隧道工程設(shè)計(jì)與施工的發(fā)展沿革及趨勢(shì)

1、隧道工程設(shè)計(jì)與施工的發(fā)展沿革及趨勢(shì)摘 要：本文主要閘述了我國(guó)隧道工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，介紹了國(guó)外隧道的設(shè)計(jì)技術(shù)，并指出近期內(nèi)我國(guó)隧道技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：隧道技術(shù)；現(xiàn)狀展望Development history and trend of tunnel engineering design and constructionAbstract: This paper mainly introduces the current situation and existing problems of tunnel engineering design and construction t

2、echnology in China, introduces the design technology of foreign tunnel, and points out the development trend of China's tunnel technology in the near future.Key words: tunnel technology; present situation; Prospect0 引 言隧道工程的歷史中華民族最為勤勞智慧的民族，為隧道工程的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?！笆T”隧道建于東漢明帝永平九年（公元66年），位于今陜西省漢中縣褒谷口內(nèi)

3、，是我國(guó)最早采用“火燒水澆”開(kāi)鑿的穿山通車隧道。同為古代四大文明發(fā)祥地的古巴比倫，修建了迄今為知最早的交通領(lǐng)域的隧道。即在公元前21802160年左右，古巴比倫人在幼發(fā)拉底河下修筑的行人隧道。此隧道，乃是隧道工程的鼻祖。然而，古代最大的隧道建筑物，其歷史可以繼續(xù)追溯到公元前36，是那不勒斯與普佐利間的婆西里勃隧道，其偉大之處在于，至今仍可以使用，作為人類古代工程瑰寶的同時(shí)，依舊造福著世人。運(yùn)河時(shí)代，也催生了近代隧道。長(zhǎng)157米、建于16661681年的法國(guó)蘭葵達(dá)克隧道，可能也是最早采用火藥開(kāi)鑿的隧道。獅球隧道，于1890年修建于寶島臺(tái)灣，掀開(kāi)了中國(guó)隧道發(fā)展的序幕。伴隨著交通設(shè)施的大力發(fā)展，中國(guó)

4、也迎來(lái)了隧道發(fā)展的黃金時(shí)期：1、鐵路隧道：截止2009年底，我國(guó)已經(jīng)建成鐵路隧道總長(zhǎng)度超過(guò)7000公里。按照2008年修訂的中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，到2020年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12萬(wàn)公里以上，其中高速鐵路1.6萬(wàn)公里。伴隨著中國(guó)鐵路規(guī)劃的實(shí)施，中國(guó)的鐵路隧道發(fā)展突飛猛進(jìn)。在建的鐵路隧道2500多座，總長(zhǎng)4600公里。中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中，中國(guó)將建設(shè)鐵路隧道5000座，長(zhǎng)度超9000公里。2、公路隧道：我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，75%左右的國(guó)土是山地或是重丘，因此，公路的大規(guī)模修建必然帶起了公路隧道的大發(fā)展。2003年底，我國(guó)公路通車?yán)锍?81萬(wàn)公里，其中高速公路近3萬(wàn)公里。到2010年，全國(guó)公路里程

5、達(dá)到約230萬(wàn)公里，高速公路里程約5萬(wàn)公里。而到了2010年底，我國(guó)的公路隧道為7384處，總長(zhǎng)為5122公里。在公路隧道里程增加的同時(shí)，中國(guó)的公路隧道科技水平也在加快發(fā)展中。如2002年3月施工、2007年1月20日通車的秦嶺終南山隧道，總長(zhǎng)18.020公里。其隧道內(nèi)部，擁有世界上最先進(jìn)的特殊燈光帶，通過(guò)變化燈光和圖案，可以緩解駕駛員的視角疲勞，消除駕駛員的焦慮情緒和壓抑心理，為亞洲首創(chuàng)。再一次展現(xiàn)了中國(guó)公路隧道先進(jìn)上的科技水平。3、地鐵：地鐵屬于城市快速軌道交通的一部分，因其運(yùn)量大、快速、少污染、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，常被成為“綠色交通”。中國(guó)伴隨著城市化的快速推進(jìn)，大量人口涌上城市，向城市集中，

