21 世紀(jì)初我國(guó)公路隧道的關(guān)鍵技術(shù)
[摘要] 經(jīng)過近20 年的積累, 我國(guó)公路隧道在質(zhì)和量上都有顯著進(jìn)步, 21 世紀(jì)初隧道建設(shè)難度方面將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 為此需要在水下隧道修建技術(shù)、公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、山嶺隧道施工技術(shù)、特長(zhǎng)隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)、公路隧道節(jié)能照明技術(shù)、營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)、病害診斷與整治技術(shù)等方面加大研究力度, 從而掌握制約我國(guó)公路隧道發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
1 我國(guó)公路隧道現(xiàn)狀
隨著公路建設(shè)的飛速發(fā)展, 我國(guó)公路隧道事業(yè)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步, 到2000 年末公路通車?yán)锍踢_(dá)到140 萬km , 建成的隧道超過1 069 座, 單洞延長(zhǎng)超過340 km, 單洞最長(zhǎng)達(dá)4 706m, 建成的3 000 m 以上的特長(zhǎng)隧道13 座, 1 500m 以上的3 車道公路隧道5 座, 盾構(gòu)隧道2 座, 沉埋隧道2 座(見表1)。在近10 多年的隧道建設(shè)中進(jìn)行了新奧法的實(shí)踐和推廣, 克服了瓦斯、涌水、采空區(qū)、軟弱圍巖、高地應(yīng)力、永凍土等不良地質(zhì)情況的難題, 完成了設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理技術(shù)規(guī)范, 并著手養(yǎng)護(hù)規(guī)范編制和設(shè)計(jì)規(guī)范修定。在近10 多年的快速發(fā)展時(shí)期, 我國(guó)完成了寶貴的公路隧道經(jīng)驗(yàn)積累, 在新奧法設(shè)計(jì)與施工、CAD 技術(shù)、縱向通風(fēng)研究、防排水技術(shù)、沉埋及盾構(gòu)隧道修建技術(shù)方面均取得了一定的成績(jī)。建成了公路隧道及巖土工程實(shí)驗(yàn)中心。目前陜西、四川、吉林、遼寧、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規(guī)劃和將建一批特長(zhǎng)隧道或隧道群, 其中長(zhǎng)度超過5 km 的隧道將有5 座, 最長(zhǎng)的隧道將達(dá)到1816 km, 一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出, 這無疑為邁向21 世紀(jì)的中國(guó)公路隧道提出了新的課題。
2 國(guó)外公路隧道現(xiàn)狀
以瑞士、奧地利、挪威、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家, 早在20 世紀(jì)60～ 70 年代就建成了一批特長(zhǎng)隧道, 在建的最長(zhǎng)隧道為挪威的LA FRLAND 隧道, 達(dá)2415 km, 已建成的最長(zhǎng)公路隧道16 322m, 最長(zhǎng)水下公路隧道9 400m (見表2), 從1910 年起的近90 年中建成的沉管隧道107 座, 其中美國(guó)、荷蘭、日本三國(guó)就有68 座, 占63% 。從發(fā)達(dá)國(guó)家的山嶺隧道修建技術(shù)看, 較為廣泛地采用了新奧法, 實(shí)現(xiàn)了真正的信息化設(shè)計(jì)與施工, 采用了先進(jìn)的噴射混凝土工藝, 較為成功地解決了噴射混凝土回彈; 防排水設(shè)計(jì)與施工工藝得到較好解決; 新的支護(hù)手段在不斷改進(jìn); 多種通風(fēng)形式及靜電吸塵等先進(jìn)通風(fēng)設(shè)備成功采用; 穩(wěn)定可靠的公路隧道營(yíng)運(yùn)管理系統(tǒng)在多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)受了時(shí)間的檢驗(yàn); 公路隧道病害檢測(cè)與處治手段均有新的突破, 無損傷探測(cè)手段和新型高強(qiáng)材料已在瑞士、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到較好應(yīng)用; 針對(duì)公路隧道等高風(fēng)險(xiǎn)地下工程進(jìn)行了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及承包商的共同利益管理模式嘗試, 已取得了不少經(jīng)驗(yàn); 盾構(gòu)施工技術(shù), 已成功采用了直徑14114 m 的巨型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn); TBM 已采用了11193 m 的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行公路隧道施工, 同時(shí)采用TBM 超前施工導(dǎo)洞, 再結(jié)合鉆爆擴(kuò)挖的方法也在多個(gè)國(guó)家的長(zhǎng)隧道施工中得到應(yīng)用; 另外, 沉管隧道以美國(guó)、日本、荷蘭為代表的國(guó)家, 通過107 座隧道的實(shí)踐, 較成功地解決了沉管隧道結(jié)構(gòu)形式、防水、基層處理、結(jié)構(gòu)抗震等關(guān)鍵技術(shù)問題, 使隧道成為跨江、跨海的重要手段, 且倍受重視。最近為了解決跨越深水水域的問題, 挪威、瑞士、日本、意大利等國(guó)都組織了專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸浮隧道的專項(xiàng)研究。綜上所述, 國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家無論在山嶺隧道還是水下隧道的研究、設(shè)計(jì)、施工和管理方面都有諸多方面可供我國(guó)公路隧道借鑒和參考。
