中國隧道工程技術發展40年

嚴金秀

(中鐵科學研究院有限公司, 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上取得了長足進步,在勘察、設計、施工、裝備等方面取得了一大批創新成果,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、高地應力、高水壓等復雜條件下的隧道工程修建技術取得了新突破。這些工程的建成不僅提高了中國隧道修建技術水平,而且也促進了國際隧道工程技術的進步。

1 中國隧道工程基本情況

截至2018年底,中國共建設有交通隧道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。這些數據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,計劃修建的隧道約20 000 km。

已建成的隧道中絕大多數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營,年均投入運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營。

2 中國隧道工程挑戰和成就

中國隧道工程的技術進步與面臨的挑戰分不開,沒有挑戰就沒有進步。在改革開放的40年間,中國面臨來自重大隧道工程建設的各種挑戰,如特長隧道、深埋隧道、大斷面隧道、高海拔隧道以及各種復雜地質和復雜環境下的隧道工程的挑戰。

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挑戰是地質勘察的準確性、快速施工以及運營防災等問題。

特長隧道通常埋深較大,這給地質勘察工作帶來了挑戰,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,采取地質超前預報技術,即在前期地質勘察的基礎上,通過物探和地質勘察相結合的手段弄清隧道掌子面前方的地質情況,為實現信息化設計施工提供基礎,以確保施工安全。取得的成就包括各種預報技術方法(地震波法、激發極化法、地溫溫度法等)、各種設備的應用(TSP、HSP、GRP等)以及大量的工程實踐。特別是近幾年在TBM配套的自動化地質預報系統的研究和應用方面取得突破,如激發極化法(山東大學),見圖1[2],利用TBM開挖振動波進行前方地質預報的HSP-TBM[3](中鐵科研院)等系統(見圖2),已經在高黎貢山等特長隧道中取得應用。

圖1 TBM施工隧洞三維激發極化超前地質預報觀測示意圖Fig. 1 Sketch of advance geological prediction of TBM tunnel by 3D polarization method

圖2 利用TBM開挖振動波進行前方地質預報的HSP-TBM系統示意圖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,實現了快速施工。二是TBM和鉆爆法發揮各自優勢,在地質復雜地段采用鉆爆法施工,在地質相對較好地段采用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,地質復雜,但埋深也相對較淺,有利于增加輔助導坑,采用鉆爆法施工;而60多km地段地質相對較好,而且埋深也較大,采用3臺TBM施工,每臺大約掘進20 km,取得了很好的效果,僅用3年時間就完成85 km隧道的開挖任務[5]。此外,在TBM特長隧道施工中,為了進一步發揮TBM機械化施工的優勢,一般較多采用皮帶出碴(如大伙房隧道、西秦嶺隧道等);同時,為加快施工進度,開發了與敞開式TBM開挖同步的襯砌技術。

在特長隧道的運營防災方面,鐵路隧道主要在中部設置排煙和救援疏散設施,如長32 km的新關角隧道利用在中間位置的施工斜井形成防災救援系統[6],永臨結合,節省投資。公路特長隧道的防災主要通過設置中間豎井來保證,如長18 km的秦嶺終南山隧道,共設置3座通風豎井,最大井深661 m,最大豎井直徑達11.5 m,豎井下方均設大型地下風機廠房,以解決運營及火災通風問題[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主要有高地應力、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2 525 m,建設過程中遇到了高壓涌水、巖爆等困難。其中,5 km長探洞實測最大外水壓力達 10 MPa,引水隧洞施工過程中揭露的單點最大涌水量達 4.17 m3/s。工程采取“以堵為主、堵排結合”的處理措施,大涌水點的處理通過“分流減壓”降低施工難度和施工風險,最終達到封堵涌水的目的。錦屏二級水電站4條引水隧洞共有11 027 m發生巖爆,其中強烈巖爆占 6.68%,極強巖爆占 0.54%,突發性巖爆災害給施工人員和設備安全構成了極大的威脅。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)誘導能量釋放、消耗和轉移能量; 3)增強支護吸能和適應變形的能力[8]。

深埋隧道的另一個技術挑戰是高地溫問題。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,深孔鉆探實測最高溫度為40.6 ℃,預測最高溫度為50 ℃。由于屬于斷裂深循環型高地溫,采取的主要措施為注漿堵水,以隔斷地下熱水。此外,加強通風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計方面技術難度大,在施工方面也面臨諸多挑戰。