6、全國(guó)的大中型城市普遍出現(xiàn)了人口擁擠、交通阻塞、能源匱乏、環(huán)境污染加重等問(wèn)題。與此同時(shí)，地鐵經(jīng)過(guò)150年的發(fā)展，體現(xiàn)了當(dāng)今科技的發(fā)展水平。借鑒國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展地鐵成為中國(guó)解決大中城市交通問(wèn)題的根本途徑，對(duì)于創(chuàng)立和諧社會(huì)具有重要意義。也大力推動(dòng)了隧道工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展。中國(guó)的北京、天津、香港、上海、廣州、深圳等城市都有了地鐵，許多城市還在規(guī)劃建設(shè)中，更有甚者，喊出了口號(hào)“無(wú)地鐵，不城市”。北京地鐵是中國(guó)地鐵的發(fā)祥地，我國(guó)于1965年在北京修建了第一條地鐵，也標(biāo)志著中國(guó)進(jìn)入了地鐵時(shí)代。上海作為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心，代表了中國(guó)地鐵發(fā)展的最高水平。上海是中國(guó)內(nèi)地第三個(gè)擁有地鐵的城市，繼北京、天津之后。

7、而伴隨著其經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，目前上海地鐵的總長(zhǎng)度400km，躍居世界第一位。上海的近期及遠(yuǎn)期規(guī)劃達(dá)到510km和970km，向人們展現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)代化的國(guó)際大都市。現(xiàn)在，中國(guó)已經(jīng)是世界上隧道工程規(guī)模最為龐大的國(guó)家。展望未來(lái)，中國(guó)也將是世界上隧道修建里程和修建技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家：1、我國(guó)地形崎嶇，山地、丘陵、高原約占全國(guó)面積的2/3,。公路或鐵路穿越這些地勢(shì)起伏、山巒縱橫的地區(qū)時(shí)，往往會(huì)遇到高程或平面障礙，因此需要修建隧道克服高程或平面障礙。2、伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了高速增長(zhǎng)的資源流動(dòng)和速度要求，使得全國(guó)交通網(wǎng)路建設(shè)呈現(xiàn)迅猛的發(fā)展，鐵路公路網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的長(zhǎng)大山嶺隧道，隧道橫穿地層的復(fù)雜

8、程度加劇，建設(shè)難度更大；大量高速路網(wǎng)的興建，使隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有了大幅度提高，隧道修建技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。3、中國(guó)一直堅(jiān)持改革開(kāi)放的政策，使得我國(guó)與世界各國(guó)間的交通聯(lián)系在加強(qiáng)，擬建的亞歐大陸橋，將使我國(guó)東北、西北、西南三個(gè)地區(qū)與東南亞、中東、歐洲的交通運(yùn)輸距離大大縮短。這些連接鄰國(guó)的國(guó)際大通道需要修建大量的隧道。此外,我國(guó)江河湖海區(qū)域較為寬闊,我國(guó)沿海公路通道規(guī)劃中常遇到橋梁方案與隧道方案比選的問(wèn)題,另外,內(nèi)河的橫跨通道同樣遇到這樣的問(wèn)題。過(guò)去,跨江(海)通道一般只考慮橋梁方案。譬如在長(zhǎng)江這一黃金水道上,“一橋七架南北,天塹變通途”,這對(duì)于解決南北交通發(fā)揮了巨大作用,但同時(shí)對(duì)航道的不良影響也是顯而易

9、見(jiàn)的。按現(xiàn)有的長(zhǎng)江航道條件,5000噸海輪可直達(dá)武漢,但在南京長(zhǎng)江大橋凈空只有42m,4000噸以上的航船無(wú)法通過(guò)。現(xiàn)南京上游各港口外貿(mào)貨物只能用小船到南京下游港口,轉(zhuǎn)載換成大船出國(guó),造成直接經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的損失巨大。如果抬高橋的通航凈空,然造成上程造價(jià)上揚(yáng),經(jīng)粗略估算,長(zhǎng)江中、下游大型橋梁每提高lm,將提高橋梁總造價(jià)的0.30.4%左右那么抬高多少合適,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展神速的今天是很難預(yù)測(cè)的。最難解決的問(wèn)題是:當(dāng)長(zhǎng)江中下游橋梁達(dá)到一定數(shù)量后,航船和橋墩臺(tái)碰撞隱患和枯水期航道不暢通而待航問(wèn)題嚴(yán)重。相比而言水下隧道(一般有沉管隧道和盾構(gòu)隧道)以其優(yōu)越性日益受到廣泛重視。水下隧道的要優(yōu)點(diǎn)如下：1、不侵占水

