。正在建設(shè)中的二號線，仍有一部份區(qū)間隧道用礦山法修建，而跨越珠江的水下隧道則采用盾構(gòu)法施工。1.3統(tǒng)計資料根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國大陸鐵路隧道總數(shù)達5300余座，總長度為2500km ，其中5km以上隧道就有22座（表1）表1我國長度5km以上的鐵路隧道編號 隧道名 全長(m) 鐵路名 修建年代 1 秦嶺 18457 西康 正在施工 2 大瑤山 14294.47 京廣 1981-1987 3 長梁山 12780 朔黃 正在施工 4 米花嶺 9383 南昆 -1996 5 軍都山 8460 大秦 1982-1987 6 云臺山 8145 侯月 -1991 7 分水關(guān) 7228 橫南 1997 8 驛馬嶺 7031.9 京原 1967-1969 9 寺鋪尖 6407 朔黃 正在施工 10 沙馬拉達 6383.3 成昆 1959-1966 11 八盤嶺 6340 溪田 1987-1993 12 平型關(guān) 6188.6 京原 1967-1971 13 關(guān)村壩 6187 成昆 1961-1966 14 奎先 6152 南疆 1975-1978 15 南嶺 6061.8 京廣 1981-1987 16 紅旗 5848.3 京通 1973-1975 17 彭莫山 5592 焦柳 1971-1973 18 大巴山 5334 襄渝 1970-1973 19 六盤山 5240 寶中 1990-1994 20 武當山 5226.1 襄渝 1969-1973 21 平關(guān) 5139.87 盤西 1966-1970 22 白家灣 5058 大秦 1982-1986 80年代以來,由于我國高等級公路的興建,公路隧道建設(shè)的發(fā)展也很快。目前，我國大陸已建成450多座公路隧道，總長度達120km。其中，3km以上的隧道15座。在四川省和重慶市的范圍內(nèi)，就有3座4km以上長度的隧道正在修建。在水電站地下工程和水工隧洞方面，最引人注意的是黃河小浪底工程和萬家寨引水工程。在總長192km的萬家寨引水隧洞中，最長的達43km,直徑為4.24.3m,用兩臺掘進機開挖。2.“新奧法”的引進和礦山法的發(fā)展北京地鐵工程在討論我國礦山法隧道修建技術(shù)的發(fā)展的時候，不能不提到新奧法（NATM）理念的引進。新奧法的引進是從錨桿和噴混凝土一類“主動型”的新型支護技術(shù)的推廣使用開始的。很快地，中國的隧道工程師就不但在實質(zhì)上而且在名詞上接受了新奧法。在國內(nèi)舉行的隧道及地下工程學(xué)術(shù)會議上，新奧經(jīng)常成為熱門話題。工程師們對新奧法的津津樂道是有理由的：運用新奧法原則，已經(jīng)成功地在軟弱圍巖中和困難條件下修建了各種類型的地下工程。修建在砂夾礫石松散地層中的北京地鐵復(fù)興門折返段隧道就是一個典型的例子。該隧道位于北京最主要的街道長安街下，長358m，最大開挖斷面高9m，寬14.5m隧道頂部復(fù)蓋地層最小厚度僅9.0m。隧道采用部份斷面掘進機開挖，格柵拱加強的噴混凝土初期支護以及小導(dǎo)管預(yù)支護，在不影響地面交通，確保地下管線安全的情況下修建成功。在這個工程中所取得的經(jīng)驗，使中國工程師認識到，運用新奧法原則可以將一般用于山嶺隧道的礦山法的應(yīng)用范圍拓展到在軟弱圍巖，甚至于在第四系地層中的淺埋市政隧道以取代傳統(tǒng)的明挖法或盾構(gòu)法。在中國，這種方法稱之為“淺埋礦山法”。繼復(fù)興門折返線隧道以后，同樣在礫夾卵石的沖積層中又用淺埋礦山法修建了跨度為21.67m的西單地鐵車站。在修建位于長安街下的北京地鐵新線工程時,淺埋礦山法被選擇為主要的施工方法。例如，北京地鐵天安門西站，長226m，為雙層兩柱式結(jié)構(gòu)。廣州地鐵東段也是采用淺埋礦山法修建的。經(jīng)驗證明，從地面環(huán)境的保護,地表沉降的挖制，以及造價、工期等角度看，淺埋礦山法同明挖法或盾構(gòu)法相比都具有一定的競爭力。中國工程師從歐洲引進了新奧法，并且結(jié)合中國的情況對新奧法及其相關(guān)技術(shù)，諸如支擴手段，量測和監(jiān)控技術(shù)等作了進一步的開發(fā)。作為新奧法的一項重要背景技術(shù)的噴混凝土在中國已經(jīng)被廣泛使用。同國際上的情況一樣，為了解決長期以來困擾著人們的粉塵污染環(huán)境，回彈嚴重以及混凝土品質(zhì)的不均勻性等問題，正在大力推行濕噴工藝。最近由鐵道科學(xué)研究院西南分院開發(fā)了一種“轉(zhuǎn)子活塞”型的新型噴射機，這種機型采用濕噴工藝，即往機器中加入按配合比制備好的成品混凝土拌和料，但物料輸送又區(qū)別于一般的泵送式濕噴機，采用稀薄流輸送方式。