隧道工程技术进步

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1、摘 要 本文对建国以来我国隧道工程建设作了回顾，并以秦岭隧道、广州地铁、北京地铁、 以及上海地铁等重大工程为例，论述了浅埋矿山法、掘进机法、盾构法和沉埋管段法等现代 隧道修建方法的运用和技术进步。关键词 隧道工程 技术进步1我国隧道工程建设的发展1.1. 历史的回顾1999 年 8 月，我国最长的铁路隧道位于西安安康铁路上的秦岭隧道贯通。当人们在 为这条 18.4km 长的顺利建成而激动不已的时候,很容易想到 50 年代在宝成铁路上修建的 2km 长的另一座“秦岭”隧道。不同时期修建的穿越秦岭山脉的两座隧道是中国隧道工程技术进步的最好见证。40 年前修 建的 2km 长的秦岭隧道差不多是用人力

2、艰难地修成的。那时，手持式凿岩机和小型矿车几 乎是仅有的施工机具。40 年后的今天，在西（安）（安）康铁路上 18.457km 长的秦岭隧道 的修建中则使用了包括全断面掘进机在内的现代隧道施工机具，实现了隧道施工机械化。追溯我国现代隧道工程的历史，总要提到 1890 年在台湾基隆至新竹窄轨铁路上建成的 216m 长的狮球岭隧道。据说，这是我国最早修建的一条铁路隧道。1908 年，由杰出的工程师詹天佑博士主持，在北京至张家口的铁路上用 18 个月的时间修 建了长 1091m 的八达岭隧道,在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。然而，大规模地 修建各种用途的隧道还是从新中国成立开始的。在 50

3、年代初，为了避免修建长隧道，常常尽可能地采用迂回展线来克服地形障碍，使线路 靠近地表。宝成铁路翻越秦岭的一段线路就是采用短小隧道群迂回展线的一个实例。在这段 线路上有34座隧道，最长的秦岭隧道其长度仅为2363m。但是，根据当时的技术水平，修 建这样一座长度在 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风动 凿岩机和轨行式矿车，使得宝成铁路秦岭隧道的修建成为从“人力开挖”过渡到“机械开挖” 的标志。隧道工程技术发展第二个阶段的代表性工程是60年代中期修建的成都昆明铁路。成昆铁 路全长1085km，隧道竟占31%。其中关村坝隧道和沙马拉打隧道长度均在6km以上。在这 批隧道的

4、施工中采用了轻型机具，分部开挖的“小型机械化”施工，修建速度达到了“百米 成洞”（平均每月单口成洞100m ）的水平。我国修建长度10km以上的铁路隧道的实践是从修建14.295km长的双线隧道一大瑶山隧道 开始的。在这座隧道的施工中，采用凿岩台车，衬砌模板台车和高效能的装运工具等机具配 套作业，实行全断面开挖。大瑶山隧道是我国山岭隧道采用重型机具综合机械化施工的开端， 将隧道工程的修建技术和修建长大隧道的能力提高到一个新的阶段，缩短了同国际隧道施工 先进水平的差距。在此以后修建的许多长大隧道基本上都是按“大瑶山模式”施工的。不久前建成的南昆铁 路上长度为9388m米花岭隧道，就创造了单口月成

5、洞502.2m的好成绩。综合机械化施工和相关技术的发展大大提高了修建长隧道的能力。这引起了铁路线路设计 思想的变化。正在修建中的西安安康铁铁路在穿越秦岭时就不再像40年前修建宝成铁路 那样采用迂回曲折的展线，而决定修建18.4km的越岭隧道。显然，长隧道的修建使线路顺直， 提高了运营标准。1.2. 现代隧道修建方法西康线秦岭隧道工程由1 号线和 2号线两座隧道组成，通过混合片麻岩及花岗岩。其中2 号线隧道是用钻爆法开挖的。采用轨行门架三臂钻孔台车、挖掘装载机、大容积梭式矿车等重型机具先开挖断面为2630m2的导坑，平均月进尺达264m。值得指出的是，在2号线导坑的开挖中采用直径1.3m的风管，