10、路航道的凈空,不影響江河、海峽和港口的航運(yùn),不干擾任何航務(wù)設(shè)施。2、不受大風(fēng)、雨、雪、霧等惡劣自然環(huán)境的影響,能全天候通行,并有很強(qiáng)的抵抗戰(zhàn)爭(zhēng)破壞和抗自然災(zāi)害的能力。3、在建設(shè)時(shí)能做到不拆遷或少拆遷,可以大大降低工程綜合造價(jià)。4、具有很大的荷載能力,且結(jié)構(gòu)耐久性好,結(jié)構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低。據(jù)資料,世界上運(yùn)行超過(guò)100年的水下隧道有41座以上。5、對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾影響小。水卜行車避免了噪聲、施工對(duì)周圍環(huán)境的干擾和污染:水下隧道無(wú)任何水流阻力,不會(huì)引起河(海)床的變化。6、水下隧道比較容易做到一洞多用,可以安排城市供水、供電、供氣和通風(fēng)管道等的布置空間7、易于布設(shè)安裝和維修,且綜合造價(jià)低?？傊?不管是山

11、嶺隧道還是水下隧道均是公路線上的重要構(gòu)造物,并以優(yōu)越性發(fā)揮著極大的作用。1 我國(guó)公路隧道概況及存在的主要技術(shù)問(wèn)題近年來(lái)，隨著我國(guó)高等級(jí)公路的發(fā)展，隧道的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，已建成中梁山隧道（3100m）等數(shù)座特長(zhǎng)山嶺隧道和珠江隧道（1238m）等水底隧道。據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成隧道2000余座，總里程越500km。這些隧道在降低交通事故發(fā)生率、縮短行車距離、提高車速、保護(hù)環(huán)境等諸多方面發(fā)揮了積極作用，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益通過(guò)這些隧道的實(shí)踐推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步交通部門有關(guān)單位近年來(lái)圍繞工程實(shí)際問(wèn)題開(kāi)展了科學(xué)研究如公路隧道cAD技術(shù)公路長(zhǎng)隧道縱向通風(fēng)研究公路隧道施工技術(shù)規(guī)范公路隧道通風(fēng)技術(shù)沉管隧道

12、修筑技術(shù)等都取得較好的成果有些單項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)有所突破和創(chuàng)新,受到用戶的好評(píng)和專家的贊賞，但是也應(yīng)看到我們?nèi)〉玫某晒€不多與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比公路隧道修筑技術(shù)水平還很低。我國(guó)交通科技中長(zhǎng)期規(guī)劃中明確指出要在規(guī)劃期間內(nèi)能修筑80m長(zhǎng)以上的公路隧道和大斷面水下隧道我們離這一目標(biāo)還有較大差距在圍巖穩(wěn)定支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)、防排水、營(yíng)運(yùn)通風(fēng)、交通監(jiān)控等方面應(yīng)在“九五”乃至“十五”期間進(jìn)行深入科技攻關(guān)工作“八五”期間，交通部投資在交通部重慶公路科學(xué)研究所修建了較為配套的公路隧道及巖土工程實(shí)驗(yàn)設(shè)施,希望這些設(shè)施在“九五”科技攻關(guān)中發(fā)揮積極作用,面向_程,面向社會(huì),成為開(kāi)放型科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地。據(jù)最近一份調(diào)研報(bào)告表明，全國(guó)

13、公路隧道設(shè)計(jì)與施工按新奧法實(shí)施者不到60%，新技術(shù)應(yīng)用率較低，建成后隧道滲漏水較嚴(yán)重，造成洞內(nèi)設(shè)施及襯砌結(jié)構(gòu)破壞，返修率高，個(gè)別隧道建成僅3年左右就要重新加固襯砌，還重新設(shè)置防排水設(shè)施。由于技術(shù)落后，建設(shè)費(fèi)用和維修費(fèi)用相當(dāng)高，另外4000m長(zhǎng)以上隧道的營(yíng)運(yùn)通風(fēng)等技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有根本解決，制約了高等級(jí)公路的發(fā)展。公路隧道既是道路構(gòu)造物又是地下工程，它涉及結(jié)構(gòu)、巖土、地下水、空氣動(dòng)力、光學(xué)、消防、交通工程、自動(dòng)控制和工程機(jī)械等多種學(xué)科，其技術(shù)屬?gòu)?fù)合技術(shù)。這些年隨著公路隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大其修筑技術(shù)雖有所提高，但仍然存在不少工程技術(shù)問(wèn)題,主要有1、設(shè)計(jì)中，由于荷載不明且圍巖參數(shù)不清，噴錨支護(hù)和二次襯砌設(shè)計(jì)

