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郭陕云:我国隧道和地下工程技术发展与展望

482 2018-10-12 20:45:15

【作者简介】郭陕云,教授级高级工程师,原中铁隧道集团公司董事长、总经理,中国土木工程学会隧道及地下工程分会第六、七、八届理事长

郭陕云教授

引言

隧道和地下工程所处的地理位置及其建筑结构形式的特殊性决定了其不但能够满足全天候的交通物流,拥有可靠的接纳存储空间等基本使用功能,还有着安全隐蔽、路径便捷、环保节土、低碳节能等突出的优势。随着时代的进步及社会的发展,隧道和地下工程越来越多地得到人们的重视,被广泛运用于交通物流、市政设施、水利水电、资源存储、矿产开发、国防建设等多个领域。

近年来我国基建事业异军突起,投资规划空前,工程项目星罗棋布,给隧道技术的崛起和发展带来了难得机遇。一大批新技术、新工艺、新设备、新材料乃至新的工程理论和理念层出不穷,呈现出百花齐放、万象更新的繁荣局面。以隧道和地下工程的建设规模和速度来衡量,我国现居世界首位。某些已建或在建的隧道和地下工程项目的技术水平已跨入世界先进或领先行列。

当前有必要认真总结近几十年来我国隧道及地下工程技术的成就和进步,汲取经验、查找不足、承前启后,以利于谋划未来、不断创新,争取永续地发展。

1.隧道及地下工程技术发展现状

1.1规模及速度

1.1.1铁路隧道

截至2017年底,我国大陆运营铁路隧道总数约有14 700条,总长15 781km,2017年新增运营铁路隧道1 661km。西宁格尔木铁路复线工程中的关角隧道,全长32.645km,是国内已运营的最长铁路隧道,于2014年年底建成通车。在建铁路隧道总计约8 200km,大理—瑞丽铁路上的高黎贡山隧道34.54km,是我国最长的在建铁路隧道。在建的北京—张家口高速铁路八达岭地下车站,地下建筑面积3.6万㎡,是迄今世界上最大的高铁地下车站,车站两端的渡线隧道开挖跨度32.7m,是国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道。当前我国已列入建设规划的铁路隧道总长达12 800km以上。

1.1.2公路隧道

据公路有关部门的初步统计显示,截至2017年底,我国大陆等级运营公路隧道有16 281条,总长约15 240km。近5年来每年新增运营公路隧道皆在1 000km以上。目前运营中最长公路隧道是位于陕西省的终南山隧道,长18.02km;新近贯通的港珠澳大桥水下沉管隧道,长达5.66km,最大覆水深度44m,是迄今世界上最长的海底沉管隧道。

1.1.3地下铁道

截至2017年底,我国大陆已有35个城市拥有了轨道交通,共计169条运营线路,总里程达5 082.83km,车站3 268座。同年,新增运营线路里程881.97km,车站597座。石家庄、贵阳、厦门、银川和珠海5个城市首次开通了轨道交通。在已开通的轨道交通线路中,地铁线路约占总延长的80%。

1.1.4引水隧洞

近年来已建成的引水工程当首推辽宁大伙房水库,单座隧洞穿越长白山,长达85.32km。之后,新建水工隧洞大幅增加,相继开工,如陕西省引汉工程,穿越秦岭的隧洞长达98.30km;兰州市水源地引水隧洞31.57km;吉林省引松供水工程隧洞约133.99km;新疆北部引水工程中,喀—双隧洞长达283.27km,堪称世界同类之最;辽宁省新的西北部引水工程,隧洞总长约230.20km。

1.1.5地下油气库

我国首座地下原油洞库始建于1977年,容量为15万m³,后停用。2000年建成的汕头LPG工程是我国第1个采用水封技术在地下储存液化石油气的工程,总库容量达20万m³,最大隧洞断面面积304㎡。此后在黄岛、珠海、宁波等地修建了6座大型水封液化石油气库的工程,库容量总计达400多万m³。烟台地下水封LPG洞库,总库容为100万m³,于2014年建成。目前在建的地下储能工程还有惠州地下水封油库、湛江地下水封油库,库容各为500万m³。