因此機器結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。目前已在國內(nèi)推廣。可以毫不夸張地說，新奧法的推行確實引起了礦山法修建技術(shù)在開挖方法、施工技術(shù)乃至于隧道設(shè)計思想方面的重大變革。盡管如此，仍然應(yīng)該說我國推行新奧法的情況并不盡如人意。在諸多工程中也不乏失敗的實例。除了施工管理、質(zhì)量控制和相關(guān)技術(shù)的掌握等方面的原因外，主要在于隧道工程師們有時對新奧法的實質(zhì)缺乏正確的理解。對于“新奧法”一詞的內(nèi)涵，人們的認識有一個發(fā)展的過程。誠如它的名詞本身New Austrian Tunnelling Method所表述的那樣，新奧法的創(chuàng)始人最初是將它作為一種同新型支護相關(guān)的隧道修建方法提出來的。但后來發(fā)現(xiàn)，將新奧法拘泥于一種特定的施工方法或具體的支護技術(shù)將會使其推行受到很大的局限。于是，在一些文獻中強調(diào)新奧法是一種“概念”、“哲學(xué)”、“原則”或“途徑”，而不是一種固定不變的具體施工方法或技術(shù)。闡明這一點，有重要的現(xiàn)實意義。事實上，在一些工程中，由于照搬某些新奧法工程中具體施工方法而不注意結(jié)合本工程的實際來體現(xiàn)新奧法的原則而遭到失敗。我本人經(jīng)歷過一個軟弱圍巖中的特淺埋隧道施工，在使用新奧法的過程中曾發(fā)生坍通地表的大坍塌。其原因種種，其中有一條就是照搬某些高地應(yīng)力地層中隧道的做法，片面強調(diào)支護的柔性，強調(diào)在初期支護施作后要盡可能讓變形釋放，而沒有及時施作二次支護。那么，什么是新奧法概念的內(nèi)涵？有人歸結(jié)為22條，有人歸結(jié)為7條。其實，只有一條，那就是保護圍巖，調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力。從這樣一個原則出發(fā)，可以根據(jù)隧道工程具體條件靈活地選擇開挖方法、爆破技術(shù)、支護形式、支護施作時機和輔助工法。至于對圍巖變形的控制，根據(jù)不同情況，有時應(yīng)強調(diào)釋放，有時應(yīng)強調(diào)限制。其目的都是為了“保護圍巖，調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力。3.盾構(gòu)法修建技術(shù)上海地鐵工程同北京不同，上海的市政隧道大部份要通過淤泥質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)亞粘土，承載力低，含水量高，靈敏度大，滲透系數(shù)小。盾構(gòu)法勢必成為隧道修建的主要方法。1970年上海隧道工程公司使用直徑為10.2m的擠壓式盾構(gòu)法修建了穿越黃浦江的第一條水下隧道，從而實現(xiàn)了中國在盾構(gòu)法修建隧道“零的突破”。如今，盾構(gòu)已在土層隧道的施工中廣泛使用。上海地鐵一號線總長為18.5km單線園形區(qū)間隧道（內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m）就是全部采用盾構(gòu)法開挖的。用于上海地鐵一號線的土壓平衡盾構(gòu)外徑為6.34m，由法國FCB公司設(shè)計，主要部件及控制設(shè)備從法國進口。車架、拼裝機、螺旋機、皮帶機、攪拌機等設(shè)備則由上海配套制造。一號線完成后，這些盾構(gòu)經(jīng)修復(fù)已用于二號線的掘進。盾構(gòu)推進時地表沉降可控制在-1cm+3cm的范圍內(nèi)。在修建穿越黃浦江的延安東路南線水下隧道時從日本三菱重工引進了直徑11.22m的大型泥水平衡盾構(gòu)，取得了很好的使用效果。事實表明，適當?shù)貜膰膺M口一些先進的盾構(gòu)設(shè)備，不僅滿足了建設(shè)的需求，并且對我國盾構(gòu)施工技術(shù)進步，縮短同國際先進水平的差距十分有益。1988年完工的另一條黃浦江水下隧道延安東路北線隧道盾構(gòu)施工段長1476m，線路平面圖呈S形，曲率半徑500m，縱坡3%。隧道除穿越黃浦江外，還要在高層建筑群和地下管線等重要環(huán)境保護地段通過，最大埋深36m，最淺覆土為5.8m。是用我國自行設(shè)計和制造的直徑為11.3m網(wǎng)格式水力機械盾構(gòu)修建的。4.沉放管段法修建水下隧道長江水下隧道從60年代開始,在上海黃浦江建成了三條水下隧道，目前尚有2座正在修建，一座在規(guī)劃中。這在很大程度上改變了“遇水架橋”的思維定式，說明建造橋梁并不是唯一的越江手段。