[摘要] 经过近20 年的积累, 我国公路隧道在质和量上都有显著进步, 21 世纪初隧道建设难度方面将面临更加严峻的挑战, 为此需要在水下隧道修建技术、公路隧道数据库及信息化设计与施工技术、山岭隧道施工技术、特长隧道营运通风技术、公路隧道节能照明技术、营运监控系统开发、病害诊断与整治技术等方面加大研究力度, 从而掌握制约我国公路隧道发展的关键技术。
1 我国公路隧道现状
随着公路建设的飞速发展, 我国公路隧道事业已取得长足的进步, 到2000 年末公路通车里程达到140 万km , 建成的隧道超过1 069 座, 单洞延长超过340 km, 单洞最长达4 706m, 建成的3 000 m 以上的特长隧道13 座, 1 500m 以上的3 车道公路隧道5 座, 盾构隧道2 座, 沉埋隧道2 座(见表1)。在近10 多年的隧道建设中进行了新奥法的实践和推广, 克服了瓦斯、涌水、采空区、软弱围岩、高地应力、永冻土等不良地质情况的难题, 完成了设计、施工、监理技术规范, 并着手养护规范编制和设计规范修定。在近10 多年的快速发展时期, 我国完成了宝贵的公路隧道经验积累, 在新奥法设计与施工、CAD 技术、纵向通风研究、防排水技术、沉埋及盾构隧道修建技术方面均取得了一定的成绩。建成了公路隧道及岩土工程实验中心。目前陕西、四川、吉林、辽宁、广东、浙江、福建、山西、贵州等省规划和将建一批特长隧道或隧道群, 其中长度超过5 km 的隧道将有5 座, 最长的隧道将达到1816 km, 一些跨江、跨海隧道方案也相继提出, 这无疑为迈向21 世纪的中国公路隧道提出了新的课题。
2 国外公路隧道现状
以瑞士、奥地利、挪威、日本为代表的发达国家, 早在20 世纪60～ 70 年代就建成了一批特长隧道, 在建的最长隧道为挪威的LA FRLAND 隧道, 达2415 km, 已建成的最长公路隧道16 322m, 最长水下公路隧道9 400m (见表2), 从1910 年起的近90 年中建成的沉管隧道107 座, 其中美国、荷兰、日本三国就有68 座, 占63% 。从发达国家的山岭隧道修建技术看, 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; 稳定可靠的公路隧道营运管理系统在多个发达国家经受了时间的检验; 公路隧道病害检测与处治手段均有新的突破, 无损伤探测手段和新型高强材料已在瑞士、日本等发达国家得到较好应用; 针对公路隧道等高风险地下工程进行了业主、设计、监理及承包商的共同利益管理模式尝试, 已取得了不少经验; 盾构施工技术, 已成功采用了直径14114 m 的巨型盾构机掘进; TBM 已采用了11193 m 的掘进机进行公路隧道施工, 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, 通过107 座隧道的实践, 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, 且倍受重视。最近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的专项研究。综上所述, 国外一些发达国家无论在山岭隧道还是水下隧道的研究、设计、施工和管理方面都有诸多方面可供我国公路隧道借鉴和参考。
3 21 世纪初我国公路隧道的关键技术 21 世纪初我国将面临水下隧道、特长隧道的建 设高潮, 同时也将面临数百公里公路隧道的管理和维护高峰, 结合发达国家的发展历程, 考虑到我国的具体国情, 需要在下列领域深入工作:
(1) 水下隧道修建技术;
(2) 公路隧道数据库及信息化设计施工技术;
(3) 山岭隧道施工技术;
(4) 特长公路隧道营运通风技术;
(5) 公路隧道节能照明技术;
(6) 公路隧道营运监控系统开发;
(7) 公路隧道病害诊断与整治技术。
3. 1 水下隧道修建技术
表2 国外主要长大公路隧道 长期以来我国在跨越水域的通道建设上均以桥梁为主, 尽管解决了一些公路交通问题, 但由于桥梁高度和跨度限制, 也带来了一些意想不到的问题。以长江为例, 由于南京长江大桥净空仅24m, 4 000 t 以上船舶无法通过, 结果长江黄金水道利用率仅为密西西比河的。
(8)船舶碰撞桥墩和建桥设施的事故也时有发生, 仅武汉长江大桥就发生过57 次碰撞事故, 直接经济损失数千万元, 并严重影响大桥的结构安全, 尽管如此, 建桥热仍不断升温。与此形成鲜明对比的是, 香港维多利亚湾的5 条水域通道全为隧道, 1981 年曾提出一桥梁方案, 后因通航与景观问题也最终放弃。分析我国桥梁方案总占上风的一个重要原因, 就是对水下隧道修建技术的研究和认识不够。从最近的北约轰炸南联盟看, 这一问题值得深思。