3 21 世紀(jì)初我國(guó)公路隧道的關(guān)鍵技術(shù)
21 世紀(jì)初我國(guó)將面臨水下隧道、特長(zhǎng)隧道的建 設(shè)高潮, 同時(shí)也將面臨數(shù)百公里公路隧道的管理和維護(hù)高峰, 結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷程, 考慮到我國(guó)的具體國(guó)情, 需要在下列領(lǐng)域深入工作:
(1) 水下隧道修建技術(shù);
(2) 公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù);
(3) 山嶺隧道施工技術(shù);
(4) 特長(zhǎng)公路隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù);
(5) 公路隧道節(jié)能照明技術(shù);
(6) 公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā);
(7) 公路隧道病害診斷與整治技術(shù)。
3. 1 水下隧道修建技術(shù)
表2 國(guó)外主要長(zhǎng)大公路隧道
長(zhǎng)期以來我國(guó)在跨越水域的通道建設(shè)上均以橋梁為主, 盡管解決了一些公路交通問題, 但由于橋梁高度和跨度限制, 也帶來了一些意想不到的問題。以長(zhǎng)江為例, 由于南京長(zhǎng)江大橋凈空僅24m, 4 000 t 以上船舶無法通過, 結(jié)果長(zhǎng)江黃金水道利用率僅為密西西比河的。
(8)船舶碰撞橋墩和建橋設(shè)施的事故也時(shí)有發(fā)生, 僅武漢長(zhǎng)江大橋就發(fā)生過57 次碰撞事故, 直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬元, 并嚴(yán)重影響大橋的結(jié)構(gòu)安全, 盡管如此, 建橋熱仍不斷升溫。與此形成鮮明對(duì)比的是, 香港維多利亞灣的5 條水域通道全為隧道, 1981 年曾提出一橋梁方案, 后因通航與景觀問題也最終放棄。分析我國(guó)橋梁方案總占上風(fēng)的一個(gè)重要原因, 就是對(duì)水下隧道修建技術(shù)的研究和認(rèn)識(shí)不夠。從最近的北約轟炸南聯(lián)盟看, 這一問題值得深思。
在水下隧道修建技術(shù)中沉管隧道具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 埋深淺, 隧道短, 工程造價(jià)較盾構(gòu)隧道低;
(2) 隧道主體構(gòu)造預(yù)制, 水密性較盾構(gòu)隧道好;
(3) 施工平行作業(yè), 工期短;
(4) 能夠滿足大斷面多管道的要求, 特別適合公路交通;
(5) 斷面形狀選擇自由度大, 利用率高;
(6) 隱蔽性好, 受戰(zhàn)爭(zhēng)威脅小。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, 最大長(zhǎng)度5 825m, 最多車道8 車道, 我國(guó) 217m 眾多水域均具備建設(shè)條件。結(jié)合我國(guó)已有2 座沉管隧道的經(jīng)驗(yàn), 可在下列領(lǐng)域抓緊消化和研究:
① 沉管隧道的結(jié)構(gòu)型式;
② 沉管隧道的設(shè)計(jì)與施工的水力學(xué)問題;
③ 沉管隧道管片制作;
④ 沉管隧道防水技術(shù);
⑤ 沉管隧道抗震;
⑥ 沉管隧道地基處理;
⑦ 沉管隧道施工設(shè)備;
⑧ 沉管隧道主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與施工周期。
另外, 大口徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)及跨越深海的懸浮隧道技術(shù), 在發(fā)達(dá)國(guó)家均有新的成就和突破, 在下世紀(jì)初也應(yīng)結(jié)合總體規(guī)劃的要求開展必要的前期工作。
3. 2 公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)
近10 多年隨著公路建設(shè)的大發(fā)展, 隧道事業(yè)也飛速公展, 已建公路隧道的數(shù)量、建設(shè)規(guī)模、斷面型式、支護(hù)參數(shù)、圍巖類別、設(shè)施系統(tǒng)、施工情況等都需要較全面的總結(jié)和統(tǒng)計(jì), 掌握己有隧道的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn), 為新建的工程提供重要的參考資料和決策依據(jù)。為此, 迅速建立公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)十分必要。我們知道, 地下工程最大的特點(diǎn)在于它的不確定性, 工程類比是設(shè)計(jì)的重要方法, 經(jīng)過分析和研究數(shù)據(jù)庫(kù)確定有指導(dǎo)意義的支護(hù)參數(shù)將有較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
自我國(guó)推行新奧法, 大量采用復(fù)合式襯砌, 其目的就是充分利用初期支護(hù)的及時(shí)性、密貼性、柔性、深入性、靈活性, 最大限度發(fā)揮圍巖的自承能力, 找到安全與經(jīng)濟(jì)的較好結(jié)合點(diǎn)。這就要求支護(hù)手段隨圍巖的變化而變化。我國(guó)新奧法普及率不足50% 的一個(gè)重要原因就是沒有建立信息化設(shè)計(jì)與施工緊密結(jié)合的實(shí)用化技術(shù)。盡管開展了一些量測(cè)工作, 但由于與施工脫節(jié), 量測(cè)的項(xiàng)目和數(shù)據(jù)沒有對(duì)施工起很好的指導(dǎo)作用, 量測(cè)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)緊密圍繞圍巖分類參數(shù)及調(diào)整支護(hù)參數(shù)的依據(jù), 并應(yīng)大力發(fā)展先進(jìn)的非接觸式測(cè)試手段, 加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)和掌子面地質(zhì)觀測(cè), 采用可操作性強(qiáng)的反分析手段, 真正做到信息化設(shè)計(jì)和施工, 提高新奧法普及率, 從而減少浪費(fèi)。
