我国隧道工程现状与发展

我国隧道工程现状与发展我国隧道工程现状与发展 摘要摘要 21 世纪前 10 年中 我国将有总长 155 km 以上的公路隧道要投入建设 3 km 以上的特长隧道有数十座 在建和拟建的铁路中隧道含量很大 特长隧道数量很多 北京 上海 广州 深圳 南京 天津将投入巨资构建城市轨道交通网络 厦门将建设一个可以 全天候进出厦门岛的海底隧道 广东计划在深圳与珠海间建设一条 30 多公里长的海底隧道 还有拟建的 6 大跨海隧道 在隧道施工技术方面 从 20 世纪六七十年代钢钎大锤作业的施 工方法 到 80 年代推广应用 新奥法 后来应用液压凿岩台车 20 世纪末又引进了大型 隧道掘进机 TBM 从液压凿岩台车的应用到隧道掘进机的引进 又一次开创了隧道施工 的新纪元 21 世纪我国交通隧道的建设和隧道施工技术必将有一个新的更大的发展 关键词 隧道工程关键词 隧道工程 施工方法施工方法 现状现状 发展发展 1 我国交通隧道工程的现状及展望我国交通隧道工程的现状及展望 1 1 公路隧道公路隧道 我国公路隧道建设到 20 世纪末达 1 782 座 总长度 704 km 单洞最长达 4 706 m 建 成的 3 000 m 以上的特长隧道 13 座 1 500 m 以上的 3 车道公路隧道 5 座 盾构隧道 2 座 沉管隧道 2 座 是世界上公路隧道最多的国家 21 世纪前 10 年中 将有总长 155 km 以上的公路隧道要投入建设 其中 西安至安康 高速公路上穿越秦岭山脉的秦岭终南山特长公路隧道 隧道方案之一全长 18 4 km 其长度 为亚洲第一 世界第二 还有多处长度 4 8 km 的山岭隧道即将建成或投入建设 湖南省雪 峰山隧道全长 7 1 km 陕西省秦岭 1 号隧道全长 6 1 km 秦岭 2 号隧道 秦岭 3 号隧道的 长度分别为 5 km 与 6 km 四川省泥巴山隧道全长约 8 km 福建省美魏岭隧道全长 5 6 km 甘 肃省七道梁隧道全长约 5 km 山西省雁门关隧道全长 5 5 km 四川省鹤鸽山隧道全长 4 4 km 西安至汉中高速公路上穿越秦岭山脉的 3 座特长隧道单洞总长 34 km 整个西汉高速公路隧 道单洞总长度约 100 km 西昌至攀枝花公路的隧道群总长 14 km 1 2 铁路隧道铁路隧道 我国是世界上拥有铁路隧道最多 总延长最长的国家之一 截至 1999 年 铁路隧道达 6 876 座 总长度为 3 670 km 隧道数量和总长度均为世界第一 已建成的特长铁路隧道有 长梁山隧道 12 km 居世界双线隧道第 10 位的大瑶山隧道 14 km 及居世界单线隧道第九 位的秦岭隧道 18 km 在今后几十年中 我国将建设一批新铁路 其中包括为数众多的山区铁路 例如 内 江一昆明铁路水富一梅花山段 正线全长 357 6 km 含隧道 127 座 累计长 144 5 km 占正线的 40 其中 3 km 以上的长隧道 15 座 西安一南京铁路西段位于山区 有隧道 74 座 累计长 77 6 km 其中 3 km 以上的长隧道 6 座 最长的是 12 31 km 的东秦岭隧道 重庆一怀化铁路的鱼嘴一怀化段 正线长 584 3 km 含隧道 169 座 票计长 214 4 km 占 36 7 其中 3 km 以上的长隧道 21 座 1 3 地下铁道与城市隧道地下铁道与城市隧道 北京地铁在 20 世纪完成 55 km 41 个站之后 2008 年之前 市区新建轨道线路共计 154 5 km 届时 北京市区轨道交通运营线路里程可达到 249 5 km 加上一批新建的市郊 客运线 全市轨道交通运营线路将超过 300 km 上海地铁一号线 1995 年全线通车 目前已有 3 条地铁线投入营运 现有轨道交通总里 程为 65 km 根据新一轮的城市规划 上海拟建地铁 11 条 长 384 km 轻轨线路 10 条 长约 186 km 每年平均要建设 15 一 20 km 需要投入资金 100 亿元 而完成总体规划则需 要投入 3 000 多亿元 广州全长 18 48 km 