14、參數(shù)采取工程類比或套用規(guī)范，對(duì)于每一座隧道來(lái)講，這樣做具有很大的主觀性,與實(shí)際山體情況不符。2、防排水技術(shù)落后，對(duì)地下水探測(cè)手段差，隧道滲漏水嚴(yán)重。3、施工中圍巖動(dòng)態(tài)信息反饋技術(shù)差，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低，噴射混凝土回彈率高(嚴(yán)重時(shí)達(dá)56%)。4、營(yíng)運(yùn)通風(fēng)、照明、防災(zāi)等設(shè)施工程設(shè)計(jì)水平較低、缺乏綜合性考慮、長(zhǎng)度4000m以上的公路隧道通風(fēng)中尚有亞待解決的問(wèn)題、有待研制靜電吸塵裝置、為今后修建特長(zhǎng)隧道作技術(shù)準(zhǔn)備。5、隧道內(nèi)交通監(jiān)測(cè)與控制水平落后，目前幾座隧道的交通監(jiān)控設(shè)備均為進(jìn)口。這方面影響了我國(guó)公路隧道的發(fā)展。6、水底隧道技術(shù)還有待開(kāi)發(fā)。為了解決上述難題，“九五”、“十五”期間有必要進(jìn)行重大科技攻關(guān)。當(dāng)

15、然，不可能用5年時(shí)間就能解決所有公路隧道技術(shù)問(wèn)題。但將大大緩解工程對(duì)科技的需求矛盾，提高公路隧道領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的貢獻(xiàn)率(由于公路隧道的造價(jià)高昂，因此科技貢獻(xiàn)率也很高)。2 國(guó)外公路隧道技術(shù)概況與發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)公路隧道落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家,存在諸多原因,其中科學(xué)技術(shù)落后是主要原因。國(guó)外一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視公路隧道建設(shè),尤其是北歐國(guó)家和日本在發(fā)展長(zhǎng)大公路隧道技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位,最長(zhǎng)的山嶺公路隧道達(dá)61公里,海底公路隧道達(dá)9.5公里。新奧法設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、圍巖動(dòng)態(tài)反饋分析技術(shù)、組合式通風(fēng)技術(shù)、營(yíng)運(yùn)交通監(jiān)控技術(shù)及新型防排水材料和技術(shù)等得到廣泛應(yīng)用:同時(shí),隧道掘進(jìn)機(jī)方法(TBM)、盾構(gòu)掘進(jìn)方法(hsie

16、ld)、預(yù)制沉管方法等先進(jìn)技術(shù)和工程方法也被廣泛采用,顯示出強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)和高新技術(shù)對(duì)隧道工程的支撐力。2.1關(guān)于復(fù)合式柔性襯砌設(shè)計(jì)技術(shù)自國(guó)際著名工程地質(zhì)學(xué)家繆勒教授(奧地利人)提出以充分發(fā)揮圍巖山體自承載能力為基本原理,以錨噴支護(hù)及復(fù)合柔性襯砌為主要特征的(NewAusitranTunleingMtehod)以來(lái),隧道f程學(xué)從理論、設(shè)計(jì)到施工發(fā)生了一場(chǎng)革命,它改變了過(guò)去按圍巖荷載全部作用于襯砌上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的傳統(tǒng)思想,在工程造價(jià)、工程進(jìn)度及施工管理等諸多方面都帶來(lái)極大的效益。目前,新奧法在國(guó)外許多國(guó)家被廣泛應(yīng)用于隧道工程中。日本等國(guó)家在有關(guān)技術(shù)規(guī)范、指南中,己明確將該法定為隧道標(biāo)準(zhǔn)工法,

17、并努力開(kāi)發(fā)和應(yīng)用與新奧法相關(guān)的各種技術(shù),其中復(fù)合柔性襯砌設(shè)計(jì)技術(shù)及基于現(xiàn)場(chǎng)施_監(jiān)控和信息反饋解析(也稱信息設(shè)計(jì))的圍巖穩(wěn)定分析技術(shù)是新奧法的核心和關(guān)鍵,各國(guó)專家更著力加以研究。2.2關(guān)于圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與信息反饋技術(shù)由于巖土材料物理特性和力學(xué)特性非常復(fù)雜,要想用解析手段預(yù)測(cè)隧道等地下結(jié)構(gòu)物的力學(xué)動(dòng)態(tài),就必須建立精度很高的本構(gòu)關(guān)系式。然而,本構(gòu)關(guān)系式越復(fù)雜,所含的力學(xué)參數(shù)越多,這些參數(shù)不管是采用室內(nèi)試驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都是非常困難的。由于巖土的非連續(xù)介質(zhì)特性,即使通過(guò)一些較先進(jìn)的手段能測(cè)得這些參數(shù),其解析結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)往往也有較大差異。顯然,將通常的結(jié)構(gòu)分析方法應(yīng)用于地下巖十結(jié)構(gòu)工程是不宜的。所幸的是,