在水下隧道修建技术中沉管隧道具有如下优点:
(1) 埋深浅, 隧道短, 工程造价较盾构隧道低;
(2) 隧道主体构造预制, 水密性较盾构隧道好;
(3) 施工平行作业, 工期短;
(4) 能够满足大断面多管道的要求, 特别适合公路交通;
(5) 断面形状选择自由度大, 利用率高;
(6) 隐蔽性好, 受战争威胁小。正因如此, 在全世界已建有107 座沉管隧道, 目前已建沉埋隧道的最大水深50 m, 最大海水流速s, 最大长度5 825m, 最多车道8 车道, 我国 217m 众多水域均具备建设条件。结合我国已有2 座沉管隧道的经验, 可在下列领域抓紧消化和研究:
① 沉管隧道的结构型式;
② 沉管隧道的设计与施工的水力学问题;
③ 沉管隧道管片制作;
④ 沉管隧道防水技术;
⑤ 沉管隧道抗震;
⑥ 沉管隧道地基处理;
⑦ 沉管隧道施工设备;
⑧ 沉管隧道主要经济指标与施工周期。
另外, 大口径盾构隧道施工技术及跨越深海的悬浮隧道技术, 在发达国家均有新的成就和突破, 在下世纪初也应结合总体规划的要求开展必要的前期工作。
3. 2 公路隧道数据库及信息化设计施工技术
近10 多年随着公路建设的大发展, 隧道事业也飞速公展, 已建公路隧道的数量、建设规模、断面型式、支护参数、围岩类别、设施系统、施工情况等都需要较全面的总结和统计, 掌握己有隧道的成功经验和失败教训, 为新建的工程提供重要的参考资料和决策依据。为此, 迅速建立公路隧道数据库十分必要。我们知道, 地下工程最大的特点在于它的不确定性, 工程类比是设计的重要方法, 经过分析和研究数据库确定有指导意义的支护参数将有较显著的经济效益。
自我国推行新奥法, 大量采用复合式衬砌, 其目的就是充分利用初期支护的及时性、密贴性、柔性、深入性、灵活性, 最大限度发挥围岩的自承能力, 找到安全与经济的较好结合点。这就要求支护手段随围岩的变化而变化。我国新奥法普及率不足50% 的一个重要原因就是没有建立信息化设计与施工紧密结合的实用化技术。尽管开展了一些量测工作, 但由于与施工脱节, 量测的项目和数据没有对施工起很好的指导作用, 量测的内容应当紧密围绕围岩分类参数及调整支护参数的依据, 并应大力发展先进的非接触式测试手段, 加强超前预报和掌子面地质观测, 采用可操作性强的反分析手段, 真正做到信息化设计和施工, 提高新奥法普及率, 从而减少浪费。
3. 3 山岭隧道施工技术
首先应当对应用最广的钻爆法隧道加以完善, 最近王梦恕院士提出建立“ 中国隧道修建法”, 笔者认为无论名字如何叫, 但及时总结确有必要。比如应当把“ 早进晚出”的原则, 进一步发展为不伤坡进洞。许多经验表明, 当在隧道尚未开挖时, 山坡是稳定的, 但随着刷坡拉槽就导致洞口防护工程数量巨大, 并对生态造成一定程度的破坏, 提倡不伤坡进洞就是要借助一些辅助措施, 解决洞口的施工问题并保持边仰坡的稳定, 降低防护工程数量。同时应当严禁后窜较多的模喷工艺和二次衬砌先拱后墙的施工方法, 取消爆破后的洞室找顶工艺, 初期支护可采用注浆锚杆和U 型钢拱架以解决砂浆锚杆和工字钢的问题; 倡导减少回弹的湿喷工艺; 防水卷材宜采用PE 等高分子材料, 并采用双缝机热熔焊结解决搭接问题; 防水卷材安装工艺宜改用为棚架式, 在通过软弱围岩地段应多采用侧壁导坑等减小跨度的施工方法。
隧道掘进机施工(TBM ) 方法是20 世纪被广泛采用的一项新技术, 具有施工速度快、隧道成型好、机械化强度以及周边环境影响小的特点, 1992 年开始用于公路隧道。我国目前仅在铁路隧道、水工隧道等小断面隧道中开始使用这项技术, 公路隧道尚处空白, 今后特长隧道建设TBM 无疑是一种有效的办法, 这就需要我们加快吸收国外的先进技术, 美国、德国、瑞士、法国、日本等在该领域处于世界领先水平。引进、消化、吸收是掌握这一技术的行之有效的办法, 铁路秦岭隧道就是这方面的一次有益尝试。应当在此基础上向大口径隧道发展。另外采用小口径TBM 10 钻爆法施工是提高掘进速度的有效方法。
总之, 及时总结和研究山岭隧道施工技术, 建立与我国围岩地质特征及公路隧道断面型式相适应的中国公路隧道修建法, 对经济地、高质量地建设公路隧道十分必要。
3. 4 特长公路隧道营运通风技术