1.1.6城市地下工程

充分开发利用地下空间是城市持续发展的必然趋势,目前城市地下工程建设已进入新的发展时期。在城市总体规划中,地下空间的开发利用已经由原来的“单点建设、单一功能、单独运转”方式转化为现在的“统一规划、多功能集成、规模化建设”新模式。因此,隧道及地下工程技术会给人们带来更加便利和舒适的生存环境,是支撑靓丽的现代化大都市的重要方面。如珠海横琴综合管廊工程总投资20亿元,全长33.4km,沿环岛北路、港澳大道、横琴大道等地形成日字形环状管廊系统,是我国已建成的里程最长、规模最大、体系最完善的地下综合管廊工程。

1.2技术进步

1.2.1勘测设计

1)地质勘查手段的进步    如航拍遥感、物探判识和高速地质钻机的综合使用,使得地质及水文资料的信息量和准确度大为增加,为工程现场服务的地质预探预报工作有了可能。

2)地球卫星定位系统(GPS)的采用    不但使野外勘测工作的效率翻倍,费用减少,而且提高了控制精度等级。

3)计算机技术的运用    使隧道及地下工程结构、支护和围岩的受力、变形、位移或破坏的数值计算方法成为可能,为设计提供了量化依据;计算机辅助设计(CAD)手段的运用和普及,使绘图工作的状况有了根本性的变化。

在以上技术进步的基础上,隧道及地下工程的设计效率及质量实现了较大跨越,新的设计理念、新的建筑形式和新的结构类型不断涌现。

1.2.2施工建造

近年来,我国隧道掘进机(盾构、TBM)技术异军突起,由设备引进、消化、自制到创新,进步显著。目前,国内工厂独家生产或与境外合作生产TBM和盾构机的能力估计在300台(套)/年以上。除一些特殊隧道项目需要进口机外,国产机已基本能够满足国内工程建设需要,甚至进入了国际市场。

同时,采用钻爆法或其他开挖手段进行隧道施工的机械化水平也有一定程度的提高。主要体现在生产机具和设备的合理配置方面,着重提高综合能力和经济效益;在顶管技术、非开挖技术和水下沉管技术方面也有较大的新进展。

大量新技术的研发和应用使得隧道和地下工程建设的地质适应能力和施工效率有了明显提高。在水下、软土及特殊不良地层中构筑隧道不但成为可能,而且建造速度超出常人想象;在硬岩中掘进隧洞的速率不断提高,单个工作面独头的施工能力已有较大改善,通风、排水、运输、供电等制约因素都有新的突破;随着现代化建设的需要,几十公里乃至上百公里的特长隧道、数百平方米的大断面隧道已屡见不鲜,且数量和规模越来越大。

值得称道的是,近几年来我国在特长山岭隧道建设技术、水下沉管隧道技术、大断面顶管技术等方面已经成为世界领先者;在软岩大变形控制技术、瓦斯隧道施工通风技术、大断面盾构施工技术、TBM施工技术等方面也已步入世界先进水平(见图1)。

护盾式TBM进洞施工

▲ 图1  护盾式TBM进洞施工

1.3差距与不足

总体来讲,我国虽是世界隧道和地下工程建设规模及速度的第一大国,但仍不是技术强国,必须明了与世界上技术强国的差距,才能够赶而超之。要积极探知社会发展潜在的和长远的需求,开发创新,填补空缺及不足。我们的差距及不足主要表现在以下几个方面。

1)隧道及地下工程运用的广度及深度远远不足。表现为部分行政决策者对隧道及地下工程的意义认识浅薄,热衷于高桥危楼,城市地下空间开发利用迟缓落后。

2)建设过程中,重工程进度,轻环境保护。隧道及地下工程建设给自然生态环境造成破坏的事件多有发生,特别是对水环境的不利影响,如隧道涌水、地表沉降(见图2,3)。其主要原因在于没有从工程建设源头处把关上锁。