18、象隧道這樣的地下工程,開(kāi)挖面前方雖是未知的,但同時(shí)也是可再設(shè)計(jì)的,這就給人們客觀地評(píng)價(jià)圍巖特性及預(yù)測(cè)開(kāi)挖面前方力學(xué)動(dòng)態(tài)提供了機(jī)會(huì),并進(jìn)而對(duì)地卜結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)使之更符合實(shí)際情況成為可能。即,通過(guò)施現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中,歷時(shí)地對(duì)圍巖變形進(jìn)行量測(cè),然后以這些位移量測(cè)信息為依據(jù),反演計(jì)算圍巖物理力學(xué)參數(shù),在此基礎(chǔ)上重新評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的事前設(shè)計(jì),確定更符合圍巖動(dòng)態(tài)的支護(hù)參數(shù)。將此過(guò)程稱為反分析過(guò)程,或信息化設(shè)計(jì),由于該土作是在施土過(guò)程中完成的,又稱它為現(xiàn)場(chǎng)臨床診斷式施工。關(guān)于以位移量測(cè)信息為依據(jù)的確定性反演分析方法的研究,自80年代以來(lái)取得相當(dāng)進(jìn)展,并日趨成熟。關(guān)于確定性信息反饋技術(shù),國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者已做了許

19、多f_作,并取得一些成就。但是,大量隧道工程實(shí)踐證明,用確定性解得出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果有較大出入。這除了計(jì)算模型及計(jì)算誤差等原因外,隧道開(kāi)挖引起的圍巖動(dòng)態(tài)所具有的不確定性對(duì)上述結(jié)果具有致命性影響。例如,圍巖位移觀測(cè)量具有很強(qiáng)的離散性,它們是一些在確定意義上不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)信號(hào);待求圍巖參數(shù)并非某一確定量而是處于某種隨機(jī)過(guò)程(如MarkovProcseS)的狀態(tài)估計(jì)量,顯然與實(shí)際圍巖狀態(tài)不符,得到的結(jié)果當(dāng)然有很大的離散性。為了更真實(shí)地描述現(xiàn)象的本質(zhì),這些年來(lái),國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)巖土土程的不確定性問(wèn)題,提出了許多新方法。如模糊數(shù)學(xué)手法、灰色理論解析手法、時(shí)間序列分析手法、離散元法、概率有限元法等。在概

20、率分析法中,又有馬爾科夫過(guò)程(MraKovProcse)s分析手法、貝葉斯(Bayes)分析手法等。這些新手法或多或少解決了一些問(wèn)題,值得進(jìn)一步加以研究。近年來(lái),又有人提出將原屬最優(yōu)控制理論的仁爾曼濾波器(Kalmanifltre)用來(lái)分析巖土問(wèn)題,無(wú)疑將巖土上:程非確定性問(wèn)題研究推向深層。關(guān)于卜爾曼濾波器在地卜工程等巖十卜程中的應(yīng)用,據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查,國(guó)外在這方面的研究還很少,許多國(guó)家還是空自,相比之卜,日本走在前面,偶有兒篇研究論文發(fā)表,我國(guó)這方面的研究和應(yīng)用還很少。2.3扁平大斷面公路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)隨著6車道高速公路的增多,我國(guó)大斷面(3車道)公路隧道已開(kāi)始興建,如廣東大寶山隧道、靠椅山隧

21、道、深圳大梅沙隧道、重慶鐵山坪隧道、真武山隧道等。由于3車道公路隧道的斷面積比雙車道大得多,例如,日本第二東名公路的3車道隧道的斷面積為131170m2,比一般雙車道的58m2大1.52.0倍。近期規(guī)劃的3車道公路隧道,為適應(yīng)14okmh/高速行車速度的要求,其斷面積達(dá)170m,020m,局部斷面達(dá)230m2的超大斷面,開(kāi)挖寬度達(dá)23m。英法海峽隧道分義處斷面的開(kāi)挖寬度達(dá)21.2m開(kāi)挖高度達(dá)15.4m,開(kāi)挖斷面積為252.2m2。因此,在隧道位置的選定、隧道斷面形式、隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模式、參數(shù)等,都要加以深入地研究。日本以第2東名一名神高速公路的建設(shè)為依托,從1909年起,

22、開(kāi)始了有系統(tǒng)的,對(duì)超大斷面公路隧道修建中的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行大規(guī)模的研究工作。目前日本己把大斷面公路隧道的修建技術(shù)列為重大研究課題予以實(shí)施。研究的主要內(nèi)容是:1、扁平大斷面隧道的力學(xué)問(wèn)題:由于車道數(shù)的增加,寬度加大了,而高度變化不大,使建筑限界變得扁平,因此,大斷面隧道就不得不作成具有扁平的拱形結(jié)構(gòu)。因而使開(kāi)挖應(yīng)力的重分布變差,底腳處的應(yīng)力集中過(guò)大,要求較大的地基承載力,防止拱頂不穩(wěn)定和出現(xiàn)較大的松弛地壓等。2、隧道斷面結(jié)構(gòu)的研究:如隧道斷面的研究,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究,襯砌結(jié)構(gòu)的研究等。3、施工方法的研究:其中包括基本的施工方法、TBM導(dǎo)坑超前法、不穩(wěn)定圍巖的施工方法及各種輔助方法的研究等。4、