2018年建成并通車的港珠澳大橋沉管隧道不僅斷面大,規模也大,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個管節; 標準管節長180 m、寬38 m、高11.4 m,質量達76 000 t。該工程的基礎處理、基床施工以及管段的預制、浮運、沉放、對接難度都很大。通過技術創新,工程得以順利完工。港珠澳大橋沉管隧道在建設期間共開展了140多項試驗研究,取得了540項專利[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 個管節,寬度46 ～ 55.5 m不等。其中,標準管節26個,長度為165 m,橫斷面外包尺寸為46.00 m (寬)×10.60 m(高),變寬管節橫斷面外包尺寸為(46.00 ～ 55.46) m(寬)×10.60 m(高),采用鋼殼結構[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 336.8 m2,穿越的建筑物密集且安全級別高,地層為強度低、易觸變、滲透性強的軟土及砂層,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開挖36根頂管形成管幕超前支護、凍結止水以及5臺階14分區法施工技術順利建成[12]。

京張高鐵新八達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的隧道內設置了世界上最大的高鐵車站,車站為3層地下結構,車站內修建了各類大小洞室78個,斷面型式88種,洞室交叉節點密集,是國內最復雜的暗挖洞群車站。車站兩端渡線段單洞開挖跨度達32.7 m,是目前國內單拱跨度最大的暗挖鐵路隧道,施工技術難度大,施工組織復雜。通過采用機械化施工、信息化管理以及精準爆破等新技術,確保了工期和施工質量。京張高鐵新八達嶺地下站如圖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比較普遍。2018年10月投入運營的武漢三陽路長江隧道的盾構直徑達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,類似的設計也應用于濟南市濟濼路隧道,目前正在施工中。

圖3 京張高鐵新八達嶺地下站(中鐵工程設計咨詢集團有限公司提供)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防,特別是對隧道的支護結構和防排水系統進行專門設計,防止凍融產生的破壞。高原缺氧主要影響施工人員和機械設備的效率,主要采用供養站改善現場施工人員工作環境,采用大功率設備,提高施工能力。

青藏鐵路風火山隧道全長1 338 m,隧道進口路肩高程4 905 m,是世界上海拔最高的鐵路隧道。高寒和缺氧是風火山隧道施工的2大難題。工程從隧道設計、機械的選型與配套、制供氧系統的研制及應用、保溫、防水保溫層的設置等方面取得了創新成果,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托之間(隧道平面見圖5),是翻越雀兒山的關鍵性工程。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。該隧道建設的主要難點為高寒、缺氧、季節性凍土等。原公路埡口海拔5 050 m,每年有長達8個月的積雪覆蓋期,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,車輛通行需要2個多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,形成了一套高海拔公路隧道勘察選線、設計和施工建設的技術,取得了多項創新成果。

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

2.5 復雜條件下的隧道工程

改革開放40年來,中國在各種復雜環境下修建了大量的隧道工程,包括巖溶、瓦斯、高地應力、高壓富水、膨脹巖等各種復雜地質條件下和在復雜城市環境下修建的淺埋、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,克服了傳統注漿成本高、存在注漿盲區的問題。瓦斯隧道在施工期間主要采用防爆設備以及加強通風和瓦斯監控的措施,但對于具有瓦斯突出風險的隧道,采用了主動超前排放技術進行“消突”; 同時瓦斯隧道還采用氣密性襯砌結構并在襯砌背后預埋瓦斯排放管的措施,防止瓦斯進入運營隧道。軟巖大變形隧道主要采取適當釋放應力后控制變形的方法。復雜城市環境下的隧道工程大多采用盾構施工,近些年的異形盾構開發應用為解決矩形隧道、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展趨勢。

3 中國隧道工程技術發展方向

過去40年,中國在各種復雜條件下修建了大量的隧道工程,積累了非常豐富的經驗。今后的發展方向主要是從發展速度向發展質量的轉變,具體包括: 1)勘察方面。通過采用高精度地面物探、水平定向鉆結合孔中物探以及綜合分析各種地質數據等措施,提高隧道地質勘探的準確性和有效性。2)設計方面。由于隧道工程的投入較大,在隧道工程設計中應轉變過去單一功能設計的思路,盡量考慮從單一功能設計發展到綜合功能設計,提高隧道工程的效益。要進一步把握隧道穩定及支護的本質,完善隧道支護理論,提高支護的有效性。此外,由于隧道工程的服務年限很長,隧道設計不僅要考慮環境友好,還應該考慮節能減排。3)施工方面。近期主要形成包括地質預報、施工作業、監控量測在內的智能化隧道機械施工綜合技術,遠期應進行顛覆性隧道施工新技術的研究和應用。4)運營方面。智能運營和維護將是今后的發展方向。

4 結語

改革開放40年來,中國隧道建設取得了巨大成就,這些成就離不開各國隧道工程技術和經驗的共享,而中國隧道技術的發展也大大豐富了國際隧道工程經驗,促進了國際隧道工程的技術進步。今后應加強國際技術交流和合作,共同應對隧道工程中的難題,讓隧道工程在社會可持續發展中發揮更好作用。