施工中隧道涌水

▲图2  施工中隧道涌水

地铁施工引发地表沉陷

▲图3  地铁施工引发地表沉陷

3)对于重大工程项目,前期试验研究工作缺乏。如琼州海峡通道、渤海海湾通道等,同日本青函隧道和英法海峡隧道的前期筹备相比较远远不够。

4)施工机械化和专业化程度太低,机具设备落后,临时工操作为主,安全质量难以保障。随着人工成本的不断攀升,这种劳动密集型的工作模式很难再维持下去。

5)建设管理体制陈旧,决策随意,责任模糊,纪律松弛,管理失控。设计与施工分割,合约与市场脱离。尽管完成了很多规模巨大的工程项目,但是安全质量及综合效益存在较多问题。

2.隧道及地下工程技术的历史沿革

2.1隧道及地下工程技术法则的要义

技术法则是指由特定方式的工程构建机理(力学原理)所决定的,能够自成体系的技术指导原则。矿山法、新奥法、盾构法、沉管法、顶管法等就是经过不断试验、研究及实践出的隧道及地下工程构建方式,各自有其相应的技术法则,而不是一般意义上的工法技艺,是工程设计和施工构建的基本指导原则。

从隧道工程近代发展历史看,穿越地层采用暗挖技术在围岩中构筑隧道及地下工程,在矿山法、盾构法和新奥法之后,已经进入了新的历史时期。我们将采用盾构以外的隧道暗挖方法叫作“非盾构方式”。

2.2非盾构方式的隧道暗挖技术

2.2.1矿山法时期

在新奥法创立前,采用矿山法修筑隧道是除沉管法和盾构法外的主要技术方法。暗挖法又分矿山法和盾构法2大类。凡用一般开挖地下坑道的方法修筑隧道的都称为矿山法。国内外曾使用矿山法建成了大量的隧道和地下工程,这些隧道和地下工程的建设也丰富和发展了矿山法。矿山法有其工程机理、技术方法和操作步骤。矿山法是建立在经典的岩土力学基础上。尽管现代岩土力学理论较经典岩土力学理论有了很大的进步和发展,但是经典岩土力学的理论精髓并没有完全废弃,莫尔—库伦定理及兰金定律沿用至今,用于深埋隧道的普氏坍落拱理论、太沙基土压力理论以及用于浅埋隧道的沉降漏斗压力理论及全土柱压力理论在现实中仍有指导意义。隧道设计、施工的某些方面仍在自觉或不自觉地使用着矿山法的个别技术指导原则。当下仍有人把目前非盾构暗挖隧道的主流施工方法再回归到所谓的“矿山法”中去,无限扩大矿山法的容量,这违背了工程技术发展的历史规则。矿山法隧道分部施工如图4所示。

矿山法隧道分部施工断面示意

▲图4  矿山法隧道分部施工断面示意

2.2.2新奥法时期

新奥法由奥地利学者拉布西维兹于20世纪50年代提出,60年代取得专利权并正式命名,70年代被引入我国,对我国隧道工程建设产生了重大的影响。现在我国隧道工程建筑水平能够比肩世界,其中一个重要的因素就是得力于新奥法的推广和使用。在《中国土木工程指南》(第2版)中定义:新奥法尽量利用围岩的自承能力,用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布,使达到新的平衡,目前已用于修建各种用途的隧道。新奥法充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时对围岩进行加固,约束围岩的松弛和变形,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工。1988年原铁道部基建总局组织编写、由中国铁道出版社刊印的《铁路隧道新奥法指南》较为全面详细地总结了新奥法的实施细则。