3. 3 山嶺隧道施工技術(shù)
首先應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)用最廣的鉆爆法隧道加以完善, 最近王夢(mèng)恕院士提出建立“ 中國(guó)隧道修建法”, 筆者認(rèn)為無論名字如何叫, 但及時(shí)總結(jié)確有必要。比如應(yīng)當(dāng)把“ 早進(jìn)晚出”的原則, 進(jìn)一步發(fā)展為不傷坡進(jìn)洞。許多經(jīng)驗(yàn)表明, 當(dāng)在隧道尚未開挖時(shí), 山坡是穩(wěn)定的, 但隨著刷坡拉槽就導(dǎo)致洞口防護(hù)工程數(shù)量巨大, 并對(duì)生態(tài)造成一定程度的破壞, 提倡不傷坡進(jìn)洞就是要借助一些輔助措施, 解決洞口的施工問題并保持邊仰坡的穩(wěn)定, 降低防護(hù)工程數(shù)量。同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)禁后竄較多的模噴工藝和二次襯砌先拱后墻的施工方法, 取消爆破后的洞室找頂工藝, 初期支護(hù)可采用注漿錨桿和U 型鋼拱架以解決砂漿錨桿和工字鋼的問題; 倡導(dǎo)減少回彈的濕噴工藝; 防水卷材宜采用PE 等高分子材料, 并采用雙縫機(jī)熱熔焊結(jié)解決搭接問題; 防水卷材安裝工藝宜改用為棚架式, 在通過軟弱圍巖地段應(yīng)多采用側(cè)壁導(dǎo)坑等減小跨度的施工方法。
隧道掘進(jìn)機(jī)施工(TBM ) 方法是20 世紀(jì)被廣泛采用的一項(xiàng)新技術(shù), 具有施工速度快、隧道成型好、機(jī)械化強(qiáng)度以及周邊環(huán)境影響小的特點(diǎn), 1992 年開始用于公路隧道。我國(guó)目前僅在鐵路隧道、水工隧道等小斷面隧道中開始使用這項(xiàng)技術(shù), 公路隧道尚處空白, 今后特長(zhǎng)隧道建設(shè)TBM 無疑是一種有效的辦法, 這就需要我們加快吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù), 美國(guó)、德國(guó)、瑞士、法國(guó)、日本等在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。引進(jìn)、消化、吸收是掌握這一技術(shù)的行之有效的辦法, 鐵路秦嶺隧道就是這方面的一次有益嘗試。應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上向大口徑隧道發(fā)展。另外采用小口徑TBM 10 鉆爆法施工是提高掘進(jìn)速度的有效方法。
總之, 及時(shí)總結(jié)和研究山嶺隧道施工技術(shù), 建立與我國(guó)圍巖地質(zhì)特征及公路隧道斷面型式相適應(yīng)的中國(guó)公路隧道修建法, 對(duì)經(jīng)濟(jì)地、高質(zhì)量地建設(shè)公路隧道十分必要。
3. 4 特長(zhǎng)公路隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)
到下世紀(jì)初我國(guó)將要開工建設(shè)的5～ 20 km 的公路隧道近10 座, 制約這些隧道建設(shè)的一項(xiàng)重要技術(shù)就是營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)。過去我國(guó)多采用全射流的縱向通風(fēng), 當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于5 km 且有一定交通量時(shí), 純射流縱向通風(fēng)便是一種低效率的通風(fēng)方式。另外隧道的防災(zāi)問題也很重要, 因?yàn)榈叵鹿こ痰姆忾]性, 就決定了其防災(zāi)的特殊性, 地下建筑規(guī)定每1 000 m2 應(yīng)有防煙門等隔離設(shè)施, 雖說公路隧道不象地下建筑那么嚴(yán)格, 但對(duì)特長(zhǎng)隧道防災(zāi)分區(qū)十分必要。這就迫切要求我們開展送排式縱向通風(fēng)、全橫向通風(fēng)等方式的研究, 緊密圍繞通風(fēng)基本型式、避免回流的有效手段、節(jié)能運(yùn)行方式、地下風(fēng)機(jī)房技術(shù)、防災(zāi)措施等開展研究。1999 年3 月24 日發(fā)生在法國(guó)-意大利間的勃朗峰隧道(約11 km) 特大火災(zāi), 導(dǎo)致40 人死亡, 34 輛車燒毀, 結(jié)構(gòu)大面積破壞, 更提醒我們應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。
解決特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)的另一思路就是利用靜電吸塵設(shè)備對(duì)污染空氣進(jìn)行凈化處理再利用, 這樣既有利于環(huán)保, 也能有效減少豎(斜) 井的數(shù)量, 從日本、挪威等國(guó)使用情況看, 效果良好。根據(jù)采用新的 “ 通風(fēng)、照明標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算, 煙塵已成為控制指標(biāo), 這與實(shí)際情況是一致的, 采用靜電通風(fēng)設(shè)備很有現(xiàn)實(shí)意義。為了掌握這一技術(shù), 必須從設(shè)備規(guī)模、氣流組織、激發(fā)與吸塵、清灰、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等多方面加強(qiáng)研究開發(fā)。“ 八五”期間交通部重慶公路科學(xué)研究所作過一些前期研究工作, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究將會(huì)取得可喜的成果。