在很多情況下，從環(huán)境條件、航道利用、 國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等角度看，采用隧道方案要有利得多。以長江為例，目前已修有橋梁（公路、鐵路）20余座，大大提高了中國南北方向的交通能力。但與此同時，不可避免對長江航運條件產(chǎn)生了顯著的負面影響。于是，在長江和其它江河上修建水下隧道的任務(wù)就受到了重視。除了用礦山法和盾法建成的水下隧道，近年來，還在廣州和浙江和寧波用沉放管段法建成了二條水下隧道。穿越珠江的黃沙隧道，1993年年底建成通車，該隧道從設(shè)計到施工完全由中國工程技術(shù)人員和工人完成。隧道高8.15m，總寬33m，由一孔雙線地鐵車道、兩孔雙車道公路和一個電纜和管路孔道組成。與世界上已建成的沉管隧道相比，該隧道在寬度上是名列前茅的。隧道由5節(jié)管段組成，其中最長的為120m。從第一節(jié)管段1993年4月15日沉放算起僅用了4個多月的時間就完成了全部沉放。通車后情況良好，特別是防水質(zhì)量，達到了“滴水不漏”的程度。位于浙江寧波的甬江隧道全長1019.53m，水中段419.56m，修建在海相沉積，飽和流塑狀的黃色淤泥質(zhì)粘土的軟弱地基上。河道淤積嚴重，實測淤強為16cm/day。采用拋石回填基礎(chǔ)和專用的清淤設(shè)備，順利完成了工程，為我國在軟弱地基上修建沉管隧道積累了經(jīng)驗。除大陸外，我國臺灣也已于1984年在高雄修建了一座沉管隧道。香港建成的沉管隧道則共有5條。珠江和甬江這二座水下隧道的成功修建標志著我國已具備了用管段沉放法修建水下隧道的能力并掌握了相關(guān)技術(shù)。這就大大激勵了中國工程師用沉管隧道來穿越江河的勇氣。目前至少有二座穿越長江的沉管隧道正在規(guī)劃中：武漢長江隧道和擬建中的京滬高速鐵路南京長江隧道。此外，上海外環(huán)線的一座穿越黃浦江的沉管隧道已進入施工階段。以規(guī)劃中的京滬高速鐵路南京長江隧道為例，全長6180m，其中江中沉管段為2090m由19節(jié)110m長的管段組成,地基為細砂層及粉砂層,流水速度可達1.2m/s,其規(guī)模和預(yù)期的修建難度都將超過珠江和甬江隧道。這將是一項面向21世紀的雄偉工程。5隧道設(shè)計由于有限元、FLAC一類數(shù)值方法的運用，中國的隧道工程師已經(jīng)對隧道襯砌設(shè)計中的“荷載反力”的模式作了必要的補充。在一定的條件下，要采用“整體模型”來理解圍巖和支護之間的相互關(guān)系，即把支護作為圍巖的邊界條件，從圍巖穩(wěn)定性角度來確認支護系統(tǒng)的可靠性。無論是在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的應(yīng)用，節(jié)理巖體分析，塊體平衡理論和計算方法的創(chuàng)立等方面，中國學(xué)者都作出了貢獻。在軟弱圍巖的支護系統(tǒng)設(shè)計中，形變壓力概念和“收斂約束”模型也已被人們所接受。但是，由于隧道工程環(huán)境條件數(shù)量化表達方面的困難，常常會使得力學(xué)家們所提出一些理論和計算方法，難以對具體工程起到指導(dǎo)作用。因此，除了在計算理論中引入不確定性概念（隨機性和模糊性）外，建立在工程類比基礎(chǔ)上的經(jīng)驗方法在隧道設(shè)計中永遠有著不可取代的地位。作為工程類比的基礎(chǔ),我國已提出以定性描述和定量指標相結(jié)合的“工程巖體分級標準”GB-50218-94。其中，定量指標除采用巖塊強度和節(jié)理統(tǒng)計資料外，還運用了彈性波的測試數(shù)據(jù)。此外，建立以既有工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的聚類分析和支護設(shè)計的模糊類比方法也已成為不少中國學(xué)者的注意點。與地面結(jié)構(gòu)物不同，隧道開挖前所提出的設(shè)計在嚴格意義上說只能稱做“預(yù)設(shè)計”。根據(jù)對隧道開挖過程中圍巖和支護系統(tǒng)力學(xué)行為的量測來論證和調(diào)整設(shè)計參數(shù)也是隧道設(shè)計中的一個十分重要的環(huán)節(jié)。在隧道工程監(jiān)測和信息化設(shè)計方面，中國在發(fā)展以位移測試為主體的隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)以及監(jiān)測信息的反饋理論方面都有長足的進展。 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