23、施工技術(shù)的研究:如減小超欠挖技術(shù)的研究、長(zhǎng)錨桿技術(shù)的研究、大容量噴射機(jī)的研制,連續(xù)出碴運(yùn)輸系統(tǒng)的研究、濕噴綱纖維混凝土技術(shù)的研究、不良地質(zhì)地段的輔助工法的研究等。斷面的扁平率是大斷面隧道的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。在2車道的情況下,扁平率約為0.58。在3車道的情況下,大都變?yōu)?.46一0.56。隨扁平率的降低,彎矩在增加,同時(shí)側(cè)壓系數(shù)的影響也變大。日本東名3車道隧道的改建中,采用扁平率為0.56真圓率為88%左右?？紤]到側(cè)壁和襯砌拱腳處應(yīng)力較大,仰供的半徑取上半半徑的2倍(通常的2車道隧道取.26一2.7倍，側(cè)壁和仰拱的連接曲線半徑取.25m2(車道時(shí)取1.om),為避免應(yīng)力集中,即使在圍巖良好的情

24、況下也應(yīng)設(shè)置仰拱。扁平大斷面隧道的主要施工方法一般有上半斷面超前臺(tái)階法、上半斷面臨時(shí)閉合的臺(tái)階法、中隔壁法(cD工法)、雙測(cè)壁導(dǎo)坑超前法。通常還需要采用小導(dǎo)管超前支護(hù)、壓漿或管棚等特別輔助方法與上述主要方法配合施工。在承載力不足的洞口段或掌子面不穩(wěn)定的隧道中,國(guó)外多采用雙側(cè)導(dǎo)坑法或中隔壁法。這兩種方法特別適用于地質(zhì)差、斷面大、地表下沉有嚴(yán)格要求的情況。據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐表明,與臺(tái)階法開(kāi)挖相比,這兩種方法開(kāi)挖引起的地表下沉量很小,因此特別適用于扁平大跨度淺埋隧道開(kāi)挖。2.4關(guān)于山嶺公路隧道防排水技術(shù)防排水是公路隧道工程的重要環(huán)節(jié)之一,關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全和洞內(nèi)行車安全。由于公路隧道內(nèi)設(shè)有通風(fēng)機(jī)、照明燈具

25、、消防器材、攝像機(jī)、交通監(jiān)視器和環(huán)境監(jiān)視器等,為防止造成各設(shè)備的失效,不允許洞內(nèi)出現(xiàn)滲透水。因此,公路隧道的防排水相對(duì)其它地下_L程尤為重要和嚴(yán)格。國(guó)外經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面做了大量工作,在防排水新材料開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)自身防水,聯(lián)接止水帶、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝工藝等均取得許多研究成果,其工程效果良好。相比而言,我國(guó)公路隧道防排水技術(shù)較為落后。我國(guó)對(duì)山嶺公路隧道的防排水技術(shù)尚未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究。因此就我國(guó)來(lái)講,在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,從構(gòu)造設(shè)計(jì)、防排水材料和施工工藝三方面作系統(tǒng)、全面、深入、細(xì)致的研究,解決山嶺公路隧道的滲漏問(wèn)題,是我國(guó)山嶺公路隧道防排水技術(shù)作的當(dāng)務(wù)之急。2.5關(guān)于通風(fēng)專用設(shè)備靜電吸塵技術(shù)進(jìn)入八

26、十年代,隨著我國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè),公路隧道發(fā)展較快,需要建設(shè)的長(zhǎng)大公路隧道越來(lái)多,但由于在通風(fēng)設(shè)備上落后,在靜電吸塵機(jī)的開(kāi)發(fā)和利用方面還處于空白,使得我國(guó)經(jīng)濟(jì)地建設(shè)行車安全、舒適的長(zhǎng)大公路隧道受到嚴(yán)重制約。國(guó)外八十年代以前,在公路隧道基本沿用傳統(tǒng)的三種通風(fēng)方式,沒(méi)有大的突破。進(jìn)入八十年代,由于日本研制出新型通風(fēng)設(shè)備靜電吸塵裝置,把單純的稀釋廢氣的思路,轉(zhuǎn)化為稀釋與凈化相結(jié)合,使公路隧道通風(fēng)產(chǎn)生了一次飛躍,日本相繼在長(zhǎng)3.6km的惠那山隧道、長(zhǎng)1Ikm的關(guān)越隧道以及剛建成不久的9.skm的東京灣橫斷公路隧道和長(zhǎng)3.3km的舞子隧道等多座公路隧道中采用了這一新技術(shù),并正在不斷改進(jìn)和推廣。挪威經(jīng)努力