的地铁一号线 全长 23 km 的地铁二号线已建成通车 三号线在 2005 年刚刚建成 四号线和五号线也在规划中 争取到 2010 年全长近 130 km 的 5 条线路 构成广州轨道交通网络 天津地铁 1984 年通车 全长 7 4 km 2001 年全线停运 为即将动工的地铁一号线做 准备 地铁一号线全长 26 195 km 总投资约 69 亿元 预计 2005 年年底完成 南京地铁南北线一期工程 2000 年正式开工 是目前国内地铁国产化水平最高 平均造 价最低的工程项目 项目投资概算 70 15 亿元 综合造价 4 15 亿元 km 综合国产化率为 70 于 2004 年完成 南京城市轨道交通规划了 10 条线路 在主城范围内里程达 300 km 以上 深圳地铁一期工程正线全长 19 468 km 总投资 105 85 亿元 工期 4 年 未来 9 年 深圳将斥资 328 亿人民币建设超过 120 km 的轨道交通 1 4 拟建的跨海工程拟建的跨海工程 2010 年以前 厦门将建成一个可以全天候进出厦门岛的海底隧道 它将是大陆第 1 条 海底 暗挖 隧道 并将成为厦门岛重要的第 3 条进出岛通道 对厦门海湾型城市的形成将 起到决定性的作用 该工程总长度约 9 km 其中隧道全长 5900m 是一座兼有公路和城市 道路功能的隧道 另外 我国还有拟建的渤海海峡跨海工程 长江口越江工程 杭州湾跨海工程 伶仃 洋跨海工程 琼州海峡跨海工程和台湾海峡跨海工程等六大跨海工程 其中多数采用隧道 方案 纵观国内外交通隧道的发展 有 3 个非常明显的趋势 一是需修建的长隧道越来越多 长度越来越长 二是以隧道方式跨越江 河 湖 海水域的工程越来越多 三是城市隧道和 地下铁道的建设将迎来高潮 2 隧道工程特点及施工基本条件隧道工程特点及施工基本条件 2 1 工程特点工程特点 位于复杂的甚至是非常特殊的自然条件中 有些隧道所处的地形 地质条件十分复杂 不良地质现象严重 断层 岩溶 瓦斯 涌水 高地应力等问题非常突出 有些隧道位于陡 峭峡谷之中 施工条件很差 有些隧道位于九度及以上地展区 且邻近活动断裂带 采用水下隧道跨越江 河 湖 海等水域 很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效 应力 造成较低的成拱作用和地层的稳定性 施工遇到的主要困难是突然涌水 特别是断 层破碎带的涌水 很高的渗水压力导致水在有高渗透性或有扰动区域与开阔水面有渠道相 连的地层中大量流入 城市隧道的最大挑战在于地层稳定性的控制及作为控制设计准则的变形 变形必须处 于可容许的地表沉降极限范围内 因此 其结构的设计和选择施工方法必须以地表变形和 地层的稳定性为原则 特长隧道的单口掘进长度很大 对施工期间的后勤和通风有更高的要求 由于单口连 续掘进距离很长而导致工期很长 投资很高 因此必须采用快速掘进设备 2 2 施工基本条件施工基本条件 发达国家的山岭隧道修建 较为广泛地采用了新奥法 实现了真正的信息化设计与施 工 采用了先进的喷射混凝土工艺 较为成功地解决了喷射混凝土回弹 防排水设计与施工 工艺得到较好解决 新的支护手段在不断改进 多种通风形式及静电吸尘等先进通风设备成 功采用 盾构施工技术 已成功采用了直径 14 14 rn 的巨型盾构机掘进 已采用了直径 11 93 m 的 TBM 进行公路隧道施工 同时采用 TBM 超前施工导洞 再结合钻爆扩挖的方法也在 多个国家的长隧道施工中得到应用 另外 沉管隧道以美国 日本 荷兰为代表的国家 较 成功地解决了沉管隧道结构形式 防水 基层处理 结构抗震等关键技术问题 使隧道成 为跨江 跨海的重要手段 为了解决跨越深水水域的问题 挪威 瑞士 日本 意大利等 国都组织了专门机构进行悬浮隧道专项研究 要完成特长隧道和特殊隧道的修建必须具备 几个基本条件 1 快速施工能力 快速施工能力 隧道工程工作面窄 施工环境恶劣 是限制修建特长隧道的因素之 一 如果在施工速度方面不能有所来破 势必影响特长隧道建设的发展 在国外 隧道快 速施工能力较强 