隧道工程技術(shù)進(jìn)步.doc

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摘要本文對(duì)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(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法和沉埋管段法等現(xiàn)代隧道修建方法的運(yùn)用和技術(shù)進(jìn)步。 關(guān)鍵詞隧道工程技術(shù)進(jìn)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(dāng)人們?cè)跒檫@條18.4km長的順利建成而激動(dòng)不已的時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)，手持式鑿巖機(jī)和小型礦車幾乎是僅有的施工機(jī)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(jìn)機(jī)在內(nèi)的現(xiàn)代隧道施工機(jī)具，實(shí)現(xiàn)了隧道施工機(jī)械化。 追溯我國現(xiàn)代隧道工程的歷史，總要提到1890年在臺(tái)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(gè)月的時(shí)間修建了長1091m的八達(dá)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(gè)實(shí)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(dāng)時(shí)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(dòng)鑿巖機(jī)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(jī)械開挖”的標(biāo)志。 隧道工程技術(shù)發(fā)展第二個(gè)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(jī)具，分部開挖的“小型機(jī)械化”施工，修建速度達(dá)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(shí)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(tái)車，襯砌模板臺(tái)車和高效能的裝運(yùn)工具等機(jī)具配套作業(yè)，實(shí)行全斷面開挖。大瑤山隧道是我國山嶺隧道采用重型機(jī)具綜合機(jī)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(gè)新的階段，縮短了同國際隧道施工先進(jìn)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(jī)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(jì)思想的變化。正在修建中的西安—安康鐵鐵路在穿越秦嶺時(shí)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(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)。 1.2.現(xiàn)代隧道修建方法 西康線秦嶺隧道工程由1號(hào)線和2號(hào)線兩座隧道組成，通過混合片麻巖及花崗巖。其中2號(hào)線隧道是用鉆爆法開挖的。采用軌行門架三臂鉆孔臺(tái)車、挖掘裝載機(jī)、大容積梭式礦車等重型機(jī)具先開挖斷面為26~30m2的導(dǎo)坑，平均月進(jìn)尺達(dá)264m。值得指出的是，在2號(hào)線導(dǎo)坑的開挖中采用直徑1.3m的風(fēng)管，110kW風(fēng)機(jī)創(chuàng)造了單臺(tái)風(fēng)機(jī)獨(dú)頭通風(fēng)距離6000m的記錄。超過6000m后，再串聯(lián)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，到獨(dú)頭通風(fēng)距離9500m時(shí)，作業(yè)面空氣仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 秦嶺隧道的1號(hào)線隧道則是用直徑為8.8m的全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖的。它遇到的是強(qiáng)度超過200MPa的硬巖，其困難是可想而知的。 “鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)，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(rèn)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(jìn)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)給了我們重要參考。實(shí)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(jìn)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)于秦嶺隧道掘進(jìn)機(jī)施工十分有價(jià)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(jìn)步的一個(gè)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(gè)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(tái)泥水混合盾構(gòu)；而從公園前站至烈士陵園站是用一臺(tái)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(hào)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(jì)資料 根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國大陸鐵路隧道總數(shù)達(dá)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(hào)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(tái)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(dá)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(dāng)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(jí)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(dá)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。 表2在四川省和重慶市的范圍內(nèi)最長的公路隧道 隧道名稱長度隧道數(shù) 二郎山4300m1已貫通 華鎣山4775m2施工中 鷓鴣山6030m1設(shè)計(jì)中 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(dá)43km,直徑為4.2~4.3m,用兩臺(tái)掘進(jìn)機(jī)開挖。 2.“新奧法”的引進(jìn)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(shí)候，不能不提到新奧法（NATM）理念的引進(jìn)。新奧法的引進(jìn)是從錨桿和噴混凝土一類“主動(dòng)型”的新型支護(hù)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(shí)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(huì)議上，新奧經(jīng)常成為熱門話題。 工程師們對(duì)新奧法的津津樂道是有理由的：運(yùn)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(gè)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(jìn)機(jī)開挖，格柵拱加強(qiáng)的噴混凝土初期支護(hù)以及小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，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(gè)工程中所取得的經(jīng)驗(yàn)，使中國工程師認(rèn)識(shí)到，運(yùn)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(shí),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(yàn)證明，從地面環(huán)境的保護(hù),地表沉降的挖制，以及造價(jià)、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(jìn)了新奧法，并且結(jié)合中國的情況對(duì)新奧法及其相關(guān)技術(shù)，諸如支擴(kuò)手段，量測(cè)和監(jiān)控技術(shù)等作了進(jìn)一步的開發(fā)。