6、110kW风机创造了单台风机独头通风距离6000m的记录。 超过6000m后，再串联一台风机，到独头通风距离9500m时，作业面空气仍符合标准要求。秦岭隧道的 1 号线隧道则是用直径为 8.8m 的全断面掘进机开挖的。它遇到的是强度超过200MPa 的硬岩，其困难是可想而知的。“钻爆法和掘进机，孰优？”曾经引起隧道工程师们的讨论。结论很明显：尽管中国人发 明了火药，足以让我们引以为自豪，但是我们并不认为钻爆法是开挖岩石隧道的唯一手段。 英法海峡隧道使用掘进机的经验给了我们重要参考。实际上，在中国的一些水工隧道的开挖 中已经取得了不少使用掘进机的成功经验。这些经验对于秦岭隧道掘进机施工十分有价值

7、。山岭隧道矿山法修建技术的发展仅仅是隧道工程技术进步的一个侧面。现代隧道技术的内 容应涵盖适用于不同条件的各种不同修建方法。据资料考证，狮球岭隧道是采用技术简单的明挖法修建的。而在一百多年后的今天，我们 简直可以说，中国人已经掌握了所有的现代隧道修建方法和修建技术。广州地铁就是一个十分有趣的例子，在刚刚建成的第一期工程中使用了现代隧道修建的各 种方法。从烈士陵园站至天河体育中心站采用浅埋矿山法修建；从黄沙站至公园前站的区间 隧道采用了二台泥水混合盾构；而从公园前站至烈士陵园站是用一台土压平衡盾构修成的； 跨越珠江的水下隧道则采用了沉放管段。其余部分区间隧道采用明挖法修建。正在建设中的二号线，仍

8、有一部份区间隧道用矿山法修建，而跨越珠江的水下隧道则采用 盾构法施工。1 .3统计资料根据不完全统计，目前我国大陆铁路隧道总数达5300余座，总长度为2500km，其中5km 以上隧道就有22座(表1)表1我国长度5km以上的铁路隧道编号隧道名全长(m)铁路名 修建年代1秦岭18457西康正在施工2大瑶山14294.47京广1981-19873长梁山12780朔黄正在施工4米花岭9383南昆-19965军都山8460大秦1982-19876云台山8145侯月-19917分水关7228横南19978驿马岭7031.9京原1967-19699寺铺尖6407朔黄正在施工10沙马拉达6383.3成昆1

9、959-196611八盘岭6340溪田1987-199312平型关6188.6京原1967-197113关村坝6187成昆1961-196614奎先6152南疆1975-197815南岭6061.8京广1981-198716红旗5848.3、工 京通1973-197517彭莫山5592焦柳1971-197318大巴山5334襄渝1970-197319六盘山5240宝中1990-199420武当山5226.1襄渝1969-197321平关5139.87盘西1966-197022白家湾5058大秦1982-198680 年代以来, 由于我国高等级公路的兴建, 公路隧道建设的发展也很快。目前，我国大

10、陆已 建成450多座公路隧道，总长度达120km。其中，3km以上的隧道15座。在四川省和重庆 市的范围内，就有3座4km以上长度的隧道正在修建。表2在四川省和重庆市的范围内最长的公路隧道隧道名称长度隧道数二郎山4300m1已贯通华蓥山4775m2施工中鹧鸪山6030m1设计中在水电站地下工程和水工隧洞方面，最引人注意的是黄河小浪底工程和万家寨引水工程。在总长192km的万家寨引水隧洞中，最长的达43km，直径为4.24.3m,用两台掘进机开挖。2. “新奥法”的引进和矿山法的发展北京地铁工程在讨论我国矿山法隧道修建技术的发展的时候，不能不提到新奥法NATM）理念的引进。 新奥法的引进是从锚杆