27、于1990年在奧斯陸隧道首次采用了靜電吸塵裝置,奧地利、英國(guó)等正著手這種新裝置的研究和使用。目前,世界各國(guó)都對(duì)靜電吸塵裝置的思路給予肯定,并作為高技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行研制和利用,日本和挪威處于領(lǐng)先地位。繼研制完成大型靜電吸塵裝置之后,小型吊頂式靜電吸塵裝置和能綜合處理多種有害氣體的裝置又研制成功。日本研制的小型吊頂靜電吸塵裝置已在兩座新建隧道中采用?？梢灶A(yù)言,直到下一世紀(jì),公路隧道通風(fēng)將以采用集安全、經(jīng)濟(jì)、舒適于一體的新型通風(fēng)設(shè)備為其發(fā)展方向。2.6關(guān)于交通監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)八十年代后期,我國(guó)上海延安隧道引進(jìn)西德部分關(guān)鍵技術(shù)和控制設(shè)備,開(kāi)創(chuàng)了城市隧道控制技術(shù)應(yīng)用的首例,時(shí)至今日,我國(guó)干線隧道控制技術(shù)的研

28、究與應(yīng)用幾乎還是空白。發(fā)達(dá)國(guó)家早在1968年就開(kāi)始了高速公路交通異常自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究,目前已發(fā)展了平滑法、加利福尼亞法、IHOCC法、簡(jiǎn)化卡爾曼濾波法、互相關(guān)法、災(zāi)變法等交通異常自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。1989年歐洲共同體提出的DRIVE計(jì)劃與美國(guó)聯(lián)邦公路局提出的IvHS技術(shù),仍在進(jìn)行這一方面的研究和探索。對(duì)于隧道安全與控制技術(shù),意大利、瑞士、西德、日本等都十分重視,早在六十年代就已開(kāi)始了隧道控制技術(shù)和監(jiān)控設(shè)備的研究,并在隧道內(nèi)實(shí)施計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制?？刂圃O(shè)備朝定型化方向發(fā)展,西班牙和西德SBH公司的產(chǎn)品先后在我國(guó)上海、廣州進(jìn)行展覽,并與科研設(shè)計(jì)部門進(jìn)行過(guò)一些學(xué)術(shù)交流。以日本關(guān)越隧道為例,重視國(guó)外隧道安全

29、與控制技術(shù)的概況,該隧道全長(zhǎng)1Ikm,2車道雙洞,隧道內(nèi)設(shè)有可控制的軸流式風(fēng)機(jī)系統(tǒng),閉路電視攝像與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車輛檢測(cè)及其處理系統(tǒng)、移動(dòng)式無(wú)線電裝置、緊急電話、廣播,煙霧和co濃度監(jiān)測(cè)控制裝置、火災(zāi)報(bào)警與消防栓、電子情報(bào)板、車道指示器及按洞內(nèi)外環(huán)境照度控制的照明系統(tǒng),并建立了以計(jì)算機(jī)為中心的控制與處理系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子計(jì)算機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化檢測(cè)技術(shù)、激光、生物工學(xué)等新技術(shù)正涉入土木工程,隧道監(jiān)控技術(shù)正逐步發(fā)生質(zhì)的變化?？梢灶A(yù)見(jiàn),隨著隧道控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,公路隧道的功能更加完善,更加智能化。2.7公路隧道T一程特殊修筑方法2.7.1全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)方法由于全斷面

30、隧道掘進(jìn)機(jī)具有施工速度快、隧道成型好、機(jī)械化程度高以及對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),己成為國(guó)外隧道開(kāi)挖普遍采用的方法。世界上第一臺(tái)TBM是于1851年由美國(guó)的Chareiswilson開(kāi)發(fā)的,并于1852年在美國(guó)馬薩諸塞州的Hosac鐵路隧道中進(jìn)行了試驗(yàn)掘進(jìn),但那時(shí)掘進(jìn)速度非常慢，低于鉆爆開(kāi)挖方法的速度。TBM真正進(jìn)入實(shí)用階段的時(shí)間是本世紀(jì)05年代中期。當(dāng)時(shí)美國(guó)西雅圖的JmaseS.Robbisn進(jìn)入了TBM制造領(lǐng)域。RbobinS的TBM于1954年首次成功地應(yīng)用于美國(guó)南Daktoa的Dahe壩的隧洞中。這臺(tái)TBM的直徑為sm,穿過(guò)的巖層為斷層破碎帶和節(jié)理發(fā)育的頁(yè)巖。該機(jī)與1955年提供的另一臺(tái)T