3. 5 公路隧道節(jié)能照明技術(shù)
我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)雖都考慮了照明, 但迫于營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本的壓力, 許多隧道有燈具而未照明。照明作為保證行車安全的重要措施應(yīng)當(dāng)?shù)靡员Ｕ稀＝鉀Q這一問題的重要途徑就是大力發(fā)展節(jié)能照明技術(shù), 目前我國(guó)公路隧道大多采用高壓鈉燈, 雙側(cè)布燈, 燈間距8～ 10 m 居多, 如果采用中央布燈新型逆光照明技術(shù), 燈可減少一半, 能耗減少一半。重慶康吉車輛技術(shù)開發(fā)公司最近研制的寬體逆光及對(duì)稱公路隧道專用照明燈具, 就在降低照明成本上邁出了一大步。另外, 采用可控硅技術(shù)開發(fā)的調(diào)光燈具也可在均勻度不降低的情況下使交通照明降低能耗40%～ 50% 。由此可見, 只要加強(qiáng)節(jié)能照明技術(shù)研究, 通過對(duì)燈體及反光器的改進(jìn), 就能有效降低能耗, 降低營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本。
3. 6 公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)
公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)是保證隧道安全營(yíng)運(yùn)的重要手段, 我國(guó)在多座隧道中進(jìn)行了國(guó)外成套技術(shù)的引進(jìn), 但效果不甚理想, 其中重要原因就是控制模式不切合實(shí)際, 而且DCS 集散式控制系統(tǒng)成本較高, 系統(tǒng)可靠性差, 通信協(xié)議不開放。根據(jù)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展看, 迫切需要建立和發(fā)展適合公路隧道特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。交通部重慶公路科學(xué)研究所率先進(jìn)行了這一嘗試, 借助1∶1 實(shí)驗(yàn)隧道開發(fā)成功了“ 公路隧道機(jī)電設(shè)備集成管理系統(tǒng)TM 2 CS”。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用LONW O R KS 分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò); 采用以太網(wǎng)作為隧道監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò), 并可進(jìn)行上層管理網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng); 現(xiàn)場(chǎng)LON 網(wǎng)絡(luò)可脫離監(jiān)控計(jì)算機(jī), 獨(dú)立完成設(shè)定的自動(dòng)控制功能; 監(jiān)控計(jì)算機(jī)可對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制和運(yùn)行管理, 與傳統(tǒng)的DCS 集散控制系統(tǒng)比較, LON 網(wǎng)絡(luò)隧道監(jiān)控系統(tǒng)具有大量節(jié)約安裝費(fèi)用, 降低工程綜合成本, 分散故障, 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展容易, 網(wǎng)絡(luò)通訊距離長(zhǎng), 通信協(xié)議開放等優(yōu)點(diǎn)。其中根據(jù)交通流特性建立符合實(shí)際的控制模式尤為關(guān)鍵。公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成功對(duì)帶動(dòng)我國(guó)該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展, 打破國(guó)外軟硬件的壟斷具有十分重要的意義。
3. 7 公路隧道病害診斷與整治技術(shù)
隨著公路隧道建設(shè)高潮的持續(xù), 公路隧道的養(yǎng)護(hù)問題日益突出, 如何對(duì)營(yíng)運(yùn)隧道進(jìn)行安全性檢查和病害診斷顯得十分重要。目前尚多根據(jù)肉眼觀察結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷, 存在著效率低, 準(zhǔn)確性差的問題。根據(jù)瑞士等國(guó)的經(jīng)驗(yàn), 迫切需要進(jìn)行無損傷探測(cè)手段的開發(fā), 以探明空洞、裂縫的空間分布, 包括非接觸式掃描探傷設(shè)備和其它物探手段等。
公路隧道病害的根源主要包括支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度不足和水害。對(duì)病害進(jìn)行整治涉及原因、材料、工藝、方法諸多方面。目前傳統(tǒng)作法普通存在缺乏系統(tǒng)理論指導(dǎo), 有一定盲目性, 易造成人、財(cái)、物浪費(fèi), 阻礙交通、減小隧道有效斷面等, 因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法通常采用刻槽、套拱等辦法。日本在隧道病害整治中作過大量工作, 開發(fā)了結(jié)構(gòu)加固的高強(qiáng)碳纖維及治理水害的后澆止、導(dǎo)水材料, 大大提高了病害整治效果。顯然, 通過新材料、新工藝研究, 解決隧道病害是十分有前途的。筆者最近已接觸了多座隧道的病害整治, 深深感覺病害診斷及整治技術(shù)較為落后, 經(jīng)濟(jì)上也不節(jié)約, 的確有必要加大研究力度。
4 結(jié)語
21 世紀(jì)初我國(guó)公路隧道面臨良好的機(jī)遇, 同時(shí)也有諸多困難, 只要組織力量協(xié)同攻關(guān), 及時(shí)解決我國(guó)公路隧道的關(guān)鍵技術(shù), 就能安全、經(jīng)濟(jì)地建設(shè)和管理我國(guó)公路隧道。
