綠色隧道技術發展研究與應用

黃 俊，張忠宇，李志遠，邢冬冬

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

1 城市隧道的發展

隨著中國城市化進程的不斷加快以及國民經濟的快速發展，城市人口與汽車保有量也大幅增長，由此引發的交通擁堵、環境污染以及土地資源稀缺等城市問題也逐步凸顯。地下空間開發利用、隧道與軌道交通建設等是緩解城市資源匱乏、改善城市交通問題以及提升居民出行質量的重要途徑。全國地下空間開發排名前十的城市[1]如表1所示。

表1 全國地下空間開發排名前十的城市

自20世紀90年代起，城市隧道作為軌道交通的補充，進一步緩解了城市交通壓力，并逐漸成為地下空間開發的一個重要引擎，帶動城市綜合開發。出于對緩解交通擁堵以及提高路網連通性等因素的考慮，全國多座城市開始修建城市隧道，2013年中國共建成城市隧道里程約162 km，至2019年該數據已達1 000 km[2]，中國城市隧道發展之快可見一斑。2019年部分城市的城市隧道規模統計如圖1所示。

圖1 2019年部分城市的城市隧道規模統計

城市隧道建設規模不斷擴大，與其相關的一系列研究也在不斷深化，以期提高城市隧道建設與運維的經濟性、安全性及綠色環保效果。隧道運維耗電巨大，且隧道洞口尾氣環境以及洞口、洞內的行車環境，尤其是人車混行隧道的噪聲環境，嚴重影響出行的安全和舒適[3]。部分重大工程在建設和運維中已摸索出一些節能與環保的綠色隧道新技術，如LED照明節能[4]、長隧道頂部開口分段式通風環保[5]和隧道內降噪[3]等技術。

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

第一階段(2000年及之前)：起步階段，城市隧道處于試驗性質的開發建設階段，初步摸索城市隧道在城市道路中的運用。1997年中華人民共和國建設部發布的《城市地下空間開發利用管理規定》標志著我國地下空間開發開始走向有序化與系統化。

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題上的積極意義。2003年11月9日，中國工程院錢七虎院士表示，解決日益嚴重的中國城市道路交通擁堵問題要有新思路，建議在中國特大城市建設“地下高速路”。各大城市相繼出臺了關于城市地下空間開發的規劃和政策文件，并指出城市隧道發揮著緩解城市道路擁堵、提升城市環境品質的重要作用。

第三階段(2006年—2017年)：發展階段，隨著城市隧道建設體量的逐漸增加，城市隧道在規劃建設、設計標準以及逃生救援等方面取得了系統性成果。2015年全國性《城市地下道路工程設計規范》、2016年江蘇省《城市隧道噪聲控制技術規程》、2017年上海市《道路隧道設計標準》等一系列規范、標準和指南的出臺，標志著這一階段研究的成熟。

第四階段(2018年至今)：綠色發展階段，隨著城市隧道理論、規范及標準的不斷完善，隧道的節能環保作用獲得廣泛關注。2018年6月，世界交通運輸大會明確了綠色隧道的內涵，標志著城市隧道的發展進入一個新的階段。江蘇省已發布的《江蘇省城市隧道建設、運行與維護指南(試行)》和《城市隧道照明設計標準》，以及正在編制的《城市隧道通風設計標準》和《水下隧道健康監測技術規程》等一系列綠色隧道相關的技術標準，是對綠色隧道發展的又一貢獻。

2 綠色隧道發展理念

2.1 “綠色”理念的發展

“綠色”一詞起源于20世紀60年代，保羅·索勒瑞第一次提出“生態建筑”，即“綠色建筑”理念[6]。2001年的《中國生態住宅技術評估手冊》描繪了我國綠色建筑體系的雛形。2003年的《綠色奧運建筑評估體系》和2006年的《綠色建筑評價標準》等文件逐漸完善了“綠色建筑”的概念[7]。

2016年，中華人民共和國交通運輸部發布的《關于實施綠色公路建設的指導意見》進一步探索綠色公路的內涵，“綠色”理念逐步應用于公路領域。

城市隧道建設在緩解城市擁堵的同時必須最大化地保護生態環境。中國第一條水底城市公路隧道——上海打浦路隧道[8]的建設很大程度上考慮了黃浦江兩岸的景觀需求。因此，隧道建設的本身即為“綠色”的，綠色隧道的發展史即為隧道的發展史。

2.2 綠色隧道發展歷程

從第一條綠色隧道的建成，到如今的拆橋建隧，從隧道建設所帶來的綠色效應，延伸至隧道建造及運維的綠色技術，人們的環保意識不斷增強，國家也在不斷推進綠色事業發展。

2.2.1 隧道建設釋放地面綠色空間

21世紀以來，世界城市化進程不斷加快，中國的城市地下空間利用速度顯著加快并且規模不斷發展，各類型的地下建(構)筑物不斷涌現。地下建筑、城市隧道、地下綜合管廊、地下管線和地下倉儲等開發建設相繼完成[9]。城市隧道模式作為發展最迅速的模式，釋放地面空間以供廣場與綠化設施等建設，其本身就是綠色理念的應用。