2.2.3新奥法与矿山法对比

在工程机理上,新奥法与矿山法的最大区别如下。

1)矿山法的工程机理是“稳定”,对围岩松弛荷载进行支撑;而新奥法的工程机理是维护及提高围岩的自承能力,使围岩与支护共同形成承载结构。

2)矿山法采用传统工程构筑的思维模式,在围岩稳定的因果关系上注重“果”而非“因”,其工程行为重在“支撑效果”和对“支撑”的处理上;而新奥法则采用信息化的动态管理模式,注重岩变过程及过程控制,依靠信息化手段达到预期的围岩稳定目标。

在工程实践中,新奥法的重要特征如下。

1)两阶段的地质调查和两阶段的施工设计,即为施工前的地质调查工作和施工中的地质调查工作;施工前的设计和施工中的信息反馈修正设计。

2)必须在隧道及地下工程现场进行密集监控量测,建立起信息收集、分析、传递和反馈系统,为隧道设计和施工提供可靠的依据。

新奥法所倡导的这些重要的技术原则与隧道及地下工程的基本特性相符合。以喷射混凝土为代表的柔性支护可以达到及早封闭岩面和调整围岩应力的效果;适时施作二次衬砌有可能使得厚度减薄,进而节约原材料和缩小开挖断面;其所主张的信息化设计、施工理论和现场监测控制方法将隧道工程科学推向了更高的层次。因此,隧道及地下工程施工有了较大的进步,具有更快速、更节约、更安全的优势。

但仍要看到,有相当数量的隧道工程围岩及支护变形和位移处于失控状态。因此,在国际上曾一度引起过对新奥法原理正确性的讨论,而后在国际隧道协会(ITA)的努力下,主流意见归于统一。我们也应当尊重事实,认真、全面地分析隧道事故的真正原因,客观、科学地对待新奥法。

2.3再度创新的技术时期

随着人类社会的持续发展,隧道及地下工程规模越来越大,技术难度空前突出。在新的工程实践中,旧有技术往往不能完全胜任,须改进,新技术必将产生。自新奥法成为技术专利至今,已经风行世界隧道界50余年,这期间具有独立个性的隧道新技术不断出现,而且成就斐然,已经进入了又一个技术创新的时代。

在20世纪的70—80年代,欧洲相继出现了隧道工程“挪威法”和“新意法”。挪威法适用于挪威国以硬岩为主的地层,采用锚杆锁定岩石并敷以钢纤维喷射混凝土层形成了围岩承载圈,是典型的“锚喷构筑法”。本质上挪威法是新奥法的具体运用,因地制宜,高效经济。新意法是要对隧道开挖面前的地层进行预处理或预加固,使得围岩稳定性大幅提高,为实现更大断面开挖创造了条件。其能够有效地控制围岩变形,安全性好,但是工程投入相对较大。

近年来,我国隧道建设取得了非凡的业绩。我国技术人员通过地铁施工的实践,建立了城市地下暗挖的成套技术;通过高压富水岩溶隧道建设创造出限压承载结构的设计模型;通过在强风化地层及岩堆中构筑偏压、大跨度隧道总结出了新的围岩加强支护及大断面分部施工技术;还有地质预探、预报,地层预加固、预处理和新型围护结构等新技术,不胜枚举。其中有的是对已有技术的补充和发展,有的则是原发性的技术创造。

如今,隧道和地下工程技术是一个包罗甚众、千锤百炼、既专业又综合的庞大系统。与矿山法相比,从工程机理到实施手段已有根本性变化,即使拓展矿山法概念也是涵盖不了的;将其与前期的新奥法相比较,其运用的广度和深度都已远远超出。这个新的技术系统是智慧的结晶,可归结为全面环保、预行措施、制定工法、信息化管理、及早完成支护闭合和完善承载结构等6个主要方面。

1)全面环保    在隧道及地下工程实施过程中尽可能减少对工程所处地面、地下自然状态的干扰和破坏,如果存在有地质灾害发生的可能,则要进行有效治理或预防。①隧道建设应牢固树立严控水土流失、确保生态安全的目标和因地制宜、综合治理的原则;②越岭隧道“早进晚出”及低仰坡洞门的做法可减少对地面生态环境的破坏和人为地质灾害的发生;③在确保安全的前提下优先选择大断面开挖形式,做好光面爆破及减震措施,降低对围岩的扰动;控制围岩和支护中应力转换的过程及幅度,保持地层相对稳定。