到下世纪初我国将要开工建设的5～ 20 km 的公路隧道近10 座, 制约这些隧道建设的一项重要技术就是营运通风技术。过去我国多采用全射流的纵向通风, 当隧道长度大于5 km 且有一定交通量时, 纯射流纵向通风便是一种低效率的通风方式。另外隧道的防灾问题也很重要, 因为地下工程的封闭性, 就决定了其防灾的特殊性, 地下建筑规定每1 000 m2 应有防烟门等隔离设施, 虽说公路隧道不象地下建筑那么严格, 但对特长隧道防灾分区十分必要。这就迫切要求我们开展送排式纵向通风、全横向通风等方式的研究, 紧密围绕通风基本型式、避免回流的有效手段、节能运行方式、地下风机房技术、防灾措施等开展研究。1999 年3 月24 日发生在法国-意大利间的勃朗峰隧道(约11 km) 特大火灾, 导致40 人死亡, 34 辆车烧毁, 结构大面积破坏, 更提醒我们应加强这方面的研究。
解决特长公路隧道通风的另一思路就是利用静电吸尘设备对污染空气进行净化处理再利用, 这样既有利于环保, 也能有效减少竖(斜) 井的数量, 从日本、挪威等国使用情况看, 效果良好。根据采用新的 “ 通风、照明标准”计算, 烟尘已成为控制指标, 这与实际情况是一致的, 采用静电通风设备很有现实意义。为了掌握这一技术, 必须从设备规模、气流组织、激发与吸尘、清灰、系统联动等多方面加强研究开发。“ 八五”期间交通部重庆公路科学研究所作过一些前期研究工作, 在此基础上进行深入研究将会取得可喜的成果。
3. 5 公路隧道节能照明技术
我国公路隧道设计虽都考虑了照明, 但迫于营运维护成本的压力, 许多隧道有灯具而未照明。照明作为保证行车安全的重要措施应当得以保障。解决这一问题的重要途径就是大力发展节能照明技术, 目前我国公路隧道大多采用高压钠灯, 双侧布灯, 灯间距8～ 10 m 居多, 如果采用中央布灯新型逆光照明技术, 灯可减少一半, 能耗减少一半。重庆康吉车辆技术开发公司最近研制的宽体逆光及对称公路隧道专用照明灯具, 就在降低照明成本上迈出了一大步。另外, 采用可控硅技术开发的调光灯具也可在均匀度不降低的情况下使交通照明降低能耗40%～ 50% 。由此可见, 只要加强节能照明技术研究, 通过对灯体及反光器的改进, 就能有效降低能耗, 降低营运维护成本。
3. 6 公路隧道营运监控系统开发
公路隧道营运监控系统是保证隧道安全营运的重要手段, 我国在多座隧道中进行了国外成套技术的引进, 但效果不甚理想, 其中重要原因就是控制模式不切合实际, 而且DCS 集散式控制系统成本较高, 系统可靠性差, 通信协议不开放。根据国外现场总线通讯网络的发展看, 迫切需要建立和发展适合公路隧道特点的现场总线技术。交通部重庆公路科学研究所率先进行了这一尝试, 借助1∶1 实验隧道开发成功了“ 公路隧道机电设备集成管理系统TM 2 CS”。该系统的特点是采用LONW O R KS 分布式测控网络技术组成现场监控网络; 采用以太网作为隧道监控管理网络, 并可进行上层管理网络组网; 现场LON 网络可脱离监控计算机, 独立完成设定的自动控制功能; 监控计算机可对各子系统进行手动控制和运行管理, 与传统的DCS 集散控制系统比较, LON 网络隧道监控系统具有大量节约安装费用, 降低工程综合成本, 分散故障, 网络扩展容易, 网络通讯距离长, 通信协议开放等优点。其中根据交通流特性建立符合实际的控制模式尤为关键。公路隧道营运监控系统的开发成功对带动我国该产业领域的发展, 打破国外软硬件的垄断具有十分重要的意义。
3. 7 公路隧道病害诊断与整治技术
随着公路隧道建设高潮的持续, 公路隧道的养护问题日益突出, 如何对营运隧道进行安全性检查和病害诊断显得十分重要。目前尚多根据肉眼观察结构进行判断, 存在着效率低, 准确性差的问题。根据瑞士等国的经验, 迫切需要进行无损伤探测手段的开发, 以探明空洞、裂缝的空间分布, 包括非接触式扫描探伤设备和其它物探手段等。
公路隧道病害的根源主要包括支护系统强度不足和水害。对病害进行整治涉及原因、材料、工艺、方法诸多方面。目前传统作法普通存在缺乏系统理论指导, 有一定盲目性, 易造成人、财、物浪费, 阻碍交通、减小隧道有效断面等, 因为传统方法通常采用刻槽、套拱等办法。日本在隧道病害整治中作过大量工作, 开发了结构加固的高强碳纤维及治理水害的后浇止、导水材料, 大大提高了病害整治效果。显然, 通过新材料、新工艺研究, 解决隧道病害是十分有前途的。笔者最近已接触了多座隧道的病害整治, 深深感觉病害诊断及整治技术较为落后, 经济上也不节约, 的确有必要加大研究力度。
4 结语
21 世纪初我国公路隧道面临良好的机遇, 同时也有诸多困难, 只要组织力量协同攻关, 及时解决我国公路隧道的关键技术, 就能安全、经济地建设和管理我国公路隧道。
原作者：刘 伟