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城市地下道路。不同規模的隧道不斷涌現，尤其是在美國、日本[10]和新加坡[11]等人口密度大、用地緊張的國家。地下道路建設案例如表2所示。

表2 地下道路建設案例

2.2.2 拆橋建隧實現綠色發展

城市隧道建設的優越性被逐漸發掘，世界各大城市先后出現多例將地面橋梁和道路拆除改為隧道的案例，通過隧道的建設，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，也提高了周邊土地的商業價值，實現綠色與經濟雙豐收。國外拆橋建隧案例如表3所示。美國西雅圖Alaskan Way橋改隧如圖2所示；美國波士頓6 lines Central Artery橋改隧如圖3所示。

(a) 改造前

(a) 改造前

表3 國外拆橋建隧案例

中國城市隧道的出現相比于國外，晚了近一個世紀，但其發展速度遠超國外，綠色隧道理念的發展也走在世界前列，南京是中國目前第一個出現拆橋建隧的城市。2013年通車的南京城西干道，由原高架方案調整為節點隧道方案，擴充路網容量、提高綠化面積，有效改善兩側居民的的生活環境。擬于2021年全面通車的揚子江大道改造工程、2024年通車的南京惠民路改造工程等均為拆橋改隧項目，是中國綠色隧道理念應用的典型。南京城西高架改隧道如圖4所示。

(a) 改造前

2.2.3 隧道綠色建造及運維技術體系逐步形成

隨著隧道越修越長、斷面越修越大以及地下空間利用形式越來越復雜，隧道建設和運維技術也不斷提高，傳統的建設理念與現代交通出行中安全性、舒適性要求之間的矛盾逐漸凸顯，隧道內噪聲、照明以及尾氣等問題須進行系統性研究，以滿足節能環保的綠色建造理念。

江蘇省率先提出綠色隧道理念[12]，通過不斷摸索，未來將形成《綠色隧道評價細則》以提高城市隧道建設和服務水平，建設更低能耗的隧道建筑，實現節能與環保目標。

2.3 綠色隧道的定義

隧道位于地下，且與巖、土、水、氣共生，隧道建設中要求對交通疏解、地下水流失、地基變形和周邊建筑物的影響降到最低，同時滿足運行隧道內人、車安全舒適，對周邊環境影響小，養護成本可控等節能環保指標。

綠色隧道是指在隧道全壽命周期內，有效節約資源、合理保護環境并減少可控污染，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 綠色隧道技術發展

3.1 綠色隧道技術發展方向

綠色隧道技術發展結合隧道建造和運維需求，綜合考慮安全、成本及環境保護等一系列因素，通過硬件與軟件措施，在隧道規劃、設計、施工和運維中逐步實現技術落地。綠色隧道技術研究方向包括隧道毗鄰空間利用、裝配式建造、噪聲控制、照明節能、通風環保、隧道地熱利用、防災減災及智慧管養等方面，旨在實現隧道全壽命周期內的安全、節能與環保。綠色隧道發展結構框架如圖6所示。

圖6 綠色隧道發展結構框架

3.2 隧道毗鄰空間利用技術

在隧道開發建設過程中，需結合地下空間綜合開發綠色理念進行規劃，實現地下空間的立體開發和協同建設，即隧道毗鄰空間的復合利用。隧道毗鄰空間二次開發難度大、浪費嚴重，必須建立開發利用的系統技術，指導地下空間規劃建設。

拆橋建隧的建設模式代表了城市核心區開發建設的趨勢。南京是國內較早規劃建設城市快速路的城市，在城市內環諸多隧道建設過程中，將井字內環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

南京江北新區臨江路下穿隧道改擴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，在規劃和建設隧道、管廊等地下工程時要考慮遠期的發展和地下建(構)筑物之間的協同規劃與建設等問題。

基于拆橋建隧的經驗教訓，江蘇省在隧道、管廊等地下空間協同開發建設方面積極引領全國的技術發展，涌現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，并率先出臺了《江蘇省城市地下綜合管廊與地下工程協同建設指南》《江蘇省城市隧道建設、運行與維護指南(試行)》等地方標準，以提升隧道建設和地下空間開發的科學性。

語義維基作為多用戶協作式的知識管理與交流平臺，不僅能滿足傳統知識管理中知識的共享、應用與創新，而且由于其對知識的結構化表達，使得機器能夠在一定程度上理解信息的含義，在概念的分類、知識的推理等方面都有較強的優勢，提高了知識管理的靈活性和智能性。隨著語義維基技術的不斷發展，基于該平臺的知識管理應用將會越來越廣泛和深入。