原作者：劉 偉
[摘要] 經(jīng)過近20 年的積累, 我國(guó)公路隧道在質(zhì)和量上都有顯著進(jìn)步, 21 世紀(jì)初隧道建設(shè)難度方面將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 為此需要在水下隧道修建技術(shù)、公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、山嶺隧道施工技術(shù)、特長(zhǎng)隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)、公路隧道節(jié)能照明技術(shù)、營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)、病害診斷與整治技術(shù)等方面加大研究力度, 從而掌握制約我國(guó)公路隧道發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
1 我國(guó)公路隧道現(xiàn)狀
隨著公路建設(shè)的飛速發(fā)展, 我國(guó)公路隧道事業(yè)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步, 到2000 年末公路通車?yán)锍踢_(dá)到140 萬km , 建成的隧道超過1 069 座, 單洞延長(zhǎng)超過340 km, 單洞最長(zhǎng)達(dá)4 706m, 建成的3 000 m 以上的特長(zhǎng)隧道13 座, 1 500m 以上的3 車道公路隧道5 座, 盾構(gòu)隧道2 座, 沉埋隧道2 座(見表1)。在近10 多年的隧道建設(shè)中進(jìn)行了新奧法的實(shí)踐和推廣, 克服了瓦斯、涌水、采空區(qū)、軟弱圍巖、高地應(yīng)力、永凍土等不良地質(zhì)情況的難題, 完成了設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理技術(shù)規(guī)范, 并著手養(yǎng)護(hù)規(guī)范編制和設(shè)計(jì)規(guī)范修定。在近10 多年的快速發(fā)展時(shí)期, 我國(guó)完成了寶貴的公路隧道經(jīng)驗(yàn)積累, 在新奧法設(shè)計(jì)與施工、CAD 技術(shù)、縱向通風(fēng)研究、防排水技術(shù)、沉埋及盾構(gòu)隧道修建技術(shù)方面均取得了一定的成績(jī)。建成了公路隧道及巖土工程實(shí)驗(yàn)中心。目前陜西、四川、吉林、遼寧、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規(guī)劃和將建一批特長(zhǎng)隧道或隧道群, 其中長(zhǎng)度超過5 km 的隧道將有5 座, 最長(zhǎng)的隧道將達(dá)到1816 km, 一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出, 這無疑為邁向21 世紀(jì)的中國(guó)公路隧道提出了新的課題。
2 國(guó)外公路隧道現(xiàn)狀
以瑞士、奧地利、挪威、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家, 早在20 世紀(jì)60～ 70 年代就建成了一批特長(zhǎng)隧道, 在建的最長(zhǎng)隧道為挪威的LA FRLAND 隧道, 達(dá)2415 km, 已建成的最長(zhǎng)公路隧道16 322m, 最長(zhǎng)水下公路隧道9 400m (見表2), 從1910 年起的近90 年中建成的沉管隧道107 座, 其中美國(guó)、荷蘭、日本三國(guó)就有68 座, 占63% 。從發(fā)達(dá)國(guó)家的山嶺隧道修建技術(shù)看, 較為廣泛地采用了新奧法, 實(shí)現(xiàn)了真正的信息化設(shè)計(jì)與施工, 采用了先進(jìn)的噴射混凝土工藝, 較為成功地解決了噴射混凝土回彈; 防排水設(shè)計(jì)與施工工藝得到較好解決; 新的支護(hù)手段在不斷改進(jìn); 多種通風(fēng)形式及靜電吸塵等先進(jìn)通風(fēng)設(shè)備成功采用; 穩(wěn)定可靠的公路隧道營(yíng)運(yùn)管理系統(tǒng)在多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)受了時(shí)間的檢驗(yàn); 公路隧道病害檢測(cè)與處治手段均有新的突破, 無損傷探測(cè)手段和新型高強(qiáng)材料已在瑞士、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到較好應(yīng)用; 針對(duì)公路隧道等高風(fēng)險(xiǎn)地下工程進(jìn)行了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及承包商的共同利益管理模式嘗試, 已取得了不少經(jīng)驗(yàn); 盾構(gòu)施工技術(shù), 已成功采用了直徑14114 m 的巨型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn); TBM 已采用了11193 m 的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行公路隧道施工, 同時(shí)采用TBM 超前施工導(dǎo)洞, 再結(jié)合鉆爆擴(kuò)挖的方法也在多個(gè)國(guó)家的長(zhǎng)隧道施工中得到應(yīng)用; 另外, 沉管隧道以美國(guó)、日本、荷蘭為代表的國(guó)家, 通過107 座隧道的實(shí)踐, 較成功地解決了沉管隧道結(jié)構(gòu)形式、防水、基層處理、結(jié)構(gòu)抗震等關(guān)鍵技術(shù)問題, 使隧道成為跨江、跨海的重要手段, 且倍受重視。最近為了解決跨越深水水域的問題, 挪威、瑞士、日本、意大利等國(guó)都組織了專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸浮隧道的專項(xiàng)研究。綜上所述, 國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家無論在山嶺隧道還是水下隧道的研究、設(shè)計(jì)、施工和管理方面都有諸多方面可供我國(guó)公路隧道借鑒和參考。