作為新奧法的一項(xiàng)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(yán)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(jī)，這種機(jī)型采用濕噴工藝，即往機(jī)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(jī)，采用稀薄流輸送方式。因此機(jī)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)對(duì)新奧法的實(shí)質(zhì)缺乏正確的理解。 對(duì)于“新奧法”一詞的內(nèi)涵，人們的認(rèn)識(shí)有一個(gè)發(fā)展的過程。誠如它的名詞本身—NewAustrianTunnellingMethod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(hù)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(hù)技術(shù)將會(huì)使其推行受到很大的局限。于是，在一些文獻(xiàn)中強(qiáng)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(diǎn)，有重要的現(xiàn)實(shí)意義。事實(shí)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(shí)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(gè)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(qiáng)調(diào)支護(hù)的柔性，強(qiáng)調(diào)在初期支護(hù)施作后要盡可能讓變形釋放，而沒有及時(shí)施作二次支護(hù)。 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(shí)，只有一條，那就是保護(hù)圍巖，調(diào)動(dòng)和發(fā)揮圍巖的自承能力。從這樣一個(gè)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(hù)形式、支護(hù)施作時(shí)機(jī)和輔助工法。至于對(duì)圍巖變形的控制，根據(jù)不同情況，有時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)釋放，有時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)限制。其目的都是為了“保護(hù)圍巖，調(diào)動(dòng)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(shì)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(shí)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(hào)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(hào)線的土壓平衡盾構(gòu)外徑為6.34m，由法國FCB公司設(shè)計(jì)，主要部件及控制設(shè)備從法國進(jìn)口。車架、拼裝機(jī)、螺旋機(jī)、皮帶機(jī)、攪拌機(jī)等設(shè)備則由上海配套制造。一號(hào)線完成后，這些盾構(gòu)經(jīng)修復(fù)已用于二號(hào)線的掘進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)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(shí)從日本三菱重工引進(jìn)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(shí)表明，適當(dāng)?shù)貜膰膺M(jìn)口一些先進(jìn)的盾構(gòu)設(shè)備，不僅滿足了建設(shè)的需求，并且對(duì)我國盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)步，縮短同國際先進(jìn)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(hù)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(jì)和制造的直徑為11.3m網(wǎng)格式水力機(jī)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(jì)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(shí)，不可避免對(duì)長江航運(yùn)條件產(chǎn)生了顯著的負(fù)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(jì)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(gè)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(gè)多月的時(shí)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(dá)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(yán)重，實(shí)測(cè)淤強(qiáng)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(yàn)。 除大陸外，我國臺(tái)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(biāo)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(lì)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(jìn)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(xì)砂層及粉砂層,流水速度可達(dá)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(xiàng)面向21世紀(jì)的雄偉工程。 5．隧道設(shè)計(jì) 由于有限元、FLAC一類數(shù)值方法的運(yùn)用，中國的隧道工程師已經(jīng)對(duì)隧道襯砌設(shè)計(jì)中的“荷載—反力”的模式作了必要的補(bǔ)充。在一定的條件下，要采用“整體模型”來理解圍巖和支護(hù)之間的相互關(guān)系，即把支護(hù)作為圍巖的邊界條件，從圍巖穩(wěn)定性角度來確認(rèn)支護(hù)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(jì)算方法的創(chuàng)立等方面，中國學(xué)者都作出了貢獻(xiàn)。 在軟弱圍巖的支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)方面的困難，常常會(huì)使得力學(xué)家們所提出一些理論和計(jì)算方法，難以對(duì)具體工程起到指導(dǎo)作用。 因此，除了在計(jì)算理論中引入不確定性概念（隨機(jī)性和模糊性）外，建立在工程類比基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)方法在隧道設(shè)計(jì)中永遠(yuǎn)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(biāo)相結(jié)合的“工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”GB-50218-94。其中，定量指標(biāo)除采用巖塊強(qiáng)度和節(jié)理統(tǒng)計(jì)資料外，還運(yùn)用了彈性波的測(cè)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(hù)設(shè)計(jì)的模糊類比方法也已成為不少中國學(xué)者的注意點(diǎn)。 與地面結(jié)構(gòu)物不同，隧道開挖前所提出的設(shè)計(jì)在嚴(yán)格意義上說只能稱做“預(yù)設(shè)計(jì)”。根據(jù)對(duì)隧道開挖過程中圍巖和支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)行為的量測(cè)來論證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)也是隧道設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。 在隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)方面，中國在發(fā)展以位移測(cè)試為主體的隧道施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)信息的反饋理論方面都有長足的進(jìn)展。