表4 隧道毗鄰空間利用案例

3.3 裝配式建造技術

隨著隧道建設體量的增加，裝配式技術也在其中得到了應用，包括盾構隧道、沉管隧道、頂管隧道以及頂涵隧道等暗挖隧道中的應用，而在體量最大的明挖隧道中[13]，僅有很少一部分隧道應用了預制裝配式技術。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

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構，敞開段為擴大的喇叭式結構，封閉式結構噪聲反復震蕩，對駕乘人員的影響較大，而擴大的喇叭式結構對周邊居民影響較大[14]。近年來，越來越多的隧道建設管理者對隧道噪聲問題有了更清晰的認識，對已有隧道的改造和對新建隧道的調整等案例也在不斷增加。

3.5 照明節能技術

據統計，照明是城市隧道運營中耗能最大的部分，對照明新技術和新材料的應用也是隧道節能研究的重點，目前光導管、LED燈、中長隧道遮光棚[15]以及智能照明控制系統已在部分隧道中得到應用，取得較好的經濟效益。隧道照明節能案例如表7所示。

表7 隧道照明節能案例

3.6 通風環保技術

中長隧道因其長距離的封閉環境，機動車的尾氣會產生聚集現象，對行車安全與人身健康有較大影響，且在隧道火災事故下煙霧難以迅速排除，將導致救援無法進行，由小災引發成大災難[16]。因此隧道的通風問題對隧道內安全運行有著重要影響。隧道通風環保案例如表8所示。

表8 隧道通風環保案例

目前應用較多的高風塔方案并不能徹底解決汽車尾氣排出問題，除塵和凈化等設施只在極少部分隧道中得到應用，且因其運行成本問題使用頻率均較低。因此如何實現隧道通風環保的低成本、高效率仍是綠色隧道研究領域中的一大難點。

3.7 隧道地熱利用技術

隧道結構大多位于地下，結合地源熱泵技術可以有效為隧道自身或附屬建筑物提供熱能。目前國內地源熱泵技術在隧道領域應用尚少，僅在南京市部分隧道有所應用，地源熱泵技術的應用及提升還有很大空間。隧道地熱利用案例如表9所示。

表9 隧道地熱利用案例

3.8 智慧管養技術

隧道運維技術主要包括運維管理和防災救援這兩個方面。運維管理主要包括管理機構、隧道運維環境和運營管理等，防災救援主要包括救援機構、隧道防災和應急管理等。隧道運維技術框架構成如圖8所示。

圖8 隧道運維技術框架構成

1) 運維管理

隧道管理機構設置形式取決于隧道規模、位置分布、施工方式和運維管理規模等。過江隧道或隧道群宜建立隧道管理中心，特長隧道或孤立隧道宜建立隧道管理站，中短隧道應建立隧道現場控制室。

隧道滿足不同工況運維要求和良好的運維環境是車輛在隧道內安全行駛的前提條件。環境要求在隧道建造階段已經確定，并結合環境條件和工況要求確定隧道照明燈具、風機、攝像機、環境檢測器和交通控制器等設備的數量以及安裝位置。路面和結構完好也是隧道良好運維的前提條件。

運維狀態監測和評價是隧道安全運維必不可少的環節，其主要包括土建結構、交通環境、交通工程與附屬設施技術狀態、交通狀態的監測和評價，以及交通工程與附屬設施配置合理性評價等。隧道內設備配置如圖9所示。

圖9 隧道內設備配置

2) 防災救援

隧道救援機構設置取決于隧道規模、位置分布、交通量、車型組成和救援需求等。過江隧道、隧道群或特長隧道應獨立設置消防中隊和事故救援隊，中短隧道消防中隊和事故救援隊可借用市政配套救援機構。

隧道運維管理機構應結合所管轄路段內隧道規模和分布等建立規范化、標準化的應急體系與預案。應急體系與預案應包含隧道交通事故和火災事故等一系列可能發生的應急事件，并借助大數據、云計算、互聯網技術分析隧道事故位置和種類等，完善隧道應急體系與預案。

3) 智慧運維技術

隧道智慧管養技術是在新一代信息技術環境下對傳統隧道交通工程設施的全新演繹，是未來隧道運維管理的發展趨勢。為解決隧道管養過程中隧道設備運行狀態、環境、結構等管養監測不到位的情況，應利用云計算、大數據、物聯網和互聯網等技術，建立起智慧化隧道管養平臺。隧道智慧管養案例如表10所示。

表10 隧道智慧管養案例

4 結語

對地下空間開發程度較高的幾座城市的城市隧道規模進行調研統計，根據統計調研結果，結合多年來城市隧道的設計和研究經驗，提出綠色隧道理念。針對現有綠色隧道領域已有案例和經驗進行收集整理，并進行初步總結和探索，為綠色隧道進一步發展提供一定研究基礎。