2)预行措施    工程地质预探、预报和地层预处理、预加固等工作应列入隧道施工的必要程序。①隧道施工中的地质预探主要手段为物探、钻探和通过开挖面地质描绘对前方进行推断。采用电磁法、地震法、地质雷达、声呐法等可对200m范围的地层进行探测,采用红外线法可探测50m以内的较大水体。如在特殊不良地层中掘进或存在较大地质疑点,则需要进一步钻探明了。②地质预报是隧道施工现场日常技术工作的必要内容之一,应明确责任、列入交接班制度并做好文字记录。③对地层中的水害隐患要进行预处理。一般情况下可进行注浆封堵;水头较高且水量较大注浆封堵无效时,应予排放降压后再做处理。④对于渗透性较强的软弱地层可进行注浆固结,提高岩土力学指标及性能。对开挖后不能自稳的地层,应施作管棚或平桩支护,并辅以小导管灌浆。

3)制定工法    依据工程实际条件选择隧道开挖、支护、构筑等基本作业的具体实施手段、工艺流程和保证措施。①分部施工几乎体现出非盾构暗挖作业的全部技术特点,应着重从利于围岩稳定、便于工序转换、适合机械作业、避免相互冲突等方面权衡利弊,慎重决定;②辅助工法多用于隧道围岩加固和地层力学特性的改善以及施工中的疏水、排水、降水、堵水等,有时会决定主体工程施工的成败,必须高度关注,恰当使用。 

4)信息化管理    隧道施工现场必须建立完备有效的监测控制系统,负责测点布设、数据采集、趋势分析、情报处理和信息反馈等工作,项目负责人据以对设计和施工进行动态管理。①如新奥法实施两阶段的地质调查和两阶段的施工设计,确保设计与施工全程配合;②施工计划和施工交底书应根据监测系统的报告及时修正和补充,施工进展发生较大变化,施工方要立即通报现场有关各方;③要求建设、设计、施工和监理各方都必须委派代表进入统一的项目组织内共同工作,以保证工程决策的效率和质量。

5)及早完成支护闭合    是保障在软弱地层中隧道施工安全和质量的重要技术原则。只有支护闭合才能有效地控制地层沉陷和结构变形。①隧道上台阶开挖或开挖环槽留置核心土施工,遭遇支撑过量下沉或支承结构变形较大时,可增设临时仰拱与上部结构组成一体,使其尽快达到稳定状态;②隧道铺底及仰拱混凝土施工应尽可能紧跟前方开挖工作面进行,以缩短全断面支护的闭合时间;③若隧道开挖工作面上岩土不能垂立自稳,或有明显的凸出变形及发生坍塌的可能时,可及时对开挖面进行喷混凝土支护,必要时施加锚杆。

6)完善承载结构    此项为隧道及地下工程建筑最重要的成果,也是隧道工程建设水平及工程质量的最终体现。完善的承载结构应能全部满足隧道及地下工程符合安全和寿命规定的使用需求。①围岩、支护和衬砌组成了隧道承载结构的3道承力环,施工中地层压力始终在三者间以内应力的形式进行分配和转换。准确把握三者关系,使之平稳转移、合理分担是隧道及地下工程构筑的难点和关键。②新奥法给出了一种理想情况下的隧道承载结构方式,即围岩和支护构成了全部承载结构,衬砌仅为安全储备。因此,应高度关注其使用条件和范围,并注意由此带来的安全、工期和成本问题。③在高水压、高地应力、蠕变及膨胀岩、湿陷性黄土、浅埋、偏压等许多情况下,宜采用限压承载的结构设计。