3 21 世紀(jì)初我國(guó)公路隧道的關(guān)鍵技術(shù) 21 世紀(jì)初我國(guó)將面臨水下隧道、特長(zhǎng)隧道的建 設(shè)高潮, 同時(shí)也將面臨數(shù)百公里公路隧道的管理和維護(hù)高峰, 結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷程, 考慮到我國(guó)的具體國(guó)情, 需要在下列領(lǐng)域深入工作:
(1) 水下隧道修建技術(shù);
(2) 公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù);
(3) 山嶺隧道施工技術(shù);
(4) 特長(zhǎng)公路隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù);
(5) 公路隧道節(jié)能照明技術(shù);
(6) 公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā);
(7) 公路隧道病害診斷與整治技術(shù)。
3. 1 水下隧道修建技術(shù)
表2 國(guó)外主要長(zhǎng)大公路隧道 長(zhǎng)期以來我國(guó)在跨越水域的通道建設(shè)上均以橋梁為主, 盡管解決了一些公路交通問題, 但由于橋梁高度和跨度限制, 也帶來了一些意想不到的問題。以長(zhǎng)江為例, 由于南京長(zhǎng)江大橋凈空僅24m, 4 000 t 以上船舶無法通過, 結(jié)果長(zhǎng)江黃金水道利用率僅為密西西比河的。
(8)船舶碰撞橋墩和建橋設(shè)施的事故也時(shí)有發(fā)生, 僅武漢長(zhǎng)江大橋就發(fā)生過57 次碰撞事故, 直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬元, 并嚴(yán)重影響大橋的結(jié)構(gòu)安全, 盡管如此, 建橋熱仍不斷升溫。與此形成鮮明對(duì)比的是, 香港維多利亞灣的5 條水域通道全為隧道, 1981 年曾提出一橋梁方案, 后因通航與景觀問題也最終放棄。分析我國(guó)橋梁方案總占上風(fēng)的一個(gè)重要原因, 就是對(duì)水下隧道修建技術(shù)的研究和認(rèn)識(shí)不夠。從最近的北約轟炸南聯(lián)盟看, 這一問題值得深思。
在水下隧道修建技術(shù)中沉管隧道具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 埋深淺, 隧道短, 工程造價(jià)較盾構(gòu)隧道低;
(2) 隧道主體構(gòu)造預(yù)制, 水密性較盾構(gòu)隧道好;
(3) 施工平行作業(yè), 工期短;
(4) 能夠滿足大斷面多管道的要求, 特別適合公路交通;
(5) 斷面形狀選擇自由度大, 利用率高;
(6) 隱蔽性好, 受戰(zhàn)爭(zhēng)威脅小。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, 最大長(zhǎng)度5 825m, 最多車道8 車道, 我國(guó) 217m 眾多水域均具備建設(shè)條件。結(jié)合我國(guó)已有2 座沉管隧道的經(jīng)驗(yàn), 可在下列領(lǐng)域抓緊消化和研究:
① 沉管隧道的結(jié)構(gòu)型式;
② 沉管隧道的設(shè)計(jì)與施工的水力學(xué)問題;
③ 沉管隧道管片制作;
④ 沉管隧道防水技術(shù);
⑤ 沉管隧道抗震;
⑥ 沉管隧道地基處理;
⑦ 沉管隧道施工設(shè)備;
⑧ 沉管隧道主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與施工周期。
另外, 大口徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)及跨越深海的懸浮隧道技術(shù), 在發(fā)達(dá)國(guó)家均有新的成就和突破, 在下世紀(jì)初也應(yīng)結(jié)合總體規(guī)劃的要求開展必要的前期工作。
3. 2 公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)及信息化設(shè)計(jì)施工技術(shù)
近10 多年隨著公路建設(shè)的大發(fā)展, 隧道事業(yè)也飛速公展, 已建公路隧道的數(shù)量、建設(shè)規(guī)模、斷面型式、支護(hù)參數(shù)、圍巖類別、設(shè)施系統(tǒng)、施工情況等都需要較全面的總結(jié)和統(tǒng)計(jì), 掌握己有隧道的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn), 為新建的工程提供重要的參考資料和決策依據(jù)。為此, 迅速建立公路隧道數(shù)據(jù)庫(kù)十分必要。我們知道, 地下工程最大的特點(diǎn)在于它的不確定性, 工程類比是設(shè)計(jì)的重要方法, 經(jīng)過分析和研究數(shù)據(jù)庫(kù)確定有指導(dǎo)意義的支護(hù)參數(shù)將有較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
自我國(guó)推行新奧法, 大量采用復(fù)合式襯砌, 其目的就是充分利用初期支護(hù)的及時(shí)性、密貼性、柔性、深入性、靈活性, 最大限度發(fā)揮圍巖的自承能力, 找到安全與經(jīng)濟(jì)的較好結(jié)合點(diǎn)。這就要求支護(hù)手段隨圍巖的變化而變化。我國(guó)新奧法普及率不足50% 的一個(gè)重要原因就是沒有建立信息化設(shè)計(jì)與施工緊密結(jié)合的實(shí)用化技術(shù)。盡管開展了一些量測(cè)工作, 但由于與施工脫節(jié), 量測(cè)的項(xiàng)目和數(shù)據(jù)沒有對(duì)施工起很好的指導(dǎo)作用, 量測(cè)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)緊密圍繞圍巖分類參數(shù)及調(diào)整支護(hù)參數(shù)的依據(jù), 并應(yīng)大力發(fā)展先進(jìn)的非接觸式測(cè)試手段, 加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)和掌子面地質(zhì)觀測(cè), 采用可操作性強(qiáng)的反分析手段, 真正做到信息化設(shè)計(jì)和施工, 提高新奧法普及率, 從而減少浪費(fèi)。