例如美国费拉蒂赫德单线铁路隧道长 10 6 km 采用钻爆法施工 最高月 进尺 398 m 单口成洞速度平均为 288 m 月 挪威芬赛单线铁路隧道长 10 5 km 采用钻爆 法施工 最高月进尺 440 m 单口成洞速度为 360 m 月 日本五里峰双线铁路隧道长 15 2 km 采用钻爆法施工 最高月进尺 281 m 单口成洞速度平均为 166 m 月 瑞士费尔艾那单 线铁路隧道长 19 052 km 北口采用直径为 7 6 m 的 TBM 施工 法国一侧北线最高月进尺 1106m 平均 664 m 月 英国一侧北线平均 667 m 月 南线平均 764 m 月 2 较高的施工机械化配套能力 较高的施工机械化配套能力 提高隧道施工速度 就是提高隧道施工机械化 自动 化水平 世界上一些修建隧道较多的国家 如瑞典 瑞士 德国 意大利 奥地利 日本 等 都能设计制造适应于各种地质条件 隧道断面尺寸的配套施工机械 例如 适用于双 线铁路隧道的四臂钻孔台车 用于单线铁路隧道的门架式钻孔台车 用于岩石隧道的各种直 径的 TBM 用于软土隧道的各种直径的盾构 适用于有轨运输的挖装机 大功率的电瓶车 大容积的梭式矿车 适用于无轨运输的装载机 载重车 低回弹率的湿喷机 全自动的喷射 混凝土机械等等 3 科学的施工管理制度和方法 科学的施工管理制度和方法 由于隧道施工环境的特殊性 即使有先进的机具装备 而没有科学的管理制度和方法 也无法达到快速施工的目的 科学而严格的管理制度包括 招投标制度 风险管理制度 设计和施工监理制度 施工质量管理保证标准 用工制度 资金管理制度 竣工验收制度等等 施工管理还应包括严格和先进的监测系统 如全自动 监测记录预警系统 随时自动地提供围岩的动态信息 3 我国隧道施工技术我国隧道施工技术 3 1 矿山法施工技术矿山法施工技术 在隧道施工中 矿山法较为广泛地采用了新奥法的原则 仍处于不能为其他方法所取 代的重要地位 近 30 年来 矿山法的施工技术进步是很大的 例如钻眼速度已由 20 世纪 70 年代以压缩空气为动力凿岩机的 250 mm min 提高到现在的液压凿岩机的 3 m min 而 且作业人员大大减少 随着地质超前预报的逐渐推广应用 围岩预支护 预加固技术的日 益成熟 施工管理的逐步科学化 隧道施工中的应变能力有了很大的提高 尤其是在通过 困难地段时 造成人员伤亡的坍方事故日趋减少 特长隧道一般埋深较大 深埋隧道的地质环境给施工带来严重影响 这些特点为 温度 高 地温梯度大致为平均每 300 m 变化 12 摄氏度 原始地应力大 普遍存在岩爆和应力片 落现象 地下水压高 会加剧地下水涌人量和速度 岩石质量好 无风化 节理松散等现象 但大断裂带可导致强烈的挤压 对以上问题已有了一定认识 并积累了较为丰富的处理经 验和技术措施 3 2 隧道扭进机 隧道扭进机 TBM 施工技术 施工技术 TBM 施工技术近年来有了一定发展 其中山西省万家寨引黄工程创造最高日掘进 113 m 和最高月掘进 1645 m 的记录 秦岭特长隧道引进具有世界先进水平的大直径掘进机施 工 实现了铁路隧道首次采用掘进机进行全断面开挖 打破了我国铁路隧道采用单一的钻 爆法开挖的局面 使施工方法上了一个新台阶 由于掘进机的总体性能先进 从而保证了 在坚硬岩层条件下平均掘进速度超过 1m h 机器掘进时间占总时的 40 左右 在同类硬岩 条件下 该掘进机施工技术指标实属世界先进水平 在掘进机配套设备的国产化和现代维 修技术上迈出了可喜的步伐 如平台拖车国产化 碴车国产化 除尘系统的改进和部分零 件国产化 拖拉装里国产化 刀具部件国产化和各种进口配件国产化等 采用了多项现代维 修技术 3 3 盾构施工技术盾构施工技术 盾构法隧道施工技术近年来有了较大的发展 1994 年上海引进日本的超大型泥水加 压平衡盾构 盾构外径 11 22 m 用于建造上海延安东路隧道南线 经受了穿越仓库 浅粗 防汛墙 地下车库 地下人行道 高层建筑等严峻考验 成功穿越了黄浦江 盾构曾创下 日推进 13 5 m 的速度 地表最大沉降点小于 