11、和喷混凝土一类“主动型”的新型支护技术的推广使用开始的。很快 地，中国的隧道工程师就不但在实质上而且在名词上接受了新奥法。在国内举行的隧道及地 下工程学术会议上，新奥经常成为热门话题。工程师们对新奥法的津津乐道是有理由的：运用新奥法原则，已经成功地在软弱围岩中和 困难条件下修建了各种类型的地下工程。修建在砂夹砾石松散地层中的北京地铁复兴门折返段隧道就是一个典型的例子。该隧道位于北京最主要的街道一长安街下，长358m,最大开挖断面高9m,宽14.5m隧道顶部复盖 地层最小厚度仅9.0m。隧道采用部份断面掘进机开挖，格栅拱加强的喷混凝土初期支护以 及小导管预支护，在不影响地面交通，确保地下管线安全

12、的情况下修建成功。在这个工程中所取得的经验，使中国工程师认识到，运用新奥法原则可以将一般用于山岭 隧道的矿山法的应用范围拓展到在软弱围岩，甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代 传统的明挖法或盾构法。在中国，这种方法称之为“浅埋矿山法”。继复兴门折返线隧道以后，同样在砾夹卵石的冲积层中又用浅埋矿山法修建了跨度为21.67m的西单地铁车站。在修建位于长安街下的北京地铁新线工程时,浅埋矿山法被选择为主要的施工方法。例如， 北京地铁天安门西站，长226m，为双层两柱式结构。广州地铁东段也是采用浅埋矿山法修建的。经验证明，从地面环境的保护,地表沉降的挖制， 以及造价、工期等角度看，浅埋矿山法同明挖法

13、或盾构法相比都具有一定的竞争力。中国工程师从欧洲引进了新奥法，并且结合中国的情况对新奥法及其相关技术，诸如支扩 手段，量测和监控技术等作了进一步的开发。作为新奥法的一项重要背景技术的喷混凝土在 中国已经被广泛使用。同国际上的情况一样，为了解决长期以来困扰着人们的粉尘污染环境， 回弹严重以及混凝土品质的不均匀性等问题，正在大力推行湿喷工艺。最近由铁道科学研究 院西南分院开发了一种“转子活塞”型的新型喷射机，这种机型采用湿喷工艺，即往机器 中加入按配合比制备好的成品混凝土拌和料，但物料输送又区别于一般的泵送式湿喷机，采 用稀薄流输送方式。因此机器结构紧凑，使用方便。目前已在国内推广。可以毫不夸张地

14、说，新奥法的推行确实引起了矿山法修建技术在开挖方法、施工技术乃至 于隧道设计思想方面的重大变革。尽管如此，仍然应该说我国推行新奥法的情况并不尽如人 意。在诸多工程中也不乏失败的实例。除了施工管理、质量控制和相关技术的掌握等方面的 原因外，主要在于隧道工程师们有时对新奥法的实质缺乏正确的理解。对于“新奥法”一词的内涵，人们的认识有一个发展的过程。诚如它的名词本身New Austrian Tunnelling Method 所表述的那样，新奥法的创始人最初是将它作为一种同新型 支护相关的隧道修建方法提出来的。但后来发现，将新奥法拘泥于一种特定的施工方法或具 体的支护技术将会使其推行受到很大的局限。

15、于是，在一些文献中强调新奥法是一种“概念”、 “哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点， 有重要的现实意义。事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不 注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。我本人经历过一个软弱围岩中的特 浅埋隧道施工，在使用新奥法的过程中曾发生坍通地表的大坍塌。其原因种种，其中有一条 就是照搬某些高地应力地层中隧道的做法，片面强调支护的柔性，强调在初期支护施作后要 尽可能让变形释放，而没有及时施作二次支护。那么，什么是新奥法概念的内涵？有人归结为22 条，有人归结为7 条。其实，只有一条， 那就是保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具 体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩 变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。其目的都是为了“保护围 岩，调动和发挥围岩的自承能力。3盾