3. 3 山嶺隧道施工技術(shù)
首先應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)用最廣的鉆爆法隧道加以完善, 最近王夢(mèng)恕院士提出建立“ 中國(guó)隧道修建法”, 筆者認(rèn)為無論名字如何叫, 但及時(shí)總結(jié)確有必要。比如應(yīng)當(dāng)把“ 早進(jìn)晚出”的原則, 進(jìn)一步發(fā)展為不傷坡進(jìn)洞。許多經(jīng)驗(yàn)表明, 當(dāng)在隧道尚未開挖時(shí), 山坡是穩(wěn)定的, 但隨著刷坡拉槽就導(dǎo)致洞口防護(hù)工程數(shù)量巨大, 并對(duì)生態(tài)造成一定程度的破壞, 提倡不傷坡進(jìn)洞就是要借助一些輔助措施, 解決洞口的施工問題并保持邊仰坡的穩(wěn)定, 降低防護(hù)工程數(shù)量。同時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)禁后竄較多的模噴工藝和二次襯砌先拱后墻的施工方法, 取消爆破后的洞室找頂工藝, 初期支護(hù)可采用注漿錨桿和U 型鋼拱架以解決砂漿錨桿和工字鋼的問題; 倡導(dǎo)減少回彈的濕噴工藝; 防水卷材宜采用PE 等高分子材料, 并采用雙縫機(jī)熱熔焊結(jié)解決搭接問題; 防水卷材安裝工藝宜改用為棚架式, 在通過軟弱圍巖地段應(yīng)多采用側(cè)壁導(dǎo)坑等減小跨度的施工方法。
隧道掘進(jìn)機(jī)施工(TBM ) 方法是20 世紀(jì)被廣泛采用的一項(xiàng)新技術(shù), 具有施工速度快、隧道成型好、機(jī)械化強(qiáng)度以及周邊環(huán)境影響小的特點(diǎn), 1992 年開始用于公路隧道。我國(guó)目前僅在鐵路隧道、水工隧道等小斷面隧道中開始使用這項(xiàng)技術(shù), 公路隧道尚處空白, 今后特長(zhǎng)隧道建設(shè)TBM 無疑是一種有效的辦法, 這就需要我們加快吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù), 美國(guó)、德國(guó)、瑞士、法國(guó)、日本等在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。引進(jìn)、消化、吸收是掌握這一技術(shù)的行之有效的辦法, 鐵路秦嶺隧道就是這方面的一次有益嘗試。應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上向大口徑隧道發(fā)展。另外采用小口徑TBM 10 鉆爆法施工是提高掘進(jìn)速度的有效方法。
總之, 及時(shí)總結(jié)和研究山嶺隧道施工技術(shù), 建立與我國(guó)圍巖地質(zhì)特征及公路隧道斷面型式相適應(yīng)的中國(guó)公路隧道修建法, 對(duì)經(jīng)濟(jì)地、高質(zhì)量地建設(shè)公路隧道十分必要。
3. 4 特長(zhǎng)公路隧道營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)
到下世紀(jì)初我國(guó)將要開工建設(shè)的5～ 20 km 的公路隧道近10 座, 制約這些隧道建設(shè)的一項(xiàng)重要技術(shù)就是營(yíng)運(yùn)通風(fēng)技術(shù)。過去我國(guó)多采用全射流的縱向通風(fēng), 當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于5 km 且有一定交通量時(shí), 純射流縱向通風(fēng)便是一種低效率的通風(fēng)方式。另外隧道的防災(zāi)問題也很重要, 因?yàn)榈叵鹿こ痰姆忾]性, 就決定了其防災(zāi)的特殊性, 地下建筑規(guī)定每1 000 m2 應(yīng)有防煙門等隔離設(shè)施, 雖說公路隧道不象地下建筑那么嚴(yán)格, 但對(duì)特長(zhǎng)隧道防災(zāi)分區(qū)十分必要。這就迫切要求我們開展送排式縱向通風(fēng)、全橫向通風(fēng)等方式的研究, 緊密圍繞通風(fēng)基本型式、避免回流的有效手段、節(jié)能運(yùn)行方式、地下風(fēng)機(jī)房技術(shù)、防災(zāi)措施等開展研究。1999 年3 月24 日發(fā)生在法國(guó)-意大利間的勃朗峰隧道(約11 km) 特大火災(zāi), 導(dǎo)致40 人死亡, 34 輛車燒毀, 結(jié)構(gòu)大面積破壞, 更提醒我們應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。
解決特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)的另一思路就是利用靜電吸塵設(shè)備對(duì)污染空氣進(jìn)行凈化處理再利用, 這樣既有利于環(huán)保, 也能有效減少豎(斜) 井的數(shù)量, 從日本、挪威等國(guó)使用情況看, 效果良好。根據(jù)采用新的 “ 通風(fēng)、照明標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算, 煙塵已成為控制指標(biāo), 這與實(shí)際情況是一致的, 采用靜電通風(fēng)設(shè)備很有現(xiàn)實(shí)意義。為了掌握這一技術(shù), 必須從設(shè)備規(guī)模、氣流組織、激發(fā)與吸塵、清灰、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等多方面加強(qiáng)研究開發(fā)。“ 八五”期間交通部重慶公路科學(xué)研究所作過一些前期研究工作, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究將會(huì)取得可喜的成果。
3. 5 公路隧道節(jié)能照明技術(shù)