3.隧道及地下工程技术的发展趋向

3.1国家基本建设的重大需求

3.1.1西部交通建设对隧道的需求

从现在到2030年都将是我国西部大开发的加速发展期,交通基础设施建设也将得到快速发展。在铁路、公路的建设过程中,必将出现大量的特长、深埋隧道,如成都—兰州铁路,隧道比例>70%。

3.1.2调水工程对隧道的需求

目前南水北调东线、中线工程已经通水,但正在建设的北疆供水工程、东北供水工程和即将开工建设的南水北调西线工程还有大量的特长隧洞,如雅砻江引水隧洞131km,通天河引水隧洞289km,这些隧洞无论规模或技术难度都是空前的。

3.1.3跨江越海交通工程对隧道的需求

随着国家基础设施建设的发展,铁路网、公路网结构的进一步完善,将会出现越来越多的水下隧道,如在建的汕头苏埃通道、武汉三阳路长江隧道,以及拟建的琼州海峡隧道、渤海海峡隧道和国人梦寐向往的台湾海峡隧道等。

3.1.4战略能源储备对地下工程的需求

据有关分析研究,到2020年我国石油对外依存度将达70%,天然气对外依存度将达50%。建设大型地下储油、储气洞库成为必然,未来将会在沿海地区建设大量地下储能洞库。

3.1.5城市轨道交通建设需求

截至目前,全国有58座城市已获批轨道交通建设,规划建设线路总长度7 305.3km,其中线路总长的80%以上为地铁,超过已运营线路总里程。随着我国城镇化水平的不断提高与城市人口规模上升,轨道交通仍有较大的发展空间。

3.1.6城市地下综合管廊建设需求

目前国家积极推进城市地下综合管廊建设,国办发〔2015〕61号文《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》发布后,城市地下空间开发利用进入到新的高潮。目前已有69座城市在建或已规划的地下综合管廊总长>1 000km。

3.1.7城市净化排水和海绵城市建设对隧洞的需求

为加快推进海绵城市建设,增强城市防涝能力、改善水生态,将会出现大量用于净化及排、蓄水的城市深埋隧洞工程。

3.2隧道和地下工程技术研究展望

根据国家社会经济可持续发展的需要,结合隧道及地下工程技术的发展现状,提出今后隧道及地下工程技术发展研究重点如下。

3.2.1特长隧道独头长距离施工技术

目前国内隧道钻爆法施工独头的限制一般是铁路单线约2.2km,铁路双线或公路约4km。控制因素主要是施工通风排烟能力、排水能力和弃渣及材料运输能力、施工进度要求及灾害预防救治等。因而特长隧道施工多采用增设斜井、竖井、平导、横洞等辅助坑道的方法来解决上述难题,即所谓的“长隧短打”。辅助坑道的长度往往占到主洞长度的50%~70%,甚至更高。这样做不仅大幅增加了工程数量和工程成本,更破坏了工程所在地的自然生态环境,出现水土流失的严重后果。多数施工用的辅助坑道在工程完工后即行废弃处理。若能将隧道独头施工能力和距离提高至50%,则辅助坑道的工程量可减少半数以上。我国西部铁路、公路、水利和电力建设中长大隧道很多,且西部地区生态环境十分脆弱,生态保护非常重要,对特长隧道独头长距离施工技术的研究意义重大。

3.2.2水下及海底隧道施工技术

我国已成功修筑多处江河湖海下隧道,所用施工技术有沉埋法、盾构法、钻爆法或其他方法,相对成熟。目前已建成的水下隧道多数位于江河下游地带,从地域上来讲属于中国大陆东南和中南部。适用于不同地质条件下的隧道地下施工方法仍需大量研究。

我国海岸线总长约1.8万km,拥有多处海湾、海峡、海岛。以海底隧道的方式沟通陆地与海岛、海岛与海岛间的交通日益为人们所重视。海底隧道的技术难度相对较大,要探明像渤海海湾、琼州海峡、台湾海峡这样的海底隧道的工程技术问题是长期且艰巨的任务。世界上已建成投入营运的海底隧道有100多条,最为著名的是长达53.85km的日本青函隧道和长达50.5km的英法海峡隧道,两者都被人们称为“世纪杰出工程”。所以我们应把海底隧道修建技术的研究摆到重点位置上来。