31、BM的掘進(jìn)總長(zhǎng)度為6750m,最好的日進(jìn)度為24m,最好的周進(jìn)度達(dá)109m。進(jìn)入08年代后期BM技術(shù)和程應(yīng)用得到極大發(fā)展。1992年,法國(guó)采用日本開(kāi)發(fā)制造大斷面掘進(jìn)機(jī)(直徑1.20m)用于公路隧道2(車道XZ,總長(zhǎng).64km),平曲半徑70Om,縱曲半徑020m,最大縱坡士3.5%,TBM動(dòng)壓0.3PMa,靜壓06PMa,成為在公路隧道成功應(yīng)用的范例。英法海峽隧道工程總共采用1臺(tái)丫BM(英國(guó)側(cè)6臺(tái),法國(guó)側(cè)5臺(tái)),每月掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)50m獲得成功。該隧道為列車搭載汽車的運(yùn)輸方式,全長(zhǎng)05km,兩管主隧道的內(nèi)徑為7.6m,其中間的服務(wù)隧道內(nèi)徑為4.8m,二條隧道平行,之間距離15m。該隧道于1753年

32、提出構(gòu)想,于1968年5月動(dòng),9119年6月掘進(jìn)貫通,9194年5月投入營(yíng)運(yùn)。目前,我國(guó)僅在鐵路隧道、水工隧洞中使用過(guò)TBM,在公路隧道方面還沒(méi)有實(shí)踐的例子。2.7.2盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的方法這種掘進(jìn)機(jī)適用于軟土、淤泥地層,一般多用于沿海沖積層地層中開(kāi)挖隧道。目前最成功的范例是日本東京灣海底公路隧道,該隧道采用直徑14.14m巨大泥水型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),隧道長(zhǎng)約9.skm,隧道外徑319km,為3管6車道,海底理深為50m一60m,海底高水壓達(dá)5一6噸f/cmZ,該工程在長(zhǎng)距離掘進(jìn)、高水壓對(duì)接、防海水腐蝕、抗地震接頭、L上水接頭、防地基沉降、防上浮、巨大斷面穩(wěn)定掘進(jìn)管理等若干方面取得優(yōu)秀技術(shù)成果。該隧道于1

33、9“年4月開(kāi)始進(jìn)行環(huán)境和地質(zhì)調(diào)查,1997年21月建成投入營(yíng)運(yùn)。我國(guó)采用盾構(gòu)機(jī)方法的隧道有上海延安東路隧道1、2號(hào)線和扣一浦路隧道(均穿越黃浦江)。2.7.3沉管隧道的方法這種方法是預(yù)先在岸上形成干船塢,廠制成作為隧道主體的一段段箱結(jié)構(gòu)(一般箱體長(zhǎng)度為80m120m,斷面為矩形),箱體兩端先臨時(shí)密封,然后放水進(jìn)入干船塢內(nèi),箱體上浮拖運(yùn)至海(河)面設(shè)計(jì)軸線處,對(duì)箱體兩側(cè)附箱注水,使其下沉,沉放至己預(yù)先疏通好的海(河)床設(shè)計(jì)標(biāo)高處,然后與先行沉放的箱體進(jìn)行對(duì)接,施作止水L幾程,將每段箱體連接起來(lái),并打開(kāi)箱體臨時(shí)密封門,從而形成水卜沉管隧道。目前,國(guó)外在江河湖海修建通道時(shí)廣泛采取水卜沉管隧道的方式,己是較為成熟的技術(shù)。自1894年美國(guó)建成世界上第一座沉管隧道以來(lái),至今有10年歷史了,己在17個(gè)國(guó)家建成了160座沉管式水卜隧道。由于水下沉管隧具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì),它的幾個(gè)主要技術(shù)難題又己基本解決,本世紀(jì)50年代以來(lái),己異軍突起,長(zhǎng)盛不衰,其建成的數(shù)量己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了采用盾構(gòu)、暗挖等其他方法施仁的水下隧道。由于沉管隧道的斷面形狀特別適用于公路隧道,因此被公路隧道廣泛應(yīng)用。我國(guó)臺(tái)灣于1948年建成了高雄海底沉管隧道;香港已在維多利亞港建成了三條海底沉管隧道。目前,由我國(guó)交通部海上救助打撈局繼香港東區(qū)沉管隧道建成