我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)雖都考慮了照明, 但迫于營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本的壓力, 許多隧道有燈具而未照明。照明作為保證行車安全的重要措施應(yīng)當(dāng)?shù)靡员Ｕ稀＝鉀Q這一問題的重要途徑就是大力發(fā)展節(jié)能照明技術(shù), 目前我國(guó)公路隧道大多采用高壓鈉燈, 雙側(cè)布燈, 燈間距8～ 10 m 居多, 如果采用中央布燈新型逆光照明技術(shù), 燈可減少一半, 能耗減少一半。重慶康吉車輛技術(shù)開發(fā)公司最近研制的寬體逆光及對(duì)稱公路隧道專用照明燈具, 就在降低照明成本上邁出了一大步。另外, 采用可控硅技術(shù)開發(fā)的調(diào)光燈具也可在均勻度不降低的情況下使交通照明降低能耗40%～ 50% 。由此可見, 只要加強(qiáng)節(jié)能照明技術(shù)研究, 通過對(duì)燈體及反光器的改進(jìn), 就能有效降低能耗, 降低營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本。
3. 6 公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)
公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)是保證隧道安全營(yíng)運(yùn)的重要手段, 我國(guó)在多座隧道中進(jìn)行了國(guó)外成套技術(shù)的引進(jìn), 但效果不甚理想, 其中重要原因就是控制模式不切合實(shí)際, 而且DCS 集散式控制系統(tǒng)成本較高, 系統(tǒng)可靠性差, 通信協(xié)議不開放。根據(jù)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展看, 迫切需要建立和發(fā)展適合公路隧道特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。交通部重慶公路科學(xué)研究所率先進(jìn)行了這一嘗試, 借助1∶1 實(shí)驗(yàn)隧道開發(fā)成功了“ 公路隧道機(jī)電設(shè)備集成管理系統(tǒng)TM 2 CS”。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用LONW O R KS 分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò); 采用以太網(wǎng)作為隧道監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò), 并可進(jìn)行上層管理網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng); 現(xiàn)場(chǎng)LON 網(wǎng)絡(luò)可脫離監(jiān)控計(jì)算機(jī), 獨(dú)立完成設(shè)定的自動(dòng)控制功能; 監(jiān)控計(jì)算機(jī)可對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制和運(yùn)行管理, 與傳統(tǒng)的DCS 集散控制系統(tǒng)比較, LON 網(wǎng)絡(luò)隧道監(jiān)控系統(tǒng)具有大量節(jié)約安裝費(fèi)用, 降低工程綜合成本, 分散故障, 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展容易, 網(wǎng)絡(luò)通訊距離長(zhǎng), 通信協(xié)議開放等優(yōu)點(diǎn)。其中根據(jù)交通流特性建立符合實(shí)際的控制模式尤為關(guān)鍵。公路隧道營(yíng)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成功對(duì)帶動(dòng)我國(guó)該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展, 打破國(guó)外軟硬件的壟斷具有十分重要的意義。
3. 7 公路隧道病害診斷與整治技術(shù)
隨著公路隧道建設(shè)高潮的持續(xù), 公路隧道的養(yǎng)護(hù)問題日益突出, 如何對(duì)營(yíng)運(yùn)隧道進(jìn)行安全性檢查和病害診斷顯得十分重要。目前尚多根據(jù)肉眼觀察結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷, 存在著效率低, 準(zhǔn)確性差的問題。根據(jù)瑞士等國(guó)的經(jīng)驗(yàn), 迫切需要進(jìn)行無損傷探測(cè)手段的開發(fā), 以探明空洞、裂縫的空間分布, 包括非接觸式掃描探傷設(shè)備和其它物探手段等。
公路隧道病害的根源主要包括支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度不足和水害。對(duì)病害進(jìn)行整治涉及原因、材料、工藝、方法諸多方面。目前傳統(tǒng)作法普通存在缺乏系統(tǒng)理論指導(dǎo), 有一定盲目性, 易造成人、財(cái)、物浪費(fèi), 阻礙交通、減小隧道有效斷面等, 因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法通常采用刻槽、套拱等辦法。日本在隧道病害整治中作過大量工作, 開發(fā)了結(jié)構(gòu)加固的高強(qiáng)碳纖維及治理水害的后澆止、導(dǎo)水材料, 大大提高了病害整治效果。顯然, 通過新材料、新工藝研究, 解決隧道病害是十分有前途的。筆者最近已接觸了多座隧道的病害整治, 深深感覺病害診斷及整治技術(shù)較為落后, 經(jīng)濟(jì)上也不節(jié)約, 的確有必要加大研究力度。
4 結(jié)語
21 世紀(jì)初我國(guó)公路隧道面臨良好的機(jī)遇, 同時(shí)也有諸多困難, 只要組織力量協(xié)同攻關(guān), 及時(shí)解決我國(guó)公路隧道的關(guān)鍵技術(shù), 就能安全、經(jīng)濟(jì)地建設(shè)和管理我國(guó)公路隧道。
原作者：劉 偉