3.2.3特殊地层和不良地质下隧道及地下工程施工技术

特殊地层和不良地质包括岩溶、岩爆、膨胀性围岩、湿陷性黄土、高地应力、蠕变地层、软弱地层、断层破碎带、涌水、突泥、瓦斯、毒气、可燃气、放射性等地质情况。工程现场因地质原因致使施工受阻、甚至发生安全质量事故的情形并不少见。加强特殊地质情况下隧道及地下工程技术研究是要长期坚持进行的重要课题之一,尤其是灾害性事故的预防和治理,如坍塌、水害和瓦斯爆炸等。辅助工法的出现和运用是隧道及地下工程施工的重要特点之一。辅助工法多用于围岩所处地层的加固及物理力学性质的改善,包括基坑和坑道周边及底部的维护和固定,施工阶段的疏水、排水、降水和堵水等,如注浆、冷冻、桩墙、管棚、锚固、喷护等工法均为隧道和地下工程施工中的辅助工法。辅助工法十分重要,甚至关系到主体工程施工的成败。由于辅助工法不当而招致工程事故甚至工程失败的例子并不少见。所以加强辅助工法的研究开发是隧道和地下工程施工的重要环节之一。

3.2.4特大、复杂断面隧道及地下工程施工技术

“特大断面”是指多线径的公路、铁路隧道,地铁车站、地下厂房和储库等,其断面面积一般>100㎡,施工中同一断面上的同一工序要分部多次进行的工程对象。隧道及地下工程施工始终面临着地层应力和结构应力的转换,从力的平衡到不平衡、再到新的平衡的建立,是个复杂而隐蔽的过程。尤其是特大断面的施工,工序多、转换快、流程长,由于地层围岩和支护结构受力变化幅度较大,因而其构筑方法和工艺对施工安全和工程质量有着直接的影响,其技术难度相当突出。随着社会高度发展,特大断面的隧道和地下工程运用会越来越多,进行特大断面的隧道及地下工程构筑技术研究也显得十分紧迫。

3.2.5工程地质与水文地质预探、预报技术

勘测设计阶段一般采用现场勘查、地质资料调绘、坑探、钻探、物探等手段,综合交错进行,必要时还可利用航测及卫星遥感等技术。施工阶段的地质工作则是采用在开挖面上测绘推断,物探判识或超前钻探等手段依据需要选择进行。方法和手段往往确定性差,可靠度低,加之现场专业技术人员严重缺乏,所以长期以来形成的施工预案不足,盲目追赶进度的局面很难改变,甚至酿成较大的事故,教训极其深刻。在以上各种地质预探手段中,物探相对简单易行,对工程进度的影响较小,成本费用也较低,使用较为广泛,但是目前所用的物探手段及判识技术须有较大的改进和提高才能达到隧道及地下工程的要求。因此研究的重点应放在物探设备技术性能及分析指标的改进和创新中。同时,加强现场工程地质技术力量同样是很重要的一个方面。

3.2.6隧道及地下工程专用设备、器材和材料的研制和开发

隧道施工作业机械化水平直接影响到工人的劳动强度、安全状况、工程质量和劳动生产率的高低。高科技的机械化施工手段是隧道和地下工程施工能力的重要体现和标志。如果没有凿岩钻孔设备的进步,光面爆破、预裂爆破技术是不可能普及的;没有现代化的盾构机和掘进机,想要在软弱、富水的地层中快速修建地铁和穿越数十公里的崇山峻岭也是难以想象的。因此进行隧道和地下工程专用设备的研究和开发十分必要,其中包括配套的施工设备,借以提高施工生产效率,降低生产成本。高科技产品如盾构机(见图5)、TBM等的研制,实现国产化、系列化,才能争取主动,加快隧道和地下工程建设的发展。