30 mm 接着 在南京越江隧道施工中在穿越 砂层的条件下使用盾构获得成功 北京地铁 5 号线试验段工程采用从德国进口的直径 6 19 m 的土压平衡盾构进行试挖 广州地铁 1 号线 2 号线 3 号线部分区间隧道也采用了盾构 法 南京地铁南北线一期工程的中也采用盾构法施工 正在建设的上海上中路隧道位于徐 浦大桥和卢浦大桥之间 建成后隧道外径达到 14 5 m 采用直径为 14 87 m 的超大型盾构 掘进机施工 国内第一台双圆盾构在上海总装成功 能使上 下行隧道一次掘进完成 双圆盾 构不久将投入轨道交通建设中 3 4 隧道沉管法施工隧道沉管法施工 全世界已建有 107 座沉管隧道 最大水深 50 m 最大海水流速 2 7m s 最大长度 5 825 m 最多车道 8 车道 我国已建成沉管隧道有上海金山供水隧道 黄浦江宁国路隧道 天津海河隧道 宁波雨江隧道以及广州珠江隧道 沉管法修建水下隧道的优点在于对地质 条件的适应性强 隧道的覆盖层薄 从而使隧道总长度减小 隧道断面利用率高 防水可 靠度高 施工周期短及工程造价合理等 4 隧道工程新发展隧道工程新发展 4 1 寒区隧道寒区隧道 寒区隧道如果围岩含地下水 就会产生隧道冻害 冻害的循环发生 使衬砌混凝土产生开 裂 变形 导致衬砌承载力降低 寒冷环境所带来的一系列冻害使寒区隧道工程的设计和 施工面临许多新的问题 并给后期运营维护与管理带来困难 寒区隧道东海的影响因素主 要有四个 温度 水的影响 围岩因素 设计和施工因素 冻胀形成的机理主要有三个 微观冻胀 宏观冻胀 细观冻胀 寒区隧道冻害的根源来自于水和含水围岩的反复冻融 作 用 因此冻害的防治原则是 防水 排水 防冻胀 在具体方法上应采用 多道防护 综 合治理 日本提出采用隔热法和加热法的对策 前苏联提出采用供热法防治冻害 欧 洲一些国家则用夹层板构件做成的绝热棚来防治冻害等 为了防止隧道冻害的发生 主要 可以从抗冻和防冻两个方面 来考虑 4 2 黄土隧道黄土隧道 大部分的黄土具有湿陷性 下沉稳定的黄土在受水浸湿后 土结构迅速破坏 并产生显著 下沉 对隧道施工产生巨大的威胁 黄土隧道施工的原则 管超前 短进尺 强支护 严 治水 早封闭 勤量测 为了预防在黄土中开挖隧道的大变形和坍塌问题 采用台阶分布 开挖法 又称环形开挖留核心土法 结合喷射砼及时封闭开挖面 用超前管棚支护 钢拱 支撑 挂网 打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布 实施短开挖 快循环来 减少对土体的扰动 是目前黄土隧道施工的较完整的方法 4 34 3 小净距隧道小净距隧道 山区高速公路选线时上 下行隧道往往受地形限制 使得两相邻隧道的最小净距不能满 足设计规范的要求 在此情况下 福建省近年来较流行的隧道结构形式为单线双洞连拱隧道 由于连拱隧道的工程造价 施工难度 施工周期均比双线双洞隧道大得多 为此 在工程实 践中衍生出一种新的结构形式 小净距隧道 小净距隧道双洞的中夹岩柱宽度介于连 拱隧道和双线隧道之间 一般小于 1 5 倍隧道开挖断面的宽度 小净距隧道施工时要注意以 下六点 1 先行洞和后行洞开挖方法 2 先行洞和后行洞爆破设计和爆破振动控制 3 先行洞 和后行洞开挖错开距离 4 先行洞衬砌和后行洞开挖错开距离 5 中岩墙保护方法 6 非小净距 隧道施工方案中的其他内容 4 44 4 大跨度隧道大跨度隧道 与普通公路隧道相比 双洞多车道特大断面大跨度隧道的结构受力更加复杂 施工方法更 为多样化 目前 在大断面隧道围岩和衬砌的受力 变形及稳定性研究等方面都有了新的 发展与提高 取得了一定的研究成果 4 5 隧道的维护与病害处理隧道的维护与病害处理 公路隧道一般都处于崇山峻岭之中 无绕行可能 如果隧道内出现严重渗漏水 衬砌开裂 或设施故障等情况 就会妨碍交通 进而使整个交通线完全处于中断状态 给公路交通造 成恶劣影响 对公路隧道运营阶段的病害检测与治理应本着 预防为主 早期发现 及时 维护 对症施治 的原则 要经常性的对隧道进行检查 及时发现问题 建立数据库