混合式盾构机

▲图5  混合式盾构机


隧道及地下工程对建筑材料的性能有着特殊要求,不同环境条件下的隧道及地下工程对建筑材料的性能要求又有差异。目前能用于隧道和地下工程的建筑材料品种较少,质量不高。各种型号、不同性能的注浆材料、防水材料和混凝土添加剂及拌合物亟待研发,以推动隧道及地下工程建筑结构质量水平尤其是耐久性的不断提高。

隧道及地下工程开挖施工所使用的爆破器材和爆破工艺也需改进和创新,其与施工安全、环境保护、工作效率、工程成本密切相关。这里主要是指低毒害、低烟尘、高性能炸药的研制开发,数码延时雷管的推广使用和用于隧道的自动化装药设备的研制。

3.2.7隧道及地下工程在国土利用、环境保护、节能减耗等方面的运用技术

在以上方面成功运用的实例很多。如利用地下空间储存油气、货物、粮食和饮水;将城市闹市区汽车交通改入地下,以减少交通障碍,降低汽车尾气、噪声对多数人的伤害,且增加了中心市区绿地面积,改善了城市的环境条件;利用地下空间赋予的气温潜能改善地面建筑内的控温设施性能,较大限度地节约能耗,等等。由此隧道和地下工程技术的运用范围及前景非常广阔,商业价值也非同一般。

3.2.8风险管理技术在隧道及地下工程中的运用

隧道及地下工程在设计和施工中不确定的因素较多,建设风险控制难度较大。对隧道及地下工程施行风险管理,控制风险发生的概率和规模,尽可能地规避风险和减少风险损失,已经成为当代社会管理层、保险机构和工程界密切关注的问题之一。近年来我国在工程风险管理方面已有所行动,一些学者为引进国外的风险管理技术和经验做了大量的工作,某些地区、部门或工程领域已经把风险管理摆在了重要的位置并加以实施。在我国,隧道及地下工程风险管理不但是新的业务,而且风险管理技术也有待吸收、消化、改进和创新。

3.2.9隧道及地下工程防灾、抗灾和救灾技术

无论是在建设期还是已投入营运,隧道和地下工程的防灾、抗灾和救灾工作都应该放在最要紧的位置,主要是大火、爆炸或洪水。在建设期的隧道内,有可能会出现坍塌、岩溶、岩爆、放射物质或毒气泄露的危害。在已投入营运的隧道内,由于信号失灵、设备故障、交通事故等可能会引发大的事故。隧道及地下工程的灾害预防和治理技术专业性强、涉及面广。在以“预防为主”的指导原则下,隧道和地下工程设计标准要切实体现“安全第一”的方针,必须有灾害救治的预案,要有足够的抗灾能力和可靠的逃生通道,其通风设备能力必须考虑灾害发生时的工况条件。在隧道和地下工程灾害预防及救治方面有许多新的技术问题有待于研究解决。

3.2.10隧道和地下工程设施的状态检测、评定和维护、修补技术的研究

已投入运营的隧道和地下工程建筑由于外围环境的影响、周边介质的变化和荷载的长期冲击及疲劳,其结构状态和力学性能会发生变化。有可能是渐变,也有可能积累为突变。要保证运营安全,就必须对设施现状进行准确的检测和科学的评判。就我国目前的情况看,对隧道及地下工程设施进行实地检测的手段和状态评判的体系及标准等方面都需要做大量的、基础性的研究工作。

在隧道和地下工程设施基本结构完好的情况下,对其存在的缺陷和产生的病害进行恰当的修补,可以达到延长设施使用寿命和部分提高使用功能的效果。常见的项目有:①堵漏、治渗;②混凝土裂缝处理;③混凝土受损部位的嵌补;④结构加固。

4.结语

隧道和地下工程用于开辟人类生存和发展的第二空间,有着广阔的发展前景,隧道和地下工程的发展应以环境保护为第一要则,只有这样才能够真正实现造福人民的愿望。